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Aufpresssensoren für die Dehnungsmessung: Ausgabe 13/2018, 15.08.2018

Zeit und Aufwand sparen

Herkömmliche Sensoren für die Dehnungsmessung werden häufig aufgeklebt. Diese Technik ist zeitaufwändig und nur für den einmaligen Einsatz in einer Anwendung geeignet. Wiederverwendbare Aufpresssensoren zur Dehnungsmessung sind eine Alternative zu geklebten Dehnmessstreifen. Sie messen in Sekundenschnelle, eignen sich für diverse Anwendungen und amortisieren sich bereits nach fünf Einsätzen.

Autor: Thomas Brüser, Geschäftsführer Sensormate AG, Text und Bilder

Bei industriellen Fertigungsprozessen und Verfahren wirken hohe Kräfte auf Maschinenteile wie beispielsweise Holme oder C-Rahmen von Pressen, Stanzen, Spritzgiess- und Druckgiessmaschinen. Um zu erfassen, wie stark die Anlagen beansprucht werden und Schäden durch Überlastung bzw. eine Werkstoffermüdung zu verhindern, ist eine turnusmässige oder kontinuierliche Überwachung dieser Kräfte erforderlich. Zu diesem Zweck kommen Kraft-, Druck- und Drehmomentaufnehmer zum Einsatz. Sie basieren auf der Erfassung selbst geringster dehnender und stauchender Verformungen durch Dehnmessstreifen (DMS), die auf diese Formabweichungen mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands reagieren. Diese Änderung kann über einen Verstärker in ein Ausgangssignal von 0 bis 10 V oder 4 bis 20 mA umgewandelt und in die Steuerung eingebunden werden.

Geklebte Dehnmessstreifen brauchen eine gute Vorbereitung
Typischerweise werden klassische DMS in einem komplexen Prozess auf die zu überprüfenden Bauteile aufgebracht. So müssen die Flächen zunächst aufwendig gereinigt und angeschliffen werden, bevor der DMS mit einem Spezialklebstoff aufgeklebt und anschliessend verdrahtet wird. Danach ist dann in der Regel noch das Aufbringen einer schützenden Paste oder Folie erforderlich sowie – nicht zu vergessen – das Kalibrieren des Verstärkers. 
Unterläuft dem Anwender bei dieser zeitaufwendigen Prozedur ein Fehler, sind Zeit und Material verloren. Alle Arbeitsschritte müssen wiederholt werden. Die Handhabung eines klassischen Klebe-DMS erfordert daher nicht nur viel Zeit, sondern auch sehr viel Erfahrung. Ein weiterer Nachteil eines klassischen, geklebten DMS: Er ist nur einmal verwendbar. Jede Messung erfordert daher einen neuen DMS.

Aufgepresste Sensoren statt aufgeklebte Dehnmessstreifen
Aufpresssensoren sind eine effiziente Alternative zum Klebe-DMS. Genau wie DMS messen sie die Oberflächendehnung direkt an der Montageposition. Sie werden nicht aufgeklebt, sondern wahlweise aufgeschraubt (für die kontinuierliche Überwachung) oder für die kurzzeitige Messung von Magneten so kräftig auf die Oberfläche gepresst, dass Reibschluss entsteht. Dabei muss die betroffene Metalloberfläche vor der Anwendung weder gereinigt noch geschliffen werden. Auch ein gesonderter Schutz durch Pasten oder Folien entfällt, da der DMS nicht nur lose in ein Elastomerkissen eingebettet, sondern auch durch das Sensorgehäuse geschützt ist.
Der Reibschluss zwischen eingebettetem DMS und Bauteiloberfläche ersetzt bei Aufpresssensoren den üblicherweise verwendeten Klebstoff. Die Anpresskraft wird dabei durch Edelstahlbänder, Magnete oder Ringspanner erzeugt. Ansonsten verhält sich der aufgepresste DMS genauso wie ein aufgeklebter Dehnmessstreifen. Er misst die Belastung in Sekundenschnelle und erreicht dabei Genauigkeiten <0,5 %. Doch anders als herkömmliche DMS können die kleinen, kompakten Aufpresssensoren im Dauereinsatz am Gerät verbleiben, da sie die Maschinenstruktur nicht zusätzlich belasten. 
Magnetdehnungssensoren für die Kurzeitmessungen können ohne Einbussen mehrfach verwendet werden. Zudem fällt die Sensormontage auch weniger erfahrenen Anwendern leicht. Denn wurde der DMS-Sensor nicht korrekt angebracht, kann er einfach abgenommen und neu montiert werden – ohne negative Auswirkungen auf den DMS. Darüber hinaus verfügen beispielsweise die patentierten Aufpresssensoren von Sensormate über einen Standard-k-Faktor von 2,0. Eine Kalibrierung des Verstärkers wie bei geklebten DMS ist daher hinfällig. Die Sensoren benötigen lediglich einen zyklischen Reset, der im Bereich von wenigen Millisekunden liegt.

Aufpresssensoren sparen Zeit und Aufwand
All diese Eigenschaften der Aufpresssensoren erleichtern und beschleunigen die Dehnungsmessung massgeblich. So liegt der zeitliche Aufwand für den Einsatz eines Aufpress-DMS mit maximal 5 min weit unter dem für einen geklebten DMS, für dessen Anwendung in der Regel 45 bis 100 min benötigt werden. Die Befestigung der Aufpresssensoren für die kontinuierliche Messung richtet sich nach dem jeweiligen Bauteil, der Messaufgabe und dem Sensortyp. Auf ebenen Oberflächen werden die Sensoren verschraubt, auf gebogenen Oberflächen wie Wellen mit Bändern fixiert oder bei der Anbringung in Bohrungen über einen Exzenter verspannt. 

