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01 Die Anlagen für das Heizkontaktnieten enthalten teilweise über 100 Nietstempel mit einem Thermoelement. Diese benötigen Leitungen aus Spezialwerkstoffen

Es muss nicht immer Kupfer sein

02 Joachim Wein (Mitte), verantwortlich für die Elektronik-Entwicklung des Geschäftsfelds Schweißtechnik bei der MS Spaichingen GmbH, im Gespräch mit Oliver Seibold, Technischer Verkaufsberater von Igus (links) und Andreas Muckes, Produktmanager Chainflex der Igus GmbH (rechts)

03 Die CF Thermo-Leitungen nutzen Legierungen wie Konstantan oder Nickel/Chrom-Nickel-Verbindungen für die Erfassung der Temperatur an den Heizelementen

Die Firma MS Spaichingen suchte für das innovative Verfahren des Heizkontaktnietens geeignete Thermoausgleichsleitungen. Deren Leiter dürfen nicht wie üblich aus Kupfer, sondern müssen aus der gleichen Legierung wie das Thermoelement sein. Dank der umfassenden Erfahrung in der Entwicklung von Leitungen für besondere Anforderungen ist es Igus gelungen, entsprechende Leitungen aus speziellen Werkstoffen wie Konstantan und Nickel/Chrom-Nickel-Verbindungen zu entwickeln, die gleichzeitig beweglich und robust sind.

Der Geschäftsbereich Motorentechnik der MS Spaichingen GmbH entwickelt, fertigt und bearbeitet Komponenten sowie 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 (Bild 1) für die Verbindung von Kunststoffteilen spezialisiert. Diese Anlagen fügen Komponenten aus unterschiedlichen Polymeren zu komplexen Bauteilen, wie Instrumententafeln, Türseitenverkleidungen oder Stoßfängern, zusammen. Der jüngste Bereich, Verpackungstechnik, entwickelt die Kernkomponenten für das Ultraschallschweißen und Siegeln von Verpackungen.

Heizkontaktnieten als Ergänzung zum Ultraschallschweißen
Auch der Geschäftsbereich Schweißtechnik setzt den Schwerpunkt beim Ultraschallschweißen, dem allerdings in einigen Anwendungsbereichen Grenzen gesetzt sind. Joachim Wein (Bild 2), verantwortlich für die Elektronikentwicklung des Geschäftsfeldes Schweißtechnik bei der MS Spaichingen GmbH: „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. Zu den Voraussetzungen für die erforderliche hohe Prozessqualität gehört das Prozess begleitende Messen der Temperatur an den Nietstellen. Jeder einzelne Nietstempel, der in den Anlagen von MS Spaichingen zum Einsatz kommt, ist deshalb mit einem Thermoelement ausgestattet, das die Temperatur erfasst. Hier gab es bei den ersten Anlagen ein Problem. J. Wein: „Wir haben für die Energie- und Signalzuführung zu den Thermoelementen eine Leitung des Heizungsherstellers verwendet. Nach rund 100.000 Doppelhüben – das entspricht einer Anlagenbetriebsdauer von einem Jahr – gab es jedoch Kabelbrüche an den Leitungen, die sich mit jedem Zyklus auf- und abbewegen. Das stellte das gesamte Verfahren infrage, 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 aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Leitern eine Spannung entsteht, sobald sich die Verbindungsstelle der Leiter erwärmt. Vergleicht man diese Spannung mit einer gleichzeitig gemessenen Referenzspannung, 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 der Leiter selbst nicht wie üblich ein Kupferleiter ist, sondern aus der gleichen Legierung wie das Thermoelement. 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. Bei diesen Leitungen handelt es sich um die einzige Leitungsart, bei der man kein reines Kupfer verwenden kann. Dementsprechend gibt es wenige Anbieter, zumal wenn eine bewegliche Leitung gewünscht ist, die äußerst dynamisch sein soll. Zunächst war auch eine Anfrage von MS Spaichingen bei Igus nicht erfolgreich: Eine entsprechende Leitung befand sich nicht im Programm. Aber die Igus-Entwickler nahmen diese Herausforderung direkt an und mussten – in intensiver Kooperation mit den Konstrukteuren von MS Spaichingen – zunächst einmal Grundlagenarbeit leisten, indem sie nach Wegen suchten, die vergleichsweise harten und spröden Legierungen zu Drähten zu verarbeiten. Dabei kamen ihnen ihre umfassenden Erfahrungen bei der Entwicklung von dynamischen Leitungen zugute.

Entwicklung einer beweglichen Leitung für Thermoelemente
Eine weitere Herausforderung bestand darin, dass die Leitungen teilweise nicht nur das Sensorsignal übertragen, sondern auch Energie zum Sensorkopf übermitteln sollen. Es wurde also auch eine Kombination von Kupfer- und Thermoelement-Leitungen gewünscht. Dabei sind die vergleichsweise weichen Kupferadern mit den harten Adern der Thermolegierungen so zu kombinieren, dass auch bei dynamischer Beanspruchung eine lange Lebensdauer erreicht wird. Um es in der Sprache der Leitungsentwickler zu sagen: Die Anordnung der Adern muss so erfolgen, dass sich die bei der Bewegung entstehenden Kräfte aufheben. Nach diesen Maßgaben entwickelte Igus zuerst eine bewegliche Leitung nur mit Thermoelementen, die heute als Chainflex Cfthermo.K.001 im Programm ist, sowie eine Leitung mit drei Kupferadern und einem Thermoelement (Cfthermo.K.002) (Bild 3). Der Leitungstyp K.002 erhielt nach Test mit 300.000 Doppelhüben die Freigabe von den MS-Konstrukteuren. Inzwischen befinden sich die CF Thermo-Leitungen seit drei Jahren im Einsatz, und die Erfahrungen sind rundum positiv, wie J. Wein zu berichten weiß: „Wir setzen die Leitungen mit und ohne Energiekette ein und hatten noch keinen einzigen Ausfall.“
Das Cfthermo-Programm wurde inzwischen um weitere Legierungen erweitert, die zum Beispiel bei der Messung von höheren Temperaturen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus gibt es seit vergangenem Jahr auch „readycable“, das heißt fertig konfektionierte Leitungen für Thermoelemente. Die Stecker werden hier aus demselben Material gefertigt wie die Leitungen. Die dynamischen Tests, die Igus mit den ersten Chainflex Thermo-Leitungen durchführte, laufen übrigens immer noch. Sie starteten im Januar 2011 und sind mittlerweile bei über 100 Mio. Doppelhüben angekommen. Dabei zeigen die Widerstandsmessungen immer noch keine Unregelmäßigkeiten. Inzwischen ist Igus auch auf andere Anwendungen für solche Leitungen gestoßen – sogar im eigenen Hause, genauer gesagt in der Spritzgießerei, wo mehrere hundert Spritzgießmaschinen Gleitlager, Energieketten sowie andere Produkte herstellen. In diesen Maschinen wird die Temperatur des Prozesses ebenfalls mit Thermoelementen überwacht. (no)

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Autor:
Andreas Muckes ist Produktmanager Chainflex bei der Igus GmbH in Köln. amuckes@igus.de