Angst+Pfister AG

 In vielen industriellen Systemen treten kritische Belastungen an Stellen auf, an denen herkömmliche Sensoren schlichtweg nicht zuverlässig arbeiten können. Man denke an eine lasttragende Halterung in mobilen Arbeitsmaschinen: Vibrationen, Stössen, Feuchtigkeit und Verschmutzung ausgesetzt – und dennoch wird erwartet, dass sie präzise Messdaten für Steuerung und Optimierung liefert. 

Traditionelle Sensor-Setups stossen in diesen Umgebungen an ihre Grenzen. Sie benötigen Platz, Schutz und eine sorgfältige Positionierung, was oft eher zu zusätzlicher Komplexität führt, als sie zu lösen. Hier verändern smarte Elastomere den Ansatz grundlegend. 

Durch die Einbettung der Sensorik direkt in funktionale Materialien verwandeln sensorintegrierte Elastomere passive Komponenten in intelligente Systemelemente. Anstatt Sensoren zu einem System hinzuzufügen, wird das System selbst zum Sensor – dies ermöglicht Echtzeit-Überwachung in mechanischen Systemen, verbesserte Zuverlässigkeit und skalierbare vorausschauende Wartung mit eingebetteten Sensoren. 

Die Herausforderung  

Moderne mechanische Systeme erfordern kontinuierliche Einblicke in Kräfte, Vibrationen und Umgebungsbedingungen. Die Implementierung einer zuverlässigen Sensorik in diesen Systemen bleibt jedoch eine erhebliche technische Herausforderung. 

Herkömmliche Lösungen – wie Kraftmesszellen oder externe Beschleunigungssensoren – bringen mehrere Einschränkungen mit sich: 

• Einbaubeschränkungen: Grosse, starre Komponenten benötigen definierten Bauraum. 

• Vibrationsempfindlichkeit: Mechanische Stösse können die Genauigkeit beeinträchtigen oder Sensoren beschädigen. 

• Umwelteinflüsse: Staub, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen erfordern Schutzgehäuse. 

• Systemkomplexität: Getrennte Sensor- und Dämpfungskomponenten erhöhen den Integrationsaufwand. 
   

Diese Einschränkungen sind besonders kritisch bei der Messung der Lastpfadüberwachung, wo Kräfte exakt am Punkt der Übertragung erfasst werden müssen. 

Selbst alternative Ansätze wie leitfähige Elastomere oder gedruckte Sensoren greifen zu kurz, da sie unter Drift, geringer Robustheit oder begrenzter Überlastfähigkeit leiden. 

Die Lösung  

Sensorintegrierte Elastomere überwinden diese Einschränkungen, indem sie die Sensorik direkt in das Elastomerbauteil einbetten. Dieser Ansatz ermöglicht eine nahtlose Kombination aus mechanischer Funktion und Datenerfassung. 

Kern dieser Innovation ist die proprietäre Load Sensing Elastomer (LSE) Technologie. 

1. Eine Komponente, voll integriert  

Das Elastomer fungiert gleichzeitig als: 

• Ein Dämpfungselement. 

• Ein Sensor für Kraft und Systemverhalten. 

Die gesamte Sensorelektronik ist vollständig in den kompakten, ultradünnen Sensor integriert, was bedeutet: 

• Es ist nur eine externe Schnittstelle (Kabel) erforderlich. 

• Keine separate Elektronik oder externe Signalaufbereitung notwendig. 

• Die Einbauposition ist durch das Bauteil selbst vorgegeben. 

Dies reduziert die Integrationskomplexität erheblich und gewährleistet eine konsistente Messposition. Das Ergebnis ist ein echtes smartes Elastomer – ein Strukturbauteil, das Daten generiert. 
 

2. Ultradünnes und skalierbares Design  

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist die extrem dünne Sensorarchitektur, die eine Integration dort ermöglicht, wo herkömmliche Sensoren nicht eingesetzt werden können: 

• Die Sensordicke kann unter 1 mm liegen, was die Einbettung in enge Geometrien erlaubt. 

• Ideal für Anwendungen mit begrenztem Bauraum oder strengen Gewichtsvorgaben. 

Zudem ist die Technologie hochgradig skalierbar: 

• Kraftmessbereiche von wenigen Gramm bis zu mehreren Kilogramm und darüber hinaus. 

• Geometrie und Grösse können an spezifische Anwendungsanforderungen angepasst werden. 
   

3. Genauigkeit durch integrierte Algorithmen  

Der Sensor enthält integrierte Algorithmen und Signalverarbeitung, die direkt im System eingebettet sind. Diese Algorithmen: 

• Kompensieren Hysterese, Drift und Nichtlinearität. 

• Verbessern die Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit. 

• Ermöglichen eine stabile Datenerfassung unter dynamischen Lasten. 

