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Digitalisierung in der Prüftechnik - KEM Konstruktion

Werkstoffprüfung
Digitalisierung in der Prüftechnik

Die Werkstoffprüfung ist für die Qualitätssicherung in nahezu allen Branchen unerlässlich. Welche Trends und Entwicklungen es in diesem Bereich gibt, erklärt Roland Eisenlauer, Geschäftsführer bei Zwick Roell, im Gespräch mit der KEM Konstruktion. Auch Industrie 4.0 spielt für die Prüfer aus Ulm schon lange eine wichtige Rolle.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Herr Eisenlauer, Zwick Roell gehört zu den führenden Anbietern von Prüfmaschinen für die Werkstoffprüfung. Welche technischen Trends/Entwicklungen beobachten Sie derzeit im Bereich der Prüfmaschinen und -systeme?
Eisenlauer: Für uns haben natürlich die sogenannten Megatrends Auswirkungen. Das Thema Energieeffizienz wirkt sich zum Beispiel auf die Material- und Bauteilentwicklung und somit auf deren Prüfung aus. Denn bedingt durch Laufzeitverlängerungen, höhere Temperaturen und höhere Drücke in den Kraftwerken, werden andere Materialien, wie hochwarmfeste Stähle etc., genutzt. Ebenfalls wichtig sind neue Werkstoffklassen oder Verbundwerkstoffe, die im Leichtbau zum Einsatz kommen. Das sind Themen, die sich mittelbar auf die Prüftechnik auswirken.
Ein weiterer Aspekt ist die demografische Entwicklung der Bevölkerung, also deren Älterwerden. Die Fortschritte in der Medizin- und Pharmaindustrie – Selbstmedikation mittels Autoinjektoren, zum Beispiel Insulin-Pens – wirken sich ebenfalls auf die Prüftechnik aus. Unser Umsatz in der Medizin- und Pharmaindustrie wächst auch kontinuierlich und dementsprechend entwickeln wir Prüfverfahren bzw. neue Prüftechnik für diese Branchen.
KEM Konstruktion: Spielt im Bereich der Material- und Bauteilprüfung das Thema Industrie 4.0 bzw. Digitalisierung eine Rolle?
Eisenlauer: Ja, und in Teilbereichen schon sehr lange. Gliedert man das Thema Industrie 4.0 auf in die Bereiche Informationstransparenz, Vernetzung, technische Assistenzsysteme und dezentrale Entscheidungen, dann hat die Digitalisierung für uns speziell in der Automatisierungstechnik schon länger Relevanz. Das beinhaltet die Vernetzung mit den ERP-Systemen unserer Kunden, von der Probenvorbereitung bis zur Speicherung der Prüfprotokolle und statistischen Auswertungen. Stellen Sie sich ein Stahlwerk vor, bei dem aus einer Charge Prüflinge entnommen werden. Es werden Proben hergestellt, welche von Hand an die Maschine getragen und von Hand abgeprüft werden. Oder die Proben werden vollautomatisch über Bearbeitungszentren hergestellt und mit Barcodes versehen, so dass sie im System und vernetzt sind. Und so begleitet uns das schon länger. Seit den 90er Jahren sind unsere Sensoren mit EPROMs versehen, das heißt, sie bringen ihre eigene Information mit, und melden z.B. ich bin ein Kraftaufnehmer, ich habe eine bestimmte Nennkraft oder eine bestimmte Auflösung. Und wenn der Kunde diesen Sensor in die Elektronik einsteckt, wird er automatisch erkannt. Diese Vernetzung gibt es jetzt schon in der dritten Elektronikgeneration bei uns. Und die Kunden fragen das im stärker nach, auch im Sinne der Nachvollziehbarkeit und der Datensicherheit. Bei Aluminiumlegierungen für die Luftfahrtindustrie werden die Prüfergebnisse zum Teil 30 Jahre und länger aufbewahrt. Da spielt das natürlich eine große Rolle.
