Technische Elastomerwerkstoffe Typ: PDF | Größe - Freudenberg-NOK

Die Bibliothek der TechnikBand 293TechnischeElastomerwerkstoffeBasis für Hightech-Lösungen in derDichtungs- und SchwingungstechnikMeike Rinnbauerverlag moderne industrie

Dieses Buch wurde mit fachlicher Unterstützungder Freudenberg Sealing TechnologiesGmbH & Co. KG erarbeitet.InhaltElastomerentwicklung 4Vom Naturprodukt zum Hightech-Werkstoff.......................................... 4Grundlagen .............................................................................................. 5Elastomere und ihre Eigenschaften 9Viskoelastisches Verhalten von Elastomeren .......................................... 9Korrelation von Frequenz und Temperatur ............................................. 12Systematik der Elastomere ...................................................................... 13Einflussfaktoren auf das Werkstoffverhalten 16Mischungsbestandteile ............................................................................ 16Einfluss der Vernetzungsdichte ............................................................... 19Physikalisches und chemisches Einwirken ............................................. 23Verarbeitungsverfahren 30Mischtechnologie .................................................................................... 30Formgebungsverfahren............................................................................ 37Prozessoptimierung in der Elastomerverarbeitung.................................. 43Prüfung von Elastomeren 46Prüfung entlang der Prozesskette ............................................................ 46Vorhersage der Lebensdauer ................................................................... 48Bauteilsimulation mittels FEM ............................................................... 49Hightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 52Ausblick 63© 2006 Alle Rechte beisv corporate media, D-80992 Münchenhttp://www.sv-corporate-media.deAbbildungen: Freudenberg Sealing TechnologiesGmbH & Co. KG, WeinheimSatz: abavo GmbH, D-86807 BuchloeDruck und Bindung: Sellier Druck GmbH, D-85354 FreisingFachbegriffe 66Literatur 67Anhang 68Der Partner dieses Buches 71

4Grundlagen 5Jahrhunderte -alter WerkstoffEntdeckung derVulkanisationHightech-ProdukteZusatz -funktionenElastomerentwicklungVom Naturprodukt zumHightech-WerkstoffElastomere Werkstoffe sind in Form von Naturkautschukschon seit Jahrhunderten bekannt.Bereits mittel- und südamerikanischeIndianer verwendeten diesen Werkstoff fürAbdichtungen und als Spielbälle. Die Bezeichnung»Kautschuk« stammt aus dem Indianischen(cao = Baum und ochu = Träne) und istein Sammelbegriff für alle unvernetzten, elastischenPolymere. Die zufällige Entdeckungder Vulkanisation durch Goodyear (1839) erlaubtedie Herstellung von vernetzten, hochelastischenWerkstoffen (Elastomere) und ermöglichte,dass dieses Material für zahlreichetechnische Anwendungen genutzt werdenkonnte. Heute sind Elastomere für Dichtungenoder schwingungstechnische Anwendungenunverzichtbar. Ohne Elastomere würde keinAuto fahren, kein Flugzeug starten, wärenHydraulik und Pneumatik undenkbar.Viele Elastomerbauteile sind heute Hightech-Produkte, die höchste Anforderungen an Temperatur,Medienbeständigkeit und Verschleißerfüllen. Ein Radialwellendichtring (Simmerring® ) ist ein Beispiel für ein hochentwickeltesElastomerteil. Er funktioniert wie eine mikroskopischkleine Pumpe, die in der Lage ist,Schmierstoffe oder Gase unter der Dichtkantehindurch und wieder zurück in den Ölraum zutransportieren und somit für eine ausreichendeSchmierung zwischen Welle und Dichtring zusorgen (Abb. 1). Neben der reinen Dichtfunktionkönnen Dichtungen durch Kombinationmit moderner Sensortechnik vielfältige Zusatzfunktionenübernehmen. Die zunehmendeMultifunktionalität moderner Elastomerbau-Schutzlippeteile hat dazu geführt, dass für eine zielgerichteteElastomerentwicklung Expertenwissen mithohem Erfahrungsschatz notwendig ist.GrundlagenFettfüllungWellenoberflächeSchmierstoffDichtkanteUnter Polymeren versteht man sehr große Moleküle,die durch Aneinanderbindung von sehrvielen kleinen Grundeinheiten (Monomere) entstehen.Die Verknüpfung der Monomere erfolgtüber funktionelle, reaktionsfähige Gruppen, wodurchVerbindungen mit ganz anderen Eigenschaftenals die der Ausgangsstoffe entstehen.Der Molekülaufbau der Polymere kann linear,verzweigt oder vernetzt vorliegen. Je nachOrientierung der Molekülketten wird bei Polymerenzwischen einem amorphen und einemteilkristallinen Zustand unterschieden. Der Polymerisationsgrad,d. h. die Anzahl der Monomerein einer Polymerkette, hat einen wesentlichenEinfluss auf die mechanischen Eigenschaftender Polymere. Mit zunehmender Kristallinitätbzw. Dichte steigen der Schmelzbereich, dieAbb. 1:Funktionsprinzipeines Simmerrings(Querschnitt) mitzusätzlicher Schutzlippezur weiterenAbdichtung gegenSchmutz und StaubPolymerisationsgrad

6 ElastomerentwicklungGrundlagen 7ViskoelastischesVerhaltenGlasübergangstemperaturZugfestigkeit, die Steifigkeit (E-Modul), dieHärte, die Beständigkeit gegen Lösemittel sowiedie Undurchlässigkeit für Gase und Dämpfe.Hochmolekulare Polymere wie Elastomere zeigenbei mechanischer Beanspruchung ein imVergleich zu den meisten anderen Werkstoffenbesonders stark ausgeprägtes visko elastischesVerhalten. Die auftretenden Deformationensind je nach Beanspruchung teils elastischer,teils viskoser Natur. Den Schlüssel zum Verständnisder mechanischen Eigenschaften beiverschiedenen Temperaturen bildet die Kenntnisder Vorgänge im Übergangsbereich zwischenden definierten Zuständen, der unter anderemdurch die so genannte GlasübergangstemperaturTg gekennzeichnet ist. Der Glasübergangist eine für jedes Polymer charakteristischeGröße. Unterhalb der Glastemperatursind die Eigenbewegungen der Moleküle, auchbrownsche Molekularbewegung genannt, eingefroren.Der Werkstoff befindet sich in einemharten, glasartigen Zustand. Beim Überschreitendes Glasübergangs werden die Molekülewieder beweglicher und das Polymer geht inden weichen, gummielastischen Zustand über(Abb. 2). Bei weiterer Temperaturerhöhungüberwiegt das viskose Fließen, bis schließlichdie Zersetzung des Polymers eintritt.Polymerwerkstoffe werden nach ihrem Strukturaufbau,ihrem deformationsmechanischenVerhalten und dementsprechend nach ihren Eigenschaftenund Anwendungsbereichen inmehrere Gruppen eingeteilt (Abb. 3). Thermoplastesind aus langen linearen oder schwachverzweigten Polymeren aufgebaut, die nichtvernetzt sind. Bei Raumtemperatur sind dieseStoffe hart-spröde bis zäh-elastisch. Es gibtamorphe und teilkristalline Strukturen. DiePolymerketten liegen bei amorphen Thermoplastensowohl in der Schmelze als auch imfesten Zustand in regelloser Anordnung vor.Teilkristalline Thermoplaste sind in derSchmelze amorph, weisen aber im festen ZustandBereiche auf, in denen die Polymerkettenparallel zueinander ausgerichtet sind. DasAusmaß der Kristallinität hat erheblichen Einflussauf die mechanischen Eigenschaften desThermoplastThermoplastischesElastomerElastomerThermoplasteAbb. 3:Schematischer Aufbauder Polymereund E-Modul-Temperatur-KurvenDuromerGlaszustandAbb. 2:Änderung desE-Moduls des Polymersin Abhängigkeitvon der TemperaturE-ModulGlasübergangstemperaturTgElastischesVerhalten»GummielastischesPlateau«TemperaturViskosesFließenE-ModulE-ModulE-ModulE-ModulTemperatur Temperatur Temperatur Temperatur= Einsatzbereich

8 Elastomerentwicklung9ElastomereDuromereTPEWerkstoffs. Infolge von Temperaturerhöhungund starker Scherung werden Thermoplasteplastifiziert und sind somit umformbar.Elastomere entstehen durch weitmaschige Vernetzungvon amorphen, oft hochverzweigtenPolymeren (z. B. Naturkautschuk). Diese lockereFixierung von Polymerketten durch chemischeBindungen führt zum für diesen Polymerwerkstofftypischen hochelastischen Verhaltenoberhalb der Glasübergangstemperatur Tg(so genanntes »gummielastisches Plateau«).Die Formgebung von Elastomeren ist imGegensatz zu den Thermoplasten mit einerchemischen Reaktion (Vernetzung) gekoppelt.Bei höheren Vernetzungsgraden wird Tg hinzu immer höheren Temperaturen verschoben,bis schließlich nahezu alle molekularen Bewegungendurch die starre Fixierung der Polymerkettenunterbunden werden (wie z.B. beimHartgummi). Somit sind bei äußerer Belastungnur noch geringfügige Verschiebungen möglich.Engmaschige (dreidimensionale) Vernetzungoder besser »Härtung« führt zu Duro -meren, die wie Elastomere bei Überschreitender Zersetzungstemperatur irreversibel zerstörtwerden. Beispiele für Duromere sind Epoxidharzeoder Phenolformaldehyde.Thermoplastische Elastomere (TPE) stelleneine Zwitterklasse dar. Oberhalb von Tg biszum Schmelzpunkt bzw. bis zur Erweichungstemperaturverhalten sie sich wie Elastomere,sind aber bei höheren Temperaturen (>100 °C)thermoplastisch verarbeitbar. Bei vielen TPEsentsteht beim Abkühlen durch physikalischeVernetzung über (teil-)kristalline Bereicheeine thermoreversible Struktur mit elastischenEigenschaften. Dies hat zur Folge, dass – wiees bei Thermoplasten der Fall ist – ein geringfügigesÜberschreiten der Erweichungstemperaturzu einem irreversiblen Verlust der Bauteilgeometriein der Anwendung führen kann.Elastomere und ihreEigenschaftenDie ASTM-Norm D 1566 (ASTM; AmericanSociety for Testing and Materials) definiertElastomere als hochpolymere, organischeNetzwerke, die in der Lage sind, große Ver -formungen reversibel aufzunehmen. DieseEigenschaft in Verbindung mit der Möglichkeit,mechanische Energie zu absorbieren,führt dazu, dass aus Elastomeren Produktehergestellt werden, die Toleranzen überbrücken,Bewegungen zwischen verschiedenenBauteilen erlauben, ruhende und bewegte Abdichtungenermöglichen, Schwingungen abbauenund dämpfen sowie Federfunktionenübernehmen.Viskoelastisches Verhalten vonElastomerenIm Gegensatz zu den energieelastischen Festkörpernwie beispielsweise Metallen oderLegierungen sind Elastomere entropieelastisch.Triebkraft dieser Elastizität ist die Entropie,d. h. das Maß der Unordnung, die im verknäulten,ungeordneten Zustand der Polymerkettengrößer ist als in einer ausgerichteten,gedehnten Anordnung. Bei der Entropieelasti-KraftHochpolymereorganischeNetzwerkeEntropie -elastizitätAbb. 4:Modell derEntropieelastizität

10 Elastomere und ihre EigenschaftenViskoelastisches Verhalten von Elastomeren 11Entropieab- ……-zunahmeAbb. 5:Feder-Dämpfer-Modell zur Beschreibungder ElastizitätZustandEnergieelastizitätUrsachezität werden keine Atomabstände verändert,sondern einzelne Kettensegmente gegenein -ander verschoben. Kommt es nun zu einerSpannungsbelastung im Elastomer, werden diegeknäuelten Ketten in den geordneten und da -mit unwahrscheinlicheren Zustand überführt(Entropieabnahme). Bei Entlastung wird deralte, energetisch günstigere Knäuelzustandwieder eingenommen (Entropiezunahme). DieÄnderung von Entropie ist die treibende Kraftfür die Rückstellfähigkeit von Elastomeren imgummielastischen Bereich oberhalb der GlasübergangstemperaturTg (Abb. 4).Viskoelastisches Verhalten bei Elastomerenbedeutet, dass sowohl das elastische Verhaltenvon Festkörpern (reversibel) als auch das viskoseVerhalten von Flüssigkeiten (irreversibel)zu beobachten ist. Je nach Art der Beanspruchungist die eine oder die andere Eigenschaftstärker ausgeprägt (Abb. 5). Bei tiefen Temperaturenund hohen Verformungsgeschwindigkeitendominiert das Festkörperverhalten,Beruht auf reversiblen Änderungender Schwingungs- und Rotationszuständevon Atomen.WirkungsmodellFederwährend bei hohen Temperaturen und niedrigenVerformungsgeschwindigkeiten viskosesVerhalten auftritt. Letzteres führt zu Kriechen,Spannungsrelaxation oder kaltem Fluss. Dasviskose Fließen kann durch eine Fixierung derKetten untereinander (Vernetzung) stark unterdrücktwerden. Die weitmaschige Vernetzungbedingt also im Endeffekt das typische gummielastischeVerhalten. Die Viskoelastizitätder Elastomere hat eine ausgeprägte Zeit- undTemperaturabhängigkeit sehr vieler physikalischer,besonders mechanischer Eigenschaftenzur Folge. So liegt bei Stahl ein linearer Zusammenhangzwischen Spannung und Dehnungvor, während beim Elastomer eine nichtlineareBeziehung zwischen Spannung undDehnung existiert, die sich unter anderem ineiner Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeitzeigt (Abb. 6).Als Konsequenz aus dieser Abhängigkeit reagierenElastomere sehr empfindlich auf Änderungender Prüfbedingungen. Daher kommt esin der Praxis häufig zu Problemen bei der Korrelationvon einfachen physikalischen Prüf -ergebnissen mit den tatsächlichen vorherrschendenBeanspruchungen eines Elastomerbauteilsim Einbauraum (Lastkollektiv). Umso wichti-Abb. 6:Spannungs-Dehnungs-DiagrammLinks: Vergleich vonStahl, Thermoplast,ElastomerRechts: Verhaltenvon Elastomeren beiunterschiedlichenVerformungs -geschwindigkeitenEntropieelastizitätBeruht auf (weitgehend) reversiblerVerschiebung von Molekülsegmentenunter Beibehaltung des Molekülschwerpunkts(mikrobrownscheBewegung).FederDämpferSpannungStahlThermoplastElastomerSpannungHohe VerformungsgeschwindigkeitNiedrige VerformungsgeschwindigkeitPseudo-statischesVerhaltenViskosesFließenBeruht auf irreversibler Verschiebungganzer Moleküle gegeneinander(makrobrownsche Bewegung).DämpferDehnungDehnung

