Grundlagen Umweltsimulationen

Alle technischen Erzeugnisse (Materialien, Bauteile, Baugruppen und Geräte) unterliegen während ihres gesamten Lebenszyklus einer Vielzahl von Einwirkungen aus ihrer Umgebung.

Diese klimatischen und mechanisch-dynamischen Umwelteinflüsse, die auf technische Erzeugnisse einwirken, haben natürliche (Umwelt im geografisches Herstellungs-, Lagerungs, Transport- und Einsatzgebiet) oder unnatürliche (z.B. Industrieatmosphäre) Ursachen, können direkt und / oder induziert auftreten und sind abhängig von der Erzeugnisplattform (mobil, fest) und ihrer Verwendung (Labor, Freifeld).

Das Wirken dieser Umwelteinflüsse hat erhebliche Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Produkten, da diese die Eigenschaften von Materialien, Bauteilen, Baugruppen und Geräten, infolge der ungewollten Aktivierung von Alterungs- und Schadensmechanismen erheblich beeinflussen.

Es ist deshalb von erheblicher technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung, Produkte so zu konstruieren und herzustellen, dass diese den vorgegebenen Belastungen standhalten und ihre Aufgaben zuverlässig erfüllen. Hierzu werden bereits ab der Entwicklungsphase der Produkte Umweltsimulationsprüfungen angewendet.

Diese Umweltsimulationsprüfungen können mit folgenden Zielstellungen durchgeführt werden:

  • Die Umweltprüfungen zur Umweltsimulation konzentriert sich auf die natürliche und induzierte Umwelt. Sie betont den verallgemeinerten, historischen Lebenskreislauf der Produkte einschließlich Transport, Lagerung und Endverbrauch sowie die Anwendung der Umweltprüfungen, die sicherstellen, dass das Produkt dem Lebensrhytmus, für den es vorgesehen ist, genügt. Sie ist untrennbarer Bestandteil der Produktentwicklungsphase, da nachträglich in ein Produkt keine Qualität "hineingeprüft" werden kann.

Grundlage für die Konzipierung dieser Umweltprüfungen ist das Tailoring-Konzept. Sein Inhalt ist das Anpassen der Simulationsbedingungen an den individuellen Anwendungsfall In der Praxis läuft der Tailoring-Prozess in 3 Teilschritten ab:

  • Bestimmung des Lebenszyklus-Profils des zu betrachtenden Systems
  • Erfassung der Umweltbedingungen, die mit den Phasen des Lebenszyklus verbunden sind (insbesondere natürliche Einflüsse, die Transport- und Lagerungsbeanspruchungen, die technischen Einflüsse der Einsatzplattform und der Mensch als Benutzer des Systems)
  • Entwicklung der Simulationsbedingungen

Grundlage für die Ermittlung der Umweltbedingungen sind spezifische Normen, z.B. die DIN EN IEC 60721 "Klassifizierung von Umweltbedingungen".

Für die Entwicklung von Prüfungen aus den Umweltbedingungen existieren ebenfalls eine Reihe von Normen. Deren Zweck ist es, den Ablauf von Umweltprüfungen zu standardisieren und somit vergleichbar zu machen. Dabei obliegt es dem Prüfingenieur zusammen mit dem Entwickler den Schärfegrad und die Reihenfolge der unterschiedlichen Umweltsimulationsprüfungen festzulegen. Die DIN EN 60068 "Umweltprüfungen" enthält grundlegende Umweltprüfverfahren für Erzeugnisse der Elektrotechnik, die auch auf andere Erzeugnisgruppen angewendet werden können:

  • Die Prüflinge werden gemäß Prüfziel (Transport, Lagerung, Betrieb) mit/ohne Transportbehälter/Verpackung aktiv/passiv geprüft.
  • Die Prüfschärfe wird entsprechend Prüfziel, Prüfling und Klassifizierung gewählt.
  • Jede Prüfung untergliedert sich in Vorbehandlung-Beanspruchung-Nachbehandlung.
  • Die Umweltprüfungen zur Fehlerstimulierung (Stress Screening) wird ab der Entwicklung und/oder in der Produktion angewendet. Durch z.B. Temperatur- und Vibrationsprüfungen werden Auslösemechanismen stimuliert, die Fehlerarten, die unter dem Umweltstress beschleunigt auftauchen, auslösen. Stimulation wird hauptsächlich für die Zuverlässigkeitsvoraussage und für die Selektion von Defekten in der Produktion angewandt. Fehler sollen möglichst früh erkannt werden.

Dabei werden die Umweltbedingungen so gegenüber den im Einsatz wirkenden Umwelteinflüssen verschärft, dass Fehlermechanismen beschleunigt ausgelöst werden, somit Schwachstellen und latent unzuverlässige Bauteile erkannt werden können (Abfangen der Frühausfallphase).

Ein weit verbreitetes Verfahren der Fehlerstimulierung ist der Burn-In-Test (MIL-STD 883, Methode 1015.8). Durch Temperaturerhöhung wird eine Beschleunigung der Geschwindigkeit von Ausfallmechanismen erreicht.