Sensor Neues Herstellverfahren ermöglicht Sensorik aus Kunststoff

Jumo hat ein völlig neues Verfahren entwickelt, um Sensoren herzustellen – statt sie wie üblich in Metallrohre zu vergießen, ummantelt der Hersteller sie mit Kunststoff. Damit könnte Jumo Sensoren in nahezu jeder denkbaren Form herstellen.

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Sensoren werden üblicherweise in einem Metallrohr vergossen. Obwohl Metall als Werkstoff auch einige Vorteile bietet, ist beispielsweise die Form nicht besonders flexibel. Genau daran hat Sensorhersteller Jumo jetzt getüftelt – mit einer scheinbar einfachen Idee. In modernen Spritzgussmaschinen kann fast jede Form in beliebig hoher Stückzahl hergestellt werden – warum also nicht Temperatursensoren mit Kunststoff umspritzen?

Spezialkunststoff mit Additiven löst das Problem

Zum einen liegt die Schwierigkeit darin, dass Kunststoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat und deshalb zur Temperaturmessung nicht optimal geeignet ist. Zum anderen kommen noch die extremen Umgebungsbedingungen beim Spritzguss hinzu. Der flüssige Kunststoff erreicht Temperaturen bis zu 360° Celsius, der Schließdruck der Maschine bis zu 100 Tonnen und der Druck im Gusswerkzeug beträgt bis zu 1.200 bar. Die Herausforderung bestand darin, trotz dieser ungünstigen Rahmenbedingungen einen funktionierenden Produktionsprozess zu etablieren.

„Plastosens T“ heißt der Sensor, der beweist, dass es möglich ist. Jumo löst das Problem der Wärmeleitfähigkeit durch den Einsatz von Spezialkunststoffen mit speziellen Additiven. Laut dem Unternehmen besteht kaum ein Unterschied zu Metallfühlern. Und für jeden Kunden, so verspricht Jumo, kann ein Kunststoff entwickelt werden, der genau auf die jeweilige Applikation zugeschnitten ist. Als weitere Additive kommen bei den verwendeten Thermoplasten noch Färbe-, Licht- und Flammschutzmittel sowie Verstärkungsfasern zum Einsatz.

Formfreiheit und Leichtigkeit

Das größte Plus bei Sensorik aus Kunststoff ist die völlige Formfreiheit. Die Plastosens-Produkte passen sich an die jeweilige Einbausituation an. So kann zum Beispiel ein Temperatursensor komplett in eine Kunststoff-Rohrleitung integriert werden. Oder er ist rund, spiralförmig und hat einen Winkel.

Kunststoff bietet noch weitere Vorteile. Das sind zum einen das geringe Gewicht und die Reproduzierbarkeit. Zum anderen besitzt Kunststoff eine außergewöhnliche Isolationsfestigkeit. Das bedeutet, dass der Einsatz in Umgebungen mit sehr hohen Stromstärken und -spannungen, wie zum Beispiel Elektromotoren oder Transformatoren, jetzt leichter möglich ist.

Anfangsinvestitionen bei Temperaturfühlern steigen

Abhängig von der Kunststoffmischung können die neuen Temperaturfühler in einem Temperaturbereich von -50 °C bis 200 °C eingesetzt werden. Der Herstellungsprozess macht jedoch ein gewisses Umdenken im Vergleich zu herkömmlichen Temperaturfühlern nötig. Die erforderlichen Spritzgusswerkzeuge muss das Unternehmen individuell fertigen, wodurch die Anfangsinvestitionen steigen. „Konstruktionsbedingt ist es auch schwierig, einzelne Musterexemplare zu produzieren“, erklärt Jumo-Produktingenieur Alexander Dechant.

Deshalb setzt Jumo eine Software ein, in der unter anderem das Ansprechverhalten und die Wärmeableitfähigkeit des geplanten Fühlers simuliert werden. Der Prozess startet mit einer Machbarkeitsprüfung und einem Designvorschlag und führt über die Konstruktion und Simulation der Temperaturfühler zum Bau der Spritzguss-Werkzeuge. Nach einer Bemusterungsphase starten die Prüfungen, an deren Ende ein funktionsfähiger Prototyp und die Serienproduktion stehen. Mit Hilfe einer modernen Simulationssoftware kann sehr früh im Entwicklungsprozess das Ansprechverhalten und die Wärmeableitfähigkeit des geplanten Temperaturfühlers simuliert werden. Die gesamte Entwicklung geschieht in enger Zusammenarbeit mit den Kunden.

Erste Anwendungen: Transformator und Motoren

Ein Transformator ist ein denkbar schlechter Ort für einen Temperaturfühler aus Metall. Die Isolationsfestigkeit von maximal 2,5 kV reicht oft nicht aus, um den dort herrschenden Spannungsverhältnissen erfolgreich widerstehen zu können. Jumo hat deshalb einen Kunststoff-Fühler entwickelt, der eine Isolationsfestigkeit von 5 kV ausweist und bei einer Dauergebrauchstemperatur von 200 °C verwendbar sein soll. Solche Fühler können beispielsweise auch in Elektromotoren oder anderen Hochspannungs-Umgebungen eingesetzt werden.

Besonders raue Umgebungsbedingungen herrschen auch in Motoren von Fahrzeugen oder Maschinen. Das größte Problem ist hier die Vibration. Der Temperatursensor muss aufwändig im Fühlerrohr positioniert werden, damit er nicht verrutscht. Jumo kann den Sensor komplett in Kunststoff einbetten und damit vibrationsfest machen. Für einen Kunden wird derzeit ein vibrationsfester Einsteckfühler für das Medium Öl entwickelt. Erste Tests haben laut Jumo gezeigt, dass das Produkt Kräften von bis zu 20 g widerstehen kann.

Weitere Messgrößen in Planung

In Sterilisationsanwendungen sorgt die Kombination aus hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und Druck für Sensorstress. Das Problem bei Temperaturfühlern in einem Metallrohr ist oft die Dichtigkeit. Auch hier kann Kunststoff eine Lösung sein. Denn beim Spritzgussverfahren gehen die verwendeten Spezialkunststoffe eine unlösbare Verbindung ein. Das ist besonders bei der kritischen Stelle des Kabelaustritts aus dem Fühler ein Vorteil.

Der Produktingenieur Dechant sagt über mögliche Einsatzbereiche: „Die Produkte können in verschiedensten Branchen eingesetzt werden, erste Kunden sind auf die neuen Möglichkeiten bereits aufmerksam geworden. Wir prüfen derzeit auch, ob wir andere Messgrößen wie Druck oder Flüssigkeitsanalyse mit der neuen Technologie realisieren können.“ Zum ersten Mal präsentiert Jumo seinen neuen Temperaturfühler auf der diesjährigen SPS IPC Drives.

SPS IPC Drives: Halle 4a, Stand 435

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