12 Elastomere und ihre EigenschaftenSystematik der Elastomere 13RelaxationDynamischeVerhärtungZeit-Temperatur-Korrespondenzprinzipger ist eine exakte Erstellung von Spezifika -tionen eines Elastomerbauteils, damit die wich -tigsten Eigenschaften des Produkts auch durchPrüfungen abgebildet werden können.Korrelation von Frequenz undTemperaturIn der Praxis beobachtet man sowohl bei tiefenTemperaturen als auch bei hohen Frequenzeneinen Sprung in den mechanischen Eigenschaftendes Elastomers. Die Ursache liegt imviskoelastischen Verhalten von Elastomeren.Es besteht bei einer zeitlich wechselnden Belastungdurch Druck oder Zug eine Korrelationzwischen der Frequenz der Belastung unddem Temperaturverhalten. Durch den viskosenAnteil im Elastomer werden bei Deformationdie auftretenden Spannungen teilweise durchKettenverschiebungen abgebaut (mikrobrownscheBewegung). Die dazu benötigte Zeit bezeichnetman als Relaxation. Mit sinkenderTemperatur frieren die Kettenbewegungen desPolymers langsam ein und der Spannungsabbaubenötigt immer mehr Zeit. Das Elastomerverhärtet und wird glasartig. Bei einer hohenBelastungsfrequenz reicht die Kettenbeweglichkeitnicht mehr aus, um der vorliegendenVerformung zu folgen. Das Material wirkt»eingefroren«. Diesen Effekt bezeichnet manauch als dynamische Verhärtung. Somit wirktsich eine Frequenzerhöhung genauso aus wieeine Temperaturerniedrigung (Abb. 7).Dementsprechend ist die GlasübergangstemperaturTg nicht nur von der Bestimmungsmethode,sondern auch von der Prüffrequenz abhängigund steigt pro Frequenzdekade um ca.7Kelvin. Dieser Effekt ist als Zeit-Temperatur-Korrespondenzprinzipbekannt. Als Konsequenzdieses Prinzips bewirkt eine Frequenzerhöhungbei tiefen Temperaturen eine früh-Dynamischer Modul [MPa]5004003002001000–2T = –10 °CT = 0 °CT = 10 °CT = 20 °C0 2 4 6 8 10Frequenz [lgHz]zeitige Verhärtung des Materials (Anstieg desdynamischen Moduls).Dieser Einfluss der Relaxation in Abhängigkeitvon Temperatur und Frequenz muss daherbei der Bauteilauslegung, insbesondere bei dynamischenDichtungen, berücksichtigt werden.Systematik der ElastomereDynamischer Modul [MPa]500400300200100Für Elastomere hat sich eine Systematik unddie Verwendung von Abkürzungen bewährt,die nach ASTM D 1418 definiert worden ist.f = 1 Hzf = 10 Hzf = 100 Hzf = 1000 Hz0–50 –25 0 25 50Temperatur [°C]Letzter Buchstabe Bedeutung Beispielder KurzbezeichnungAbb. 7:Zeit-Temperatur-Korrespondenz -prinzip: Abhängigkeitdes dynamischenModuls von derFrequenz (links)und der Temperatur(rechts)M Kautschuke mit gesättigter EPDM, ACM, EVM,Kohlenstoffkette, ohneFKM, FFKMDoppelbindungenRKautschuke mit Doppelbindungen NR, CR, SR, SBR,in der KohlenstoffketteIIR, NBR, HNBR(ungesättigt)O Kautschuke mit Sauerstoff CO, ECOin der PolymerketteQ Kautschuke mit Silizium und VMQ, FVMQSauerstoff in der PolymerketteT Kautschuke mit Schwefel Polysulfid-Elastomerin der PolymerketteU Kautschuke mit Kohlenstoff, AU, EUSauerstoff und Stickstoff inder PolymerketteTab. 1:Systematik derElastomertypen

14 Elastomere und ihre EigenschaftenSystematik der Elastomere 15Abb. 8:Temperatureinsatzbereichder Elastomere.Die schraffiertenFlächen gebenTemperatureinsatzbereichean, denenStandardtypen nurkurzzeitig ausgesetztwerden dürfen bzw.die von Spezialtypenabgedeckt werden.Die Abkürzungen bestehen aus Kombinationenvon zwei bis vier Buchstaben (Tab. 1).Die ersten Buchstaben beschreiben das Basispolymer,der letzte Buchstabe kennzeichnetdie chemische Struktur der Elastomere. Sowerden zum Beispiel alle Elastomere, derenHauptkette nur aus Kohlenstoffatomen aufgebautist und die keine Doppelbindungen (reaktiveStellen) in der Hauptkette enthalten, alsM-Typen bezeichnet. Sind Doppelbindungenin der Hauptkette vorhanden, werden dieseElastomere in die R-Klasse eingeordnet. Manspricht in diesem Fall auch von ungesättigtenoder Dien-Kautschuken. Polysiloxane unterscheidensich von den organischen Kautschukendadurch, dass die Hauptkette nicht ausKohlenstoffverbindungen, sondern aus alternierendenSilizium- und Sauerstoffatomenaufgebaut ist. Sie werden als Q-Typen klassifiziert.Allgemein werden diese Verbindungenauch als Silikonkautschuke bezeichnet.Abbildung 8 zeigt im Überblick die thermischenAnwendungsbereiche der verschiedenenElastomertypen (zu Eigenschaften und Anwendungsgebietenvon Elastomeren siehe Anhang,Seite 68 f.).SilikonkautschukAUFFKMPVMQFVMQVMQFKMAEMKautschukeACMHNBRECOIIR/CIIRNBREPDMCRSBRNR–100 –50 0 50 100Temperatur [°C]150200 250 300

16Mischungsbestandteile 17Kenntnisse desAnwendungs -bereichsVier Haupt -effekteEinflussfaktorenauf das WerkstoffverhaltenElastomere sind empfindlich gegen Licht,Ozon, hohe Temperaturen, gegen viele Flüssigkeitenund Chemikalien sowie gegen verschleißendeBeanspruchung. Somit ist bei derAuswahl eines geeigneten Dichtungswerkstoffsneben dem Temperatureinsatzbereichauch häufig die chemische Beständigkeit unddas Quellverhalten des Elastomers von großerBedeutung. Deshalb spielen Informationenüber den Anwendungsbereich, zum Beispielmit welchen flüssigen oder gasförmigen Mediendas Material in Berührung kommt, eineentscheidende Rolle für die Funktionsfähigkeiteines Elastomerwerkstoffs. Allerdings mussman bei der Mischungsentwicklung der Elastomerenicht nur die chemischen und physikalischenEinflussfaktoren der Umgebung berücksichtigen,sondern auch die Wechselwirkungen,die durch das Polymer und die Mischungsbestandteileselbst auftreten und dementsprechenddas physikalische Eigenschaftsbildbestimmen. Alle diese Faktoren habenletztendlich wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauerdes Bauteils.MischungsbestandteileElastomere sind Mehrkomponentensysteme, indenen jede Komponente einen bestimmtenZweck zu erfüllen hat. Bei der Mischungsentwicklungsind vier Haupteffekte zu erzielen:die Verstärkung des Elastomers durch Füllstoffe,die Verbesserung der Verarbeitbarkeitund die Vernetzung des Kautschuks durchVulkanisationsmittel sowie der Schutz desElastomerbauteils gegen schädliche äußereEinflüsse.Die Grundeigenschaften einer Elastomermischungwerden durch das Polymer bestimmtund sind entscheidend für die Leistungsfähigkeitder Dichtung. So sind zum Beispiel dieKälteeigenschaften durch das Polymer vorgegeben,können aber durch Weichmacher innerhalbgewisser Grenzen verbessert werden. Beider Zugabe von Weichmachern muss jedochberücksichtigt werden, dass diese im Praxisfalldurch Kontakt mit Schmierölen wieder ausdem Elastomer extrahiert werden können oderbei hohen Temperaturen verdampfen. Daherist bei der Entwicklung darauf zu achten, welchenEinsatzbedingungen (z. B. Temperaturen)die Dichtung ausgesetzt ist.Einen weiteren bedeutenden Einfluss auf dieMaterialeigenschaften des Elastomers habenso genannte Verstärkerfüllstoffe wie Rußeoder Kieselsäuren. Durch Art und Menge derFüllstoffe lassen sich dem Verwendungszweckangepasste physikalische Eigenschaften erzielen.Maßgeblich verantwortlich für die verstärkendeWirkung sind die spezifische Oberfläche,die Struktur sowie die Oberflächenaktivitätder Füllstoffe. Das Prinzip beruht auf derWechselwirkung des Füllstoffs mit der Polymermatrixoder, einen ausreichend hohen Füllgradvorausgesetzt, auf der Bildung von Füllstoffnetzwerken,die dem chemischen Polymernetzwerküberlagert sind. Verstärkende,d. h. aktive Füllstoffe haben einen Partikeldurchmesserzwischen 10 und 100 nm (Nanoteilchen),inaktive Füllstoffe dagegen einenPartikeldurchmesser zwischen 500 und1000 nm. Zur Klassifizierung der Ruße verwendetman einen Code (nach ASTM), der dieAktivität der Ruße charakterisiert. Je kleinerdie Zahl, desto größer ist die verstärkendeWeichmacherVerstärker -füllstoffeAktive Ruße

18 Einflussfaktoren auf das Werkstoff verhaltenEinfluss der Vernetzungsdichte 19HomogeneVerteilungWirkung des Rußes. Da aktive Ruße das Eigenschaftsbildder Elastomere wesentlich stärkerbeeinflussen als inaktive Füllstoffe, lässtsich eine Abhängigkeit mechanischer Eigenschaftenwie Zugfestigkeit, Abriebverhaltenoder Weiterreißfestigkeit von der Struktur undOberfläche der Ruße sowie vom Füllstoffgehaltbeobachten (Abb. 9). Eine homogene Dispersion(Verteilung) der Füllstoffe in der Poly-Zugfestigkeit [MPa]2821147N 220N 330N 550N 770N 990mermatrix ist die Voraussetzung für eine guteQualität der Elastomerprodukte. Daher werdenheute im Bereich technischer ElastomerwerkstoffeRuße eingesetzt, die eine gute Dispergierbarkeitund eine hohe Verarbeitungssicherheitgewährleisten.Helle Füllstoffe wie Kieselsäuren haben einvergleichbares Verstärkungspotenzial wie Ruße.Allerdings zeigen Kieselsäuren eine ausgeprägteAgglomerisierungsneigung. Sie bildenstarke Füllstoffnetzwerke, die für die Verstärkungswirkungin der Polymermatrix verantwortlichsind. Mischungen mit aktiven Kieselsäurensind daher bei gleichem Füllstoffgehaltwesentlich schwieriger zu verarbeiten als rußgefüllteMischungen. Zudem stören Kieselsäurenaufgrund ihrer Polarität die Vernetzung mitSchwefel-Beschleuniger-Systemen. Dadurch re -duziert sich die Vernetzungsgeschwindigkeit.Bei Ersatz von Rußen durch Kieselsäuren istes deshalb notwendig, eine Anpassung derVernetzungschemie vorzunehmen.KieselsäurenAbb. 9:Die Wirkung aktiver(N 220, N 330), halb -aktiver (N 550) undnicht aktiver Ruße(N 770, N 990) aufdie Compound -eigenschaften wieZugfestigkeit undViskosität wird maßgeblichdurch dieAuswahl der Ruß -typen und des Ruß -anteils bestimmt.phr parts per hundredrubberMooney-Viskosität [ML (1+4)/100 °C]00200150100500020 40 60 80 100 120Rußanteil [phr]N 220N 330N 550N 770N 99020 40 60 80 100 120Rußanteil [phr]Einfluss der VernetzungsdichteDie Vulkanisation oder Vernetzung ist derformgebende Schritt bei der Herstellung eineselastomeren Bauteils. Bei diesem Vorgangwerden chemische Bindungen geknüpft, dieaus der Kautschukmischung ein Elastomermit maßgeschneiderten Eigenschaften machen.Die Vulkanisation erfolgt in der Regelunter Druck und bei erhöhter Temperatur(T >140 °C) in speziell dafür konstruiertenWerkzeugen.Das Vernetzungssystem bestimmt die Verarbeitungseigenschaften,den chemischen Aufbaudes Netzwerks und die physikalischen Eigenschaftender Elastomere. Bei der Entwicklungvon Elastomermischungen spielt somitdie Wahl des Vulkanisationssystems eine maß-Vernetzung alsformgebenderSchritt

