Dichtungstechnik Jahrbücher

DICHTUNGSTECHNIK JAHRBUCH 2019

Karl-Friedrich Berger / Sandra Kiefer (Hrsg.)
512 Seiten, vierfarbig, Softcover, Mannheim, 2018

Preis:
€ 59,00
ISBN:
978-3-946260-02-8

Themenbereiche

Trends, Dienstleistungen, Rohstoffe, Mischungen, Halbzeuge, Statische Dichtungen, Formteile, Profile, Dynamische Dichtsysteme, Flüssigdichtsysteme, Klebetechnik, Maschinen und Anlagen, Mess- und Prüftechnik

Kurzbeschreibung

Neben Grundlagen, Informationen über den Entwicklungsstand mit detaillierten Fachbeiträgen aus Wissenschaft und Praxis vermittelt das DICHTUNGSTECHNIK JAHRBUCH 2019 wertvolles Basiswissen, neue Forschungserkenntnisse und in der Praxis bewährte Lösungen. Jeder Fachbeitrag ist in sich geschlossen und beleuchtet unterschiedliche Aspekte. Wie zuvor haben wir die Artikel thematisch nach Produktgruppen und Bereichen gegliedert. Die einzelnen Fachbeiträge geben branchenübergreifend Impulse und Lösungen für Ihre tägliche Arbeit und Entwicklungen. Das Standardwerk im Bereich Dichten. Kleben. Polymer. bietet einen guten Einblick in die verschiedenen Werkstoffe Dicht- und Klebesysteme sowie deren vor- und nachgelagerten Prozessstufen. Die Ergebnisse der großen ISGATEC Umfrage „Das bewegt den Markt im Bereich Dichten. Kleben. Polymer.“ sind ebenfalls wieder enthalten. Die Einschätzungen der in Summe mehr als 500 Experten bieten einen interessanten Blick in den Markt, die Trends und Herausforderungen. Hier sind alle Teilumfragen zusammengefasst, die wir in den den letzten zwölf Monaten durchgeführt haben.

Fachartikel:

Trends / Dienstleistungen:

Die Zeiten werden nicht ruhiger – seien es die großpolitische Wetterlage bis hin zu drohenden Handelskriegen oder hin zu den steigenden Anforderungen an nahezu alle Produkte – und damit auch an Dichtungen und Verklebungen. Wie jedes Jahr haben wir Experten auf der Anwender-  und Herstellerseite zu ihren Einschätzungen befragt. Die Ergebnisse zu den fünf Umfragen seit Herbst 2017 sind hier komprimiert zusammengefasst und ergeben wieder ein umfangreiches und vielschichtiges Bild. An den Umfragen haben in Summe wieder mehr als 600 Personen teilgenommen. Wie üblich mussten nicht alle Fragen beantwortet werden und bei verschiedenen Fragen waren Mehrfachnennungen möglich. [...]

Sandra Kiefer, Karl-Friedrich Berger, Holger Best (ISGATEC GmbH)

Bezüglich der Auslegung der rechtlichen Begriffe „anerkannte Regeln der Technik“, „Stand der Technik“ und „Bestandsschutz“ kommt es immer wieder zu Diskussionen, die meistens auf Basis einer Auslegung nach Wissen der Diskutierenden geführt werden. Rechtsbegriffe sind aber eindeutig und deshalb sollte ihre tatsächliche Bedeutung bekannt sein.

Normen sind anerkannte Regeln der Technik und damit anerkannte, dokumentierte Festlegungen, in denen eine Mehrheit repräsentativer Fachleute den Stand der Technik wiedergibt. Sie entsprechen dem Stand der Technik zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung. Beispiele sind Normen (DIN, EN, ASME, ISO, …), VDI-Richtlinien, das DVGW Regelwerk, das AD 2000-Regelwerk etc. Sie sollen der Öffentlichkeit zugänglich sein und müssen, um mit dem Stand der Technik Schritt halten zu können, regelmäßig überarbeitet werden. Sind sie vereinbart, kann eine Nichteinhaltung zu rechtlichen Konsequenzen, bei Gefährdung von Leib und Leben sogar zu Geld- oder Freiheitsstrafen bis zu fünf Jahren führen. Es gibt allerdings auch Einschränkungen: So kann man, z.B. nach einer Gefährdungsanalyse, von ihnen abweichen.

Verbindlichkeit von Normen
Üblicherweise sind Normen von empfehlendem Charakter. Eine Anwendung ist nicht zwingend, ausgenommen, sie sind Bestandteil von Gesetzen und Vorschriften. Sie sollten jedoch als Mindeststandard bei Abweichungen von ihnen gelten. Bild 1 zeigt die Abstufung von Gesetzen über Richtlinien bis hin zu Normen und die Verbindlichkeit zur Anwendung. Für die Umsetzung der europäischen Richtlinien kann in einer Norm (EN) ein Anhang ZA aufgeführt sein. Dieser Anhang stellt die Norm oder Teile der Norm in die Verbindlichkeit zur europäischen Richtlinie. Man spricht von der Auslösung der Konformitätsvermutung zur jeweiligen Richtlinie. In diesen Fällen ersetzt die Norm die regionalen Gesetze und Richtlinien und tritt an deren Stelle. In Deutschland wird die Norm durch Veröffentlichung im Ministerialblatt verbindlich. [...]

Peter Thomsen (Lannewehr + Thomsen GmbH & Co. KG)

Was Dichtungen alles können müssen, ist nicht hoch genug zu bewerten. Obwohl sie als klassische C-Teile gelten, müssen sie A-Funktionen übernehmen. So sollen sie möglichst den ewigen Zielkonflikt zwischen hervorragender Dichtwirkung, niedrigster Reibung und geringstmöglichem Verschleiß auflösen. Und das bei immer mehr neuen und komplexeren Anwendungen, neuen Materialien und Werkstoffen sowie neuen Geometrien für Bauteile und Dichtungen. Eine Beschichtung mit Gleitlack bringt Elastomerdichtungen allen konkurrierenden Zielen näher. Diese Nachbehandlung und Veredelung eignet sich für Großserien genauso wie für Kleinstmengen ab Losgröße 1.

Wer früher das Handschuhfach im Auto geöffnet hat, kennt es noch: Mit einem Krachen rauscht es samt Inhalt nach unten – gehalten, nur von zwei Bändern. Genauso der Haltegriff am Dachhimmel: Hat man ihn losgelassen, ist er mit einem lauten Klack in die Ruhestellung zurückgeschnappt. Und zu Hause in der Küche oder im Wohnzimmer war es das Gleiche: Schubladen und Schranktüren schließen mit lautem Knall, ungebremst. Mit heutigem Komfortverständnis ist das nicht mehr vereinbar. Kein Auto oder Möbelhersteller würde sich mit solcher Technik auf den Markt wagen. Das Handschuhfach gleitet heute sanft nach unten, der Haltegriff wird gebremst und geräuschlos in die Ursprungsstellung zurückgeführt, Schubladen und Schranktürengleiten behutsam und lautlos in die jeweilige Endposition. Verantwortlich dafür sind Dämpfer, deren Kolben mit leistungsfähigen Dichtungen ausgestattet sind. Und auch eventuelle Geräusche der Dichtungen in Funktion sind heute deutlich niedriger oder sogar vollständig verschwunden. Das ist im Automobil sowie in der Möbelbranche immens wichtig. Gerade im Innenraum der Autos ist es heute immer leiser. Unvorstellbar, dass eine quietschende Dichtung diese Atmosphäre beeinträchtigt. [...]

Heiko Friedrich (OVE Plamatec GmbH)

Bei immer mehr technischen Fragestellungen liefert nicht eine Fügetechnologie die Lösung – sondern die Kombination mehrerer in einem Konzept. Die Batteriemontage für Elektrofahrzeuge ist hierfür ein Beispiel. In einem Innovationszentrum entwickelt und vorgestellt, gibt dieses Konzept auch Impulse für die Lösung anderer Fragestellungen.

Der weltweite Trend zur Elektromobilität verändert die Automobilproduktion derzeit radikal. Der teilweise oder ausschließlich elektrische Antrieb von Fahrzeugen verändert die Konstruktionen schneller als jede andere Innovation der vergangenen Jahrzehnte. In den Antriebssträngen werden zahlreiche unterschiedliche Batterietypen eingesetzt. Sie müssen bestimmte Aufgaben erfüllen und in puncto Langlebigkeit, Leistung und Sicherheit immer weiter verbessert werden. Denn die Batterie wird bei Elektroautos zu einem strukturellen Bestandteil. Sie muss bestimmte, konstruktiv wichtige Funktionen übernehmen und bei einem Unfall Sicherheit bieten. Intelligente Fügetechnologien können Hersteller dabei unterstützen, diese Ziele zu erreichen, und sie können einen produktiven Montageprozess mit einem leistungsfähigen Endprodukt ermöglichen.

Bei dem im unternehmenseigenen Innovationszentrum gezeigten Konzept zur Batteriefertigung sind verschiedene Fügetechniken und Montageprozesse an einer Antriebsbatterie zusammengefasst. Entscheidend bei diesem Konzepte war die Praxisnähe und die Erkenntnis, dass eine Technologie allein nicht die Lösung ist, um Batterien wirtschaftlich und nachhaltig zu montieren: Alle Stationen sind als reale Anwendungen in der Industrie zu finden. [...]

Ralf Hellwig (ZITEC-Brammer)

Bei immer mehr technischen Fragestellungen liefert nicht eine Fügetechnologie die Lösung – sondern die Kombination mehrerer in einem Konzept. Die Batteriemontage für Elektrofahrzeuge ist hierfür ein Beispiel. In einem Innovationszentrum entwickelt und vorgestellt, gibt dieses Konzept auch Impulse für die Lösung anderer Fragestellungen.

Der weltweite Trend zur Elektromobilität verändert die Automobilproduktion derzeit radikal. Der teilweise oder ausschließlich elektrische Antrieb von Fahrzeugen verändert die Konstruktionen schneller als jede andere Innovation der vergangenen Jahrzehnte. In den Antriebssträngen werden zahlreiche unterschiedliche Batterietypen eingesetzt. Sie müssen bestimmte Aufgaben erfüllen und in puncto Langlebigkeit, Leistung und Sicherheit immer weiter verbessert werden. Denn die Batterie wird bei Elektroautos zu einem strukturellen Bestandteil. Sie muss bestimmte, konstruktive wichtige Funktionen übernehmen und bei einem Unfall Sicherheit bieten. Intelligente Fügetechnologien können Hersteller dabei unterstützen, diese Ziele zu erreichen, und sie können einen produktiven Montageprozess mit einem leistungsfähigen Endprodukt ermöglichen.

Bei dem im unternehmenseigenen Innovationszentrum gezeigten Konzept zur Batteriefertigung sind verschiedene Fügetechniken und Montageprozesse an einer Antriebsbatterie zusammengefasst. Entscheidend bei diesem Konzepte war die Praxisnähe und die Erkenntnis, dass eine Technologie allein nicht die Lösung ist, um Batterien wirtschaftlich und nachhaltig zu montieren: Alle Stationen sind als reale Anwendungen in der Industrie zu finden.

Bei einigen wurden zur Verdeutlichung der jeweiligen Kernaussagen Prozessparameter abgewandelt. Zu den Montageschritten zählen u.a.:

• die Verklebung der einzelnen Batteriezellen – den Herzstücken des Batteriepacks – zu Zellstapeln,

• die Fertigung der Zellmodule unter Einsatz des Stanznietens,

• das Auftragen einer Wärmeleitpaste mit speziell konstruierter Dosiertechnik,

• die Modulmontage mit einem Vierfach-Schraubsystem,

• die Abdichtung der Gehäuseabdeckung sowie

• die Montage des Deckels mit Fließlochschrauben.

Diese Fügetechniken zusammen ergeben ein Konzept, das eine effiziente Batteriemontage aus einer Hand erlaubt. [...]

Udo Mößner (Atlas Copco IAS GmbH)
Rohstoffe / Mischungen / Halbzeuge:

An die Antriebstechnik werden hinsichtlich Effizienz, Dichtheit und Zuverlässigkeit hohe Ansprüche gestellt. Das betrifft auch die hier eingesetzten Dichtungen. Anwender stehen allerdings bei der Auswahl von geeigneten Elastomer-Dichtungswerkstoffen häufig vor dem Problem, aus einem teilweise sehr umfangreichen Produktportfolio bei einer Vielzahl von Lieferanten den für die jeweilige Anwendung geeigneten Dichtungswerkstoff herauszufinden. Neben verschiedenen Elastomer-Typen, wie z.B. NBR, EPDM oder FKM, gibt es unterschiedliche Härten (wie z. B. 70 Shore A oder 90 Shore A), unterschiedliche Farben oder Merkmale, wie z.B. Eignung für Lebensmittelkontakt oder Medien-Beständigkeiten. Nicht immer ist sofort ersichtlich, dass der eingesetzte Dichtungswerkstoff für die Anwendung nicht geeignet ist, denn nicht selten tritt die Undichtigkeit schleichend auf. Eine systematische Vorgehensweise hilft Anwendern, den optimalen Werkstoff für die spezielle Anwendung zu finden.

Bei der Werkstoff-Auswahl einer Elastormerdichtung sind verschiedene Parameter von Bedeutung:

• Dichtungswerkstoff bzw. Elastomertyp,

• Einsatztemperatur,

• Medienkontakt,

• mechanische Eigenschaften,

• Freigaben/Zulassungen,

• Einbauräume.

Dichtungswerkstoff
Tabelle 1 zeigt typische Elastomer-Werkstoffe, die für Dichtungsaufgaben Verwendung finden. Aufgeführt sind neben der Kurzbezeichnung nach DIN ISO 1629 auch die chemische Bezeichnung dieses Werkstoffs und einige typische Handelsbezeichnungen. Anzumerken ist, dass ein Dichtungswerkstoff nicht nur aus dem Basis-Elastomer oder – genauer gesagt – Kautschuk besteht. Darüber hinaus besteht ein Werkstoff auch noch aus diversen zusätzlichen Mischungsbestandteilen, wie z.B. Füllstoffen Verarbeitungshilfsstoffen, Weichmachern sowie Vernetzern, um nur einige zu nennen (Tabelle 2). [...]

Dipl.-Ing. (FH) Michael Krüger (C. Otto Gehrckens GmbH & Co. KG)

Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit entscheiden maßgeblich über die Wirtschaftlichkeit industrieller Fertigungsprozesse. Deshalb sind überall dort, wo Maschinen und Werkzeuge reibungslos und ohne Anhaftungen oder Ablagerungen dauerhaft funktionieren müssen, Beschichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) etablierter Standard. Die vielen Möglichkeiten, die man heute bei Beschichtungen hat, zeigen auch, was bei abdichtenden Funktionsbauteilen möglich ist.