KEM Konstruktion: Bei Materialprüfungen bzw. Bauteilprüfungen geht es um Verfügbarkeit, Lebensdauer und Genauigkeit. Welche Rolle spielt vor diesem Hintergrund das Thema Sicherheit beziehungsweise der Schutz vor Manipulationen?
Eisenlauer: Das Thema Schutz vor Manipulation von Prüfergebnissen kam im speziellen aus der Medizinbranche, wird in der Zwischenzeit aber in mehreren Branchen nachgefragt. Wir nennen das „Erweiterte Nachvollziehbarkeit“. Das Ändern von Prüfparametern oder Vorgabeparametern kann zu einem anderen Ergebnis führen und damit zur Manipulation der Ergebnisse beitragen. Ein Beispiel: Wenn die Prüfgeschwindigkeit bei bestimmten Werkstoffen schneller ist als die Norm vorgibt, erzielen sie höhere Festigkeiten und da sollte man natürlich wissen, falls jemand so eine Änderung vorgenommen hat. Dieses Szenario gilt für den manuellen Betrieb. Im vollautomatischen Prüfbetrieb ist das nicht so einfach möglich, da lässt sich leichter sicherstellen, dass Benutzer keinen Einfluss auf die Ergebnisse nehmen können.
Wir haben ein Gesamtsystem geschaffen, von der Selbstidentifikation der Sensoren, über eine umfassende Benutzerverwaltung bis hin zur umfassenden Speicherung von verwendetem Prüfplatz, Prüfequipment, Prüfparametern und den durchgeführten Veränderungen.
KEM Konstruktion: Sie bieten ein umfangreiches Portfolio an Prüfmaschinen, -systemen und -geräten (z.B. statische Material-Prüfmaschinen, dynamische Prüfmaschinen, automatisierte Prüfsysteme, etc.) an. Für welche Prüfaufgaben und in welchen Branchen werden diese Lösungen eingesetzt?
Eisenlauer: Die Überschrift bei Zwick Roell ist ja physikalisch-technologische Werkstoff- und Bauteilprüfung. Letztendlich machen wir fast alles kaputt, was wir in die Finger kriegen und wir ziehen, wir drücken, wir drehen, wir verbiegen, wir dringen ein, wir machen Härteprüfung oder wir ermüden in Dauerversuchen. Das sind die Verfahren, die wir bei der Lösung von Prüfaufgaben für nahezu alle Branchen anwenden. Schwerpunkte sind bei uns die Metall- und Kunststoffindustrie, gefolgt von Akademia (Hochschulen und Institute bzw. Forschungseinrichtungen), Automotive und der Medizin- bzw. Pharmaindustrie. Weitere Branchen sind Elektrotechnik, Gummi, Aerospace, Textil, Baustoffe, Food, Papier. Letztendlich sind wir sehr breit aufgestellt, bedienen alle möglichen Branchen, was uns natürlich auch stabiler macht für wirtschaftliche Einflüsse einzelner Branchen. Ein Kunde allein kommt selten über mehr als ein, zwei Prozent vom Gesamtumsatz pro Jahr. Das ist natürlich eine komfortable Situation.
KEM Konstruktion: Sind die unterschiedlichen Prüfsysteme auch jeweils für unterschiedliche Aufgaben in verschiedenen Branchen ausgelegt bzw. gibt es bestimmte Segmente für die eine bestimmte Maschine ungeeignet ist?
