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Wägezellen

Wägezellen, eine Sonderform der Kraftaufnehmer bzw. Kraftsensoren, werden zum Aufbau von Wägevorrichtungen benötigt. In der Regel verfügen sie über eine digitale Signalverarbeitung und Auswerteelektronik.

Wozu dienen Wägezellen?
Die Aufgabe von Wägezellen ist es, Gewichte zu messen. Hierzu zählen Wägeprozesse, die mit stationären Waagen ausgeführt werden, aber auch in vielen Produktionsprozessen und -maschinen müssen Gewichte von Produktbestandteilen kontrolliert werden. Im Rahmen der Qualitätssicherung spielen Wägezellen ebenfalls eine wichtige Rolle. Beispielsweise kann eine Vollständigkeitskontrolle durch eine Gewichtsprüfung erfolgen. Wägezellen findet man deswegen nicht nur in Waagen, sondern auch in Produktions-, Verarbeitungs- und Abfüllmaschinen für unterschiedlichste Güter. Hier sind es häufig Lebensmittel, pharmazeutische Produkte oder Gewichtsmessungen in Prozessschritten in der Chemie. Ebenso in der Logistik findet man Wägezellen in vielen Anwendungen.

Viele Wägeaufgaben finden parallel zu Hochgeschwindigkeitsprozessen statt, weshalb als eines der wichtigsten Qualitätskriterien einer Wägezelle gilt, in welcher Zeit sie in der Lage ist, ein Gewicht zu messen – je kürzer diese, desto besser. Man spricht hier von dynamischen Wägeprozessen oder dynamischen Waagen.

Das heißt, das zu wägende Objekt ist in Bewegung und passiert die Wägezelle mit einer gewissen Geschwindigkeit. Je schneller die Wägezelle das Gewicht korrekt ermitteln kann, desto größer kann die Transportgeschwindigkeit sein. Größere Transportgeschwindigkeiten bedeuten schnellere Produktions- bzw. Verarbeitungsprozesse. Die hier zum Einsatz kommenden Waagen zählen aufgrund sich in Bewegung befindlichen zu wiegenden Objekte zu den dynamischen Waagen. Diese Waagen werden je nach ihrer Aufgabe Kontroll- oder Durchlaufwaagen genannt.

Natürlich muss auch in Hochgeschwindigkeitsprozessen die Genauigkeit der Wägung gewährleistet sein. Wägezellen für dynamische Anwendungen, die hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen müssen, sind deshalb zumeist nach dem Prinzip der elektrodynamischen Kraftkompensation (EDK) aufgebaut. EDK-Wägezellen erlauben bei vergleichbaren Genauigkeiten sehr viel kürzere Messzeiten als Wägezellen, die mit Dehnungsmessstreifen (DMS) arbeiten.

Wie funktionieren Wägezellen?

Wägezellen gibt es in unterschiedlichen Bauprinzipien. Ausschlaggebend ist zumeist der Einsatzort, die Art des Einsatzes bzw. der Anwendungsfall. Statische Waagen, bei denen sich das zu wiegende Objekt annähernd in Ruhe befindet, verfügen zumeist über eine Wägezelle mit eingebautem Federkörper. Mechanische Krafteinwirkung bewirkt dessen Verformung. Auf dem Federkörper angebrachte Dehnungsmessstreifen erfassen die Größe der Verformung. Diese wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Biegestabwägezellen enthalten einen Doppelbiegebalken, Scherstab-Wägezellen nimmt man, wenn höhere Lasten im Spiel sind.

Das DMS-Bauprinzip mit einem Federkörper hat konstruktive Nachteile, wenn es um dynamische Messungen geht, also die Gewichtsmessung in sehr kurzer Zeit erfolgen muss. Das ist häufig bei Kontroll- oder Durchlaufwaagen der Fall. Hier wird das Wägegut in hoher Geschwindigkeit über die Waage geführt. Viele Wägezellen für schnelle und hochpräzise Anwendungen funktionieren deshalb nach einem anderen Prinzip. Dieses Prinzip wird elektrodynamische Kraftkompensation (EDK) genannt.