Dies gewährleistet eine zuverlässige Echtzeit-Überwachung in mechanischen Systemen, selbst unter stark variierenden Bedingungen. 
 

4. Multiparameter-Sensorik und funktionale Fähigkeiten 

Über die Kraftmessung hinaus ermöglicht das System eine echte Multiparameter-Sensorik, einschliesslich: 

• Kraft (statisch und dynamisch) 

• Vibration und Beschleunigung (bis zu ±16 g) 

• Winkelbewegung (gyroskopische Erfassung bis zu ±2000 dps) 

• Temperatur 

• Zyklenzählung (z. B. Rotationen, Oszillationen, repetitive Bewegungen) 

• Überlasterkennung mit schwellenwertbasierten Warnungen 

Dies ermöglicht eine fortschrittliche Zustandsüberwachung mit Elastomeren, indem mehrere Sensorfunktionen in einem einzigen kompakten Bauteil kombiniert werden. 
 

5. Gebaut für raue Betriebsbedingungen 

Die Elastomer-Verkapselung bietet einen intrinsischen Schutz gegen: 

• Feuchtigkeit und Nässe (bis zu 95 % rH) 

• Staub und Verschmutzung 

• Mechanische Stösse und Vibrationen 

• Temperaturschwankungen 

Damit ist die Technologie ideal für Anwendungen mit kontinuierlicher Vibration, im Aussenbereich oder in industriellen Umgebungen geeignet, in denen herkömmliche Sensoren einen komplexen Schutz erfordern würden. 
 

6. Flexible Nutzung: Eingebettet oder Standalone 

Obwohl für die Integration in Elastomerbauteile optimiert, kann der Sensor auch wie folgt verwendet werden: 

• Als eigenständiges Sensorelement 

• Integriert in andere mechanische Strukturen 

• Eingeklebt in Baugruppen ohne vollständige Elastomer-Ummantelung 

Diese Flexibilität erweitert die Anwendbarkeit über klassische Elastomer-Anwendungsfälle hinaus. 
 

7. Fertigungskompetenz: Den Elastomerprozess überstehen 

Eine kritische Herausforderung bei der Entwicklung sensorintegrierter Elastomere ist der Integrationsprozess selbst. Die Elastomerherstellung – insbesondere die Vulkanisation – setzt Komponenten hohen Temperaturen, hohem Druck und chemisch aggressiven Umgebungen aus. 

Bei herkömmlicher Elektronik führt dieser Prozess typischerweise zu Materialverschlechterung, Verlust der Signalintegrität oder zum vollständigen Sensorausfall. Angst+Pfister hat proprietäres Design- und Prozess-Know-how entwickelt, das es Sensoren ermöglicht, die Vulkanisation ohne Funktionsverlust zu überstehen. 

Dies beinhaltet: 

• Spezialisierte Sensorarchitekturen, die an die Elastomerverarbeitung angepasst sind 

• Robuste Verkapselungsstrategien 

• Kontrollierte Fertigungsprozesse, die Wiederholbarkeit gewährleisten 

Diese Fähigkeit ist ein wesentlicher Wegbereiter für zuverlässige eingebettete Sensoren in mechanischen Komponenten und ein wichtiges technologisches Differenzierungsmerkmal. 

Über die Spezifikationen auf Komponentenebene hinaus wird die Leistung durch anwendungsspezifische Tests validiert. Angst+Pfister betreibt eigene hauseigene Prüfstände, die Folgendes ermöglichen: 

• Validierung unter realen Betriebsbedingungen (Last, Vibration, Temperatur) 

• Kalibrierung und Optimierung für spezifische Anwendungen 

• Verifizierung des Langzeitverhaltens, einschliesslich Zyklenzahlen und Überlastszenarien 

Dies stellt sicher, dass die Lösungen nicht nur konzeptionell fundiert sind, sondern vor dem Einsatz getestet und nachweislich funktionsfähig sind. 

Anwendungsfall: Lastüberwachung in mobilen Arbeitsmaschinen 

Herausforderung:

Ein Transportsystem benötigt eine kontinuierliche Überwachung der Lastkräfte unter dynamischen Bedingungen. Das System arbeitet unter Vibrationen, Stössen und Verschmutzung bei begrenztem Bauraum. 

Lösung:

Ein Lastmess-Elastomer (LSE) ersetzt die herkömmliche Halterung. Das integrierte System: 

• Misst die Kraft direkt im Lastpfad. 

• Erkennt Vibrationen und Systemverhalten. 

• Verfolgt Zyklenzahlen (z. B. repetitive Bewegungen). 

• Gibt Überlastwarnungen aus, wenn Schwellenwerte überschritten werden. 

