Piezoelektrische Messtechnik als Schlüsselfaktor zum wirtschaftlichen Erfolg in der industriellen Fertigung

Hohe Prozesssicherheit dank In-line-Messung

| Autor / Redakteur: Matthias Giese, Kistler / Silvano Böni

Die XY-Monitore MaXYmos können die Qualität eines Produktes oder Fertigungsschrittes anhand eines Kurvenverlaufs überwachen und bewerten. Mithilfe von Bewertungselementen passt der Anwender die Kurvenauswertung an die individuelle Überwachungsaufgabe an.
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Die XY-Monitore MaXYmos können die Qualität eines Produktes oder Fertigungsschrittes anhand eines Kurvenverlaufs überwachen und bewerten. Mithilfe von Bewertungselementen passt der Anwender die Kurvenauswertung an die individuelle Überwachungsaufgabe an. (Bild: Kistler)

Die Anforderungen in der Fertigung bezüglich Qualität und Präzision werden immer grösser. Optimierungen und Kontrolle der gesamten Fertigungskette sind dadurch gefragter denn je. Einen Lösungs­ansatz bietet die integrierte Überwachung mithilfe von piezoelektrischen Sensoren.

Bereits heute wird die Vision der Industrie 4.0 in vielen industriellen Anwendungen – wie beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Medizintechnik oder in der Elektrotechnik – mit Erfolg umgesetzt. Die rasch fortschreitende Digitalisierung und eine immer engere Vernetzung von Maschinen und Systemen führen zu einer bisher nie dagewesenen Optimierung sämtlicher Produktionsprozesse. Insbesondere die konsequente Kontrolle der Fertigungskette mit dem Ziel der «Null-Fehler-Produktion» ist für moderne Produktionsbetriebe unerlässlich, um am Markt der Zukunft bestehen zu können.

Während Produkte noch vor wenigen Jahren fast ausschliesslich «off-line» – das heisst nach dem eigentlichen Herstellungsprozess – geprüft wurden, wird die Herstellung von Produkten heute immer öfter bereits während des Prozesses, also «in-line», überwacht, um unnötigen Kosten vorzubeugen. Eine zentrale Basis für die Optimierung der Produktionsprozesse in Richtung Null-Fehler-Produktion bei Füge-, Montage- und Prüfprozessen bildet die auf dem piezoelektrischen Prinzip beruhende Sensortechnologie, welche sich für die Messung physikalischer Grössen wie Kraft, Druck, Beschleunigung und Drehmoment besonders gut eignet.

Grundlagen des piezoelektrischen Sensors

Physikalische Grundlage für die Anwendung solcher Sensoren bildet der piezoelektrische Effekt, der im Jahr 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt wurde: Piezoelektrische Materialien erzeugen bei mechanischer Belastung (griechisch piezein: drücken) elektrische Ladungen. Ein wichtiger Schritt hin zur Anwendung des piezoelektrischen Effekts erfolgte mit der Patentierung des Ladungsverstärkers für piezoelektrische Signale durch Walter P. Kistler im Jahr 1950.

Mit dem Quarzkristall lässt sich der piezoelektrische Effekt besonders gut nutzbar machen: Bei mechanischer Belastung kann aus entsprechend bearbeitetem Quarz ein Ladungssignal generiert werden, welches direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist. Die Erfassung der Messgrösse ist also nicht abhängig von Dehnung und Auslenkung, wie dies bei anderen Technologien der Fall ist. Die Dimension des Quarzelementes bestimmt dabei lediglich die maximal zulässige Amplitude der Messgrösse. Ein grosser Sensor erzeugt demnach ein vergleichbares Signal wie ein gleich aufgebauter kleinerer Sensor. Über den nachgeschalteten Verstärker wird dann der erforderliche Messbereich eingestellt, wodurch die präzise Messung mit nur einem Sensor über mehrere Dekaden möglich wird, ohne den mechanischen Aufbau zu verändern.

Kistler bietet auch piezoelektrische Kraftaufnehmer mit einem ICP-Ausgang, die das Rohsignal bereits im Sensor in eine Ausgangsspannung von 5 oder 10 Volt wandeln.

Quarz weist keine Ermüdung auf

Durch die enorm hohe Steifheit des Kristalls sind die Messwege entsprechend klein. Sie liegt meist im Bereich mehrerer Kilonewton pro Mikrometer, woraus eine hohe Eigenfrequenz des Messsystems resultiert. Dies ist gerade bei hochdynamischen Prozessen ein wesentliches Kriterium. Hinzu kommt, dass Quarz und Kristalle keine Ermüdung oder Langzeiteffekte wie Nullpunktverschiebungen oder Linearitätsänderungen aufweisen. Limitierend für den Einsatz von piezoelektrischen Sensoren kann in einigen Fällen die aus physikalischen Gründen auftretende Ladungsdrift sein. Je nach Amplitude der Messgrösse und Auslegung der Messtechnik kann dennoch über mehrere Minuten oder sogar Stunden hinweg quasistatisch gemessen werden.

