Temperatursensoren aus Kunststoff

Es klang auf der Pressekonferenz im Vorfeld der SPS IPC Drives ein wenig wie die Quadratur des Kreises: Kunststoff als Gehäusematerial für Temperaturfühler. Dazu haben die Entwickler ein neues Verfahren für ihre Sensorfamilie plastoSENS T entwickelt: Die Sensoren werden nicht mehr in einem Metallrohr vergossen, sondern im Spritzgussverfahren mit Kunststoff ummantelt. Dieses patentierte Verfahren bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Temperaturfühlern. In Spritzgussmaschinen kann fast jede Form in beliebig hohen Stückzahlen hergestellt werden. „Doch der Teufel steckt im Detail“, so Produktingenieur Alexander Dechant.

Eine Schwierigkeit ist, dass Kunststoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Zum anderen sind da die extremen Produktionsbedingungen beim Spritzguss. Der flüssige Kunststoff erreicht Temperaturen bis 360 °C, der Schließdruck beträgt bis zu 100 Tonnen und es werden Drücke bis zu 1 200 bar im Gusswerkzeug erreicht.

Das Problem der Wärmeleitfähigkeit hat Jumo mit speziellen Additiven im Griff. „Im Endergebnis besteht kaum ein Unterschied zu Metallfühlern“, betont Bernhard Juchheim. Ein weiterer Vorteil: Für jeden Kunden 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. Neben der Materialmischung ist ebenso Know-how im Bereich Spritzgusstechnik nötig. „Das steuert unsere Tochtergesellschaftt PGT Prozesstechnik mit ihrer langjährigen Erfahrung in der Kunststoffbranche bei“, ergänzt Michael Juchheim.

Vorteile machen Aufwand wett

Das größte Plus der Sensoren aus Kunststoff ist die völlige Formfreiheit. So kann zum Beispiel ein Temperatursensor komplett in eine Kunststoff-Rohrleitung integriert werden. Oder er ist rund, spiralförmig und hat einen Winkel. „Den Geometrien sind fast keine Grenzen gesetzt“, so Dechant. Weitere Vorteile sind das geringe Gewicht und die Isolationsfestigkeit. Das erleichtert beispielsweise den Einsatz in Umgebungen mit hohen Strömen und -spannungen, zum Beispiel in großen Elektromotoren oder Transformatoren. Die Kunststoff-Fühler der neuen Baureihe hatben deshalb eine Isolationsfestigkeit von 5 kV bei einer Dauergebrauchstemperatur von 200 °C.

Besonders raue Umgebungsbedingungen herrschen auch in Motoren von Fahrzeugen oder Maschinen. Das größte Problem ist hier die Vibration. Komplett vergossen, kann einfach nichts Wackeln und sich lösen. Für einen Kunden wird derzeit ein vibrationsfester und ölbeständiger Einsteckfühler entwickelt. Erste Tests haben gezeigt, dass der Sensor 20 g problemlos aushält. Abhängig von der Kunststoffmischung können die plastoSENS-Temperaturfühler in einem Temperaturbereich von -50 bis zu 200 °C eingesetzt werden.

„Der Herstellungsprozess macht jedoch ein gewisses Umdenken im Vergleich zu herkömmlichen Temperaturfühlern nötig“, merkt Dechant an. Die Sensoren werden zusammen mit den Kunden entwickelt. 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.

Und wenn man das Sensorelement sowieso schon umspritzt, warum dann nicht das komplette Kunststoffgehäuse samt Sensor für den Kunden fertigen, beispielsweise eines Föns oder Wasserkochers? Hier entstehen für Jumo in Zukunft vielleicht komplett neue Märkte und Geschäftsmodelle.

SPS IPC Drives 2017 Halle 7A, Stand 248

(sk)