Automatisierte Dichtebestimmung nach Archimedes - Wie alles begann

Was Sie hier erwartet:

1. EINLEITUNG
2. AUSGANGSSITUATION UND PROJEKTENTSTEHUNG
3. WISSENSCHAFTLICHE GRUNDLAGEN
4. GENAUIGKEITSANFORDERUNGEN UND EINFLUSSFAKTOREN
5. AUTOMATISIERUNG DES MESSPROZESSES
6. VON DER IDEE ZUM PROTOTYP
7. FAZIT

Einleitung

Die Bestimmung der Dichte eines Werkstoffs zählt zu den zentralen Aufgaben in vielen Industriezweigen und Forschungsgebieten. Besonders in der Fertigung technischer Keramiken, wie sie u. a. in der Medizintechnik Verwendung finden, spielt die Dichte eine entscheidende Rolle. Denn sie erlaubt Rückschlüsse auf Materialqualität, Porosität, Festigkeit und damit auf die Zuverlässigkeit des Endprodukts. Im Folgenden wird ein Projekt vorgestellt, das aus einer Kundenanfrage entstand und schließlich zur ersten weltweit automatisierten Dichtewaage nach dem Archimedischen Prinzip führte. Es demonstriert eindrucksvoll, wie sich ein klassisches physikalisches Grundprinzip in ein hochmodernes, automatisiertes Messsystem übertragen lässt und welche Faktoren hierbei im Kontext wissenschaftlicher Genauigkeit berücksichtigt werden müssen.

Ausgangssituation und Projektentstehung

Die Dimensionics GmbH erhielt eine Anfrage eines international führenden Unternehmens im Bereich keramischer Implantate. Konkret sollte ein automatisiertes System für die Qualitätssicherung von Kugeln und Schalen für künstliche Hüftgelenke entwickelt werden. Diese Komponenten unterliegen strengsten Anforderungen im Hinblick auf Materialhomogenität und Maßhaltigkeit, da sie im menschlichen Körper eingesetzt werden. Ein zentrales Kriterium bildet hier die Dichte des keramischen Werkstoffes – sowohl zur Prozessoptimierung in der Fertigung als auch zur Qualitätssicherung des Endprodukts.

Die klassische Methode zur Dichtebestimmung basiert auf dem Archimedischen Prinzip: Ein Körper erfährt in einer Flüssigkeit (meist Wasser) einen Auftrieb, der proportional zu seinem verdrängten Volumen ist. Aus der Gewichtsmessung an Luft und in Flüssigkeit lässt sich dann das Volumen und letztlich die Dichte berechnen. Obwohl dieses Prinzip seit Jahrhunderten bekannt ist, wurde die Umsetzung in ein vollautomatisiertes System bislang durch viele technische Details erschwert. Mehrere Unternehmen hatten sich daran versucht – ohne Erfolg. Mit der Entwicklung einer neuartigen „Dichtewaage“ gelang es Dimensionics jedoch, die entscheidenden Herausforderungen zu lösen.

Wissenschaftliche Grundlagen: Dichtebestimmung nach Archimedes

Die grundlegende Gleichung zur Dichtebestimmung eines Festkörpers ρ\rhoρ lautet:

Für die Medizintechnik ist dies insbesondere für die Bestimmung von Materialdefekten und Porositäten relevant, da Abweichungen in der Dichte Hinweise auf Fehlstellen oder Inhomogenitäten geben können.

Relevante Normen und Standards

In der Werkstoffprüfung existieren zahlreiche Normen, die das Verfahren näher beschreiben (z. B. DIN EN ISO 18754 für Hochleistungskeramiken oder spezifische ASTM-Standards). Für die Rückverfolgbarkeit und Akkreditierung von Messverfahren sind zudem Leitfäden wie die GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) essenziell, um systematische und zufällige Fehlerquellen zu quantifizieren.

Automatisierung des Messprozesses

Mechanische Realisierung

Um Kugeln und Schalen künstlicher Hüftgelenke automatisiert zu messen, bedurfte es eines ausgeklügelten Handlingsystems. Ursprünglich war der Einsatz eines Roboters geplant, der das Werkstück mittels Greifer auf zwei separate Waagen – eine für die Messung an Luft, eine für die Messung im Wasserbad – transportiert. Während der Entwicklungsphase zeigte sich jedoch, dass ein 4-Achs-Portalsystem die nötige Präzision, Geschwindigkeit und Robustheit besser erfüllt.

Bauteilträger und patentierte Aushebung

Ein zentrales Element ist ein speziell entwickelter Bauteilträger, der durch Aussparungen am Boden eine exakte Aushebung des Prüflings auf den Waagen ermöglicht. Damit wird verhindert, dass zusätzliches Trägergewicht in die Messung eingeht. Dies ist von besonderer Bedeutung, um das Rauschen der Messwerte zu minimieren und wiederholbare Ergebnisse zu gewährleisten. Dieses Konzept erwies sich als derart innovativ, dass es durch Dimensionics patentiert werden konnte.

Genauigkeitsanforderungen und Einflussfaktoren

Hochpräzise Waagen

Um den Anforderungen der medizinischen Fertigung gerecht zu werden, kamen hochpräzise Laborwaagen zum Einsatz. Sie stammen von einem führenden Partnerunternehmen und lassen sich über offene Schnittstellen optimal in das Automationssystem integrieren. Das erlaubt eine nahtlose Prozesssteuerung und erleichtert die Umsetzung komplexer Algorithmen zur Messdatenauswertung.