Mit der von Kistler seit den Fünfzigerjahren entwickelten Quarzsensortechnologie lassen sich dynamische Kräfte sowohl direkt als auch indirekt messen. Bei der direkten Messung liegt der Sensor voll im Kraftfluss und misst die ganze Kraft. Das ergibt eine hohe Messgenauigkeit, die nahezu unabhängig vom Angriffspunkt der Kraft ist. Kann der Sensor nicht direkt in den Kraftfluss platziert werden, misst der Sensor nur einen Teil der Kraft, und der Rest fliesst über die Einbaustruktur, den so genannten Kraftnebenschluss, ab. Bei indirekter Kraftmessung wird mit Dehnungssensoren die Prozesskraft indirekt über die Strukturdehnung gemessen.

Anwendungen in Forschung und Industrie

Nebst wirtschaftlichen Rahmenbedingungen sind auch die Einbaubedingungen zunehmend entscheidend. Die Abmessungen sind häufig ein entscheidender Punkt bei der Auswahl eines Kraftaufnehmers. Quarzsensoren sind ausserordentlich stabil, robust und kompakt und erlauben oftmals den Einbau an Messpunkten, wo andere Technologien gar nicht eingesetzt werden können. Daher sind sie nicht mehr nur in der Forschung und Entwicklung, sondern zunehmend auch in Produktionsbereichen und industrieller Prüftechnik weit verbreitet.

Eine langzeitstabile, dynamische Kraftmessung ist beispielsweise bei den Alterungs- und Belastungsuntersuchungen an Kraftfahrzeugkomponenten erforderlich – also unter anderem bei Druck-, Zug-, Aufprall- sowie Daueruntersuchungen an Schlössern, Türen, Motorhauben, Kofferraum­deckeln, Sitzen, Federn, et cetera. Quarz-Kraftaufnehmer sind in dieser Hinsicht anderen Aufnehmern überlegen, da Quarz keine Alterserscheinungen zeigt und damit auch die Kalibrierungen vorwiegend auf in Qualitätssicherungssystemen wie der DIN EN ISO 9001:2015 geregelten Zyklen beschränkt werden können. Diese Umstände schlagen sich zeit- und kostensparend in der Gesamtrechnung nieder. Quarz-Kraftaufnehmer bieten demnach bei gewissen Anwendungen sowohl diverse technische Vorteile als auch den Vorteil von markanten Kosten­einsparungen dank ihrer tieferen Lebenszykluskosten.

Neben der dynamischen Kraftmessung, wie beim Stanzen von Blechteilen, finden piezoelektrische Kraftsensoren auch ihre Anwendung bei quasi­statischen Vorgängen wie zum Beispiel beim Einpressen von Lagern in Motorblöcken, wo die Prozesskräfte zuverlässig aufgelöst werden können, während beim Auftreten von Kraftspitzen, welche herkömmliche Messsysteme dauerhalft zerstören können, trotzdem keine Beschädigungen an der Messtechnik auftreten.

Für die Analyse und Dokumentation beim Spritzgiessen stellen die Systeme von Kistler optimale Lösungen zur Qualitätssicherung dar: Als aussagekräftigste Prozessgrösse beschreibt der Werkzeug­innendruck die Bedingungen unmittelbar während der Entstehung des Formteils. Auf Basis des Werkzeuginnendrucks erkennen Sensoren und Systeme demnach frühestmöglich, ob gerade Gutteile oder Ausschussteile entstehen.

Systemlösungen für prozessintegrierte Qualitätssicherung

Damit die von den hochempfindlichen Piezo-Sensoren erfassten Daten auch nutzbar sind, werden diese in entsprechenden Monitorsystemen visualisiert, bewertet und dokumentiert. Aufgrund der Integration dieser Messsysteme in den Produk­tionsablauf können Produktionsfehler frühzeitig erkannt werden, und damit reduziert sich der mögliche finanzielle Schaden durch Fehlteile.

Das Monitorsystem MaXYmos von Kistler erlaubt die zuverlässige Überwachung von Herstellungsprozessen in der Montagetechnik und ermöglicht eine Optimierung der Produktion in Richtung Null-Fehler-Produktion bei maximaler Kosteneffizienz. Das System zeichnet sich vor allem auch durch seine besondere Flexibilität und die benutzerfreundliche Bedienungsoberfläche aus. Nebst automatisierten Füge- und Einpressprozessen kann es auch bei manuellen Prozessen, wie handbetriebenen Pressvorgängen, eingesetzt werden. Kistler-­Sensoren und XY-Monitore kommen aber nicht nur bei der Fertigung und Montage, sondern auch bei der Überprüfung der Funktionalität des Endprodukts zum Einsatz. Dank dieser Vielseitigkeit werden Kistlers XY-Monitore den Anforderungen all jener Industrien gerecht, für die Qualitätssicherung zunehmend in den Vordergrund rückt.

Erhöhte Wirtschaftlichkeit im Fokus

In Europa, den USA, in Asien, und damit weltweit, kommen die piezoelektrischen Sensoren samt den dazugehörigen Überwachungssystemen von Kistler zum Einsatz. Innerhalb der Fertigungskette von produzierenden Unternehmen sorgt die auf dem piezoelektrischen Prinzip beruhende Sensortechnologie für eine markante Erhöhung der Prozesssicherheit sowie für eine nachhaltige Produktivitätssteigerung – und macht damit den Weg frei zu einer Null-Fehler-Produktion sowie zu einer maximalen Prozesseffizienz.

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht schafft die hochpräzise Technologie vor allem eines; die solide Basis für wirtschaftlichen Erfolg in einem global hart umkämpften Markt. SMM

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