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Experiments with the bonding machine Show image information
Quality evaluation of bonded interconnects using a shear tester. Show image information
Reliability analysis of a friction clutch. Show image information
Lab work in teaching. Show image information
Transport of fine powder using ultrasonic vibrations Show image information

Experiments with the bonding machine

Quality evaluation of bonded interconnects using a shear tester.

Reliability analysis of a friction clutch.

Lab work in teaching.

Transport of fine powder using ultrasonic vibrations

Dynamics and Mechatronics (LDM)

Members of the Chair of Dynamics and Mechatronics

Amelie Bender, M.Sc.RWTH

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 Amelie Bender, M.Sc.RWTH

Dynamics and Mechatronics (LDM)

Research Assistant - Condition Monitoring

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Open list in Research Information System

2019

Konstruktion und Zustandsüberwachung eines Gummi-Metall-Teils mit integriertem Thermoelement

A. Bender, K. Reinke, W. Sextro, in: 10. VDI-Fachtagung Schwingungen von Windenergieanlagen 2019, 2019, pp. 241-248

Gummi-Metall-Teile (GM-Teile) werden zur Schwingungsreduktion u. a. in Windenergieanlagen eingesetzt. Mögliche Anwendungen der Teile liegen in Wellen-, Generator- und Getriebelagerungen, Lagern für die Gondel und ihre Komponenten sowie in Drehmomentstützen. Mit dem Ziel eine prädiktive Instandhaltung zu realisieren, soll eine Zustandsüberwachung für die GM-Teile entwickelt werden. Diese Entwicklung basiert auf der Umsetzung diverser Schritte. Neben der funktionalen Betrachtung wird zwingend auch die konstruktive Integration der Sensoren in das überwachte Teil berücksichtigt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der verwendeten Messgröße Temperatur, die mittels ausgewählter Sensorik detektiert wird. Dabei werden Lebensdauerversuche unter instationären Betriebsbedingungen durchgeführt, um diese Messdaten zu generieren. In der Datenauswertung werden sie hinsichtlich der Degradierung des GM-Teils analysiert und für die Ermittlung der nutzbaren Restlebensdauer verwendet. Rubber-metal-elements are used for isolation of vibrations e. g. in wind turbines. Possible applications of the elements are shaft bearings, generator bearings, gearbox bearings, bearings for the nacelle and its components and torque supports. In order to realize predictive maintenance, an accurate condition monitoring system for rubber-metal-elements should be developed. During that development different aspects have to be implemented. Additionally to the functional analysis, the constructive integration of the sensors into the monitored part is mandatory. The focus of this work is on the measured variable temperature, which is detected by means of appropriate sensors. Thereby lifetime tests are run under non-stationary operating conditions to generate temperature measurements. During data analysis, the measured data is analyzed regarding the degradation of the rubber-metal-elements and remaining useful lifetimes are estimated.


Remaining useful lifetime prediction based on adaptive failure thresholds

A. Bender, L. Schinke, W. Sextro, in: Proceedings of the 29th European Safety and Reliability Conference (ESREL2019), 2019, pp. 1262-1269

Remaining useful lifetime (RUL) predictions as part of a condition monitoring system are focused in more and more research and industrial applications. To establish an efficient and precise estimate of the RUL of a technical product, different uncertainties have to be handled. To minimize the uncertainties of the RUL estimation, a reliable and accurate prognostic approach as well as a good failure threshold are important. Regarding the failure threshold, most often an expert sets a fixed failure threshold. However, neither the a priori known failure threshold nor a fixedthreshold value are feasible in every application. Especially in the case of varying characteristics of the monitored system, an adaptive failure threshold is of great importance concerning the accuracy of the RUL estimation. Rubber-metal-elements, which are used in a wide range of applications for vibration and sound isolation, are mon-itored by thermocouples to allow for lifetime predictions. Therefore, the element’s state is described by its temper-ature during its service life. Aiming to establish accurate RUL predictions of a rubber-metal-element, uncertainties due to nonlinear material characteristics and changing operational conditions have to be considered. Consequently, different temperature-based failure threshold definitions are implemented and compared within a particle filtering approach.


