Sensorik & IBV für Industrie 4.0
20.02.2019

Sensorlösungen für die Additive Fertigung

Additive Manufacturing, der industrielle 3D-Druck, ist längst der reinen Prototyping-Anwendung entwachsen. Durch vollständig automatisierte Abläufe lässt sich heute ein wirtschaftlicher 3D-Druck realisieren, der sowohl die Auftragsfertigung für einzelne Kunden als auch eine individualisierte Massenproduktion erlaubt. Eine wichtige Rolle spielen dabei Sensoren, die wichtige Statusinformationen aus der Anlage zur Prozesssteuerung, etwa zu Füllständen, Drücken und korrekten Achsbewegungen, liefern. Für die relevanten Messgrößen bietet Balluff die passenden Sensoren an.

Berührungslose Füllstandserfassung mit dem Ultraschallsensor (Bild links) Mit magnetcodierten Wegmesssys­temen sind die Positionen auf den Bewegungsachsen verschleißfrei detektierbar  (Bild rechts)

Berührungslose Füllstandserfassung mit dem Ultraschallsensor (Bild links) Mit magnetcodierten Wegmesssys­temen sind die Positionen auf den Bewegungsachsen verschleißfrei detektierbar (Bild rechts)

Additive Manufacturing (AM) folgt in der Regel einem digitalen Prozess: Je nach Verfahren schmelzen Laser, von Konstruktionsdaten gelenkt, Metall, Kunststoff oder andere Werkstoffpulver schichtweise zum gewünschten 3D-Bauteil. Kapazitive Sensoren kommen hier beispielsweise zum Einsatz, um die Füllstände der 3D-Druck-Materia­lien zu überwachen. Mit ihnen lassen sich in direktem Medienkontakt, etwa in einem Tank oder auch berührungslos durch nur wenige Millimeter dicke, nicht metallische Behälterwandungen, Füllstände erfassen.

Eine andere interessante Gruppe von Füllstandsmeldern sind Ultraschallsensoren. Sie eignen sich für eine kontinuierliche, berührungslose Füllstandsmessung verschiedener Materialien. Sie bestimmen die Entfernung zum Objekt über eine Schalllaufzeitmessung: Gemessen wird die Strecke bis zur Grenzschicht Luft/Flüssigkeit bzw. Luft/Festkörper. Dabei bieten sie eine millimetergenaue Auflösung und dies bei sehr guter Hintergrundausblendung.

Ventile steuern

Um Endlagen von Ventilen zu überwachen, sind induktive Sensoren die klassische Lösung, da sie metallische Objekte exakt erfassen. Weitere Vorteile: Induktivsensoren sind einfach wie eine Schraube zu montieren, in Betrieb zu nehmen und zu warten. Außerdem eignen sie sich aufgrund ihrer hohen Schaltfrequenzen gut für den Einsatz in Prozessabläufen mit hoher Geschwindigkeit. Dabei ist ihr Funktionsprinzip einfach: In einem elektromagnetischen Wechselfeld vor der aktiven Fläche werden durch Metallteile im Wirkungsbereich Wirbelströme induziert, wo­raufhin die Sensoren ihren Schaltzustand ändern.

Soll der Öffnungsquerschnitt kontinuierlich erfasst und präzise geregelt werden, sind magnetcodierte Wegmesssysteme eine noch bessere Wahl. Ihr kontinuier­liches ­Positionsfeedback sorgt durch eine präzise Materialzufuhr für einen effi­zienten Prozess und einen optimierten 3D-Druck. Sie setzen sich aus einem Sen­sorkopf und einem magnetisch codierten Magnet-Maßkörper zusammen, den es sowohl in linearer als auch rotativer Ausführung gibt. Der Sensorkopf gleitet in einem Abstand von bis zu 2 mm über den mit wechselnder Polarität magnetcodierten Maßkörper. Da die Systeme magnetisch und berührungslos arbeiten, sind sie auch unempfindlich gegenüber Temperaturwechseln und Verschmutzung, zum Beispiel durch Staub und Öl, oder Verschleiß.


