Kalibrierstandards meistern: Herausforderungen präziser Messung meistern

Die Standards sind entweder einfach und offensichtlich – oder sie sind es nicht

Instrumentenkalibrierung ist ein wesentlicher Aspekt der Qualitätskontrolle und betrifft alles – von geometrischen Parametern in Zeichnungsspezifikationen bis hin zu den Methoden, die zur Messung und Inspektion von Präzisionsmetallteilen verwendet werden.

Doch es gibt einige Herausforderungen (sagen wir ruhig: Kopfschmerzen?) bei den Kalibrierstandards für verschiedene Mess- und Prüfwerkzeuge. Zwar ist Kalibrierung theoretisch absolut, doch gibt es viele Gründe, warum sie nicht absolut genau ist.

Selbst die gemeinsamen Annahmen über Kalibrierstandards sind nicht ohne Herausforderungen. So gibt es zwar akzeptierte zeitliche Intervalle, technisch könnte ein Gerät jedoch Minuten nach der Kalibrierung bereits außerhalb der Spezifikation liegen.

Zudem wird die Rückführbarkeit der für die Kalibrierung verwendeten Dokumente normalerweise auf einen Standard zurückgeführt, der vom National Institute of Standards and Technology (NIST) festgelegt wurde. Es gibt jedoch Umstände, in denen es schlicht keine NIST-Standards für die Kalibrierung gibt.

Unterschiede in der Terminologie

Messgeräte werden fast immer kalibriert, aber es gibt sicherlich funktionale Aspekte von Fertigungsgeräten, die innerhalb der Spezifikationen liegen müssen und daher ebenfalls kalibriert werden müssen. Doch selbst der Begriff Kalibrierung ist interpretierbar:

• Wenn jemand sagt, er führe eine Kalibrierung durch, führt er tatsächlich eine Aktion aus, um ein Gerät zurück in die Spezifikation zu bringen?
• Oder meint er mit „kalibrieren“ lediglich, dass er Geräte überprüft, ob sie noch innerhalb der spezifizierten Toleranz gemäß den Kalibrierstandards funktionieren?

Beispielsweise kalibrieren wir bei Metal Cutting unsere Öfen, indem wir prüfen, ob sie Temperaturen korrekt anzeigen. Funktioniert ein Ofen nicht richtig, gilt er als außer Kalibrierung, wir reparieren ihn und führen das Temperaturkalibrierverfahren erneut durch.

Während Öfen nicht zur Kalibrierung eingesandt werden können, werden andere spezialisierte Werkzeuge, die wir nutzen, regelmäßig zur Kalibrierung geschickt, mit dem Ziel, sie zurück in die Spezifikation zu bringen. Dies kann die Reinigung eines Geräts oder seine Programmierung auf eine bestimmte Messweise durch einen Messgerätehersteller umfassen. Für diese Gerätekategorie ist Kalibrierung eher einem Wiederaufbau als einer Justierung vergleichbar.

Fehlende rückführbare Kalibrierstandards

Für manche Dinge ist es einfach, sich die Objekte oder Konzepte vorzustellen, die als Basis für etablierte Kalibrierstandards dienen. So ist es leicht, rückführbare NIST-Kalibrierstandards für Teile zu erhalten, die 1,0 Zoll (25,4 mm) lang oder 0,04 Zoll (1 mm) im Durchmesser sind.

Schwierig wird es jedoch, einen rückführbaren Standard für ein sehr langes Teil oder einen sehr großen oder sehr kleinen Durchmesser zu bekommen.

Ein Standard, der 2 Meter lang oder 10 Mikrometer im Durchmesser ist, ist aus entgegengesetzten Gründen schlicht zu schwer handhabbar. Und was ist mit der Kalibrierung für elektrischen Widerstand, wie dem Ohm-Widerstand von deionisiertem Wasser?

Es gibt Techniken und Methoden für all diese Kalibrierungen. Sie sind jedoch nicht so einfach wie die Kalibrierung für leicht handhabbare Längen und Durchmesser.

In unserer Arbeit mit Spezialmetallen bei Metal Cutting Corporation werden wir oft gebeten, sicherzustellen, dass im Metall, das wir entweder zur Bearbeitung erhalten oder im Auftrag unserer Kunden selbst beschaffen und liefern, keine Risse oder Lunker vorhanden sind. Wirbelstromprüfung (ECT) ist eine vertraute und interessante Methode, die wir nutzen, die subtile Techniken zur Inspektion von Metallteilen auf Oberflächenfehler wie Risse umfasst.

