Eine Dichtung mit integriertem Condition Monitoring: Die Dichtlippe dient zusätzlich als Isolator. Wenn die äußeren, isolierenden Schichten abgerieben sind, fließt Strom über die leitenden Teile der Dichtung und die LED leuchtet. (Bild: Freudenberg)
Eine Dichtung, die fühlen kann? Klingt nach Science-Fiction. Der Grund dafür ist ganz einfach: Dichtungen bestehen aus Elastomeren, gemeinhin Gummi genannt, und Gummi kann in Reinform keine Signale weiterverarbeiten. Dies ist Metallen und Halbleitern vorbehalten, weil sie einen hohen Anteil an frei beweglichen Elektronen aufweisen. Und Elastomere? Sinn würde es machen, da die Dichtungen sich häufig direkt am Ort des Geschehens befinden. Und tatsächlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, Dichtungen als Sensor oder sogar als Aktuator einzusetzen. Doch hier muss man etwas nachhelfen – und die eigentliche Aufgabe einer Dichtung nicht aus dem Auge verlieren.
Dichtring meldet Verschleiß
„Die zentrale Funktion einer Dichtung ist und bleibt die Vermeidung von Stoffübergängen“, betont Dr. Boris Traber, der bei Freudenberg Sealing Technologies im Bereich Advanced Material Development an intelligenten Dichtsystemen arbeitet. „Dennoch kann man Dichtungen so konstruieren, dass sie zusätzliche Funktionen ausüben.“ Beispielsweise, indem man einen Sensor oder einen Mikrochip in die Dichtung einbringt. Das ermöglicht, eine Dichtung mit Intelligenz auszustatten, stößt aber auch an Grenzen. Denn das eingebrachte Bauteil ist ein Fremdkörper und darf die Funktion der Dichtung nicht beeinträchtigen.
Die Entwickler richten daher ihr Augenmerk auf Ansätze, bei denen die Intelligenz bereits aus dem Material an sich kommt. Dabei kann das Elastomer sowohl Sensor als auch Aktuator sein. „Zwar geht das nicht ohne Mehrkosten. Die Vorteile durch zusätzliche Funktionen können bei einer vollständigen Betrachtung der Wertschöpfungskette diese aber schnell aufwiegen“, erläutert Traber. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Dichtung ihren eigenen Verschleiß erkennt. Diese als „Condition Monitoring“ bezeichnete Selbstüberwachung ist möglich, wenn das Elastomer elektrisch leitfähig ist. Um das zu erreichen, bringt der Hersteller elektrisch leitfähige Füllstoffe direkt in die Elastomer-Mischung ein. Wichtig ist dabei, dass diese Füllstoffe ihre Leitfähigkeit mit einem geeigneten Setzverhalten, Hitzebeständigkeit und Kälteflexibilität verbinden, um die eigentliche Dichtungsfunktion nicht zu beeinträchtigen.
Wie das Condition Monitoring konkret funktionieren kann, lässt sich am Beispiel einer Stangendichtung erkennen, bei deren Herstellung leitfähiges, elastomeres Grundmaterial mit einer isolierenden Außenschicht kombiniert wird. Diese isolierende Außenschicht stellt in der Dichtung die Dichtlippe dar. Verbindet man die Stange beziehungsweise die Gehäusewand durch einen Stromkreis, kann der Strom zur sensierenden Größe werden: Während sich die Stangendichtung im Einsatzfall hin und her bewegt, wird die äußere (isolierende) Schicht verschlissen, das leitfähige Grundmaterial kommt zum Vorschein. Somit kommt es über die Dichtung zum Stromschluss zwischen Stange und Gehäuse, was von einer entsprechenden Sensorik (im einfachsten Fall eine LED) angezeigt wird.
„Mit solchen relativ einfachen Lösungen können Betriebskosten optimiert werden“, erklärt Traber. „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.“ Die automatisierte Unterstützung bei der Wartung ist zudem eine wichtige Anforderung in vernetzten Industrie-4.0-Anlagen.
