Schwingungsanalyse und Betriebsfestigkeitsabschätzung einer Plattensonotrode für Nadelvliesprozesse

In dieser Arbeit werden die Schwingungseigenschaften einer optimierten Plattensonotrode untersucht, die für hochfrequente Ultraschallanwendungen im Bereich von 20 kHz entwickelt wurde. Das Ziel besteht einerseits im Nachweis einer effizienten Übertragung der Schwingungsamplitude vom Ultraschallgenerator auf die Plattensonotrode und andererseits in der quantitativen Bewertung der Schwingungsentkopplung gegenüber der umgebenden Struktur. Die Auslegung der Lagerpunkte sowie der Anregungsposition erfolgt auf Basis numerischer Finite-Elemente-Analysen. Die Validierung erfolgt experimentell mittels Laser-Vibrometrie an einem eigens dafür entwickelten Prüfstand. Es wird gezeigt, dass mit der gewählten Lagerkonfiguration ein Entkopplungsgrad von bis zu 98,8% erreicht werden kann und Schwingungsamplituden bis 25 μm realisierbar sind. Zusätzlich wird eine Betriebsfestigkeitsabschätzung auf Basis einer Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Um die örtlichen Spannungen, die an den Bohrlöchern wirken, präzise abzubilden, wird ein Submodell eingesetzt, welches sich durch eine deutlich feinere Diskretisierung auszeichnet. Die berechneten van-Mises-Vergleichsspannungen werden im Kontext der Betriebsfestigkeit des Werkstoffs EN AW-7075-T6 bewertet. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die angestrebten Arbeitsamplituden von 25 μm im quasi-dauerfesten Bereich liegen und somit ein langfristig stabiler Betrieb der Plattensonotrode absehbar ist.