Rückführbare Kalibrierungen – vom Warenhersteller bis zum Staatsinstitut – sind für den internationalen Warenhandel elementar. Denn wenn Messgeräte ungenau arbeiten, kann das die Produkt- und Prozessqualität vermindern. Mögliche Folgen sind Ausschuss, Unterbrechungen der Produktion, unnötige Kosten oder auch Rückrufe oder Ersatzansprüche an das entsprechende Unternehmen.
GTM ist als Hersteller hochpräziser Messtechnik bekannt.  Zudem zählen umfassende Dienstleistungen im Bereich der Kalibrierung zum Portfolio der Gelben, wie das Unternehmen aus dem südhessischen Bickenbach oft genannt wird. Die erste akkreditierte Messeinrichtung bei GTM, die Messeinrichtung für Kraftaufnehmer bis 100 kN, nahm 1993 den Betrieb auf und legte den Grundstein für das heutige Kalibrierlaboratorium.
Über die Jahre hinweg ist das Labor sowohl aus eigenem Forschungsinteresse als auch aufgrund von zunehmenden Anforderungen aus der Industrie stetig ausgebaut und erweitert worden, neben Messeinrichtungen zur Kalibrierung für Kraftaufnehmer zählen inzwischen auch Messeinrichtungen für Drehmomentaufnehmer, DMS-Messverstärker sowie Mehrkomponentenaufnehmer dazu. Die Messunsicherheit ist so gering, dass viele Staatsinstitute von GTM entwickelte und hergestellte Messeinrichtungen besitzen – in einigen Ländern setzen GTM-Systeme sogar den Standard.

Genauigkeit: mehr als eine Pflichtübung

Kalibrieren und Dienstleistungen lassen sich heute in nahezu allen Bereichen des alltäglichen Lebens finden – nicht nur in der industriellen Produktion.  „Für quasi behördliche Stellen wie TÜV oder DEKRA ist das regelmäßige und akkreditierte Kalibrieren ihrer eigenen Mess- und Prüfmittel Pflicht, ebenso inzwischen für die Automobilhersteller, hier vor allem durch die Industrienorm IATF 16949“, erklärt Torsten Hahn, Stellvertretender Kalibrierlaborleiter bei GTM. Auch Werkstoffprüfmaschinen müssen auf Basis der DIN EN ISO 7500 regelmäßig kalibriert werden. In anderen Branchen ist das Kalibrieren als Teil der Qualitätskontrolle, Werkstoffprüfung und Dokumentation ebenfalls nicht mehr wegzudenken.
Was dabei das jeweilige Maß der Dinge ist, legt in der Regel der Staat fest. In Deutschland übernimmt die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) diese Aufgabe, und die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS) erteilt als vom Staat beauftragte Organisation die Akkreditierungen. Damit sind PTB und DAkkS zentrale Bausteine der Qualitätsinfrastruktur in Deutschland. Auch die PTB verwendet Messeinrichtungen von GTM.

Kalibrierservices im Überblick

Mit einem Anteil von 75 bis 80 Prozent bilden Dienstleistungen zur Kalibrierung von Kraftaufnehmer das Gros der Kundenaufträge bei GTM. Das Kalibrierlaboratorium, das auch dieses Jahr erneut durch die DAkkS die Re-Akkreditierung erhalten hat, betreibt allein fünf Messeinrichtungen für diesen Bereich, mit dem Zug- und Druckkräfte gemessen werden. „In seltenen Fällen kommt es auch zu Kalibrierungen direkt beim Kunden vor Ort, da die dortigen Messeinrichtungen zu groß zum Versenden nach Bickenbach sind“, so Torsten Hahn. „Dazu kalibrieren wir mehrere GTM-eigene Transfernormale zunächst bei uns, die anschließend beim Kunden eingesetzt werden, um dessen Messeinrichtungen zu kalibrieren, beispielsweise Maschinen, auf denen Kraftaufnehmer zur Kalibrierung von Werkstoffprüfmaschinen kalibriert werden.“
Als einer der wenigen Dienstleister in Deutschland bietet GTM auch die Kalibrierung von Spannungsverhältnissen an. Damit werden sogenannte DMS-Messverstärker kalibriert, die Teil einer Messkette sind. Das Kalibrierverfahren für DMS-Aufnehmer setzt voraus, dass immer die gesamte Messkette zusammen kalibriert werden muss – Aufnehmer, Verstärker und Anzeige oder vergleichbare Messverstärker, die zur Austauschbarkeit eine eigene Kalibrierung erhalten. „Die Kalibrierung von Messverstärkern als solche ist nicht komplex, doch gibt es neben uns nur wenige Hersteller, die über die dazu erforderlichen Referenzgeräte verfügen. Zu unseren Kunden zählen hier vor allem Prüfstandbetreiber, Kalibrierlabore oder die Automobilindustrie“, so Torsten Hahn.
Um Drehmomentaufnehmer, Drehmomentmesswellen und auch Drehmoment-Transferschlüssel zu kalibrieren, bietet GTM zwei akkreditierte Messverfahren an: eine ohne und die andere mit Querkrafteinleitung. Letztere spielt beim Kalibrieren von Drehmoment-Transferschlüsseln eine Rolle. Die Bandbreite beim Kalibrieren reicht in beliebigen Laststufen ohne Querkraft von 5 bis 5.000 Nm, mit Querkraft von 200 bis 2.000 Nm, mit Rechts-/Linksdrehmoment als Messgröße.