Digital Twin for Reliability Analysis During Design and Operation of Mechatronic Systems

T. Kaul, A. Bender, W. Sextro, in: Proceedings of the 29th European Safety and Reliability Conference (ESREL2019), 2019, pp. 2340-2347

As the emerging digitalization of technical systems offers immense opportunities to be exploited by means of bigdata analysis, ubiquitous computing and largely networked systems, the digital twin comes into focus to combineall these aspects to an attendant model of an individual system during design phase as well as during operation.Since state-of-art technical systems are growing increasingly complex due to inherent intelligence and increasingfunctionality, i. e. autonomous behavior so far, it becomes considerably challenging to ensure reliability for thosesystems. Many methods were developed to support a reliability focused design or reliability-by-design approachesto tackle this challenge during design process. In field, data-based methods, i. e. condition monitoring enabled bythe rise of machine learning approaches, are exploited to ensure a reliable operation based on the current conditionof the monitored system. In order to take advantage of existing models of system reliability during design phaseand condition monitoring systems during operation, a method is proposed to combine both approaches in order toset up a digital twin with focus on system reliability. The base model of the digital twin is taken from the systemreliability model from the design phase and is used during operation and therein updated to the current reliabilitybased on the state estimation of the condition monitoring system. The approach is illustrated with a case study of arolling bearing test rig.


2018

A particle filtering approach for temperature based prognostics

A. Bender, W. Sextro, in: Safety and Reliability – Safe Societies in a Changing World, 2018, pp. 1025-1033

Rubber-metal-elements are used in a wide range of applications for vibration and sound isola- tion. Nowadays it is state of the art to calculate the lifetimes of these elements under mechanical stress prior to their service life. To establish more reliable and safer rubber-metal-elements, continuous monitoring by dif- ferent sensors can be used. Especially prognostics enable a rise in reliability, availability and safety. To estab- lish these advantages, estimating the remaining useful lifetime of rubber-metal-elements should be realized during its service life based on current information on its condition. Therefore a suitable measure to monitor the condition of the element is necessary. This work focuses on temperature signals. This approach allows in- cluding the ambient temperature and thereby involving changing operating conditions. For estimating the RUL of rubber-metal-elements a model-based prognostics approach based on particle filtering is proposed. Its performance is analyzed regarding relevant parameters to enable the best performance for the applied data.


2017

Modellbasierte Prognose der nutzbaren Restlebensdauer von Gummi-Metall-Elementen

A. Bender, J.K. Kimotho, S. Kohl, W. Sextro, K. Reinke, in: 15. Internationale Schienenfahrzeugtagung, 2017, pp. 123-125

In vielen verschiedenen Industriezweigen hat sich Condition Monitoring aufgrund seiner finanziellen und sicherheitstechnischen Vorteile bereits etabliert. Um die Verlässlichkeit und die Auslastung zu steigern, sowie um die Lebenszykluskosten zu reduzieren, steigt auch im Schienenfahrzeugbereich die Anzahl an eingesetzten Condition Monitoring Systemen. Studien zu Versagensmodi von Schienenfahrzeugen haben gezeigt, dass Versagensursachen meistens in den Radprofilen oder im Fahrwerk liegen [1]. Wird das Fahrwerk heute mittels Condition Monitoring überwacht, werden hierfür häufig Sensoren an den Wagons angebracht, um bspw. deren Schwingungen zu kontrollieren [2, 3]. In dieser Arbeit liegt der Fokus auf Gummi-Metall-Elementen (GM-Elementen) der Jörn GmbH.; als elastische Lager im Drehgestell sind diese Teil des Fahrwerks eines Schienenfahrzeugs. Mit dem Ziel die Wartungsplanung dieser Elemente zu optimieren, ist untersucht worden, ob diese Elemente einzeln mittels Condition Monitoring überwacht werden können. Die hierfür durchgeführten beschleunigten Lebensdauertests werden im nächsten Abschnitt erläutert. Anschließend werden die modellbasierten Methoden dargestellt, die aufbauend auf den im Versuch aufgezeichneten Daten eine Prognose der nutzbaren Restlebensdauer (RUL, remaining useful lifetime) der GM-Elemente aufstellen. Im letzten Abschnitt folgen eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick.


