Innovative Verfahren im praktischen Einsatz: Das Granulatfestigkeits-Prüfsystem GFP.

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1 etewe GmbH, Prüf- und Automatisierungssysteme Floridastraße 3, D Karlsruhe Telefon: +49 (0)721/ , Fax: +49 (0)721/ , Internet: Innovative Verfahren im praktischen Einsatz: Das Granulatfestigkeits-Prüfsystem GFP. Die Granulatfestigkeitsprüfung ist ein Verfahren zur Charakterisierung granulierter Materialien. Dabei werden einzelne Granulatpartikel dem uniaxialen Druckversuch unterzogen und die Bruchwerte sowie der Kraft-Deformationsverlauf ermittelt, um das mechanische Verhalten des Materials zu bestimmen. Über statistische Methoden können Aussagen über das Materialverhalten getroffen werden, die bisher nicht erhältlich waren. Durch ein neues Messverfahren, das an der Universität Karlsruhe von Herrn Dr. Rainer Oberacker entwickelt und patentiert wurde, können sehr kleine Proben mit sehr kleinen Kräften geprüft werden: Partikeldurchmesser: von ca. 50µm bis 3000µm Prüfkräfte: Genauigkeit der Kraftmessung: 1000 mn bis N bis < 0,2 mn Dieses Verfahren wurde im Rahmen der Forschung über keramische Pressmassen entwickelt, besitzt aber branchenübergreifende Bedeutung für die gesamte pulverproduzierende und verarbeitende Industrie. Anwendung findet das Granulatfestigkeits-Prüfverfahren in der Eingangs- und Prozesskontrolle in der Mikroprüftechnik in der Forschung und Entwicklung in der produktionsbegleitenden Qualitätssicherung Der Einsatz erfolgt z.b. in folgenden Branchen: Chemische Grundstoffindustrie Pharmazie Lebensmittelindustrie Keramikindustrie Füllstoff- und Pigmentindustrie Pulvermetallurgie 1

2 etewe bietet drei Versionen von Granulatfestigkeits-Prüfgeräten an: GFP-Laborgerät mit manueller Probenzufuhr GFP-Automat GFP-Systeme für große Prüfkräfte und Probendurchmesser Die Granulatfestigkeits-Prüfgeräte im Detail [1] Das GFP-Laborgerät mit manueller Probenzufuhr.»Manuell«betrifft die Platzierung der Probe auf der Messposition vor der Messung, die Messung (erfolgt durch Tastendruck), das interaktive Markieren der Bruchposition auf der Belastungskurve nach der Messung sowie das Reinigen der Probenposition nach der Messung. Die Messung selbst wird vollständig automatisch vom Rechner gesteuert. Diese Ausführung eignet sich insbesondere im F+E-Laboreinsatz; daher die Bezeichnung»Laborgerät«. Natürlich kann das Meßsystem auch in jedem anderen Zusammenhang eingesetzt werden. 2

3 Das Sensor-/Aktorsystem. Sensorik und Aktorik beruhen auf dem GFP-Standardprinzip: Stellelement Piezotranslatorblock, Kraftmessung auf dem Biegebalkenprinzip, kontaktlose Wegmessung unmittelbar in der Belastungsachse und unabhängig von der Kraftmessung. Dieses Prinzip ist in weiten Grenzen an verschiedene Messbereichsanforderungen anpassbar, so dass das System für unterschiedlichste Materialien optimiert werden kann. Hierzu wird die Stärke des Biegeelements auf die notwendige Maximallast bzw. notwendige Auflösung ausgerichtet. Sensorik und Aktorik sind in einem robusten Aluminiumgehäuse untergebracht, das den Anforderungen an den Betrieb in industrieller Umgebung erfüllt. Wichtig ist jedoch eine an die Auflösung der Kraftmessung angepasste erschütterungsfreie Aufstellung des Messsystems. Die obere Prüfebene wird durch eine Digital-Mikrometerschraube dargestellt, um verschiedene Probengrößen (ca. 100 pm bis 5 mm, je nach Deformation) messen zu können. Der eingestellte Abstand wird automatisch vom Programm eingelesen und der Messung zugrunde gelegt. Signalinterfacing. MIS11-System mit 14-bit AD-Wandler, der die verstärkten Signale von Kraft- und Wegsensor an den Rechner übergibt. 16-bit-DA-Wandler mit Hochspannungsteil zur Ansteuerung des Piezotranslators. Dadurch sind beliebig kleine Stellincremente realisierbar. Schließlich ist ein DIGI-Modul integriert, das die Meßdaten der Mikrometerschraube einliest. Software. Verwendet wird die Standard-Windows-GFP-Software, die in allen GFP-Systemen eingesetzt wird. Automatisierungsfunktionen sind deaktiviert. Zusätzliche Funktionen für Prüfablauf, Darstellung, Ergebnisberechnung, Auswertung sowie Datenexport sind jederzeit integrierbar. Zusatzausstattung. Eine Handhabungshilfe zur Positionierung (Vakuumpen-Gerät) wird empfohlen und von uns angeboten. Damit ist das Handling von Proben mit Durchmessern bis hinunter auf ca. 200 µm problemlos. Für kleinere Proben werden Spezialkanülen mit Filteroberfläche angeboten. Die videooptische Beobachtungsausstattung (Videomikroskop) ist aufgrund der leichteren Durchführung der Messung und vor allem auch wegen der wichtigen qualitativen Materialaussagen zu empfehlen. Das GFP-Gehäuse ist für die Montage auf einer Basisplatte vorgesehen, die Kamera und Mikroskopoptik trägt und den Abstand Probe Linse vibrationsfrei justiert. 3