Eisenlauer: Wenn Sie sich unser Portfolio anschauen, haben wir keine Einzweck-Maschinen. Eine Maschine bei uns besteht immer aus einer Belastungseinrichtung, die mit Werkzeugen und der entsprechenden Messtechnik, also Kraft- und Verformungsmesstechnik, ausgerüstet wird. Mit der richtigen Testxpert-Prüfsoftware wird das dann zur passenden Prüfmaschine für diese spezielle Anwendung in einer Branche. Und aus diesem Konglomerat heraus gibt es nicht ein System, dass ungeeignet wäre. Selbstverständlich lässt sich eine kleine Maschine, die nur 10 kN Kraft aufbringt, nicht im Stahlwerk einsetzen. Nehmen wir aber einen 250 kN- oder 2000 kN-Lastrahmen dazu, wird das Grundprinzip auch hier anwendbar sein. Wir haben letztendlich vier verschiedene Reihen an Belastungseinrichtungen mit unterschiedlichen Antriebsarten, zwei Reihen an Kraftmesssystemen, ein großes Portfolio an Längenänderungsmesssystemen und ein Riesen-Portfolio an Werkzeugen, Probenhalter-Systemen und Software, die aus alldem eine Prüfanlage für die verschiedenste Anwendungen in allen möglichen Branchen macht.
KEM Konstruktion: Material- oder Bauteilprüfungen dienen der Qualitätssicherung. Daher sind die Kundenanforderungen diesbezüglich zu Recht hoch. Wie realisiert Zwick Roell die hohen Qualitätsansprüche der Anwender?
Eisenlauer: Wir sind seit 1993 nach der ISO 9001 zertifiziert. Wir haben unser eigenes Qualitätsmanagementsystem, wir haben das ISO-14001-Zertifikat und wir sind auch das erste privatwirtschaftlich akkreditierte Kalibrierlabor in Deutschland gewesen. Umweltzertifikate haben wir natürlich auch. Soweit zu den Zertifikaten.
Für uns ist die eigene Qualität natürlich ein enorm hohes Gut, denn wir machen Maschinen zur Qualitätssicherung. Da können wir selbst im Haus nicht schlampern. Qualität müssen Sie auch an der Sauberkeit, an der Ordnung, im Unternehmen sehen. Das heißt, wir wollen eine Qualitätskultur leben. Selbstverständlich haben wir in der Produktion Dinge wie Shopfloor-Management und arbeiten mit der 5S-Methode. Wir haben Quartalsberichte zur Qualität, die dem Management vorgestellt werden etc. Monatlich müssen die einzelnen Geschäftsbereiche Qualitäts- und Beschwerde-Reports abliefern, die wir in der Geschäftsleitung besprechen. Das heißt, für uns ist Qualität ein Dauerthema. Und diesbezüglich muss man immer zwei Seiten betrachten, auf der einen Seite die Mitarbeiter, die das Thema verinnerlicht haben müssen, Stichwort Change Management. Auf der anderen Seite ist natürlich die Organisation wichtig, die Systeme, die Transparenz, die man dafür braucht. Und wir starten auch immer wieder Qualitätsinitiativen, nehmen uns bestimmte Benchmarks für einzelne Bauteile/Prüflinge vor. Also das ist bei Zwick ein kontinuierlicher Prozess.
Und letztendlich ist die Produktqualität nur ein Teil. Denn wir beginnen mit der Beratungsqualität, gehen über die Produktqualität zur Dokumentationsqualität und kommen am Ende zur Servicequalität. Das sind die vier Säulen über die wir im gesamten Qualitätsprozess nachdenken, denn wenn am Anfang die Beratungsqualität nicht stimmt, dann wird es schwierig, dass ein Produkt – selbst bei entsprechender Qualität – wirklich gute Prüfergebnisse erzielt. Daher betrachten wir, wenn wir über Qualität reden, den gesamten Prozess.
KEM Konstruktion: Sichere Prüfergebnisse sind ein grundlegendes und hochaktuelles Thema in der Materialprüfung. Letztendlich geht es neben Genauigkeit um Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit sowie um eine lückenlose Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse. Was tun Sie, um diese Anforderungen sicherzustellen?