Ob Marzipan, Schaumstoffblöcke, Printen, Reifen, Torteletts oder Wellpappe: SteigendeAnsprüche an die Effizienz ihrer Herstellungsprozesse stellen die dabei eingesetzten Anlagen und Werkzeuge permanent auf Bewährungsprobe. Anhaftung an Walzen, Blechen oder Formen gilt es ebenso zuverlässig zu vermeiden wie Materialaufbau an Maschinen und Anlagenteilen. Messer müssen optimal durch dicke, schnitt zähe Produkte gleiten und dabei Abrasion und Korrosion dauerhaft widerstehen. Hohe Prozesstemperaturen und -geschwindigkeiten oder chemische Belastung dürfen die Leistungsfähigkeit der Komponenten überdies nicht beeinträchtigen. Zielvorgaben für eine wettbewerbsfähige Produktion sind konstant hohe Produktqualität, problemloses Entformen sowie minimaler Reinigungs- und Instandhaltungsaufwand. Nicht zuletzt sollen die Prozesse umweltschonend sein, also der Einsatz von Verbrauchsgütern wie Trennmitteln und deren Entsorgung minimiert werden.

Beschichtungen aus Polytetrafluorethylen tragen durch ihr vielseitiges Eigenschaftsspektrum entscheidend zu dieser geforderten Produktions- und Anlagensicherheit bei. Neben rein industriellen Anwendungen gibt es physiologisch unbedenkliche und FDA-konforme PTFE-Schichten, die für den Kontakt mit Trinkwasser oder Lebensmitteln prädestiniert sind. Ihre wachsartige, hydrophobe Oberfläche verhindert das Anhaften klebriger Produkte – ein Vorteil, den sie, z.B. bei der Herstellung von Back- und Süßwaren, in Zuführtrichtern oder Walzen, auf Blechen und Prozessbändern, ausspielen. Durch den sehr geringen Reibungskoeffizienten der Beschichtung lösen sich klebrige oder zähflüssige Substanzen von allein. [...]

Alexander Kalawrytinos (Pallas GmbH & Co. KG)

Hitzebeständige Elastomere werden in alltäglichen Gebrauchsgegenständen immer wichtiger. Die Antwort auf die steigende Nachfrage ist z.B. ein additionsvernetzender Festsiliconkautschuk, der hinsichtlich seiner Temperaturbeständigkeit derzeit die Grenze des Machbaren markiert.

Backöfen sind heute die Tausendsassas unter den Küchengeräten. Sie müssen weit mehr können als nur backen und braten. Bereits einfachere Mittelklasseöfen bieten diverse Zusatzfunktionen wie Dünsten, Garen oder Grillen. Und dieser Trend zum Multifunktionsgerät hält weiter an. Backöfen mit integrierter Mikrowellen-, Selbstreinigungs- oder Dampfgarfunktion sind gefragt wie nie. Mit der Funktionsvielfalt steigen aber auch die Anforderungen an die im Gerät verbauten Materialien. Das gilt insbesondere für deren Hitzebeständigkeit. Gummielastische Bauteile etwa müssen immer häufiger und während zunehmend längerer Phasen Temperaturen von 300 °C und mehr standhalten. Organische Elastomere sind solchen Einsatzbedingungen oft nicht mehr gewachsen. Selbst Silicone stoßen an ihre Grenzen, wenn sie nicht mithilfe von geeigneten Additiven dafür entsprechend ausgelegt sind.

Eine Lösung bietet ein Festsiliconkautschuk, der im Zusammenspiel mit speziellen Hitzestabilisatoren auch über längere Zeiträume hohen Temperaturen widersteht. Schläuche, Profile und Dichtungen (Bild 1) aus ELASTOSIL® R plus 4350/55 behalten auch nach 170 h bei Temperaturen von bis zu 300 °C ihre elastischen Eigenschaften bei. Der Werkstoff vernetzt durch eine platinkatalysierte Additionsreaktion und lässt sich mittels Extrusion sehr gut verarbeiten. Weil bei der Vernetzung keine geruchs- oder geschmacksbeeinträchtigenden Spaltprodukte entstehen, besteht wachsendes Interesse an solchen hitzebeständigen Festsiliconen. Das gilt insbesondere für Anwendungen im Lebensmittelbereich, wofür sich getemperte Vulkanisate aus diesem Werkstoff ebenfalls eignen. Diese erfüllen die einschlägigen Vorschriften des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) und der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) und gelten somit als lebensmittelverträglich. [...]

Dr. Christian Anger (Wacker Chemie AG)

In einer Vielzahl von Anwendungen, z.B. im Baugewerbe und bei Abwassersystemen, ist eine zuverlässige, dauerhafte Abdichtung gegenüber Wasser von großer Bedeutung. Hierfür eignen sich spezielle thermoplastische Elastomere (TPE), welche in der Lage sind, bei Kontakt mit Wasser stark zu quellen und somit abzudichten. Dieses Quellverhalten ist reversibel und über Jahre hinweg beliebig oft wiederholbar.

Die Neigung von Polymeren, Wasser aufzunehmen, d.h. zu quellen, ist in erster Linie von ihrer Polarität abhängig. Polymere, in deren Struktur keine großen Polaritätsunterschiede vorhanden sind, nehmen nahezu kein Wasser auf. Dies ist der Fall, da Wassermoleküle polar und somit mit unpolaren Substanzen unverträglich sind. Aus diesem Grund bezeichnet man solche unpolaren Substanzen auch als hydrophob (aus dem Griechischen: „wasserscheu“). Beispiele hierfür sind Polyethylen, Polystyrol und Polytetrafluorethylen (PTFE).

Polymere mit polaren Gruppen, wie z.B. Polyamide und Polymethylmethacrylat (PMMA), neigen hingegen zur Aufnahme von Wasser, weshalb sie als hydrophil (gr.: „wasserliebend“) bezeichnet werden. Diese Wasseraufnahme ist häufig nicht erwünscht, da sich die Material- und Prozesseigenschaften verschlechtern können.

Für spezielle Anwendungen sind eine kontrollierbare Wasseraufnahme und die daraus folgende Volumenausdehnung jedoch von Vorteil, sofern sie reversibel sind und sich die Materialeigenschaften auch über lange Zeit nicht verschlechtern. Die Hauptanwendung hierfür sind durch Feuchtigkeit bzw. Nässe aufquellende Dichtungen, die, z.B. im Baugewerbe, für eine zuverlässige Abdichtung gegenüber Wasser sorgen. Hierfür müssen die Materialien meist auch relativ weich sein, weshalb thermoplastische Elastomere (TPE) sehr gut geeignet sind. [...]

M. Sc. Florian Dresel, Andy Wilson (HEXPOL TPE Ltd); Dr.-Ing. Thomas Köppl (HEXPOL TPE GmbH)

Viele Anforderungen an Dichtungen werden heute über den gewählten Werkstoff oder entsprechende Compounds erfüllt. TPE haben sich vor diesem Hintergrund in den letzten Jahren in einem immer breiteren Anwendungsspektrum etabliert.

Dichtungen findet man in nahezu allen Bereichen des Alltags, so z.B. in der Freizeit (etwa Dichtungen an Taucherbrillen), im Bereich Haushaltsartikel (z.B. Dichtungen von Aufbewahrungsdosen), in Kosmetikverpackungen, in Pharmazie und Medizintechnik (z.B. pharmazeutische Stopfen oder Dichtungen für Spritzenkolben) sowie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie (bei allen Arten von Verschlüssen).

Dichtungen – laut Definition: Elemente zum Trennen von zwei funktionsmäßig verschiedenen Räumen gleichen oder unterschiedlichen Druckes, damit kein Austausch fester, flüssiger oder gasförmiger Medien stattfinden kann – gibt es in unzähligen Werkstoffalternativen und enormer Materialvielfalt. Eingesetzt werden heute z.B. EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), NBR (Nitrilkautschuk/Nitrile Butadiene Rubber), FKM (Fluorkarbon-Kautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), PTFE (Polytetrafluorethylen), PK (Polyketone), TPU (Thermoplastisches Polyurethan) oder TPE (Thermoplastische Elastomere), die sich in ihren Eigenschaften – wie etwa Medienbeständigkeit, Druckverformung, Verschleißbeständigkeit, Reibungskoeffizient, Temperaturbeständigkeit, Rückstellvermögen etc. – unterscheiden. Daher erscheinen sie für unterschiedliche Einsatzgebiete mal mehr, mal weniger geeignet.

Dichtungswerkstoffe für Medizin und Pharma
Dichtungen für Medizin und Pharma müssen unterschiedliche und äußerst anspruchsvolle Aufgaben erfüllen, werden sie doch in kritischen Komponenten und Verfahren eingesetzt, wie z.B. in therapeutischen-, diagnostischen- und Infusionsgeräten,aber auch bei der Herstellung und Verpackung von Arzneimitteln. [...]

B. A. Florian Schindler (ACTEGA DS GmbH)

Die Automobilindustrie ist der größte und am stärksten wachsende Markt für Thermoplastische Elastomere. Vor dem Hintergrund des zunehmenden Bedarfs an TPE-Compounds für anspruchsvolle Exterieur-Anwendungen wurden anwendungsspezifische Entwicklungen effizienter TPE-Lösungen für diese Branche vorangetrieben. Zu den neuesten Entwicklungen zählen u.a. die TPE Compounds mit Haftung zu Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).

Die speziell für 2K-Bauteile im Bereich Automobil Exterieur entwickelten Materialien aus der THERMOLAST® K Produktgruppe zeichnen sich durch gute Haftung zu EPDM sowie ausgezeichnete UV-Beständigkeit aus. Damit zielen die neuen Compounds vor allem auf Automobilanwendungen wie Fensterlauf- und Abdichtungsprofile aus EPDM mit angespritzten Eckverbindungen und Abschlüssen aus TPE ab (Bild 1 und 2).

Diese Anwendungen gelten speziell in großen Fahrzeugserien als Domäne von Styrol-Butadien-Compounds (SBC) und vernetzten thermoplastischen Vulkanisaten (TPV). Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien zwischen den Fahrzeugserien stoßen diese Materialklassen bei der Verarbeitung jedoch an ihre wirtschaftlichen Grenzen. Neue Möglichkeiten bietet die neue Materiallösung, die im Spritzgussprozess eine Haftung zu EPDM eingeht. Die ersten Compounds (TC7EAZ und TC7EFZ) dieser EPDM-Haftungsreihe (AD/EPDM/UV – AD = Adhesion, EPDM = Ethylene Propylene Diene Monomer Rubber, UV = UV-Resistance) vereinen bei einer Härte von 70 Shore A gute Haftung zu EPDM mit hoher Langzeitbeständigkeit gegenüber UV-Einstrahlung und Wärmeeinwirkung. Im Vergleich zu Wettbewerbsmaterialien bieten diese Compounds nach Bewitterungstests eine überlegene Oberflächenqualität. Die Schwerpunkte bei der Entwicklung der einzelnen Compounds setzte der TPE-Spezialist auf die Haftung (TC7EAZ) und auf die Verarbeitbarkeit sowie ein geringes Foggingverhalten (TC7EFZ). [...]

Josef Neuer, Dr. Frieder Vielsack (KRAIBURG TPE GmbH & Co. KG)

Seit bereits mehreren Jahrzehnten ist das Leistungsvermögen bei Hydraulik Zylinder-Anwendungen nicht ohne die hohen Eigenschaftsprofile der verbauten Polyurethan-Dichtungen denkbar. Veränderte Randbedingungen am Markt stellen die bisher angewendeten Dichtungswerkstoffe in Frage.

Die Anforderungen an zukunftsweisende Hydraulikzylinder und auch andere fluidtechnische Anwendungen (Bild 1) steigen im internationalen Umfeld kontinuierlich an: Die Entwicklung geht in Richtung höherer Kompaktheit und Dynamik mit erweiterter Flexibilität und deshalb auch zur Integration intelligenter Regeltechnik, zu hohen und niedrigen Gleit-Geschwindigkeiten, einer höheren Energieeffizienz und Geräuschlosigkeit. Auch der Leichtbau ist inzwischen ein Thema auf den Wunschlisten der Zylinderbauer. So bahnen sich z.B. Aluminium-Lösungen als Ersatz von hartverchromten Stahlstangen an. Daraus resultieren wiederum neuartige Oberflächen mit höherer Abrasivität und anderem tribologischem Verhalten. Was die Weiterentwicklung von Hydraulikflüssigkeiten betrifft, ging und geht der Weg hin zu weniger ökotoxischen, biologisch leichter abbaubaren Medien, die als Folge der günstigeren Abbaubarkeit bei den Dichtungswerkstoffen offene Fragen hinsichtlich der Beständigkeit aufwerfen können.

Wieviel „universal“ ist heute möglich?
 Auf Basis dieser Trends werden von Seiten der Dichtungshersteller innovative Konzepte für die Dichtungssysteme der Zukunft bei Drücken von bis zu 450 bar nachgefragt. Übersetzt in Werkstofflogik bedeutet das für die Anforderungsprofile der Entwicklung: Weitere Verbesserungen hinsichtlich Elastizität, bleibender Verformung, Verschleiß und des dynamischen Verhaltens. Nach Möglichkeit sollten diese Werkstoffe auch günstigere Reibbeiwerte besitzen und dadurch den CO2-Fußabdruck des Hydraulikzylinders positiv beeinflussen können. Wie schon angeschnitten, sind auch die Anforderungen an die chemische Stabilität für zukunftsweisende Polyurethansorten weiterhin gewachsen. [...]

Dipl.-Ing. (FH) Joachim Möschel (Fietz-Gruppe)

Die Verbindung von sehr guter Biokraftstoffkompatibilität mit exzellenten Tieftemperatureigenschaften ist für die Automobilindustrie von großer Bedeutung. Die Änderung regulativer Randbedingungen sowie die Erschließung neuer Märkte stoßen Neuentwicklungen in diesem Bereich verstärkt an. So wurden FKM-Werkstoffe mit einem TR10-Wert von -30 °C, -35 °C, -40 °C und -45 °C entwickelt, deren relative Änderung der physikalischen Eigenschaften nach Lagerung in FAM B, E85 und KGS (VW Erstbefüllkraftstoff) vergleichbar sind. Weiterhin wurde die Leistungsfähigkeit dieser Werkstoffe im Hinblick auf Dichtungsfähigkeit bei sehr tiefen Temperaturen über Untersuchungen des Druckverformungsrestes bei -25 °C bis zu -50 °C hin untersucht.

