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Das Archimedische Prinzip in der Fertigung

Das Archimedische Prinzip in der Fertigung

Was Sie hier erwartet:

  1. Einleitung: Das Archimedische Prinzip und seine Bedeutung in der Fertigung**
  2. Was ist das archimedische Prinzip?
  3. Die traditionelle Methode der Dichtemessung nach Archimedes
  4. Die neue, automatisierte Methode der Dichtebestimmung nach Archimedes
  5. Zusammenfassung und Ausblick

Einleitung: Das Archimedische Prinzip und seine Bedeutung in der Fertigung

Das Archimedische Prinzip, oft als Archimedes' Gesetz bezeichnet, ist ein fundamentales physikalisches Gesetz, das in der Fertigungsindustrie eine zentrale Rolle spielt. Es ermöglicht eine präzise Dichtebestimmung von Feststoffen, was wiederum die Qualität und Homogenität von Produkten sicherstellt. Das archimedische Messverfahren kämpft jedoch mit einem negativen Image hinsichtlich seiner Handhabung und Zuverlässigkeit. Dies zu ändern haben wir uns zur Aufgabe gemacht. Doch zuerst, zur Erinnerung….

Was ist das archimedische Prinzip?

Das Archimedische Prinzip besagt, dass ein Körper in einer Flüssigkeit eine Auftriebskraft erfährt, die dem Gewicht des verdrängten Mediums entspricht.

Durch das Messen des Gewichts eines Feststoffs, zuerst in Luft und anschließend in einem fluiden Medium kann die Dichte des Bauteils ermittelt werden. Dies funktioniert vor allem bei geometrisch einfachen Bauteilen besonders gut.

Sehen wir uns den Ablauf einer solchen Messung nach Archimedes einmal genauer an. Unsere Reise beginnt in der Produktion von Bauteilen die z.B. durch einen Sinterprozess, Pulverspritzguss, additive Fertigung, oder einem anderen modernen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Ziel ist es das Bauteil mithilfe eines Dichtekits und einer Laborwaage sowohl an der Luft als auch im destillierten Wasser (oder einem anderen Liquid) zu messen, um dadurch während des Produktionsverfahren schnell gültige Werte zur Dichte zu bekommen. Die Dichte der Bauteile ist wichtig, um mögliche Fehlentwicklungen in der Fertigung und daraus resultierende Materialfehler zu erkennen. Gerade für sicherheitskritische Bauteile in Branchen wie der Luftfahrt oder der Medizintechnik, können mangelhafte Erzeugnisse schwerwiegende Folgen haben und sind deshalb nicht akzeptabel.

Die traditionelle Methode der Dichtemessung nach Archimedes.

Die Messung erfolgt im Labor, da nur dort die notwendige Umgebung für eine möglichst genaue Messung gegeben ist. Die Messung selbst nimmt, wenn korrekt durchgeführt, nur kurze Zeit in Anspruch. Die gewonnenen Ergebnisse müssen meist manuell dokumentiert werden.

Manuelle Handhabung: Das Testobjekt muss manuell auf der Messschale bzw. im Gefäß mit Liquid positioniert werden. Die Positionierung des Bauteils sollte möglichst gleichbleibend zentrisch erfolgen, da eine außerzentrische Lagerung Abweichungen bei den Messwerten erzeugen kann. Hier merkt man schon, bei Bauteilen mit komplexer Geometrie kann dies zu Schwierigkeiten führen. Zusätzlich muss darauf geachtet werden, dass sich keine Luftblasen am Bauteil festklammern. Durch die manuelle Handhabung besteht somit die Gefahr, die Messergebnisse zu verfälschen. Die möglichen Einflüsse und Fehler werden im Folgenden beschrieben:

Einfluss von Blasenbildung am Bauteil: Lufteinschlüsse, die am Bauteil haften, können sich auf unterschiedliche Art und Weise auf das Messergebnis auswirken. Wenn Luftblasen am Bauteil haften, erhöhen sie das scheinbare Volumen des Bauteils in der Flüssigkeit. Dies führt zu einer größeren verdrängten Flüssigkeitsmenge und somit zu einem höheren scheinbaren Auftrieb. Das kann dazu führen, dass das Bauteil leichter erscheint, als es tatsächlich ist, wenn es in der Flüssigkeit eingetaucht ist. Luftblasen haben auch ein eigenes Gewicht. Obwohl dieses Gewicht im Vergleich zum Bauteil minimal ist, kann es in präzisen Messungen einen Unterschied machen. Die Anhaftung von Blasen kann unregelmäßig sein, was zu einer ungleichmäßigen Verdrängung der Flüssigkeit führt. Dies kann die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen, insbesondere wenn das Bauteil eine komplexe Form hat.

Einfluss menschlicher Faktor: Auch Abweichungen bei der Handhabung des Bauteils oder eine nicht korrekt durchgeführte Messung (Auftrag von Schmutz auf das Bauteil, ungenaue Berücksichtigung von Umweltparametern etc.) können Auswirkungen haben, die die Genauigkeit der Ergebnisse beeinflussen. Während die Wassertemperatur erfasst wird, bleibt die Lufttemperatur meist unberücksichtigt. Der Grund ist das die Temperatur der Luft einen viel geringeren direkten Einfluss auf die Dichte des Festkörpers oder des Wassers im Vergleich zur Wassertemperatur. Daher wird sie oft als weniger kritisch für die Messung angesehen. Trotzdem kann es unter besonderen Bedingungen notwendig sein, auch die Lufttemperatur zu berücksichtigen. Dies alles führt zu ungenauen Dichtewerten, die für die Qualitätskontrolle entscheidend sind.