20 Einflussfaktoren auf das Werkstoff verhaltenEinfluss der Vernetzungsdichte 21SchwefelundPeroxid -ver netzunggebliche Rolle, um die gewünschten Werkstoffeigenschaftenzu erzielen. Die zwei häufigstenVernetzungsarten sind: die Schwefelvernetzungund die Peroxidvernetzung. DieSchwefelvernetzung erfolgt nicht ausschließlichüber die Zugabe von freiem Schwefel,sondern über eine Kombination unterschiedlicherSubstanzen, um die geeignete Vernetzungscharakteristikeinzustellen. In der Praxisbedeutet dies, eine verarbeitungsfähigeMischung zu entwickeln, die nicht nur einesichere Formgebung gewährleistet, sonderngleichzeitig auch eine wirtschaftliche Fertigungzulässt. Dabei erlaubt die Vielzahl derzur Verfügung stehenden Beschleuniger,Schwefelspender und Verzögerer eine nahezuunendlich große Anzahl an Kombinationsmöglichkeiten.Die Schwefelvernetzung wird vorallem bei der Vernetzung von Dien-Kautschukenwie zum Beispiel NR, SBR, BR, NBRoder CR eingesetzt. Mit der Entwicklung gesättigtersynthetischer Kautschuktypen hat diePeroxidvernetzung zunehmend an Bedeutunggewonnen. Durch diese Vernetzungsart ist esüberhaupt erst möglich geworden, Kautschukeohne Doppelbindungen in der Hauptkette zuvernetzen. Darüber hinaus lässt sich durchPeroxidvernetzung ins besondere bei NBR dieWärmebeständigkeit verbessern. Allerdings kön -nen verschiedene Faktoren wie Luftheizung,acide Gruppen enthaltende Füllstoffe oderentstehende Zerfallsprodukte des Per oxidswährend des Vulkani sationsprozesses einereibungslose Vernetzung behindern.Das Ausmaß an geknüpften chemischen Bindungenzwischen den Polymerketten währendder Vulkanisation hängt bei beiden Vernetzungsartenneben dem Kautschuktyp in ersterLinie von Art und Menge des gewählten Vernetzungssystemsab und wird auch als Vernetzungsgradoder Vernetzungsdichte bezeichnet.VulkanisateigenschaftenWeiterreißfestigkeitErmüdungElastische RückstellkräfteHärteVernetzungsdichteZugfestigkeitDämpfungBleibende VerformungReibungskoeffizientReißdehnungDie Vernetzungsdichte hat einen entscheidendenEinfluss auf Werkstoffeigenschaften wieErmüdung, Härte, Zugfestigkeit, bleibende Verformung,Reibung und Reißdehnung (Abb. 10).Mit zunehmender Vernetzungsdichte nehmenE-Modul, Härte und Elastizität zu, Reißdehnung,Dämpfung sowie bleibende Verformungab, während Weiterreißwiderstand und Zugfestigkeitein Maximum durchlaufen, bevor siewieder deutlich abnehmen. Als Konsequenzda raus ergibt sich, dass bei einer bestimmtenVernetzungsdichte nicht für alle Materialeigenschaftenein Optimum erzielt werden kann. Inder Regel wird die Vernetzungsdichte so gewählt,dass die für eine bestimmte Anwendungwichtigen physikalischen Eigenschaften optimiertwerden.Da es sehr aufwändig ist, die Vernetzungsdichtechemisch zu bestimmen, wird währendder Vernetzungsreaktion bei konstanter Temperatureine mechanische Größe – das Drehmoment– aufgezeichnet, die der Vernetzungsdichtenäherungsweise direkt proportional ist.Eine zunehmende Vernetzungsdichte zeigtsich an einem ansteigenden Drehmoment. DasPrüfgerät, das so genannte Rheometer, be -steht aus einer temperierten MesskammerAbb. 10:Einfluss derVernetzungsdichteauf die ElastomereigenschaftenVernetzungsdichteMessung desDrehmoments

22 Einflussfaktoren auf das Werkstoff verhaltenPhysikalisches und chemisches Einwirken 23Abb. 11:Vernetzungs -charakteristik vonElastomeren durchMessung desDrehmomentsFließperiode0,4Vernetzungsdichte0,2KeineVernetzung00 1 2 3 4 5 6Zeit [min]VernetzungsperiodeVollständigeVernetzungDrehmoment [Nm]1,00,80,6VernetzungsperiodeFließperiodeund einer flachen zylindrischen Scherscheibe(Rotor), die sich mit konstanter Drehzahl bewegt.Nach dem Einlegen der Kautschukprobeentsteht an der Rotorwelle ein Drehmoment.Dieses wird im zeitlichen Verlauf registriertund zur Beurteilung der Vernetzungsdichteherangezogen. Darüber hinaus gibt die VulkameterkurveAufschluss über die Mischungsviskositätbei Vulkanisationstemperatur. Manunterscheidet drei charakteristische Abschnitte(Abb. 11):• Die Fließperiode umfasst das Zeitintervallvom Beginn der Messung bis zum Beginnder Vernetzung, d. h. bis zum Anstieg desDrehmoments. Sie kennzeichnet den Bereichdes viskosen Fließens, der zur Formfüllungdes Werkzeugs genutzt wird. Währenddieser Zeit nimmt das Drehmomentzunächst ab.• Die Vernetzungsperiode gibt Aufschluss überdie Zeitspanne, die vom Beginn der Vernetzungbis zum Überführen des Materials ineinen formstabilen Zustand notwendig ist.• Die vollständige Vernetzung ist erreicht,wenn sich alle möglichen Vernetzungsstellenausgebildet haben. Das Drehmomenterreicht ein stabiles Werteniveau.Physikalisches und chemischesEinwirkenJe nach Art der Einwirkung lösen Alterungsvorgängeim Elastomernetzwerk Veränderungenaus, die zu Verhärtung, Erweichung oderzum Verlust an Festigkeit führen. Dies äußertsich beispielsweise durch Aufquellen, durchRissbildung und Versprödung oder durchVerfärbung des Elastomers. Eine Temperaturerhöhungbeschleunigt die Alterungsvorgängesehr deutlich. Es gilt die Faustregel:Pro 10 °C wird die Alterung um den Faktor 2bis 4 beschleunigt. Entsprechend sinkt dieLebensdauer von Bauteilen um den gleichenFaktor.Angriff durch SauerstoffDichtungen sind vielen verschiedenen Umwelteinflüssenwie Sauerstoff, Ozon, UV-Lichtoder wechselnden klimatischen Bedingungenausgesetzt. Der Sauerstoff in der Luft führt inKombination mit erhöhten Temperaturen zueiner Schädigung der Elastomermatrix. DieseSchädigung kann darin bestehen, dass es zueiner zusätzlichen Vernetzung der Polymer -ketten oder zu einem Abbau der Vernetzungsstellenkommt. Als Folge davon sind Festigkeitsverlust,Verhärtung oder eine charakteristischeRissbildung zu beobachten, was letzt -endlich zum Ausfall des Bauteils führen kann.Dien-Kautschuke (z. B. NR, SBR, NBR), diein der Polymerkette noch Doppelbindungenenthalten, werden durch Sauerstoff und vor allemdurch Ozon wesentlich stärker angegriffenals gesättigte Kautschuke (z. B. EPDM, ACM,ECO usw.).Um die Alterungsprozesse zu verzögern odergar zu unterbinden, werden den Elastomer -mischungen (insbesondere den Dien-Kautschuken)auf den jeweiligen Elastomertyp ab-ElastomerealternSchädigungder Elastomermatrix

24 Einflussfaktoren auf das Werkstoff verhaltenPhysikalisches und chemisches Einwirken 25Abb. 12:Schädigung desElas tomers durchEin wirken von Ozon:mit Ozonschutzmittel(a), ohne Ozonschutzmittel(b) im Vergleichmit einemnicht-gealtertenElastomer (c)Ozonschutz -mittel undWachseMessung derchemischenSpannungs -relaxationa) b) c)gestimmte Alterungsschutzmittel beigemischt.Diese machen den Luftsauerstoff auf chemischemWege unschädlich, sodass es erst garnicht zur Oxidation der Polymerketten kommt.Um eine Schädigung durch Ozon zu vermeiden,werden entsprechende Ozonschutzmittelund Wachse eingesetzt. Bei dauerhafter Verformung– insbesondere bei Einwirkung er -höhter Temperaturen – können chemischeProzesse (Kettenabbau, Netzstellenabbau oderUmlagerungen), die zu einer bleibenden Veränderungdes Werkstoffs führen, den physikalischenVorgängen überlagert sein. StehenElastomerbauteile unter Zugspannung, kannOzon die Elastomermatrix deutlich schnellerangreifen. In diesem Fall entstehen charakteristischeRisse quer zur Spannungsrichtung,die unter ungünstigen Umständen zum Bauteilversagenführen können (Abb. 12).Eine exakte Beurteilung des Alterungsverhaltensund einen tieferen Einblick in die Alterungsmechanismenermöglicht die Messungder chemischen Spannungsrelaxation bei verschiedenenTemperaturen. Um die verschiedenenchemischen Einflüsse besser zu beurteilen,werden die Messungen zum Vergleichauch in Stickstoff oder in flüssigen Mediendurchgeführt. Ein Arrhenius-Plot der Ergebnisseerlaubt die Extrapolation auf lange Ex-Relative Zugspannung [%]18016014012010080604020ε = 0,25 %100 °C kont. Luft110 °C kont. Luft120 °C kont. Luft100 °C diskont. Luft100 °C kont. StickstoffZeit [h]positionszeiten bei tieferen Temperaturen(Abb. 13). Bei dicken Prüfkörpern ist die langsamereDiffusion des Sauerstoffs in das Elastomerder begrenzende Faktor für die Zerstörungder Elastomermatrix und den damit verbundenenAlterungsvorgängen. Daher alterndicke Elastomerbauteile in der Praxis wesentlichlangsamer als dünne Bauteile.Welcher Alterungsschutz für ein Elastomerbauteilam besten ist, hängt wesentlich vondessen Einsatzbedingungen ab. Nur im güns -tigsten Fall reicht ein einzelnes Alterungsschutzmittelaus. In der Regel werden Kombinationenaus verschiedenen Alterungsschutzmittelneingesetzt.MedieneinflussBei der Einwirkung von Medien wie beispielsweiseÖlen oder Fetten laufen immer zweiunterschiedliche Prozesse ab, die das Elastomerund somit seine Dichtfunktion beeinträchtigenkönnen: das physikalische AufquellenE A = 122 kJ/mol010 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 2,23,02,92,82,72,62,52,42,31000/T [K -1 ]Abb. 13:Lebensdauer -vorhersage anhandder Extrapolationder Messwerte derZugspannungsrelaxation(Material: NBRPeroxidvernetzt)gemessen bei verschiedenenTemperaturenin Luft undStickstoffε DehnungE AAktivierungsenergiedes Alterungs -prozesses

26 Einflussfaktoren auf das Werkstoff verhaltenPhysikalisches und chemisches Einwirken 27Abb. 14:Medienlagerungvon PrüfkörpernQuellungund Volumen -änderungund das chemische Einwirken, bei dem sichder Werkstoff im Gegensatz zum reinen Quellenunter Medieneinfluss chemisch irreversibeländert.Um einen Elastomerwerkstoff auf seine Eignungfür ein bestimmtes Medium zu untersuchen,wird er im Rahmen eines Kurzzeitversuchsin der Flüssigkeit des Prüfmediums gelagert(Abb. 14). Durch Diffusion kommt eszur Aufnahme des Mediums in die Elastomermatrix.Hierbei kann sich das Medium an diePolymerketten anlagern. Diese zunächst nurrein physikalischen Vorgänge der Quellungund Volumenveränderung können durchgleichzeitige Extraktionsvorgänge überlagertwerden. Dabei wandern Bestandteile des Elastomerwerkstoffswie zum Beispiel Weichmacher,Alterungsschutzmittel oder sonstige Additivein das umgebende flüssige Medium aus(chemisches Einwirken). Dies hat zur Folge,dass die tatsächlich beobachteten VolumenundGewichtsänderungen eine Bilanz aus eindiffundierterFlüssigkeit und extrahierten Elastomerbestandteilendarstellen. Die reinenQuellvorgänge sind nach wenigen Tagen ab -geschlossen und geben Aufschluss über dieEignung des Werkstoffs in dem betreffendenMedium. Allerdings kann durch einen solchenKurzzeitversuch (< 3 Tage) kein wirklicherEindruck von den tatsächlich zu erwartendenLangzeitveränderungen gewonnen werden, dadas chemische Einwirken unterschiedlich starkvon Zeit und Temperatur abhängt. Daher sindPrüflaufversuche unter Einsatzbedingungenein unumgänglicher Schritt bei der Beurteilungeines Bauteils. Eine geringe Volumenquellungstellt bei geeigneter Auslegung derDichtungsumgebung keine Gefahr für dieFunktion der Elastomerdichtung dar. Dagegenführt der Volumenschrumpf zu einer Beeinträchtigungder Dichtfunktion in Form vonLeckage. Wandert das Medium (gasförmigoder flüssig) durch den Werkstoff hindurch,ohne dabei Poren oder Risse zu durch -dringen, spricht man von Permeation. Einsolcher Prozess führt zu einer Mikroleckageder Dichtung.Durch die Medieneinwirkung werden vieleWerkstoffeigenschaften wie Härte, Dichte,Reißfestigkeit und Dehnung, elektrische undoptische Eigenschaften sowie die Farbe unddie Oberflächenstruktur beeinflusst. Die Ursacheneines Schadensfalls lassen sich somitnicht nur auf Fehler bei der Dichtungsherstellung,sondern auch auf Fremdeinflüsse wie dieEinwirkung von Ölen, Fetten oder Gasen zurückführen,die das Elastomer sowohl chemischals auch physikalisch verändern können.Insbesondere die hohen Anteile an Additiven inden neuen vollsynthetischen Ölen können denDichtungswerkstoff chemisch angreifen undzerstören. Daher müssen Dichtungsherstellerüber eine umfangreiche Datenbasis verfügen,um aus der Interpretation der Schmierstoff-Elastomer-Wechselwirkungen die Leistungs -fähigkeit und Lebensdauer der Dichtung möglichstexakt vorhersagen zu können.VolumenschrumpfbeeinträchtigtDichtfunktionSchädigungdurch Schmierstoffadditive

