Ausgestattet mit magnetischen Eigenschaften oder elektrischer Leitfähigkeit, sollen Dichtungen in Zukunft ihren eigenen Verschleiß überwachen, Kräfte messen und zusätzliche Funktionen ausfüllen. Freudenberg Sealing Technologies forscht an intelligenten Werkstoffen, mit denen Dichtungen neben ihrer eigentlichen Aufgabe – der Vermeidung von Stoffübergängen – auch als Sensoren oder als Aktuatoren eingesetzt werden können.
Ulrike Reich, Head of Media Relations & Internal Communications, Freudenberg, Weinheim
Dichtungen bestehen meist aus Elastomeren, gemeinhin Gummi genannt. In Reinform kann Gummi aber keine Signale weiterverarbeiten. In vielen Fällen könnte das aber durchaus Sinn machen, da Dichtungen sich in Maschinen häufig an zentralen Stellen befinden und für deren Funktionsfähigkeit existentiell sind. Die Materialentwickler von Freudenberg Sealing Technologies forschen aus diesem Grund an Werkstoffen, mit denen sie Dichtungen als Sensor oder sogar als Aktuator einsetzen können – beispielsweise mit Hilfe einer Membran, die bestimmte Aktionen ausführt. Dazu muss man etwas nachhelfen und die ursprüngliche Aufgabe einer Dichtung nicht aus dem Auge verlieren.
Intelligenz bereits aus dem Material
Eine Lösung besteht darin, einen Sensor oder einen Mikrochip in die Dichtung einzubringen. Das ermöglicht, eine Dichtung mit Intelligenz auszustatten, stößt aber auch an Grenzen. Denn das eingebrachte Bauteil darf die Funktion der Dichtung nicht beeinträchtigen. Die Freudenberg-Entwickler richten daher ihr Augenmerk auf Ansätze, bei denen die Intelligenz bereits aus dem Material an sich kommt. Zu diesem Zweck bringen sie beispielsweise spezielle Füllstoffe in das Elastomer ein, mit deren Hilfe die Dichtung zusätzliche Eigenschaften wie Magnetismus bekommt und so sogar als Permanentmagnet wirken kann. Ein weiterer Ansatz besteht darin, elektrisch leitfähige Füllstoffe in die Elastomer-Mischung einzubringen. Wichtig ist in beiden Fällen, dass die Füllstoffe ihre magnetischen oder elektrischen Eigenschaften mit einer hohen Elastizität, einem guten Setzverhalten, einer hohen Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen sowie einer guten Medienbeständigkeit verbinden, um die eigentliche Dichtungsfunktion nicht zu beeinträchtigen.
Die Vorteile der zusätzlichen Funktionen können bei einer vollständigen Betrachtung der Wertschöpfungskette die Mehrkosten bei der Herstellung schnell aufwiegen, etwa wenn eine Dichtung ihren eigenen Verschleiß erkennt. Ein Beispiel für diese Selbstüberwachung ist eine Stangendichtung, bei deren Herstellung leitfähiges, elastomeres Grundmaterial mit einer isolierenden Außenschicht kombiniert wird. Die Außenschicht stellt in der Dichtung die Dichtlippe dar. Verbindet man die Stange und die Gehäusewand durch einen Stromkreis, kann der Strom zur Messgröße werden: Während sich die Stangendichtung hin und her bewegt, wird die Dichtlippe verschlissen. Kommt das leitfähige Grundmaterial zum Vorschein, schließt sich der Stromkreis zwischen Stange und Gehäuse, was zum Beispiel von einer LED angezeigt wird. Mit solchen relativ einfachen Lösungen können Betriebskosten optimiert werden, denn man kann eine Dichtung so über ihre komplette Lebensdauer nutzen und tauscht sie nicht zu früh aus. Andererseits vermeidet man Folgekosten durch Leckageschäden, die bei einem zu späten Ausbau entstehen.
Funktionen über die reine Selbstüberwachung hinaus
Mit intelligenten Dichtungen sind aber auch Funktionen realisierbar, die über die reine Selbstüberwachung hinausgehen. So forscht FST auch an dynamischen Dichtelementen wie Membranen, die als Bewegungs- oder Kraftsensor dienen, oder intelligenten Nutringdichtungen, die beispielsweise Absolutposition von Kolben und Zylindern in Baumaschinen anzeigen können. Möglich ist das mit sogenannten dielektrischen Elastomeren. Die Membran ist dabei wie ein Sandwich aufgebaut: Die beiden Außenschichten bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer, die Innenschicht hingegen aus einem elektrisch isolierenden Elastomer, physikalisch stellt dies den Aufbau eines Kondensators da. Wenn die Membran bewegt wird, dann verändert sich sowohl der Abstand der Kondensatorplatten als auch die Fläche, was in einer Änderung der Kapazität resultiert. Dadurch ist es möglich, die auf die Membran einwirkende Kraft zu messen.
Dieser Effekt lässt sich auch umkehren: Wenn man bei dielektrischen Elastomeren aktiv eine Spannung anlegt, dann presst diese das Elastomer zusammen. Verwendet man nun nicht nur ein „Sandwich“, sondern einen ganzen Stapel aus vielen Schichten, dann können solche Elastomeraufbauten auch eine Ventilfunktion übernehmen: Wird der Strom betätigt, dann presst sich der ganze Stapel zusammen und das Ventil öffnet sich; liegt kein Strom an, dann „entspannen“ sich die Elastomerschichten wieder, und das Ventil schließt. Ein solches Ventil könnte sich stufenlos verstellen lassen; zudem ist der Energiebedarf gering, weil der Strom nur beim Ausüben der Funktion benötigt wird. Auch wenn solche Dichtelemente noch weit entfernt von einer Serienanwendung sind, so zeigen sie doch das Potenzial dieser Technik.
Die Anwendungsbereiche für intelligente Dichtungen sind vielfältig. Ein Vorteil ist, dass sie in allen denkbaren Medien eingesetzt werden können, weil ihr Grundwerkstoff auf die entsprechenden Anwendungen abgestimmt wird. Auch intelligente Beschichtungssysteme stehen im Fokus der Forscher. So lassen sich thermochrome Beschichtungen für Temperaturmessungen exakt an den Stellen einsetzen, an denen eine Dichtung thermisch beansprucht wird, etwa im Inneren eines Motors. Das ist insbesondere an Stellen, an denen sich keine klassischen Sensoren anbringen lassen, von Vorteil. Dadurch können Materialauswahl und Auslegung der Dichtung noch besser an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Die Materialforscher von Freudenberg Sealing Technologies wollen intelligente Dichtungen jetzt in anwendungsnahen Kundenprojekten weiterentwickeln. I
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Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KGWeinheim/Bergstraße
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