Biokraftstoffe haben in den letzten zehn Jahren einen immer größeren Stellenwert im weltweiten Kraftstoffpool erhalten. Umweltpolitische wie auch strategische Untersuchungen haben zu gesetzlichen Vorschriften geführt, wie z.B. zu der Zielstellung, dass im Jahr 2020 mindestens 10% des Kraftstoffverbrauchs im Transportsektor über erneuerbare Energieträger realisiert werden muss [1]. Parallel dazu erschließen der Transportsektor, präziser die Automobilindustrie, neue Märkte im Osten, wie z.B. in Russland. Dort stehen moderne Fahrzeugaggregate – und auch die sich darin befindlichen Dichtungssysteme – neuen Herausforderungen in Bezug auf Tieftemperatureigenschaften gegenüber.

Die Kombination von Biokraftstoffen mit sehr niedrigen Anwendungstemperaturen ist eine Herausforderung für Dichtungen, selbst für jene, die aus Hochleistungsmaterialien wie Fluorkohlenstoffelastomeren (FKM) hergestellt sind. Medienbeständigkeit hängt typischerweise eng mit dem Fluorierungsgrad der Polymerhauptkette zusammen. Je höher der Fluorierungsgrad, desto besser die Medienbeständigkeit. [...]

Dr. Heinz-Christian Rost (Parker Hannifin Manufacturing Germany GmbH & Co. KG)

Die Integration verschiedener Funktionen in Bauteile oder Baugruppen ist eine der wichtigsten Maßnahmen für hohe Zuverlässigkeit in der Anwendung sowie Wirtschaftlichkeit in der Problemlösung. Mit jeder integrierten Funktion vermindert sich die Anzahl der Bauteile, die zur Lösung einer Problemstellung erforderlich sind. Dadurch verringert sich das Risiko der Fehlfunktion, der Komplexizität der Fertigungsverfahren und das Risiko des Ausfalls im Einsatz. Signifikant erhöht sich auch die Wirtschaftlichkeit der Gesamtlösung. Ein Beispiel sind funktionsintegrierte Membranen und Dichtungen aus expandiertem PTFE (ePTFE).

PTFE bietet neben den bekannten Vorteilen wie universeller Beständigkeit gegenüber fast allen Medien, der breiten Dauergebrauchstemperatur von -250 °C bis +250 °C, den exzellenten Antihaft-Eigenschaften und der Fähigkeit, nicht zu altern oder spröde zu werden, weitere außergewöhnliche Eigenschaften, die sich aus dem extrem hohen Molekulargewicht dieses Hochleistungspolymers ableiten. Hierzu zählt die Fähigkeit der Fibrillenbildung unter Zugbelastung: Sie entstehen durch lineare Anordnung der PTFE-Molekülketten und zeichnen sich durch einen nahezu idealen Ordnungszustand aus (Bild 1). Dieser wird z.B. über das DSC-Messverfahren (DSC = Differential Scanning Calorimetrie/ Differenzialthermoanalyse) quantifizierbar. Während im teilkristallinen Aufbau des gesinterten PTFE die amorphen Bereiche schon durch vergleichsweise geringen Energieeintrag bei 142 °C schmelzen, tritt dies beim Kristallinanteil erst bei 327 °C auf. Die Kristallinanteile des ungesinterten PTFE schmelzen sogar erst bei 342 °C, ein Indiz für die besonders geordnete und defektarme Kristallitstruktur des direkt aus der Polymerisation ausgefällten hochkristallinen Polymers. Nochmals 30 °C mehr, also ca. 372 °C, sind erforderlich, um die in Fibrillen organisierten Makromoleküle in Bewegung zu versetzen, also aufzuschmelzen. [...]

Dr. Michael Schlipf (FPS GmbH); Dipl.-Ing. (FH) Detlef Reichl (FluorTex GmbH)
Statische Dichtungen / Formteile / Profile:

Vieles in unserer technischen und globalen Welt wird extremer – das gilt auch für Großdichtungen und -membranen sowie ihre Beschaffung. Waren diese bis vor einem Jahr in nahtloser Ausführung und mit Durchmessern bis zu 3,2 m meist nur in Asien zu beschaffen, eliminiert ein „Made-in-Germany-Konzept“ verschiedene Schwachstellen.

Mit der Dichtungsbeschaffung aus Asien wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Erfahrungen gemacht, die zwar nicht alle schlecht waren, aber immer wieder potenzielle Schwachstellen des Global Sourcing deutlich machten. Interkulturelle Unterschiede bei komplexeren Projekten, Sprachbarrieren Qualität der Fertigung, Konformität der Werkstoffe und Mischungen, Logistik, Lieferzeiten etc. – dies alles waren und sind Aspekte, die man sich bei Global-Sourcing-Strategien genau an schauen muss. Bei Großdichtungen und –membranen (Bild 1), die i.d.R. eher ein Projektgeschäft und weniger ein Mengengeschäft sind, lohnt es sich, noch mal genauer hinzuschauen.

Aber nicht nur die Beschaffung von Bauteilen ist extremer geworden. Gleiches gilt für die Bauteile selber. Dichtungen und Membranen müssen – ungeachtet ihrer Größe – immer höheren Anforderungen gerecht werden. Hinsichtlich der Größe gibt es den Trend zur Miniaturisierung, aber auch einen steigenden Bedarf an Großdichtungen für Neuanlagen oder als Ersatzteil. Bei Ersatzteilen gilt es zudem oft, die Anlagenverfügbarkeit durch bessere Dichtungen zu erhöhen. Extremer wird auch die Menge der Werkstoffe und Compounds, die für Dichtungen und Membranen zum Einsatz kommen, um die geforderte Performance zu erreichen.

Bei diesen meist steigenden Anforderungen ist es natürlich naheliegend, auch konstruktive Schwachstellen von Dichtungen und Membranen zu eliminieren. Ein solche Schwachstelle können die Nähte sein, wenn die Bauteile aufgrund ihrer Größe aus mehreren Teilen hergestellt werden. Eine nahtlose Fertigung eliminiert dieses Problem. [...]

Samuel Steinbach (STEINBACH AG)

O-Ringe werden heute in Milliardenstückzahlen sowohl in statischen als auch dynamischen Anwendungen (z.B. Hydraulik oder als Abdichtung auf einer drehenden Welle) als Dichtung eingesetzt. Seine vielen Vorteile haben ihn zu diesem „Allrounder“ in der Dichtungstechnik werden lassen. Und seine Geschichte ist noch nicht zu Ende.

Das „O“ in dem Begriff O-Ring bezieht sich auf den runden Querschnitt dieses Ringes. Inzwischen hat sich diese Bezeichnung in der Technik durchgesetzt. In älteren Unterlagen finden sich auch die Begriffe Schnurring, Nullring oder Rundring. Letzteres war die offizielle Bezeichnung in der DDR [1]. Im englischen Sprachgebrauch waren vor der Bezeichnung „O-Ring“ auch die Begriffe „Round Ring“, „Toroid Ring“, „Donut Seal“ [2] und „Toroidal Sealing Ring“ [3] üblich.

O-Ringe bieten viele Vorteile, die letztendlich auch ihren breiten Einsatz ermöglicht haben. O-Ring-Abdichtungen zeigen auch bei geringen Flächenpressungen – ausreichende Verformung vorausgesetzt – ein gutes Dichtverhalten, welches sich auch über sehr lange Einsatzzeiten hinweg trotz erheblicher Spannungsrelaxation bzw. Alterung des Werkstoffes nicht verschlechtert. Je nach Schnurstärke können Spalte bis ca. 0,5 mm und mehr mit O-Ringen überbrückt werden. Durch die enorm große Vielfalt an immer leistungsfähigeren Elastomerwerkstoffen, aus welchen O-Ringe gefertigt werden, lassen sie sich – je nach Elastomertyp – von -70 °C bis ca. +300 °C einsetzen. Mit O-Ringen können sowohl Ultrahochvakuum- (10-8 Torr) 8 bis Hochdruckanwendungen (400 bar, Sonderfälle 2000 bar) abgedichtet werden. Neben dem guten Montageverhalten sind seine weltweite Verfügbarkeit und sein niedriger Preis weitere Vorteile, die den O-Ring zur häufigsten und vielleicht auch – nicht nur bei Einkäufern – beliebtesten Abdichtungsart aller Zeiten werden ließen. Denn die einfache Auslegung eines O-Rings hat sich auch bei vielen Konstrukteuren herumgesprochen. [...]

Dipl.-Ing. Bernhard Richter, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Blobner (O-Ring Prüflabor Richter GmbH)

Kundennähe und -nutzen können viele Facetten haben– wie etwa die Entwicklung der Oberflächentextur eines neuen Dichtungsmaterials, das technisch eine höhere Dichtheit aufweist, zeitgleich einfacher zu installieren istund auch noch mehrere bislang verwendete Dicken ersetzen kann. Mit einer solchen Entwicklung können ungeahnte Synergieeffekte entstehen, die von einer “Dichtung” bisher nicht erwartet werden.

Wenn man die derzeit größten Herausforderungen auf modernen wie auch alten Anlagen abfragt, so zeigt sich, dass mehr und mehr Arbeitslast auf immer weniger Personen verteilt wird. Zeitgleich wird die Verantwortung ebenfalls auf die Schultern von immer weniger „verantwortlichen“ Personen abgegeben. Wartung und Instandhaltung werden dabei häufig an Fremdanbieter vergeben, welche nicht immer mit den Vorgehensweisen hinsichtlich einer guten Installation von Flanschverbindungen vertraut sind. Daher müssen Dichtungsmaterialien zunehmend nicht nur toleranter gegenüber Prozessbedingungen sein, sondern auch toleranter gegenüber vielen unterschiedlichen Montagefehlern oder -schwierigkeiten und sollen zeitgleich auch zunehmend dichter sein, um zukünftigen Emissionsstandards gerecht zu werden. Als Beispiel ist hier die neue TA-Luft zu nennen, welche sich derzeit in der Schlussphase der Überarbeitung befindet und zukünftig auch bislang nicht betrachtete Verbindungen, wie z.B. Rührwerke mit einer technischen Dichtheit belegen wird.

Große Herausforderungen:
 Eine Befragung von Prozess-Ingenieuren, Betriebsleitern, Montageleitern und Schichtführern zum Thema, wo Ihre größten Schwierigkeiten bei Flanschverbindungen innerhalb des Betriebes liegen und wo ihre Ziele für ein Betriebsjahr gesteckt sind, ergab folgendes: [...]

Ralf Kulessa, Kerstin Holle (Garlock GmbH)

Langsam, aber unaufhaltsam, gewinnen elektrische Antriebe bei fast allen uns bekannten Fortbewegungsmitteln an Bedeutung. Dabei sind jedoch noch verschiedene Fragen offen. Aus technischer Sicht ist die sichere Abdichtung der Hochvoltspeichergehäuse eine aktuelle Herausforderung. Hier ist eine Abdichtung gefordert, welche im Bedarfsfall wie ein Druckausgleichselement funktioniert. Semipermeable Membranen aus porösem PTFE sind hier eine Lösung.

2017 wurden bereits 720.000 E-Bikes in Deutschland verkauft und die Zuwachsraten sind seit einigen Jahren stets zweistellig. Und auch sämtliche Fahrzeughersteller haben das ernsthafte Ziel, ihre elektrisch bzw. durch Hybridkonzepte angetriebenen Modelle in den kommenden Jahren zügig in den Markt zu bringen. So will z.B. der chinesische Fahrdienstvermittler Didi Chuxing bis zum Jahr 2028 10 Mio. Elektrofahrzeuge in seine Plattform integrieren, die erste Million bis 2020.

Wie bereits in den Anfängen der E-Mobility ist nach wie vor die Bereitstellung leistungsfähiger und robuster Energiespeicher die größte Herausforderung. Hier gelten die Reichweiten kraftstoffgetriebener Verbrenner als feste Benchmark. Im Hochvoltspeicher werden die einzelnen Akkumulatoren in Form von Pouch- und Prismazellen sowie von klassischen zylindrischen Zellen parallel und in Reihe geschaltet, bis die gewünschten Stromstärken und Kapazitäten erreicht sind.

Temperaturmanagement der Hochvoltspeicher ist ein Problem
 Die Lebensdauer und Betriebssicherheit wird bei den zurzeit im Einsatz befindliche Lithium-Zellen vor allem vom Temperaturmanagement der als Hochvoltspeicher bezeichneten Gehäuse (Bild 1) und der Regelelektronik der Lade-bzw. Entladeströme bestimmt. Deshalb betreiben insbesondere europäische Hersteller bei ihren hoch wertigen Fahrzeugen einen erheblichen Aufwand in Form von voll klimatisierten Hochvoltspeichern mit integrierten Notentgasungssystemen. [...]

Gerd Schollenberger (MIS, Fluoroplastic Technology GmbH (BFT))

Bei Temperaturen ab ca. 50 °C zeigen in der Prozesstechnik vielfach verwendete GFK-Flansche ein nennenswertes Kriechen und Setzen, wobei es sich um eine systematische Schwäche handelt. Ein neues Dichtsystem stellt vor diesem Hintergrund konstruktive Merkmale zur Verfügung, die das unvermeidliche Setzen und Kriechen von Kunststoff- bzw. GFK-Flanschen unter Temperatur aktiv ausgleichen können. Somit entfällt das regelmäßige Nachziehen der Schrauben weitgehend, gleichzeitig erhöht sich die Dichtigkeit und somit die Sicherheit in der Anlage.

Insbesondere für aggressive Medien sind Rohrleitungssysteme aus z.B. glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) ein wichtiger Bestandteil in der heutigen Prozesstechniklandschaft. Sie zeichnen sich nicht nur durch die erforderliche chemische Beständigkeit gegenüber den zu fördernden Medien, sondern auch durch eine konkurrenzlose Leichtbauweise und flexible Leitungsführung aus. Der Betrieb derartiger Anlagen im üblichen Temperaturbereich zwischen RT und ca. 80 °C gilt allgemein als erprobt und bewährt. Wo Licht ist, gibt es bekanntlich auch Schatten. In diesem Fall bezieht sich diese Aussage auf die Langzeitstabilität der Dichtverbindung. Vor allem bei Temperaturen ab ca. 50 °C zeigen GFK-Flansche nennenswertes Kriechen und Setzen, wobei es sich um eine systematische Schwäche handelt. Die Folge: Schraubenvorspannkräfte und somit die Flächenpressung auf der Dichtung fallen unzulässig weit ab. Das Dichtsystem wird undicht – selbst bei flüssigen Medien – und es kommt zu Produktionsausfällen, von der Sicherheit in der Anlage ganz zu schweigen.

Bild 1 zeigt den Verlust an Schraubenvorspannkraft eines GFK-Flansches bei 45 °C Temperaturauslagerung. Durch einmaliges Nachziehen kann das Weiterkriechen verlangsamt, aber nicht völlig gestoppt werden. Mit zunehmender Anwendungstemperatur beschleunigt sich dieser Vorgang. [...]

