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Der Aufbau eines Hochtemperatur-HF-RFID-Transponders für 250 °C (von oben): Abdeckung, Inlay mit integrierter Antenne (grün) und Chip (rot), Chipgehäuse (grün+gelb) Bild: Contrinex
RFID

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Wenn es heiß hergeht

Text: Norbert Matthes, Contrinex
Die Vorteile einer automatisierten Massenproduktion bei gleichzeitigem Anpassen an kundenspezifische Wünsche sind Kennzeichen der sogenannten Mass Customization. Um dabei in der Vielzahl der notwendigen Fertigungschritte die Übersicht nicht zu verlieren, unterstützen RFID-Systeme die Identifizierungen von Objekten. Für hohe Umgebungstemperaturen gibt es spezielle Hochfrequenz-Transponder.

In zahlreichen Bereichen der Automation und Logistik dient das Sender/Empfänger-System RFID zur automatischen und berührungslosen Identifikation von Werkstücken oder Produkten. Am zu identifizierenden Objekt werden hierfür permanent elektronische Tags (Transponder) befestigt. Deren Speicher enthält eine eindeutige, vordefinierte Nummer sowie einen Bereich, in welchem sich ergänzende Daten mit Hilfe ­eines Schreib-/Lesekopfs speichern lassen. Damit ist es möglich, den Werdegang eines Objekts zu verfolgen oder alle Informationen einzugeben, die für dessen Bearbeitung notwendig sind.

Die Vorteile des RFID-Systems gegenüber dem klassischen Barcode-Verfahren oder Lasermarkierung beruhen darauf, dass auch ohne direkte Sichtverbindung zum Schreib-/Lesekopf Informationen des Datenträgers gelesen und geschrieben werden können und dass sich diese Informationen erweitern, verändern oder löschen lassen. Die Daten befinden sich am Objekt selbst, nämlich im RFID-Transponder. Eine drahtlose Übertragung per Funk sorgt dafür, dass diese Technik sogar bei starker Verschmutzung des Objekts oder des Tags funktioniert.

Der Sensorhersteller Contrinex aus der Schweiz unterstützt mit seinen RFID-Systemen Tracking&Tracing-Prozesse. Speziell für den Einsatz in Hochtemperatur-Bereichen bis 250 °C sind beständige Transponder entwickelt worden, die sich zum Einsatz in Hochfrequenzsystemen eignen. Generell bietet Contrinex die folgenden zwei Systeme an:

  • Niederfrequenz-RFID: Das robuste 31,25 kHz-Niederfrequenzsystem beinhaltet sowohl Transponder als auch Reader in einteiligen Ganzmetallgehäusen aus Edelstahl. Die hermetisch gekapselten Transponder in Schutzart IP68/IP69K sind vollbündig in Metall einbaubar. Ein möglicher Anwendungsbereich ist der Plagiatschutz von Maschinenkomponenten und -ersatzteilen. Die Ganzmetallkomponenten widerstehen mechanischen Beschädigungen genauso wie Reinigungsmitteln, Chemikalien oder Wasser und arbeiten selbst bei Temperaturen bis 180 °C dauerhaft zuverlässig.

  • Hochfrequenz-RFID: Das Hochfrequenzsystem arbeitet bei 13,56 MHz. 253 Schreib-/Leseköpfe können direkt an eine nach ISO/IEC-15693-Vorgaben genormte RS485-Feldbusleitung angeschlossen werden. Daher lassen sich die Komponenten von Contrinex auch mit Standard-Transpondern anderer Hersteller kombinieren. Für Hochfrequenzsysteme hat der Sensorspezialist eine Vielzahl an Transpondern unterschiedlicher Größe und Ausführung, die wahlweise bündig oder nichtbündig einbaubar sind.

Viele Varianten, raue Umgebungen

Typische Einsatzgebiete für RFID-Systeme sind industrielle Prozesse, bei denen Produkte in einer großen Variantenvielfalt gefertigt und auf derselben Fertigungsstraße befördert werden. Dazu gehören zum Beispiel Verpackungsmaschinen in der Lebensmittelindustrie oder Autolackierstraßen in der Kfz-Produktion. Die bei solchen Fertigungsschritten oft auftretenden hohen Umgebungstemperaturen stellen an RFID-Systeme eine besondere Herausforderung. Das gilt sowohl für die Gehäuse der einzelnen Bestandteile als auch insbesondere für die Datenspeicher.

In Autolackierstraßen kommt die Karosserie während der verschiedenen Spül-, Lackier- und Brennvorgängen nicht nur mit Wasser und verschiedenen chemischen Substanzen in Kontakt. Sie wird auch einer Elektrophorese mit einer angelegten Spannung von bis zu 400 V ausgesetzt. Temperaturen in den Spülbädern und den Öfen bis 250 °C sowie schnelle Temperaturwechsel müssen die Tags ebenfalls unbeschadet überstehen.

