Insbesondere in der Mehrkomponenten-Messtechnik, bei der die Kalibrierung von mehrdimensionalen Kraftsensoren eine Königsdisziplin darstellt, stoßen Fortschritte auf großes Interesse. 

Die neu entwickelte MKA-Messeinrichtung (MKA für Mehrkomponentenaufnehmer) von GTM zeichnet sich zum einen durch ihren Messbereich, ihren Aufbau sowie ihre Größe von ca. 2,5 m Durchmesser (Grundfläche ca. 2,5 m x 2,2 m), Höhe (ohne ausgefahrene Spindeln) ca. 4,5 m, Gewicht ca. 18 t. aus. Zum anderen stellt das Automatisierungskonzept laut Hersteller 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.

GTM Testing and Metrology (GTM) gilt als weltweit führend in der Entwicklung von DMS-basierten Präzisions-Kraftaufnehmern und Messeinrichtungen, Präzisions-Elektronik und Kalibrier-Services für Kräfte und Momente. Bereits im Jahr 2005 wurde das Unternehmen als erstes Laboratorium für Mehrkomponentenmesstechnik nach DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Seitdem hat GTM Kraft- und Drehmomentaufnehmer, aber auch Mehrkomponenten-Aufnehmer kalibriert. 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 neue Möglichkeiten eröffnet.

Vollautomatische Messeinrichtung statt manuellem Kalibrierprozess

Die Entwicklung der neuen MKA-Messeinrichtung von GTM war eine technologische Herausforderung, für die das Unternehmen zahlreiche Vergleichsmessungen, teilweise sogar Grundlagenforschung betrieben hat. Als sehr 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. Die Überlegungen, eine neue Messeinrichtung zu entwickeln, begannen 2016 als MKA-Kalibrierungen so stark nachgefragt wurden, dass mit der damals bestehenden Messeinrichtung und dem bisherigen Verfahren nicht mehr alle Aufträge 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 wesentlich reduziert. Die Kalibrierung erfolgt automatisiert, teils sogar über Nacht.

Messunsicherheit von 0,1 %

Die komplett in Eigenregie entwickelte Messeinrichtung von GTM hat die Messunsicherheit der Kalibrierung im Vergleich zur bisherigen Akkreditierung um den Faktor fünf verringert. Zudem bieten sich mit einer Prüfraumgröße von 4,5 m3 völlig neue Möglichkeiten. „Es ist uns mit der der neuen MKA-Einrichtung 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.

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, diese Einheit und alles, was dazugehört, selbst zu entwickeln. Aufbauend auf der kompletten mechanischen Eigenentwicklung hat GTM bei Antriebstechnik und Messelektronik von Beckhoff die perfekte Ergänzung für die neue MKA-Messeinrichtung gefunden.

Anwendungen unter realistischen Bedingungen kalibrieren

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 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.

Autor
Marcel Richter, Director Product Management & Marketing