4 Monitore können in 19"-Technik und Tischversionen geliefert werden. Die Vergrößerungen der Videoaustattung kann in weiten Grenzen gewählt werden. Die Beleuchtung wird mit faseroptischen Lichtleitern realisiert, die das Licht koaxial um die Beobachtungsachse bündelt. Technische Daten (je nach Anwendung konfigurierbar): Belastungskraft: Deformation: Genauigkeit Kraftmessung: 0..max. 15 N 0..max µm (Durchmesser: abhängig von materialspezifisch auftretender Deformation) Je nach Meßbereich bis < 0.1 mn Genauigkeit Wegmessung: 1 µm Messprinzip: Kraft: Weg: Stellweg: Dehnungsmessstreifen Vollbrücke auf Biegeelement Präzisionsgleichspannungsverstärker Wirbelstromsensor Halbbrücke berührungslos Piezokeramischer Translatorblock Winkelbewegung Grad proportional V Erweiterungsmöglichkeiten: Betrieb weiterer Messköpfe am vorhandenen MIS, um andere Messbereiche gleichzeitig nutzen zu können Integration weiterer Meßsysteme in MIS durch Verwendung beliebiger Module aus der MIS-Modulpalette Anwenderspezifische Ergänzung der GFP-Software Wenn Sie sich für ein GFP-Laborgerät mit manueller Probenzufuhr interessieren, sprechen Sie uns an: Per Telefon +49 (0)721/ oder per an info@etewe.de 4

5 Die Granulatfestigkeits-Prüfgeräte im Detail [2] Der GFP-Automat. Der GFP-Automat ist die vollautomatische Version des GFP-Systems. Vorgänge wie die Vereinzelung der zu messenden Probe (Identifikation), die Zustellung zur Probenposition, die Durchführung der Messung, das Bestimmen der Bruchposition, das Reinigen der Messposition nach der Messung werden automatisch ohne externe Unterstützung abgearbeitet. Nach Prüfung der gesamten Stichprobe werden die Messergebnisse in gewünschter Form zusammengefasst und aufbereitet. Dabei ist das System vollständig kompatibel zu allen anderen GFP-Versionen: Bindeglied zum Rechner ist das MIS, wodurch das automatische GFP-System selbst in die Umgebungsbedingungen (Prozess, Eingangskontrolle...) eingebunden werden kann. Auch kann der GFP-Automat parallel zum Laborgerät an einem MIS-/Rechnersystem betrieben werden. Dies kann für umfangreichere Laboranwendungen sinnvoll sein. Der GFP-Automat von etewe ist modular aufgebaut: Die einzelnen Komponenten werden nach Anforderungsprofil zusammengestellt und der Betrieb für die spezifische Nutzung optimal eingestellt. Spätere Ergänzungen und Anpassungen sind jederzeit und einfach durchführbar. Messprinzip. Eingesetzt wird die identische Messtechnik wie im Laborgerät; die Komponenten sind vollständig kompatibel, die Messdaten jederzeit übertragbar. Die Sensor-/Aktoreinheit ist in einem eigenen Gehäuse innerhalb des Automaten aufgebaut; die Wirkrichtung der Kraft wurde gegenüber dem Laborgerät umgekehrt (der Stempel bewegt sich hier von oben nach unten). 5

