Dichtung | Kleines Bauteil – große Verantwortung
Dichtungen sind kleine, aber unverzichtbare Maschinenelemente, die zur Abdichtung von Bauteilen gegen Flüssigkeiten und Gase dienen. Ihre Entwicklung ermöglicht effiziente und langlebige Verbindungen in zahlreichen Anwendungen. Der Beitrag beleuchtet aktuelle Innovationen auf dem Markt und zeigt vielfältige Einsatzmöglichkeiten für die Dichtung.
Hochleistungs-Dichtungswerkstoffe für die Wasserstoffindustrie
08.07.2024 | Trelleborg Sealing Solutions hat für die Wasserstoffindustrie eine innovative H2Pro-Produktfamilie (Bild oben) im Portfolio. Diese Werkstoffe für Dichtungen sind speziell auf die Anforderungen der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette ausgelegt und bieten Lösungen für Transport, Speicherung und Endanwendungen.
Die Dichtungen sind für die anspruchsvollen Einsatzbedingungen der Branche entwickelt und intensiv getestet worden. Die H2Pro-Werkstoffe widerstehen hohen Drücken, niedrigen Temperaturen und Permeation.
Konrad Saur, Vice President Innovation & Technology, erklärte zur Hyvolution Anfang des Jahres in Paris, dass die komplexen Prüfvorschriften für Wasserstoff oft nicht bekannt sind. Trelleborg hat deshalb ein spezifisches Testsystem entwickelt, das den besonderen Anforderungen von Wasserstoffanwendungen gerecht wird. Dieses Testsystem basiert auf umfangreichem Fachwissen über die Anforderungen an Wasserstoffdichtungen.
Die Expertise im Energiesektor wird Trelleborg durch die Eröffnung eines spezialisierten Forschungs- und Entwicklungszentrums für Wasserstoff in Indiana, USA, weiter ausbauen.
Das H2Pro-Portfolio umfasst u. a.
- Turcon PTFE– und thermoplastische Compounds für Varilip-Rotationsdichtungen und Variseal-Rotations- und Stangendichtungen
- V-Stack-Dichtungen für statische und dynamische Anwendungen mit kryogen komprimiertem Wasserstoff und flüssigem Wasserstoff (LH2)
- FKM-Dichtungen
- EPDM– und Silikonmischungen für Anwendungen mit niedrigerem Druck
- Metalldichtungen für statische LH2-Anwendungen
- Verschleißfeste Verbundstofflager und Kolbenringe für Kompressoren
CO2 Fußabdruck von Dichtungen aufs Gramm genau
07.02.2023 | Als Hersteller reibungsarmer Dichtungen will Freudenberg Sealing Technologies seiner Verantwortung zum Klimaschutz gegenüber gerecht werden. Dazu hat das Unternehmen eine Methode erarbeitet, mit der sich der CO2 Fußabdruck aus der Herstellung von Dichtungen und anderen Bauteilen bestimmen lässt.
Dichtungsstreifen Plattform mit weltweit größter Werkstoffwahl
27.05.2020 | Dichtungsstreifen kommen auch in der Industrie überall zum Einsatz, sei es im Maschinenbau, in der Elektrotechnik oder Lebensmitteltechnik beispielsweise. Resogoo präsentiert nun eine neue Plattform für Dichtungsstreifen. Anwender finden hier mit 2000 Werkstoffen die größte Auswahl weltweit. Auf dieser Plattform lassen sich Dichtungen minutenschnell individuell konfigurieren. Selbstverständlich gibt es auch eine große Auswahl an Standardstreifen.
„Die Suche nach geeigneten Dichtungslösungen hat ein Ende: Unsere Plattform Resogoo-Streifen bündelt eine überwältigende Werkstoffauswahl mit dem Know-how eines weltweit führenden Dichtungsspezialisten. So bleibt keine Anforderung und kein Anwenderwunsch mehr unerfüllt“, erläutert Jürgen Zimehl, Geschäftsführer von Resogoo. „Streifen und Dichtungsbänder lassen sich hier in jeder denkbaren Abmessung und Ausführung konfigurieren und anfragen.“
Sandwich Dichtungsstreifen im Materialmix
Zur Auswahl stehen Zellkautschukstreifen, Moosgummistreifen und Gummistreifen sowie Dichtungsbänder, Streifen aus Faserwerkstoffen von Klinger, Frenzelit und Reinz. Es gibt Dichtungsstreifen aus Elastomeren und Kunststoffen, CR, EPDM, FKM, FKM-Schaum, Fluorsilikon, NBR, PE-, PUR- und mikrozellularem PU-Schaum, PTFE, Silikon, Silikonschaum, TPE. Leitfähige und isolierende Werkstoffe sowie wärmeleitende Silikone ergänzen das Angebot. Auch Sandwich Dichtungsstreifen aus mehreren miteinander verklebten Werkstoffen umfassen das Portfolio.
