Extruder erfüllen eine wichtige Funktion: Sie mischen, verdichten und plastifizieren die einzelnen Bestandteile und bringen sie anschließend unter hohem Druck in die gewünschte Form. Doppelschneckenextruder bieten zusätzliche Vorteile: Beispielsweise mischen sie verschiedene Kunststoffe gründlicher als Einschnecken-Extruder. Zudem reinigen sie sich selbst, was Anhaftungen an den Schnecken verhindert.

Enthält ein Extruder mehr als eine Schneckenwelle, steigt jedoch die Gefahr, dass die Wellen verklemmen. Dies kann beispielsweise passieren, wenn die eingesetzten Materialien unterschiedliche Konsistenzen aufweisen oder nicht vollständig aufschmelzen. Dadurch kann es zu falschen Mischverhältnissen kommen, was die Qualität der Produkte beeinträchtigt. Außerdem stieg in jüngster Zeit die Drehmomentdichte an, was die eingesetzten Materialien bis an die Belastungsgrenzen führen kann. Wird die Belastung zu groß, brechen die Wellen oder das Getriebe. Dies führt zu Produktionsstillstand und verursacht zusätzliche Kosten.

Sensoren verhindern Schäden

Vermeiden lässt sich dies durch eine kontinuierliche Überwachung der Produktionsanlagen, insbesondere der Drehmomente: Diese geben Aufschluss über die Belastungen, die im Inneren einer Maschine auftreten und zu Verschleiß oder Schäden an einzelnen Komponenten führen können.

Die Drehmoment-Sensoren des Sensorhersteller NCTE eignen sich für den Einsatz in Extrudern. Sie beruhen auf dem physikalischen Prinzip der Ma-gnetostriktion: Bei diesem Verfahren fungiert ein vorhandenes Bauteil durch magnetische Codierung als Sensor. Es werden also keine zusätzlichen Komponenten verklebt. Deshalb hält der Sensor auch widrigen Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen, Flüssigkeiten, Reinigungs- und Schmiermitteln stand. Er überwacht die unterschiedlichen Belastungszustände im Inneren des Extruders in Echtzeit und erkennt Überlastungen bevor Schäden entstehen. Hersteller von Extrudern können somit bei gleich bleibender Baugröße immer höhere Durchsätze realisieren und die Antriebsleistung sowie die Drehmomentdichte steigern. Ist die Belastung im Inneren zu hoch, regelt die Steuerung die Anlage automatisch herunter. So kann der Anwender Überlastsituationen zuverlässig ausschließen und den Extruder näher an die Lastgrenzen fahren.

In der Regel befindet sich der Sensor an den Kupplungshülsen zwischen Getriebe und Verfahrensteil, aber auch an den Schnecken oder Getriebewellen lässt er sich integrieren. Getriebeeingangs- oder -ausgangswellen werden durch Strompulse magnetisiert: Werkzeuge, die in der Regel speziell an die jeweilige Applikation angepasst sind, leiten dazu hohe Ströme in bestimmten Frequenzmustern in die Welle. Dies wird wiederholt, bis unter der Wellenoberfläche ein stabiles, schwaches Magnetfeld, entsteht, dessen Ausrichtung und Genauigkeit den jeweiligen Anforderungen entsprechen. Der magnetisch codierte Bereich ist relevant für das Messergebnis und somit integraler Bestandteil des Sensorsystems: Er bildet den sogenannten Primärsensor.

Berührungslos messen

Nimmt das Drehmoment zu oder ab, ändert sich auch das Magnetfeld entsprechend. Hochauflösende Magnetfeldspulen detektieren diese Veränderung berührungslos in einem Abstand von bis zu 3 mm. Je exakter das Messergebnis sein soll, desto mehr Spulenpaare kommen zum Einsatz; in der Regel nicht mehr als vier Stück. Sie werden in einen Spulenhalter vergossen, sodass ihre Position zur Welle konstant bleibt. Bei externen magnetischen Störfeldern dient ein Gehäuse als zusätzliche Abschirmung. Magnetfeldspulen, Spulenhalter und Abschirmung bilden den Sekundärsensor.

Eine Auswerteelektronik, die sich aufgrund der Bauraum- und Temperaturanforderungen meist in einiger Entfernung zur eigentlichen Messstelle befindet, erfasst die Veränderungen des Magnetfelds innerhalb von Mikrosekunden und wandelt sie in sichtbare und damit nutzbare elektrische Signale um. Standard sind analoge Ausgangssignale, also Spannung oder Strom. Der Sensor ist aber auch mit Signalausgängen für CAN, Frequenz- oder Pulsweiten-Modulation (PWM) erhältlich.

Vorteile des Sensors

Störlasten wie beispielsweise Biegespannungen verfälschen das Mess-ergebnis nicht. Da der Sensor ohne Schleifkontakte auskommt und eine störanfällige Übertragung der Signale via Telemetrie entfällt, ist der Sensor robuster und langlebiger als Systeme mit Dehnungsmessstreifen. Dabei kommt er mit kleinen Magnetfeldstärken von 0,5 bis 0,7 Millitesla aus, wodurch sich keine metallischen Partikel auf der Wellenoberfläche ansammeln.

Die Sensoren lassen sich leicht und relativ günstig nachrüsten. Dadurch amortisieren sie sich auch bei kleineren Maschinen schnell. Der modulare Aufbau der einzelnen Komponenten sorgt, beispielsweise bei einem Crash der Kupplungshülse, für kurze Stillstandszeiten. Alle Sensoren erfüllen die Anforderungen der Schutzarten IP67 und IP69K. Ihr Gehäuse ist also gegen Staub sowie gegen das Eintreten von Wasser geschützt. Außerdem sind die Sensoren mit Atex-Zertifizierung erhältlich, womit sie sich auch für explosionsgefährdete Einsatzbereiche eignen.

Vom Flugzeug zum Extruder

In der Luftfahrt sind die Ansprüche besonders hoch: Über den Wolken wären Ausfälle von Komponenten fatal. Deshalb simulierte der Zulieferer für die Luftfahrtbranche Liebherr Aerospace die im Flugbetrieb auftretenden Belastungen und Einflüsse im Labor. Das Ergebnis: Auch nach über zwei Millionen Lastwechseln, 68 Temperaturzyklen, 120 Stunden Vibration sowie einer achtwöchigen einseitigen Belastung blieben die Messergebnisse konstant, das Ausgangssignal zeigte keinerlei Änderung.

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Über den Autor

Bastian Steinacher ist Entwicklungsleiter bei NCT-Engineering in Unterhaching. info@ncte.de