Ergebnis: 

• Präzise Messung unter realen Betriebsbedingungen 

• Vereinfachte Integration mit einer einzigen Komponente 

• Reduzierte Fehlerquellen und Wartungsaufwand 

• Kontinuierliche Daten ermöglichen vorausschauende Wartung mit eingebetteten Sensoren. 
  

Vom Konzept zum Bauteil: Verfügbare Sensorplattformen

Um diese Technologie in reale Anwendungen zu überführen, stehen mehrere Sensorplattformen zur Verfügung:

• APF-SEB Serie (Kraftmess-Elastomer)

  • Integrierte Kraftmessung bis 200 N

  • IP67-Schutz

  • Kombiniert Dämpfung und Sensorik in einem Bauteil

• APV-SEB Serie (Vibrations- & Multiparameter-Sensor)

  • 3-Achsen-Beschleunigungs-, Gyroskop- und Temperaturmessung

  • Schockfestigkeit bis zu 10.000 g

  • Geeignet für fortschrittliche Multiparameter-Erfassung

• APF-UF Serie (Ultradünner Kraftsensor)

  • Sensordicke unter 1 mm

  • Entwickelt für stark eingeschränkte Installationsumgebungen

  • Hohe Überlastfähigkeit bis zu 1000 % FS
    

Wann man Smarte Elastomere einsetzt 

Sensorintegrierte Elastomere sind besonders wertvoll in Anwendungen, bei denen: 

• Messungen unter kontinuierlicher Vibration erforderlich sind 

• Der Bauraum begrenzt oder gewichtssensibel ist 

• Systeme in rauen Umgebungen (Feuchtigkeit, Staub, Erschütterungen) arbeiten 

• Eine Lastpfadüberwachung direkt innerhalb von Strukturbauteilen erforderlich ist 

• Zykluszählungen oder Bewegungs-Tracking relevant sind 

• Eine Überlasterkennung für die Sicherheit oder den Systemschutz erforderlich ist 

Fazit

Smarte Elastomere stellen einen grundlegenden Wandel im mechanischen Systemdesign dar. Durch die direkte Integration der Sensorik in funktionale Materialien erübrigen sie separate Sensoren, während sie gleichzeitig die Robustheit verbessern und die Systemarchitektur vereinfachen. 

Mit Merkmalen wie: 

• Ultradünnes, skalierbares Design 

• Vollständig integrierte Elektronik mit einer einzigen Schnittstelle 

• Multiparameter-Sensorik und eingebettete Algorithmen 

• Zuverlässige Leistung in rauen Umgebungen 

– kombiniert mit hauseigener Fertigungsexpertise und Validierung durch interne Prüfstände – bieten diese Systeme nicht nur Integrationsvorteile, sondern auch bewährte Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen. 

Da sich Systeme kontinuierlich in Richtung höherer Integration und Intelligenz weiterentwickeln, werden sensorintegrierte Elastomere eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung effizienter, datengesteuerter technischer Lösungen spielen. 

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Was sind Smarte Elastomere?
   Smarte Elastomere sind Elastomerkomponenten mit integrierten Sensor- und Signalverarbeitungsfunktionen, die eine Echtzeitüberwachung in mechanischen Systemen ermöglichen.

2. Was ist ein lastmessendes Elastomer?
   Ein lastmessendes Elastomer ist eine strukturelle Elastomerkomponente, die die Kraft direkt im Lastpfad misst, wodurch externe Sensoren überflüssig werden.

3. Wie dünn können diese Sensoren sein?
   Ultradünne Versionen können weniger als 1 mm dick sein, was sie ideal für Anwendungen mit stark begrenztem Platzangebot macht.

4. Welche Zusatzfunktionen sind über die Kraftmessung hinaus möglich?
   Diese Systeme ermöglichen Multiparameter-Sensorik, einschliesslich Vibration, Beschleunigung, Temperatur, Zykluszählungen und Überlasterkennung. 

5. Kann der Sensor auch ohne Elastomerintegration verwendet werden?
   Ja. Der Sensor kann auch als eigenständige Komponente verwendet werden und bietet dadurch Flexibilität bei der Systemgestaltung. 

6. Wie wird die Zuverlässigkeit in realen Anwendungen gewährleistet?
   Die Zuverlässigkeit wird durch spezialisierte Herstellungsprozesse (einschliesslich Vulkanisationskompatibilität) und die Validierung mit hauseigenen Prüfständen unter realen Betriebsbedingungen sichergestellt. 

Über den Autor 

Michael Tester ist Leiter der Abteilung Sensor Design Engineering bei Angst+Pfister Sensors and Powers und verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der Verbindung von Spitzentechnologie und Materialwissenschaft. Er ist spezialisiert auf die Entwicklung integrierter Sensorplattformen, die passive mechanische Komponenten in intelligente, datenerzeugende Systeme für raue industrielle Umgebungen verwandeln.