Umgebungseinflüsse

Die wissenschaftliche Genauigkeit hängt entscheidend von externen Parametern ab:

1. Temperatur: Veränderte Temperatur beeinflusst nicht nur die Dichte der Flüssigkeit, sondern auch die Ausdehnung des Prüflings.
2. Luftfeuchte: Starke Luftfeuchtigkeit kann zu Kondensation oder Verdunstung im Messbereich führen.
3. Schwingungen und Vibrationen: Bewegen sich Waagen oder Wasserbad auch nur minimal, beeinflusst dies die Messwerte.

Zur Kompensation dieser Faktoren kamen modernste Sensoren und Korrekturalgorithmen zum Einsatz. So werden Temperatur, Feuchte und Füllstand kontinuierlich überwacht und in Echtzeit korrigiert.

Messstrategie bei wasserziehenden Bauteilen

Bei keramischen Werkstoffen, die Wasser absorbieren, entstehen zusätzliche Herausforderungen. Um die Aufnahme von Flüssigkeit während der Messung zu reduzieren bzw. rechnerisch zu erfassen, wurden spezielle Filter und mathematische Korrekturverfahren entwickelt. Hierbei erfolgt oft eine kurze Vorkonditionierung der Proben, sodass Arteffekte durch schnelles Eintauchen minimiert werden.

Optimierung durch Tensidlösung

Ein zentrales Problem in der Dichtemessung nach Archimedes ist die Blasenbildung. Anhaftende Luftblasen an der Oberfläche eines Bauteils erzeugen bei der Messung einen zusätzlichen Auftrieb und verfälschen damit das Ergebnis. Um diese Blasenbildung zu unterbinden, wurde gemeinsam mit Partnerunternehmen eine Tensidlösung entwickelt, die das Benetzen der Bauteile verbessert. Gleichzeitig muss sichergestellt sein, dass keine Rückstände auf dem Werkstück verbleiben – insbesondere für Anwendungen im medizinischen Umfeld ein entscheidender Faktor. Die hier entwickelte Rezeptur gewährleistet ein hohes Maß an Kompatibilität und Reinheit.

Von der Idee zum Prototypen – und darüber hinaus

Das erste weltweit automatisierte Dichtebestimmungssystem nach Archimedes veränderte nachhaltig die Qualitätssicherung in der Medizintechnik und bei technischen Keramiken. Seit Markteinführung wird das System – intern als „Density“ bezeichnet – stetig weiterentwickelt:

• Höhere Genauigkeiten bei kürzeren Taktzeiten
• Integration von Befeuchtezellen zur Vorkonditionierung wasserziehender Bauteile
• Anbindung an Laufbandsysteme für eine 100%-Inline-Kontrolle in der Serienfertigung

Diese kontinuierliche Optimierung unterstreicht das Potenzial automatisierter Messverfahren, die klassische physikalische Prinzipien (wie das Archimedische) nutzen und mittels digitaler Technologien in hochpräzise, zuverlässige Qualitätssicherungssysteme transformieren.

Die Automatisierung physikalisch bewährter Methoden eröffnet neue Perspektiven in Forschung und Industrie. In der wissenschaftlichen Praxis bietet die exakte und wiederholbare Bestimmung von Keramikdichten Ansatzpunkte für weiterführende Analysen, etwa zur Porenstruktur oder zur Pulvermetallurgie. Aus akademischer Sicht sind folgende Bereiche besonders interessant:

• Werkstoffforschung: Genauigkeit der Messung beeinflusst die Aussagekraft über Mikrostruktur und Materialfehler.
• Messtechnik und Sensorik: Die Entwicklung besserer Korrekturmodelle für systematische Störeinflüsse trägt zur Verfeinerung internationaler Normen bei.
• Automatisierungstechnik: Das reibungslose Zusammenspiel von Portalrobotern, Waagen, Sensorketten und Steuerungssoftware demonstriert, wie die Industrie 4.0 in der Praxis aussehen kann.

Zukünftig lassen sich ähnliche Konzepte auf weitere Bereiche übertragen, etwa auf die Metallpulverindustrie, die Additive Fertigung oder sogar auf biologische Proben in der Biotechnologie. Durch die Kombination aus zuverlässiger Hard- und Software, patentierten Trägersystemen und der stetigen Optimierung mathematischer Algorithmen besteht ein enorm großes Innovationspotenzial – weit über die reine Dichtebestimmung hinaus.

Fazit 

Die Entwicklung einer automatisierten Dichtewaage für die Qualitätssicherung keramischer Implantate verdeutlicht, wie ein seit Jahrhunderten bekanntes physikalisches Prinzip neu interpretiert werden kann, um den steigenden Anforderungen moderner Fertigungsverfahren zu genügen. In enger Zusammenarbeit mit Experten aus Messtechnik, Werkstoffkunde und Automatisierungstechnik entstand ein System, das Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Effizienz auf einem bislang unerreichten Niveau vereint. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse und Technologien beeinflussen nicht nur die Serienfertigung in der Medizintechnik, sondern setzen neue Maßstäbe für alle Industriezweige, in denen die exakte Dichtebestimmung eines Werkstoffs elementar ist.

Zukünftige Forschungen und Entwicklungen werden an der Schnittstelle von Sensorik, mathematischer Modellierung und robotergestützter Automatisierung ansetzen, um die Messketten weiter zu verfeinern. So bleibt das automatisierte Dichtemessverfahren nach Archimedes ein Vorzeigebeispiel für die erfolgreiche Synthese von traditioneller Physik, modernster Technik und kontinuierlichem Innovationsgeist.