Eisenlauer: Genauigkeit heißt zum einen bezogen auf eine Referenz richtig und zum anderen präzise. Wir stellen den höchsten Anspruch an die Genauigkeit bezogen auf das Prüfergebnis. Es nutzt einem Kunden wenig, wenn ein Sensor genau ist und sich das nicht im Prüfergebnis widerspiegelt. Am Ende des Tages ist die Messunsicherheit des einzelnen Prüfergebnisses wichtig und da arbeiten wir dran. Also nicht nur an reinen Zahlenwerten wie Genauigkeit, Auflösung, Messwerterfassungsrate etc., sondern wir versuchen das Prüfergebnis in den Vordergrund zu stellen und dafür die Messunsicherheit zu reduzieren. Für die Wiederholbarkeit haben wir unsere automatisierten Lösungen und Assistenzsysteme, die dem Kunden helfen, eine hohe Wiederholbarkeit zu erreichen.
Das Thema Nachvollziehbarkeit haben wir ja schon angesprochen, wie wir das für die Medizin- und Pharmabranche handhaben. Interessant ist hier, dass diese Industrie der Vorreiter war und Nachvollziehbarkeit nun auch im Bereich Automotive und in der Metallindustrie zunehmend wichtiger wird. Und hier wird unsere Software-Option „Erweiterte Nachvollziehbarkeit“ in anderen Branchen von den Kunden nachgefragt. Daher haben wir in diesem Bereich viel investiert. Zudem hat sich bei uns in den letzten Jahren die Zusammensetzung der Entwicklerteams gewandelt. Mehr als die Hälfte der 120 Entwickler bei Zwick Roell sind Software-Entwickler. Früher waren die Maschinenbauingenieure diejenigen, die die größte Gruppe dargestellt haben.
Bei uns macht die Software die Maschine erst zu einer Kunststoff-Prüfmaschine oder zu einer Maschine für die Textilindustrie, weil darin die Normen und das Know-how abgedeckt werden. Und wenn die Software flexibel und modular aufgebaut und mit klaren Schnittstellen versehen ist, kann man damit sehr einfach eine kundenspezifische Anpassung machen.
KEM Konstruktion: Um sichere Prüfergebnisse zu erzielen müssen die Prüfmittel entsprechend genau sein. Hierbei spielt die Kalibrierung eine wichtige Rolle. Wie sind Sie hier aufgestellt?
Eisenlauer: Wir sind ein gemäß der Deutschen Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) ein akkreditiertes Prüflabor. Wir führen weit über 10.000 Kalibrierungen pro Jahr durch. Betrachtet man die Kalibrierpyramide, stehen oben die Referenznormale der Physikalisch-technischen Bundesanstalt, zum Beispiel die Normale für Kraft und Länge. Auf der zweiten Ebene folgen schon wir mit unseren Messgeräten und dürfen dadurch unsere und andere Prüfmaschinen, Kraftmessgeräte etc. kalibrieren.
KEM Konstruktion: Zwick Roell bietet für seine dynamischen Prüfmaschinen verschiedene Antriebstechnologien an (elektromechanisch, servo-hydraulisch, elektro-dynamisch, Magnet-Resonanz). Welche Vorteile bietet die jeweilige Technik und für welche Einsatzfälle und Branchen eignen sich die einzelnen Antriebsarten?
Eisenlauer: Beginnen wir mit der Elektromechanik. Hier treibt ein Motor über ein Getriebe Spindeln an. Dabei handelt es sich um Antriebssysteme für quasistatische und niederfrequente Prüfungen. Sie werden hauptsächlich in den Bereichen Low Cycle Fatigue und thermomechanische Ermüdung (TMF) eingesetzt. Die elektromechanischen Prüfzylinder kommen auf Prüfstanden zur Ermüdung von beispielsweise Sitzen zum Einsatz oder werden als Hilfsachsen verwendet. Elektromechanisch ist eine Prüffrequenz bis circa 1 Hz möglich. Und wir nutzen die Prüfzylinder bis 50 kN, Zentralspindelmaschinen für die TMF oder die Low-Cycle-Fatigue-Versuche sind bis 400 kN verfügbar. Vorteile sind die einfache, robuste Regelung, die hohe Steifigkeit und Plug-and-Play, sie brauchen keine Medien.
