Ziel der Entwicklung
Zum Messen von Drücken oberhalb 100 MPa, sind eine Biegeplatte oder Membran nicht zwingend notwendig. Die mechanische Spannung ist für ein gut verwertbares Signal ausreichend. Es liegt aber eine homogene Druckspannung vor. Diese ist senkrecht zur Ebene gerichtet. Daher ist diese mittels der zur Verfügung stehenden Messwiderstände schwer auswertbar. Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Drucksensortechnologieplattform mit folgenden Eigenschaften:
– Medienkontakt über Stahl, optional Hartmetall
– frontbündige, bearbeitbare Platte
– maximaler Durchmesser 4 mm
– minimaler Durchmesser 1 mm
– Druckbereich bis ca. 2000 MPa
– Messspanne größer 20 mV/V
– maximale Einsatztemperatur 200°C
Vorteile und Lösungen
Der Druckbereich bis zirka 2.000 MPa, der Medienkontakt über Stahl optional Hartmetall, die frontbündige und bearbeitbare Platte sowie die Vermeidung einer Biegeplatte bieten für Anwendungen im Höchstdruckbereich entscheidende Vorteile. Die kleinen Abmessungen (Durchmesser 1…4 mm), die hohe Messpanne von größer 20 mV/V und die Arbeitstemperatur bis 200°C bieten weitere Vorteile.
Zielgruppe und Zielmarkt
Drucksensoren für Anwendungen bis 2000 MPa werden in verschiedenen Hochdruckbereichen eingesetzt, insbesondere in der Hochdruckchemie, bei der Autofrettage und der Innenhochdruckumformung (IHU) sowie im Bereich Spritzguss.
Hochdruckchemie
– In der Hochdruckchemie werden Drücke im Bereich von mehreren hundert bis zu mehreren tausend MPa eingesetzt, um chemische Reaktionen unter extremen Bedingungen zu ermöglichen.
– Drucksensoren in diesem Bereich müssen hochpräzise sowie robust gegenüber aggressiven Medien und extremen Temperaturen sein.
– Typische Anwendungen sind Synthesen, Polymerisationen und Untersuchungen von Materialeigenschaften unter extremen Bedingungen. Beispiele sind:
– Hydrierungen in der organischen Chemie, bei denen hohe Drücke die Reaktionsgeschwindigkeit und Ausbeute steigern.
– Polyethylen-Herstellung (LDPE-Verfahren): Ethylen wird bei Drücken bis zu 3000 bar (300 MPa) polymerisiert, um spezielle Materialeigenschaften zu erzielen.
– Phasendiagramm-Analysen: Bestimmung von Schmelz-, Kristallisations- und Übergangspunkten bei extremen Drücken.
– Mechanische Prüfungen (z. B. Kompressionsversuche) zur Erforschung der Festigkeit und
– Untersuchungen von Kristallstrukturen und Reaktionsmechanismen, etwa in der Geologie oder Materialwissenschaft, um das Verhalten von Stoffen im Erdmantel zu simulieren.
Autofrettage
– Die Autofrettage ist ein Verfahren zur Lebensdauerverlängerung von Hochdruckkomponenten (z. B. Rohre, Zylinder), indem diese gezielt mit sehr hohem Innendruck plastisch verformt werden.
– Hier werden Drücke von mehreren tausend bar eingesetzt, um im Werkstoff eine Druckeigenspannung zu erzeugen.
– Drucksensoren überwachen den exakten Druckverlauf während des Prozesses, um die gewünschte plastische Verformung zu erreichen, ohne die Bauteile zu beschädigen.
– Die Sensoren müssen sehr druckfest, schock- und vibrationsresistent sein.
Innenhochdruckumformung (IHU)
– Bei der IHU werden Hohlkörper (z. B. Rohre) durch innere Flüssigkeitsdrücke in eine Form gepresst. Drücke bis zu mehreren tausend bar (typisch 2000–4000 bar, also bis 400 MPa) sind üblich.
– Die Überwachung und Steuerung des Drucks sind entscheidend für die Qualität und Reproduzierbarkeit der Bauteile.
– Drucksensoren für die IHU sind für hohe Drücke und schnelle Druckanstiege ausgelegt, oft mit digitaler Signalverarbeitung und hoher Messgenauigkeit
Spritzguss
Drucksensoren werden auch im Spritzgussbereich eingesetzt, insbesondere zur Überwachung des Werkzeuginnendrucks während des Formgebungsprozesses. Im Hochdruck-Spritzguss werden Drücke von bis zu 2000 bar (200 MPa) erreicht, was hohe Anforderungen an die Sensoren stellt. Sie dienen der Prozesskontrolle, Qualitätsüberwachung und Optimierung der Zykluszeiten. Typische Anwendungen sind:
– Überwachung des Werkzeuginnendrucks zur Sicherstellung der Bauteilqualität und Reduzierung von Ausschuss.
– Optimierung der Füllung und Nachdruckphase für komplexe, detailreiche Kunststoffteile.
– Einsatz in Multikavitäten-Werkzeugen, wo sehr kleine, präzise Sensoren benötigt werden.
Drucksensoren bis 2000 MPa sind essenziell für sicherheitskritische und qualitätsrelevante Prozesse in der Hochdruckchemie, der Autofrettage und der Innenhochdruckumformung. Sie ermöglichen die präzise Überwachung und Steuerung extremer Drücke und müssen daher höchste Anforderungen an Beständigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen,
Zielgruppe sind Hersteller von Messgeräten und -systemen für die o.g. Anwendungen.
Verformbarkeit von Werkstoffen unter Hochdruck.
