Robuste industrielle Fertigung setzt auf piezoelektrische Sensorik

- Mar 02, 2019-

Die Vision von Industrie 4.0 setzt sich heute bereits in zahlreichen industriellen Anwendungen in Branchen wie Automobilbau, Medizintechnik und Elektrotechnik durch. Dank der zunehmenden Digitalisierung und der zunehmenden Vernetzung von Maschinen und Anlagen ist jetzt eine beispiellose Optimierung aller Produktionsprozesse möglich. Eine konsequente Kontrolle der Produktionskette - mit dem Ziel der Null-Fehler-Produktion - ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass sich jedes moderne Produktionsunternehmen auf dem Markt der Zukunft behaupten kann.

Noch vor wenigen Jahren wurden nahezu alle Produkte offline, also nach dem Herstellungsprozess, geprüft. Heutzutage werden immer mehr Produkte während des Produktionsprozesses überwacht - oder „Inline“ - um unnötige Kosten zu vermeiden. Für das Fügen, Montieren und Prüfen ist die auf dem piezoelektrischen Prinzip basierende Sensortechnologie ein wesentlicher Faktor für die Optimierung von Produktionsprozessen mit dem Ziel der Null-Fehler-Produktion. Diese Technologie eignet sich gut zur Messung physikalischer Größen wie Kraft, Druck, Beschleunigung und Drehmoment.

Grundlagen piezoelektrischer Sensoren

Die physikalische Grundlage für den Einsatz dieser Sensoren ist der von Pierre und Jacques Curie im Jahr 1880 entdeckte „piezoelektrische Effekt“. Unter mechanischer Belastung (griechisch „pie-zein“: Pressen oder Drücken) erzeugen piezoelektrische Materialien elektrische Ladungen. Ein wichtiger Schritt zur Anwendung des piezoelektrischen Effekts erfolgte 1950, als Walter P. Kistler den Ladungsverstärker für piezoelektrische Signale patentierte.

Der piezoelektrische Effekt ist bei einem Quarz besonders effektiv: Bei einer mechanischen Belastung des entsprechend bearbeiteten Quarzes kann daraus ein Ladungssignal erzeugt werden, das direkt proportional zur einwirkenden Kraft ist (Abb. 1). Im Gegensatz zu anderen Technologien ist die Erfassung der Messgröße mithilfe des piezoelektrischen Effekts daher nicht von Dehnung und Verschiebung abhängig.

In diesem Fall bestimmt die Abmessung des Quarzelements lediglich die maximal zulässige Amplitude für die Messgröße. Daraus folgt, dass das von einem großen Sensor erzeugte Signal mit einem von einem kleineren Sensor mit der gleichen Struktur vergleichbar ist. Mit dem nachgeschalteten Verstärker wird dann der gewünschte Messbereich eingestellt, so dass mit nur einem Sensor über mehrere Jahrzehnte präzise Messungen möglich sind und die mechanische Struktur nicht verändert werden muss.

Kistler hat beispielsweise piezoelektrische Kraftsensoren mit einem ICP-Ausgang entwickelt. In diesem Fall wird das Rohsignal bereits im Sensor in eine Ausgangsspannung von 5 oder 10 V umgewandelt.

Aufgrund der extrem hohen Steifigkeit des Kristalls ist die Messabweichung gering, üblicherweise im Bereich von mehreren Kilonewton pro Mikrometer, was dem Messsystem eine hohe Eigenfrequenz verleiht. Dies ist insbesondere für hochdynamische Prozesse ein wichtiges Kriterium. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass Quarze und Kristalle keine Ermüdungs- oder Langzeiteffekte wie Nullpunktverschiebungen oder Linearitätsänderungen aufweisen. In einigen Fällen kann die Verwendung von piezoelektrischen Sensoren durch Ladungsdrift begrenzt sein, die aus physikalischen Gründen auftritt. Abhängig von der Messamplitude und dem Aufbau der Messtechnik sind dennoch quasistatische Messungen über Zeiträume von mehreren Minuten oder sogar Stunden möglich.