Kalibrieren von Mehrkomponenten­aufnehmern

Eine vergleichsweise junge Disziplin ist das Kalibrieren von Mehrkomponentenaufnehmern (MKA), die vor allem im Bereich Automotive eingesetzt werden, etwa bei Fahrwerks- und Reifenprüfständen. Verwendung finden sie zudem in der Robotik, der Luft- und Raumfahrt oder im Bau von Schienenfahrzeugen. Sie messen mehrere Kräfte und Momente entlang verschiedener Vektorachsen gleichzeitig, entsprechend ist die Kalibrierung überaus komplex und anspruchsvoll. „Wir beschäftigen uns seit etwa 15 Jahren mit diesem Thema und sind ebenso lang in diesem Bereich akkreditiert“, so Torsten Hahn. „Während einige Branchen die Bedeutung schon lange kennen, sieht man derzeit, dass weitere erst langsam feststellen, welche Bedeutung Mehrkomponentenmesstechnik für sie hat. Teilweise läuft hier noch immer die Findungsphase. Tatsächlich erwarten wir vor allem hier in der Zukunft eine positive Entwicklung.“
Seit 2005 bietet GTM die Möglichkeit, Mehrkomponentensensoren nach einem akkreditierten Messverfahren zu kalibrieren. Im Zuge der letzten Re-Akkreditierung ist im April 2022 eine weitere, neu entwickelte MK-Messeinrichtung zum Serviceangebot hinzugekommen, mit der GTM seine führende Position ein ganzes Stück weiter ausbauen dürfte.
Torsten Hahn erläutert die Besonderheit: „Üblicherweise werden MKA-Kalibrierungen für jede Komponente separat durchgeführt, also einaxial. Bereits vor einigen Jahren haben wir zusätzlich zum ‚einfachen‘ Verfahren ein weiteres, umfangreicheres Verfahren entwickelt und akkreditieren lassen, das zunächst einaxiale Messungen und am Schluss zur Validierung der Daten eine gemischte Belastung entlang aller drei Bewegungsachsen durchführt. Inzwischen ist es uns gelungen, die Messung vollautomatisch durchzuführen – ein weltweites Novum! Damit nicht genug, kann die neue Messeinrichtung den Vektor der Schwerkraft gut abbilden, dies sogar in allen Achsen.“
Die größten Vorteile zur Mehrkomponenten-Bezugsnormalmesseinrichtung sind die große Zeitersparnis durch die Automatisierung sowie der wesentlich größere Informationsgehalt über das Verhalten des kalibrierten Gegenstands, der durch das umfangreiche Verfahren gewonnen wird, so Torsten Hahn. Bereits seit Jahresbeginn bietet GTM seinen Kunden diesen Service als Werkskalibrierung an, seit Ende April auch als DAkkS-Kalibrierung.

Über GTM

Mit mehr als 60 Mitarbeitenden an zwei Standorten im südhessischen Bickenbach und in Prag gilt GTM als Spezialist für das Messen von Kräften und Momenten. GTM setzt nicht nur weltweit metrologische und messtechnische Maßstäbe, sondern bietet auch Standardprodukte für die Messung von Kräften und Momenten sowie Dienstleistungen und Kalibrierdienstleistungen. Weit über 50 Patente und die Konstruktion sowohl der (bezogen auf die Kraft) größten als auch der kleinsten Kraftmesseinrichtung innerhalb der DAkkS sowie der genauesten hebelübersetzten und der innovativsten Messeinrichtung der Welt markieren die Kompetenz der GTM-Spezialisten auf dem Gebiet der Metrologie. GTM hat die DAkkS-Akkreditierung als Kalibrierlaboratorium für Kraft-, Drehmoment- und Mehrkomponentenaufnehmer sowie das Spannungsverhältnis von DMS-Messverstärkern.

