Angebracht auf dem Kniehebel der Thermoformmaschine RDM-K von Illig überwacht der Dehnungssensor DSRT von Baumer die Form- und Stanzkräfte in der Maschine.

Angebracht auf dem Kniehebel der Thermoformmaschine RDM-K von Illig überwacht der Dehnungssensor DSRT von Baumer die Form- und Stanzkräfte in der Maschine. Baumer/Illig

Seit 70 Jahren entwickelt und fertigt das Heilbronner Familienunternehmen Verpackungs- und Thermoformmaschinen sowie entsprechende Thermoform-Werkzeuge. Und gilt damit als ein führender Hersteller auf dem Weltmarkt. Die Thermoformmaschinen der Baureihen RDM-K und RDK formen aus Kunststofffolien (Rollenmaterial) zum Beispiel Joghurtbecher, Kaffeekapseln, Pflanztöpfe, Pralineneinlagen, Klarsichtboxen oder Fußbodenheizungen.

Hohe Fertigungsqualität ist der Standard

Die Qualitätssicherung in der Maschinenfertigung bei Illig beginnt mit der Auswahl der eingesetzten Werkstoffe und erstreckt sich über die Kontrolle aller Einzelteile bis hin zur Endabnahme der Maschinen. Viele der wesentlichen Maschinenbauteile stellt das Unternehmen selbst her. Vor ihrer Auslieferung werden alle Maschinen und Werkzeuge unter produktionsähnlichen Bedingungen erprobt; der Kunde erhält ein Abnahmeprotokoll mit den Einstelldaten und der vereinbarten Maschinenleistung. Bevor die Dehnungssensoren von Baumer vor etwa zehn Jahren erstmals in den Thermoformmaschinen eingesetzt wurden, durchliefen sie auch die anspruchsvollen Qualifikationsprüfungen bei Illig. Sie überzeugten den Maschinenbauer schließlich mit ihrer Präzision auch in rauen Umgebungen und ihrer universellen Einsetzbarkeit.

Eckdaten

Die Dehnungssensoren der Baureihe DRST sind vergleichsweise klein und ermöglichen indirekte, aber genaue Messungen von großen mechanischen Kräften.

Die Messwerte sind langzeitstabil, zuverlässig und überlastsicher.

Die Sensoren haben mehrere Vorteile gegenüber Dehnungsmessstreifen, vor allem sind sie wesentlich einfacher und schneller in der Maschine anzubringen.

Im Vergleich zu Kraftsensoren erlauben Dehnungssensoren eine kostengünstigere Messung von großen Kräften.

Dehnungssensoren messen eine mechanisch einwirkende Kraft indirekt. Eine Krafteinwirkung erzeugt in einer mechanischen Struktur wie einem Bauteil immer Dehnungen. Diese Dehnungen sind außerdem von der Geometrie der zu messenden Struktur und dem Elastizitätsmodul des Materials abhängig, aus dem das Bauteil besteht. Die Längen- beziehungsweise Querschnittsveränderung des Dehnungssensors, der auf diesem Bauteil angebracht ist und sich mit ihm verformt, verändert seinen elektrischen Widerstand; diese Veränderung wird gemessen. Während der Inbetriebnahme jeder Maschine werden die erfassten Dehnungswerte dann auf die Kraft kalibriert und ergeben so präzise Messwerte für die einwirkende Kraft. Weil sich die  Dehnungssensoren durch die Kraftmessungen praktisch nicht verändern und keine Drift aufweisen, sind sie – und damit die Messwerte – langzeitstabil.

Die bei der Qualifikation und Inbetriebnahme der Thermoformmaschinen ermittelten Kraftmesswerte sind auch für den Maschinenbauer selbst wichtig. Auf Grundlage dieser Messwerte erstellt Illig Konstruktionsrichtlinien für Maschinenanpassungen und Neuentwicklungen.

Die Messwerte der Dehnungssensoren DSRT erlauben es, die Kräfte in mechanischen Prozessen zu regeln.

Die Messwerte der Dehnungssensoren DSRT erlauben es, die Kräfte in mechanischen Prozessen zu regeln. Baumer

Kraftüberwachung für den Form- und Stanzbetrieb

Während des eigentlichen Folien-Formprozesses laufen in den Thermoformmaschinen mehre Fertigungsschritte ab, beispielsweise das Anschneiden, mechanische Verstrecken, Formdruck aufbauen und Stanzen. Die Formaggregate der RDM-K-Maschinen werden mit einem kurvengesteuerten Kniehebelsystem bewegt. Die auf den beiden Kniehebeln am Untertisch angebrachten Dehnungssensoren der Baureihe DSRT überwachen dabei die Form- und Stanzkräfte. Je nach Foliendicke wenden die beiden Formtische mehr oder weniger Kraft für die Formung des Halbfabrikats (Folie) auf. Eine vordefinierte Kraft darf sich über den ganzen Zyklus hinweg nicht über die Toleranzgrenzen hinaus bewegen. Bei Abweichungen kann sie am Bildschirm-Bedienfeld vom Maschinenführer unmittelbar korrigiert werden. Das verhindert die vorzeitige Abnutzung der Form- und Stanzwerkzeuge und stellt eine gleichbleibende Produktqualität sicher.

