Dünnschichtsensorik zur exakten Temperaturdetektion

Durch Integration von sensorischen Dünnschichtsystemen können Betriebszustände direkt in den Hauptbelastungszonen von Gleitlagern und Dichtungssystemen bestimmt werden. Innerhalb des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten WING-Projekts INTELLA (Intelligente, leichte Lagerungen und Dichtungen für den Automobil- und Maschinenbau) forschte das Fraunhofer IST an der Umsetzung.

Lager- und Dichtungskomponenten müssen im Betrieb einen großen Last-, Drehzahl- und Temperaturbereich abdecken. Durch die Breite des Betriebsbereichs arbeiten die Komponenten jedoch meist unter suboptimalen Betriebsbedingungen, sodass sie mit geringer Effizienz und schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden. Ein Grund dafür ist die auf maximale Belastung zielende Auslegung der Komponenten, und damit die Überdimensionierung der Bauteile. Um die Effizienz und damit den Wirkungsgrad solcher Komponenten zu steigern, werden aktive Systeme zur Anpassung von Lager- und Dichtspaltgeometrien benötigt, die in einem Regelkreis arbeiten. Die aktiven Systeme bestehen aus Aktoren und sensorischen Dünnschichtsystemen, die nachfolgend näher beschrieben werden.

Sensorische Dünnschichtsysteme

Die als »Downsizing« bezeichnete Strategie, mit leichteren Bauteilen höhere Leistungen zu erzielen, lässt sich bei dynamisch beanspruchten Maschinenelementen nur durch eine Anpassung an die Lastsituation realisieren. Dazu werden bereits Aktuatoren verwendet, die eine zusätzliche Systemkomponente darstellen. Zur Detektion von Betriebstemperaturen in Gleitringdichtungen von EagleBurgmannn und in den Lagerringen der KSB AG werden sensorische Dreischichtsysteme mit einer Gesamtschichtdicke unter 10 µm verwendet, die direkt auf das Bauteil abgeschieden und am Fraunhofer IST entwickelt wurden. Eine elektrische Isolationsschicht wird als Grundschicht in einer Dicke von 3 – 4 µm homogen in die Hauptbelastungszonen abgeschieden. Darauf werden 200 nm dicke Chrommäanderstrukturen appliziert, die durch eine elektrische Isolations- und Verschleißschutzschicht (d = 3 µm) bedeckt werden. Als Isolationsschichten kommen mit Silizium und Sauerstoff modifizierte Kohlenwasserstoffschichten oder auch Aluminiumoxidschichten zum Einsatz. Die Herausforderung bei diesen Entwicklungen liegt nicht nur im Schicht­system, sondern auch in der dreidimensionalen Strukturierung, da die Kontakte der Sensorstrukturen außerhalb der Hochlastbereiche liegen.

Sensorische Eigenschaften des Dünnschichtsystems

Die Firma EagleBurgmann testet Gasdichtungen mit inte­grierter Temperatursensorik in ihren Prüfständen. In einem Testaufbau konnte die exakte Erfassung von Temperaturprofilen im Bereich der Gleitteile von Gasdichtungen nachgewiesen werden.