Meilenstein in der Mehrkomponenten-Messtechnik

Insbesondere in der Mehrkomponenten-Messtechnik, bei der die Kalibrierung von mehrdimensionalen Kraftsensoren eine Königsdisziplin darstellt, stoßen Fortschritte auf großes Interesse. GTM hat es mit einem neuartigen Ansatz geschafft, einen Meilenstein in der Mehrkomponenten-Kalibrierung zu setzen. 

Die neu entwickelte MKA-Messeinrichtung beeindruckt nicht nur durch den Messbereich, den Aufbau und die schiere Größe – vor allem das Automatisierungskonzept stellt weltweit ein Novum dar. Die neue Bezugsnormal-Messeinrichtung ermöglicht die präzise Steuerung und Regelung der Krafteinleitung über von GTM selbstentwickelte Hexapoden, während die hochpräzise und ebenfalls eigenentwickelte Aufnehmer-Messtechnik sämtliche Kräfte und Momente in Echtzeit und mit bislang unerreichter Genauigkeit erfasst und auswertet. 

Wegweisende Entwicklung in der Metrologie 

GTM Testing and Metrology (GTM) ist weltweit führend in der Entwicklung von DMS-basierten Präzisions-Kraftaufnehmern und Messeinrichtungen, Präzisions-Elektronik und Kalibrier-Services für Kräfte und Momente. Schon im Jahr 2005 wurde das Unternehmen als erstes Laboratorium für Mehrkomponentenmesstechnik nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Seitdem hat GTM nicht nur Kraft- und Drehmomentaufnehmer kalibriert, sondern auch Mehrkomponenten-Aufnehmer – quasi als Pionier. Dabei gibt es zwei Ansätze: Entweder wird der Betrag der Kraft für jede einzelne Komponente präzise bestimmt, während die weiteren Größen wie Kraftangriffspunkte, Kraftrichtung und Hebelarme lediglich geschätzt werden. Diese Messungen erfolgen auf einaxialen Messeinrichtungen. Der zweite Ansatz besteht darin, den Kraftvektor vollständig zu messen. 

GTM ist überzeugt, dass sich diese vollständige Vektormessung langfristig in staatlichen Instituten wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und in der Industrie durchsetzen wird. Aus diesem Grund hat GTM in Ergänzung zur einaxialen Mehrkomponenten-Bezugsnormalmesseinrichtung eine neue vollautomatische Anlage entwickelt, die bahnbrechende Möglichkeiten eröffnet. 

Innovation mit langer Vorgeschichte 

Die Entwicklung der neuen MKA-Messeinrichtung von GTM war eine technologische Herausforderung, für die das Unternehmen zahlreiche Vergleichsmessungen, teilweise sogar Grundlagenforschung betrieben hat. Als äußerst produktiv erwiesen sich Diskussionen mit Gutachtern und die Akkreditierung der Einrichtung, die 2022 erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Bisherige Mehrkomponenten-Kalibrierungsverfahren wiesen Schwachstellen auf, sei es in Bezug auf die erreichbare Messunsicherheit oder den Kalibrieraufwand – beides kundenrelevante Aspekte. Die Überlegungen, eine neue Messeinrichtung zu entwickeln, begannen bereits 2016, als die Nachfrage nach MKA-Kalibrierungen so stark anstieg, dass alle Aufträge mit der damals bestehenden Messeinrichtung und dem bisherigen Verfahren nicht mehr abgewickelt werden konnten. Denn: Der bis dahin ausschließlich manuelle Kalibrierprozess war sehr aufwändig und zeitraubend, was sich in erhöhten Durchlaufzeiten widergespiegelt hat. Mit der neuen vollautomatischen Messeinrichtung hat GTM den Zeitaufwand und die damit verbundenen Durchlaufzeiten erheblich reduziert. Die Kalibrierung erfolgt automatisiert, teils sogar über Nacht – ein enormer Vorteil gegenüber dem bisherigen Verfahren. 