Die Dichtungsstreifen lassen sich auf Wunsch weiter individualisieren. Möglich sind etwa Folierung, selbstklebende Ausführung, Bedruckung mit Signalfarben, Mustern, Firmenlogos oder anderen Kennzeichnungen sowie Aufschriften.
Hochtemperaturdichtung zum Brandschutz von Triebwerken
26.05.2020 | Die Hochtemperaturdichtung Ultra High Temp Seal von Trelleborg Sealing Solutions ist eine besonders hitzestabile Dichtung aus Silikonkautschuk. Sie wurde für den Einsatz im Flugzeugtriebwerk konzipiert. Der höhere Temperatur Bereich des Materials ermöglicht die Entwicklung von effizienteren Triebwerken mit reduziertem Treibstoffverbrauch als das bisher umsetzbar bar.
„Je heißer ein Triebwerk läuft, desto mehr Schub wird bei gleichbleibender Treibstoffmenge erzeugt. Das macht das Triebwerk bei geringerem Treibstoffverbrauch effizienter. Die Triebwerke neuester Generation werden daher mit 315 °C und deutlich höheren Temperaturen betrieben“, sagt Quinn Collett, General Manager Airframe bei Trelleborg Sealing Solutions.
Bei Anwendungen mit diesen extremen Temperaturen tragen spezielle feuerfeste Dichtungen dazu bei, die Sicherheit der Passagiere an Bord zu gewährleisten. Sie kommen in Triebwerken, Rumpf, Schubumkehrern und Pylonen zum Einsatz. Dort dienen die Dichtungen als Barriere und verhindern so unter normalen Betriebsbedingungen, dass ein Luftstrom von einem Bereich des Flugzeugs zu einem anderen fließt. Das ist eine wichtige Brandschutzmaßnahme.
„Noch entscheidender ist, dass die Hochtemperaturdichtungen als Vorsichtsmaßnahme und Abdichtung bei Zwischenfällen dienen, die zu einem Brand führen könnten. Kommt ein Brand zum Ausbruch, wird das Feuer in einen Bereich des Flugzeuges eingedämmt. Das gestattet eine sichere Landung innerhalb von 15 min.
Hochtemperaturdichtung mit Beständigkeit über 315 °C
„Bislang gab es auf dem Markt keine Hochtemperatur-Brandschutzvorrichtungen, die über +315 °C einsetzbar waren“, meint Quinn Collet. „Sie konnten die Brandschutzforderungen nicht erfüllen. Unsere neuen Hochtemperaturdichtungen hingegen sind einzigartig.
Das zum Patent angemeldete Design der Dichtung überwindet die für Silikonelastomere typischen Probleme der Eigenschaften Relaxationsverhalten und Druckverformungsrest bei hohen Temperaturen. Dies bedeutet, dass sich unsere Ultra High Temp Seal erfolgreich in Hochtemperatur Flugzeugtriebwerken als Brandschutzdichtung eignet.“
Umfangreiche Untersuchungen bei unterschiedlichen Belastungszuständen wurden vom Trelleborg Forschungs- und Entwicklungsteam durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit und Eigenschaften der Abdichtung zu prüfen. Bei Hitze-Einweich-Tests schnitt die Hochtemperaturdichtung besser ab als andere Brandschutzdichtungen. Hier lag der Druckverformungsrest immer unterhalb des Zielwerts von 15 %.
Integration und komplexe Geometrien
Zur Herstellung des Produkts entwickelte der Dichtungsspezialist eine Methode zur Integration aller Komponenten und Herstellung komplexer Geometrien. Weil die Ultra High Temp Seal keinen thermischen Schutz der Dichtungselemente benötigt, ergaben sich zudem Gewichtseinsparung und Reduzierung der Teileanzahl. Das führte auch zu einer leichteren Montage.
Die neue Hochtemperaturdichtung eignet sich für einen Temperaturbereich von -40° bis +315 °C. Je nach Anwendung wurde die Dichtung für eine Lebensdauer von 60.000 Flugzyklen (Start, Flug und Landung) ausgelegt. Die Brandschutzdichtung eignet sich aber auch für herkömmliche Anwendungen. So ist sie beispielsweise auch prädestiniert für den Einsatz unter hohen Temperaturen, wo im Vergleich zu bestehenden Lösungen eine längere Lebensdauer gefordert wird, aber nicht alle Anforderungen zu erfüllen sind.