Dipl.-Ing. Marco Schildknecht, B. Eng. Ilona Wohner (Frenzelit GmbH)

„Das Bessere ist der Feind des Guten“ sagte schon Voltaire. So verhält es sich auch bei Dichtungen, wie z.B. bei der Weiterentwicklung einer bekannten Gummi-Stahl-Dichtung. Durch Optimierung der einzelnen Bestandteile dieses Dichtungskonzeptes konnte der Leistungsbereich deutlich erweitert werden.

Vielfach wird die Leistungsfähigkeit von Gummi-Stahl-Dichtungen unterschätzt. Unterstützt durch den herrschenden Preiskampf kommen Billig-Produkte auf den Markt, die aufgrund ihrer Eigenschaften das Ansehen dieser Dichtungsgattung nicht gerade unterstützen. Selbst in der Normung hat dieser Trend schon Auswirkungen gezeigt und generelle Einsatzgrenzen definiert, die den Einsatzbereich auf das „Billig-Niveau“ einschränken wollen. Steht man jedoch für hochwertige Produkte, für Sicherheit und Seriosität, dann kann man sich mit diesem Trend nicht zufriedengeben. Dies war mit ein Grund, die neue Generation der Gummi-Stahl-Dichtung zu entwickeln.

Verbesserte Formgebung
 Die verwendeten hochwertigen Elastomere ergeben mit der hochfesten Gummi-Stahl-Verbindung schon bei den bisherigen Dichtungen vom Typ KGS eine sehr stabile Kombination. Eine Trennung des Elastomers vom Stahlkern ist selbst unter extremem Krafteinsatz nicht möglich. Auf diese Eigenschaften konnte man sich bei der Optimierung der Formgebung also gut verlassen. Allerdings wandert bei hohen Pressungen der Elastomere nach außen und innen, um der Flächenpressung zwischen Flansch und dem Stahlring zu „entkommen“ und Entlastung zu erlangen (Bild 1). Dies führt aber dazu, dass das verdrängte Material innen in den Querschnitt der Rohrverbindung einwandert. Diese Intrusion ist natürlich nicht erwünscht. Wenn man nun die Menge an „wanderndem“ Elastomer reduziert und ein Puffervolumen bereithält, kann diese Intrusion vermieden werden (Bild 2). Dies wurde mit dem optimierten Speerprofil und den speziellen Masseverhältnissen über den Radius der neuen KGS GII erreicht. [...]

Dipl-Ing. Norbert Weimer (KLINGER GmbH)
Dynamische Dichtsysteme / Tribologie:

Wellendichtungen sollen das Austreten von Öl und das Eindringen von Schmutzpartikeln an Gehäuseausgängen verhindern. Wegen der guten thermischen und chemischen Beständigkeit sowie der Trockenlaufeigenschaften werden häufig Wellendichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet. Andere Eigenschaften von PTFE legen allerdings eine Simulation eines Dichtsystems nahe. Hierzu wurde die letzten Jahre ein Modell entwickelt.

Die Dichtung (Bild 1) muss so ausgelegt werden, dass ihre Funktionalität für alle auftretenden Kombinationen aus Öl-, Wellen- und Lufttemperatur sowie Drehzahl, Koaxialitäts- und Rundlaufabweichungen der Welle gewährleistet ist. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Dichtung im Einsatzzeitraum keine gleichbleibenden Eigenschaften hat. Grund hierfür ist vorrangig der Abrieb der Dichtung im Dichtkontakt, der zu einer größeren Kontaktfläche mit der Welle und einer geringeren Flächenpressung führt. Dies wirkt sich weiterhin auf die reibungsinduzierte Wärmeentwicklung und auf die Temperaturverteilung in der Dichtung aus. Die Temperaturverteilung in der Dichtung ist entscheidend, da die mechanischen Eigenschaften von PTFE stark temperaturabhängig sind.

Die Simulation des Dichtsystems erfordert eine multiphysikalische Betrachtung unter Berücksichtigung der reibungsinduzierten Wärmeentwicklung, der Wärmeleitung und des Abriebs (Bild 2). Dazu kommen weitere Nichtlinearitäten wie die ausgeprägten elasto-viskoplastischen Eigenschaften von PTFE, die geometrische Nichtlinearität und der Kontakt. In den letzten drei Jahren wurde ein Simulationsmodell zur schnellen Berechnung des Dichtsystems entwickelt, welches nachfolgend in Kurzform dargestellt wird. Die Interaktion zwischen Welle und Dichtung bei einer unrund laufenden Welle wird hier nicht behandelt. Für diesbezügliche Details wird auf [1] und [2] verwiesen. [...]

M. Sc. Florian Albrecht, Professor Dr.-Ing. habil. Thomas Kletschkowski (Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg)

Für Betreiber von Windkraftanlagen stehen Verlässlichkeit und Planungssicherheit an erster Stelle. Das betrifft insbesondere Dichtungen, die hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind – z.B. auf der Hauptwelle. Verschärft werden die Anforderungen durch immer größer werdende Wellendurchmesser. Vor diesem Hintergrund wurde eine neue Dichtung entwickelt, die eine Leckage fettgeschmierter Hauptlager bei großen Wellendurchmessern zuverlässig verhindert und auch starken Wellenschlag toleriert.

Im Zuge der Umstellung auf regenerative Energien ist die Windkraft eine der am stärksten wachsenden Industrien. Da passende Standorte an Land knapp und streng reguliert sind, verstärken sich die Bemühungen der Betreiber, Offshore-Windkraftparks zu errichten. Zur Gewinnung sauberer Energie werden dabei immer größere Windkraftanlagen eingesetzt. Einerseits lässt sich dadurch die Einzelleistung der jeweiligen Windkraftanlage steigern, andererseits spart man Material und Baukosten im Vergleich zur Errichtung mehrerer kleinerer Anlagen.

Ein Rotor mit einem Durchmesser von 180 m ist daher heute keine Seltenheit mehr. Allerdings entstehen beim Betrieb derart großer Anlagen gewaltige Kräfte, die sich insbesondere auf Wälzlager und Hauptwellendichtungen auswirken. Da sich konstruktive Bauteile wie Dichtungen nicht linear in Größe und Funktion skalieren lassen, sind neue Dichtungskonzepte notwendig, um den hohen Anforderungen zu genügen. Es ist jetzt gelungen, eine Dichtung zu entwickeln, die sowohl radial innen- als auch außendichtend für fettgeschmierte Lager bei großen Wellendurchmessern geeignet ist und dank ihrer Konstruktion sogar starken Wellenschlag toleriert.

Zuverlässige Abdichtung bei großen Wellendurchmessern
Herkömmliche Wellendichtungen, die Vorspannkräfte an der Dichtlippe mithilfe einer Wurmfeder erzeugen, kommen konstruktionsbedingt bei sehr großen Durchmessern an ihre Grenzen. [...]

Dr. Frank Schönberg, Dr. Kristian Müller-Niehuus (Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG)

Insbesondere bei Off-Highway-Anwendungen wie Bau- und Agrarmaschinen nehmen die Anforderungen an das Hydrauliksystem und dessen Effizienz in rasantem Tempo zu. Um die gewünschten Effizienzsteigerungen zu realisieren, ist die Verbesserung des Dichtsystems innerhalb von Schwerlast-Zylindern von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund wurden unterschiedliche Konzepte zur Optimierung von Vorschaltdichtungen unter Berücksichtigung des gesamten Stangendichtungssystems in Hydraulikzylindern untersucht. Die Erkenntnisse können dazu beitragen, die Lebensdauer des Systems zu verlängern.

In Hydraulikzylindern ist u.a. deshalb ein hohes Maß an Dichtheit notwendig, weil sie immer strengeren Umweltschutzvorschriften gerecht werden müssen. Gleichzeitig sollen die entsprechenden Dichtungssysteme aber auch möglichst wenig Verlustreibung aufweisen, um das Hydrauliksystem zu schonen und somit letztlich dessen Lebensdauer zu verlängern. Dieses im Grunde widersprüchliche Anforderungsprofil verlangt nach Hochleistungswerkstoffen sowie nach besonders ausgeklügelten Dichtungsdesigns und -paketen.

Aufbau eines Hydraulikzylinders
 Die häufigste Bauform in der Mobilhydraulik sind doppeltwirkende Hydraulikzylinder, in denen – aus dichtungstechnischer Sicht – zwei Hauptdichtsysteme existieren: Einerseits das Kolbendichtsystem, bestehend aus Führungsringen und Kolbendichtung (verschiedene Variationen möglich), und andererseits das Stangendichtsystem, bestehend aus Führungsring, Vorschaltdichtung (bei Schwerlast-Hydraulikzylindern), Stangendichtung und Abstreifer (verschiedene Paketvariationen möglich). [...]

Emmanuel Pichlmaier, Wolfgang Swete (SKF Sealing Solutions Austria GmbH)

Bei der Betrachtung von Radialwellendichtringsystemen und entsprechenden Ersatzsystemen spielen die thermischen Umgebungseinflüsse eine große Rolle für das Reibungs- und Verschleißverhalten. Da die Temperaturen an bestimmten Stellen nur mit hohem Aufwand experimentell erfasst werden können, werden Berechnungsmethoden benötigt, um das Temperaturverhalten im Dichtsystem beschreiben zu können. Nachfolgend wird ein voll validierter numerischer Modellierungsansatz vorgestellt, der Aufschluss über die Temperaturvorgänge eines Ersatzsystems für Radialwellendichtringe (RWDR) bietet.

Die Temperaturverteilung im tribologischen System Radialwellendichtring ist sowohl bei der Simulation, als auch bei der experimentellen Betrachtung eine entscheidende Größe. Aufgrund der Wechselwirkungen mit Radialkraft, Kontakttemperatur und Reibung ist eine genaue Kenntnis der thermischen Umgebungsbedingungen entscheidend.

Die experimentelle Ermittlung des Temperaturverhaltens eines Dichtsystems ist aufgrund der messtechnisch schwer erfassbaren Stellen, z.B. im Kontakt zwischen Dichtkante und Gegenlauffläche, schwierig. FE-Simulationen oder CHT-Analysen (Conjunctive-Heat-Transfer) weisen hohe Rechenzeiten auf und eignen sich deshalb nicht für die Integration in andere Simulationsmodelle. Abhilfe bietet ein thermisches Netzwerk, eine Modellierungsmethode mit einem geringen Rechenaufwand. Erste Anwendung bei Radialwellendichtringen fand das thermische Netzwerk durch Upper [1] und Stakenborg und van Ostayen [2]. Weiterhin wurde diese Methode zur Beschreibung des thermischen Haushalts bei Wälzlagern [3] , Schneckengetrieben [4] und Zahnradpaaren [5] angewendet. [...]

Dipl.-Ing. Christoph Burkhart, M. Sc. Julia Heimes, M. Sc. Dominik Weyrich, Jun. Professor. Dr.-Ing. Balázs Magyar, Professor Dr.-Ing. Bernd Sauer (Technische Universität Kaiserslautern)

Radialwellendichtringe (RWDR) sind in sehr vielen Anwendungen auf der ganzen Welt als bewährtes Dichtkonzept weitverbreitet. Mit steigenden Anforderungen in den Anwendungen wird die Leistungsgrenze bestehender RWDR immer wieder erreicht und überschritten.

Um den Anforderungen gerecht zu werden, kommen Design- und Werkstoffentwicklungen zum Tragen, die im Wesentlichen dem Prinzip RWDR folgen (Bild 1). Grundsätzlich steigt bei den in den Anwendungen immer weiter verschärften Bedingungen die Belastung auf den Dichtungswerkstoff – mit der Folge von Rissbildung und/oder Verschleiß an Dichtprofil und Gegenlauffläche.

Erhöhte Temperaturen aus der Anwendung und dem Energieeintrag der Dichtung im Kontaktbereich der Welle führen zusätzlich zu Ölkohlebildung, die dann im Bereich der dynamischen Dichtkante abgelagert wird und als harter, abrasiver Werkstoff die Verschleißspuren an den benannten Stellen exponenziell erhöht. Um die bekannten Verschleißmechanismen bei Wellendichtringen zu vermeiden, muss ein völlig anderes, neuartiges Konzept betrachtet werden.

Bei der hier vorgestellten Wellendichtung wird ganz aktiv der Austausch von dem anliegenden Medium gefördert mit der Folge, dass im Dichtkontaktbereich ein ständiger Umlauf am Druckmedium entsteht. Dieser Umlauf dient der Spülung im Dichtbereich und der Wärmeabfuhr über das Fluid. Durch das neue Funktionsprinzip können Verschleiß und daraus abgeleitet die Lebensdauer deutlich verbessert und erweitert werden.

Bild 2 veranschaulicht die Verzerrungshypothese mit den Verschleißstrukturen. Bei rotierender Welle treten durch die axial gerichteten Verschleißstrukturen Reibschubspannungen auf, welche entsprechend der Pressungsverteilung asymmetrisch verzerrt werden. [...]

Dr.-Ing Mandy Wilke, Holger Jordan (Trelleborg Sealing Solutions)

Ungünstige Schmierverhältnisse an technischen Bauteilen, insbesondere im Mischreibungszustand, können selbsterregte periodische, aperiodische oder stochastische Bauteilschwingungen erzeugen, die wiederum über das gesamte abzudichtende System auf freie Bauteiloberflächen übertragen werden können und dort zu Schallemissionen führen. Typische Erscheinungen von harmonischen und disharmonischen Schallemissionen, nämlich Töne, Klänge oder Geräusche, zeigt Bild 1. Gleitringdichtungen können unangenehme quietschende, pfeifende, heulende, zwitschernde, brummende oder andere Geräusche entwickeln. Kfz-Kühlwasserpumpen-Dichtungen können, z.B. unter spezifischen Betriebszuständen insbesondere im Leerlauf der Verbrennungs-Motoren in Verbindung mit hohen Temperaturen nach einer bestimmten Betriebszeit von einigen hundert Stunden (nach einem „unnormalen“ Einlauf bei unsachgemäßer Überhitzung), unangenehme Geräusche verursachen. Solche Geräuschentwicklungen sind aber auch im Zusammenhang mit drehzahlgeregelten Pumpen bei der Abdichtung wässriger (insbesondere niederviskoser) Medien und dort bei niedrigen Drehzahlen und wiederum hohen Temperaturen bekannt oder treten bei Pumpen wie z.B. für Wasch- oder Spülmaschinen mit kleinen Wellendurchmessern und damit bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten auf. Im Rahmen der vorliegenden Betrachtung soll eine mögliche Ursache-Wirkungs-Kette aufgezeigt werden und sollen mögliche Lösungsansätze dazu geboten werden.

Aus der Zeit von vor ca. 100 Jahren stammt das erste Patent einer Gleitringdichtung. Die technisch sinnvolle Umsetzung des Patents konnte aber erst in der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg erfolgen, nachdem entsprechende hoch belastbare (harte) Werkstoffe zur Verfügung standen, um der für viele Gleitringdichtungen typischen Mischreibung und den damit verbundenen Verschleißvorgängen zu widerstehen. Der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktion einer Gleitringdichtung haben sich allerdings in der Zwischenzeit nicht verändert. Die ursprüngliche Erfindung einer Stirnflächendichtung, vergleichbar zur modernen Gleitringdichtung, ist also alt. [...]