28 Physikalisches und chemisches EinwirkenPhysikalisches und chemisches Einwirken 29Maximale Betriebstemperatur [°C]27525022520017515012510075PTFEFFKMFKMFVMQACMHNBRECOTPE-ENBRAUAEMCRVMQPVMQSBREPDMIIRNRinneren Erwärmung des Elastomers und somitzur Rissbildung und Zerstörung des Werkstoffs.Man bezeichnet diesen Vorgang auch als Er -müdung. Um das Ermüdungsverhalten einesElastomerdichtstoffs vorhersagen zu können, istdie Ermittlung der reinen Materialkenngrößenwenig sinnvoll, da Prüfbedingungen und Formder Prüfkörper einen großen Einfluss haben. Daherwerden meist Fertigteile auf praxisnahenPrüfständen getestet (Abb. 16).ErmüdungAbb. 16:Prüffeld fürFunktionstests vonSimmerringen500 20 40 60 80 100 120 140 160Quellung in Referenzöl IRM 903 [%]Abb. 15:Medienbeständigkeitder Elastomere imReferenzöl IRM 903»Gleiches löstGleiches«Es gibt kein Elastomer, das alle Anforderungenan Ölbeständigkeit sowie an Wärme- undKältebeständigkeit gleichermaßen erfüllt. Fürdie Auswahl eines geeigneten Dichtwerkstoffssind daher das Umgebungsmedium und dieTemperaturbedingungen im Einsatzfall zu berücksichtigen.Es gilt der chemische Grundsatz:»Similia similibus solvuntur« (lat.: »Gleicheslöst Gleiches«). Das bedeutet, dass polareElastomere (z. B. NBR) in polaren Medien(z. B. Glykol) stark aufquellen, während unpolareElastomere wie EPDM in unpolaren Medien(z. B. Mineralöl) nicht beständig sind(Abb. 15). Nähere Angaben über die Eignungvon Elastomerwerkstoffen in ausgewähltenDichtmedien finden sich im Anhang zu diesemBuch (siehe Seite 70).Dynamische BelastungBei ständig sich wiederholender Verformungwerden Elastomerwerkstoffe durch innere Reibunggeschädigt. Dies führt mit der Zeit zurBei reibender äußerer Beanspruchung tritthäufig Materialabtrag oder eine Veränderungder Oberfläche auf. Dieser Verschleiß ist nichtnur vom Elastomermaterial, sondern auch vonder Gegenlauffläche, ihrer Schmierung undder Gleitgeschwindigkeit sowie von anderenParametern abhängig. Nur wenn genaue undrelevante Material- und Ermüdungsdaten auspraxisnahen Untersuchungen vorliegen, ist dieAnwendung moderner Berechnungs- und Simulationsmethodenzur Vorhersage der Bauteileigenschaftenund zu Aussagen über denFunktionserhalt möglich.Verschleiß

30Ziel: homogeneMischungRußaggregatUnterschiedlichgroßeMischungs -bestandteileVerarbeitungs -verfahrenVoraussetzungen für die Produktion von Bauteilenaus Hochleistungselastomerwerkstoffensind die Zuverlässigkeit der Rohstoffqualität,exakte Gewichtsanteile der Rohstoffe, einkontrollierter Mischprozess sowie optimierteFormgebungsverfahren.MischtechnologieElastomere sind Mehrkomponentensysteme.Die verschiedenen Rohstoffe mit sehr unterschiedlichenGewichtsanteilen und verschiedensterKonsistenz müssen zu einer homogenenMischung verarbeitet werden. Sowird der Kautschuk als plastisches Polymer inBallen- oder Chipform angeliefert und erst beiVerarbeitungstemperatur fließfähig, währendbeispielsweise Weichmacher in der Regel alsÖl vorliegen.MischprozessZiel des Prozessschrittes Mischen ist es, alleerforderlichen Rohstoffe gleichmäßig zu verteilen(distributives Mischen) und Agglomerateaufzubrechen (dispersives Mischen), umeine optimale Anbindung der Füllstoffpartikelan das Polymer zu ermöglichen. Diese istinsofern von besonderer Bedeutung, da dieWechselwirkungen zwischen den Füllstoffpartikelnund der Polymermatrix unter anderemdie Verstärkung des Elastomers bedingen. Umdie Größenunterschiede der Mischungsbestand -teile zu verdeutlichen, wurden in Abbildung17 die Länge und der Durchmesser einesKautschukmoleküls auf eine Spaghetti-Nudelübertragen. Entsprechend wurden die Dimen-PolymerknäuelZinkoxid-Partikel(Ausschnitt)sionen für Ruße, Weichmacher und Beschleunigerumgerechnet. Anhand des »Spaghetti-Modells« lassen sich die Anforderungen erkennen,die an den Mischprozess gestelltwerden. Die Kunst des Kautschukmischensbesteht darin, die unterschiedlichen Bestandteileund Aggregate aufzubrechen und gleichmäßigin der Polymermatrix zu verteilen, umeine homogene Qualität des Compounds zugewährleisten.Die Vereinigung der verschiedenen Komponentenkann in der Regel nicht in einem Arbeitsgangerfolgen. Dies gilt insbesondere fürMischungen, die feinteilige Ruße oder Naturkautschukals Polymerbasis haben. Der Mischprozessbesteht in der Regel aus vier Stufen:• Das als Ballen in die Mischkammer zugeführtekalte Rohpolymer muss zerkleinertwerden, um genügend große Oberflächen fürdie Füllstoffinkorporation zu erzeugen. Im Innerender Mischkammer befinden sich dazuMischtechnologie 31Proportionsmodell:SpaghettiLänge Durchmesser Partikel Länge Durchmesser1–3 μm50 nm190 nm320 nm4 nm5 μm0,8 nm0,15 nm50 nm50 nm180 nm2 nm5 μm0,8 nmKautschukmolekülPolymerknäuelRußaggregat N330Rußaggregat N990WeichmacherZinkoxidSchwefel/Beschleuniger10–30 m0,5 m1,9 m3,2 m40 mm50 m8 mm15 mm0,5 m0,5 m1,8 m20 mm50 m8 mmAbb. 17:Größenunterschiededer Mischungs -bestandteile amBeispiel desSpaghetti-ModellsMehrereArbeitsgänge

32 Verarbeitungs verfahrenMischtechnologie 33InkorporationDispersionDistributionzwei sich gegenläufig drehende Rotoren.Durch die entstehenden Scherkräfte erwärmtsich das Polymer und wird fließfähiger.• Die zugeführten Füllstoffe und Weichmachermüssen eingearbeitet werden, sodasseine zusammenhängende Masse entsteht.Das Polymer dringt hierbei in die Leerräumeder Füllstoffagglomerate ein und verdrängtdie Luft. Diesen Prozessschritt bezeichnetman als Inkorporation.• Die Füllstoffe, insbesondere die Ruße, liegenals Agglomerate vor, die durch Scherkräfteabgebaut werden (Dispersion).• Die zerkleinerten Füllstoffe werden gleich -mäßig in der Polymermatrix verteilt. DiesenProzessschritt bezeichnet man als Distribution.In allen Mischprozessstufen verändern sich dieOberflächeneigenschaften, Größen und Verteilungsgradeder Zuschlagsstoffe sowie, bedingtdurch thermische Vorgänge, die Fließfähigkeitdes Polymers und damit das FließverhaltenTemperaturStempelwegDrehzahlEnergiedes Mischguts während des Prozesses. Dahergilt der zeitliche Verlauf der zugeführten Energiegleichsam als »Fingerabdruck« der Mischung(Abb. 18). Eine durchgängige Dokumentationder wichtigsten Prozessparameterwie zum Beispiel Temperatur, Drehzahl, Zeitund Energie dient somit zur Überwachung undSicherung der Mischungsqualität. Für die Herstellungvon hochwertigen technischen Elastomerbauteilenwerden Innenmischer mit inei -nandergreifenden Rotoren bevorzugt, da sie inder Regel eine bessere Dispersionsqualität liefernund eine schnellere Wärmeabfuhr erlauben.Dies ermöglicht einen Mischprozess beiniedrigeren Temperaturen.Vom Bereitstellen der Rohstoffe bis zum Ausliefernder fertigen und geprüften Mischung istfür die Herstellung einer Charge eine Vielzahlvon Prozessschritten erforderlich. Um denHelleFüllstoffeRuß RußÖlÖlDurchgängigeDokumentationAbb. 19:Materialfluss in derProduktionAbb. 18:Zeitlicher Verlauf derProzessparameterwährend des MischprozessesKautschukballenKautschukspalterProzessparameterInnenmischerZeit [min]Walzwerk Walzwerk Batch-off-Anlage

34 Verarbeitungs verfahrenMischtechnologie 35Abkühlungund Homo -genisierungMaterialfluss zu gewährleisten, sind verschiedensteAggregate von der Verwiegeeinheitüber den Kautschukspalter, den Innenmischer,das Walzwerk bis hin zur Batch-off-Anlage erforderlich(Abb. 19).Homogenisieren am WalzwerkWalzwerke bestehen im Wesentlichen auszwei hintereinander angeordneten, temperierbarenWalzen, die mit unterschiedlicher Drehzahllaufen. Durch die Reibung zwischenWalze und Mischgut wird sichergestellt, dassdie ausgewalzte Mischung (Mischungsfell) inder Regel auf der langsamer laufenden Vorderwalzeklebt. Die erste Aufgabe des Walzwerksbesteht im Abkühlen der Mischung, derenTemperatur nach Beendigung des Mischvorgangsim Innenmischer bis zu 150 °C betragenkann. Zusätzlich erfolgt am Walzwerk eineweitere Homogenisierung der Mischung. DieMischwirkung des Walzwerks beruht unter anderemauf der im Walzenspalt stattfindendenDispersion, die durch die unterschiedlicheDrehzahl der Walzen verstärkt wird. Die Verteilungder Mischungsbestandteile wird durchSchneiden des Mischungsfells und den Einsatzvon Hilfswalzen, so genannte Stockblender,verstärkt. Die Fellbildung wird durch die Walzenspaltdickesowie durch Reibung und Temperaturbeeinflusst. Falls es das Rezept erfordert,werden auf der Walze nach der Abkühlphasetemperatursensible Vulkanisations- undBeschleunigungschemikalien zugegeben. Sindin einer Mischlinie zwei Walzwerke aufgestellt,steht während der Zykluszeit des Innenmischersmehr Zeit zum Walzen zur Verfügung.Um die Reproduzierbarkeit der Abläufezu gewährleisten, wird der Walzprozess automatischüberwacht und dokumentiert.Um Füllstoffagglomerate vollständig zu zerstören,werden die Mischungen in Ausnahmefällensehr hohen Scherkräften ausgesetzt. In einemzusätzlich integrierten Walzwerk läuft dasMischgut dabei durch einen sehr engen Walzenspalt(< 1mm) bei gleichzeitig hoher Reibung.Diese Maßnahme verbessert die Qualität derMischung und ist insbesondere bei Mischungen,die ein hohes Dispersions niveau erfordern(Sicherheitsbauteile, Druck- und Lippendichtungen),ein obligatorischer Prozessschritt.Qualitätsaspekte und ProzesssteuerungDie Anforderungen an Funktionseigenschaftenund Qualität der Zulieferteile für die Automobil-und die allgemeine Industrie sind in denvergangenen Jahren bereits erheblich gestiegenund werden auch zukünftig weiter steigen.Gesetzliche Richtlinien sowie zunehmend höhereQualitätsansprüche der Kunden erforderneine kontinuierliche Überwachung und Dokumentationder Rohstoffqualität, der Mischungensowie der Prozesse. Durch systematischeQualitätsvorausplanung werden alle Schrittevon der Konzeptphase über die Entwicklungbis hin zum serienreifen Mischungsrezept bewussteingeleitet und abgeschlossen. So erfolgtbereits in der Entwicklungsphase mittelseiner FMEA (Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse)eine Bewertung und Risikoabschätzungder Mischungen.Da Elastomermischungen »Werkstoffe nachMaß« sind, bedeutet dies für einen Herstellertechnischer Elastomerprodukte, dass eine Vielzahlverschiedener Mischungen (es könnenmehr als 1000 sein) gefertigt und verwaltetwerden müssen. Für die Herstellung der Mischungenist eine entsprechend große Anzahlan Rohstoffen erforderlich. Um eine hoheQualität sicherzustellen, werden nur Rohstoffevon freigegebenen und zertifizierten Lieferanteneingesetzt. Computergesteuerte Systemeübernehmen in der Produktion die Auftrags -Qualitäts -vorausplanungHohe Rohstoffqualität