„Die Wichtigkeit des Kalibrierens wurde immer größer“

Im Interview: Torsten Hahn, Stellvertretender Leiter Kalibrierlabor bei GTM, spricht mit uns über die Historie von akkreditierten Kalibrierleistungen, das Setzen von Standards und eine zu erwartende positive Entwicklung der Mehrkomponentenmesstechnik.

GTM bietet seit fast 30 Jahren akkreditierte Kalibrierdienstleistungen an. Wie haben sich der Bereich der Kalibrierung sowie der Akkreditierungsprozess in den vergangenen drei Jahrzahnten verändert?

Torsten Hahn: Zum Zeitpunkt der Erst-Akkreditierung 1992 existieren in Deutschland mehrere Akkreditierungsstellen. Für das Akkreditieren von Kalibrierlaboratorien war der Deutsche Kalibrierdienst (DKD; gegründet 1977) zuständig. Ansprechpartner beim DKD waren PTB-Mitarbeiter (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Die ISO/IEC 17025 wurde erst 1999 eingeführt, somit lag das Hauptaugenmerkt bei Akkreditierungen bis 1999 auf der fachlichen Seite, und einem Managementsystem in Form eines Handbuchs wurde weniger Priorität eingeräumt. Mit der Einführung der ISO/IEC 17025 wurde der Fokus mit den Jahren immer stärker auf das Managementsystem gelegt. Zum Jahreswechsel 2009/2010 wurden alle Akkreditierungsstellen in die Deutsche Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) überführt. Ansprechpartner waren nun Angestellte der DAkkS. PTB-Mitarbeiter, welche davor im DKD (mit)gearbeitet haben, wurden befristet entliehen, bis diese entweder in eine Festanstellung in die DAkkS oder in den Beamtendienst zurückgewechselt sind. Vergleichsmessungen zwischen PTB und Labor, wie sie zu Zeiten des DKD und in den Anfängen der DAkkS üblich waren, dürfen heute im Rahmen einer Akkreditierung nicht mehr durchgeführt werden. Stattdessen beobachten Begutachter im Rahmen einer Akkreditierung eine Beispielkalibrierung und überprüfen die regelmäßigen internen Kalibrierungen der Messeinrichtungen, um die Rückführung auf das Nationale Normal zu bestätigen.

Können Sie den Einstieg von GTM in die Kalibrierung beschreiben?

Torsten Hahn: Zum Thema Kundenkalibrierungen wurden in den ersten zehn Jahren intern nur Kraftkalibrierungen durchgeführt. Das Thema Drehmomentkalibrierungen war für GTM zum damaligen Zeitpunkt noch nicht von Interesse, da unter anderem auch die PTB erst Anfang der 1990er mit dem Aufbau einer reinen Drehmomentabteilung begonnen hatte. 2002 bauten wir dann unsere erste Drehmoment-Messeinrichtung und ließen sie zeitnah akkreditieren. Mitte der 2000er dann eine Messeinrichtung für Mehrkomponenten und Spannungsverhältnis, da wir hier im Vergleich zum schon sehr lange etablierten Kraftbereich die größten Entwicklungen erwarteten. Die Wichtigkeit des Kalibrierens ist im Laufe der Jahre immer größer geworden. Dies sieht man an der Entwicklung der Anzahl der akkreditierten Kalibrierungen, welche wir intern durchgeführt haben: 2003 knapp über 100, 2010 knapp 500, 2015 knapp 800, 2021 rund 1.250. Diese Steigerung ist durch Investitionen in weitere Messeinrichtungen möglich geworden. Für Kunden ist eine zeitlich verlässliche, kurze Verweildauer ihrer Aufnehmer immer ein wichtiges Entscheidungskriterium, welches uns kapazitiv immer mehr an unsere Grenzen bringt. Diverse Kunden nutzen für noch kürzere Verweildauern eine Reservierung, damit ihre Aufnehmer nur für etwa eine Woche bei uns im Haus sind.

Welche Besonderheiten respektive Herausforderungen gibt es beim (akkreditierten) Kalibrieren von Messeinrichtungen?

Thorsten Hahn: Für zum Beispiel das Kalibrieren von Werkstoffprüfmaschinen existiert die internationale Norm ISO 7500-1, welche die Kalibrierung von Werkstoffprüfmaschinen beschreibt. Eine Prüfmaschine wird aufgrund ihres Messbereiches mit mehreren Kraftaufnehmern gemessen, um den gesamten Messbereich abzudecken. Als Nachweis erhält der Kunde einen einzelnen Kalibrierschein mit einem Gesamtergebnis nach Berechnung und Auswertung aller Messungen. Der Zugang zum Kalibrieren von Werkstoffprüfmaschinen gestaltet sich durch die ISO 7500-1 somit leichter. Für das Kalibrieren von Kraftmesseinrichtungen existiert kein äquivalentes Kalibrierverfahren. Es existiert zwar die Richtlinie Euramet cg-4 „Uncertainty of Force Measurements – Calibration Guide“ und das international anerkannte Papier von Dr. Sawla „Uncerterinty Scope of the Force Calibration Machines“, allerdings sind diese anspruchsvoll, da sie Kraftmessseinrichtungen und deren Messunsicherheit mathematisch beschreiben, allerdings kein Verfahren beschreiben, mit dem der Anwender einen Kalibrierschein mit Gesamtergebnis erhält. Der Anwender muss sich hier aus einzelnen Ergebnissen selbst einen Gesamteindruck erarbeiten.