Neuartiges Konzept zur Lebensdauerprognose von Gummi-Metall-Elementen

A. Bender, W. Sextro, K. Reinke, in: VDI-Berichte 2301, 2017, pp. 49-60

In der Windenergieindustrie haben die Größen Zuverlässigkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit eine enorme Bedeutung erlangt aufgrund des Trends Windenergieanlagen zur optimalen Windausnutzung an schwer zugänglichen Positionen aufzustellen, wie bspw. Offshore. Dies führt zu erschwerten Wartungsbedingungen und damit zu höheren Kosten. Der Einsatz von Condition Monitoring hat sich in dieser Industrie etabliert, denn diese Technik ermöglicht eine Zustandsdiagnose des überwachten Systems und eine Prognose seiner nutzbaren Restlebensdauer (remaining useful life: RUL), jeweils basierend auf geeigneten Sensordaten. In dieser Arbeit wird ein Konzept für ein produktspezifisches Condition-Monitoring-System für Gummi-Metall-Elemente (GM-Elemente) vorgestellt, welches den Schwerpunkt auf die Prognose der RUL dieser Elemente setzt. In Windenergieanlagen werden zahlreiche GM-Elemente zur Geräusch- und Schwingungsisolation verwendet. Der Einsatz des hier vorgestellten produktspezifischen Condition-Monitoring-Systems kann somit einen erheblichen Beitrag zum verlässlichen Betrieb von Windenergieanlagen liefern, da die Überwachung einzelner Komponenten in die Zustandsüberwachung der gesamten Anlage integriert und dadurch der Betrieb der Anlage optimiert werden kann. In dieser Arbeit werden einige Herausforderungen diskutiert, die sich bei der Entwicklung eines Condition-Monitoring-Systems für GM-Elemente ergeben. So wird evaluiert, welche Größen sich zur Beschreibung der Alterung eines spezifischen Elements eignen und wie diese gemessen werden können. Temperaturen werden bereits in einigen technischen Systemen, wie auch in Windenergieanlagen, aufgezeichnet und ausgewertet, aber ihr Potential für die Bestimmung der RUL der überwachten Komponente ist noch nicht ausgeschöpft. Hier wird eine Lösungsmöglichkeit vorgestellt, die auf Temperatursensoren aufbaut. Als Grundlage für die Entwicklung des Condition-Monitoring-Systems wurden beschleunigte Lebensdauerversuche der GM-Elemente auf einem Versuchsstand zur Schwingungsanalyse durchgeführt. In diesen Lebensdauerversuchen wird die mechanische Alterung eines GM-Elements über einen kraftgeregelten Hydraulikzylinder erzielt. Dabei wird das Ende der Lebensdauerversuche in einem ersten Schritt über die Wegamplitude des Zylinders bestimmt. Während dieser Versuche wurden diverse Sensoren eingesetzt. Die aufgezeichneten Temperaturdaten zeigen, dass sich Temperaturmessungen eignen die Lebensdauer von GM-Elementen mittels Condition Monitoring Prognosemethoden zu schätzen.


Entwicklung eines Condition Monitoring Systems für Gummi-Metall-Elemente

A. Bender, T. Kaul, W. Sextro, in: Verlagsschriftenreihe des Heinz Nixdorf Instituts Band 369, Paderborn, 2017, 2017, pp. 347-358

Zuverlässigkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit gewinnen bei der Anwendung von technischen Systemen eine immer größere Bedeutung. Aus diesem Grund hat sich Condition Monitoring, die Zustandsüberwachung eines technischen Produkts, in verschiedenen Industriebranchen etabliert. Die sensorbasierte Überwachung eines Produkts während seiner Betriebsdauer in Kombination mit Condition Monitoring Methoden ermöglichen die Bestimmung des aktuellen Zustands des Produkts und somit eine Diagnose, ob das Produkt seine ihm zugeschriebene Funktion zum aktuellen Zeitpunkt erfüllt. Neben Diagnosen bietet Condition Monitoring auch die Möglichkeit Prognosen aufzustellen, dabei wird die restliche Nutzungsdauer des Produkts aufbauend auf geeigneten Sensordaten geschätzt. So kann eine intelligente Wartungsplanung umgesetzt werden, die im Gegensatz zu klassischen Ansätzen keine festen Wartungsintervalle benötigt und die Nachteile einer rein reaktiven Wartung kompensiert. Stattdessen ist es möglich ein Element bis vor das Ende seiner Lebensdauer zu nutzen und erst dann zu warten, um eine optimale Nutzung zu gewährleisten. Durch eine Bestimmung der verbleibenden Restlebensdauer während des Betriebs ist eine optimale Wartungsplanung möglich, wodurch die Verfügbarkeit und die Auslastung der überwachten Produkte signifikant gesteigert werden kann. In dieser Arbeit soll ein produktspezifisches Condition Monitoring System für Gummi-Metall-Elemente entwickelt werden. Diese Elemente werden zur Federung, Geräusch- und/oder Schwingungsisolation in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie bspw. in Nutz- und Schienenfahrzeugen oder Windenergieanlagen. In Industrie und Forschung werden bereits Zustandsüberwachungen von Systemen mit integrierten Gummi-Metall-Elementen eingesetzt, allerdings noch keine Condition Monitoring Systeme zur alleinigen Zustandsüberwachung dieser Elemente. Aktuell ist es üblich die Lebensdauer dieser Elemente aufbauend auf beschleunigten Lebensdauerversuchen und Erfahrungswerten abzuschätzen. Mit dem Ziel die Lebensdauer des fokussierten Produkts präziser vorherzusagen und damit eine intelligente Wartungsplanung zu ermöglichen, wird die Entwicklung eines Condition Monitoring Systems für Gummi-Metall-Elemente angestrebt und in dieser Arbeit erläutert.