36 Verarbeitungs verfahrenFormgebungsverfahren 37RohstofflieferungRohstoffe erfassenRückmeldung(Gewichte)Etikettieren/RezeptAbb. 20:RechnergesteuerterProzess zurRessourcenplanungErstellen derMischaufträgeEinlagerungERP(Enterprise resource planning)AuftragHandverwiegungMischenWalzenBatch-off(Gewichte)Batch-offGut/schlechtPrüfenMaterialstammdatenQualitätssicherungsentscheidLagerabwicklung, Rohstoffverwaltung sowie dieProzess- und Qualitätssteuerung (Abb. 20).In einer großen Mischerei, die über mehrereMischlinien verfügt, wird jedem Rezept eineMischlinie zugeordnet, um die aggregatspezifischenStärken zu nutzen, aber auch um häufigeMischungswechsel und damit verbundeneRüst- und Reinigungszeiten sowie das Risikovon Kontaminationen zu vermeiden. Die Reihenfolgeder Mischaufträge wird so zusammengestellt,dass• sich möglichst große Losgrößen ergeben,• Rezepte mit ähnlichen Rohstoffen einanderfolgen sowie• Farbwechsel vermieden werden.Die Optimierung der Mischprozesse und Anlagenist die Basis für das Erreichen sichererund stabiler Mischprozesse.FormgebungsverfahrenDie Technologie der Kautschukverarbeitungist ein weites Gebiet, das von der flüssigen Latexverarbeitungüber Extrusions- und Formgebungsverfahrenin geschlossenen Werkzeugenbis hin zu manuell aufgebrachten Behälter -auskleidungen reicht. Die am weitesten verbreiteteFormgebungs- und Vulkanisations -methode für Dichtungen und technischeFormteile beruht auf der Bauteilherstellungin geschlossenen Werkzeugen.Compression MouldingDas Kompressionsverfahren (engl. CompressionMoulding) ist eine der ältesten Herstellungsformentechnischer Elastomerbauteile.Für dieses Verfahren benötigt man einenRohling, der groß genug ist, die Form des zufertigenden Bauteils auszufüllen. Für die Herstellungdieser Art von Rohling hat sich dasBarwell-Verfahren bewährt. Bei diesem Verfahrenwird die Kautschukmasse durch eineDüse gedrückt und mittels eines rotierendenMessers in sehr gleichmäßige Stücke gleichenGewichts abgeschnitten. Anschließend wirdder vorgeformte Rohling in die Bauteilform imWerkzeug (Werkzeugnest) eingelegt undObere HeizplatteRohlingUntere HeizplatteAbb. 21:Prinzip des CompressionMouldingsF

38 Verarbeitungs verfahrenFormgebungsverfahren 39LangeHeiz zeitenFormgebungüber Kanäledie Presse geschlossen. Die durch die Heizplattenerzeugte Wärme wandert in die Formmasseund setzt den Vulkanisationsprozess inGang (Abb. 21). Das Kompressionsverfahrenerfordert relativ lange Heizzeiten. Dies liegtvor allem daran, dass der Rohling von derUmgebungstemperatur auf die bei 150 bis180 °C liegende Vulkanisationstemperatur aufgeheiztwerden muss. Da Elastomere schlechteWärmeleiter sind, kann dieser Vorgang beidickwandigen Bauteilen mehrere Minutendauern. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden,muss die Form während des Vulkanisationsvorgangsmehrfach durch kontrolliertes Auffahrender Presse entlüftet werden. Das überschüssigeMaterial muss ebenfalls entweichen.Dabei bildet sich in der Trennebene der beidenWerkzeughälften eine Gummihaut als Grat,die nach der Vulkanisation vom Formteil entferntwerden muss. Dies geschieht in einementsprechenden Nachbearbeitungsschritt.Transfer MouldingDas Transfer-Moulding-Verfahren ist eineWeiterentwicklung des Kompressionsverfahrensund kann grundsätzlich mit den vorhandenenKompressionspressen durchgeführtwerden. Bei diesem Verfahren ist in die obereWerkzeughälfte eine Vertiefung eingearbeitet,in welche die unvulkanisierte Mischung inForm von einfachen Rohlingen eingelegt wird(Abb. 22). Die obere Werkzeughälfte ist imBereich der Vertiefung durch feine Kanäle(»Transfertopf«) mit dem Werkzeugnest verbunden.Der wichtigste Unterschied zumKompressionsverfahren besteht darin, dass dasWerkzeugnest bereits beim Beginn des Pressensgeschlossen ist. Wird die Presse zugefahren,bewegt sich das Werkzeug gegen eineneingebauten Kolben und die Elastomermischungwird in die Werkzeugnester einge-Obere HeizplatteRohlingUntere Heizplattedrückt. Beim Pressen durch die engen Fließ -kanäle ist ein intensiver Wärmeaustausch mitder Werkzeugwand gewährleistet. Zudem wirddurch die Fließgeschwindigkeit eine hohe Reibungswärmeerzielt. Dies muss bei der Entwicklungdes Mischungsrezepts berücksichtigtwerden, da die zusätzliche Reibungswärmezum vorzeitigen Anvulkanisieren der Mischungführen kann. Die Heizzeiten werdenim Vergleich zum Kompressionsverfahren erheblichverkürzt. Auch im Transfer-Moulding-Verfahren entsteht normalerweise ein Grat, derin der Regel aber dünner ist als beim Kompressionsverfahren.Mit dem Transfer-Moulding-Verfahrenlassen sich Formteile innerhalbenger Toleranzgrenzen fertigen; daher ist esbesonders gut für die Herstellung komplexerKleinteile geeignet.Injection MouldingDas Spritzgießverfahren (engl. Injection Moulding)wurde schon erfolgreich in der Kunststoffindustrieeingesetzt, bevor es einige Jahrespäter in der Kautschukindustrie eingeführtFAbb. 22:Prinzip desTransfer MouldingsVerkürzteHeizzeiten

40 VerarbeitungsverfahrenFormgebungsverfahren 41SchneckenvorplastifizierungEinspritzkolbengleich zu den anderen genannten Verfahren amkürzesten ist. Aufgrund der vergleichsweisehohen Investitionskosten eignet sich das In -jection-Moulding-Verfahren allerdings nur fürgrößere Produktionsserien.Für große ProduktionsserienAbb. 23:Prinzip desInjection MouldingsGetrennteAggregateVerteilerkanälewurde. Der Werkzeugaufbau ähnelt dem desTransfer-Moulding-Verfahrens, nur sind hierdie einzelnen Nester des Werkzeugs über Kanälemit dem Einspritzpunkt verbunden. DerFormgebungsprozess beginnt bei geschlossenemWerkzeug, in das die vorplastifizierte Mischungunter hohem Druck durch die Einspritzdüseund weiter durch die Verteilerkanäle in die Werkzeugnester gespritzt wird(Abb. 23). In der Kautschukindustrie hat sichweitestgehend das Spritzgießen mit Schneckenvorplastifizierungund Kolbeneinspritzungdurchgesetzt. Bei dieser Methode sind dieVorgänge des Plastifizierens und des Einspritzensgetrennt, sodass jedes Teileaggregat bezüglichseiner Funktion optimal ausgelegtwerden kann. Durch die Vorplastifizierung istdie Mischung beim Eintritt in das Werkzeugnestschon nahezu auf Vulkanisationstemperaturgebracht, sodass die Vulkanisationszeitbeim Injection-Moulding-Verfahren im Ver-Weitere TechnologienDas Problem der Entgratung bzw. die Vermeidungder Gratbildung hat zur Entwicklung neuerVerfahren und Werkzeuge geführt. Die Werkzeugoberflächelässt sich beispielsweise so modifizieren,dass zwar noch Luft entweichenkann, aber kein Elastomer aus dem Nest herausdringt.Diese Methode wird als Ready Mouldingoder als »Flash-less«-Verfahren bezeichnet. IhreAnwendung ist besonders für die Herstellungvon Präzisionsformteilen geeignet.Die Kombination der verschiedenen Formgebungsverfahrenhat zu einer Reihe weitererVerfahren geführt. So verbindet das Injection-Ready-Moulding-Verfahren das Spritzgießenmit der Werkzeugtechnologie zur gratlosenFertigung. Zum Spritzgießen kleiner, flacherFormteile, vorzugsweise O-Ringe, verwendetman unter anderem das Injection CompressionMoulding (Spritzprägen). Grundsätzlich beruhtdieses Verfahren darauf, dass beimSchließen des Werkzeugs noch ein Restspaltoffen gelassen wird. In diesen Spalt wird diebenötigte vorplastifizierte Mischung eingespritztund anschließend die Presse zugefahren.Mit diesem Verfahren lassen sich flache,hochpräzise Formteile herstellen, die weit -gehend gratfrei entformt werden können.Bei der Kaltkanaltechnik sind die Injektionskanälevom Werkzeug thermisch getrennt.Durch ein gestaltungsoptimiertes und richtigtemperiertes Kanalsystem lässt sich ein Materialverlustdurch bereits vulkanisierte Angüssevermeiden (Abb. 24). Dies bedeuteteine enorme Materialeinsparung, insbesondereInjection ReadyMouldingInjectionCompressionMouldingKaltkanaltechnik

42 VerarbeitungsverfahrenProzessoptimierung in der Elastomerverarbeitung 43Abb. 24:Prinzip derKalt kanaltechnikZeit- undMaterial -einsparungSchneckenvorplastifizierungEinspritzkolbenKühlungIsolationObere HeizplatteUntere Heizplattebei hochwertigen Mischungen. Durch diegeschickte Gestaltung der Kanäle könnengrößere Formteile mit kleinem Querschnitthergestellt werden. Für dieses Verfahren be -nötigt man Mischungen mit sehr guter Fließ -fähigkeit. Positiver Nebeneffekt der gutenFließfähigkeit ist die Möglichkeit, gleichzeitigdie Spritzgeschwindigkeit zu erhöhen.Neben der dadurch erzielten Zeitersparnismüssen keine Kanäle mehr entformt undvom Formteil entfernt werden. Die Kalt -kanaltechnik ist mit allen Formgebungsverfahrenwie dem herkömmlichen Spritzverfahrenoder dem Injection-Ready-Moulding-Verfahren kombinierbar und erlaubt eineweitgehende Automatisierung des jeweiligenVerfahrens.Prozessoptimierung in derElastomerverarbeitungBei allen Vulkanisationsprozessen ist es wichtig,die rheologischen Eigenschaften der Mischungenzu kennen, um die Prozessparameter optimaleinstellen und auf das Material abstimmenzu können. In der Rheologie betrachtet man dasFließverhalten (Viskosität) und Scherverhaltenvon Materialien. Rheologie und Prozesssimulationgehören untrennbar zusammen, wenn es umdie Optimierung von Fertigungsprozessen undum Kosteneinsparungen in der kautschukverarbeitendenIndustrie geht. Die Kenntnis der Vernetzungsreaktionund deren Geschwindigkeitdient dem Mischungsentwickler zur Bestimmungder Reaktionskinetik und dem Verfahrenstechnikerzur Ermittlung der idealen Heizzeitsowie der Qualitätssicherung in der Produktion.Die rheologischen Daten werden für Strömungs-oder Füllsimulationen beim Spritzgießenverwendet, um die Scherratenabhängigkeitder Viskosität zu bestimmen und anhand dieserden elastischen Anteil der Elastomerspannungzu berechnen. Die Simulation von Füllprozessenist daher ein wichtiges Hilfsmittel, um fehlerfreieBauteile herzustellen. So kann beispielsweiseder Füllfrontverlauf und die Lage von Zusammenfließnähtenoder auch der Druckbedarfzur Auswahl eines geeigneten Spritzgießaggregatsrechnerisch bestimmt werden. MöglicheFehlerquellen, zum Beispiel Lufteinschlüsse,können auf diese Weise frühzeitig erkannt undbehoben werden. Durch die Erweiterung universellerStrömungssimulationsprogramme mit optimiertenMaterialmodellen zur Beschreibungder Vernetzungskinetik können auch der Scorch-Index (Fließperiode, d. h. die Zeit bis zur Ver -netzung des Elastomers) und die Vernetzungsdichtebeim Spritzguss von Elastomerbauteilenberechnet werden.Strömungs- oderFüllsimulationenBerechnung desScorch-Indexes