6 Automatisierungsprinzip. Die zu messende Granulatcharge wird als lockere Monolage auf dem Glasträger aufgebracht. Dies geschieht ohne Probleme von Hand, da eine Lage bereits ca messbare Proben umfassen kann. Optional kann auch diese Probenahme automatisiert werden. Die Monolage wird mit einer Videokamera aufgenommen, deren Bild digitalisiert und im Rechner analysiert wird (Methoden der Bildverarbeitung). Diese Analyse bestimmt die Lage eines freien und damit messbaren Partikels sowie dessen Durchmesser in der Lageebene. Das bedeutet, dass die Partikel, einmal auf den Träger aufgebracht, vor der Messung nicht mehr berührt werden. Dies ist besonders bei sehr fragilen Materialien (Bruchlasten im mn-bereich) bedeutsam. Ist die Position eines freien Partikels bestimmt, fährt der Messkopf mit dem Stempel in einer xy- Bewegung über dieses Partikel; die Proben bleiben in Ruhe. An dieser Stelle wird die Probe geprüft. Nach jeder Messung wird der Stempel mechanisch gereinigt, damit verbleibende Probenfragmente nicht die nachfolgende Messung beeinflussen. Dieses Prinzip ist in hohem Maße materialunabhängig; der Automat kann entsprechend für die verschiedensten Anforderungen eingesetzt werden. Weiterhin ist der Betrieb sehr störungssicher, so dass der Personalaufwand zur Durchführung der Messungen äußerst begrenzt bleibt. Der Automat ermöglicht eine umfassendere Analyse der Partikel, da über die Bildverarbeitung geometrische Größen in der Projektionsebene (senkrecht zur Belastungsachse) ermittelt werden. Dadurch können umfassende Zusammenhänge zwischen Partikelform und mechanischen Kennwerten aufgestellt werden, die häufig große Bedeutung bei der Granulatcharakterisierung besitzen. Auch die Festigkeitsbestimmung kann hier mit genaueren Werten aufgrund der Kenntnis der Geometrie durchgeführt werden. Damit stellt der GFP-Automat ein einzigartiges System zur gleichzeitigen Charakterisierung von granulierten Materialien unter geometrischen und mechanischen Gesichtspunkten dar! In den Automat integriert ist zusätzlich die videooptische Mikroskopeinrichtung, die es erlaubt, die aktuelle Probe unter der Belastung zu beobachten. Alle F+E-Möglichkeiten, wie sie in diesem Zusammenhang die Laborversion bietet, bleiben hier also erhalten. Signalinterfacing. Die gesamte Steuerungstechnik und Messdatenerfassung wird über MIS realisiert. Dies gewährleistet alle Möglichkeiten des»offenen Systems«, insbesondere die hier wichtige Einbindung des Automaten in Produktion und externe Systeme. 6

7 Die Messdatenerfassung und Aktoransteuerung stimmt mit der Laborversion überein. Zusätzlich werden die Schrittmotoren des x-y-tisches, der die Bewegung des Messkopfes realisiert, über MIS-SMC-Module angesteuert. Hier sind auch Ein- und Ausgabeports integriert, die Endschalterkontrollen übernehmen sowie Relais, die die Durchlichtbeleuchtung der Monolage schalten. Software. Eingesetzt wird die Standard-GFP-Software, mit allen Funktionen zum Betrieb des Automaten. Hierzu gehören die Bildverarbeitungsroutinen und die Funktionen zur Ansteuerung der Schrittmotoren. Aktiviert ist die automatische Bruchpositionsbestimmung, wobei das gültige Kriterium für den Probenbruch (z.b. negativer Differenzenquotient etc.) durch Parameter festgelegt wird. Die Software wird anwendungsspezifisch um Auswerte- und Ausgabeoptionen ergänzt, die nach Messung einer Stichprobe die Ergebnisse (statistisch) aufbereitet und ggf. Stellsignale ausgibt. Technische Daten. Belastungskraft: Deformation: Genauigkeit Kraftmessung: 0..max. 15 N 0..max µm (Durchmesser: abhängig von materialspezifisch auftretender Deformation) Je nach Meßbereich bis < 0.1 mn Genauigkeit Wegmessung: 1 µm Messprinzip. Kraft: Weg: Stellweg: Dehnungsmessstreifen Vollbrücke auf Biegeelement Präzisionsgleichspannungsverstärker Wirbelstromsensor Halbbrücke berührungslos Piezokeramischer Translatorblock Winkelbewegung Grad proportional V Weitere Informationen im Überblick: 7