Für Kurzzeitmessungen
Magnetsensoren werden häufig in Kunststoffspritzgiessmaschinen, Druckgiessanlagen sowie Pressen zur Messung und Einstellung der korrekten Schliess- bzw. Presskraft eingesetzt. Sie sollten möglichst gleichmässig über die Holme verteilt sein. Sehr wichtig dabei ist die Parallelität der Aufspannplatten und der Werkzeughälften. Bei Abweichungen kann es in den einzelnen Holmen zu unterschiedlichen Zugbeanspruchungen kommen. Im Extremfall kann das zu Überlastungen eines Holms und dadurch zu Holmrissen oder sogar zu Holmbrüchen führen. 
In jedem Fall leiden bei starker Unparallelität die Maschine sowie die Qualität der gefertigten Produkte. So führen beim Spritzgiessen unterbelastete Holme bei Mehrfachkavitäten-Werkzeugen zu höheren Teilgewichten und zu Toleranzfehlern. Für die hochgenaue Messung der Holmdehnung sowie die Erfassung selbst feinster Holmrisse bieten sich Magnetdehnungssensoren wie der QE1008-W mit drahtloser Signalübertragung an. Durch eine intelligente Anordnung von in der Regel acht Sensoren werden Biegeeffekte kompensiert und Abweichungen von der gleichmässigen Belastung der Holme einfach und schnell erkannt. Integrierte Verstärker, das Wireless-Modul sowie eine spezielle Software zur Darstellung der Dehnung bzw. Schliesskraft auf dem PC sorgen für eine hohe Benutzerfreundlichkeit.

Aufpresssensoren für dauerhafte Messungen
Aufpressdehnungssensoren für die kontinuierliche Messung sind besonders klein und leicht. Damit ist eine zusätzliche Belastung der Maschinenstrukturen ausgeschlossen. Sensormate bietet für nahezu jeden Einsatz geeignete Sensortypen an. So entwickelten die Schweizer beispielsweise die Messlanze ML1018 für die Dehnungsmessung in tiefen Löchern, beispielsweise in Bohrlöchern von Holmen oder Rahmen von Pressen, Spritzguss- und Druckgussmaschinen. Die Messlanze ist mit einem kalibrierten Digitalverstärker ausgestattet und gibt dem Anwender ein Ausgangssignal von 0 bis 10 V. Dieses Signal kann zur Auswertung in die Steuerung der Maschine integriert werden. Die beiden DMS an der Sensorspitze der Lanze werden extrem fest an die Bohrlochwand gedrückt und messen dort die Dehnung so präzise wie ein geklebter DMS.
Der direkten Messung der Oberflächendehnung auf planen Oberflächen von Pressen, Spritzgiess- und Druckgussmaschinen dienen die Aufpressdehnungssensoren der Baureihe SB. Die Reihe umfasst Sensoren mit oder ohne Verstärker sowie für dynamische Anwendungen oder schnell laufende Pressen. Dabei messen die SB-Sensoren selbst kleinste Dehnungen an steifen Strukturen präzise in jede Richtung. Ihr massives Aluminiumgehäuse besitzt die Schutzart IP54. Damit eignen sich die Sensoren auch für raue industrielle Umgebungen. Einige Sensoren dieser Baureihe verfügen über eine vergossene und damit geschützte Elektronik.

Messring empfiehlt sich für zyklische Dehnungsmessung
Speziell für die zyklische Dehnungsmessung, beispielsweise der Schliesskraftmessung an Pressen, wurde der Messring AN1068 entwickelt. Er wird um den Holm gelegt, dort mit einem Moment von 3 Nm verspannt und an den Verstärker angeschlossen. Zur Vorbereitung reicht eine Reinigung der Messstelle mit einem Lösungsmittel, da sie frei von losem Material sein muss. Der externe Verstärker erlaubt den Reset durch Tastendruck oder mit einem Reset-Signal.
Für die dauerhafte Messung der direkten Oberflächendehnung an Säulen und Holmen von Pressen sowie Spritz- und Druckgussmaschinen entwickelte Sensormate den Dehnungsaufnehmer GE1029. Er wird paarweise montiert, wobei sich beide Module zur Biegungskompensation genau gegenüberliegen müssen. Die Montage erfolgt mit zwei rostfreien Stahlbändern. Damit lässt sich der Dehnungsaufnehmer an diverse Holmdurchmesser zwischen 30 und 500 mm anpassen. Fräsungen oder Bohrungen sind nicht erforderlich. Neben der Grundversion gibt es seit kurzem den GE1029-A, eine Variante mit integriertem Verstärker, der ein Spannungsausgangssignal erzeugt. 

Infoservice
Sensormate AG
Steigweg 8, 8355 Aadorf
Tel. 071 955 40 20, Fax 071 955 40 25
t.brueser@sensormate.ch, www.sensormate.ch



Der Aufpresssensor vom Typ GE1029 zur permanenten Dehnungsmessung an Holmen und Säulen wird paarweise montiert


Der Dehnungssensor SB46 ist so kompakt, dass er die zu überwachenden Strukturen nicht zusätzlich belastet oder versteift


Der QE1010, das «Stethoskop des Ingenieurs», erlaubt schnelle und einfache Dehnungsmessungen auf planen Oberflächen


Der GE1029 wird paarweise montiert, wobei sich beide Module zur Biegungskompensation genau gegenüberliegen müssen


Das OE1008-W ist ein komplettes System mit komfortabler Funkübertragung zur einfachen und schnellen Holmdehnungsmessung