Extruder in der Kunststoff-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie stehen unter Dauerstress. Die teuren Anlagen mischen in der Regel in hoher Geschwindigkeit große Mengen unterschiedlicher Materialien, beispielsweise Pulver, Granulate oder Flüssigkeiten, mit funktionalen Zusatzstoffen wie Gleitmitteln, Farb- oder Füllstoffen und Stabilisatoren. Wenn die Masse homogenisiert ist, muss sie unter hohem Druck bis 300 bar und oft hohen Temperaturen bis 300 °C in die vom Kunden gewünschte Form gebracht werden. Viele Lebensmittel-, Pharma- und Kunststoffprodukte entstehen auf diese Art und Weise. Dabei zählen vor allem Geschwindigkeit und Qualität des Outputs. Und jeder Fehler kostet Geld. Gerade bei komplexen Bewegungsabläufen in Doppelschnecken- oder Mehrwellenextrudern ist es herausfordernd, die Drehmomentdichte und damit den Anlagenausstoß zu erhöhen, ohne an Belastungsgrenzen der Anlage zu gelangen und Ausfälle zu riskieren.

Schneckenwellen können als Folge ungleichförmiger Drehmomentverteilungen oder Schwankungen in Rohstoff- oder Prozessparametern verklemmen. Im schlimmsten Fall bricht die Welle. Muss diese ersetzt werden, steht die Anlage über einen längeren Zeitraum still, erwirtschaftet in dieser Zeit keinen Umsatz, erfordert aber teure Reparaturarbeiten und Teileersatz.

Über die kontinuierliche Messung der Drehmomente an den Schneckenwellen kann Maschinenausfall vermieden werden. An den Schneckenwellen angebrachte Sensoren erkennen Drehmomentunterschiede in Echtzeit und ermöglichen ein Eingreifen der Antriebsteuerung, bevor Schaden entsteht. Bislang wurden herkömmliche Sensoren auf DMS-Basis im Klebeverfahren auf den Schneckenwellen aufgebracht. Diese Technologie war jedoch fehleranfällig. Die nur aufgeklebten Sensoren konnten sich unter dem Einfluss von hohen Temperaturen oder chemisch aggressiver Umgebung lösen. Auch die Kosten aufwendiger Telemetrie-Verbindungen standen einer Verbreitung dieser Technologie lange Zeit im Weg.

Die Welle wird zum Sensor

In den Produkten des Sensorik-Herstellers NCTE, Unterhaching, wird die Schneckenwelle ohne zusätzlichen Materialeinsatz selbst zum Primärsensor. Nichts ist aufgeklebt, nichts kann abfallen. Die Sensoren arbeiten berührungslos – im Unterschied zu den wenig robusten Dehnmessstreifen (DMS). Dadurch sind sie robust, langlebig, schmutz-, temperatur- und chemikalienbeständig. Auch bei hohem Druck und hohen Temperaturen funktionieren sie zuverlässig. Außerdem ist der Sekundärsensor kompakt und leicht in vorhandene oder neue Anlagen zu integrieren.

In einem eigens entwickelten Verfahren kodiert der Hersteller Bestandteile der Extruderanlage, wie Getriebeeingangs- oder Ausgangswellen oder Kupplungsstücke, mit einem speziellen Pulsfrequenz-Muster so, dass sie die berührungslose Messung mechanischer Kräfte ermöglichen. Erkennt ein Sensor eine Veränderung des Drehmoments, werden diese Daten direkt in die Steuerung eingespeist. Das Drehmoment wird automatisch und in Echzeit angepasst, sodass Überlast­situationen vermieden werden und eine gleichbleibende Produktqualität erzielt wird. Die Kodierung erfolgt einmalig und bleibt über die gesamte Lebensdauer des Sensors beständig. In der kodierten Welle entsteht ein in sich geschlossenes, dauerhaft gespeichertes Magnetmuster. Die sonstigen Eigenschaften der Welle werden durch diese Magnetisierung in keiner Form beeinträchtigt.