8 Bewegungseinrichtung: Präzisions-Flachbett-x-y-Tisch mit Schrittmotorantrieb und Zahnriementrieb Positionierung: Manuell (optional automatisch) aufzubringende Monolage auf Glasträger Lagekamera: Makro-CCD-System mit motorischem Zoom und Schärferegulierung. Dadurch sind verschiedenste Chargendurchmesser ohne Umbauten messbar. Digitalisierkarte im PC eingebaut. Beobachtungskamera: Micro-CCD-Kamera, justiert auf Probenposition (aktuell gemessene Probe). Vergrößerung definierbar von ca. 500 µm formatfüllend aufwärts. Beleuchtung über Faserlichtleiter, integrierte Kaltlichtquelle. Reinigung: Rotierende Bürstenleisten, über die der Prüfstempel fährt. Mechanischer Aufbau: Geschlossenes Mess- und Kameragehäuse, das auf x-y-tisch verfahren wird. Obergehäuse, das mit Faltenbalg-Portal die gesamte Mess- und Stelltechnik wirksam gegen Staub und Verschmutzung (Produktion etc.) abschirmt. Klimatisierung möglich. Erweiterungsmöglichkeiten. Automatische Probennahme und Aufbringen der Monolage Gleichzeitiger Betrieb mehrerer GFP-Meßköpfe an einem MIS-/PC-System (z.b. Laborgerät und GFP-Automat) Durch modularen MIS-Aufbau vollständig integrierbar in Labor- und Produktionssysteme. Einsetzbar in Eingangskontrolle und Qualitätssicherung sowie SPC Wenn Sie sich für den GFP-Automaten interessieren, sprechen Sie uns an: Per Telefon +49 (0)721/ oder per an 8

9 Die Granulatfestigkeits-Prüfgeräte im Detail [3] GFP-Systeme für große Prüfkräfte und Probendurchmesser Ausgehend von der GFP-Systemtechnik werden spezielle Prüfsysteme konzipiert und realisiert, um hohe Prüflasten aufzubringen und große Proben messen zu können. Hierbei werden entsprechende Kraft- und Wegsensoren sowie motorische Aktoren eingesetzt, die auf große und harte Proben ausgerichetet sind, um sie auf Festigkeit untersuchen zu können. Dadurch wird ein System in Form einer konventionellen Prüfmaschine realisiert, das dabei aber höchste Auflösungen aufrechterhält, die in der marktgängigen Prüftechnik die untersten Grenzbereiche darstellen. Der Systemaufbau entspricht dem der an anderer Stelle beschriebenen GFP-Systeme (Rechner, Interfacetechnik,»Messkopf«). Eingesetzt wird hier ebenfalls die Standard- GFP-Software, die durch entsprechende Parameterwahl für den Betrieb mit der GFP-Prüfmaschine konfiguriert wird. Für die GFP-Prüfmaschine werden spezifische Automatisierungsprinzipien angewandt, die einfache Lösungen darstellen und kostengünstig zu realisieren sind. Technische Daten (Je nach Anwendung konfigurierbar): Belastungskraft: Deformation/Probendurchmesser: Genauigkeit Kraftmessung: Genauigkeit Wegmessung: 0..2 kn (Standard, Anpassungen für höhere Kräfte möglich) nach Anforderung < 1 % v. Messbereich, höhere Genauigkeiten möglich < 1 % v. Messbereich, höhere Genauigkeiten möglich 9

10 Messprinzip. Kraft: Weg: Stellweg: Standard Dehnungsmessstreifen auf Biegeelement Präzisionsgleichspannungsverstärker Standard LVDT-Wegsensor Schrittmotorisch (Mikroschrittsteuerung) betriebene Hubebene Erweiterungsmöglichkeiten. Automatisierung der Probenzufuhr Integrierbare Video-Beobachtungseinrichtung Zusätzliche Wechseleinheiten (Jochelement mit Kraftsensor) für den Kraftmessbereichswechsel Betrieb weiterer Messköpfe am vorhandenen MIS, um andere Messbereiche (im Bereich der manuellen GFP-Laborsysteme) gleichzeitig nutzen zu können Integration weiterer Messsysteme in MIS durch Verwendung beliebiger Module aus der MIS-Modulpalette Anwenderspezifische Ergänzung der GFP-Software Spezifische Lösungen für individuelle Aufgabenstellungen sind unsere Spezialität. Sprechen Sie über Ihre Anforderungen mit unseren Experten. Ihr Ansprechpartner für technische Fragen Dr. Thomas M. Reetz etewe GmbH Prüf- und Automatisierungssysteme Floridastraße 3 D Karlsruhe Telefon: +49 (0)721/ Fax: +49 (0)721/ info@etewe.de Internet: 10