Professor Dr.-Ing. Peter Waidner (Hochschule für angewandte Wissenschaften (HAW))

Federvorgespannte Elastomer-Radialwellendichtringe werden zum Abdichten von rotierenden Wellen in allen Bereichen des Maschinen- und Fahrzeugbaus verwendet. Die Dichtung ist millionenfach genutzt und erprobt. Basierend auf ihrer hervorragenden statischen Abdichtung und dem aktiven dynamischen Dichtmechanismus funktionieren sie oftmals lebenslang ohne Probleme. Wie auch immer, den tribologischen Beanspruchungen sind auch Grenzen gesetzt. Werden diese Grenzen überschritten, entsteht ein Schaden. Nach den Definitionen der Schadensanalyse [1] ist der Schaden einer Dichtung die Leckage.

Das tribologische System, also die “Dichtung”, besteht aus den vier Systempartnern Dichtelement, Gegenlauffläche, abzudichtendes Fluid und dem Umgebungsfluid (oftmals Luft). Auf diese wirken im Sinne einer tribologischen Systembetrachtung die tribologischen Beanspruchungen wie z.B. Relativgeschwindigkeit, Temperatur und weitere Einflüsse. Um das jeweils beste Dichtsystem auswählen  zu können, ist es notwendig zu wissen, wie das System funktioniert undwie sich die verschiedenen Systempartner gegenseitig beeinflussen.

Um das beste System für die längste Betriebsdauer und höchste Zuverlässigkeit auswählen zu können, müssen die Schadensursachen der Dichtsysteme für die verschiedenen Anwendungen bekannt sein. [...]

Dr.-Ing. Frank Bauer, Professor Dr.-Ing. habil. Werner Haas (Universität Stuttgart, Institut für Maschinenelemente (IMA))

Steigende Anforderungen in hydraulischen Anwendungen stellen dynamische Dichtsysteme unter den Aspekten Verschleiß und Lebensdauer vor steigende Herausforderungen. Ein Lösungsansatz ist das Lubrication Management, was verschiedene Untersuchungen belegen.

Eine wesentliche Herausforderung bei der Abdichtung bewegter Maschinenteile stellen bekanntermaßen Dichtheit und Lebensdauer dar. Mehr und mehr kommt die Effizienzbetrachtung in den Focus, da Dichtstellen i.d.R. „Reibstellen“ sind, die den Gesamtwirkungsgrad einer Maschine und damit auch die Gesamtkosten beeinflussen. Die in den Anwendungen auftretende Bandbreite der Anforderungen von Dichtheit, Lebensdauer und Verlustleistung ist groß und variiert meist mit Werkstoff und Design der Dichtung oder der Dichtsysteme. Für die beschriebenen Themen ist aber immer die Reibung eine maßgebliche und zunehmend wichtige Einflussgröße [1, 2].

In den Anwendungen kommen die Einflussgrößen der Dichtungen (Bild 1) mit den Einflussgrößen der Hardware zusammen. Immer mehr werden auch die üblicherweise verwendeten Chrombeschichtungen durch alternative Beschichtungsverfahren ersetzt, die für bestehende Dichtsysteme aufgrund ungünstiger Topographie zu erhöhtem Verschleiß und in der Folge zu einem frühzeitigen Ausfall führen können.

Der Haupteinflussbereich auf Reibung, Verschleiß und damit Lebensdauer liegt bei den dynamischen Abdichtungen im Dichtspalt. [...]

M. Sc. Claudia Effmert (REIFF Technische Produkte GmbH)

Für die Funktion von Hydraulikzylindern haben Dichtungen eine zentrale Bedeutung. Und wenn Dichtungstechnik und Dichtelemente, die sonst vorwiegend am Markt beschafft werden, an ihre Grenzen kommen, geht man auch mal eigene Wege – bei der Entwicklung neuer Dichtsysteme und ihrer Prüfung. Das Ziel ist dabei immer, eine hohe Standzeit mit Dichtungen zu erreichen, die wenig Leckage und geringe Reibung aufweisen.

Besondere Anwendungen lassen sich oft mit konventionellen Dichtungen nicht zuverlässig abdichten. So ist man immer wieder gefordert, Dichtelemente selbst zu entwickeln. Nach der Entwicklung der Ringspaltdichtung Servofloat® vor vielen Jahren folgte nun die Entwicklung der Dichtung Servoseal®. Diese Entwicklung war durch den stetigen Kompetenzaufbau bei der Anwendungsberatung im Zylinderbau und durch die langjährige Erfahrung beim systematischen Prüfen von Dichtungen möglich. Das Know-how im Engineering von Prüfständen ist seit vielen Jahren so gewachsen, dass man inzwischen nicht nur in der Dichtungstechnik Hersteller und Anwender ist, sondern auch im Bereich Dichtungsprüfstände. Diese sind für die verschiedensten Prüfarten mit linearer oder rotativer Bewegung für den Markt verfügbar. [...]

Dipl.-Ing. Klaus Wagner (Herbert Hänchen GmbH & Co. KG)

Berührungslos arbeitende Wellendichtungen findet man in vielen Anwendungen der Energie-, Verfahrens- und Antriebstechnik. Neben den Drossel-Labyrinthdichtungen, die im klassischen Turbinenbau zum Einsatz kommen, werden zur Abdichtung von Gasen Drosselspaltdichtungen mit Kohleschwimmringen eingesetzt, die ein wesentlich günstigeres Leckageverhalten zeigen [1]. Ausgehend von Standard-Kohleschwimmringdichtungen wurde eine neue Wellendichtung konzipiert. Die Leckagen konnten dabei um bis zu 50% reduziert werden. Ein neues Dichtringdesign mit breiteren Dichtringen und einer optimierten Ringgeometrie verbessert die Dichteffizienz.

Berührungslose Dichtungen weisen gegenüber anderen Dichtungsprinzipen einige Vorteile auf. Oft werden keine zusätzlichen Bauteile auf der Welle montiert, was zusätzliche Wellenschwingungen minimiert. Weiterhin ist die Reibleistung der Dichtung äußerst gering. Die thermische Beanspruchung durch Reibung bleibt auch bei sehr hohen Drehzahlen begrenzt. Dementsprechend niedrig ist auch die Energieaufnahme. Neben axialen Bewegungen der Welle, wogegen dieses Dichtungsprinzip weitgehend unempfindlich ist, können auch radiale Bewegungen in gewissen Grenzen ausgeglichen werden.

Naturgemäß ist das Leckageverhalten von berührungslosen Dichtungen schlechter als bei Kontaktdichtungen. Gerade deshalb ist die Optimierung des Leckageverhaltens besonders wichtig. Leckagen bedeuten, abhängig vom Einsatzfall, einen Verlust von wertvollen, ggf. auch umweltschädlichen Prozessgasen, den Verbrauch von kostenintensiven Sperr- und Spülgasen und letztlich auch einen Mehrverbrauch an Energie durch einen verschlechterten Wirkungsgrad der Gasverdichtung in Kompressoren.

Im Gegensatz dazu beschränkt der zur Verfügung stehende Einbauraum die mögliche Anzahl der Dichtelemente und erschwert damit das Erreichen einer hohen Dichteffizienz. [...]

Dr.-Ing. Georg Flade (STASSKOL GmbH)
Flüssigdichtsysteme:

Der deutsche Kondensatorhersteller Fischer & Tausche Capacitors (FTCAP) hat mit einem neuen Vergussprozess die Basis für weiteres Wachstum geschaffen. Bei der Produktion von Hochspannungskondensatoren, die auch für medizinische Anwendungen zum Einsatz kommen, sorgt eine leistungsfähige Vakuumanlage für einen blasenfreien Verguss und damit deutliche Produktivitäts- und Qualitätszuwächse.

Von der Fotokamera bis zum Herzschrittmacher, vom Hybrid-Rennauto bis hin zum solarbetriebenen Schiff: Kondensatoren sind aus Industrie und Alltag kaum mehr wegzudenken. In elektrischen Systemen sorgen sie u.a. dafür, dass Spannungsspitzen geglättet und Fehlströme eliminiert werden. Bei Blitzanwendungen – z.B. in Radarfallen oder bei professionellen Blitzgeräten in Fotostudios – dienen Kondensatoren als elektrische Energiespeicher. Nach dem Aufladen auf eine bestimmte Spannung sind sie in der Lage, Verbraucher mit hohem, kurzzeitigem Leistungsbedarf anzutreiben. In Flugzeugen sorgen die passiven Bauteile u.a. für die Energieversorgung der Brems- und der Onboard-Systeme. Auch im Bereich der E-Mobilität kommen Kondensatoren zum Einsatz, hier dienen sie z.B. zur Stromversorgung der Elektromotoren und zur EMV-Reduzierung.

Schutz vor Teilentladungen und Überschlägen
Um die steigende Nachfrage nach seinen Produkten bewältigen zu können, erweiterte der Kondensatorhersteller seine Fertigungsstätten erst kürzlich um eine 600 m2 große Halle. Speziell für die Fertigung von Hochspannungskondensatoren für die Medizintechnik wurde zudem ein neuer Vergussprozess etabliert. [...]

André Tausche (Fischer & Tausche Capacitors FTCAP GmbH), Andreas Arlt (WEVO-CHEMIE GmbH), Sebastian Piller (Scheugenpflug AG)

Mit der angebrochenen Ära Industrie 4.0 steht nicht nur das Internet der Dinge im Vordergrund, sondern auch höchst mögliche Flexibilität in der Fertigung an Stelle konventioneller Massenfertigung. Dabei stehen die Fertigungskonzepte und -methoden bei den Kunststoff und Metall verarbeitenden Zulieferbetrieben der OEM ständig auf dem Prüfstand, effizient zu sein. Mit der Einführung des neu entwickelten Inline-Produktionsverfahrens Mold’n Seal konnte der Automobilzulieferer Weidplas eine effiziente Fertigung bei hoher Stückzahl auf kleinstem Raum realisieren.

Zielvorgabe war, unterschiedliche Fertigungsschritte in einer Inline-Fertigung zu integrieren, ohne den Produktionsprozess unterbrechen zu müssen und Spritzgussteile zwischenzulagern. Zusätzliche wurde gefordert die Teile, die im Autoinnenraum verbaut werden, mit einer emissionsarmen Schaumdichtung abzudichten. Vor diesem Hintergrund beauftragte der Automobilzulieferer einen Spritzgussmaschinenhersteller sowie einen Systemlieferant und Prozessspezialist für das Dichtungsschäumen, Kleben und Vergießen von Industriebauteilen. Es galt bei diesem Projekt die Prozesseffizienz der gesamten Teileproduktion zu maximieren, Ausschuss zu minimieren und damit Produktionskosten zu senken. Ein Weg dahin konnte durch die Prozessintegration verschiedener Fertigungsschritte in einer Produktionszelle – dem Spritzgießen der Teile und dem Abdichten unmittelbar im Anschluss – erreicht werden.

Beide Zulieferunternehmen haben bei der Projektumsetzung eng zusammengearbeitet. Der Spritzgussmaschinenhersteller lieferte die Spritzgussanlage und das Entnahmegerät sowie den Sechs-Achs-Roboter. Eine Kühl- und Aushärtestrecke sowie ein Förderband übernehmen die Transportaufgaben in der Anlage. [...]

Florian Kampf (Sonderhoff Holding GmbH)

Industrielle Produktionsprozesse stellen häufig sehr unterschiedliche Anforderungen an Material und Dosieranlage. Bei Gütern, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, steht die Produktivität mit präziser Applikation und Reproduzierbarkeit im Vordergrund. Darüber hinaus sollen aber häufi verschiedene Bauteile unterschiedlichster Geometrien und Dichtungsanforderungen auf derselben Anlage produziert werden. Stillstandszeiten durch Umrüsten der Anlage sollen dabei selbstverständlich möglichst gering gehalten werden. Ein 1K-PUR-Dichtungskonzept aus Schaumdosieranlage und dem entsprechenden Material zeigt einen Lösungsansatz auf.

Innerhalb der Verfahren zum In-situ-Auftrag flüssiger, geschäumter Dichtungen (FIPFG=Formed In-Place Foam Gaskets) nimmt die 1K-PUR-Technologie eine Sonderstellung ein. Hier wird das Dichtungsmaterial (Bild 1) in einem ersten Schritt mithilfe einer Schäumanlage physikalisch geschäumt und als formstabile Dichtraupe appliziert. Die Aushärtung der reaktiven Masse erfolgt im darauffolgenden Schritt per Wärmeeintrag in einem Ofen innerhalb weniger Minuten. Durch diese Trennung von Schaumgenerierung und Aushärtung ergeben sich einige Vorteile gegenüber klassischen mehrkomponentigen Dichtungssystemen:

- feinporiger Schaum mit einer überwiegend geschlossenzelligen Struktur

- ohne Präzision selbst bei kleinen Dimensionen ohne Nut (< 1,5 mm)

- 3D-Applikation möglich

- klebfrei direkt nach dem Ofen

- Verbau nach Abkühlung des Bauteils möglich

- unterschiedliche Raupendimensionen in einer Anwendung realisierbar

- schnelle Abänderung der Materialeigenschaften durch Variation des Luftanteils

- hohe Prozesssicherheit und Auslastung des Equipments (> 95 %)

- kein Spülen oder Wechseln des Dosierkopfs bei Applikationspausen

- kein Anfall von Sondermüll [...]

Dr. Andreas Brück, Dr. Frank Kukla (CeraCon GmbH)

E-Mobility ist nicht nur ein gesellschaftliches Thema, sondern auch eine technische Herausforderung, bei der sich das Dosieren von Dichtungen, Klebstoffen, Wärmeleitpasten, Elektrolytlösungen etc. immer mehr zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt. Dies führt u.a. dazu, dass heute neue Lösungen auf Basis einer bewährten Technologie entwickelt werden.

Mobilität gehört zu den alltäglichen Annehmlichkeiten. Die Unterstützung des Menschen durch Fahrzeuge und motorisierte Transportmittel bedeutet persönliche Unabhängigkeit, Zeitersparnis, rationelle Arbeitsteilung, optimale Versorgung mit Nahrungsmitteln und Gütern aus aller Welt, Reisen uvm. Plötzlich auftretende Einschränkungen, wie z.B. durch ein defektes Auto, werden mindestens als sehr hinderlich und unangenehm empfunden, teilweise führen sie sogar zu finanziellen Verlusten bei gewerblicher Nutzung.