Die Ultra High Temp Seal erfüllt die Anforderungen der US-Bundesluftfahrtnorm AC20-135 „Powerplant Installation and Propulsion System Component Fire Protection Test Methods and Standards and Criteria“ sowie ISO 2685:1998 „Aircraft – Environmental Test Procedure for Airborne Equipment – Resistance to Fire in Designated Fire Zones“.
Die statische Dichtung für Anlagen und ihr tatsächliches Alter
Eine statische Dichtung für große Anlagen in der Industrie oder Energietechnik müssen oft gute zwanzig Jahre halten. Bisher eingesetzte Berechnungstools führten dazu, dass die Bauteile oft größer ausfielen, als es notwendig gewesen wäre. Freudenberg Sealing Technologies hat nun eine Methode entwickelt, die Werkstoff Veränderungen auf molekularer Ebene berücksichtigt. So steigt die Zuverlässigkeit der Dichtung bei geringerem Materialeinsatz.
Statische Dichtungen müssen im Anlagenbau eine sehr hohe Lebensdauer aufweisen. Soll bei einer abzudichtenden Verankerung des Turms einer Windkraftanlage auf hoher See dieser gegen eindringendes Salzwasser geschützt werden, muss die Dichtung mehr als zwanzig Jahre einwandfrei funktionieren. Die Lebensdauer einer Dichtung wird einerseits durch Setzen oder Dehnen, sprich physische Relaxation begrenzt. Andererseits verliert der Werkstoff mit der Zeit seine Elastizität durch chemische Veränderungen.
Unter Einfluss von Luftsauerstoff oder Ozon beeinflussen die Alterung von Dichtungen zwei Effekte. Die Polymerketten und Polymernetze brechen unter mechanischer Belastung auf und durch Oxidationsprozesse entstehen zusätzliche Sauerstoffbrücken in dem Netzwerk. Beide Effekte beeinflussen dichtungsrelevante Eigenschaften wie Kontaktdrücke der Dichtungs Flächen, Steifigkeit oder die Fähigkeit, nach der Verformung wieder die ursprüngliche Kontur zu erlangen (Verformungsrest).
Lagerungstests mit Arrhenius Methode
Ob ein Werkstoff die Anforderungen für eine bestimmte Anwendung erfüllt, ermitteln Ingenieure in der Regel durch sogenannte Lagerungstests. Dabei wird ein Prüfling über eine längere Zeit von meist 1000 h Temperaturen von deutlich mehr als 100 °C ausgesetzt.
Zum Vorhersagen der temperaturabhängigen Alterung, extrapolieren Ingenieure bislang die Messwerte nach einer Methode, die nach Svante August Arrhenius, einem schwedischen Chemiker und Nobelpreisträger benannt ist. Für diese gilt als Daumenregel: Eine Erhöhung der Temperatur um 10 °C führt zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit. Dies ermöglicht die Durchführung von beschleunigten Alterungstests bei erhöhten Temperaturen.
Diese Methode funktioniert zuverlässig, wenn die richtigen Prüfparameter angenommen werden. Ist das nicht der Fall, kann man mit der Lebensdauer Prognose stark daneben liegen. Überprüfen lässt sich die Prognose nur durch Messungen. Kein zufriedenstellendes Verfahren – insbesondere, wenn man über sehr lange Prüfzeiten spricht. Daher war eine Verbesserung der Methodik zwingend erforderlich.
Verbesserung des Lebensdauer Modells
Die FST-Experten verfolgten dabei zwei wesentliche Ansatzpunkte: Erstens haben sie das Lebensdauer Modell deutlich verbessert, indem sie den Sauerstoffangriff auf das Elastomer mit dem strukturmechanischen Verhalten des Werkstoffes in Zusammenhang brachten und eine chemische Oxidationsgleichung aufstellen. Das Modell wurde numerisch effizient umgesetzt und in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm (FEM) implementiert, um beliebige Geometrien berechnen zu können. Das FEM kann nun lokalen Oxidationsprozesse und deren Auswirkung auf das mechanische Werkstoff Verhalten berechnen.