Ausgangspunkt bei der elektrodynamischen Kraftkompensation ist eine mechanische Balkenwaage. Die Hebelwirkung bedeutet eine nahezu verzugslose Reaktion der EDK-Wägezelle auf eine Belastung durch ein Gewicht. Die Last wirkt dabei auf die eine Seite des Hebelarms einer Balkenwaage. Die gegenüberliegende Seite wird durch eine Tauchspule fixiert. Schon nach minimaler Auslenkung des Hebelarms und damit nach kürzester Zeit ermittelt eine Wägezelle das Gewicht aus dem für die Kompensation des Hebelarms notwendigen Strom. Dieser ist proportional zur Last. Der Strom wird in ein digitales Signal umgewandelt, eine digitale Auswerteelektronik übernimmt danach die Weiterverarbeitung. Mit Abtastraten bis zu 1000 Messwerten je Sekunde empfehlen sich EDK-Wägezellen besonders für schnelle dynamische Prozesse bzw. industrielle Anwendungen.

Die hohen Abtastraten von EDK-Wägezellen in Verbindung mit ihrer digitalen Auswerteelektronik ermöglicht die wirkungsvolle und effektive Kompensation von Erschütterungen und Vibrationen, durch Transportvorgänge von zu wiegenden Objekten oder durch Maschinen in der unmittelbaren Umgebung verursacht werden.

Speziell dynamische Waagen finden man häufig in Umgebungen, in denen Erschütterungen und Vibrationen auftreten. Erschütterungskompensierende AVC (Active Vibration Compensation) Technologie, realisiert als eigenständiger Sensor oder direkt eingebaut in die Wägezelle, minimiert die störenden Einflüsse. AVC kann Vibrationen oder Erschütterungen in der Umgebung wirkungsvoll herausfiltern.

Software-Analysetools ermöglichen die graphische Echtzeitanalyse des Wägevorgangs von Wägezellen. Der Signalverlauf der Wägezelle wird in einem XY-Diagramm dargestellt. Das Wägesignal lässt sich hinsichtlich Zeit- und Amplitude auswerten und speichern.

 

Das Wägeprinzip in bewegten Bildern

 

Welche Typen von Wägezellen gibt es?

Grundsätzlich haben sich beim Wiegen mit hoher Präzision zwei Funktionsprinzipien durchgesetzt. Im Low-End-Bereich kommen Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Einsatz. Sie besitzen einen Verformungs- bzw. Federkörper aus Metall, auf dem Dehnungsmessstreifen aufgebracht sind. Das bewährte Prinzip der DMS-Wägezellen eignet sich für Waagen mit Messbereichen bis zu 500 Tonnen. DMS-Wägezellen unterscheiden sich weiterhin nach der Art des Verformungskörpers. Bei Biegestabwägezellen verfügen sie über einen Doppelbiegebalken, bei höheren Lasten enthält die Wägezelle einen Scherstab-Federkörper. Druckkraft- (Drucklast-) Wägezellen besitzen säulenartige Federkörper.

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Plattformwägezellen sind unterhalb von Plattformen angebracht, die mit einem Gewicht belastet werden. Sollen Zugkräfte gemessen werden, beispielsweise ein hängendes Gewicht, werden S-förmige Federkörper eingesetzt. Man spricht dann von Zuglast-Wägezellen. Bei Einsätzen mit geringen Lasten muss bei allen DMS-Wägezellen mit Temperatur- und Feuchteabhängigkeiten gerechnet werden.

Im High-End Bereich werden zumeist EDK-Wägezellen eingesetzt, die nach dem Prinzip der elektrodynamischen Kraftkompensation (EDK) arbeiten. In der Fachwelt wird synonym auch von elektrodynamischer Kraftkompensation (EMK) gesprochen. Mit Abtastraten bis zu 1000 Messwerten je Sekunde sind EDK-Wägezellen die schnellsten Wägezellen für den industriellen Einsatz. Bei diesem Wägezellentyp kommt es entscheidend auf die Präzision der Einzelkomponenten an, aus denen sich die Wägezelle zusammensetzt. Die besten Ergebnisse liefern Systeme, die auf einem monolithischen Aufbau (bei Wipotec besteht der Monoblock vollständig aus präzisionsgefrästem Aluminium) basieren. Ihr Aufbau orientiert sich an einer Hebelwaagenmechanik und besteht aus einem Lageindikator, einem Regler und einem elektromagnetischen Antrieb. Das Gewicht bewirkt eine Bewegung des Wegebalkens aus einer Spule. Dieses verhindert ein Spulenstrom, dessen Stärke sich proportional zur Gewichtskraft verhält. Die Weiterverarbeitung erfolgt auf digitalem Wege. Je nach Anwendung können über 40 verschiedene Arten von Monoblöcken in EDK-Wägezellen zum Einsatz kommen. So kann das Wägesystem optimal auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden.