Neue Industrien mit neuen Herausforderungen
Die wesentliche Frage nach einer nachhaltigen Energieversorgung ist spätestens seit der Jahrtausendwende in aller Munde. Die endliche Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen führt zu umfangreichen Studien und Forschungsprojekten nach Alternativen. Daraus entstand die Planung eines nachhaltigen und klimaschonenden Verkehrssystems auf Basis der besten „alltagstauglichen“ und wirtschaftlich realisierbaren Ergebnisse. Elektrische Bahnen, Elektroautos, -motorroller, -motorräder, -dreiräder, batteriebetriebene Busse, Elektrolastkraftwagen und -fahrräder sind nur einige wenigeBeispiele der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten elektrischer Antriebe. Vielen gemeinsam ist die Verwendung von Batteriepacks zur Vorratsspeicherung der notwendigen Elektrizität. Neueren Marktanalysen zufolge soll bereits 2025 jeder zehnte Neuwagen ein E-Auto sein und die Neuproduktion von Autos mit Verbrennungsmotoren soll in den Folgejahren sogar vollständig eingestellt werden [1]. [...]

Anita Krägeloh (ViscoTec Pumpen- u. Dosiertechnik GmbH)
Klebetechnik:

Zuverlässige Vorhersagetools und genaue Messverfahren sind unerlässlich für eine innovative und schnelle Produktentwicklung. Im Falle von Mischanwendungen fehlt es handelsüblichen Simulationswerkzeugen an der notwendigen Geschwindigkeit und Genauigkeit. Daher wurde ein Tool zur zuverlässigen Vorhersage der Mischqualität entwickelt.

Mischvorgänge finden überall um uns herum statt – auf der Erde, in der Atmosphäre, in den Ozeanen und sogar in unserem Körper. Die Reduzierung der Inhomogenität und das Mischen unterschiedlicher Stoffe ist auch ein wesentlicher Bestandteil vieler Prozesse in der chemischen, pharmazeutischen, Bau-, Nahrungsmittel- und allgemeinen Industrie. Der effiziente Einsatz von Zwei- und Mehrkomponenten-Materialen braucht neue Mischlösungen. Die Entwicklung von Verfahren und Systemen zum Austragen, Kontrollieren und Optimieren von Mischvorgängen ist ein wichtiger Bestandteil der Expertise von Anbietern von Misch- und Austragsgeräten.

Das Aufkommen neuer Werkstoffe in vielen Bereichen und Branchen in den vergangenen Jahrzehnten macht neue Produktions- bzw. Applikationsverfahren erforderlich. Gleichzeitig hat die Verwendung von Mehrkomponenten-Lösungen für Füll-, Dicht- und Klebeaufgaben erheblich zugenommen. Heute nutzen zahlreiche Kunden hoch effiziente Lösungen zum Mischen und Auftragen verschiedener Dicht- und Klebstoffe. Die Produkte decken eine breite Palette von Anwendungen ab, die vom Gesundheits- bis zum Bauwesen und vom Heimwerken bis zur industriellen Fertigung reichen.

Mit dem zunehmenden Einsatz von 2K-Materialien geht auch die Suche nach effektiveren und zuverlässigeren Applikationssystemen weiter. Bei der erfolgreichen Anwendung von Mehrkomponenten-Materialien ist und bleibt das Mischsystem ein entscheidendes Element. In bestimmten Anwendungen können die Art der Mischung und die Mischgüte einen starken Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Produkts haben, weshalb eine hohe Präzision erforderlich ist. [...]

Dr. Samira Jafari, Joachim Schoeck (Sulzer Mixpac Ltd.)

Wann erfüllen Klebeverbindungen sicher ihre Funktion? Auf der Basis von Messungen und der Evaluierung der Daten per Software lassen sich heute wichtige und verlässliche Aussagen treffen

Als Klebstoffe werden Produkte bezeichnet, wenn sie klebende Eigenschaften besitzen. Die Vielfalt der heutigen Klebstoffe basiert auf Mischungen aus Polymeren natürlicher oder synthetischer Herkunft und natürlichen oder synthetischen Harzen. Diesen Mischungen sind oftmals noch Weichmacher zugesetzt. Klebstoffe können flüssig oder fest sein. Die flüssigen Klebstoffe haben einen thixotropen Fließcharakter und sollten mit Viskositätsmessgeräten gemessen werden können.

Wenn sie ausgehärtet sind, dann hat man Klebefugen vorliegen, die zwei Materialien – Substrate genannt – fest miteinander verbinden. Diese Verbindung wird mit Zugprüfmaschinen auf ihre Festigkeit geprüft. Feste Klebstoffe werden mit Lösungsmitteln in flüssige Klebstoffe überführt und ergeben nach dem Aushärten Klebefugen, die üblicherweise nicht beständig gegen die verwendeten Lösungsmittel sind. Hotmelts sind temperaturabhängige Klebstoffe, die bei Raumtemperatur meistens standfest und formfest sind. Reaktive Klebstoffe können aus Bestandteilen existieren, die miteinander oder mit den Substraten chemisch reagieren und so die Festigkeit der Verklebung erhöhen.

Die Praxis
Die Mischungskomponenten von Klebstoffen müssen miteinander verträglich sein, andernfalls ist mit einer Trennung der Komponenten zu rechnen, die für sich allein nicht klebrig sind. Ob diese Substanzen nun voll- oder teilverträglich sind, zeigt sich an den Eigenschaften. Bei Nichtverträglichkeit sind die Mischungen meist gar nicht klebrig. [...]

Dipl.-Chem. Gerhard Simon (Fa. Gerhard Simon)

Der Trend zu einer zunehmenden Verwendung von Kleb- und Dichtstoffe hält in vielen Branchen aus Industrie, Handwerk und Dienstleistung weiterhin an. Nicht nur die Automobilindustrie, der gesamte Verkehrsmittelbau inkl. Sonder- und Nutzfahrzeugbau, Schienenfahrzeugbau, Schiffbau, Luft- und Raumfahrt und die Zulieferindustrie der genannten Branchen bedient sich mehr denn je der Klebtechnik, z.B. um neben effizienten und signifikanten Gewichtsreduzierungen auch aerodynamische Effekte zu erzielen. In der Elektronik sind Klebstoffe inzwischen unentbehrlich und tragen in hohem Maße zur Funktionssicherheit bei. Auch im Maschinen- und Anlagenbau setzt sich die Klebtechnik immer mehr durch. Der Industrieverband Klebstoffe geht auch mittelfristig von einem mindestens 4%igem Wachstum des Klebstoffsektors aus.

Die Realisierung der ständig steigenden Anforderungen an Produkte, Bauteile und Komponenten (Bild 1) erfolgt zwangsläufig über die Neu- bzw. Weiterentwicklung von Werkstoffen mit immer anforderungsspezifischeren Eigenschaften und mit neuen Verfahren. In den vergangenen Jahrzehnten wurden für die verschiedensten Einsatzbereiche permanent neue Spezialwerkstoffe entwickelt. [...]

Professor Dr. Andreas Groß, Dr. Erik Meiß (Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM))

Wenn es um das schnelle und effiziente Verkleben von Bauteilen geht, werden häufig UV-härtende Klebstoffe eingesetzt. Denn aufgrund ihres sekundenschnellen Härtungsmechanismus können kurze Taktzeiten in der Serienfertigung erreicht werden. Für das Realisieren optimaler Aushärtungsprozesse spielen insbesondere die Belichtungslampen eine entscheidende Rolle.

UV-härtende Klebstoffe haben sich vor allem in der Unterhaltungselektronik etabliert. Kein Wunder: Im Sekundentakt müssen hier z.B. Einzelteile von Minilautsprechern verklebt, Displays versiegelt oder Mikroschalter vergossen werden. Aber auch im Automobilbereich, etwa bei der Verklebung von Stator und Gehäuse bei E-Motoren, ermöglicht der Einsatz UV-härtender Klebstoffe schnelle Klebprozesse. Das Besondere an diesen Klebstoffen ist ihr Härtungsmechanismus. Sie sind mit einem Photoinitiator ausgestattet, einer chemischen Verbindung, die durch die Absorption von UV-Licht in funktionale Gruppen zerfällt und somit die Polymerisation startet. In der Aushärtungsreaktion verbinden sich die Monomere im Klebstoff zu einem Polymer und damit zu einer fest vernetzten Struktur. Ein Lichtimpuls von < 1s kann ausreichen, um den Klebstoff vollständig auszuhärten und Bauteile dauerhaft zu verbinden.

Zum Aushärten von UV-härtenden Klebstoffen werden heute vorrangig leistungsstarke LED-Strahler eingesetzt. Wie auch in anderen Beleuchtungsbereichen mittlerweile etabliert, sind mit LEDs bestückte Lampen effizient und energiesparend. Die typische Lebensdauer von LED-Aushärtungslampen liegt häufig bei mehr als 20.000 h und übertrifft konventionelle Strahler damit um das 20-fache. Mussten Entladungslampen bis zu 20 min. vorgewärmt werden, erlangen LEDs in ms ihre volle Leuchtkraft. Das schmale Emissionsspektrum der Leuchtdioden sowie ihre hohen Intensitäten ermöglichen eine optimale Anpassung zwischen Klebstoff und Aushärtungslampe.

Um tatsächlich von den Vorteilen des Einsatzes UV-härtender Klebstoffe und von Hochleistungs-LED-Strahlern zu profitieren, gilt es jedoch, ein paar wichtige Faktoren zu beachten. [...]

Robert Saller (DELO Industrie Klebstoffe)

Längst haben elastische Klebstoffe Bild 1 Einzug in viele Bereiche der Industrie gehalten und verdrängen zunehmend herkömmliche Fügeverfahren wie das Schweißen und das Nieten. Sei es im Metallbau, im Behälter- und Apparatebau, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Möbelindustrie, in der Lüftungs- und Klimatechnik, in der Elektroindustrie, im Yacht- und Bootsbau, im Fahrzeugbau, in der Luftfahrtindustrie sowie in vielen Bereichen der Kunststofftechnik – ohne den Einsatz der flexiblen Klebstoffe wäre eine Produktion vieler moderner Güter nicht durchführbar.

Diese Klebstoffe kombinieren die Vorteile der Kleb- und Dichttechnologie und werden überall dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Elastizität und Dichtwirkung einer Fügeverbindung gestellt werden.

Eine extrem hohe Kraftübertragung steht bei solchen Anwendungen i.d.R. nicht im Vordergrund. Vielmehr sollen dynamische Belastungen, wie z.B. Vibrationen und Ausdehnungen der Fügeteile, aufgenommen und ausgeglichen werden.

Nachfolgend werden einige der Vor- und Nachteile der weitverbreiteten elastischen Kleb- und Dichtstoffe vorgestellt und drei wichtige Produktgruppen, die Polyurethane, die MS-Polymere und die Silikone, näher betrachtet. Im Anschluss wird noch auf einen Trend in der Industrie, die Hybridverklebung, die Kombination von elastischen Kleb- und Dichtstoffen und Klebebändern, eingegangen.

Abschließend wird der richtige Umgang mit den elastischen Klebstoffen hervorgehoben, da dieser für das Resultat – eine möglichst langlebige Verklebung – von entscheidender Bedeutung ist.

Vorteile elastischer Klebstoff
Der Einsatz von elastischen Kleb- und Dichtstoffen bietet für die Anwender eine ganze Reihe von Vorteilen [1]: [...]

M. A. Thorsten Krimphove (WEICON GmbH & Co. KG)

Kleben, was das Zeug hält: Seit 180.000 Jahren fügen Menschen ihre Alltagsgegenstände zusammen. Heute sind vor allem im Industriebereich viele Innovationen ohne die spezifischen Eigenschaften von Klebstoffen undenkbar. Verbindungen zwischen unterschiedlichen Oberflächen bzw. Materialien herzustellen, ist dabei nur ein Aspekt. Insbesondere Klebebänder übernehmen oftmals relevante Zusatzfunktionen – und bieten auch in Zukunft noch nahezu unbegrenzte Möglichkeiten.

Ohne „Klebebänder“ wäre die Pfeilspitze im Mammut stecken geblieben. Und das wollte keiner unserer Ururahnen riskieren, denn solch ein Teil war überaus wertvoll. Auch das Beil sollte sich nicht beim Holzfällen vom Griff lösen. Deshalb „erfanden“ schon die Steinzeitmenschen einen Klebstoff: Birkenpech. Experten gehen davon aus, dass die Geschichte des Klebens mindestens 180.000 Jahre zurückreicht. Die weiße Birkenrinde enthält Betulin, das bei sehr hohen Temperaturen und unter Ausschluss von Sauerstoff herausdestilliert und zu einem schwarzen Klebstoff umgewandelt werden kann.

Eine spektakuläre Entdeckung machten Forscher erst kürzlich bei der Untersuchung eines mehr als 2.500 Jahre alten Steins aus dem Bibelmuseum Münster, den der deutsche Archäologe Dr. Robert Koldewey 1913 im heutigen Irak entdeckte. Schwarze Anhaftungen ließen sich eindeutig als Erdharz (Bitumen) identifizieren. Die bemerkenswerte Erkenntnis: Schon die Babylonier verwendeten beim berühmten Turmbau zu Babel, wie er im ersten Buch Mose (Genesis 11,3-4) beschrieben ist, einen Kleber, um die Statik des riesigen Bauwerkes zu optimieren.

Schnelle, sichere und „sanfte“ Prozesse
Und heute? Avanciert das Kleben zur „Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts“? Diese Frage beantworten Fachleute mit einem eindeutigen „Ja!“ [1]. [...]

Gunnar von der Geest (tesa SE)

Die Entwicklung von Haftklebstoffen und Haftklebstoffprodukten in Formvon einseitigen, doppelseitigen oder trägerlosen Haftklebebändern erfordert oft eine exakt breite Beschichtung im Format von DIN A4 Blättern, die nur mit speziellen Laborvorrichtungen zu realisieren sind. Derartige Laborbeschichtungsanlagen beinhalten V2A Stahl-Platten, die sehr oft poliert werden müssen. Eine verbesserte Variante einer neuartigen Beschichtungsvorrichtung besteht aus einer Granitplatte als Beschichtungsunterlage. Sie rostet nicht, ist sehr hart und ermöglicht eine exakte Klebstoffbeschichtung in unterschiedlichen Schichtstärken zwischen 1 bis 5 g/m² und 3000 g/m² (3 mm dick) und braucht nicht nachpoliert zu werden.

Die wichtigsten Eigenschaften von vernetzten Haftklebstoffprodukten beziehen sich auf Tack, Klebkraft und die Scherfestigkeit. Die Scherfestigkeit ist oft die wichtigste Eigenschaft der Klebstoffe und Haftklebstoffe. Sie entscheidet über die Kohäsion, die überwiegend nach internationaler Norm FINAT FTM 8 bestimmt und oft bei 20 °C, 70 °C und beim SAFT-Test gemessen wird. Dafür werden hochwertige Trockenschränke umgebaut und mit spezieller Software ausgerüstet. Eine zu geringe Klebstoffkohäsion bedeutet de facto teure Reklamationen. Dabei stellt sich die Frage, welche Eigenschaften und Prüfungen im Rahmen einer bestimmten reibungslosen Haftklebstoff- und Haftklebstoffproduktentwicklung wirklich notwendig sind.