Zentrale Freudenberg-Forschung mit im Boot
Gleichzeitig wollten die Ingenieure die Messmethoden weiterentwickeln, mit denen die Parameter für das Werkstoffmodell ermitteln werden. Damit soll sich zum Beispiel die während des Alterungsprozesses von statischen Dichtungen verbrauchte Sauerstoffmenge bestimmen lassen. Anhand der Sauerstoffmenge lässt sich das Ausmaß des chemischen Angriffs abschätzen. „Dank der Verbesserung der Messmethoden, des Materialmodells und der Anwendbarkeit auf dreidimensionale Bauteile ergibt sich ein präzises Verfahren für die Lebensdauerprognose“, erläutert Dr. Boris Traber, bei FST für die weltweite Material Vorausentwicklung verantwortlich.
Das gemeinsam mit der zentralen Forschung Freudenberg Technology Innovation entwickelte Verfahren wurde zunächst an Werkstoffproben mit unterschiedlichen Durchmessern verifiziert. Inzwischen kommt es in ersten Anwendungen beim Bau von Offshore WKA zum Einsatz.
Traber sieht das nur als Beginn einer neuen Simulationsära für die Dichtungstechnik: „Künftig können wir unseren Kunden im Anlagenbau ein zuverlässiges Mindesthaltbarkeitsdatum auch über sehr lange Zeiträume nennen.“ Eine Bibliothek mit den Modellen für verschiedene Bauteil-Geometrien und Werkstoffe befindet sich derzeit im Aufbau. Parallel wird die Simulation erweitert, so dass auch anwendungsspezifische Zyklen mit wechselnden Temperaturen und mechanischen Lasten gerechnet werden können.
Chronologie & Archiv
Die nachfolgenden Berichte dokumentieren die Entwicklungen der vergangenen Jahre (ab 2013).
17.04.2019 | Die Engineered Materials Group der Parker Hannifin Corporation präsentiert mit „Roll2Seal“ eine völlig neue Dichtungslösung zum einfachen und sicheren Verschluss von Bohrungen bei drucklosen Anwendungen. Das zum Patent angemeldete Design ermöglicht eine einfache und fehlerfreie Montage, bei der die Dichtung beschädigungsfrei ohne Einführschräge in den Dichtungssitz hineinrollt.
Wenn Komponenten für eine spätere Montage weiterer Baugruppen bereits mit Bohrungen versehen wurden, diese jedoch dauerhaft oder vorübergehend – z. B. während des Transports – sicher verschlossen werden sollen, steht der Konstrukteur oft vor einem Problem: Die Bohrung soll mit einem Deckel verschlossen werden, doch der umgebende Raum reicht für eine klassische Flanschdichtung nicht aus. Fehlt eine Einführschräge von 15 bis 20°, ist eine radiale Abdichtung zum Scheitern verurteilt, da die Dichtung den Montageversuch selbst bei angefaster oder gerundeter Bohrungskante nicht unbeschadet überstehen würde: Ein Teil der Dichtung würde dabei abgeschert.
Rollen statt Rutschen
Nach dem Prinzip „Rollen statt Rutschen“ hat Parker Prädifa dieses Problem nun clever gelöst: Dank der ihrer Geometrie benötigt die statische Roll2Seal-Dichtung keine Einführschräge, kein Entgraten, ist selbstsichernd und bietet sowohl vorübergehenden als auch dauerhaften Schutz vor Schmutz und Nässe.
Sowohl die einmalige als auch die mehrmalige Montage und Demontage der Roll2Seal sind denkbar einfach und dank Immunität der Dichtung gegen ungebrochene Kanten beschädigungsfrei zu bewerkstelligen: Statt die Dichtung an der Kante zerstörend einzuklemmen, lässt man sie einfach unbeschadet über die kritische Stelle rollen. Ermöglicht wird dies durch die innovative dreieckförmige Geometrie im Zusammenwirken mit der speziellen Kontur des Dichtungssitzes am Deckel, der aufgrund des sich umkehrenden Einpresskraftverlaufs gegen Ende des Montagevorgangs bis zu einem hörbaren Anschlag
in die Bohrung hineingezogen wird. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation kann die Geometrie an die jeweiligen Bohrungsdurchmesser angepasst werden kann.
Die platz- und kostensparende Dichtung wird aus geeigneten Werkstoffen entsprechend der thermischen und mechanischen Anforderungen gefertigt. Das Dichtsystem, bestehend aus Kunststoff- bzw. Metalldeckel und Dichtung, ist auf Wunsch bereits vormontiert lieferbar.
