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Prognostizierbarkeit der Lebensdauer von Smart Cards (ProLDS) mittels Weiterentwicklung einer praxisnahen, zyklischen Ermüdungsanalyse
Kurzbezeichnung: Biegeanalyse
Fogra-Nr. 81.004
Projektleiter: A. Müller
Förderung: BMWK (IGF) über AiF
Laufzeit: 01.10.2019 - 30.09.2021
Aufgabenstellung und Relevanz
Smart Cards werden in Ihrer Komplexität oftmals verkannt. Als Nutzer möchte man meinen, dass man ein einfaches Stück Plastik in Händen hält, dem ist jedoch nicht so. Eine Karte besteht aus bis zu 16 Schichten, in denen auch eine Antenne integriert sein kann. Dementsprechend ist die Bestimmung der mechanischen Beständigkeit über die Lebensdauer der Smart Cards eine äußerst komplexe Aufgabe. Das Ziel dieses Projekts ist es, eine Methode zur zyklischen Biegebeanspruchung von Karten weiterzuentwickeln. Diese Messtechnik soll die Möglichkeit schaffen, die Belastungsfähigkeit von Karten über definierte Kenngrößen zu quantifizieren.
Die Projektergebnisse sollen der Industrie dabei helfen, ihren Herstellungsprozess zu stärken und die Belastungsfähigkeit ihrer Chipkartenprodukte in der geforderten Einsatzdauer und unter den gegebenen Einsatzbedingungen sicherzustellen.
Durch das Einbringen der Forschungsergebnisse in die Normungsarbeit wird außerdem ein qualitativer Vergleich bei Ausschreibungen möglich.
Ansprechpartner
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Lösungsweg
Es wird eigens ein Prüfgerät entwickelt, das Kartenprüflinge definierten Biegebelastungen aussetzen, die entsprechenden Rückstellkräfte messen und sowohl Biegefrequenz als auch Biegeamplitude variieren kann. Auch optische, akustische und elektronische Analysen werden so ermöglicht. Ziel der elektronischen Überwachung ist eine möglichst frühzeitige und zuverlässige Detektion von Beeinträchtigungen (z. B. der elektronischen Chipfunktion) in Abhängigkeit von der Anzahl der Biegezyklen. Dabei wird der zeitliche Kraftverlauf eindeutig im Sinne eines mathematischen Modells mit Einflussgrößen aus den optischen und elektronischen Indikatoren und ggf. weiteren Materialparametern beschrieben.
Die Belastungsanalysen werden über programmierte Algorithmen ausgeführt. Zusammenhänge zwischen den im Laufe des Projekts gesammelten Daten und herkömmlichen Kennzahlen werden hergestellt und bewertet. Da die neu entwickelte Prüf- und Analysenmethode wesentlich mehr Informationen zur Verfügung stellen wird als herkömmliche Belastungstests, soll auch eruiert werden, wie diese Informationen bei der Bewertung der Belastungsfähigkeit von Karten eingesetzt und in Form neuer Kennzahlen angewendet werden können.
Erzielte Ergebnisse
In dem Forschungsvorhaben wurde eine Prüfmethode entwickelt, mit der die mechanische Belastbarkeit von Chipkarten anhand messtechnisch ermittelter Kenngrößen bewertet werden kann. Es handelt sich dabei um eine dynamische Biegebelastung, bei der die Karten zyklisch bis zum Materialversagen gebogen werden. Während der Beanspruchung werden verschiedene physikalische Größen kontinuierlich gemessen. Dazu zählen die Rückstellkraft der Chipkarte, die sie gegen die durch die Biegung hervorgerufene Verformung ausübt. Zudem werden die Resonanzfrequenz und die Güte des in den Kartenkörper integrierten Schwingkreises erfasst. Daneben wird noch der Körperschall der Chipkarte gemessen, den sie auf die Biegeprüfvorrichtung überträgt.
Es konnten für den gemessenen Verlauf der Rückstellkraft eindeutige Kenngrößen definiert werden, die den Zustand des Kartenkörpers sehr gut charakterisieren. Damit ist es möglich, die einzelnen Phasen des Materialversagens zu identifizieren. Die einzelnen Werte dieser Kenngrößen wurden einer sogenannten Weibull-Verteilung zugrunde gelegt. Dadurch war es möglich, neue Parameter zu erhalten, mit denen Aussagen über das Ausfallrisiko von Chipkarten und ihre Lebensdauer getroffen werden können. Hierdurch wird der Industrie ein zuverlässiges Prüfverfahren zur Verfügung gestellt, mit dem es möglich ist, auch verschiedene Chipkarten hinsichtlich ihrer Robustheit miteinander zu vergleichen.