Doch eine Wahrheit über ECT ist: Es gibt keinen NIST-rückführbaren Standard für die Kalibrierung. Daher werden für die Fehlererkennung Referenzstandards durch Erzeugen künstlicher Defekte, wie EDM-Kerben, hergestellt. Diese Referenzstandards werden verwendet, um ECT-Parameter wie Frequenz, Amplitude und Empfindlichkeit einzustellen.

Toleranzen und andere Abhängigkeiten

Hersteller wünschen sich alle, dass Kalibrierung eine unabhängige Referenz eines unveränderlichen Standards ist. Doch jede Kalibrierung birgt eine gewisse Abhängigkeit zwischen dem NIST-Standard, der in einem Tresor liegt, und allem, was anschließend in der Lieferkette gemessen wird.

Ob es sich um ein A2LA-Labor handelt, das sich auf seine Referenz zum Objekt im Tresor stützt, oder um einen Hersteller, der sich auf Objekte stützt, die auf das Objekt des unabhängigen Labors referenzieren – es gibt immer eine Kette von Kontingenzen in der Ausführung jedes Kalibriersystems sowie Toleranzen im System.

So muss beispielsweise die Auswirkung gestapelter Toleranzen berücksichtigt werden. Wenn Sie ein Gerät zur Kalibrierung einsenden, müssen Sie beachten:

• Die Toleranz des zu kalibrierenden Geräts
• PLUS die Toleranz des Stiftes, der zur Kalibrierung des Geräts verwendet wird
• PLUS die Toleranz des Labors, das die Aufgabe durchführt

Dezimalstellen-Probleme

Ein weiteres häufiges Problem bei Kalibrierstandards ist: Wie viele Dezimalstellen (wie viele Nullen) sollte die Kalibrierung haben? Bei Metal Cutting verwenden wir einen Klasse-XXX-Lehrdorn mit einer Toleranz von 0,000020 Zoll (0,000508 mm), um etwas mit einer viel lockereren Toleranz zu kalibrieren, wie einen Handmikrometer, der auf 0,00005 Zoll (0,00127 mm) ausliest.

Ein weiteres interessantes dimensionsbezogenes Problem: Wenn ein A2LA-Labor ein Objekt mit einem Nennmaß von 1,000000 Zoll auf 1,000003 Zoll mit ihren NIST-rückführbaren Geräten misst, wird 1,000003 Zoll zum neuen Normalmaß. Das heißt, es wird die neue Größe für die Kalibrierung von Messgeräten, die auf sechs Dezimalstellen auslesen.

Korroboration über Geräte, Kalibriermethode und Toleranzen hinweg

Zusätzlich können zwei verschiedene Personen ein Teil messen, jeweils mit einem kalibrierten Gerät in einwandfreiem Zustand und innerhalb der spezifizierten Toleranz, und dennoch zu unterschiedlichen Messergebnissen kommen. Vielleicht verwendet das eine Gerät, das am oberen Ende des Toleranzbereichs kalibriert ist, das andere am unteren Ende.

Besonders bei Präzisionsteilen mit sehr kleinen Messwerten ist die Frage, ob kalibriertes Messen konsistentes Messen ist, ein weiteres potenzielles Problem. Es erfordert die Bestätigung, dass Anwender nicht nur mit denselben Geräten messen, sondern dass diese auch mit derselben Methode und auf dieselbe Toleranz kalibriert sind.

Drei Unterscheidungen bei Kalibrierstandards

Letztlich könnte man sagen, es gibt tatsächlich drei Kategorien von Kalibrierstandards:

• Die offensichtlichen Standards, wie NIST-rückführbar kalibrierte Lehrdorne für Gut/Schlecht-Prüfung von Längen oder Durchmessern
• Die weniger offensichtlichen, wie jene für Temperatur und andere Eigenschaften, für die es keine physischen Objekte gibt, die die Standards definieren
• Dinge, für die es schlicht keine Kalibrierstandards gibt, wie ECT

Bei Metal Cutting, wo wir täglich Tausende kleine Metallteile produzieren, sind diese Überlegungen entscheidend für die Aufrechterhaltung unserer Qualitätskontrollstandards, damit wir hochwertige Präzisionsteile liefern können, die Kundenspezifikationen erfüllen.