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Wanddickenmessung in der Blasformindustrie


Hintergrund: Jahrelang beinhaltete die Qualitätskontrolle von blasgeformten Teilen, dass sie mit einem Cuttermesser aufgeschnitten wurden, um dann ihre Dicke mit Messlehren messen zu können. Mit dieser herkömmlichen Methode gehen jedoch zahlreiche Probleme einher. Beim Aufschneiden eines Teils bleiben an der Schnittkante gerne Grate zurück. Misst der Prüfer an einer Stelle mit Grat, wird dabei nicht die tatsächliche Dicke erfasst. Auch wenn der Prüfer vorsichtig ist und beschädigte Kanten vermeidet, ist die Messung anhand mechanischer Geräte trotzdem auf bestimmte Stellen beschränkt. Häufig erlaubt die Geometrie eines Teils keinen Zugang an zu engen Ecken oder an Griffbereichen von Flaschen. Sobald ein Teil für die Dickenmessung zerstört ist, kann es nicht mehr für die meisten anderen Prüfungen verwendet werden. Unterschiede bei der Durchführung der Prüfung stellen ebenfalls häufig ein Problem dar. Messlehren können Fehler verursachen, wenn sie in einem Winkel zum Teil gehalten werden. Oder wenn sie an Teile aus komprimierbaren Materialien verwendet werden, können die Dickenmesswerte von Prüfer zu Prüfer variieren. Es besteht ebenso ein potenzielles Sicherheitsproblem. Prüfer müssen mehrmals pro Arbeitsschicht Teile mit Cuttermessern aufschneiden, wodurch konstant das Risiko schwerer Verletzungen besteht.
Zwei elektronische Methoden können diese Probleme reduzieren oder sogar ganz eliminieren: die Ultraschallmessung und die Nutzung des Hall-Effekts. Beide Methoden werden heute häufig für die Qualitätskontrolle von blasgeformten Teilen verwendet. Die Wahl der Messmethode hängt zunächst vom Prüfteil ab, da die Faktoren, auf deren Grundlage eine solche Wahl erfolgt, durch das Prüfteil bestimmt werden. Die Faktoren, die bei der Auswahl einer Methode eine Rolle spielen, sind am Ende dieses Artikels aufgeführt.

Theorie zur Ultraschallmessung: Ultraschalldickenmesser sind genaue und zuverlässige Hilfsmittel für eine zerstörungsfreie Wanddickenmessung von einer Seite des Teils, die zudem eine hohe Wiederholfähigkeit bieten. Sie messen die Laufzeit, die die Ultraschallwelle zum Durchschallen des Prüfteils benötigt. Der Messkopf wird auf eine Fläche des Prüfteils positioniert und mit einem Koppelmittel (wie Glyzerin, Propylenglykol oder Wasser) akustisch an das Prüfteil gekoppelt. Der vom Messkopf gesendete Schallimpuls breitet sich von der Kontaktfläche zu der gegenüberliegenden Seite aus und wird als Echo zum Messkopf zurückgeschallt (siehe Abbildung 1). Der Dickenmesser misst die Laufzeit des Schallimpulses im Material (siehe Abbildung 2) und verwendet die im Material gemessene Schallgeschwindigkeit, um die Dicke des Materials anhand der folgenden Gleichung zu errechnen.



Wobei: D = Dicke des Materials, t = Laufzeit des gesendeten Schallimpulses und V = Schallgeschwindigkeit im Material (falls Schall im Material ist). Da es sich bei der Laufzeit um eine Umlaufzeit handelt, ist das Produkt durch 2 zu teilen. Die Schallgeschwindigkeit reicht in den meisten Bereichen von ca. 2,0 mm bis 2,8 mm pro Sekunde.


Abbildung 1:Messkopf am Prüfteil. Die vom Messkopf gesendete Schallwelle breitet sich zwischen der Kontaktfläche und der Rückwand aus.

Abbildung 2:Der Sendeimpuls ist der ins Prüfteil eintretende Schall. Das Rückwandecho ist der Schall von der gegenüberliegenden Seite. Die Variable t ist die Laufzeit des Schallimpulses. Mode 1 bezieht sich auf die Messmethode, die für den Sendeimpuls und das Rückwandecho zur Bestimmung der Dicke verwendet wurde.

Kalibrierung: Ultraschalldickenmesser messen sehr genau, wenn die Fehlerquellen verstanden und einige wenige Vorsichtsmaßnahmen ergriffen worden sind. Nach einer angemessenen Kalibrierung des Geräts sollte ein genauer Messwert angezeigt werden. Das Kalibrierverfahren erfordert Materialproben mit bekannter Dicke. Normalerweise wird das Gerät anhand dieser Proben auf die höchste und geringste zu messende Materialdicke eingestellt. Die Schallgeschwindigkeit im Material und der Null-Offset (ein messkopfbezogener Parameter) werden einfach über eine Tastatur eingegeben, einschließlich der Eingabe der bekannten Dicke der Referenzstandards bei Ankopplung. Der Dickenmesser verwendet die bekannte Dicke zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit und des Null-Offsets für dieses Material und diesen Messkopf. Bei Durchführung einer Dickenmessungen verwendet der Dickenmesser die kalibrierte Schallgeschwindigkeit, um die Dicke des Teils zu errechnen.

