Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Bewertung

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Bewertung der Struktur-Modifikation

Bereits das obige Histogramm der realen Stichprobe zeigt → die am Magnetantrieb vorgenommene Änderung von Schutzbeschaltung und Ansteuerung führte zu einer qualitativ veränderten Lösung:

1. Die Überschreitung der maximalen Spulenspannung wird durch die Z-Dioden zuverlässig verhindert und deshalb im OptiY-Experiment nicht mehr erfasst.
2. Die Zeit für einen Prägezyklus hat sich im Vergleich zur vorherigen Lösung verbessert.
3. Die Gesamtversagenswahrscheinlichkeit von ca. 21% resultiert überwiegend aus der Teilversagenswahrscheinlichkeit der Spulen-Erwärmung. Dies widerspiegelt sich sehr gut in den Verteilungsdichten aus der virtuellen Stichprobe:

Die höhere Prägegeschwindigkeit verbunden mit einem robusten Prägen innerhalb der Toleranzbereiches resultiert vor allem aus der modifizierten Nennwert-Optimierung:

• Während der Nennwert-Optimierung wurde überwacht, dass der Eisenkreis des E-Magneten nicht in die magnetische Sättigung gelangt. Das verhinderte zuverlässig die Tendenz zu einem möglichst kleinen Ankerdurchmesser!
• Die restlichen Randbedingungen blieben bei praktisch unverändert, denn für den Nennbetrieb wurde der Antrieb wie zuvor für einen maximalen Strom von 1.5 A optimiert.
• Das Netzteil für die Ansteuerung des Elektro-Magneten begrenzt den Strom auf einen höheren Wert. Hier wurden 3 A gewählt, weil diese von einem Netzteil problemlos bereitgestellt werden können.
• Der dickere Magnet-Anker besitzt eine höhere Masse. Sein größere kinetische Energie unterstützt ein robustes Prägen!
• Zusätzlich bietet der höhere Begrenzungsstrom praktisch eine Energie-Reserve, um auch unter ungünstigen Bedingungen noch ein schnelles Prägen zu ermöglichen. Das funktioniert allerdings nur, wenn der Magnet nicht bereits in der Sättigung arbeitete.
• Es zeigt sich, dass es infolge der erhöhten Energiezufuhr teilweise zu einer Überschreitung der vorgesehenen maximalen Temperaturerhöhung um ca. 25 K.
• Diese "moderate Überhitzung" auch noch zu vermeiden, wird Anliegen der Ausschuss-Minimierung in der nächsten Entwurfsetappe sein.

Die Sensitivitäts-Charts zeigen den Einfluss der einzelnen Streuungen auf die Bewertungsgrößen:

Bei den berücksichtigten Toleranzen kann man unterscheiden zwischen fertigungsbedingten Toleranzen und den variablen Einsatzbedingungen:

1. Fertigungsbedingte Toleranzen:
   • Jedes gefertigte Produkt besitzt dafür seine konkreten ISTWERTE, welche sich während des Einsatzes im Normalfall nicht mehr ändern (außer durch Alterung).
   • Fertigungsbedingte Toleranzen führen zu "konstanten" systematischen Abweichungen vom idealen Nennwert-Verhalten → "Verhaltens-Offset"
   • Im Rahmen einer Justage lässt sich solch ein "Verhaltens-Offset" teilweise Minimieren (wenn technisch möglich und konstruktiv vorgesehen).
   • Die Ursachen für "fertigungsbedingte Toleranzen" können unterschiedlich sein:
     1. Normale Bauteil- und Montage-Toleranzen, deren Größe bekannt ist und bei Bedarf noch angepasst werden kann (z.B. Federkonstante).
     2. Schätzwerte für noch zu präzisierender Materialeigenschaften (z.B. Wirbelstromwiderstand des Eisenmaterials).
2. Variable Einsatzbedingungen:
   • Während des Betriebs streut das Verhalten um den fertigungsbedingten Verhaltens-Offset.
   • Die Einsatzbedingungen kann man nur teilweise beeinflussen (z.B. Bereitstellung einer stabileren Betriebsspannung).
   • Im Beispiel gehören die Papierdicke, die Spulentemperatur und die schwankende Betriebsspannung zu diesem Toleranz-Typ.

Betrachtet man unter diesem Aspekt die Rangfolge der Effekte auf die wesentlichen Bewertungsgrößen unserer struktur-optimierten Lösung, so kann man zu folgender Erkenntnis gelangen:

1. Zykluszeit:
   • Die Einsatzbedingungen haben praktisch keinen Einfluss mehr auf die Zykluszeit.
   • Dies ist besonders wichtig in Hinblick auf die Papierdicke, da eine Grundfunktionalität des Präge-Nadelantriebs in der Verarbeitung unterschiedlicher Papiersorten besteht.
   • Den größten Einfluss hat unser "Nichtwissen" in Hinblick auf den tatsächlichen Wirbelstromwiderstand des Eisens. Dieser bestimmt entscheidend die Abfallverzögerung des Magnetankers nach dem Abschalten.
   • Im Rahmen der noch anstehenden Ausschuss-Minimierung und Robust-Optimierung der nächsten Etappe wird noch versucht, diesen Wirbelstrom-Einfluss zurückzudrängen.
   • Spätestens am realen Versuchsmuster kann man dann den Wert des Wirbelstromwiderstandes durch geeignete Experimente präzisieren.

1. Erwärmung des Spulendrahtes:
   • Die fertigungsbedingten Toleranzen haben praktisch kaum Einfluss auf die Draht-Erwärmung.
   • Die Erwärmung wird vor allem durch die unterschiedlichen Papierdicken bestimmt.
   • Die Papierdicke hat den größten Effekt auf den benötigten Maximalstrom, welcher wiederum über den Energieumsatz im Magneten die Erwärmung bestimmt.

1. Prägungsstärke:
   • Wie stark die Präge-Nadel auf dem Matrizenboden aufschlägt wird vor allem durch die Papierdicke bestimmt.
   • Die anderen Streuungen besitzen darauf nur einen geringeren Einfluss.
   • Wenn es Probleme mit dem robusten Prägen geben sollte, dann resultieren diese wahrscheinlich vor allem aus den unterschiedlichen Papierdicken (der Einfluss der Federtoleranz ist wesentlich geringer).

Ergebnisse der Struktur-Optimierung:

• Wie groß ist Gesamtversagenswahrscheinlichkeit des Nennwert-optimierten Antriebs?
• Wie groß sind die Teilversagenswahrscheinlichkeiten (Zykluszeit, Prägen, Erwärmung)?
• Welche drei streuungsbehafteten Parameter besitzen den größten Einfluss auf das Verhalten des Antriebs? (Mit Begründung der Entscheidung!)
• Kann man die Interaktionen zwischen den streuungsbehafteten Parametern vernachlässigen? (Mit Begründung der Entscheidung!)

Die Antworten auf diese Fragen sind als Bestandteil der Lösung einzureichen!

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