Dichtung als Condition-Monitoring-Sensor, Bild: Freudenberg Sealing Technologies

So könnte das Condition Monitoring funktionieren: Die Dichtlippe dient zusätzlich als Isolator. Wenn die äußeren, isolierenden Schichten abgerieben sind, fließt Strom und die LED leuchtet. Bild: Freudenberg Sealing Technologies

Viele Konstrukteure und Entwickler unterschätzen die Möglichkeiten, die sich bei den Dichtungen heute bieten. Das liegt ganz einfach daran, dass Dichtungen meistens aus Elastomeren bestehen, oder einfacher gesagt aus Gummi. Dieses Material ist als typisches Beispiel für einen Isolator bekannt. Es leitet in Reinform keine Signale. Dies ist Metallen und Halbleitern vorbehalten, weil sie einen hohen Anteil an frei beweglichen Elektronen aufweisen. Eine fühlende oder handelnde Dichtung klingt daher erst einmal nach Science-Fiction. Sinn würde sie allerdings schon machen, da Dichtungen sich häufig direkt am Ort des Geschehens befinden. Und tatsächlich lassen sich Dichtungen als Sensor oder sogar als Aktuator einzusetzen. Man muss nur etwas nachhelfen.

„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.

Darum richten Entwickler ihr Augenmerk auf Ansätze, bei denen die Intelligenz bereits aus dem Material an sich kommt. Dabei kann das Elastomer sowohl Sensor als auch als 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. Dafür muss das Elastomer elektrisch leitfähig sein. Um dies 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.

Eine Dichtung betreibt Condition Monitoring

Wie das Condition Monitoring funktionieren könnte, 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 der Konstrukteur 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 einer 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.