Beschleunigungs-Logger im Einsatz bei der Fresenius Medical Care

In vielen Bereichen der physikalischen und auch elektrischen Messtechnik einsetzbar ist der daumengrosse Mini-Datenlogger MSR165, mit dem man 3-Achsen-Beschleunigungen, Luftdruck, Feuchte, Temperatur, Licht und weitere beliebige elektrische Spannungswerte aufzeichnen kann. Hier ein Anwendungsbeispiel aus der Industrie, das zeigt, wie nützlich diese kleinen Messdaten-Recorder sein können.

Die Firma Fresenius Medical Care produziert an ihrem Standort St. Wendel Peritoneal-Dialysesysteme, mit denen eine sehr schonende Blutwäsche bei Patienten durchgeführt werden kann. Für diese hochkomplexen medizinelektronischen Geräte sind spezielle Kunststoffventile erforderlich, die entsprechend den geltenden Vorschriften in einem Reinraum gefertigt und montiert werden müssen. In dem für die Montagearbeiten verwendeten Produktionsautomaten werden diese Ventile auf Werkstückträgern transportiert, die aus Polyethylenterephthalat- (PET-) Vollmaterial gefräst sind. An den Werkstückträgern sind jedoch durch die permanenten mechanischen Beanspruchungen Verschleisserscheinungen aufgetreten, so dass man sich entschlossen hat, eine neue und widerstandsfähigere Konstruktion zu entwickeln.

Dynamische mechanische Belastungen präzise erfassen

Basis für die Entwicklung einer neuen Variante der Werkstückträger war zunächst eine umfassende Messreihe, die von Daniel Klein, einem Studenten am Lehrstuhl für Polymerwerkstoffe der Universität des Saarlandes, im Rahmen seiner Bachelor-Arbeit durchgeführt wurde. Zunächst dienten als Grundlage für die Analyse und Bewertung der bestehenden Lösung Werkstattdaten und Belastungsmessungen. Diese wurden ausgewertet und mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) in Dehnungs-Beanspruchungen umgerechnet. Auf diese Weise erhielt man Aufschluss über die Eignung der aktuellen Werkstückträger bezüglich ihrer Anforderungen im Betrieb und bekam so Basisdaten, um eine weiter optimierte Lösung zu entwickeln. Wichtig in diesem Zusammenhang war auch die Messung der dynamischen mechanischen Belastungen, denen die Werkstückträger unterliegen. Hierzu wurde in den Messreihen ein Beschleunigungs-Datenlogger MSR165 des Schweizer Herstellers MSR Electronics auf einen Werkstückträger geschraubt und – wie die anderen Werkstückträger mit den Ventilen auch – in den realen Fertigungsablauf der Automaten eingefügt.

1600 mal pro Sekunde die Beschleunigung erfassen

Der Beschleunigungs-Datenlogger der Typenreihe MSR165 ist ein autark im Langzeit-Betrieb arbeitendes und auf microSD-Speicherkarten aufzeichnendes Datenerfassungs-/speichersystem, das in der aktuellen Version mit einem hochauflösenden und sehr empfindlichen 3-Achsen-Digital-Accelerometer ausgestattet ist. Durch das kleine Format (39 x 23 x 72 mm, Masse ca. 64 g) und die Möglichkeit, in drei Achsen Beschleunigungen aufzuzeichnen, eignet sich der Logger sehr gut für die bei Fresenius Medical Care gegebene Aufgabenstellung.

Eingebaut ist die Sensorik in ein eloxiertes, wasserdichtes Aluminium-Gehäuse. Der robuste Logger ist letztlich in der Lage, bis 1600-mal pro Sekunde Beschleunigungen (Stösse, Vibrationen) in allen drei Achsen zu messen, das Ganze mit einer Digital-Messwert-Auflösung von 13 bit. Zeitgleich lassen sich Temperatur, Feuchte, Druck und Licht erfassen. Die Speicherkapazität des Loggers liegt bei über 2 Mio. Messwerten, was zur Aufzeichnung von über 10 000 Stössen ausreicht. Der MSR165 realisiert damit die Forderung vieler Ingenieure nach einer Messfrequenz von über 1 kHz im Bereich der Schockmessungen, die im Übrigen bis zu Maximalbeschleunigungen von +/-15 g möglich sind – ein bei Anwendern sehr oft benötigter Messbereich. Und da es bei einer g-Analyse vielfach notwendig ist, auch die Vorgeschichte des „Schocks“ zu erfahren, kann der Logger bereits 32 Messwerte vor dem eigentlichen Ereignis festhalten. Der Anwender weiss dann nicht nur, dass ein harter Stoss erfolgte, sondern erkennt auch den genauen Verlauf des Stosses in den drei Raumachsen.

Durch den Lithium-Polymer-Akku mit 900 mAh Kapazität liesse sich letztlich bei entsprechend angepasster Messrate bis sechs Monate lang die Beschleunigungs-Überwachung durchführen, was im konkreten Fall freilich ebenso wenig notwendig war wie die Erfassung von Temperatur, Feuchte, Druck, Licht oder von analogen Eingangsspannungen. Wer einen grösseren Speicher benötigt, kann die Kapazität des MSR-Loggers zudem mit einer microSD-Karte(≥4GB) auf über 1 Mia. Messwerte erhöhen.

Aufgedeckt: Abnutzung durch stossartige Beschleunigungen

Da die dehnungsbezogene Auslegung von Kunststoffbauteilen prinzipiell unabhängig von Belastungsart und Dauer ist, genügte es in diesem Fall bei der Untersuchung der Werkstückträger, die maximalen (Stoss-) Belastungen mit dem Logger auszuwerten. Während der Messreihen konnte auf diese Weise der Beschleunigungsverlauf beim ruckartigen Vorschieben der Werkstückträger im Bearbeitungsautomaten identifiziert werden. Die Beschleunigungen hier liegen meist im Bereich +/-2 g. Vibrationen und Stösse, die durch Kameraaufnahmen vorher unbeachtet blieben, wurden so detektiert.

Letztlich ermöglichte es erst der Beschleunigungs-Datenlogger, die dynamischen Lasten im Betrieb exakt zu quantifizieren. Auf diese Weise wurden Betriebsprobleme durch Verschleisserscheinungen aufgrund der Form und der Masse der Werkstückträger entdeckt. Sie lassen sich in Zukunft ebenso vermeiden wie aus den Verschleisserscheinungen resultierende Wartungsarbeiten, indem bei neuen Werkstückträgern in Zukunft ein optimiertes physisches Design zur Anwendung kommt.

Daniel Klein / Gabriela Zumkehr