RoHS-konforme Lösungen ab 2017 erforderlich

Schmelzedruckmessung ohne Quecksilber

Die Messung des Schmelzedrucks ist in der Extrusion schon lange nicht mehr wegzudenken. Doch die kommende RoHS-Richtlinie zwingt viele Maschinenbauer zum Handeln: Ab 2017 ist der Einsatz von Quecksilber in der industriellen Messtechnik verboten. Eine Alternative kann die Natrium-Kalium-basierte Technik sein.

Die Skizze zeigt den Aufbau des Sensors und die dicke Membran (rot). (Bild: Gefran)

Die Schmelzedruckmessung erhöht die Maschinensicherheit, indem sie Überdrücke erkennt und die Anlage rechtzeitig abschaltet. Die Überwachung und Regelung des Schmelzedruckes ist außerdem für eine gleichbleibende Produktqualität essenziell. Es sind unterschiedliche Messmethoden mit jeweils spezifischen Vor- und Nachteilen im Einsatz.

Sensoren mit Füllmedium decken mit rund 85 Prozent den Großteil des Marktes ab. Es ist allerdings ein Trend zum Sensor ohne Füllmedium zu verzeichnen. Ein Grund dafür ist das kritische Füllmedium Quecksilber. Aufgrund neuer Gesetze wie der EU-Richtlinie 2011/65/EU zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS-Verordnung) wird das Quecksilber immer mehr durch ungiftige Alternativen ersetzt. Ab Juli 2017 gilt für industriell genutzte, neu in den Verkehr gebrachte Sensoren das Quecksilberverbot.

Drei ungiftige alternative Füllmedien sind derzeit im Markt erhältlich. Ein unbedenkliches Medium ist ein FDA-zugelassenes Lebensmittelöl, das bereits vielfach im Einsatz ist. Nachteilig ist aber oft der relativ hohe Temperaturdrift: Öl dehnt sich bei Erwärmung deutlich stärker aus als Quecksilber. Außerdem sind Ölfüllungen nur bis 315 °C nutzbar. Die Kunststoffbranche benötigt für Spezialprodukte aber deutlich höhere Temperaturen. Kunststoffe wie Peek oder Ultem erfordern teilweise mehr als 440 °C.

Anzeige
Füllmediumfreier piezoresistiver Schmelzedrucksensor. (Bild: Gefran)

Für diese Hochtemperaturanwendungen kommt das ungiftige Füllmedium Natrium-Kalium (NaK) zum Einsatz. Diese Metalllegierung ist bei Zimmertemperatur bereits flüssig und siedet erst bei sehr hohen Temperaturen. Mit speziellen Membranwerkstoffen können NaK-gefüllte Sensoren sogar bei Temperaturen bis 538 °C zuverlässig und langlebig Drücke messen. Sie dürfen jedoch nicht in explosionsgefährdete Zonen eingesetzt werden.

Ein weiteres Füllmedium ist Galinstan, ebenfalls eine Metalllegierung, die bei Zimmertemperatur flüssig ist. Sie ist ungiftig und bietet ein gutes Temperaturdriftverhalten. Nachteil ist die sehr korrosive Wirkung, die bei höheren Temperaturen die inneren Bestandteile des Sensors angreift. Die Galinstanfüllung eignet sich deswegen nur für Prozesstemperaturen bis 300 °C.

Zwei Messtechniken sind grundsätzlich bekannt. Faseroptischen Hochtemperaturdrucksensoren sind aufgrund der Kosten und des schlechten Temperaturdriftverhalten für Extrusionsprozesse ungeeignet. Deutlich öfter wird die piezoresistive Druckmesstechnik angewendet. Man findet sie bereits in 10 bis 15 Prozent aller Extrusions- und Spritzgießanwendungen. Mit der Sensorserie Impact (Innovative Melt Pressure Accurate Transductor) bietet Gefran hier eine nach eigenen Angaben zukunftsweisende Technologie. Als Messelement dient ein piezoresistiv arbeitendes Mikro-Elektro-Mechanisches-System (MEMS). Ein quadratischer Siliziumchip trägt Membran und Messelement. Die Messung übernimmt eine in SOI-Technik (Silicon on Insulator) aufgebaute Wheatstone‘sche Messbrücke. Der Chip verfügt über eine Isolationsschicht und eignet sich für eine Dauertemperatur von 350 °C.

Durch diese Bauart entsteht ein Sensorelement, das nur eine sehr geringe Auslenkung zum Vollausschlag benötigt. Die Durchbiegung beträgt nur rund 11 bis 14 Mikrometer, was die robuste Ausführung des Sensors erst ermöglicht. Die Druckübertragung übernimmt ein Stößel mit 5 Millimeter Länge. Die Kontaktmembrane hat je nach Druckbereich eine Dicke bis 1,5 Millimeter und ist damit bis zu 15 Mal so dick wie herkömmliche Schmelzesensoren. Die Praxis zeigt nämlich, dass die Membranen auch durch anhaftende erkaltete Kunststoffe nicht beschädigt werden.

Dank einer speziellen Verschleißschutzbeschichtung (GTP+) ist auch ein „Abschmirgeln“ bei abrasiven Füllstoffen erst nach längerem Einsatz zu erwarten. Gleichzeitig ermöglicht die Sensortechnik Messungen in neuen Anwendungen. Die geringe Durchbiegung von maximal 14 μm verursacht keine Materialermüdung in dynamischen Prozessen. Somit lässt sich der Sensor auch für Messungen in Spritzgießmaschinen nutzen sowie für direkte Messungen oberhalb von Extruderschnecken.

Beide Sensorvarianten sind mit PL-c-Zertifizierung erhältlich. Bei der gefüllten Sensortechnik ist die Überwachung der Membrane jedoch nicht möglich. Gefüllte Sensoren mit PL-c-Zertifizierung benötigen daher regelmäßige Sichtprüfungen der Membrane durch den Benutzer. Dies erhöht dementsprechend den Wartungsaufwand erheblich. Füllmediumfreie Sensoren weisen dagegen einen deutlich längeren Kontrollabstand für diese Prüfung auf.

NaK-gefüllte Sensoren eignen sich dank ihrer Einsatzfähigkeit bis 538 °. In den meisten Anwendungen ist die Umstellung auf NaK-Sensoren einfach zu handhaben, da sich die Sensoren praktisch gleich verhalten. Aufgrund der Reaktionsanfälligkeit von NaK mit Wasser und Luft ist es aus Sicherheitsgründen jedoch nicht möglich, diese Sensoren in Ex-Zonen einzusetzen. Die füllmediumfreien Impact-Sensoren bieten darüber hinaus vor allem Vorteile bei kritischen Kunststoffen oder Montagestellen wie PET oder Polycarbonat, bei denen es gelegentlich oder öfter zu Membranrissen durch den Prozess kommt.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem Kunststoff Magazin Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite