Optimized Power Packs

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 3/2017. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

Weltweit kommt keine Baustelle ohne sie aus: Power-Tools. Die handgehaltenen Bohrmaschi - nen, Winkelschleifer oder Kettensägen, um nur einige zu nennen, leisten unverzichtbare Dienste. Doch wer bedient diese Tools? Der kleine drahti - ge Chinese oder ein kräftiger Schwede? Schließ - lich liegt die Exportquote für diese Geräte bei rund 70 Prozent. Wie unterschiedlich handhaben sie das Gerät? Welche Kraft bringen sie mit und üben sie aus? Wie reagiert verschiedenes Materi - al auf die unterschiedlichen Bediener? Jeder An - wender hat individuelle Eigenschaften, die sich auf die Funktionsweise und Leistungsfähigkeit und Qualität des Arbeitsergebnisses auswirken können. Deshalb werden diese Geräte ständig Funktionstests unterzogen und die Ergebnisse beeinflussen die Entwicklung und Konstruktion der Power-Tools maßgeblich. Bislang wurden die - se Tests mit Menschen durchgeführt, das bedeu - tete allerdings auch eine große Unsicherheit und Streuung durch individuelle Einflüsse. Ein hoch - modernes und neuartiges Power-Tool-Prüffeld am IPEK – Institut für Produktentwicklung am KIT ist nun in der Lage, auf der einen Seite individuel - le Eigenschaften zu simulieren, wenn sie gewollt sind, aber trotzdem automatisiert aussagekräfti - ge Daten hervorzubringen. So ermöglicht das Prüffeld nun deutlich belastbarere und differen - ziertere Ergebnisse, die direkt in die Produktver - besserung einfließen können.

„In den Testreihen kommt unser IPEK X-in-theLoop-Ansatz − kurz IPEK XiL − konsequent zum Einsatz“, erläutert Professor Sven Matthiesen, In - haber des Lehrstuhls für Gerätekonstruktion und Maschinenelemente am IPEK, „denn unser Ziel ist es, die Validierung von Power-Tools unter repro - duzierbarem Anwendereinfluss zu ermöglichen und damit die Unsicherheiten aus handgehalte - nen Tests zu vermeiden und die Entwicklung von besser zum Anwender passenden Power-Tools zu ermöglichen. Außerdem kann dadurch die Ent - wicklungszeit reduziert und Ressourcen einge - spart werden.“ Das vom IPEK entwickelte und in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommende XiL-Validierungsframework integriert konsequent Simulation und Test unter Berücksichtigung der interagierenden Systeme.

Das Power-Tool-Prüffeld umfasst drei Einzelprüf - stände, die in unterschiedlichen Konfigurationen genutzt werden können. Mit Hilfe des AIP (An - wender-Interaktion-Prüfstandes) ist es möglich, die mechanisch-dynamischen Eigenschaften des Anwenders bei der Nutzung von Power-Tools zu untersuchen. „Hier kann die gemessene oder si - mulierte Bewegung des Gerätegriffes auf einen Messgriff übertragen werden, der durch ein elekt - romechanisches Shaker-System gleichartig und re - produzierbar angeregt wird“, so Sven Matthiesen. Der Messgriff ermöglicht hierbei die Erfassung der Kräfte und Drehmomente zwischen Anwender und Griff. Durch das elektromechanische ShakerSystem sind auch sehr hohe Beschleunigungen realisierbar, wie sie beispielsweise bei stoßartigen Schwingungen am Bohrhammer oder am Schlag - schrauber auftreten. Das einzigartige System er - möglicht zusätzlich eine freie Anordnung des Messgriffes im Raum, zum Beispiel über Kopf. So lässt sich neben der Andruckkraft und Greifkraft der Einfluss der Armhaltung des Probanden auf die Anwender-Geräte-Interaktion untersuchen.

Auf dieser Basis werden Hand-Arm-Modelle ent - wickelt und physisch aufgebaut. Diese Modelle werden auf dem APP (Automatisierter-PowerTool-Prüfstand) eingesetzt. Der APP ermöglicht die reproduzierbare Abbildung des gemessenen Anwendereinflusses im Gesamtgerätetest. Ein Industrieroboter ermöglicht das Aufbringen der aktiven Anwenderkräfte auf das Power-Tool. Die mechanisch-dynamischen Anwendereigenschaften werden durch Hand-Arm Modelle abgebildet. Durch die Kombination mit dem automatisierten flexiblen Untergrundpositioniersystem des PIP (Power-Tool-Interaktion-Prüfstand) können Power-Tools auch mit verschiedensten Untergründen in allen Raumlagen getestet werden.

Da bei Power-Tool-Tests Stäube, Späne, Schlämme und Betriebsgeräusche entstehen, wurde das Prüffeld am KIT mit einer speziellen Gebäudetechnik ausgerüstet, um einen automatisierten Dauerbetrieb zu ermöglichen. Auch extreme Temperatureinflüsse können durch ausgefeilte Kli - matechnik simuliert werden. „Diese in Deutschland einzigartige und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderte Infrastruktur er - möglicht uns in Zukunft, die Grundlagenuntersuchungen für die Entwicklung geeigneter Prüfund Validierungstechnik durchzuführen und dadurch die Unternehmen der Power-Tool-Branche in zukünftigen Innovationen zu unterstützen“, freut sich Sven Matthiesen. Auch Unternehmen können die Infrastruktur der Prüfstände nutzen und Power-Tools oder Consumables, wie Bohrer oder Trennscheiben, dort testen lassen.

Kontakt: sven matthiesen ∂does-not-exist.kit edu

Info: www.ipek.kit.edu/60_4530.php

Excerpt in English

Sophisticated Test Lab Allows Tests of Power Tools at IPEK - The Institute of Product Engineering

Translation: Ralf Friese

No construction site in the world can do without them: Power tools. Handheld power drills, angle grinders and chain saws, to mention just a few, render indispensable services. But who operates these tools? A diminutive, wiry Chinese or a burly Swede? Every user has individual characteristics which can have an impact on the mode of operation and efficiency of a power tool. For this reason, these tools are continuously subjected to functional tests, and the results greatly influence the development and design of power tools. So far, most tests used to be conducted with human operators, which also meant a high degree of uncertainty and variance as a result of individual influences. A very sophisticated, novel power tool test lab at IPEK – Institute of Product Engineering at KIT, is now able to simulate individual characteristics where desired, but still generate data automatically. The future XiL validation framework under development by IPEK is used for these purposes; it consistently integrates simulations and tests taking into account interacting systems.

In this way, the test lab, which comprises three individual test rigs, allows more realistic and differentiated results to be achieved so products can be improved. Also industries may use the infrastructure of the labs for testing power tools or consumables, such as drills or cutting wheels.

Contact: sven matthiesen ∂does-not-exist.kit edu

Information: www.ipek.kit.edu/60_4530.php