Wägezellen lassen sich auch nach der Art der Signalverarbeitung unterscheiden. Analoge Wägezellen arbeiten mit Messverstärkern, bei digitalen Wägezellen findet eine digitale Signalverarbeitung und die Kommunikation mit weiteren Systemen auf digitalem Wege statt. EDK-Wägezellen sind immer auch digitale Wägezellen. Mit CAN-Feldbus-Interfaces (CFI) lassen sich EDK-Wägezellen an die gängigsten Industrie-Feldbussysteme anschließen. Datensicherung bzw. Datenwiederherstellung geschieht über HTTP Up- und Download. Wäge-Kits sind eine Sonderform von EDK-Wägezellen, die um Transport- und Wägebänder und die entsprechenden Antriebssysteme ergänzt werden. Es gibt sie als Ein- oder Mehrspur-Systemlösungen. Wäge-Kits erlauben dank vorkonfigurierter und optimal zusammengestellter Einzelkomponenten den schnellen Aufbau von kundenspezifischen Wägeeinrichtungen. So lässt sich Wägetechnologie für Zwecke der Herstellung und Qualitätskontrolle in neu aufzubauende oder bereits vorhandene Produktions-, Abfüll- oder Verpackungslinien integrieren. Wäge-Kits enthalten dazu eine oder mehrere EDK-Wägezellen, Ein- und Auslaufband mit den passenden Transportsystemen und die Anschlusselektronik. Für Produkte mit kleinen Dimensionen kann das Transportband mit einer Messerkante ausgestattet werden. Wäge-Kits sind mit einer aktiven Erschütterungskompensation (AVC) erhältlich, um auch in Umgebungen mit starken Vibrationen höchstgenaue Ergebnisse zu liefern. Für den Einsatz im Pharmabereich, in der Lebensmittelproduktion oder in der chemischen Industrie sind die Wäge-Kits nach verschiedenen Schutzklassen spezifiziert. Der entscheidende Vorteil von Wäge-Kits liegt in der Realisierung von kundenspezifischen Lösungen, die dennoch auf Standards basieren.

 

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Was sind die wichtigsten Eigenschaften von Wägezellen?

Universell für alle Wägezellen ist die Definition ihres Messbereichs, innerhalb dessen die Wägezelle eingesetzt werden kann. Er erstreckt sich von wenigen Gramm bis hin in den Bereich einiger tausend Kilogramm. Ist der Vorlastbereich einer Wägezelle hoch ausgelegt, können große Transportbänder oder Abfüllschalen eingesetzt werden, ohne den Gewichtsbereich einzuschränken.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Wägezellen zählt ihre Genauigkeit. Speziell in der Produktion eingesetzte Wägezellen erfordern eine hohe Präzision bei der Erfassung von Produktgewichten. In sehr vielen Fertigungslinien kommt es auf eine präzise Erfassung von Gewichtsmesswerten an. Hier sind es beispielsweise Abfüllmaschinen, in denen Wägezellen Abfüllprozesse steuern. In Verpackungsmaschinen übernehmen hochgenaue Wägezellen Aufgaben in der Qualitätssicherung. In schnell laufenden industriellen Prozessen kommt hinzu, dass die Messungen in sehr kurzer Zeit erfolgen müssen. Die hier eingesetzten Wägezellen müssen dabei auch über eine hohe Langzeitstabilität verfügen, weil viele Linien hohe Laufzeiten aufweisen oder rund um die Uhr laufen.