Und wie schließen Sie diese Lücke?

Thorsten Hahn: Wir schließen diese, indem wir nach einer dieser Vorgaben Messungen über den gesamten Messbereich mit unseren eigenen Transferaufnehmern durchführen und dann eine, für den Kunden einfacher zu verstehende Auswertung erstellen. Zusätzlich zum Verfahren haben wir die entsprechenden Messeinrichtungen und Transferaufnehmer, um Kundenmesseinrichtungen mit geringer Messunsicherheit zu kalibrieren, da wir uns in der Kalibrierhierarchie direkt auf die PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) als Nationales Normal beziehen.

Sie erwarten eine positive Entwicklung für die Mehrkomponentenmesstechnik. Können Sie diese Aussage erläutern?

Thorsten Hahn: Mehrachsige Betriebsfestigkeitsprüfungen und der erhöhte Informationsgewinn durch Betrachtung aller Achsen spielen für Kundenanwendungen eine immer größere Rolle, um hier beispielweise die Effizienz zu steigern. Im Automotivebereich werden verschärfte Anforderungen durch die IATF 16949 gestellt. Die Qualitätsrichtlinien in der Automotive-Branche erwarten zunehmend die gleichen Standards bei mehraxialen Versuchen wie bei den uniaxialen, das heißt Rückführbarkeit und Fehlergrenzen-Einstufung. Daher wurden die Entwicklung von Messeinrichtungen und Kalibrierverfahren auch für mehraxiale Aufnehmer notwendig.

Die Gebühren für die Akkreditierung werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) festgelegt. Lassen sich Unternehmen durch die teilweise hohen Kosten von einer Akkreditierung abschrecken?

Thorsten Hahn: Die Kosten der Akkreditierung sind in unserem Segment nur die Spitze des Eisberges. Für die Größe unseres Kalibrierlabors und Anzahl der Mitarbeiter kostet eine vollständige Re-Akkreditierung rund 20.000 bis 30.000 Euro. Hinzu kommt, wenn nicht schon vorhanden, die einmalige Anschaffung von Transferaufnehmern, mit welchen regelmäßig die akkreditierten Messbereiche kalibriert werden müssen. Diese Transferaufnehmer müssen alle zwei Jahre eine Kalibrierung durch die PTB erhalten. Eine Kalibrierung kostet circa 1.600 Euro. GTM besitzt 40 Transferaufnehmer, welche in dem 5-Jahre-Rhythmus der vollständigen Re-Akkreditierung zwei- beziehungsweise dreimal zur Kalibrierung müssen und hier Kosten in Höhe von etwa 130.000 Euro respektive etwa 200.000 Euro (3x) verursachen. Für ein Labor mit Akkreditierungswunsch sind entsprechende Investitionen und laufende Kosten eine finanzielle Herausforderung. Zusätzlich muss die Laborleitung über ausreichend Fachkenntnis verfügen, um die Messunsicherheitsbetrachtung der Messeinrichtung in befriedigender Qualität für Begutachter zu erarbeiten und zu beschreiben.

Was bietet GTM in Sachen Kalibrierung, was der Wettbewerb nicht bietet?

Thorsten Hahn: Ein Vorteil von GTM ist die große Spanne des Messbereichs in der Kraft. Für Kalibrierungen mit Klassifizierungen 0,5 können wir, bis auf eine kleine Lücke im Bereich 100 N bis 1 kN, alles von 0,5 N bis 10 MN abdecken. Das kann sonst keiner in Deutschland, und unseres Wissens nach sogar weltweit. GTM verfügt dabei über die kleinste und größte Kraftmesseinrichtung für Zug- und Druckkalibrierungen innerhalb der DAkkS. Zusätzlich sind wir eines der wenigen Labore in Deutschland, welches Kalibrierungen nach dem Kalibrierverfahren ASTM E-74 anbietet, ein Kalibrierverfahren von Kraftaufnehmern, welches im angelsächsischen Raum zum Kalibrieren von Werkstoffprüfmaschinen notwendig ist. (agry)