10.10.2018 | Die neue FIP CC-Technologie (Formed-In-Place Closed-Cell) von Sonderhoff bringt die hohe Wasserdichtigkeit der Silikon-Welt und die attraktiven Materialkosten der Polyurethan-Welt zusammen. Die Schaumdichtungen „Fermapor CC“ auf PUR-Basis sind Raumtemperatur vernetzende 2-K-Systeme, die mit dem FIP CC-Aufschäumverfahren eine sehr feinzellige überwiegend geschlossenzellige Weichschaumdichtung bilden.
Sie weisen eine sehr geringe Wasseraufnahme auf und härten ohne Ofen oder Feuchte aus. Anders als vergleichbare gemischtzellige Dichtungen benötigt die CC-Schaumdichtung eine geringere Verpressung bei gleicher Dichtleistung. Eine robuste, abriebfeste Oberfläche der CC-Schaumdichtung hält möglichen mechanischen Belastungen im Teilehandling stand. Selbst nach Beschädigung der Oberfläche verändert sich die Wasseraufnahme nur geringfügig.
Die CC-Dichtung aus PU ist sehr witterungsfest und hält auch bei Eiswasser dicht. Der FIP CC-Applikationsprozess mit der neuen Dosieranlage DM 402 CC folgt dem bekannten FIPFG -Verfahren, das in vielen Branchen Produktionsstandard ist. Neu ist, dass durch physikalisches Schäumen der CC-Schaum bereits mit der Dosierung in seiner fast vollständigen Dichtungsdimension auf das Bauteil kommt. Dadurch kann der Anwender unmittelbar nach dem Dichtungsauftrag prüfen, ob die Dichtung in gleichbleibender Höhe über die ganze Bauteilkontur appliziert wurde. Fermapor CC eignet sich deswegen besonders für 3D-Anwendungen und eine prozessnahe Qualitätskontrolle.
26.07.2018 | Parker Hannifin bietet Anwendern mit dem O-Ring Selector ein webbasiertes Konstruktionstool zur O-Ring Auslegung. Mit ihm lassen sich schnell die und präzise die richtigen O-Ringe in Bezug auf Abmessung und Dichtungsmaterial, abgestimmt auf die jeweiligen Einsatzbedingungen auswählen.
Die enge Verknüpfung von Materialauswahl und Berechnung der Abmessungen liefert zuverlässige Ergebnisse und stellt damit die Funktion der O-Ringe in der späteren Anwendung sicher. Abgedeckt werden zöllige und metrische Standards.
Die O-Ring Berechnung verknüpft eine Vielzahl von Dichtungsmaterialien mit einer Kalkulationsplattform für O-Ring Dichtungen. Bei der Materialauswahl werden die Werte für Einsatztemperaturen, abzudichtende Medien, Polymerfamilie, Dichtungshärte sowie erforderliche Freigaben und Konformitäten des Dichtungsmaterials berücksichtigt.
Der Datensatz fließt gemäß dann zu charakterisierten Materials in das Berechnungsprogramm von den O-Ringen ein. Dabei bietet der Selector dem Anwender umfangreiche Möglichkeiten zur Parametrisierung des Dichtungssystems: etwa thermische Expansionskoeffizienten der Dichtung und der Hardware-Komponenten, Volumenquellung der Dichtung und Herstellungstoleranzen für die Hardware-Komponenten.
15.10.2013 | Die neuen wartungsfreien Labyrinthdichtungen von GMN Paul Müller gewährleisten aufgrund ihrer berührungslosen Konstruktion von Innen- und Außenring einen absolut reibungsfreien Betrieb. Die verschleißfreien Dichtungen verfügen daher über eine Vielzahl von Vorteilen für verschiedenste Anwendungsbereiche und Einsatzzwecke.
Die neue Baureihe „CF“ mit einem 5-stufigen Labyrinth besteht aus einer Abfolge von Axial- und Radialspalten. Die rückfördernde Wirkung der Radialspalte bei rotierender Welle wird dabei mit der abschmierenden Wirkung der Axialspalte optimal kombiniert.
Sie bietet höchste Effizienz bei minimalem Bauraum. In einer Baubreite von nur 6 mm erzielt das neu entwickelte CF-Profil absolute Dichtheit auch gegen extreme Spritzbeaufschlagung – ebenfalls im Stillstand. Kein Abrieb, keine Kontamination, keine Schmierung, kein Härtungs- und Schleifaufwand und keine Reibwärme sind weitere Merkmale der Dichtung. Ihr Axialspiel beträgt 1 mm, das Radialspiel 0,5 mm.
Quellenangabe: Dieser Beitrag basiert auf Informationen folgender Unternehmen: Freudenberg, GMN, Parker, Rampf, Resoogo, Sonderhoff, Trelleborg.