Eine weitere wichtige Eigenschaft ist damit die Geschwindigkeit, mit der der Wägeprozess erfolgt. „Schnelle“ Wägezellen können ihre Ergebnisse in Sekundenbruchteilen liefern. Schnelllaufende Produktionsprozesse erfordern Wägeprozesse, die in kürzester Zeit abgeschlossen sind. Das Gleiche gilt für Transportprozesse, in denen gewogen werden muss. Hier erlauben schnellere Wägungen kürzere Produktabstände und damit höhere Durchsätze. Je kürzer der Wägeprozess, desto höher die Anzahl der pro Zeiteinheit gewogenen Artikel. EDK-Wägezellen mit digitaler Auswerteelektronik besitzen dazu Abtastraten von bis zu 1000 Hz.

Weiterhin müssen Wägezellen unempfindlich gegenüber Störungen von außen sein. Das gilt besonders dann, wenn sie in Produktionsumgebungen eingesetzt werden oder Teil einer Maschine mit bewegten Massen sind. In der Produktion können laufende Maschinen, Transporteinrichtungen oder Fahrzeuge Erschütterungen verursachen, die einen direkten Einfluss auf das Wägeergebnis haben. Wägezellen müssen diese Störeinflüsse kompensieren können. Hierzu erfassen Sensoren in der Nähe der Wägeeinrichtung die Störgrößen und kompensieren deren Einflüsse im Messergebnis.

Eine Technologie, die diese Erschütterungskompensation leisten kann, ist die Active Vibration Compensation Technologie, die direkt in Wägezellen eingebaut werden kann. Ziel der Vibrationskompensationstechologie ist es, auch unter dem Einfluss von Vibrationen präziseste Wägeergebnisse zu gewährleisten, ohne den Wägeprozess selbst zu verlangsamen.

Um höhere Durchsätze zu erreichen, können Wägezellen als modulare Mehrspurysteme ausgelegt sein. Damit lassen sich mehrspurige Wiegesysteme aufbauen, die ein Vielfaches an Durchsätzen im Vergleich zu Einspursystemen leisten. Eine schlanke Bauform der Wägezellen ermöglicht kompakte Anlagen mit vielen parallelen Spuren. Diese Mehrspursysteme können als modulares Baukastensystem aufgebaut werden und auch mit aktiver Erschütterungskompensation ausgestattet sein. Modulare Mehrspursysteme kommen immer dort zum Einsatz, wo hohe Produktionsstückzahlen erreicht werden müssen.

Hygienegerechte Einhausungen von Wägezellen erlauben den Einsatz in lebensmittelproduzierenden Bereichen oder unter Reinraumbedingungen, explosionsgeschützte Ausführungen den Einsatz in entsprechend gefährdeten Umgebungen. Entsprechende Ausführungen in Edelstahl oder Aluminium berücksichtigen die Anforderungen an schnelle und unkomplizierte Reinigung (Wash Down).

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Werden Produkte nach Gewicht verkauft, müssen sie auf eichfähigen Waagen oder Wägeeinrichtungen gewogen werden. Die Anlagen werden von den zuständigen Behörden zertifiziert. Wägeeinrichtungen müssen daher grundsätzlich zertifizierbar sein.