Bei der Entwicklung, Beschichtung und schließlich Applikation von Haftklebstoffe spielt bei Haftklebebändern die Grammatur der Haftklebeschicht, die für die spätere Adhäsion (Klebkraft), für Tack (Anfangshaftung) und Kohäsion (innere Festigkeit) des Klebeverbundes sorgt, eine wichtige Rolle. [...]

Professor Dr. Zbigniew Czech, Dipl.-Ing. Karolina Mozelewska (Westpommersche Technische Universität Szczecin)

Bei der Klebstoffauswahl und -verarbeitung wird – aufgrund fehlender Erfahrungswerte und valider Daten – mit Reserven gearbeitet. Die bruchanalytische Bewertung von Klebeverbindungen zeigt hier als neue Analysemethode einen Weg auf, wie sich diese minimieren bzw. eliminieren und damit Ressourcen sparen lassen.

Moderne Fügeverfahren sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Vor allem das Kleben hat sich als herausragende Verbindungstechnologie einen Spitzenplatz erarbeitet. Hinsichtlich der immer mehr um sich greifenden Leichtbauweise quer durch alle Branchen und des Einsatzes neuer innovativer Materialien ist die optimale Ausnutzung von Werkstoffen unter Berücksichtigung der Kosten eine fest verankerte Philosophie im Engineering. Die intelligente Kombination unterschiedlicher Werkstoffgruppen, wie z.B. Holz, Keramik, Kunststoff und Metall, ermöglicht es, immer neuere Anwendungen im Bereich der Medizintechnik, in Luft- und Raumfahrt und Automobilbau zu erschließen.

Der Vormarsch von Multimaterial-Verbundsystemen stellt an Klebstoffe immense Anforderungen puncto Qualität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer – Kriterien, die sich in der Praxis bewähren müssen. Noch dazu verlangt die Forderung von Wirtschaftlichkeit und Effizienz seitens des Marktes eine möglichst maximale Ausnutzung und Ausreizung des Bauteils bis hin zur Einsatzgrenze oder darüber hinaus. Dieses „Ausreizen“ erfordert das „Erfassen und Verstehen“ von Entfestigungsvorgängen innerhalb der Grenzschicht (Klebeschicht). Hier ist am ehesten mit einem Versagen zu rechnen.

Künftig müssen geklebte Werkstoffverbunde somit auch in der Lage sein, unter einer bereits auftretenden Vorschädigung sowie bei der Existenz von Mikrorissen in der Klebeschicht ausreichend hohe Restkapazitäten zu besitzen, um ein schlagartiges und unkontrolliertes Versagen zu verhindern. [...]

Dr. Martin Brandtner-Hafner (FRACTURE ANALYTICS)

Optical Bonding ist Stand der Technik. Die Anlagen basieren teilweise auf patentierten Fügeverfahren und einem hohen Automatisierungs- und Flexibilitätsgrad. Das Ziel ist – gerade in der Automobilindustrie – die optimale Kapazitätsauslastung bei gleichzeitiger Flexibilität für neue Aufträge. Wie dies realisiert wird, zeigt die Anlage bei einem Automobilzulieferer.

Ob Automobilanwendungen, mobile Geräte, GPS, Industriemonitore, Navigationsgeräte oder Wearables: Mit jeder neuen Generation von Elektronikgeräten verlangen Kunden nach höherer Leistung und verbesserten Funktionen. Das gilt auch für Displays (Bild1): Bessere Lesbarkeit, höhere Strapazierfähigkeit, dünnere Designs und eine längere Lebensdauer sind nur einige der meistgefragten Qualitäten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, kommt zunehmend die Optical- Bonding-Technologie zum Einsatz, die auf dem Fügen zweier – meist lichtdurchlässiger – Materialien mittels eines klaren Klebstoffes basiert. Die optimale Abstimmung von Verarbeitungsprozess und Material gewährleistet hierbei ein luftblasenfreies Ergebnis. Durch die Vermeidung eines Luftspalts zwischen den Fügepartnern werden eine wesentlich reduzierte Lichtbrechung sowie verbesserte Kontrastwerte erreicht. Die Vorteile dieses Verfahrens sind:

- Bessere Lesbarkeit, verbesserte Kontraste - Optical Bonding vermindert die interne Reflexion zwischen Display und Deckglas. Dadurch werden Verluste verringert, der Kontrast wird erhöht und die Lesbarkeit verbessert (Bild 2). [...]

Sascha Bender (RAMPF Production Systems GmbH & Co. KG)
Maschinen und Anlagen:

Im Auto möchten viele nicht mehr darauf verzichten: Fahrassistenten unterstützen den Fahrer, das Fahrzeug optimal zu führen und sicher ans Ziel zu kommen. Auch in den Spritzgießbetrieben läuten intelligente Assistenzsysteme eine neue Phase der Fertigung ein. Zur Sicherung der Qualität werden nicht länger reine Maschinengrößen überwacht, sondern reale Prozessfaktoren. Auf dieser Basis kann die Spritzgießmaschine qualitätsrelevante Parameter im laufenden Prozess automatisch nachjustieren und Ausschuss proaktiv verhindern. Sich selbst optimierende Maschinen und Prozesse sind ein wesentliches Merkmal der Smart Factory.

Eine präzise arbeitende Spritzgießmaschine und ebenso zuverlässige periphere Systeme bilden die Grundvoraussetzung, hochwertige Gummi- und Silikonprodukte wie z.B. Dichtungen, Formteile und Profile herzustellen. Um aber über längere Produktionszeiträume hinweg Schuss für Schuss eine konstant hohe Qualität zu erzielen, reicht auch das beste Fertigungsequipment nicht aus. Denn neben der Maschine nehmen viele weitere Faktoren Einfluss auf den Prozess. So führen z.B. Schwankungen im Rohmaterial immer wieder zu Ausschuss. Von Charge zu Charge, aber auch innerhalb eines Batchs weisen die zu verarbeitenden Compounds herstellungsbedingt Toleranzen auf. Diese erreichen vor allem dann Qualitätsrelevanz, wenn die Compounds hohe Anteile natürlicher Materialien enthalten. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zu thermoplastischen Polymeren viele Elastomere nicht für die Verarbeitung auf Spritzgießmaschinen optimiert sind und stärker unter der Scherbelastung beim Plastifizieren und Einspritzen leiden. Weitere Einflussfaktoren sind die klimatischen Bedingungen in der Fertigungsumgebung, Schwankungen in der Temperiermedienversorgung oder z.B. Verschleiß an der Rückstromsperre. Alle diese Faktoren nehmen Einfluss auf die Viskosität und das Fließverhalten der Schmelze, was wiederum Auswirkungen auf das Einspritzvolumen hat. Fließt das Material leichter als unter den angenommenen Idealbedingungen, wird es in der Spritzeinheit weniger stark komprimiert, die Scherbelastung wird reduziert und es kann zu viel Material in die Kavitäten fließen. [...]

Ing. Leopold Praher, M. Sc. Paul Kapeller (ENGEL AUSTRIA)

Nachhaltigkeit ist in den letzten Jahren zwar als Modewort etwas überstrapaziert worden. Im Bereich der Wasserstrahltechnologie trifft dieser Begriff aber im Kern für viele Entwicklungen zu. Denn diese Technologie bietet nicht nur interessante ökologische Aspekte, ihr Einsatz kann auch zur nachhaltigen Unternehmensentwicklung beitragen.

Ressourcen sparen, energieeffizient produzieren – diese Anforderungen stehen heute quasi in jedem Pflichtenheft von Dichtungsherstellern. Auch deshalb, weil viele der heute produzierten Dichtungen helfen, Ressourcen zu sparen und Maschinen und Anlagen energieeffizient zu betreiben. Moderne Wasserstrahl-Schneidsysteme (Bild 1) bieten aufgrund ihrer modularen Bauweise viele Ansätze, Nachhaltigkeit ökologisch umzusetzen.

Abrasiv Recycling
Ein Ansatz ist die vollautomatische Wiederaufbereitung von Abrasivsand. Wasserstrahl-Schneidanlagen benötigen für den laufenden Betrieb Wasser und eben Abrasivsand. Letzterer ist der größte variable Kostenfaktor beim Wasserstrahlschneiden und eine knappe Ressource. Hier setzt das OneClean-System (Bild 2) an. Das Abrasiv-Recycling-Modul dieses Systems ermöglicht es, mehr als die Hälfte des Granatsandes für weitere Schneidaufträge zu recyceln. Das spart Beschaffungs-, Entsorgungs- und Transportkosten, die bei ca. 50 t Abrasiv-Verbrauch pro Jahr eine Amortisierung der Anschaffung innerhalb von ca. drei bis fünf Jahren möglich machen.

Die Recycling-Technologie funktioniert so: Ein spezifischer Hydrofilter sondert über ein patentiertes Verfahren Grob- und Feinteile aus dem gebrauchten Abrasiv in den Auffangbehälter des Basismoduls ab, wobei zu grobe und zu feine Bestandteile ausgeschieden werden. Das Gebrauchtabrasiv wird energieeffizient getrocknet und automatisch mit neuem Abrasiv aus dem Abrasivbehälter vermischt, um eine stabil hohe Abrasivqualität sicherzustellen. [...]

Jürgen Moser (STM Stein-Moser GmbH); Sven Anders (STM Waterjet GmbH Germany)

Hochleistungsextruder werden zum Compoundieren von Kunststoffen, z.B. für Dichtungen, immer wichtiger. Neue Doppelschneckenextruder bieten hohe Drehmomente und können gleichzeitig große Volumen verarbeiten. Kombiniert mit der richtigen Automatisierungstechnik lassen sich dann die optimalen Mischungen realisieren.

Die Entwicklung, die vor Jahrzehnten bei Schraubenspindelpumpen zum Fördern zäher Massen begann, ist mittlerweile bei Doppelschneckenextrudern angekommen. Moderne Hochleistungsextruder wie ZSE MAXX (Bild 1) vereinen heute zwei wichtige Eigenschaften, die herkömmliche Systeme nicht bieten, in einer Anlage: Dieser Extruder besitzt eine sehr hohe Drehmomentdichte (15 Nm/cm³) und kann gleichzeitig, dank eines hohen freien Schneckenvolumens (Da/Di= 1,66), große Materialvolumen verarbeiten. Diese Kombination ermöglicht, insbesondere bei temperatursensiblen Prozessen, maximale Durchsätze. Die gleichläufigen Doppelschneckenextruder sind modular aufgebaut und lassen sich für eine Vielzahl an Aufbereitungsaufgaben einsetzen. Darüber hinaus erhöhen sie die Flexibilität in der Fertigung: So können Schnecken und Zylinder individuell konfiguriert und an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Zudem entfallen zeitraubende Reinigungsarbeiten, da sich das Schneckenprofil im Betrieb selbst reinigt.

Für verschiedenste Prozesse geeignet
 Hochleistungsextruder werden u.a. zum Compoundieren eingesetzt, also zum Füllen und Verstärken von Polymeren, um mechanische Eigenschaften wie Schlagzähmodifizierung, Formstabilität und Bruchfestigkeit zu verbessern. Sie eignen sich aber auch zur Herstellung von Polymerblends, also zur Mischung verschiedener Kunststofftypen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Herstellung von Masterbatches, also von Kunststoffgranulaten, denen bis zu 85% Füll- oder Farbstoffe beigemischt sind. [...]

Torsten Fuchs (Gefran Deutschland GmbH)

Wenn Feuchtigkeit in Kombination mit Sauerstoff die Grenzfläche eines im Spritzguss gefertigten Metall/Kunststoff-Verbunds unterwandert, droht Korrosion und damit das vorzeitige Haftungsversagen des Hybridbauteils. Dem nachhaltig entgegenzuwirken, verspricht eine atmosphärische Plasmaversiegelung in Kombination mit anwendungsspezifischen Thermoplast-Compounds.

Die Praxis zeigt, dass auch ein ursprünglich dichter Verbundspritzguss nach einiger Zeit undicht werden kann und in der Folge sein Zusammenhalt und die Funktion der Bauteile oft nicht mehr gegeben sind. Die Grenzfläche von Metall/Kunststoff stellt ohne spezielle Abdichtung eine konstante Angriffsfläche für das Eindringen von Wasser, Luft oder anderen Medien dar.

Verschiedene Unternehmen und Forschungseinrichtungen beschäftigen sich seit Langem damit, dieses Risiko zu minimieren bzw. es komplett zu eliminieren. Einen neuen Ansatz für einen medienresistenten und besonders haftungsstarken Hybridverbund bietet das Plasma-SealTight (PST)-Versiegelungsverfahren (Bild 1). Die Zusammensetzung einer im Atmosphärendruck erzeugten plasmapolymeren Schicht, die Rezeptur des Kunststoff-Compounds und die Prozessparameter werden dabei so aufeinander abgestimmt, dass ein langzeitstabil fester und mediendichter Verbund des Spritzgussbauteils entsteht.

Plasmabeschichtung unter Normaldruck
Der neue Plasma-Versiegelungsprozess basiert auf der bereits vor über zehn Jahren entwickelten und patentierten atmosphärischen PlasmaPlus-Technologie. Mit dieser Erfindung war es erstmals möglich geworden, funktionale Dünnschichten anstatt im Niederdruck, d.h. in einer separaten und kostenaufwändigen Vakuumkammer, unter Normaldruck zu erzeugen und durch eine Plasmapolymerisation im kontinuierlichen Fertigungsprozess Plasmabeschichtungen vorzunehmen. [...]

Inès A. Melamies (Pressebüro Facts4You.de); Edgar Düvel, Leonhard Enneking (Plasmatreat GmbH)

Die Ansprüche der Anwender, die Anforderungen an Dichtungen sowie an Profile und Formteile mit Dichtungsfunktion steigen ständig. Unabhängig vom Werkstoff und der Qualitätskonstanz dieser Bauteile, sind natürlich auch Lieferzeit und der Preis entscheidende Kriterien bei der Teilebeschaffung. Und hier kommt immer mehr die Wahl der richtigen Produktionstechnik ins Spiel.

Ganz gleich, ob ein Anwender Prototypen für Versuche, Ersatzteile, Kleinstmengen oder Großserien benötigt, die Wahl der richtigen Produktionstechnik spielt bei Dichtungen, Formteilen und Profilen eine größere Rolle – sowohl für die Qualität wie auch die Wirtschaftlichkeit. Damit sind umfangreiche Kenntnisse der Vorteile und Grenzen verschiedener Verarbeitungstechniken nötig und für Anwender ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl der Lösungspartner. Dabei geht es aber nicht nur um Kenntnisse, die Fertigungsverfahren müssen auch direkt oder im Netzwerk angeboten werden können. Sind hier die Grenzen vorgegeben, wird sich das immer auf die Lösung auswirken.