Wenig Platzbedarf, viele Vorteile

Die Drehmomentsensoren brauchen wenig Platz. Da Teile der Wellen selbst als Primärsensoren fungieren, werden nur wenige zusätzliche Bauteile benötigt. Unter der Wellenoberfläche wird ein schwaches, langzeitstabiles Ma-gnetfeld erzeugt, das sich in Abhängigkeit vom Drehmoment verändert. Selbst kleinste Magnetfeldveränderungen in der Welle werden sofort von hochauflösenden Miniatur-Magnetfeldsensoren, den sogenannten Sekundärsensoren, detektiert – berührungslos in einem Abstand im Millimeter-Bereich. Dabei ist es gleichgültig, ob dieser Zwischenraum mit Luft, Öl oder einem anderen Medium gefüllt ist. Die ebenfalls vom Hersteller entwickelte Auswertelektronik erfasst die Veränderungen des Magnetfelds in Echtzeit und wandelt sie in nutzbare Signale um, anhand derer die Anlagensteuerung reagieren kann.

Berührungslos und flexibel

Magnetostriktion beschreibt das Prinzip, nach dem sich die Länge eines Körpers unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes ändert. Weil dieser Effekt robust, langzeitstabil, präzise reproduzierbar und streng linear ist, hat ihn der Hersteller zur Grundlage seiner serientauglichen Sensoriklösung-en gemacht.

In der Technologie werden die Prüf-objekte, meistens Wellen oder Hülsen, einmal kodiert. Danach agiert das magnetisierte Metall beständig und ohne weiteres Nacharbeiten als Primär­sensor – bis zum Ende seiner Lebenszeit. Es fällt kein Wartungs- oder Service-Aufwand an. Weil die Technologie berührungslos arbeitet, entfallen die Einschränkungen herkömmlicher DMS-Systeme, was Einsatztemperatur, Dauerhaltbarkeit oder Stabilität bei dynamischen Lastkollektiven angeht.

Da Anlagenteile selbst zum Primärsensor werden, sind die Drehmomentsensoren mit geringem Aufwand leicht in bestehenden Anlagen nachrüstbar. Die Auswertungselektronik passt der Hersteller an den jeweiligen Kundenbedarf an, damit die ermittelten Messwerte eine zuverlässige Grundlage für die gewünschten Resultate an der Anlage liefern. So kann beispielsweise bei Drehmomentüberschreitung an einer Schneckenwelle automatisch und in Echtzeit die Antriebsleistung abgeregelt werden. Drehmomentsensoren reduzieren Anlagenausfall, Reparaturaufwand und Stillstandszeiten durch die kontinuierliche Echtzeitmessung der Drehmomentverhältnisse im Ex-truder. Damit sparen die Sensoren Zeit und Kosten.

Die Drehmomentsensoren verhindern Extruderprobleme und dokumentieren auch alle erhobenen Extruderdaten zur Qualitätssicherung der Produktion.
Durch die Echtzeit-Überwachung der Betriebsparameter im Extruder lässt sich die Anlage im Hochdurchsatz fahren: Der Betreiber kann die Drehmomentdichte maximieren, ohne Ausfälle zu riskieren. Das erhöht den Durchsatz, die Effizienz und Betriebssicherheit der Anlagen.

Auch in zahlreichen anderen Anwendungen sind Sensoren des Herstellers im Einsatz, beispielsweise in Windkraftanlagen, in der Automobilindustrie, in Elektro-Bikes, im Motorsport, in der Luftfahrt oder im Prüfstandsbau: dort, wo Kräfte wie Drehmoment, Scherung oder Biegung gemessen werden.

 

Magnetostriktion kurz erklärt

Bei der Magnetostriktion deformieren sich magnetische Stoffe, beispielsweise Spulenkerne, infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Der Stoffkörper erfährt dabei eine elastische Längenänderung – das Volumen bleibt jedoch konstant. Als quantenmechanische Ursache gilt die Spin-Bahn-Wechselwirkung in den Teilchen. Bei Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes an ferromagnetisches Material richten sich die Weiss‘schen Bezirke, kleine magnetisierte Domänen in den Kristallen des Materials, gleich aus. Wechselt das Feld, wird der Stoff zu mechanischen Schwingungen angeregt. Die Magnetostriktion findet beispielsweise Anwendung beim Erzeugen von Ultraschall. Ein Stab, der aus einem Material mit hoher Magnetostriktion, wie Nickel, besteht, wird dabei in einer Spule mit Wechselstrum ummagnetisiert. Außerdem kommt der Effekt in Waren-Sicherungsetiketten zum Einsatz.

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Über den Autor

Gerhard Fiedler ist Vertriebsleiter bei NCTE in Unter­haching.