44 VerarbeitungsverfahrenProzessoptimierung in der Elastomerverarbeitung 45ErheblicherRechenaufwandAbb. 25:Füllsimulation amBeispiel einerKonusschichtfederzur Beschreibungkomplexer StrömungsvorgängeEin Elastomerteilchen erfährt zwischen demFüllvorgang im Zylinder der Spritzgießmaschinebis zu seiner endgültigen Position imWerkzeug eine über die Zeit veränderlicheScher- und Dehndeformation. Bei der Simulationmüssen starke Geschwindigkeitsgradientenam Werkzeugrand sowie dünne Temperaturgrenzschichtenberücksichtigt werden. Dieserfordert neben speziellen Softwarepaketenauch einen erheblichen Rechenaufwand, umdie komplexen dreidimensionalen Strömungsvorgängezu beschreiben (Abb. 25).ding nicht nur die Fließfront und damit dieParameter, sondern es bewegen sich zusätzlichauch die Werkzeughälften gegeneinander.Der Vorteil aller Prozesssimulationen liegtdarin, dass sich Parameteränderungen und -optimierungenam Computer innerhalb wenigerStunden oder Tage zuverlässig durchführenund überprüfen lassen. Die gewonnenen Erkenntnissekönnen bereits in einem frühenEntwicklungsstadium in das Produkt- bzw.Prozessdesign einfließen. Physikalische Zusammenhängeund Abläufe werden bei der Simulationtransparenter, sodass der Anwenderein tieferes Verständnis für sein Produkt bzw.seinen Prozess entwickelt, das mit ausschließlichexperimentellen Untersuchungen nicht erreichbarist. Optimierungsprozesse lassen sichsomit zielgerichtet dort ansetzen, wo die größtenPotenziale erkennbar sind. Auf dieseWeise wird mit wenig Aufwand ein maximalesEntwicklungsergebnis erzielt.FrühzeitigeOptimierungEine besondere Herausforderung stellt die Simulationdes Compression Mouldings dar. ImGegensatz zur Spritzgusssimulation, bei derdie zeitlich veränderliche Fließfront (Verformungdes Rohlings bis zum vollständigen Füllen)innerhalb eines starren Raums (festeWände des Werkzeugnests) berechnet werdenmuss, ändern sich beim Compression Moul-

46Prüfung entlang der Prozesskette 47KomplexeZusammenhängePrüfung vonElastomerenPrüfungen an Elastomeren dienen in erster Liniezur Werkstoffcharakterisierung, zur Überprüfungder Funktion und zur Qualitätskontrolle.Da die meisten Elastomereigenschaftenzeit- und verformungsabhängig sind, erfassenPrüfungen die komplexen Zusammenhängeder Elastomereigenschaften nur bedingt. Invielen Fällen können nur eingeschränkte Aussagenüber die Eignung eines Produkts fürden vorgegebenen Einsatz gemacht werden.Daher ist neben der reinen Ermittlung derWerkstoffdaten die Bauteilprüfung im Rahmenvon Feldtestläufen für eine Beurteilungder Einsatztauglichkeit des Elastomers entscheidend.AlterungsverhaltenIn LuftIn flüssigen MedienSpannungsrelaxation,KriechenLicht- und UV-BeständigkeitOzonbeständigkeitDynamischeEigenschaftenModul, DämpfungLebensdauerReibung, VerschleißThermischeEigenschaftenTieftemperaturverhaltenKristallinitätErweichungsverhaltenElektrische EigenschaftenElektrische LeitfähigkeitOberflächenwiderstandDielektrizitätsverhaltenSonstige EigenschaftenDiffusionPermeationWerkstoffkenndatenZugversuchHärteElastizitätDichteFestigkeitDruckverformungsrestAbriebVerarbeitungskennwerteReaktivitätRheologische DatenPVT-DiagrammWärmeleiteigenschaftenBauteilauslegungBasierend auf demoptimierten WerkstoffmodellFEM-BerechnungenDesignoptimierungenSimulation von statischenund dynamischenBelastungszuständenVerfahrenssimulationRheologische undthermische WerkzeugauslegungFließverhaltenEntformungsverhaltenVerschmutzungseigenschaftenDVR-BestimmungPrüfung entlang der ProzessketteDie genaue Kenntnis der Zusammenhängezwischen Rezeptaufbau, physikalischen Eigenschaftenund ihre Veränderungen durch Alterungseinflüsseist eine notwendige Voraussetzungzur Qualitätsverbesserung der Endprodukte.Um eine umfassende Charakterisierungder elastomeren Werkstoffe vornehmen zukönnen, wird eine Vielzahl an Materialeigenschaftengeprüft (Abb. 26). Die Bestimmungdes Druckverformungsrests (DVR) gibt beispielsweisedarüber Aufschluss, inwiefern dieelastischen Eigenschaften von Elastomerennach lang andauernder, konstanter Druckverformungbei vorgegebener Temperatur erhaltenbleiben. Der Druckverformungsrest ist dahereine der wichtigsten Werkstoffeigenschaften,die der Produktentwickler vor dem Einsatzseiner Dichtung kennen muss. Anhanddes Druckverformungsrests kann die Qualität derElastomermischung bestimmt und ein Anhaltspunktfür die Eignung des Werkstoffs für dynamischeoder statische Dichtanwendungen gewonnenwerden. Neben den mechanisch-techno -logischen Eigenschaften wie Dichte, Härte, Zug -festigkeit und Bruchdehnung sind insbesonderedie physikalischen Wechselwirkungen mit Kon -taktmedien und die chemischen Materialveränderungendurch Umwelteinflüsse relevant.Allerdings sind die reinen Kennwerte zur Beurteilungder Gebrauchstauglichkeit wenig geeignet.Praxisnahe Prüfungen zu TemperaturundMedieneinwirkungen werden üblicherweiseüber verschiedene Zeiträume unterLaborprüfbedingungen simuliert. ModerneVerfahren der auf der Finite-Elemente-Methode(FEM) basierenden Bauteilauslegungsowie Prüfläufe unter Einsatzbedingungen imLabor ermöglichen es, die Funktion der Bau-Abb. 26:Übersicht über Prüfmethodenentlangder ProzesskettePraxisnahePrüfungen

48 Prüfung von ElastomerenBauteilsimulation mittels FEM 49HyperelastischeMaterialmodelleBewertungder Alterungs -beständigkeitteile umfassend zu beurteilen. Eindeutige Aussagenüber die Gebrauchstauglichkeit werdenidealerweise in Feldtests mit Bauteilproto -typen ermittelt.Vorhersage der LebensdauerDie ermittelten mechanischen, thermischenund dynamischen Kennwerte sind die Basis fürdie Entwicklung von Materialmodellen. Hierbeiwerden nicht nur die Einflüsse der Mischungund der Umgebung, sondern auch dasWerkstoffverhalten unter dynamischen Belastungenberücksichtigt. Anders als beispielsweisebei metallischen und keramischen Werkstoffenbesteht beim Elastomer zwischen Spannungund Dehnung kein linearer Zusammenhang.Neben diesem nichtlinearen Verhaltenmuss die Steifigkeit des Werkstoffs in Abhängigkeitvon der Verformungsgeschwindigkeitberücksichtigt werden. Optimierte Material -modelle, so genannte hyperelastische Materialmodelle,zeigen eine gute Korrelation mit denexperimentellen Daten und behalten auch beigroßen Materialverformungen (>150 %) nochihre Gültigkeit (Abb. 27).Insbesondere die Bewertung der Alterungsbeständigkeitvon Elastomeren ist ein wichtigesKriterium bei der Beurteilung der Lebensdauervon Dichtungen. Die Untersuchungen werdenim Allgemeinen durch Zugversuche an gealtertenProben durchgeführt. Dabei ist zu beachten,dass Kurzzeit- und Einpunktmessungenimmer zu Fehlinterpretationen führen können.Die Beobachtung der Alterungsphänomenebei unterschiedlichen Temperaturen undZeitstufen führt dagegen zu wesentlich aus -sagefähigeren Ergebnissen und lässt eineAbschätzung des Langzeitverhaltens zu.Zusätzliche, aus Bauteilanalysen und Alterungsversuchengewonnene, InformationenSpannung [MPa]3210Experimentelle DatenNeo-HookeMooney-RivlinOptimiertes Werkstoffmodell-1-50 0 50 100 150 200Dehnung [%]verfeinern die numerischen Materialmodelleund liefern so ein umfassendes Bild bezüglichder Lebensdauer von Elastomerdichtungen.Bauteilsimulation mittels FEMDie Finite-Elemente-Methode dient in der industriellenProduktentwicklung als Berechnungsverfahrenzur Lösung komplexer Problemeder Statik, Festigkeit, Dynamik undThermodynamik. Um bei der Entwicklungtechnischer Elastomerbauteile alle Potenzialehinsichtlich Konstruktion und Verkürzung derEntwicklungszeiten auszuschöpfen und gleichzeitigeine hohe Produktqualität sicherzustellen,ist es erforderlich, optimierte Methodenzur Berechnung des nichtlinearen Verhaltenseinzusetzen und somit das Werkstoffverhaltenmöglichst exakt wiederzugeben.Nichtlineare FEM-Rechenmodelle sind unverzichtbar,wenn es um die Beschreibung wichtigerPhänomene geht, wie zum Beispiel dasBetriebsverhalten von Elastomerbauteilen, dieProzesssimulation in der Umformtechnik oderdie rechnerische Simulation von Aufprallvor-Abb. 27:Vergleich verschiedenerMaterialmodellemit experimentellenDaten hinsichtlichdes Spannungs-Dehnungs-VerhaltensNichtlineareFEM-Rechenmodelle

50 Prüfung von ElastomerenBauteilsimulation mittels FEM 51Absicherung derBauteilfunktionAbb. 28:FEM-Berechnungeiner Achs -manschette. Dierot eingefärbtenFlächen markierenextreme Spannungenim Material.gängen. Zum einen werden durch die Simulationdie physikalischen Zusammenhänge fürden Anwender transparenter, zum anderen erlaubtdie frühzeitige Berücksichtigung derNichtlinearitäten im Konstruktionsprozesseine zuverlässige Absicherung der Bauteilfunktion.Simulationen mit FEM-Modellen,die das Werkstoffverhalten exakt beschreiben,können hierbei einen wertvollen Beitrag leistenund gewinnen zunehmend an Bedeutung.So lassen sich Topologie und Gestalt mechanischbelasteter Bauteile unter Berücksichtigunggeringer Dehnungen und Spannungenoptimieren.Ziel bei der Entwicklung. Die auf das axialsymmetrischeBauteil wirkenden Lasten sindnicht axialsymmetrisch. Daher muss bei derBerechnung eine Kombination von Axial- undQuerlasten berücksichtigt werden. In der Simulationwerden Spannungsspitzen im Bauteilsichtbar. Durch geeignete Anpassung des Bauteildesignsoder teilweise durch Optimierungdes Werkstoffs können die Spannungsspitzenreduziert werden. Veränderungen im Bauteildesignhaben einen enormen Effekt auf dieHöhe von Zug- und Druckspannungen. Im Fallder Faltenbälge bedeutete dies, dass die Spannungsmaximaim Elastomer anhand von Simulationendargestellt und anschließend reduziertwurden. Dadurch konnte die Lebensdauerum ca. 10 % gegenüber dem herkömmlichenDesign verlängert werden (Abb. 28).Ergebnis:LebensdauerverlängerungBeispielFaltenbälgeDer erfolgreiche Einsatz von FEM-Berechnungenlässt sich am Beispiel von Faltenbälgenverdeutlichen. Zur Abdichtung der Gelenkschmierungvon Achsen werden Faltenbälgeeingesetzt, die große Winkelbewegungenzulassen müssen. Neben der Erfüllung derElastizitätsanforderungen ist vor allem einelange Lebensdauer des Bauteils ein wichtiges

52Kombinationenmit anderenWerkstoffenO-RingeHightech-Produkteaus technischenElastomerwerkstoffenTrotz des Fortschritts in den verschiedenenWerkstoffklassen sind Elastomere aufgrund ihrerspeziellen chemischen, thermischen undmechanischen Eigenschaften weiterhin die Basisfür technische Dichtlösungen. Durch diefeste Verbindung von Elastomeren mit Metallen,Kunststoffen, Geweben oder anderen Materialienlassen sich die werkstoffspezifischenEigenschaften der verschiedenen Materialienvorteilhaft nutzen. Dadurch entstehen multifunktionaleElemente in Form von statischenoder dynamischen Dichtungen, Formteilen,Elastomerverbundteilen und vieles mehr.Ob in einer statischen oder einer dynamischenAnwendung – immer ist das Elastomer von entscheidenderBedeutung für Funktion, Lebensdauerund Wirtschaftlichkeit der Dichtung. Jenach Anwendungsgebiet kommen noch weiterespezielle Anforderungen an die Werkstoffe hin -zu. Die Palette an Dichtungen ist breit gefächertund reicht von klassischen Rundschnurringenüber Simmerringe bis hin zu schwingungs -technischen Bauteilen mit gleichzeitiger Dichtfunktion.Einige der Produkte sollen im Folgendenexemplarisch vorgestellt werden.O-Ringe werden überwiegend zur statischenAbdichtung ruhender Maschinenteile gegenflüssige und gasförmige Medien eingesetzt.Die Dichtwirkung des O-Rings beruht auf axialeroder radialer Verformung seines Querschnittsim eingebauten Zustand. Diese Verformungwird durch entsprechende Auslegungdes Einbauraums erreicht. Die hierdurch entstehendeReaktionskraft ergibt die für die Ab-Hightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 53dichtung erforderliche Anpresskraft, die durchden Druck des Mediums zusätzlich unterstütztwird. Bei sachgemäßem Einbau und richtigerWerkstoffauswahl können Drücke bis zu1000 bar und mehr abgedichtet werden. Mittelsmoderner Berechnungsmethoden lässt sich dasVerformungsverhalten der O-Ringe in derFunktion simulieren und die Lebensdauerdurch Designoptimierung erhöhen. Neben denklassischen O-Ringen gibt es unterschiedlicheSonderformen, die auch komplexe Bauteilgeo -metrien abdichten. O-Ringe, die im Einsatz mitheißem Wasser oder Dampf in Berührungkommen, z. B. in Armaturen, Stellventilen,Dampferzeugern, Speisepumpen, Magnetventilenoder in der Solartechnik, werden heuteaus EPDM oder HNBR gefertigt (Abb. 29).O-Ringe aus speziellen EPDM-Compoundszeichnen sich durch eine bessere Langzeit -s tabilität, insbesondere bei hohen Temperaturen(bis 180 °C in Wasserdampf) aus. Um dieseO-Ring-Werkstoffe in Trinkwasser einsetzenzu können, sind zusätzlich spezielle, zum Teilländerspezifische Freigaben erforderlich.Klappenventile oder mechanisch betätigte Verschlussventilezur Durchflussregulierung wer-Sonderformenfür komplexeBauteil -geo metrienAbb. 29:In der Solartechnikeingesetzte O-Ringeaus EPDMKlappenventile