In jüngster Vergangenheit haben wir eigene Linearmotoren speziell für die Prüftechnik entwickelt. Hier sind Frequenzen bis 100 Hz für die Ermüdungsprüfung in der Medizin- oder Elektrotechnik möglich, bei Kräften bis etwa 10 kN. Vorteil dieser Technik ist, dass keine Medien benötigt werden. Der Antrieb funktioniert rein elektrisch, sämtliche Bewegungsformen bzw. -profile lassen sich damit fahren und man arbeitet verschleißfrei. Die Einschränkung liegt im Kraftbereich, die Linearmotoren sind in der Prüftechnik momentan bis ungefähr 10 kN einsetzbar; in Werkzeug- oder Verpackungsmaschinen haben wir höhere Kräfte, aber nur kurzzeitig. Bei über 10 Millionen Lastwechseln und kleinen Amplituden kommt man mit dieser Technik bei großen Kräften an die Grenzen.
Aus unserer Amsler-Historie heraus bauen wir schon sehr lange Resonanz-Prüfmaschinen, vom Prinzip her ein Dreimassen-Schwinger. Diese Prüfmaschinen erfordern einen Prüfling mit der entsprechenden Steifigkeit, zum Beispiel aus einem metallischen Werkstoff. Ein Elastomer geht nicht, die Dämpfung ist zu stark, das Gesamtsystem schwingt nicht. Der Prüfling muss sich letztendlich wie eine Feder verhalten. Diese Prüfsysteme bauen wir bis 1000 kN und die Frequenzen reichen bis circa 280 Hz. Der große Vorteil ist, Sie gehen mit sehr niedriger Energie rein, nutzen die mechanische Verstärkung des Feder-Masse-Systems und erzeugen am Prüfling große Kräfte bei hohen Frequenzen. Die Kurvenform dieses Prüfsystems ist immer ein Sinus, andere Belastungsprofile gehen damit nicht. Aber dafür sind die Maschinen sehr präzise, sehr effizient im Betrieb und vor allem sehr schnell.
Den breitesten Einsatz- bzw. Anwendungsbereich besitzen die servo-hydraulischen Prüfsysteme. Wir haben diese Systeme standardmäßig von fünf bis 2500 kN oder als kundenspezifische Sonderausführung mit beispielsweise 50.000 kN. Mit der Hydraulik kann man also größte Kräfte und hohe Frequenzen realisieren. Damit sind auch Dauerkräfte auf Prüflinge möglich und es lassen sich sämtliche Bewegungsformen – Dreieck, Trapez, Rechteck, Sinus etc. – realisieren. Ein Beispiel ist das Auftreten des Beines beim Joggen, das ein ganz spezielles Belastungsprofil auf dem Turnschuh ist. Das können sie erfassen und an der Prüfmaschine mehrere 1000mal ablaufen lassen.
KEM Konstruktion: Stichwort kundenspezifische Anlagen. Wie hoch ist bei Zwick Roell der Anteil kundenspezifischer Lösungen gegenüber Bestellungen von Standardmaschinen aus dem Katalog?
Eisenlauer: Bei allen Bedarfsfällen besprechen wir mit den Kunden die Konfiguration und suchen gemeinsam nach einer maßgeschneiderten Lösung. Dabei bedienen wir uns der einzelnen Module aus dem Zwick-Roell-Katalog. Kundenspezifische Anpassungen finden in über 30% der Fälle statt, das heißt in 70% der Fälle reicht die Modularität unseres Kataloges aus. Die Größenordnung von solchen Anpassungen reichen von der Lackierung in den kundeneigenen Farben bis hin zur ganzheitlichen Neukonzeption einer spezifischen Prüfanlage zusammen mit dem Kunden. Da steckt also die ganze Bandbreite drin.
