1.17 Lebensdauer von Goldkontaktkomponenten unter adhäsiver Verschleissbelastung

Das Problem des adhäsiven Verschleisses von Goldkontaktschichten beeinträchtigt die Lebensdauer wichtiger elektronischer Schaltungskomponenten in Braillezeilengeräten. Ein numerisches Modell wurde entwickelt, um automatisierte, experimentelle Tests zu unterstützen, die von den Projektpartnern durchgeführt werden. Das Ziel ist eine zuverlässige Vorhersage des mechanischen Versagens und der geschätzten Lebensdauer von Braillezeilen-Instrumenten.

Mitwirkende: Y. Safa, U. Mescheder, S. Kipke Partner: Helptech GmbH, Hochschule Furtwangen HFU Finanzierung: Interreg Dauer: 2019–2021

Verschiedene innovative technische Systeme werden eingesetzt, um die Lebensqualität von weltweit 250 Millionen blinden und sehbehinderten Menschen zu verbessern. Die Braillezeile verwendet eine Reihe von erhabenen Punkten, um Buchstaben und Zahlen darzustellen, die es einem Blinden ermöglichen, einen Text zu lesen. Ein erschwinglicheres Hilfsmittel ist das Refreshable Braille Display, das Blinden die Verbindung zu ihren Computern ermöglicht. Taktile Informationen werden dem blinden Benutzer durch kontinuierliches Heben und Senken verschiedener Kombinationen von Stiften übermittelt, während er den Cursor auf dem Bildschirm bewegt, siehe Abb. 1.

Abb. 1: Braille-Modelle entwickelt von der Helptech GmbH.

Ein Mechanismus aus elektroaktivem Polymer wird verwendet, um jeden Punkt korrekt auf eine aktualisierte Höhe anzuheben, damit er gelesen werden kann. Die Elektroaktivierung stimuliert eine Druckspannung in einer PDMS-Membran, die sich durch Knicken auf eine bestimmte Höhe anhebt. Am ICP haben wir zusammen mit unseren Partnern von der HFU Furtwangen ein Modell zur Vorhersage der Knickamplitude der PDMS-Membran für gegebene Spannungssignale entwickelt, siehe Abb. 2

Abb. 2: rechnerische Vorhersage der PDMS-Schnalle unter Spannung.

Später, im Rahmen des Interreg-Projekts, wurde eine breitere Zusammenarbeit zur mechanischen Zuverlässigkeit des Braille-Tasten-Modells des deutschen Partners Helptech GmbH durchgeführt. Zwischen zwei leitenden Goldschichten zwischen der Braille-Taste und einer darunter liegenden Leiterplatte entsteht ein Reibungskontakt. Wenn ein blinder Benutzer wiederholt eine schräge Kraft auf die Taste ausübt, wird ein adhäsiver Verschleiss an der Goldoberfläche initiiert, der die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Die erforderliche hohe Lebensdauer des Braille-Tools bedingt eine zuverlässige Vorhersage des adhäsiven Verschleisses des Goldkontakts. Ein automatisierter experimenteller Test wurde an der HFU von der Gruppe von Prof. Mescheder etabliert. Das entworfene System wendet eine repetitive Belastung mittels eines Schrittmotors an, der von einem Arduino gesteuert wird. Es wurde eine mikroskopische Sichtprüfung durchgeführt. Sie zeigt, dass ab einer bestimmten Anzahl von Belastungszyklen Verschleiss an der Goldkontaktfläche auftritt. Solche Experimente bieten eine Ergänzung zur computergestützten Modellierung am ICP für eine modellbasierte Optimierung des Knopfdesigns. Numerische Simulationen wurden unter Berücksichtigung verschiedener Parameter wie der Oberflächenrauheit, der Belastungsrate und der Kraftneigung durchgeführt. In einem ersten Schritt wurde ein Modell auf Basis eines globalen Ansatzes entwickelt. Ein elasto-plastisches dynamisches Reibkontaktproblem wurde auf der gesamten Kontaktfläche mit einem Open-SourceFinite-Elemente-Paket [1] gelöst. Es wurde ein lokaler Kontaktbereich mit hoher Scherspannung identifiziert. Im zweiten Schritt wurde ein lokaler Ansatz mit der Boundary-IntegralMethode angewandt, um das Haftkontaktproblem im genannten lokalen Bereich zu lösen. Es wurde eine raue Oberfläche mit zufälliger Höhe erzeugt, die den gemessenen Oberflächenamplituden entspricht. Das lokale Kontaktproblem wurde in der Fourier-Domäne des generierten Oberflächenspektrums gelöst, was eine um zwei Grössenordnungen schnellere Lösung als die traditionelle FEM ermöglichte [2]. In der lokalen Kontaktfläche sind Traktions-, Kontakt- und Adhäsionszonen enthalten, siehe Abb. 3.

Quellenangabe:

[1] Y. Renard, K. Poulios. GetFEM: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02532422 [2] Frérot et al Tamaas: Journal of Open Source Software, 5 (51), 2121, https://doi.org/10.21105/joss.0212