Messunsicherheit so gering wie niemals zuvor 

Die komplett in Eigenregie entwickelte Messeinrichtung von GTM hat die Messunsicherheit der Kalibrierung im Vergleich zur bisherigen Akkreditierung um den Faktor fünf verringert. Neue Bestmarke auch beim Prüfraum: Mit einer Größe von 4,5 m3 bieten sich völlig neue Möglichkeiten. „Es ist uns mit der der neuen MKA-Einrichtung einmal mehr gelungen, neue Maßstäbe in der Mehrkomponenten-Messtechnik und -Kalibrierung zu setzen“, so Michael Kadziela, Geschäftsführer GTM. Der Kalibrierbereich wurde signifikant erweitert, er berücksichtigt realistische und anwendungsorientierte Einbaubedingungen des Kalibriergegenstands für heutige und zukünftige Anwendungen. „Die Messunsicherheit von 0,1 %, die wir inzwischen erreichen, ist eine absolute Spitzenleistung in der MKA-Kalibrierhierarchie und weltweit einzigartig“, so Michael Kadziela weiter. Die Messeinrichtung kann Kräfte von 4 bis 500 kN axial und 2 bis 200 kN quer präzise messen. Auch die Messung von Momenten zwischen 2 und 50 kN·m ist möglich. Solch große Messbereiche bei einer so geringen Messunsicherheit sind normalerweise nur mit einaxialen Messeinrichtungen erreichbar. 

Um diese Ergebnisse zu erzielen, hat GTM einen erheblichen konstruktiven Aufwand betrieben. Die Basis der Messeinrichtung besteht aus drei verschiedenen Messplattformen, die maximale Flexibilität bei der Größe der Kalibriergegenstände bieten. Die Hochpräzisions-Kraftaufnehmer der Serie K, die zum Einsatz kommen, sind speziell angepasste Modelle, ausgestattet mit ebenfalls eigenentwickeltem, hochpräzisem und mechanischem Zubehör. Während der Entwicklung der neuen Messeinrichtung stellte sich schnell heraus, dass es keine geeigneten mechanischen Komponenten auf dem Markt gab, wie zum Beispiel einen passenden Hexapoden. Daher entschied sich GTM noch in einer sehr frühen Phase der Entwicklung kurzerhand dazu, diese Einheit und alles, was dazu gehört, selbst zu entwickeln. Aufbauend auf der kompletten mechanischen Eigenentwicklung hat GTM bei Antriebstechnik und leistungsstarker Messelektronik von Beckhoff die perfekte Ergänzung für die neue MKA-Messeinrichtung gefunden. 

Hochpräzise Messungen 

Die neue Messeinrichtung von GTM bietet nicht nur eine verbesserte Genauigkeit, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für verschiedene Anwendungsgebiete. Präzisere Mehrkomponentenaufnehmer ermöglichen beispielsweise der Luftfahrtindustrie detailliertere Messungen bei aerodynamischen Versuchen im Windkanal und die exakte Bewertung von Modifikationen an Luftfahrzeugen. Bereits kleine Verbesserungen an den Modellen können die Effizienz eines Flugzeugs erheblich steigern. Ähnlich gilt dies für Rotorblätter von Windenergieanlagen, für Schiffsantriebe oder die Messung des Rollwiderstands von Autoreifen. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion der GTM-Messeinrichtung liegt darin, dass sie die Schwerkraft sehr präzise in beliebiger Richtung nachbilden kann. Dadurch können kundenspezifische Anwendungen unter realistischen Bedingungen kalibriert werden – auch in dieser Hinsicht ist die innovative Lösung von GTM einzigartig und richtungsweisend. 

Michael Kadziela: „Das Erforschen neuer Kalibrierverfahren zählt seit jeher zu unserem Antrieb, es hat uns bis an die Spitze der Branche gebracht. Mit der neuen MKA-Messeinrichtung ist es uns gleichermaßen gelungen, dem eigenen Anspruch zu entsprechen und unsere Top-Position zu untermauern.“ Mit diesem technisch aufregenden Fortschritt trägt GTM einmal mehr dazu bei, die Qualität und Präzision in der Mehrkomponenten-Messtechnik zu verbessern. Auf diese Weise werden die heutigen und zukünftigen Anforderungen an Mehrkomponenten-Aufnehmer nicht nur zu erfüllt, sondern übertroffen. 

Autor: Marcel Richter, Director Product Management & Marketing bei GTM