Numerische und experimentelle Untersuchung eines Ultraschall-Schlagbohrwerkzeugs

Autor: Christian Potthast

ISBN: 978-3-941416-28-4

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2009

Herausgeber der Reihe: Jörg Wallaschek

Band-Nr.: IDS 04/2009

Umfang: 207 Seiten, 152 Abbildungen

Schlagworte: Modellierung von Stoßvorgängen, ultraschallüberlagerte Materialbearbeitung, numerische Simulation, nichtlineare Finite Elemente Methode

Kurzfassung: Vom Jet Propulsion Laboratory wurde ein neuartiges, piezoelektrisch betriebenes Schlagbohrwerkzeug für die Entnahme von Gesteinsproben bei Raumfahrtmissionen vorgestellt, das ohne Rotationsfreiheitsgrad arbeitet. Die Besonderheit des Systems besteht in der mittels einer Schlagmasse realisierten losen Kopplung zwischen einem Ultraschallkonverter und dem Bohrer. Vor dem Hintergrund einer Effizienzsteigerung des Bohrwerkzeugs sind die Ziele der vorliegenden Arbeit einerseits der Aufbau eines Systemverständnisses und andererseits die Bereitstellung von mathematisch-physikalischen Modellen, die für eine systematische Suche nach Optimierungsmöglichkeiten im Rahmen von Parameterstudien geeignet sind. In experimentellen Untersuchungen an einem Prototypen konnte festgestellt werden, dass das Bewegungsverhalten des Aktors im Wesentlichen durch parabelförmige Freiflugphasen des Konverters mit wechselnder, anpresskraftabhängiger Maximalflughöhe gekennzeichnet ist. Dabei weisen weder die Verschiebungen des Konverters noch die Bewegungen von Schlagmasse oder Bohrer eine Periodizität oder dominierende Frequenzanteile auf. Für die Modellierung des Gesamtsystems stellt die korrekte Abbildung der Stoßvorgänge, die für den Energietransport vom Ultraschallkonverter über Schlagmasse und Bohrer zum Untergrund verantwortlich sind, die größte Herausforderung dar. Drei unterschiedlich komplexe Modellierungsansätze wurden hinsichtlich Ergebnisqualität, Modellierungsaufwand und Rechenzeitbedarf untersucht: ein Starrkörpermodell mit unstetiger Stoßbehandlung mittels Stoßzahlen, ein Finite-Elemente- Modell und ein Starrkörpermodell mit zeitkontinuierlicher Stoßmodellierung. Obwohl die Dynamik des Aktors mit allen untersuchten Modellierungsansätzen grundsätzlich abgebildet werden kann, stellt das Starrkörpermodell mit zeitkontinuierlicher Regularisierung der Stoßkontakte den besten Kompromiss bezüglich der untersuchten Kriterien dar. In einer abschließenden Parameterstudie wurden die Schwingungsamplitude des Ultraschallkonverters und die Schlagmasse in mehreren Schritten variiert. Ein einfaches Abtragsmodell auf Basis des an den Untergrund übertragenen Impulses erlaubt die Ermittlung einer Abbaukenngröße und somit die Gegenüberstellung von Simulationsergebnissen und gemessenen Bohrtiefen. Die Simulation prognostiziert übereinstimmend mit den Messungen einen mit steigender Schwingungsamplitude zunehmenden Materialabtrag und zeigt im Bereich von Schlagmassen von etwa 2 g ein Optimum in der Untergrundschädigung.