Vorteile und Einschränkungen: Ein Hauptvorteil von Ultraschallmessungen besteht darin, dass bei Dickenmessungen nur eine Seite des Prüfmaterials zugänglich sein muss, wodurch auch geschlossene Behälter, große Bleche und andere Geometrien gemessen werden können, bei denen der Zugang zu beiden Seiten schwierig oder unmöglich ist. Dickenmesser sind normalerweise bedienerfreundliche Handgeräte. Eine mögliche Einschränkung ist, dass die Messgenauigkeit nur so gut ist wie die Genauigkeit, mit der Material und Schallgeschwindigkeit bekannt sind, weswegen Ungenauigkeiten dann auftreten können, wenn sich die Schallgeschwindigkeit im Material unerwartet ändert. Die Schallgeschwindigkeit kann durch Änderungen der Materialeigenschaften beeinträchtigt werden, wie z. B. durch erhebliche Temperaturänderungen oder Dichtevariationen. Die meisten Kunststoffe beispielsweise zeigen merkbare Geschwindigkeitsveränderungen, wenn sich die Temperatur um mehr als 5 °C ändert. Der einfachste Weg, temperaturbedingte Fehler zu vermeiden, ist das Kalibrieren und Messen bei Umgebungstemperatur. Wenn dies nicht möglich ist, sollten die Kalibrierung und Messung an einer bekannten, konstanten Position während des Herstellungsverfahrens durchgeführt werden. Da die meisten Standard-Messköpfe durch Kontakt mit den Prüfteilen beschädigt werden, die heißer als ca. 50 ºC sind, wird eine Prüfung bei erhöhten Temperaturen nur mit speziellen Messköpfen empfohlen. Bei Produkten mit dicken Wänden, bei denen die Innenseite heiß bleibt, während die Außenfläche abkühlt, kann sich die Temperatur von der Außenseite des Teils nach innen deutlich ändern. Diese Temperaturschwankungen können erhebliche Änderungen der Schallgeschwindigkeit durch die Wand des Prüfteils verursachen, was wiederum zu Messungenauigkeiten führen kann.

Nutzung des Hall-Effekts: Das zweite elektronische Messverfahren verwendet ein bekanntes Phänomen, den sogenannten Hall-Effekt. Der Hall-Effekt nutzt ein Magnetfeld, das sich rechtwinklig zu einem stromführenden Leiter aufbaut. Diese Kombination umfasst eine Spannung in einer anderen Richtung. Wenn ein ferromagnetisches Teil, wie z. B. eine Messkugel mit bekannter Masse, in das Magnetfeld gebracht wird, ändert sich die induzierte Spannung. Wenn dieses Teil vom Magnet wegbewegt wird, ändern sich das Magnetfeld und damit die induzierte Spannung auf vorhersagbare Weise. Wenn diese Änderungen der induzierten Spannung aufgezeichnet werden, kann eine Kurve erstellt werden, die die induzierte Spannung mit der Entfernung des Teils von dem Messkopf vergleicht (siehe Abbildung 3).

Um eine Messung durchzuführen, wird einfach ein Messkopf mit Hall-Effekt auf einer Seite des Prüfteils positioniert und ein ferromagnetisches Teil, üblicherweise eine kleine Messkugel aus Stahl, auf der anderen Seite des Produkts positioniert. Der Dickenmesser zeigt den Abstand zwischen dem Teil und dem Messkopf an, was der Wanddicke entspricht.

 

Abbildung 3- Eine Messkugel auf einer Seite des Prüfteils. Der Messkopf befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Prüfteils und die Messkugel wird von dem Messkopf angezogen.

Kalibrierung: Das Gerät wird mithilfe einer Reihe von Messscheiben mit bekannter Dicke auf dem Messkopf kalibriert. Eine Kugel wird auf die Messscheiben gelegt und jede bekannte Dicke wird in das Gerät eingegeben. Anhand der Daten, die während der Kalibrierung in das Gerät eingegeben wurden, kann das Messgerät eine Nachschlagetabelle erstellen, was praktisch einer Kurve der Spannungsänderungen entspricht. Das Messgerät überprüft die gemessenen Werte anhand der Nachschlagetabelle und zeigt die Dicke auf seinem digitalen Bildschirm an. Dies alles mag auf den ersten Blick ziemlich kompliziert erscheinen, in der Praxis muss der Prüfer aber lediglich bekannte Werte während der Kalibrierung eingeben und überlässt dann dem Messgerät den Vergleich und die Berechnung. Wissen über die physikalische Theorie dieses Phänomens ist bei der Dickenmessung mit Hall-Effekt nicht erforderlich. Das Kalibrierverfahren erfolgt automatisch.