Widerstandsfähig im Hochfrequenzbereich

Um hohen Temperaturen standzuhalten, sind entsprechende Werkstoffe und Ausführungen notwendig, die den sensiblen Datenträger des RFID-Systems dauerhaft schützen. Für das Transponder-Inlay wählte Contrinex daher die Materialien Nelco N7000-1, Polyamide Laminat und Prepreg (vorimprägnierte Fasern) sowie ein Gehäuse aus Vectra C115 LCP mit 15-prozentiger Glasfaserverstärkung. Im Inlay sitzt der nur wenige Millimeter kleine Chip, der mit einer metallversiegelten, stickstoffhaltigen Keramikhülle geschützt ist. Verbunden ist er mit der aufgedruckten Spulenantenne. Passend zum Hochfrequenzbereich von 13,56 MHz muss diese eine entsprechende Länge aufweisen, so dass das RFID-Tag üblicherweise in den Durchmessern 20, 30 und 50 mm gefertigt wird.

Für den Hochtemperatureinsatz gibt es zwei verschiedene ISO-kompatible Hochfrequenz-RFID-Datenträgertypen, die beide über die Schutzart IP68/IP69K verfügen und unmittelbar nach dem Verlassen der Hochtemperaturzone gelesen oder beschrieben werden können. Ein Abkühlen der Tags ist dazu nicht erforderlich. Konkret sind das:

  • der wahlweise bündig oder nicht bündig in Metall einbaubare RTP-0263-020 mit einem Durchmesser von 26 mm und einer getesteten Temperaturbeständigkeit bis 180 °C. Dank einer technischen Raffinesse überwindet dieser die üblichen Schwierigkeiten von Hochfrequenz-Datenträgern in Metallumgebungen;

  • der nicht bündig einbaubare RTP-0502-022 mit 50 mm Durchmesser und einer sehr hohen Temperaturbeständigkeit bis 250 °C. Dieser Tag hält sowohl dauerhaft hohen als auch wechselnden Temperaturen stand. Das bestätigen Tests, in denen der Tag einer konstanten Temperatur von 250 °C mehr als 2000 Stunden widerstand. Auch nachdem er  2000 Mal zunächst jeweils 30 Minuten lang 25 °C und dann 30 Minuten lang 250 °C ausgesetzt wurde, funktionierte der Datenträger einwandfrei.

Da widrige Umgebungsbedingungen häufig mit großen Temperaturschwankungen verbunden sind, bietet Contrinex zusätzlich zu den Tags Ganzmetall-Schreib-/Leseköpfe an, die für einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +125 °C ausgelegt sind.

Robust und temperaturbeständig

Die hohe Industrietauglichkeit der RFID-Systeme beruht auf ihrer automatischen und berührungslosen Funktionsweise. Sie arbeiten verschleißfrei, ermöglichen Rückverfolgbarkeit und Qualitätssicherung auch in schwierigen Umgebungen. Jedes Objekt ist zu jedem Zeitpunkt der Fabrikation eindeutig identifizierbar und eine Verwechslung ausgeschlossen. Das ermöglicht hoch automatisierte Prozesse bei gleichzeitig individuell gestalteter Produktion mit zunehmend kleinen Losgrößen und einer zentralen Datenspeicherung.

Mit dem von Contrinex entwickelten Hochfrequenzsystem laufen Fabrikationsprozesse auch unter hohen Arbeitstemperaturen wie etwa in Autolackierstraßen oder metallurgischen Pulver-Sinter-Verfahren sicher und flexibel ab.

Stärke von Niederfrequenz-Systemen

Die unterschiedlichen Frequenzen der angebotenen Systeme sind für unterschiedliche Einsatzzwecke vorgesehen. Allgemein lässt sich festhalten, dass eine geringere Frequenz eine geringere Reichweite bei Lesevorgängen und eine niedrige Datenlesegeschwindigkeit bedeutet. Niederfrequenz-Systeme zeichnen sich allerdings durch eine höhere Leistung bei der Datenkommunikation in der Nähe von oder auf metallischen Materialien aus, die Funkwellen stören oder absorbieren. Der physikalische Zusammenhang dahinter: Das beschriebene Phänomen tritt vor allem bei höheren Frequenzen (UHF/SHUF) im Weitfeld auf. Das elektrische Feld nimmt lediglich mit dem Quadrat der Entfernung ab. Das Nahfeld ist als Magnetfeld weitgehend unabhängig gegenüber Reflektionen, nimmt jedoch mit der dritten Potenz der Entfernung ab und senkt damit die erzielten Reichweiten.

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