Sensing Material als integriertes Sensorsystem
Sensorische Funktionalisierung von Materialien
In modernen Industrieanwendungen steigt der Bedarf, mechanische und dynamische Zustandsgrößen direkt im Bauteil oder Material zu erfassen, anstatt diese über diskrete, nachträglich montierte Sensoren abzuleiten. Klassische Sensorkonzepte erfordern häufig zusätzliche Gehäuse, mechanische Kopplungen oder Schutzmaßnahmen, was Systemkomplexität und Schnittstellenerhöht. Die vorgestellten Sensing Materialien verfolgen daher einen integrativen Ansatz: Die Sensorik wird funktional in ein Elastomer eingebettet und das Material selbst übernimmt die Rolle des Sensors.
Die Kraftmessung erfolgtüber eine in das elastomere Grundmaterial vollständig einvulkanisierte Messzelle. Das zugrunde liegende Wirkprinzip basiert auf der Änderung eines elektrischen Feldparameters infolge mechanischer Verformung. Das Sensorelement nutzt eine integrierte Mehrschichtarchitektur, bei der mechanischinduzierte Strukturänderungen in eine proportionale Änderung eines elektrischen Ausgangssignals überführt werden. Wird das Material belastet, führt die elastische Verformung zu einer geometrischen Veränderung der internen Struktur. Diese bewirkt eine proportionale Änderung derelektrischen Kenngröße, die als Messsignal ausgewertet wird.
Das Messprinzip eignet sich insbesondere für flächige und verteilte Lasten, da die Krafteinleitung nicht punktuell, sondern homogen über das gesamte Sensorelement erfolgt. Durch die geringe Bauhöhe der integrierten Messstruktur ergeben sich hohe Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Sensing Materials hinsichtlich Geometrie, Abmessungen und messbarem Lastbereich.
Ergänzend zur Kraftmessung ist das Sensing Material mit inertialer Sensorik ausgestattet. Ein integrierter Beschleunigungssensor erfasst lineare Beschleunigungen und ermöglicht die Detektion von Vibrationen, Schwingungen sowie Stoßereignissen. Die daraus gewonnenen Signale liefern wertvolle Informationen über dynamische Belastungen, Betriebszustände oder unerwünschte Schwingungsanregungen.
Optional kann zusätzlich ein Gyroskopsensor integriert werden, der Winkelgeschwindigkeiten misst und damit Aussagen über Neigung, Rotation sowie die räumliche Ausrichtung des Sensing Materials erlaubt. Die Kombination aus Beschleunigungs- und Drehratensensorik ermöglicht eine umfassende inertiale Zustandsbeschreibung. Dadurch lassen sich sowohl statische als auch dynamische Bewegungen erfassen, beispielsweise Schiefstellungen, rotatorische Bewegungen oder hochfrequente Vibrationen.
Vulkanisierte Sensorintegration im Elastomer
Ein zentrales technisches Merkmal des Sensing Materials ist die vollständige Vulkanisierung der Sensorik in das Elastomer. Die Messzelle, der Beschleunigungssensor, der Gyroskopsensor sowie die zugehörige Elektronik sind dauerhaft in die elastomere Matrix eingebettet. Es entsteht eine monolithische, geschlossene Struktur ohne offene Sensorelemente oder freiliegende Leiterbahnen. Die elektrische Anbindung an die Auswerteelektronik des Kunden kann entweder durch einen integrierten Stecker oder durch eine integrierte Leitung (siehe Abbildung 2) geschehen. Durch eine integrierte Leitung kann eine hohe IP-Schutzklasse erreicht werden.
Diese Bauweise gewährleistet eine definierte und reproduzierbare mechanische Kopplung zwischen Material und Sensorik. Gleichzeitig übernimmt das Elastomer eine dämpfende Funktion und schützt die Sensoren zuverlässig vor Feuchtigkeit, Schmutz und mechanischen Überlasten. Das Sensing Material ist dadurch wasserdicht, unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und einfach zu reinigen. Einvulkanisierte Sensoren bieten gegenüber diskreten Sensorelementen signifikante Vorteile. Die vollständige Einkapselung sorgt für hohe Langzeitstabilität, da Korrosion, Verschmutzung oder mechanischer Verschleiß ausgeschlossen sind.
Darüber hinaus erlaubt die elastomerbasierte Einbettung eine gezielte Dämpfung von Vibrationen und Stoßbelastungen, was sowohl die Lebensdauer der Sensorik als auch die Qualität der Messsignale verbessert. Wartungs- und Reinigungsaufwand werden deutlich reduziert, was insbesondere für Anwendungen mit hohen hygienischen oder umweltbedingten Anforderungen relevant ist.
Die Messdaten aus Kraft-, Beschleunigungs- und Gyroskopsensorik werden intern aufbereitet undüber eine digitale Schnittstelle bereitgestellt. Diese standardisierte Schnittstelle erleichtert die Integration in bestehende Steuerungs- und Auswertesysteme und ermöglicht eine synchrone Erfassung mehrerer Messgrößen.
Anwendungsbeispiele des Sensing Materials
Das Sensing Material eignet sich für eine Vielzahl industrieller Anwendungen. Ein Beispiel ist die Lastmessung in Nutzfahrzeugen wie LKW oder Traktoren. Hier kann das Elastomer als lasttragendes Element eingesetzt werden, das die aufgebrachte Last erfasst. Gleichzeitig wirkt das Elastomer als mechanischer Dämpfer, der Vibrationen aus dem Fahrbetrieb reduziert und die Sensorik vor Wasser, Schmutz und mechanischer Beschädigung schützt.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist eine Tamper Matte für die Espresso-Zubereitung. In dieser Anwendung stellt das Sensing Material sicher, dass das Kaffeepulver stets mit der gleichen Kraft angepresst wird. Unabhängig vom Bedienpersonal wird so eine gleichmäßige Kompression erreicht, was zu einer konstanten Extraktion und einem reproduzierbaren Geschmack führt.
Als drittes Beispiel kann ein Dämpfungselement genannt werden, das neben seiner primären mechanischen Funktion gleichzeitig Vibrationen misst. Durch die Kombination von Dämpfung und Sensorik lassen sich Schwingungszustände direkt im Bauteil erfassen, ohne zusätzliche Sensoren montieren zu müssen.
Kundenspezifische Auslegung und Erweiterbarkeit
Das Sensing Material ist hochgradig kundenspezifisch auslegbar. Geometrie, Elastomerhärte, Kraftmessbereich, Sensorbestückung und zusätzliche Features können an die jeweilige Applikation angepasst werden. Dadurch lassen sich massgeschneiderte Lösungen realisieren, die mechanische Funktion und Sensorik in einem einzigen Bauteil vereinen.
Das vorgestellte Sensing Material zeigt, wie durch die konsequente Integration von Kraftsensorik, Beschleunigungs- und Gyroskopsensorik in ein Elastomer robuste, langzeitstabile und reinigbare Sensorsysteme entstehen. Die einvulkanisierte Bauweise ermöglicht eine enge Kopplung von Material und Sensorik und eröffnet neue Möglichkeiten für kundenspezifische, integrierte Messlösungen in der industriellen Sensor- und Messtechnik.
Autor:
Robin Ellinger
Produktmanager bei APSP, Ingenieur
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