Vorteile und Einschränkungen: Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass kein Koppelmittel verwendet werden muss, keine Geschwindigkeitsveränderung je nach Temperatur oder anderen Materialeigenschaften auftreten und die Wanddicke in Bereichen mit engen Radien und von sehr dünnen Prüfteilen gemessen werden kann. Zudem ist es oft einfach, den Messkopf um das Prüfteil herumzuführen, um die Dicke anhand einer Reihe von Punkten schnell zu überprüfen oder die minimale Dicke eines Bereichs zu ermitteln. Die einzige mögliche Einschränkung bei blasgeformten Kunststoffprodukten besteht darin, dass eine Messkugel im zu messenden Prüfteil platziert werden muss, wodurch die Messung von geschlossenen Behältern (die jedoch mit Ultraschall gemessen werden können) nicht möglich ist. Das Gerät kann Wanddicken von bis zu ca. 10 mm messen. Es kann auch komprimierbare Materialien messen, da aber die Messkugel das Material komprimieren kann, sollte bei solchen Messungen die kleinstmögliche Kugel eingesetzt werden. Während der Fertigung kann ein Prüfer innerhalb weniger Sekunden das gesamte Prüfteil messen, um mehrere Messwerte zu speichern oder die kleinste Wanddicke zu erkennen. Häufig wird diese Art von Gerät in einem Produktionsbereich von Personal verwendet, das diese Formteile herstellt. Dieser Ansatz ermöglicht eine wahre statistische Verfahrenskontrolle.

Wahl der Messmethode: Für die Wahl von einer der beiden Methoden gibt es keine festen Regeln. Allgemein gilt, wenn große starre Prüfteile mit dicken Wänden zu messen sind, wird das Ultraschallverfahren bevorzugt. Wenn Prüfteile mit kleinen dünnen Wänden (unter 2,5 mm) mit engen Ecken zu messen sind, werden Dickenmesser mit Hall-Effekt, wie der Magna-Mike 8600 von Olympus bevorzugt. Für die meisten Blasformanwendungen sind Dickenmesser mit Hall-Effekt am besten geeignet. Die meisten blasgeformten Teile verfügen über komplexe Formen, relativ dünne flexible Wände und Ecken, die mit mechanischen oder Ultraschallmessgeräten schwer zu messen sind.

Für Ultraschallmessungen kann jedes der Präzisionsdickenmesser von Olympus verwendet werden. Dazu gehören die Modelle 38DL PLUS und 45MG mit Software für Einzelschwinger-Messköpfe. Beide können mehrere Schallgeschwindigkeiten und Messkopfeinstellungen im Gerät speichern, wodurch die Messung verschiedener Materialien zu einem einfachen Vorgang wird. Sonopen Messköpfe, wie M116, M208 oder V260, werden häufig für dünnwandige Prüfteile empfohlen. Für dickwandige Prüfteile können die gleichen Dickenmesser mit einem niederfrequenten Kontaktmesskopf (M112, M110 oder M109) eingesetzt werden. Für Dickenmessungen an heißen Kunststoffprodukten mit Temperaturen über 50 °C sollte ein Vorlaufstreckenmesskopf für hohe Temperaturen verwendet werden.

Zusammenfassung: Beide Arten von Messgeräten lassen sich in wenigen Schritten kalibrieren. Nach Beendigung der Kalibrierung liefert jedes Messgerät genaue wiederholbare Ergebnisse. Prüfern zufolge ist die Art und Weise, wie die Prüfung durchgeführt wird, bei diesen Verfahren weniger wichtig als bei mechanischen Messungen. Kalibrierungsdaten werden mit protokollierten Messwerten gespeichert und ermöglichen eine Überprüfung der Arbeit des Prüfers. Sowohl Dickenmesser mit Ultraschall als auch mit Hall-Effekt bieten Protokollierungsfunktionen, wodurch mögliche Transkriptionsfehler entfallen.

Olympus IMS
ProductsUsedApplications

Das 45MG ist ein Ultraschalldickenmesser mit Standardmessfunktionen und optionalen Softwarefunktionen. Dieses einzigartige Gerät ist mit der gesamten Palette von Olympus Einzelschwinger- und Sender-Empfängermessköpfen kompatibel, was dieses innovative Gerät zu einer Universallösung für nahezu jeden Anwendungsbereich in der Dickenmessung macht.
Das 38DL PLUS ist ein hochentwickelter Ultraschalldickenmesser. Es misst mit Sender-Empfängerschallkopf Korrosionen im Inneren von z. B. Rohren und besitzt eine THRU-COAT und Echo-Echo-Funktion. Es misst mit Einschwingermessköpfen dünne, sehr dicke oder mehrschichtige Werkstoffe sehr genau.
Der Magna-Mike ist ein Dickenmesser, der den Hall-Effekt und eine magnetische Sonde zum Messen von dünnen Objekten aus nicht ferritischen Werkstoffen, wie z. B. von Kunststoffflaschen nutzt.
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