KEM Konstruktion: Neben der „Hardware“ spielt auch die Software bezüglich Qualität und Zuverlässigkeit in der Material- und Bauteilprüfung eine wichtige Rolle. Sie haben kürzlich Ihre neue Prüfsoftware Testxpert III vorgestellt. Welche Vorteile bietet diese Lösung gegenüber der Vorgänger-Version?
Eisenlauer: Bei der neuen Software stehen die einzelnen Nutzergruppen im Mittelpunkt – die Anwender, die Laborleiter etc. Wir haben die Usability hinterfragt, wofür wir auch Kompetenz im UX-Design aufgebaut haben. Letztendlich wurde die gesamte Struktur umgebaut und an die einzelnen Abläufe in den Laboren angepasst. Das heißt, der Anwender findet sich auf den ersten Blick zurecht und muss sich nicht durch eine Menü-Struktur durchhangeln, sondern er wird sofort in die richtige Richtung geleitet. Hier haben wir uns Benchmarks überlegt und die Anzahl der Klicks und Mauswege bei Referenzkunden aber auch bei uns im Haus an eigenen Maschinen durchgespielt und aufgezeichnet. In einzelnen Szenarien haben wir die Mauswege um über 50% reduziert. Die Anwender haben sehr viel zu tun, müssen zum Teil mehrere Prüfmaschinen bedienen und dabei sollte es einfach, intuitiv und ergonomisch vonstattengehen. Und wenn es einfach und intuitiv ist, geht es natürlich auch schnell und fehlersicher. Sie machen keine Fehler, wenn die Bedienung der Software eindeutig ist. Das trägt wiederum dazu bei, dass sichere Prüfergebnisse erzeugt werden.
Auch bei der Funktionalität haben wir uns über die Jahre ein riesiges Portfolio erarbeitet. In der aktuellen Version haben wir die Software um Suchfunktionen nach Prüfvorschriften, Normen, kundenspezifischen Anforderungen etc. ergänzt. Aber der Schwerpunkt der Verbesserungen war die Ergonomie.
KEM Konstruktion: Stichwort neue Maschinen, neue Software: Nicht immer können oder wollen Anwender in neue Lösungen investieren. Die Anforderungen des Marktes müssen sie aber trotzdem erfüllen. Welche Möglichkeit bietet hier die Modernisierung von Prüfsystemen und was haben Sie diesbezüglich zu bieten?
Eisenlauer: Das ist ein sehr großes Thema und beginnt beim Softwareupdate. Wir sind in den relevanten Normengremien vertreten und können dadurch frühzeitig Änderungen in unsere Software einpflegen. Die Kunden können über unseren After-Sales-Bereich ein Softwareupdate erhalten und wieder nach der aktuellen Norm prüfen. Die Elektronik ist modular und kann um weitere Messmodule ergänzt werden, Kraft- und Wegmesssysteme lassen sich nachrüsten und Werkzeuge und Probenhalter sowieso. Last, not least sind es die Modernisierungen, bei denen die reine Mechanik bzw. Hydraulik erhalten bleibt und die Prüfmaschine einen neuen Motor, eine neue Elektronik und Messtechnik bekommt. Dafür nehmen wir auch die Maschinen von Kunden zu uns ins Haus und führen eine Generalüberholung durch. Üblicherweise führen wir die Modernisierung aber vor Ort durch. Wir haben ein umfangreiches Portfolio für die Modernisierung von Prüfmaschinen und machen das auch sehr gern weltweit. Unser Maschinenbau ist sehr stabil und es wäre schade, wenn man das einfach wegwirft. Man kann mindestens zwei-, dreimal mit einer neuen Elektronik modernisieren und eine Maschine somit 40, 50 Jahre betreiben.

Zum Unternehmen

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Die Zwick-Roell-Gruppe hat über 160 Jahren Erfahrung in der Material- und Bauteilprüfung. Das Unternehmen ist führend in der statischen Prüfung und verzeichnet ein signifikantes Wachstum bei Betriebsfestigkeitsprüfsystemen. Zur Firmengruppe gehören mehr als 1.300 Mitarbeiter.
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