Heute wird eine Vielzahl von Fertigungsverfahren für Dichtungen, Formteile und Profile eingesetzt, die alle ihre Vorteile und Grenzen haben. Nachfolgend liegt der Fokus – begrenzt auf Polymerprodukte – auf einem Vergleich der Wasserstrahlschneidtechnik mit 3D-Schwenkkopf, mit dem 3D-Druck (Additive Fertigung) und dem Compression Moulding-Verfahren. Verschiedene Beispiele aus der Praxis zeigen dann, warum verschiedene Verfahren genutzt werden – doch zunächst zu den derzeit interessantesten Fertigungsverfahren.

Wasserstrahlschneiden mit 3D-Kopf
Diese Technik hat sich in den letzten Jahren in der Dichtungstechnik immer mehr etabliert (Bild 1) – nicht zuletzt aufgrund ihrer Entwicklung. Mithilfe einer Hochdruckpumpe wird hier ein Wasserstrahl von 500 bis zu 2.000 bar Druck erzeugt. Dieser Strahl wird durch eine sehr feine Düse gepresst und trifft dann auf das Schneidgut. [...]

Dipl.-Betriebswirt (BA) Simon Treiber (Berger S2B GmbH)

Die additive Fertigung von Bauteilen aus zwei Komponenten wie etwa Hart-Weich-Kombinationen mit Dichtung wird für immer mehr Lösungen – weit über das Prototyping hinaus – interessant. Die Kombination aus moderner Maschinentechnik in Verbindung mit dem Verfahren des Kunststoff-Freiformens ist hierfür die Grundlage.

Systeme wie der Freeformer sind für die industrielle additive Fertigung von Funktionsbauteilen aus qualifizierten Originalmaterialien ausgelegt. Die Basis sind Kunststoffgranulate, wie sie auch beim Spritzgießen eingesetzt werden. Mit der Entwicklung des Kunststoff-Freiformens und den 2015 weltweit in den Markt eingeführten Systemen wurden neue Potenziale der industriellen additiven Fertigung aus der Sicht eines Maschinenbau-Unternehmens erschlossen. Das hierfür eigens entwickelte Kunststoff Freiform-Verfahren (AKF-Verfahren) arbeitet werkzeuglos auf Basis von 3D-CAD-Daten und qualifizierten Kunststoffgranulaten. Damit ist ein Produktstart innerhalb weniger Minuten möglich, um etwa schnell und ganz nach Bedarf Einzelteile oder Kleinserien zu produzieren. Eine kontinuierlich erweiterte Materialdatenbank stellt Anwendern eine wachsende Arbeitsbasis zur Verfügung.

Offenes System für die additive Fertigung
Ein großer Vorteil des AKF-Verfahrens ist, dass sich der Prozess an die Anforderungen anpassen lässt. Das Fertigungssystem ist vor allem für diejenigen interessant, die
 - auf Originalmaterialien und Werkstoffvielfalt setzen,
 - mit einem offenen System arbeiten wollen und
 - dabei ihr Know-how in der Kunststoffverarbeitung einbringen.

Sie können dazu ihre eigenen Werkstoffe qualifizieren und die frei programmierbaren Prozessparameter gezielt optimieren. Das System ist aber nicht nur im Prototyping einsetzbar, sondern vor allem für die additive Fertigung „echter“ Funktionsbauteile. Für die industrielle Anwendung sind z.B. individuelle Kunststoffteile für Konsumgüter, medizinische Einzelteile (Implantate) sowie funktionale Ersatzteile prädestiniert. [...]

Lukas Pawelczyk (ARBURG GmbH + Co KG)

Die Applikation von hochviskosen Dichtstoffen in der Luftfahrtindustrie stellt die Bestrebungen nach Automatisierung vor neue Herausforderungen. Um eine prozesssichere Produktion zu gewährleisten, bedarf es vieler Technologien. Eine Kombination mit dem entsprechenden Know-how der Prozessentwicklung eröffnet neue Möglichkeiten in der Versiegelung von Strukturbauteilen (Bild 1).

Bauteilversiegelung – ein notwendiges Übel
Bei der Herstellung von Flugzeugen und ihren einzelnen Strukturbauteilen – unabhängig von der Verwendung von Aluminium oder Faserverbundwerkstoffen – ist neben der Montage die Bauteilversiegelung einer der zeitintensivsten Arbeitsschritte. Hierbei gilt es, sämtliche Bauteilübergänge abzudichten, um ein Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Da diese durch Kondensation der Luftfeuchtigkeit an der durch den Flugbetrieb kalten Struktur zu jeder Zeit und in jedem Bereich entstehen kann, ist eine hohe Gründlichkeit notwendig. Weitere Gründe für die Bauteilabdichtung sind zudem die Versiegelung gegenüber dem Flugzeugäußeren und das lückenlose Verschließen der Tankbereiche im Inneren der Flügel. Hierfür gibt es eine Vielzahl verschiedener Anwendungsszenarien und die dazugehörenden Auftragsprofile und -bedingungen. So wird unterschieden zwischen:

- aerodynamischen Anwendungen im Außenbereich von Flugzeugrumpf sowie Flügelflächen
- Versiegelungen von unzähligen verschiedenen Nietköpfen in hohen Stückzahlen in sämtlichen Bereichen der Struktur und
- diversen Nahtgeometrien am Übergang zwischen miteinander verbundenen Bauteilen.

In der heutigen Produktion von Flugzeugen werden diese Tätigkeiten, unabhängig vom Flugzeughersteller, zum größten Teil manuell durchgeführt. [...]

Dipl.-Ing. Urs Roemer (Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Stade); Dipl.-Ing. Jens Bölke (DOPAG / Hilger & Kern Group)

Neue Vakuumlösungen senken die Kosten und erhöhen die Sicherheit bei der automatisierten Abfüllung und Förderung hochviskoser Medien aus Deckelfässern. Beispiele sind ein Fasswechselsystem für Anwender in der Dosier- und Mischtechnik sowie ein Fassabfüllsystem für Materialhersteller oder zur Vakuum-Abfüllung beim Kunden. Beide Systeme lassen sich branchenübergreifend einsetzen und basieren auf der Integration eines intelligenten Entgasungssystems.

Zu Beginn waren es vor allem industrielle Anwender im Bereich der Kunstharz-Verarbeitung, die an der Entwicklung des neuen Fasswechselsystems interessiert waren. Mittlerweile setzen aber auch Anwender in vielen anderen Branchen der Fluidtechnik – etwa in der Dichtungs- und Klebstofftechnik sowie in der Verarbeitung hochviskoser Fette – diese vakuumtechnische Systemlösung ein. Der Grund dafür ist einfach nachzuvollziehen: Wann immer in Industriebetrieben hochviskose, pastöse Medien aus den weitverbreiteten 50-l- und 200-l-Spannring-Deckelfässern (Bild 1) zu verarbeiten sind, bietet ein solches Fasswechsel-System aufgrund seiner vollautomatischen Entlüftung bzw. Entgasung einen deutlich reduzierten Aufwand für das Material-Handling, eine verbesserten Ergonomie und einen erhöhten Sicherheitsstandard.

Problematische Luftkammern
 In vielen Bereichen, in denen heute Kunstharze dosiert und gemischt werden müssen, erfolgt die Förderung der hochviskosen Materialien meist aus Deckelfässern mithilfe von Pumpen, die auf Fassfolgeplatten montiert sind, die in der Höhe beweglich sind. Zur Entnahme der pastösen Fluide werden diese zur Wandung des Blechfasses hin abgedichteten Platten von oben auf das Medium gepresst oder sinken durch ihr Eigengewicht während der Entleerung nach unten. Hierbei zeigt sich jedoch immer wieder die gleiche Problematik: [...]

Udo Tartler (TARTLER GmbH); Michael Stöcker (Fachjournalist)
Mess- und Prüftechnik:

Nach der Installation einer neuen Anlage oder der Wartung an einer bestehenden treten nicht selten Leckagen auf. Ursache hierfür sind oft Fügefehler oder vergessene bzw. defekte Dichtungen. Um diese Leckagen zu finden und Anlagen auf Dichtheit zu prüfen, ist der korrekte Umgang mit Helium-Lecksuchgeräten von entscheidender Bedeutung.

Je mehr über die der Dichtheitsprüfung zugrunde liegenden physikalischen Phänomene sowie über die Optimierungsmöglichkeiten bei der Durchführung bekannt ist, umso einfacher ist der Einsatz von Helium-Lecksuchern in der Praxis und umso zuverlässiger sind die Messergebnisse. Der folgende Überblick gibt anhand von Anwendungsbeispielen praktische Hinweise zum richtigen Umgang mit Helium-Lecksuchern und zur erfolgreichen Durchführung von Dichtheitsprüfungen an Vakuumanlagen.

Was ist beim Anschließen des Lecksuchers an eine Beschichtungsanlage zu beachten?
Leckagen, die nach der Inbetriebnahme oder Wartung von Vakuumanlagen auftreten, sind oftmals sehr groß. Ab einer bestimmten Leckgröße können marktübliche Helium-Lecksucher jedoch nicht mehr verwendet werden. Ihr maximaler Arbeitsdruck liegt i.d.R. zwischen etwa 6 und 25 mbar. Liegen große Leckagen vor, kann dieser Druck unter Umständen beim Evakuieren nicht erreicht werden. Bild 1 zeigt eine Si3N4-Beschichtungsanlage. Nach einer Wartung wird beim Evakuieren lediglich ein 3N4 Druck von 80 mbar erreicht. Statt der Drosselung eines Vakuumlecksuchers kann beim Lecksuchgerät ASM 340 ein qualitativer Massiv-Lecksuchmodus eingesetzt werden, mit dessen Hilfe das vorliegende Leck lokalisiert werden kann.

Prozesspumpe zur Unterstützung des Lecksuchers
Optimalerweise sollte der Lecksucher, wie in Bild 1 und 2 gezeigt, in der Vorvakuumleitung einer Vakuumanlage angeschlossen werden. [...]

Dr. Rudolf Konwitschny (Pfeiffer Vacuum GmbH)

Elektronische Anzeigen werden in vielen Industriebereichen eingesetzt und müssen eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen. Dies beinhaltet die Dichtheit gegen Schmutz und Feuchtigkeit. Eindringen von Flüssigkeiten kann zu schwerwiegenden Funktionsstörungen des Displays und der zugehörigen Elektronik führen. Daher ist häufig die Dichtheitsprüfung von montierten Anzeigesystemen in der Fertigungslinie von besonderer Bedeutung. Sehr oft wird das Prüfmedium Druckluft und die Druckverlustprüfung bei der End-of-Line-Dichtheitsprüfung eingesetzt.

Wenn die Displays in feuchtigkeitsbelasteter Umgebung verwendet werden, müssen sie wasserdicht sein. Denn das Eindringen von Flüssigkeiten kann zu schwerwiegenden Funktionsstörungen des Displays und der Elektronik führen. Häufig wird ein Dichtheitsgrad entsprechend einer IP-Schutzart (z. B. IP 67) gefordert. In der Definition der IP-Schutzarten wird nur beschrieben, wie ein geeigneter Labortest durchzuführen ist. Hierbei handelt es sich um eine Typprüfung. Von besonderer Bedeutung ist die Absicherung der Fertigungsqualität von montierten Anzeigesystemen. Daraus ergibt sich der Anspruch, zu 100% geprüfte Produkte auszuliefern, verbunden mit der Integration der Dichtheitsprüfung als End-of-Line-Test in die Fertigungslinie. Hierbei handelt es sich um eine Stückprüfung. In der Produktionslinie kann ein Labortest gemäß der IP-Schutzart natürlich nicht durchgeführt werden. Basierend auf den Ergebnissen der Laborversuche müssen die Anforderungen an eine entsprechende Dichtheitsprüfung in der Produktionslinie erarbeitet werden. Idealerweise können der Prüfdruck und die zulässige Leckrate definiert werden.

Leckraten und Dichtheit
 In Tabelle 1 sind einige Orientierungswerte für Leckraten in Abhängigkeit von der geforderten Dichtigkeit aufgeführt. Die Leckrate wird üblicherweise in der Einheit „mbar*l/s“ bzw. „ml/min“ angegeben, wobei 1 mbar*l/s = 60 ml/min ist. [...]

Dr. Joachim Lapsien (CETA Testsysteme GmbH)

In verschiedenen Branchen ist eine Schnüffellecksuche ein unverzichtbares Element für die Qualitätssicherung im Fertigungsprozess. Ob sie manuell oder robotergestützt stattfindet, sie basiert immer darauf, dass ein Leck anhand eines austretenden Prüfgases identifiziert wird. Entscheidet man sich für das Roboterschnüffeln, ist der Gasfluß ein zentrales Kriterium.

Oft dient die Schnüffellecksuche dazu, eine Leckstelle an einem Prüfteil genau zu lokalisieren – nachdem der Prüfling eine vorangehende integrale Dichtheitsprüfung nicht bestehen konnte. Mitunter erfüllt eine Schnüffelecksuche aber auch integrale Dichtheitsprüfaufgabe – etwa wenn im Fertigungsablauf ermittelt werden muss, ob die Verbindungsstellen zwischen diversen Komponenten wirklich dicht sind. Im Automobilbau ist dies z.B. nach der Endmontage der Klimaanlage im Fahrzeug erforderlich. Oder sie ist nach der Montage der Batteriemodule im Gehäuse einer Antriebsbatterie erforderlich – auch deren Lebensdauer und Betriebssicherheit hängen von einer zuverlässigen Kühlung ab.

Im nachfolgenden Beispiel der Klimaanlage bzw. der Kühlung der Traktionsbatterie kann durchaus auch das verwendete Kältemittel selbst als Prüfgas dienen, sei es R1234yf oder CO2. Gerade im Falle der Roboter-Schnüffellecksuche ist aber grundsätzlich zwischen zwei Anwendungsszenarien zu unterscheiden: der stationären und der dynamischen Schnüffellecksuche. In der dynamischen Variante ergeben sich ganz andere und sehr viel strengere Anforderungen an die technischen Parameter des dabei eingesetzten Lecksuchgeräts.

Besondere Anforderungen der dynamischen Schnüffellecksuche
Wenn Unternehmen bei ihren Dichtheitsprüfungen im Fertigungsablauf einen Roboter einsetzen, geschieht dies üblicherweise bei der automatisierten Schnüffellecksuche. Ein Roboterarm (Bild 1) bewegt dabei die Schnüffel-Messsonde zum Prüfling um austretendes Prüfgas und seine Leckrate zu erfassen. [...]

Dipl.-Ing. Sandra Seitz (INFICON GmbH)
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