54 Hightech-Produkte aus technischen ElastomerwerkstoffenHightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 55Abb. 30:Klappenventil -dichtungLangzeit -dichtheitordentlich beständig gegen Dampf sowie gegenaggressive Reinigungsmedien sein, d. h., siemüssen für CIP- und SIP-Prozeduren (CIP stehtfür Cleaning inPlace, SIP für Sterilisation inPlace) geeignet sein. Aufgrund des Einsatzesim Lebensmittelbereich dürfen die Elastomerenur unbedenkliche Mischungsbestandteile enthalten,die nach gesetzlichen Richtlinien vorgegebensind (z. B. nach Empfehlung des BfR undFDA CFR 21 § 177.2600). Neuentwicklungenin diesem Bereich sind Hochleistungswerkstoffeauf der Basis von EPDM, HNBR, FKMund in Spezialfällen auf der Basis von FFKM.HNBR-Compounds bieten beispielsweise sehrgute mechanische Festigkeitswerte sowie guteGleiteigenschaften. Sie werden vielfach in Anlageneingesetzt, in denen Fette, Wachse undÖle abgesperrt oder geregelt werden, da HNBRgegenüber diesen Medien eine hohe Beständigkeitaufweist. Die Einsatztemperaturen vonHNBR-Klappendichtungen reichen von –20 °Cbis +140 °C.Membranen werden immer in Anwendungeneingesetzt, in denen Bauteile flexibel mitei -nander verbunden, Räume zwischen ihnen getrenntund gleichzeitig eine dichte Trennwanderrichtet werden soll. Wegen ihren vielfältigenFunktionsmöglichkeiten (fördern, stellen, regeln,dichten, trennen, speichern) reicht ihrEinsatzbereich vom Maschinenbau über dieAutomobiltechnik, die Raumfahrt bis hin zurMedizintechnik. Die sehr unterschiedlichenAnforderungen in Bezug auf mechanische,thermische und chemische Belastungen erfordernin den allermeisten Fällen kundenspezifischeLösungen. Membranen werden beispielsweisein Kraftstoff oder Schmiermedien förderndenPumpen eingesetzt oder auch als Regel-und Abdichtelement in Ventilen von Getränkeabfüllmaschinen.Neben hoher Beständigkeitgegen Medien sind darüber hinaus eineNeue Hoch -leistungs -werkstoffeMembranenden tausendfach in der Getränke-, MolkereiundAbfülltechnik eingesetzt (Abb. 30). Siesind einfach aufgebaut, robust und damit weitgehendunanfällig gegen Störungen. Klappenventilemüssen Drücken bis 10 bar sowieFließgeschwindigkeiten von bis zu 2,5 m/ssicher standhalten. Die Standzeit der Dichtungenist ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeitvon Klappenventilen. Bei richtigerWerkstoffauswahl hält die Dichtung überviele tausend Schaltzyklen. Um die steigendentechnischen Anforderungen zu erfüllen, werdenWerkstoffe benötigt, die niedrige Reib -momente beim Betätigen der Klappen ermöglichenund ein sehr gutes Dichtverhalten in einemmöglichst breiten Einsatzbereich zeigen.Ein geringes Relaxieren des Elastomers bietetzudem die Gewähr, dass die Ventildichtungenauch nach längeren Zyklen unter Druckbelastung(Schließzustand) eine hohe elastischeRückstellkraft und damit eine hohe Langzeitdichtheitaufweisen.Dichtungen für die Lebensmittel- und Getränkeindustriemüssen neben der Beständigkeitgegen das abzudichtende Medium auch außer-KundenspezifischeLösungen

56 Hightech-Produkte aus technischen ElastomerwerkstoffenHightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 57Beispiel ZweikammerdoseAbb. 31:Zweikammerdose alsLadedruckregelventilhohe Abriebfestigkeit und gute dynamischeEigenschaften gefordert. Durch die Kombinationvon Strukturfestigkeit (z. B. durch dieVerwendung spezieller Gewebe) und Flexibilitäterreichen Membranen hohe bis höchsteDruck- und Dauerstandfestigkeiten. In motornahenAktuatoren setzen moderne Membranenbereits kleinste Druckunterschiede in RegelundSchaltvorgänge um. Auch unter kritischenBetriebsbedingungen, nahe an Turboladernoder in Blow-by-Gasströmen, die durch denVerbrennungsprozess im Motor entstehen, erreichendie Membranen lange Standzeiten beidurchgehend zuverlässiger Schaltpräzision.Ein Beispiel für den Einsatz von Membranenin Aktuatoren ist die als Ladedruckventilim Fahrzeug arbeitende Zweikammerdose(Abb. 31). Sie leitet die heißen Abgase währenddes Kaltstarts und im Volllastbetrieb am Turbo -lader vorbei. Die Zweikammerdose bestehtaus zwei durch Membranen getrennte Kam-mern, die in die gleiche Verstellrichtung arbeiten.Mit diesem System wird das Anspringverhaltendes Katalysators deutlich beschleunigt.Otto- oder Dieselmotoren erfordern aufgrundihrer unterschiedlichen Betriebstemperatur -bereiche auch unterschiedliche Elastomer -compounds für die Membranen.Dynamische Dichtungen, wie beispielsweiseSimmerringe, dienen zur Abdichtung sichbewegender Bauteile (z. B. rotierender Wellen)und werden unter anderem in Motoren zurAbdichtung von Kurbel- und Nockenwellenoder im Antriebsstrang von Pkw und Nkw sowiein Land- und Baumaschinen, in Industriegetrieben,Hydroaggregaten oder auch inWaschmaschinen eingesetzt. Für Industrieanwendungenliegt die geforderte Lebensdauerdynamischer Dichtungen zum Teil bei biszu 40 000 Stunden. Hohe Wellendrehzahlenund damit hohe Umfangsgeschwindigkeitenverursachen trotz des Einsatzes reibungsoptimierterWerkstoffe häufig einen extremenTemperaturanstieg an der Dichtlippe. Dieskann unter ungünstigen Umständen zur Verkohlungdes Öls und aufgrund der Ablagerungdieser Rückstände an der Dichtkante letztlichzur Leckage führen. Daher muss ein für Simmerringeeingesetztes Elastomer diesen hohenTemperaturen dauerhaft standhalten. Durchden verstärkten Einsatz moderner synthetischerSchmierstoffe in Motoren und Getriebensind die Elastomere darüber hinaus einer völligandersartigen chemischen Beanspruchungals bei herkömmlichen Mineralölen ausgesetzt,sodass sie auch gegenüber neuen Öl -generationen eine sehr gute Beständigkeit aufweisensollten.Um rechtzeitig Funktionsprobleme zu erkennen,können Radialwellendichtringe neuerdingsmit Zusatzfunktionen wie beispielsweiseeinem Leckagesensor ausgestattet werden.DynamischeDichtungenLebensdauerbis zu 40 000StundenIntegrierterLeckagesensor

58 Hightech-Produkte aus technischen ElastomerwerkstoffenAbb. 32:Simmerring ® mitLeckagesensorHightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 59Abb. 33:Dichtungslösungenmit integriertem Sensorund Stecker sindmit flexibler Leiterplattefür fast jedeKontur realisierbar.MultifunktionaleDichtsystemeLässt die Dichtfunktion beim Erreichen derProduktlebensdauer nach, nimmt ein Leckagedepotdie austretende Flüssigkeit auf. Ein imDichtsystem integrierter Sensor erkennt dieLeckage und meldet, wenn Wartung und Austauschder Dichtung nötig werden (Abb. 32).Auf diese Weise kann ein ungeplanter Maschinenstillstandvermieden werden.Neue Wege werden auch in der SteuerungsundSensortechnik beschritten, um den Anforderungennach niedrigen Leckageraten (imppm-Bereich) sowie nach Zuverlässigkeit undKostenoptimierung gerecht zu werden. DieKombination von flexibler Leiterplatten -technologie und Elastomeren zu multifunktionalenDichtsystemen bildet die Basis vonProdukten, die gleichzeitig dichten und elektrischeSignale ohne herkömmliche Kabelstörungsfrei weiterleiten (Abb. 33). Das Systembesteht dabei aus einer statischen Dichtungmit integriertem Sensor, einem Stecker undeiner flexiblen Leiterplatte, die alle Komponentenzu einer Baugruppe verbindet. Ohnezusätzliche Bohrungen, Abdichtungen undDurchführungen lässt sich mit diesem multifunktionalenDichtsystem ein elektrischesSignal aus einem medium- und/oder druckbe-aufschlagten Raum heraus- bzw. hineinleiten.Aufgrund großer Gestaltungsfreiheiten sindvielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Automobil-und Konsumgüterindustrie, in derMedizin- sowie in der Telekommunikationstechnikmöglich. Durch Miniaturisierungdieses Dichtsystems entstehen platzsparendeBauteillösungen, die durch Faltungen derflexiblen Leiterplatte in kleinste Bauräumeeingebaut werden können.Bälge und Staubkappen werden sowohl in derAutomobilindustrie als auch in der Baumaschinenindustrie,der Elektrotechnik, der Nahrungsmittelindustrieund der Medizintechnikeingesetzt. Im Automobil schützen diese BauteileAchsen, Getriebe, Stoßdämpfer oder dieLenkung. Gelenk- und Kardanwellen, aberauch Kugelgelenke in Spurstangen sowieStabilisatoren werden mit speziellen Elastomerbälgengegen das Eindringen von Schmutzund Feuchtigkeit geschützt. In Gelenk -wellen eingesetzte Elastomerbälge verhinderndarüber hinaus den Verlust der Schmiermittelfüllung.Zudem müssen die Bälge Auslen -kungen von bis zu 45°, Temperatur- undMedienbelastungen sowie hohen lokalenBeanspruchungen standhalten. Die BälgePlatzsparendeLösungenBälge undStaubkappen …… schützenempfindlicheTeile

60 Hightech-Produkte aus technischen ElastomerwerkstoffenHightech-Produkte aus technischen Elastomerwerkstoffen 61Dichtsystemefür Hydraulik -aggregatebestehen aus einem beweglichen Mittelteil undzwei Anschlüssen. Entsprechende Verschluss -elemente sorgen für einen passgenauen Sitzund stellen die erforderliche Dichtheit sicher.Die Auslegung eines Balgs richtet sich nachdem jeweiligen Gelenktyp und dem spezi -fischen Anforderungsprofil des Kunden.Aufgrund der unterschiedlichen Beanspruchungvon Fest- und Verschiebegelenken(Rad- und Getriebeseite) werden für derenAbdichtung unterschiedliche Elastomerwerkstoffever wendet. Gelenkwellenbälge für Festgelenkewerden vorzugsweise aus thermo -plastischen Elastomeren (TPE) gefertigt, währendGelenkwellenbälge für Verschiebegelenkemeist aus Chloropren-Kautschuken bestehen(Abb. 34).Aufgrund der gestiegenen Leistungsdichte beiHydraulikaggregaten lassen sich die Anforderungenan leistungsfähige, leckagefreie Komponentennur mit speziellen Dichtsystemen erfüllen,die zudem über eine lange Lebensdauerverfügen. Die dort eingesetzten Dichtsystemebestehen meistens aus einer Kombination genauaufeinander abgestimmter Dichtelementewie Abstreifer, Nutring, Führungsband, Stützringund Stangendichtung. Dichtelemente inHydraulikzylindern von Baggern, Radlagernund Planierraupen sind besonders hohen Belastungenausgesetzt. Sie müssen sowohlstarke Verschmutzungen durch Schlamm undStaub als auch große Temperaturschwankungenüberstehen. Darüber hinaus darf dasDichtsystem nicht durch hohe Systemdrücke,insbesondere nicht durch Druckspitzen oderdurch auf den Hydraulikzylinder einwirkendeQuerkräfte, Schaden nehmen. Die neue Generationvon Hydraulikdichtungen zeichnet sichdurch ein hohes Rückstellvermögen auch beiextremen Kältetemperaturen aus, sodass mobileHydrauliksysteme in allen Klimazonensowie auch im Winter von Beginn an ihrevolle Leistungsfähigkeit ohne nennenswerteLeckage erreichen (Abb. 35).Ein weiteres Einsatzgebiet technischer Elastomerwerkstoffeist die Schwingungstechnik.Schwingungen treten überall dort auf, wo Anfahrtsmomente,Unwuchten oder das Einwirkenvon äußeren Kräften und Drehmoment -spitzen eine Rolle spielen. Dabei verursachendie dadurch hervorgerufenen Vibrationen nichtnur Lärm, sondern sie belasten auch die Komponentendes Antriebsstrangs, sodass derenLebensdauer deutlich sinken kann. Motoren,Hohes RückstellvermögenEinsatzgebietSchwingungstechnikAbb. 34:Elastischer Schutzbalgfür Antriebs -wellenAbb. 35:Dichtsystem fürHydraulikzylinder

