PC-Teilscheiben (Polycarbonat): Wo Kunststoff-Codescheiben passen

PC-Teilscheiben (Polycarbonat) sind leicht, bruchfest und kostengünstig und eignen sich für die Großserienfertigung. Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt jedoch etwa das 7- bis 8-Fache von Kalk-Natron-Glas, und Temperaturbeständigkeit sowie Genauigkeit erreichen nicht das Niveau von Glas. Dieser Artikel erläutert anhand von Rechenbeispielen Stärken und Schwächen von PC-Scheiben sowie geeignete und ungeeignete Einsatzfälle.

Öffnet man den kleinen Drehgeber in einem Drucker, findet man oft eine dünne, leichte Kunststoffscheibe. Anders als eine Glasscheibe verträgt sie Stürze, und sie ist günstig – in hochgenauen Servomotoren sieht man sie dennoch selten. Wo eine PC-Scheibe passt, hängt vom Charakter des Werkstoffs selbst ab.

Was eine PC-Scheibe ist

PC, also Polycarbonat, ist ein transparenter, zäher technischer Kunststoff. PC-Scheiben arbeiten meist im Durchlicht: Das Substrat lässt Licht durch, das Muster auf der Scheibe schirmt es ab – dasselbe Abtastprinzip wie bei Glasscheiben.

Stärken: leicht, sturzfest, günstig

• Leicht: Kunststoff ist leichter als Glas, die Scheibe hat ein geringes Trägheitsmoment – vorteilhaft für kleine Motoren und Geräte mit geringer Leistung.
• Bruchfest: PC ist zäh und zerbricht oder bricht an den Kanten bei Sturz und Stoß nicht so leicht aus (Bild 1 oben). Auch Verluste bei Transport und Montage sind geringer.
• Kostengünstig: Geeignet für Großserien mit niedrigen Kosten, mit Vorteilen bei den Stückkosten.

Schwäche 1: große Wärmeausdehnung

Der lineare Ausdehnungskoeffizient von PC beträgt etwa 65–70 ×10⁻⁶/K, der von Kalk-Natron-Glas etwa 9 und der von Borosilikatglas etwa 3,3. Radiusänderung am Radius 20 mm bei 60 K Temperaturanstieg:

Dehnt sich die Scheibe gleichmäßig aus, ändern sich die Winkelpositionen der Striche nicht. Die Probleme liegen anderswo:

1. Andere Ausdehnung als Nabe und Welle. Angenommen, die Scheibe ist am Radius 5 mm mit einer Aluminiumnabe verklebt. Aluminium dehnt sich mit etwa 23 aus; bei 60 K Anstieg beträgt der Radiusunterschied etwa (70 − 23) × 10⁻⁶ × 5 mm × 60 ≈ 14 μm. Diese Differenz nimmt die Klebeschicht auf; nach wiederholten Temperaturwechseln kann sie zu Spannungen, Kriechen der Klebeschicht oder einer Änderung der Exzentrizität führen.
2. Die Spur wandert insgesamt nach außen. Bei 60 K Anstieg verschiebt sich die Spur am Radius 20 mm um etwa 84 μm nach außen. Der Abtastkopf steht still und blickt nun auf Material, das zuvor etwa 84 μm weiter innen lag. Die Teilungsperiode beträgt weiterhin 2πr ÷ N und passt daher weiterhin zum Abtastgitter; bei schmalen Spuren oder Absolutscheiben mit mehreren nebeneinanderliegenden Spuren muss diese Reserve jedoch radial vorgehalten werden.
3. Ungleichmäßige Ausdehnung. Erst wenn die Spritzgussschwindung ungleichmäßig ist, die Nabe die Scheibe behindert oder ein großer Temperaturunterschied zwischen innen und außen besteht, dehnen sich die Bereiche unterschiedlich aus – und erst dann verschieben sich die Strichwinkel tatsächlich.

Schwäche 2: Temperatur, Genauigkeit und Oberfläche

• Temperaturbeständigkeit: PC erweicht bei viel niedrigerer Temperatur als Glas. Die Dauergebrauchstemperatur ist für das konkrete Material zu prüfen; für die Nähe starker Wärmequellen ist es ungeeignet.
• Genauigkeit und Strichzahl: Die Maßstabilität des Werkstoffs liegt unter der von Glas, zudem nimmt er etwas Wasser auf. PC-Scheiben werden daher meist bei niedrigerer Strichzahl und größerer Teilungsperiode eingesetzt. Je größer die Teilungsperiode, desto kleiner der Anteil, den dieselbe ungleichmäßige Verformung an ihr ausmacht, und desto geringer der Einfluss.
• Oberfläche: Die PC-Oberfläche ist relativ weich und verkratzt leicht; manche organischen Lösungsmittel wie Aceton lassen PC weiß anlaufen oder sogar reißen. Vor dem Reinigen ist zu prüfen, ob das Lösungsmittel geeignet ist.

Wo PC passt

Ein typisches Beispiel ist der Drucker: Der Druckschlitten nutzt einen Codestreifen, der Papiervorschub eine Codescheibe, häufig auf Kunststoffsubstrat. Auch bei anderen kostensensiblen Drehzahl- und Positionserfassungen an Motoren mit geringen Auflösungsanforderungen kommen PC-Scheiben oft in Betracht.

Fazit

PC-Scheiben sind leicht, bruchfest und kostengünstig; ihre Schwächen sind die große Wärmeausdehnung sowie eine geringere Temperaturbeständigkeit und Genauigkeit als Glas. Bei niedriger Strichzahl, geringen Temperaturänderungen und Kostendruck sind sie gut geeignet; bei hoher Auflösung, hoher Genauigkeit oder hoher Betriebstemperatur sind Glas- oder Metallscheiben vorzuziehen.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0015). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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