Piezo-Sensoren bringen Feingefühl in die Fertigung

Forscher des Braunschweiger Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) haben einen Sensor entwickelt, der das Stanzen kontinuierlich und in Echtzeit misst. „Wurden Löcher ausgelassen oder sind die Werkzeuge stumpf, registriert der Sensor dies“, konkretisiert erläutert Martin Weber, Projektleiter am IST. Entsprechend schnell könnten Mitarbeiter Fehler wie auch Verschleiß schnell beheben und abgenutzte Werkzeug wechseln, bevor ein Bruch teuer zu stehen kommt. Mit 2 mm Höhe und 20 mm bis 25 mm Durchmesser lassen sich die scheibenförmigen Sensoren ohne Probleme in bestehende Produktionssysteme integrieren, betonen die Braunschweiger Sensor-Experten. Entsprechend können sie auch in Großwerkzeugen eingesetzt werden, in denen viele Stempel eng nebeneinander angebracht sind. Herkömmliche Sensoren sind laut IST für solche Aufgaben zu sperrig. „Gleichzeitig ist es jetzt auch von den Kosten erschwinglich, jeden einzelnen der zahlreichen Stempel zu überwachen“, ergänzt Martin Weber. Denn die neuen „Mini-Sensoren“ seien auch deutlich kostengünstiger als bisher erhältliche.

Der eigentliche Sensor besteht dabei aus einer diamantartigen Kohlenstoffschicht und ist piezoresistiv. „Zur Herstellung solcher Schichten setzen wir Vakuumbeschichtung ein“, konkretisiert Saskia Biehl, Gruppenleiterin Mikro- und Sensortechnologie in Braunschweig. Steige der Druck auf eine solche Kohlenstoffschicht, sinke ihr elektrischer Widerstand. Über diese Änderung lasse sich auf die Kraft schließen, mit welcher der Stempel auf das Blech drückt. Die Messdaten werden dabei online per Computer ausgewertet und gespeichert.

Prototypen des Piezo-Sensors haben die Wissenschaftler bereits mit Erfolg getestet, jetzt soll die Technik weiter optimiert werden, um auch Großserien zuverlässig produzieren zu können. Ein weiteres Einsatzgebiet soll die „intelligente“ Unterlegscheibe werden: ein Sensorsystem, das die Spannkraft von Schraubverbindungen misst und gleichzeitig die Temperatur detektiert. Dieses Sensorsystem bei uns individuell auf Kundenwunsch gefertigt, da die Anforderungen mit Blick auf Belastung, Temperatur, Umgebungsmedien und Design sehr unterschiedlich ausfallen können“, betont die Gruppenleiterin.

So setzen piezoelektrische Sensoren auch neue Maßstäbe, geht es um das exakte, flexible Erfassen von Einpresskräften. Denn: „Bei Einpressaufgaben werden hydraulische Pressen immer häufiger von elektrischen Fügemodulen ersetzt“ weiß Norbert Bäuml, Vertriebsleiter für Staiger-Mohilo-Produkte. Die Firma in Lorch wurde 2006 von der Kistler Instrumente GmbH aus Ostfildern übernommen und gilt als Spezialist für Drehmoment-Sensoren sowie elektromechanische Fügeeinheiten. Das neue, auf der Motek 2007 präsentierte Fügemodul „NCFH“ könne dem Anwender ein breites Einsatzfeld in der Fertigung erschließen, was Raumbedarf, Präzision und Flexibilität betreffe. Dank der neuen piezoelektrischen Kraftmesstechnik würden nur zwei Baugrößen den Messbereich zwischen 1 kN und 60 kN abdecken – eine kleine für bis zu 15 kN und eine große bis maximal 60 kN. „Dies sichert Austauschbarkeit der Fügemodule bei flexiblen Fertigungsbedingungen, aber gleich bleibender Maschinenkonstruktion“, erläutert Norbert Bäuml. Der neue Kraftsensor sei dabei direkt in das Fügemodulgehäuse integriert, so dass eine kompakte Einheit aus Füge- und Messsystem entstehe.

Fügemodule mit piezoelektrischem Kraftsensor bieten laut Kistler neben besserer Umweltverträglichkeit, günstigerer Energiebilanz, platzsparender Installation und wartungsarmen Betrieb eine Reihe fertigungstechnischer Vorteile: „Flexibilität, exaktes Positionieren, extrem hohe Wiederholgenauigkeit, präzise definierte Einpresskräfte durch Messbereichsumschaltung und hohe Teilevielfalt in einer Station sind hier wichtige Kriterien“, listet der Sensorexperte auf. Zudem könne auch bei kleinen Kräften sehr genau gemessen werden.

Und dass in der Messtechnik Ethernet als Kommunikationsstandard aus der Office-Welt auf dem Vormarsch ist, belegt die Geitmann GmbH aus Menden mit einem modularen Messsystem, das über Standard-Ethernet mit einem PC kommuniziert. Die Vorteile der Kommunikation per Ethernet liegen für Firmenchef Hans Gerd Geitmann auf der Hand: „Praktisch jeder PC hat heute eine Ethernetschnittstelle und kann sofort mit unserem Messsystem verbunden werden.“ Störungen der Datenübertragung seien dabei fast ausgeschlossen. Ohne zusätzlich Komponenten lassen sich nach Firmenangaben Daten über Entfernungen bis zu 100 m übertragen.

Mark Böhler Fachjournalist, Kiel

Dicht am Prozess installiert Messdaten liefern