Fehlerhafte Qualitätskontrolle: In der Fertigungsindustrie kann eine ungenaue Dichtemessung aufgrund von Umwelteinflüssen zu fehlerhaften Qualitätskontrollen führen, was wiederum Produktionskosten erhöht und die Produktqualität beeinträchtigt. Insbesondere Schwingungen, die durch nahestehende Produktionsanalagen entstehen, sorgen für ungenaue Ergebnisse. Eine Schwingungsentkopplung ist daher zwingenderforderlich.

Auslastung der Laborpersonals

Leider ist es auch in unserer heutigen Zeit kein Selbstverständnis, dass Labore immer gleich schnell reagieren. So kann es unter anderem zu Verzögerungen von mehreren Tagen kommen. Zeit, in der die Produktion der Bauteile entweder risikobehaftet produziert oder stillsteht. Die Initiative für ein automatisiertes Dichtemessgerät kam von einem unserer Kunden mit einem überlasteten Labor. Manchmal dauerte es bis zu einer Woche, bis Teile zur Fertigung zurückkehrten.

Man sieht, die manuelle Methode birgt leider Fehlerpotenziale die durch Menschen und Umgebung entstehen. Die Dichtebestimmung nach traditioneller Methode mit Dichtekit und Laborwaage wird deshalb von vielen Qualitätsexperten als wenig zuverlässig angesehen. Ist das wirklich gerechtfertigt?

Wie also können wir eine zuverlässige archimedische Dichtebestimmung in der Fertigung sicherstellen? Genau dort haben unsere Ingenieure angesetzt.

Die neue, automatisierte Methode der Dichtebestimmung nach Archimedes

Die Automatisierung der Dichtemessung nach Archimedes hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Hier sind einige der wichtigsten Merkmale und Vorteile dieser neuen Methode:

  1. Berücksichtigung aller Umweltparameter: Verschiedene integrierte Sensoren berücksichtigen alle relevanten Umweltparameter. Im Zusammenspiel mit dem Schwingungsentkoppelten Aufbau des Systems wird ein Einsatz direkt in der Fertigungsumgebung ermöglicht. Dies stellt sicher, dass die Messungen unmittelbar erfolgen, was zu effizienteren und zuverlässigeren Prozessen führt.
  2. Automatisierter Prozess auf Präzisionswaagen: Die Verwendung von Präzisionswaagen in Kombination mit der wiederholgenauen Positionierung durch die Portaltechnik ermöglicht die reproduzierbare Vermessung von Bauteilen jeder Art - ob komplex, klein oder leicht. Spezielle Modi ermöglichen u.a. eine Dichtebestimmung selbst für wasserziehende Bauteile. Die Fehlerquelle Blasenanhaftung wird durch den Einsatz des hauseigenen Tensids unterbunden. Zusätzliche Erweiterungen schaffen es, selbst feinste Mikroblasen weitestgehend zu neutralisieren.
  3. Hohe Taktgeschwindigkeit und Datenintegration: Mit einer beeindruckenden Taktgeschwindigkeit von nur 2 Minuten pro Messung können große Mengen von Bauteilen in kurzer Zeit vermessen werden. Darüber hinaus ermöglicht die direkte Schnittstelle zu CAQ-, QS- und ERP-Datenbanken eine nahtlose Integration der Messdaten in übergeordnete Systeme.
  4. Integrierte Wartungs- und Servicefunktionen: Um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Systems zu gewährleisten, verfügt die automatisierte Methode über integrierte Wartungs- und Servicefunktionen. Dazu gehören Funktionen wie die interne Waagenkalibrierung, der automatische Wasserwechsel und die Möglichkeit der Fernwartung.
  5. Kosteneffizienz und Ressourcenschonung: Durch den Wegfall von Laufwegen ins Labor und schnelle Maschinenfreigaben werden sowohl Personal- als auch Prozesskosten gespart. Die genauen Messergebnisse, die ohne menschlichen Einfluss erzielt werden, reduzieren zusätzlich Personal- und Qualitätskosten. Die Möglichkeit einer schnelleren Maschinenfreigabe und Anpassung von Parametern nach Chargen- oder Werkzeugwechsel optimiert den Produktionsprozess weiter. Die Fähigkeit, große Stückzahlen zu vermessen und eine höhere Prüfschärfe oder sogar 100%-Kontrolle durchzuführen, macht diese Methode besonders kosteneffizient. Schließlich trägt der geringe Wartungsaufwand dazu bei, Ressourcen zu schonen und die Gesamtbetriebskosten zu senken.

Zusammenfassung und Ausblick

Wie man unschwer erkennt, wird durch diese Fortschritte das archimedische Prinzip nicht nur modernisiert, sondern auch optimiert. So kann es den Anforderungen der heutigen Fertigungsindustrie gerecht zu werden. Es ist klar, dass die Zukunft der Dichtemessung in der Automatisierung liegt, und diese neue Methode ist ein beeindruckendes Beispiel dafür. Die Archimedische Dichtemessung lebt also weiter und muss nicht kompliziert sein.

Falls das Thema von Interesse für Sie ist, empfehlen wir auch den Beitrag „Vollautomatisierten Dichtemessung beim Metal Injection Molding - MIM“.

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