Mit der von Kistler entwickelten Quarz-Sensortechnologie können dynamische Kräfte sowohl direkt als auch indirekt gemessen werden. In Abbildung 2 ist der Sensor für direkte Messungen vollständig im Kraftfluss (1) positioniert und misst die gesamte Kraft. Dieser Ansatz liefert eine hohe Messgenauigkeit, die praktisch unabhängig vom Kraftangriffspunkt ist. Wenn der Sensor nicht direkt im Kraftfluss positioniert werden kann, misst er nur einen Teil der Kraft (3). Der Rest durchläuft die Struktur, in der er montiert ist (so genannter Force Shunt). Bei der indirekten Kraftmessung werden Dehnungssensoren eingesetzt, um die Prozesskraft indirekt über die strukturelle Dehnung (2) zu messen.

3. Die maXYmos XY-Monitore können die Qualität eines Produkts oder Fertigungsschritts anhand eines Profils überwachen und bewerten. Mit Hilfe von Auswertungsobjekten (EOs) passt der Benutzer die Kurvenauswertung an die jeweilige Überwachungsaufgabe an.

Piezoelektrische Kraftsensoren werden zur dynamischen Kraftmessung (zB beim Stanzen von Blechteilen) eingesetzt. Darüber hinaus werden sie für quasistatische Prozesse wie das Einpressen von Lagern in Motorblöcke eingesetzt. In solchen Fällen können die Prozesskräfte sicher aktiviert werden. Die Messtechnik bleibt auch dann unbeschädigt, wenn Kraftspitzen auftreten, die herkömmliche Messsysteme dauerhaft zerstören könnten.

Von Kistler entwickelte Systeme verfügen über qualitätssichernde Fähigkeiten zur Analyse und Dokumentation von Spritzgussprozessen. Der Werkzeuginnendruck ist die aussagekräftigste Prozessvariable, da er die Bedingungen unmittelbar beschreibt - während das Formteil tatsächlich erstellt wird. So können Sensoren und Systeme anhand des Werkzeuginnendrucks frühzeitig erkennen, ob Gutteile oder Ausschuss produziert werden.

Systemlösungen zur prozessintegrierten Qualitätssicherung

Damit die von hochempfindlichen Piezosensoren erfassten Daten tatsächlich verwendet werden können, werden sie in geeigneten Überwachungssystemen visualisiert, ausgewertet und dokumentiert. Durch die Integration dieser Messsysteme in den Fertigungsablauf wird eine frühzeitige Erkennung von Produktionsfehlern möglich, wodurch das potenzielle Risiko von finanziellen Verlusten durch fehlerhafte Teile verringert wird.

In der Montagetechnik überwacht das Kistlers maXYmos-System zuverlässig die Produktionsprozesse (Abb. 3). Folglich kann die Produktion mit maximaler Kosteneffizienz auf das Ziel einer Null-Fehler-Produktion hin optimiert werden. Das System zeichnet sich durch Flexibilität und eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche aus. Es kann für automatisierte Füge- und Einpressvorgänge sowie für manuelle Vorgänge wie von Hand ausgeführte Pressvorgänge verwendet werden (Abb. 4). Zu den Anwendungen für Kistlers Sensoren und XY-Monitore gehört neben der Produktion und Montage auch die Überprüfung der Funktionalität des Endprodukts.

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4. Kleine Kraftsensoren sind kompakt und platzsparend, um die Integration in das Maschinendesign zu optimieren.

Mehr Wirtschaftlichkeit im Fokus

Die auf dem piezoelektrischen Prinzip basierende Sensortechnologie sorgt für eine bemerkenswerte Steigerung der Prozesssicherheit innerhalb der Produktionskette des Unternehmens, verbunden mit einer nachhaltigen Verbesserung der Produktivität, und eröffnet den Weg zu einer fehlerfreien Produktion und einer maximalen Prozesseffizienz. Aus betriebswirtschaftlicher Sicht dient diese hochpräzise Technologie vor allem einem Zweck: Sie schafft eine solide Grundlage für den wirtschaftlichen Erfolg in einem Markt, in dem in allen Teilen der Welt ein starker Wettbewerb herrscht.



Quelle: http: //www.electronicdesign.com/test-measurement/robust-industrial-manufacturing-relies-piezoelectric-sensing