Thermoformmaschine der Baureihe RDK: Die Messwerte der Dehnungssensoren stellen eine gleichbleibende Produktqualität der Formteile sicher und verhindern die vorzeitige Abnutzung der Form- und Stanzwerkzeuge. Baumer

Die von den Dehnungssensoren gemessene Schließkraft in der Thermoformmaschine wird kontrolliert gesteuert und trägt so zu einer hohen Präzision des Form- und Stanzprozesses bei – hier bei der Herstellung von Kaffeekapseln. Baumer/Illig

Die Formwerkzeuge der heutigen Generation erlauben Taktzahl-Steigerungen um bis zu 60 %. Auf den RDK-Thermoform-Rollenautomaten (getrennt formend und stanzend) können beispielsweise 55 Rechteck-Schalen pro Minute hergestellt werden. Die Schließkraft der Formaggregate kontrolliert dabei ein Dehnungssensor auf der Oberbrücke. Rasch aufeinanderfolgende, harte Schläge und Vibrationen können ihm nichts anhaben. Durch die integrierte Verstärkerelektronik sind die von ihm an die Steuerung gesandten Messwerte weniger störanfällig. Fehlschaltungen werden reduziert und die Prozesssicherheit erhöht.

Im Gegensatz zu Kraftsensoren, die individuell an die jeweilige Maschinengeometrie angepasst werden müssen, können Dehnungssensoren auch an schwer zugänglichen Stellen einfach auf die zu messende Maschinenstruktur aufgeschraubt werden. Das Sensorelement selbst ist steckbar; das heißt im Servicefall entfällt eine aufwändige Neuverkabelung. Weil die einzelnen Sensoren in ihrer Empfindlichkeit jeweils gleich sind, lassen sie sich zudem ohne neuerliche Kalibrierung austauschen.

Thermoformmaschine der Baureihe RDK: Die Messwerte der Dehnungssensoren stellen eine gleichbleibende Produktqualität der Formteile sicher und verhindern die vorzeitige Abnutzung der Form- und Stanzwerkzeuge. baumer/Illig

Thermoformmaschine der Baureihe RDK: Die Messwerte der Dehnungssensoren stellen eine gleichbleibende Produktqualität der Formteile sicher und verhindern die vorzeitige Abnutzung der Form- und Stanzwerkzeuge. Baumer/Illig

Der mechanische Aufbau des Sensors ist auf eine möglichst geringe Beeinflussung der Maschinenstruktur ausgelegt. Das führt zu genauen Messergebnissen und erlaubt so eine zuverlässige und reproduzierbare Prozessteuerung. Dies wiederum ermöglicht eine hohe Form- und Stanzpräzision bei den hergestellten Formteilen.

Ein Dehnungssensor für mehrere Anwendungen

„Mit den universell einsetzbaren DSRT-Dehnungssensoren von Baumer haben wir ideale Komponenten für unsere Druckluft-Formautomaten gefunden“, bestätigt Andreas Raisch, Entwicklungsingenieur für Messtechnik bei Illig. „Wir sind sehr zufrieden. Mit nur einem Dehnungssensor decken wir mehrere Applikationen ab. Das hält unsere Kosten für Beschaffung und Logistik niedrig.“ Nach Raischs Worten sind die Dehnungssensoren „zuverlässig und fallen kaum aus“. Darauf legt das Unternehmen „großen Wert“. Außerdem ist eine Produktverfügbarkeit „über den ganzen Maschinenlebenszyklus hinweg wichtig“.

Dehnungssensoren DSRT

Die Sensoren der Baureihe DSRT eignen sich für indirekte, statische und dynamische Kraftmessungen und lassen sich überall dort einsetzen, wo Dehnungen beziehungsweise Stauchungen auftreten, zum Beispiel in Pressen, Stanzen, Thermoformmaschinen oder in Windkraftanlagen (zur Messung der Flügelbelastung). Die Messwerte erlauben es, die Kräfte in den mechanischen Prozessen zu regeln und nachvollziehbar zu dokumentieren. Dadurch werden beispielsweise Maschinenkräfte in Prozessen reproduzierbar und ermöglichen so eine konstante Fertigungsqualität der Produkte.

Die verschiedenen Messbereiche der Sensoren betragen je nach Ausführung: ±100, ±250, ±500 und ±750 µε; die Längenänderung 1 µε entspricht dabei einer Dehnung von 1 µm auf 1 m des ursprünglichen, ungedehnten Materials. Die Sensoren besitzen einen integrierten, rauscharmen Brückenverstärker mit analogem Signalpfad und hoher Grenzfrequenz (1 kHz). Als Ausgangssignale stehen ein analoges Strom- oder Spannungssignal (4 bis 20 mA, ±10 V DC, mV/V) sowie eine CANopen-Schnittstelle zur Verfügung. Die besonderen Kennzeichen der Sensoren sind: Zuverlässigkeit, Langzeitstabilität und Überlastsicherheit. Sie entsprechen der Schutzart IP67.

Zur Montage wird der Dehnungssensor auf dehnungsbeanspruchte Bereiche eines Maschinenbauteils aufgeschraubt. Im Vergleich zu geklebten Dehnungsmessstreifen (DMS) bieten Dehnungssensoren mehrere Vorteile: Sie sind wiederverwendbar und lassen sich wesentlich schneller und einfacher montieren. Sie lassen sich jederzeit ohne Nachkalibrieren austauschen. Das geringes mechanische Setzen und die geringe Aufwärmdrift ermöglichen eine rasche Inbetriebnahme. Im Vergleich zu Kraftsensoren ermöglichen DSRT-Dehnungssensoren eine kostengünstige Messung von großen Kräften. Der Sensor ist 80 mm lang, 26 mm breit und 17 mm hoch.