Drucksensoren mit einer hochwer­tigen, langzeitstabilen Messzelle sind Voraussetzung, um eine homogene Produktstruktur und -qualität zu erreichen


Drücke regulieren

Wenn der 3D-Druck die Verwendung flüssiger oder gasförmiger Medien erfordert, müssen der Tank- und der Prozessdruck reguliert werden. Die zuverlässige Drucküberwachung übernehmen Drucksensoren. Erhältlich sind sie mit Schalt- oder Analogausgang und unterschiedlichen Messbereichen. Setzt man robuste Geräte mit einer hochwertigen, langzeitstabilen Messzelle ein, lassen sich beim Druck homogene Strukturen und eine hohe Produktionsqualität erreichen.

Endlagen erfassen

Sensoren kommen auch zum Einsatz, wenn es darum geht, die Achs­bewegungen zu überwachen. Ideal zur Endlagenüberwachung sind die bereits erwähnten robusten induktiven Sensoren, während für die kontinuierliche Positionserfassung an den x-, y- und z-Achsen hochpräzise magnetcodierte Wegmesssysteme, wie sie auch für das Ventilfeedback eingesetzt werden, die ideale Wahl sind. Dank ihrer ­geringen Abmessungen und ihres günstigen Preis-Leistungs-Verhältnisses sind sie dann auch gegenüber linearen Glasmaßstäben bei der additiven Fertigung im Vorteil.

Heartbeat-Netzteile

Ein präziser 3D-Drucker fordert auch eine zuverlässige Stromversorgung ohne Stromspitzen. Heartbeat-Netzteile mit Condition-Monitoring-Funktion sind hierfür die richtige Wahl. Sie teilen dem Anwender bei Bedarf auch mit, dass eine Überlast besteht, dass sich die Umgebungsbedingungen verschlechtert haben oder warnen vor einem Ausfall. Ungeplante Stillstandzeiten können so vermieden werden, da sich ein Austausch in einer geplanten Wartung durchführen lässt.

IO-Link stiftet Mehrnutzen

Sensor der neuesten Generation: Die verschiedenen Messprinzipien lassen sich über IO-Link anwählenSensor der neuesten Generation: Die verschiedenen Messprinzipien lassen sich über IO-Link anwählen

Besondere Vorteile resultieren für Maschinenbauer und Anwender durch die Anbindung der Sensoren über den feldbusneutralen Kommunikationsstandard IO-Link. Der digitale IO-Standard verknüpft Sensoren und Aktoren per Dreidrahtkabel und Steckverbinder über einen IO-Link-Master direkt mit der Anlagensteuerung. So liefern IO-Link-Sensoren der neuesten Generation neben den eigentlichen Primärdaten auch eine Fülle an Serviceinformationen als Sekundärdaten zum eigenen Zustand oder dem ihrer Umgebung. Mit diesen Zusatzdaten lassen sich beispielsweise intelligente Wartungskonzepte realisieren. Außerdem bieten sie eine hohe Flexibilität: Bei einigen lässt sich deren Sensorprinzip im laufenden Betrieb ändern, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. All diese Features werden in der Smart Factory mit ihren flexiblen Produktionslinien benötigt.

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20 Jahre openautomation

Die Grundidee bleibt, die Dimensionen wachsen

„Eine Branche im Umbruch: Anwender fordern in aller Deutlichkeit kostensenkende, flexible und offene Automatisierungslösungen sowie Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Management“ – dieser Grundanspruch hat sich über die letzten 20 Jahre nicht geändert, aber die Dimensionen, die neue Technologien mit sich bringen, lassen die Industrie 4.0 Wirklichkeit werden. Immer im Mittelpunkt dabei: Daten – das viel gepriesene Öl des 21. Jahrhunderts. Die Grundidee der vertikalen Integration bleibt, nur das Wording ändert sich heute.

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Zum Schmunzeln

Mann beim Bäcker: „Ich hätte gerne vier Brötchen.“
Bäcker: „Wenn Sie nur drei nehmen, gibt es eins umsonst!“
(Mann überlegt, wer hier nun der Vollidiot ist.)
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