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Thermoausgleichsleitung Verbindungstechnik bei MS Spaichingen - es muss nicht immer Kupfer sein

| Autor / Redakteur: Andreas Muckes* / Ines Stotz

Igus hat Leitungen für Sensoren mit Thermoelementen entwickelt, die statt Kupfer spezielle Werkstoffe wie Konstantan und Nickel/Chrom-Nickel-Verbindungen verwenden. Den Anstoß dazu gab die Anfrage von MS Spaichingen, der für das Verfahren des Heizkontaktnietens geeignete Thermoausgleichsleitungen suchte.

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In den Anlagen bei MS Spaichingen sind teilweise mehr als 100 Nietstempel verbaut. Jeder ist mit einem Thermoelement ausgestattet, das eine Leitung mit Spezialwerkstoffen benötigt.
In den Anlagen bei MS Spaichingen sind teilweise mehr als 100 Nietstempel verbaut. Jeder ist mit einem Thermoelement ausgestattet, das eine Leitung mit Spezialwerkstoffen benötigt.
(Igus)

MS Spaichingen ist auf verschiedenen Geschäftsfeldern für die Automobilindustrie tätig. Im der Motorentechnik entwickelt, fertigt und bearbeitet das Unternehmen Komponenten und Systeme für Motoren und Getriebe, zum Beispiel Kipphebelwerke für Lkw-Motoren und Getriebegehäuse. Der Bereich Schweißtechnik hat sich auf den Bau von kundenspezifischen Ultraschall-Schweißanlagen für die Verbindung von Kunststoffteilen spezialisiert. Diese Anlagen fügen Komponenten aus unterschiedlichen Polymeren zu komplexen Bauteilen wie Instrumententafeln, Türseitenverkleidungen oder Stoßfängern zusammen. Schließlich gibt es noch einen dritten und jüngsten Bereich, Verpackungstechnik, der die Kernkomponenten für das Ultraschall-Schweißen und Siegeln von Verpackungen entwickelt.

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Heizkontaktnieten als Ergänzung zum Ultraschall-Schweißen

Auch der Geschäftsbereich Schweißtechnik setzt den Schwerpunkt beim Ultraschall-Schweißen, dem allerdings in einigen Anwendungsbereichen Grenzen gesetzt sind. Joachim Wein, verantwortlich für die Elektronik-Entwicklung des Geschäftsfeldes Schweißtechnik bei MS Spaichingen: „Wenn beispielsweise Dämmstoffe im Kunststoffteil integriert sind oder wenn Metall und Kunststoff verbunden werden sollen, verwenden wir als Alternative das Heizkontaktnieten.“

Bei diesem Verfahren, das die Experten von MS Spaichingen selbst entwickelt haben, wird nur Temperatur ins Material eingebracht und mit hoher Prozesssicherheit eine spaltfreie Nietverbindung hergestellt. Ergebnis ist eine dauerhafte Verbindung in perfekter Oberflächenqualität, die auch bei empfindlichen Bauteilen wie Lautsprechergittern oder Türverkleidungen überzeugt.

Voraussetzung: Temperaturmessung an der Nietstelle

Zu den Voraussetzungen für die erforderliche hohe Prozessqualität gehört das prozessbegleitende Messen der Temperatur an den Nietstellen. Jeder einzelne Nietstempel, der in den Anlagen von des Spaichinger Unternehmens zum Einsatz kommt ist deshalb mit einem Thermoelement ausgestattet, das die Temperatur erfasst. Hier gab es bei den ersten Anlagen ein Problem. Joachim Wein: „Wir haben für die Energie- und Signalzuführung zu den Thermoelementen ein Kabel des Heizungsherstellers verwendet, aber nach rund 100.000 Doppelhüben – das entspricht einer Anlagenbetriebsdauer von einem Jahr – gab es Kabelbrüche an den Leitungen, die sich mit jedem Zyklus auf- und abbewegen. Das stellte das gesamte Verfahren in Frage, und wir mussten uns schnell nach einer neuen Lösung umsehen.“

Thermoelemente verlangen besondere Leitungsmaterialien

Die Suche nach einer Alternativleitung gestaltete sich nicht ganz einfach, weil hier besondere Materialien zum Einsatz kommen. Thermoelemente arbeiten nach dem Seebeck-Prinzip, das besagt, dass an zwei Leitern, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen eine Spannung entsteht, sobald sich die Verbindungsstelle der Leiter erwärmt. Wenn man diese Spannung mit einer gleichzeitig gemessenen Referenzspannung vergleicht, kann man ein Signal messen, das proportional zur vorhandenen Temperatur ist. Dies funktioniert je nach Temperaturbereich mit unterschiedlichen Legierungswerkstoffen wie zum Beispiel einer Nickel/Chrom-Nickel-Verbindung.

Die Herausforderung besteht darin, dass das Signal bis zum Messpunkt mit demselben Werkstoff übertragen wird, sodass die Leitung selbst nicht wie üblich einen Kupferleiter, sondern die gleiche Legierung wie das Thermoelement haben muss. Das heißt: Man benötigt Leitungen aus den oben genannten Materialien – und das in größerer Anzahl, weil etwa in einer Anlage zur Herstellung von Instrumententafeln mehr als 100 Thermoelemente verbaut werden.

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