Vorteile des Bauprinzips von EDK-Wägezellen

Zentraler Bestandteil von EDK-Wägezellen ist ein aus Aluminium gefräster Monoblock. Mit seiner Hilfe wird nicht etwa ein Federkörper unter Last verformt, sondern kleinste Auslenkungen einer mechanischen Balkenwaage gemessen. Die Umsetzung und Unterstützung des klassischen Messprinzips einer Balkenwaage mittels elektronischer Komponenten garantiert höchste Auflösungen und eine gute Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig kürzesten Messzeiten. Die elektrodynamische Kraftkompensation benötigt nur minimale Auslenkungen des Wägebalkens, was eine extrem kurze Einschwingzeit nach sich zieht. Gewichtsmessungen können so in kürzester Zeit erfolgen. Dabei können EDK-Wägezellen sehr kleine Gewichtskräfte präzise messen. Daher findet man diesen Wägezellentyp häuifig in Präzisions- und Feinwaagen, sowie in Analyse- und Mikrowaagen. EDK-Wägezellen können sehr kompakt gebaut werden. Dadurch eignen sie sich besonders für den Einbau in Mehrspuranwendungen. Auch dort, wo kleine Baugrößen bzw. kleine Spurmittenabstände erforderlich sind, kommen häufig EDK-Wägezellen zum Einsatz. Mehrspuranwendungen unter Einsatz von kompakten EDK-Wägezellen mit 16 oder mehr parallelen Spuren erlauben auf kleinstem Raum hohe Durchsatzraten. Sie werden als anschlussfertige Einbaukomponente konzipiert und liefern ihre Gewichtswerte über standardisierte Schnittstellen. Die Funktionstüchtigkeit von EDK-Wägezellen werden über integrierte Prüfgewichte sichergestellt, die jederzeit einen Self Check (interne Gewichtsauflage) der Wägezelle erlauben. EDK-Wägezellen lassen sich einfach ein vorgesehenes Maschinenkonzept einpassen. Steckerabgänge sind in verschiedene Richtungen möglich. Auch die wählbare Anschraubung der Montageplatte oben oder unten an der Wägezelle erweitert die Anzahl möglicher Einbauvarianten. Die Lasteinleitung bei Wägezellen erfolgt üblicherweise von oben; EDK-Wägezellen erlauben die Lasteinleitung von vorne bzw. den Einsatz der Wägezelle im Überkopfbetrieb. Ein Inbetriebnahmekit, bestehend aus Hard- und Software, unterstützt und vereinfacht Inbetriebnahme, Kontrolle und Schnittstellenkonvertierung von Wägezellen im aus- und eingebauten Zustand. Die Software ermöglicht daneben die komfortable Überwachung der Kommunikation über die serielle Schnittstelle zu den Terminals. Das kompakte Bauprinzip von EDK-Wägezellen erleichtert die Ausführung in den Schutzarten IP65 und IP69K. Letzere bedeutet, dass sie Wash Down-Spezifikationen erfüllen. Damit ist ein Einsatz in hygienerelevanten Umgebungen möglich, wie sie besonders in der Lebensmittelproduktion gegeben sind. Andere Ausführungen von EDK-Wägezellen sind für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen vorgesehen. Diese Umgebungsbedingungen findet man häufig in den Abfüllbereichen von Aerosolen.

Mit Abtastraten von 1000 Messwerten je Sekunde zählen EDK-Wägezellen zu den schnellsten Wägezellen für den industriellen Einsatz. Die sehr kurzen Messzeiten von EDK-Wägezellen erlauben damit den Einsatz in vielen Hochgeschwindigkeitsprozessen. Auf diese trifft man häufig in der Lebensmittelherstellung bzw. in der Arzneimittelproduktion. Auch dort, wo Erschütterungen dynamische Gewichtsmessungen erschweren, übernehmen überwiegend EDK-Wägezellen Wägefunktioneb. Die meisten Kontroll- und Durchlaufwaagen im Hochleistungsbereich sind deshalb mit EDK-Wägezellen ausgerüstet. Ihre kürzeren Messzeiten minimieren den Einfluss von unerwünschten Schwingungen.

Speziell im Logistikbereich und in vielen Fertigungsprozessen treten Schwingungen durch den Betrieb von Anlagen auf. Diese müssen parallel zu den Gewichtsmessungen kompensiert werden, um Fehlmessungen zu verhindern. Als Ergebnis liefern EDK-Wägezellen ohne Zeit- und Qualitätsverluste auch bei starken Vibrationen und Schwingungen exakte Messwerte. Ermöglicht wird dies durch eine proprietäre Active Vibration Compensation (AVC). AVC-gestützte Wägezellen filtern Störeinflüsse am Installationsort aus. Diese Wägezellen können konstruktiv für das Maschinenchassis ausgelegt werden, ein gesondertes Gestell für die Wägezelle ist nicht mehr notwendig. Spezielle Umgebungsparameter wie geografische Erschütterungen werden kompensiert, ebenso das Vorbeifahren von Fahrzeugen an der Linie.

