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Bürstenloser Kleinmotor Hohe Wiederholgenauigkeit für Nano-Shore-Härtemessung an kleinen Elastomer-Fertigteilen

| Redakteur: Reinhard Kluger

Nur eine gleichmäßig veränderbare Prüfkraft an der Nadelspitze erlaubt bei der Shore-A-Härtemessung eine sichere Charakterisierung des Werkstoffes. Elektronisch kommutierte DC Kleinservomotoren sind hier der Antrieb der Wahl. Mit integriertem Motion Controller und RS232-Schnittstelle sind sie das exakte mechanische Bindeglied zwischen Messcomputer und Prüfspitze.

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Das kompakte Nano-Shore-Messgerät für direkte Messung am Produkt
Das kompakte Nano-Shore-Messgerät für direkte Messung am Produkt
( Archiv: Vogel Business Media )

Elastomere, also „gummiartige“ Werkstoffe, begegnen uns alltäglich. Ebenso wie bei anderen Produkten ist auch hier ein Trend zum Einsatz immer kleinerer Artikel wahrzunehmen. Die bisherige Prüfmethode nach DIN 53505 arbeitet mit einer vergleichsweise großen, kegelförmigen Nadel. Die Q-TEC GmbH aus Zeilarn hat nun das physikalische Verfahren geometrisch verkleinert, um auch kleinste Proben bzw. gezielt Punkte auf größeren Produktstücken anzumessen. Für die exakte Positionierung und Kraftverstellung, an der ums zehnfache verkleinerten Prüfspitze, holten sie sich die Kleinantriebsspezialisten von Faulhaber mit ins Team. So entstand eine kompakte Messvorrichtung, die Normvorgaben in Miniaturform umsetzt.

Härte messen

Die Shore-Härtemessung beruht auf rein physikalischen Vorgängen. Um einen möglichst weiten Härtebereich abzudecken, ist sowohl die Geometrie der Prüfnadel wie auch der Kraftverlauf bei der Messung vorgegeben. Dringt die Nadel in das härtere Elastomer nur oberflächlich ein, so wird die Eindringkraft erhöht. Damit können sowohl weiche Stoffe mit geringer Prüfkraft bei längerem Messweg als auch harte Werkstoffe durch die dann geringere Eindringtiefe bei gleichzeitig hoher Kraft an der Nadelspitze gut vermessen werden. Dieses Standard-Verfahren erlaubt die Härtebestimmung ab einer minimalen Prüflingsdicke von vier bis sechs mm bei einer Auflagefläche von rund 18 mm Durchmesser. Normalerweise werden dazu besonders hergestellte Prüfplatten eingesetzt.

Das neue Messverfahren beruht auf der vergleichenden Belastungscharakteristik geometrisch verkleinerter Körper. So ist die Härte der Prüflinge nun mit der um Faktor 10 verkleinerten Nadel (die Spitze entspricht ca. Durchmesser eines Haares) schon ab einer Wandstärke von 0,5 mm messbar. Der Einsatz von Fertigteilen aus der Produktion ist möglich, extra Prüfkörper sind nicht mehr nötig. Das erlaubt ganz neue Möglichkeiten. So können in der Produktion gezielt unterschiedliche Parameter (Einspritzgeschwindigkeit, Vulkanisationstemperatur, Temperung usw.) variiert werden, um über die Härteprüfung verifiziert zu einem optimalen Produktergebnis zu kommen. Dabei reicht der Standard-Messbereich der neuen Geräte von 10 bis 95 Shore A. Da die kleine Nadel nicht vorgespannt ist, können auch sehr weiche Stoffe ohne Wechsel zu anderen Messmethoden vermessen werden. Der Messbereich kann daher auf den Bereich von -5 bis 100 Shore A ausgedehnt werden.

Punktgenau messen per Kleinantrieb

Laserzielkreuz erleichtert bei den kleinen Proben die punktgenaue Einstellung der Prüfnadel (Archiv: Vogel Business Media)

Um bei kleinsten Proben zielgenau die jeweilige Messposition anzufahren, verwenden die Entwickler beim Nano-Shore-Messgerät eine Probenauflage mit Laser Positionierkreuz (Bild 2). So wird unabhängig von der Artikelgeometrie über das Fadenkreuz die Eindringstelle festgelegt. Messungen an unterschiedlichen Positionen wie Wellenberg oder -tal auf der Noppenkuppe oder an der Grundfläche sind nun möglich (Bild 3). Auch bei Verbundstoffen bewährt sich das Verfahren. Ab einem Querschnitt von 1 mm² sind qualifizierte Ergebnisse gesichert. Erlaubt der Laser die vorbestimmte Position anzuvisieren, so wird die senkrechte Prüfbewegung der Nadel durch einen Kleinservomotor auf den Punkt gebracht.

Kompakter Antriebsmotor mit aufgesetztem Motion Controller für exakte Positionierung (Archiv: Vogel Business Media)

Die Kleinantriebsspezialisten aus Schönaich mussten für die Motorenauswahl mehrere Anwendungsanforderungen berücksichtigen: Kleine Bauform, um die kompakten Gerätemaße einzuhalten, möglichst autarker Betrieb des Motors, um die Geräteelektronik zu entlasten und selbstverständlich eine hohe Auflösung im Positionierbetrieb. Für diesen speziellen Fall erwies sich ein 35-mm-Motor mit integriertem Motion Controller als ideal (Bild 4). Mit 50 mNm Abgabedrehmoment an der Welle und bis zu 90 W Leistung ist die Mechanik problemlos zu bewegen. Der angeschlossene Controller erlaubt Drehzahlregelung, Drehzahlprofile, Schrittmotorbetrieb und Positionierbetrieb. Letzterer ist hier gefragt. Mit einer Auflösung von bis zu 1/3.000 Umdrehung und der Möglichkeit, Referenzmarken- und Endschalterpositionen zu berücksichtigen, ist der Antrieb in der Lage, exakt den Vorgaben der Messgerätelektronik zu folgen.

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