Numerische und experimentelle Untersuchung eines Ultraschall- Schlagbohrwerkzeugs

Vom Jet Propulsion Laboratory wurde ein neuartiges, piezoelektrisch betriebenes
Schlagbohrwerkzeug für die Entnahme von Gesteinsproben bei Raumfahrtmissionen
vorgestellt, das ohne Rotationsfreiheitsgrad arbeitet. Die Besonderheit des Systems
besteht in der mittels einer Schlagmasse realisierten losen Kopplung zwischen einem
Ultraschallkonverter und dem Bohrer.
Vor dem Hintergrund einer Effizienzsteigerung des Bohrwerkzeugs sind die Ziele der
vorliegenden Arbeit einerseits der Aufbau eines Systemverständnisses und andererseits
die Bereitstellung von mathematisch-physikalischen Modellen, die für eine systematische
Suche nach Optimierungsmöglichkeiten im Rahmen von Parameterstudien geeignet
sind.
In experimentellen Untersuchungen an einem Prototypen konnte festgestellt werden,
dass das Bewegungsverhalten des Aktors im Wesentlichen durch parabelförmige Freiflugphasen
des Konverters mit wechselnder, anpresskraftabhängiger Maximalflughöhe
gekennzeichnet ist. Dabei weisen weder die Verschiebungen des Konverters noch die
Bewegungen von Schlagmasse oder Bohrer eine Periodizität oder dominierende Frequenzanteile
auf. Für die Modellierung des Gesamtsystems stellt die korrekte Abbildung
der Stoßvorgänge, die für den Energietransport vom Ultraschallkonverter über
Schlagmasse und Bohrer zum Untergrund verantwortlich sind, die größte Herausforderung
dar. Drei unterschiedlich komplexe Modellierungsansätze wurden hinsichtlich
Ergebnisqualität, Modellierungsaufwand und Rechenzeitbedarf untersucht: ein Starrkörpermodell
mit unstetiger Stoßbehandlung mittels Stoßzahlen, ein Finite-Elemente-
Modell und ein Starrkörpermodell mit zeitkontinuierlicher Stoßmodellierung. Obwohl
die Dynamik des Aktors mit allen untersuchten Modellierungsansätzen grundsätzlich
abgebildet werden kann, stellt das Starrkörpermodell mit zeitkontinuierlicher Regularisierung
der Stoßkontakte den besten Kompromiss bezüglich der untersuchten Kriterien
dar.
In einer abschließenden Parameterstudie wurden die Schwingungsamplitude des Ultraschallkonverters
und die Schlagmasse in mehreren Schritten variiert. Ein einfaches
Abtragsmodell auf Basis des an den Untergrund übertragenen Impulses erlaubt die Ermittlung
einer Abbaukenngröße und somit die Gegenüberstellung von Simulationsergebnissen
und gemessenen Bohrtiefen. Die Simulation prognostiziert übereinstimmend
mit den Messungen einen mit steigender Schwingungsamplitude zunehmenden Materialabtrag
und zeigt im Bereich von Schlagmassen von etwa 2 g ein Optimum in der
Untergrundschädigung.