Die digitale Wägeelektronik in EDK-Wägezellen erlaubt den Aufbau von eichfähigen und manipulationssicheren Waagen. Die Eichpflicht von selbsttätigen und nichtselbsttätigen Waagen ergibt sich aus dem Mess- und Eichgesetzes (MessEG) und der Mess- und Eichverordnung (MessEV). Anforderungen an Waagen zur Herstellung bzw. Kontrolle von Fertigpackungen regelt die Fertigpackungsverordnung (FertigPackV). Nach dieser Verordnung sind bei Fertigpackungen gleicher Nennfüllmenge betriebliche Füllmengenkontrollen mit eichrechtskonformen Waagen vorgeschrieben.

Die Bedeutung von Wägezellen in der Industrie

Wägezellen findet man in einer großen Anzahl unterschiedlichster Maschinen und Anlagen, wie beispielsweise Kontrollwaagen, Preisauszeichner, Lift-up-Systeme, Abfüll- und Verpackungsmaschinen, Paket- und Briefsortieranlagen und Durchlaufwaagen. Wägeprozesse und entsprechende Wägezellen finden sich in Produktionsmaschinen für Kaffee- und Teekapseln, pharmazeutischen Industrieanlagen und in der chemischen Industrie.

Zu den Industriebereichen, in denen Wägetechnik und damit Wägezellen besonders häufig eingesetzt werden, zählen die Lebensmittelindustrie, Pharma und Kosmetik, Chemie, Bau- und Mineralstoffe, Mail und Logistik, der Maschinenbau und Non Food/Aerosol. Die meisten Herstellungsprozesse in diesen Industrien sind ohne Wägetechnik gar nicht durchführbar. In der Logistik dienen die erfassten Gewichtswerte unter anderem der Prozess- und Kostenoptimierung.

Je nach Einsatzart steuert das durch die Wägezelle ermittelte Wägeergebnis Sortierungs- oder Abfüll- und Mischprozesse. Das Ergebnis von Gewichtsprüfungen kann auch Basis für Vollständigkeitsüberprüfungen sein. Über die Prüfung des Gesamtgewichts lassen sich Rückschlüsse auf die Vollständigkeit des Inhalts bereits verpackter Produkte schließen. Mit den Einsätzen in Kontrollwaagen zählen EDK-Wägezellen damit zu den wichtigsten Sensoren für die Qualitätssicherung in der Produktion einer großen Breite von Artikeln bzw. Produkten.

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Über Wipotec

Wipotec ist heute ein Global Player auf dem Markt industrieller Wäge- und Inspektionslösungen. Der Monoblock – die wichtigste Komponente einer EDK-Wägezelle – bildet seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 1988 das Herzstück dynamischer Wägetechnik von Wipotec. Mit kürzesten Einschwingzeiten und höchster Genauigkeit liefert er das Fundament ultraschneller Präzisionswägezellen und zählt zu den Kernkompetenzen des Unternehmens. Wipotec Weighing Technology gilt als der Weltmarktführer in der Produktion und Integration von EDK-Wägezellen und -Kits.

Mit einer Fertigungstiefe von über 90% stammen über 9000 verschiedene Bauteile aus eigener Inhouse-Fertigung in Deutschland – darunter allein 40 unterschiedliche Arten von Monoblöcken. Innovative Produkt- und Integrationslösungen in Form von ultraschnellen EDK-Präzisionswägezellen und dynamischer Wäge-und Inspektionstechnik, entwickelt, designt und produziert in der zentralen Fertigungsstätte in Kaiserslautern, werden heute von namhaften Unternehmen in aller Welt in den wichtigsten produzierenden Bereichen eingesetzt. Hierzu zählen alle weltweit führenden Maschinenbauer in den Pharma-, Food-, Chemie-, Logistik- und Technologiebranchen.

Made in Germany, produziert im Stammwerk in Kaiserslautern. Hinter dem Erfolg der Wipotec Gruppe stehen über 1000 Mitarbeiter und zwei globale Vertriebs- und Servicefirmen mit über 100 Niederlassungen und Vertriebspartnern. Mit einem breiten Portfolio an dynamischer Wäge- und Inspektionstechnik, EDK-Wägezellen und -Kits, Kontrollwaagen, X-ray Maschinen, Track & Trace Produkten und innovativen Systemen für die Mail & Logistikbranche bedient Wipotec weltweit Maschinenbauunternehmen als Integratoren von Sensor- und Wägetechnik für Hochgeschwindigkeitsanwendungen sowie Endkunden in neun Zielbranchen.

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