Sensorbox an der Außenfassade: Werkstoffpaarung, Wärmedehnung und Dichtheit
Im NwT-Profil eines Gymnasiums soll eine Sensorbox entstehen, die zwei Jahre lang an einer Außenfassade die Temperatur und die Luftfeuchte misst. Die Box ist 300 mm lang, 200 mm breit und 120 mm hoch. Das Gehäuseunterteil wird im Spritzguss aus glasfaserverstärktem Polyamid (PA-GF30) gefertigt, der Deckel als Aluminium-Druckguss. Vier Edelstahlschrauben M4 halten den Deckel, dazwischen liegt eine O-Ring-Dichtung in einer Nut. Gefordert ist IP65, der Temperaturbereich reicht von −15 °C bis +55 °C, direkte Sonneneinstrahlung auf den dunklen Deckel ist möglich. Ein Mitschüler schlägt vor, den Deckel zusätzlich mit Silikon zu verkleben, damit die Dichtheit sicher erfüllt wird. Ein erster Prototyp mit einem Deckel aus demselben Kunststoff war nach einem Sommertag verzogen, ein zweiter mit verklebtem Deckel ließ sich nach einem Sensorfehler nicht mehr öffnen. Die Fachlehrkraft verlangt eine belastbare Begründung für Werkstoffpaarung und Fügeverfahren, weil die Box nach den Ferien ohne Nacharbeit dicht sein muss und im Unterrichtsbetrieb reparierbar bleiben soll.
1. Berechnen Sie die Längenänderung von Deckel und Gehäuse für einen Temperaturhub von 70 K und beurteilen Sie, welche Folgen die Differenz für die O-Ring-Dichtung und die vier M4-Schrauben hat.
Read the worked answer
Rechnung (ΔL = α · L · ΔT, L = 300 mm, ΔT = 70 K):
- Aluminium: α ≈ 23·10⁻⁶ K⁻¹ → ΔL ≈ 23·10⁻⁶ · 300 · 70 ≈ 0,48 mm
- PA-GF30: α ≈ 2–3·10⁻⁵ K⁻¹ in Faserrichtung → 0,42–0,63 mm; quer zur Faser 6–8·10⁻⁵ K⁻¹ → 1,26–1,68 mm
- Zusätzlich quillt PA bei Feuchteaufnahme um bis zu 0,3–0,5 %, auf 300 mm also bis zu ~1,5 mm.
Bewertung: Die Differenz liegt in der Größenordnung der O-Ring-Verpressung (typisch 0,3–0,6 mm). Der Deckel wandert gegenüber dem Gehäuse, der O-Ring wird geschert statt gleichmäßig verpresst, an einer Seite entlastet, an der anderen überpresst. Die Schrauben sind sehr steif; die Relativbewegung muss über Kriechen des Kunststoffs abgebaut werden, was bei 55 °C beschleunigt abläuft und die Vorspannung setzt. Folge: Undichtigkeit und Risse an den Schraubdomen.
Konsequenz für die Konstruktion: Die Nut für den O-Ring gehört in das Aluminiumteil, die Verpressung wird über Distanzhülsen (Compression Limiter) in den Schraubdomen definiert, die Bohrungen im Kunststoff werden als Langlöcher ausgeführt, damit die Bewegung aufgenommen wird.
2. Beurteilen Sie die Werkstoffpaarung Aluminiumdeckel/Edelstahlschrauben an einer Außenfassade und leiten Sie zwei konstruktive Gegenmaßnahmen ab.
Read the worked answer
Aluminium steht in der Spannungsreihe deutlich unedler als Edelstahl A2 (Differenz der Korrosionspotenziale etwa 0,5–0,7 V). An einer Außenfassade bildet sich bei Regen oder Kondensation ein Elektrolytfilm, der die beiden Metalle leitend verbindet; damit entsteht ein galvanisches Element. Das Aluminium wird zur Anode und korrodiert lokal, verstärkt dadurch, dass die Kathodenfläche (Schraube) groß und die Anodenfläche (Kontaktstelle am Gewinde) klein ist. Die Schraubdome sind zusätzlich Kerb- und Spannungsspitzen, dort beginnt der Angriff bevorzugt.
Gegenmaßnahmen:
- Galvanische Trennung: Kunststoff-Isolierscheiben und -buchsen unter Kopf und in der Durchführung, Schraube mit Dichtkappe überdecken.
- Kontaktfläche verkleinern und Wasser fernhalten: Labyrinth oder Dachrand über der Schraube, Entwässerungsbohrung, Schraube in ein Gewindeeinsatz aus Messing oder in eine Sacklochbohrung setzen, die nicht durchgängig ist.
Eine Verzinkung allein genügt nicht, weil sie im Kontakt mit Edelstahl ebenfalls angegriffen wird. Sauberer wäre eine Plus-Minus-Kombination mit geringer Potenzialdifferenz, etwa Aluminiumschrauben mit Beschichtung.
3. Entscheiden Sie begründet, ob der Deckel zusätzlich verklebt werden soll. Nennen Sie das entscheidende Kriterium und eine Alternative.
Read the worked answer
Das entscheidende Kriterium ist die Rangfolge der Anforderungen: Dichtheit (IP65) ist ein Muss, Reparierbarkeit ebenfalls, weil der Sensor im Schulbetrieb getauscht werden muss. Eine Klebung erfüllt die Dichtheit nur dann zuverlässig, wenn Oberflächenvorbehandlung, Primer, Fügedruck und Aushärtung kontrolliert ablaufen. Im Schulworkshop sind diese Randbedingungen nicht reproduzierbar, und es gibt keine zerstörungsfreie Prüfung der Klebnaht. Der Prototyp zeigt das Risiko: Eine fehlerhafte Klebung fällt erst nach Wochen auf, eine notwendige Öffnung zerstört Deckel oder Gehäuse.
Entscheidung: nicht kleben, sondern die Schraubverbindung mit definierter Verpressung und O-Ring wählen. Nur wenn Dichtheit und Reparierbarkeit gleichzeitig erfüllt sind, ist die Konstruktion tragfähig.
Alternativen: eine eingelegte Formdichtung mit größerem Querschnitt, die mehr Relativweg aufnimmt, oder eine Flüssigdichtung aus der Kartusche, die sich mechanisch wieder trennen lässt. Ergänzend ein Druckausgleichselement (Gore-Membran), damit Kondensat und Feuchtedrift die Messung nicht verfälschen.