Erschienen am: 30.10.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 11 2017

Temperaturfühler im individuellen Kunststoffdesign

Völlige Formfreiheit

Mit plastosens T wird ein neues Verfahren zur Herstellung von Temperaturfühlern vorgestellt. Die Sensoren werden nicht wie bisher in einem Metallrohr vergossen, sondern im Spritzgussverfahren mit Kunststoff ummantelt. Das patentierte System bietet somit viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Temperaturfühlern.


Kompaktregler spricht Klartext

Die diraTron-Serie besteht aus fünf frei konfigurierbaren Kompaktreglern in unterschiedlichen DIN-Formaten zur Regelung von Temperatur, Druck und anderen Prozessgrößen. Je nach Ausführung können die Geräte als Zweipunkt-, Dreipunkt-, Dreipunkt-Schritt oder stetiger Regler eingesetzt werden. Prozesswerte und Parameter werden durch zwei 18-Segment-LCD-Anzeigen dargestellt. Einzelne Modelle sind zusätzlich mit einer Pixelmatrix-LCD-Anzeige zur Darstellung von Texten und Prozessinformationen ausgestattet. Alle Geräte besitzen Anzeigeelemente für die Schaltstellungen der Digitalausgänge. Vier digitale Steuersignale erweitern die Flexibilität der Grundausführung. Für komplexere Anwendungen stehen vier frei konfigurierbare Mathematik und Logik Formeln sowie die Projektierung über die Programmiersprache ST Code (Strukturierter Text) zur Verfügung.

Die plastosens T Temperaturfühler sind in nahezu jeder denkbaren Form möglich.
Bild: Jumo GmbH & Co. KG

Die Idee klingt einfach: In modernen Spritzgussmaschinen kann fast jede Form in beliebig hohen Stückzahlen hergestellt werden. Warum sollte man dann nicht auch einen Temperatursensor mit Kunststoff umspritzen können? 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°C, der Schließdruck der Maschine bis zu 100t und der Druck im Gusswerkzeug beträgt bis zu 1.200bar. Die Herausforderung bestand darin, trotz dieser ungünstigen Rahmenbedingungen einen funktionierenden Produktionsprozess zu etablieren.

Kunststoff macht vieles möglich

Das Problem der Wärmeleitfähigkeit wird bei den plastosens T Temperaturfühlern durch den Einsatz von Spezialkunststoffen mit speziellen Additiven gelöst. Im Endergebnis besteht kaum ein Unterschied zu Metallfühlern. Ein weiterer Vorteil der Mischungen: 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. Das größte Plus bei Sensorik aus Kunststoff ist aber die völlige Formfreiheit. Die Produkte passen sich an die jeweilige Einbausituation an. So kann z.B. 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 hohe Isolationsfestigkeit, d.h. der Einsatz in Umgebungen mit hohen Stromstärken/-spannungen, wie z.B. bei Elektromotoren oder Transformatoren, ist jetzt möglich.

Neues Denken bei der Konstruktion

Abhängig von der Kunststoffmischung können die Temperaturfühler in einem Temperaturbereich von -50 bis zu +200°C eingesetzt werden. Der Herstellungsprozess macht jedoch ein Umdenken im Vergleich zu herkömmlichen Temperaturfühlern nötig. Die neuen Produkte werden in Zusammenarbeit mit den Kunden entwickelt. Der Prozess startet mit einer Machbarkeitsprüfung sowie 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 Simulationssoftware kann bereits sehr früh im Entwicklungsprozess das Ansprechverhalten und die Wärmeableitfähigkeit des geplanten Temperaturfühlers simuliert werden.

Erste Produkte

Ein Transformator ist ein denkbar schlechter Ort für einen Temperaturfühler aus Metall. Die Isolationsfestigkeit von maximal 2,5kV reicht zudem oft nicht aus, um den dort herrschenden Spannungsverhältnissen erfolgreich widerstehen zu können. Jumo hat deshalb einen Kunststofffühler entwickelt, der eine Isolationsfestigkeit von mindestens 5kV ausweist und bei einer Dauergebrauchstemperatur von +200°C verwendbar ist. Solche Fühler können auch in Elektromotoren oder anderen Hochspannungsumgebungen eingesetzt werden. Besonders raue Umgebungsbedingungen herrschen auch in Motoren von Fahrzeugen oder Maschinen. Das größte Problem ist hier die Vibration. Bei herkömmlichen Fühlern ist es oft aufwändig, den Temperatursensor so im Fühlerrohr zu positionieren, dass er wirklich fest sitzt. Bei plastosens T wird der Sensor komplett in Kunststoff eingebettet. Für einen Kunden wird derzeit ein vibrationsfester Einsteckfühler für das Medium Öl entwickelt. Erste Tests haben gezeigt, dass das Produkt Kräften von bis zu 20g problemlos widersteht. In Sterilisationsanwendungen sorgt die Kombination aus hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und Druck für Sensorstress. Das Problem bei herkömmlichen Fühlern ist oft die Dichtigkeit. Auch hier kann der Temperaturfühler die 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 von Vorteil.