Zerstörungsfreie elektrothermale Prüfung
von elektrischen Zündmitteln
Im Rahmen eines vom BMWi geförderten INNO-WATT-Vorhabens wurde das Forschungsprojekt „Verfahren und Prüfeinrichtungen zur zerstörungsfreien Qualitätsprüfung von elektrischen Zündmitteln in der Fertigung und Lagerung“ in Kooperation mit der Fachgruppe Explosivstoffe der Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung (BAM) erfolgreich bearbeitet. Ziel dieses Projektes war es, eine neuartige messtechnische Lösung zu finden für die zerstörungsfreie Prüfung von elektrischen Zündmitteln für Sprengstoffe in zivilen Anwendungen (Bergbau und Airbag), speziell für Brückenzünder mit Ni/Cr Draht.
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Abb. 1:
Diskretisierungsgitter des Anzündermodells |
Abb. 2:
Simulationsergebnisse |
Auf der Basis theoretischer Kenntnisse und messtechnischer Anforderungen wurden praktische Applikationen diskutiert und der Prototyp einer Prüfeinrichtung entwickelt. In der Norm DIN EN 13763-20 ist die Bestimmung des Gesamtwiderstan-des für elektrische Zündmittel beschrieben. Er liefert jedoch keine Aussage über die thermischen Kopplungen zwischen Anschlusskontakt, Glühdraht und Explosivstoff sowie zum Verhalten unter Zündstrombedingungen. Deshalb wurde ein neues Prüfverfahren entwickelt, das die Widerstandsänderung dynamisch bei Strömen unterhalb der Nichtansprechstromstärke bestimmen kann. Dieses Verfahren ist in Deutschland noch nicht bindend eingeführt, wird jedoch international im Standard AIAA* S-113-2005 „Criteria for Explosive Systems and Devices on Space and Launch Vehicles“ vorgegeben.
Um sich einer praktischen Lösung zu nähern, entwickelte AUCOTEAM gemeinsam mit den Fachspezialisten Prof. Rohrbeck und Dr. Rudolph (Firma 3s) ein mathematisches Modell eines Anzünders. Zuerst wurden die physikalischen Zusammenhänge eines homogenen Widerstandselementes mit axialen Elementen im Vakuum beschrieben. In einem zweiten Schritt wurden neben der Wärmeproduktion und -ausbreitung im Zünddraht der Wärmeübergang vom Draht zum Zündmittel und deren Ausbreitung berücksichtigt (Abb. 1). Mit dieser mathematischen Beschreibung kann man sowohl die Wärmeleitung des Anzünderdrahtes zu den Metallanschlusskontakten als auch die Wärmeleitung innerhalb des Anzünders simulieren (Abb. 2). Gleichzeitig ist es möglich, durch Einbringen verschiedener „Materialfehler“ deren Wirkung in den Segmenten ortsabhängig zu bestimmen und so die Anforderungen an die zu entwickelnde Messtechnik festzulegen.
Die technische Realisierung gelang mit Hilfe einer Präzisionsstromquelle, einer Datenerfassungskarte und einer speziellen Brückenschaltung in Eigenentwicklung. Die Messungen zeigten eine hohe Reproduzierbarkeit beim Nachweis von mechanischen Veränderungen, z. B. unter dem Einfluss von Feuchtigkeiten. Mit diesem Prüfverfahren wurden Veränderungen an den Anzündern sicher erkannt. Um jedoch die Anzünder nach ihrer Funktion in „gute“ oder „schlechte“ zu selektieren, sind weitere Testreihen in Zusammenarbeit mit der BAM durchzuführen.
Das entwickelte Verfahren und die Prüfeinrichtung sind gut geeignet zur Überwachung der Alterung von Anzündern. Interessant erscheint auch die Erweiterung des Modells um instationäre Vorgänge, wie die Simulation des Zündens und Abbrennens. Wir bedanken uns bei Herrn Dr.-Ing. Holger Krebs aus der Fachgruppe „Explosivstoffe“ der BAM Berlin, der das Projekt mit konstruktiven Vorschlägen und seinen reichhaltigen Erfahrungen wesentlich beförderte.
Mit der Anwendung des Prüfverfahrens können durch die Reduzierung der Anzahl der in zerstörenden Prüfungen gebundenen Anzünder beträchtliche Einsparungen erzielt werden. Auch bei Prozessen der Fertigung und Lagerung von Zündmitteln setzt dieses zerstörungsfreie Prüfverfahren neue Maßstäbe. Weiteres Einsatzgebiet ist die Qualitätssicherung in der Bauelementefertigung, z. B. das Vermessen von Folienwiderständen bei Impulsbelastung. Von großem Interesse für Hersteller und Anwender ist hier das thermische Verhalten weit unterhalb der Belastungsgrenze.
Die Entwicklung eines kompletten Elektronikmoduls für Airbags ist aus heutiger Sicht gemeinsam mit einem Entwicklungspartner aus dem Automotiv-Bereich denkbar und technisch machbar. Der Zielmarkt umfasst Institutionen, die mit der Prüfung von elektrischen Anzündern beauftragt sind, aber auch Hersteller und Anwender elektrischer Anzünder. Weiteres Marktsegment ist neben der Bauelementeindustrie die Messtechnik-Produktion.
*AIAA American Institute of Aeronautics and Astronautics
Bert Röding / Michael Dembek |