Patent - DE: 10 2017 000 926.0. Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil, insbesondere einem Gummi-Metall-Lager und mit einer Einrichtung zur Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer, sowie Verfahren zur Bestimmung der Bauteil-Restnutzungsdauer.

K. Reinke, A. Bender, T. Meyer, W. Sextro, J.K. Kimotho. Patent - DE: 10 2017 000 926.0. Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil, insbesondere einem Gummi-Metall-Lager und mit einer Einrichtung zur Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer, sowie Verfahren zur Bestimmung der Bauteil-Restnutzungsdauer., Patent DE: 10 2017 000 926.0. 2017.

Die Erfindung betrifft ein Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil als Strukturteil und/oder Lagerteil, auf das im Betriebsverlauf von wechselnden Betriebszuständen abhängige, unterschiedliche Verformungskräfte einwirken, die zu einem die Bauteilnutzungsdauer begrenzenden Bauteilverschleiß führen, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Bauteilnutzungsdauer und einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer. Erfindungsgemäß wird ein sich zeitversetzt wiederholender, jeweils gleicher Betriebszustand vorbestimmt, dem eine jeweils gleiche, periodisch wirkende Verformungskraft zugeordnet ist, durch die das elastisch verformbare Bauteilmaterial periodisch verformt wird, wobei durch Walkarbeit ein Energieeintrag mit einem messbaren Temperaturanstieg im Vergleich zu einer Umgebungstemperatur erfolgt und wobei der jeweilige Temperaturanstieg als Kenngröße im Verlauf einer Bauteilnutzungsdauer entsprechend einer abnehmenden Bauteilsteifigkeit größer wird. Ein solcher vorbestimmter Betriebszustand wird jeweils von einer Messund Auswerteeinheit erkannt und ein Messvorgang durch ein Startsignal selbsttätig gestartet, wobei mit wenigstens einem bauteilzugeordneten Temperatursensor, der aktuelle Temperaturanstieg im Vergleich zur Umgebungstemperatur als Kenngröße für eine aktuelle Bauteilsteifigkeit gemessen und jeweils in einer Messkurve gespeichert und verglichen wird.


Patent - DE: 10 2017 000 925.2. Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil, insbesondere einem Gummi-Metall-Lager und mit einer Einrichtung zur Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer, sowie Verfahren zur Bestimmung der Bauteil-Restnutzungsdauer

K. Reinke, A. Bender, T. Meyer, W. Sextro, J.K. Kimotho. Patent - DE: 10 2017 000 925.2. Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil, insbesondere einem Gummi-Metall-Lager und mit einer Einrichtung zur Feststellung des Beginns einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer, sowie Verfahren zur Bestimmung der Bauteil-Restnutzungsdauer, Patent DE: 10 2017 000 925.2. 2017.

Die Erfindung betrifft ein Gerät mit wenigstens einem elastisch verformbaren Bauteil als Strukturteil und/oder Lagerteil, auf das im Betriebsverlauf von wechselnden Betriebszuständen abhängige, unterschiedliche Verformungskräfte einwirken, die zu einem die Bauteilnutzungsdauer begrenzenden Bauteilverschleiß führen, und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Bauteilnutzungsdauer und einer verschleißbedingten Bauteil-Restnutzungsdauer. Erfindungsgemäß wird ein sich zeitversetzt wiederholender, jeweils gleicher Betriebszustand vorbestimmt, dem eine jeweils gleiche Verformungskraft zugeordnet ist, durch die das elastisch verformbare Bauteilmaterial verformt wird. Ein solcher vorbestimmter Betriebszustand wird jeweils von einer Mess- und Auswerteeinheit erkannt und ein Messvorgang durch ein Startsignal selbsttätig gestartet, wobei mit wenigstens einem bauteilzugeordneten Beschleunigungssensor, die aktuelle Beschleunigung der Verformung oder daraus abgeleitete Kennwerte als Kenngröße für eine aktuelle Bauteilsteifigkeit gemessen und jeweils in einer Messkurve gespeichert und verglichen wird.


Open list in Research Information System

The University for the Information Society