Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Schwachstellen-Analyse
Die Nennwert-Optimierung führte zu einer idealen Lösung, welche alle Forderungen erfüllte. Erst durch die anschließende probabilistische Simulation wurden die Schwächen dieser Lösung sichtbar:
Infolge der Verhaltensstreuung arbeitet der Antrieb in über 50% der Fälle außerhalb der Spezifikation. Kritisch sind dabei die sehr selten auftretenden Maximalströme von ca. 4 A und vor allem die Spannungsspitzen von ca. 1 kV.
Das Optimierungsziel einer Struktur-Optimierung sollte darin bestehen, eine sichere Begrenzung von Maximalstrom und ‑spannung unter allen Umständen zu gewährleisten. Auch hier helfen uns die Ergebnisse der probabilistischen Simulation, einen Ansatz für eine Strukturänderung in unserem Magnetantrieb zu finden:
- Den größten Effekt (= größte Auswirkung) auf Maximalstrom und ‑spannung besitzt die Streuung der Papiersteife.
- Die Schnittdiagramme zeigen, dass insbesondere steiferes Papier (kP_relTol>1) zu ungünstigeren elektrischen Maximalwerten führt:
- Im Extremfall des Verklemmens der Präge-Nadel infolge eines harten Fremdkörpers, der das Prägen verhindert, würde der Maximalstrom nur durch den ohmschen Widerstand der Spule begrenzt.
- In diesem Extremfall führt das Abschalten der Spule zu einer Abschaltspannung von mehreren kV, da dann dieser hohe Strom durch den Schutzwiderstand fließt!
- Der Abschaltstrom liegt bei der optimierten Lösung meist zwischen dem halben und vollständigen Maximalstrom.
- Oberhalb des zulässigen maximalen Abschaltstroms erkennt man einen fast linearen Zusammenhang zwischen Maximalstrom und ‑spannung im Anthill-Plot der Sample-Methode.
- Da die Abschaltspannung ursächlich vom Maximalstrom abhängt, können wir uns auf die Beseitigung der Schwachstelle "Maximalstrom" konzentrieren. Wenn der Maximalstrom nie überschritten wird, können zumindest keine extremen Abschaltspannungen auftreten!
Ziele der Struktur-Optimierung:
- Sichere Begrenzung des Spulenstroms auf den zulässigen Wert.
- Sichere Begrenzung der Spulenspannung auf den zulässigen Wert.
- Trotzdem Erreichen eines möglichst kurzen Prägezyklusses.
