Suchen

Piezoelektrische Sensoren Dynamisches Messen direkt in der Fertigung

Autor / Redakteur: Matthias Giese / Udo Schnell

Piezoelektrische Sensoren eignen sich besonders, um dynamische Prozesse zu überwachen. Aufgrund ihres kompakten und robusten Aufbaus lassen sie sich direkt in den Produktionsablauf integrieren und bewältigen Messaufgaben, bei denen sehr hohe Kräfte auftreten.

Firmen zum Thema

Platzsparende, kompakte Bauweise der Kleinkraft­sensoren für optimale Integration ins Maschinendesign.
Platzsparende, kompakte Bauweise der Kleinkraft­sensoren für optimale Integration ins Maschinendesign.
(Bild: Kistler)

Bereits heute wird die Vision der Industrie 4.0 in vielen industriellen Anwendungen – 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 da gewesenen 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 „offline“ – das heißt nach dem eigentlichen Herstellungsprozess – geprüft wurden, wird die Herstellung von Produkten heute immer öfter bereits während des Prozesses, also „inline“, überwacht, um unnötigen Kosten vorzubeugen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

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 Sensortechnik, welche sich für die Messung physikalischer Größen wie Kraft, Druck, Beschleunigung und Drehmoment besonders gut eignet.

Physikalische Grundlagen der Piezosensorik

Physikalische Grundlage für die Anwendung solcher Sensoren bildet der sogenannte 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 Techniken 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 V wandeln.

Aufgrund der enorm hohen 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.

Quarzsensoren können dynamische Kräfte direkt und indirekt messen

Mit der von Kistler seit den Fünfzigerjahren entwickelten Quarzsensortechnik lassen sich dynamische Kräfte sowohl direkt als auch indirekt messen. Bei der direkten Messung liegt der Sensor voll im Kraftfluss (1) 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 (3) und der Rest fließt über die Einbaustruktur, den sogenannten Kraftnebenschluss, ab. Bei indirekter Kraftmessung wird mit Dehnungssensoren die Prozesskraft indirekt über die Strukturdehnung (2) gemessen.

Außer den 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. Quarz-Kraftaufnehmer sind in dieser Hinsicht anderen Aufnehmern überlegen, weil Quarz keine Alterserscheinungen zeigt und damit auch die Kalibrierungen vorwiegend auf Zyklen beschränkt werden können, wie sie in Qualitätssicherungssystemen wie der DIN EN ISO 9001:2015 geregelt sind.

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, zum Beispiel beim Einpressen von Lagern in Motorblöcken, wo die Prozesskräfte zuverlässig aufgelöst werden können. Treten Kraftspitzen auf, die herkömmliche Messsysteme dauerhaft zerstören können, zeigen piezoelektrische Messysteme keine Beschädigung auf.

Integration in Produktionsablauf zeigt frühzeitig Fehler auf

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.

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

Das Monitorsystem Maxy-mos 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. Außer bei 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. Aufgrund dieser Vielseitigkeit werden Kistlers XY-Monitore den Anforderungen all jener Industrien gerecht, für die Qualitätssicherung zunehmend in den Vordergrund rückt.

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 Technik vor allem eines: die solide Basis für wirtschaftlichen Erfolg auf einem global hart umkämpften Markt. MM

* Matthias Giese ist Leiter des Geschäftsfeldes Production Monitoring bei der Kistler Instrumente AG in Winterthur (Schweiz), Tel. (00 41-52) 2 24 16 25, matthias.giese@kistler.com

(ID:45032574)