62 Hightech-Produkte aus technischen ElastomerwerkstoffenHydrolager alsDämpfungs -elementAbb. 36:Motorlager mitinteg rierter hydrau -lischer Dämpfung(Hydro lager)Getriebe, Antriebswellen oder Kupplungen mitnachgeschalteten Maschinen beeinflussen sichdabei gegenseitig. Im Fahrzeug werden dieSchwingungen auf das Fahrgestell und die gesamteKarosserie übertragen, was zu einerVerschlechterung des Fahrkomforts bis hin zurInstabilität führen kann. Der Frequenzbereichder Schwingungen im Fahrzeugbereich erstrecktsich von ca. 1Hz bis über 1000 Hz.Elastomere Bauelemente sorgen im Spannungsfeldvon Isolation und Dämpfung dafür,dass die Motoren und die Wellen in den Antriebssträngenvibrations- und geräuscharmlaufen. Hydrolager als elastomere Entkopplungmit hydraulischer Dämpfung können aufgrundihrer besonderen Konstruktion sowohlniederfrequente Schwingungen dämpfen alsauch hochfrequente Anregungen isolieren.Hydrolager (Abb. 36), die als Kabinenlagerbei Land- und Baumaschinen eingesetzt werden,verbessern den Benutzerkomfort undschaffen gleichzeitig die Voraussetzung zurErfüllung der gesetzlichen Lärm- und Schwingungsrichtliniensowie der Arbeitssicherheitsrichtlinien.AusblickAufgrund ständig steigender Anforderungenan die Dichtungswerkstoffe in Bezug auf Lebensdauer,Reibung, Verschleiß, Medien- undTemperaturbeständigkeit sowie immer enger ge -fasster Spezifikationen ist es für die Dichtungs -hersteller zwingend notwendig, sich mit denMaterialien und den lebensdauerbeeinflussendenFaktoren intensiv auseinander zu setzen.Nur so können moderne Elastomerwerkstoffeentwickelt werden, die höchste Funktions -ansprüche erfüllen. Für Motoren und Getriebezeigt sich ein Trend hin zu einem breiterenTemperatureinsatzbereich (von –40 °C bis+175 °C) und zum Einsatz von vollsynthetischenSchmiermedien. Zu diesen steigendenAnforderungen kommen neue, strengere gesetzlicheRegelungen hinzu. Ein Beispiel dafürist die Vorschrift, dass Kraftfahrzeuge zukünftigkeine flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungenmehr emittieren dürfen (»Zero EmissionVehicle«).Die Herstellung von anwendungsoptimiertenPolymeren ermöglicht eine erhebliche Erweiterungdes Anwendungsspektrums von Elastomercompounds.So wurden beispielsweise fürdie neue Generation von Wellendichtungenmaßgeschneiderte ACM-Polymere entwickelt,die über einen um 15 °C erweiterten Temperatureinsatzbereichverfügen (von –40 °C bis+175 °C) und damit die bereits genannten Anforderungender Automobilindustrie erfüllen.Mit speziellen Rezeptformulierungen lassensich neue Werkstoffe mit verbesserter Verschleißfestigkeitund Alterungsbeständigkeitentwickeln, welche die Lebensdauer des Bauteilserhöhen.Durch die wachsende Bedeutung der Elektronikgenerell sowie durch die Zunahme von elek-HöchsteFunktions -ansprüche63Strenge GesetzeMaß -ge schnei derteElasto mere

64 AusblickAusblick 65IntegrationzusätzlicherFunktionenElektrischleitfähigeElastomereBrennstoffzelletrischen Antrieben entstehen neue Dichtkonzepte,die sich durch das Integrieren zusätzlicherFunktionen in die Dichtung auszeichnen.Diese Konzepte ersparen einzelne Komponenten,reduzieren somit Bauraum, verminderndas Gewicht und vereinfachen letztlichauch die Montage für den Anwender. So gibtes schon heute Simmerringe mit Elastomer-Encoderelementen und aktiven Sensoren zurDrehzahlmessung im Automobil, insbesonderein ABS-Systemen. Die Dichtungen verfügenüber eine auf der Außenseite axial oder radialaufgebrachte magnetisierbare und sektorweisecodierte Elastomerschicht (siehe Umschlagbild).Ein Feldsensor erfasst die unterschiedlichenIntensitäten entlang des Magnetfeldsund liefert so ein Signal für die Drehzahl.Zusätzlich muss ein weiterer Aspekt – dieelektromagnetische Abschirmung – in Zukunftstärker berücksichtigt werden. Die Zunahmeder im Automobil eingesetzten elektrischenSysteme führt zu elektromagnetischen Inter -ferenzen, die für Funktionsstörungen der Bauteileverantwortlich sind. Durch die Entwicklungelektrisch leitfähiger Elastomere lassensich elektrostatische Aufladung und störendeWechselwirkungen elektrischer Komponentenuntereinander vermeiden. Dichtungen auselektrisch leitfähigen Elastomerwerkstoffenkönnen zukünftig im Bereich der Sensortechnikoder der Kommunikationselektronik zumEinsatz kommen.Als wichtige Zukunftsstrategie gilt die Entwicklungder Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie.Mit ihr verbinden sich dieHoffnungen, Energieverbrauch und Kohlendioxidemissionenin den Bereichen Verkehrund Energieversorgung deutlich zu verringern.Brennstoffzellensysteme stellen allerdingsganz andere Anforderungen an die Dichtungenals herkömmliche Verbrennungsmotoren. Sospielen Themen wie die Gaspermeation odersehr hohe chemische Reinheitsanforderungeneine wesentliche Rolle. Die Dichtungen müssendementsprechend gasundurchlässig seinund eine hohe chemische Beständigkeit gegendie in der Brennstoffzelle anfallenden Reaktionsprodukteaufweisen.Der Trend zu multifunktionalen Dichtungsmodulenin Verbindung mit modernen Verarbeitungstechnologienermöglicht die Herstellungfiligraner und komplexer Bauteile. Ein profundesWerkstoffverständnis sowie der Einsatzmoderner Berechnungsverfahren wie FEMund leistungsfähiger Zeichnungs- und Konstruktionsprogrammewie CAD werden zukünf -tig die Entwicklung innovativer Elastomerwerkstoffe,welche die hohen Anforderungen bezüglichQualität, Leistungsvermögen und Lebensdauererfüllen, noch weiter beschleunigen.Schlüssel:Werkstoff-Know-how

66FachbegriffeAgglomerate Zusammengelagerte Partikel, die aus einer Vielzahl von Einzelpartikelnbestehen und einen Durchmesser im Größenbereich von 50 bis100 Nanometer (nm) aufweisen können.Amorph Materialien, bei denen die Atome keine geordneten Strukturen, sondernunregelmäßige Muster ausbilden, bezeichnet man als amorph. Regelmäßigstrukturierte Materialien heißen im Gegensatz dazu kristallin.Batch-off-Anlage Dem Mischprozess nachgeschaltete Anlage, welche dieAufgabe hat, das Elastomerfell zu kühlen.Brownsche Molekularbewegung Phänomen, das die thermisch getriebeneEigenbewegung der Moleküle beschreibt.Drehmoment Produkt aus Kraft und dem senkrechten Abstand ihrer Wirkungslinievom Drehpunkt.Diffusion Ausgleich eines Konzentrationsunterschieds von gasförmigen odergelösten Stoffen, bei dem sich die Teilchen temperaturabhängig von der höherenzur niedrigeren Konzentration bewegen.Duromere Kunststoffe, die nach ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werdenkönnen; auch Duroplaste genannt.Elastomere Polymere Netzwerke, die in der Lage sind, reversibel große Verformungenzu absorbieren; vulkanisierter Kautschuk.E-Modul Das Zug-E-Modul drückt das Verhältnis zwischen Zugspannung undZugdehnung aus und beschreibt die Steifigkeit des Elastomers.Entropie Thermodynamische Größe, die die molekulare Beweglichkeit (Unordnung)eines Systems beschreibt.FEM Abkürzung für Finite-Element-Methode; ein Verfahren der numerischenMathematik.FMEA Abkürzung für Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse. Die FMEAist eine analytische Methode, um potenzielle Schwachstellen zu finden.Glasübergangstemperatur Temperatur, bei der Polymere vom gummielastischen,flexiblen Zustand in den hartelastischen, spröden Zustand übergehen.Sie ist für jedes Polymer spezifisch.Grat Ein beim Formgebungsverfahren entstehender hervorstehender Rand desElastomers.Kautschuk (indian. cao = Baum und ochu = Träne) Sammelbegriff für unvernetzte,elastische Polymere.Kriechen Temperatur- und zeitabhängige Verformung von Werkstoffen beilangzeitig wirkender, konstanter mechanischer Belastung.Polymer Makromolekül, das aus gleichartigen Einheiten (Monomere) aufgebautist. Ein Polymer kann aus linearen oder verzweigten Molekülen bestehen.Fachbegriffe/Literatur 67Rheologie Wissenschaft, die sich mit dem Verformungs- und Fließverhaltenvon Materie beschäftigt.Scorch-Index Fließperiode, d. h. die Zeit, bis die Vernetzung des Elastomerseinsetzt.Simmerring ® Radialwellendichtring; eingetragenes Warenzeichen von Freudenberg.Spannungsrelaxation Die zeitliche Abnahme der Spannung bei konstanterVerformung und Temperatur.Thermoplaste Kunststoffe, die sich unter dem Einfluss vom Wärme plastischverformen lassen. In der Regel bestehen Thermoplaste aus Polymeren mitlinearen oder wenig verzweigten Kettenmolekülen.Viskoelastizität Die zeit-, temperatur- und geschwindigkeitsabhängige Elastizitätvon polymeren Schmelzen oder Festkörpern (Kunststoffe).Vulkanisation Verfahren, bei dem der Kautschuk durch Änderung seinerchemischen Struktur in einen gummielastischen Zustand überführt wird; auchVernetzung genannt.LiteraturFreudenberg Forschungsdienste KG: Elastomere Werkstoffe. Eigenverlag 2001Hirsch, V.; Schneider, E.; Weiß, R.: »Numerische Berechnungen für Dichtungenund Bauteile.« MTZ, Jhrg. 65, 10/2004, S. 812 ff.Kaczmarek, M.; Rieg, F.: Taschenbuch der Maschinenelemente. Hanser undFachbuchverlag Leipzig, 2006Krompf, W.: »Membrantechnik für motornahe Aktuatoren.« MTZ, Jhrg. 66,4/2005, 288 ff.Mars, W.V.: »Factors that affect the fatigue life of rubber: a literaturesurvey.« Rubber Chemistry and Technology, Vol. 77, Issue 3, 2004, S. 391Priebe, N.: »Kontinuierliches Mischen von Kautschukmischungen.« KGK –Kautschuk, Gummi, Kunststoffe, 58. Jhrg., 03/2005, S. 102–108Röthemeyer, F.; Sommer, F.: Kautschuktechnologie. Hanser Verlag, 2001von Arndt, E.; Bußmann, M.: »Gleiche Mischungsqualität von verschiedenenProduktionsstandorten – Qualitätssystem eines multinationalen Gummiver -arbeiters.« VDI-Jahrestagung Mischen Extrudieren Spritzgießen, 2000

68 Anhang 69AnhangChemische Bezeichnung und AnwendungsbeispieleKurz- Chem. Be- Eigenschaften Handels- Anwendungzeichen zeichnungnameNR Natur- • Hohe statische und – Schwingungsdämpfer,kautschuk dynamische Festigkeit Tilger, Motorlager,• Sehr niedrige Dämp-Maschinenlager,fung (= hohe Elastizität)Kupplungen im Auto-• Sehr gutes Tief-mobil und Maschinentemperaturverhaltenbau sowie Schifffahrt• Geringe Alterungs-, OzonundÖlbeständigkeitSBR Styrol- • Mittlere Elastizität Buna SL ® , Formteile, O-Ringe,Butadien- • Sehr gute Abrieb- und Europrene ® , Membranen, TilgerKautschuk Verschleißfestigkeit Solprene ® , sowie in Reifen im Kfz,• Mäßige Alterungs- Dunatex ® als Förderbänder,beständigkeitSchläuche oder Fuß-• Keine Ozon-/ÖlbeständigkeitbodenbelägeCR Chlor- • Gute Hitze-, Witterungs- Neoprene ® , Faltenbälge, Staub-Butadien- und Ozonbeständigkeit Baypren ® kappen, Brems-Kautschuk • Mittlere Ölbeständigkeit schläuche, Dämpfer im• Neigung zur KristallisationAutomobil, allgemeinebei T < 0 °Cund BauindustrieEPDM Ethylen- • Sehr gutes Hitze- und Dutral ® , O-Ringe, Formteile,Propylen- Witterungsverhalten Nordel ® , Lagerelemente inDien- • Hohe Ozonbeständigkeit Buna EP ® , Lebensmittel- undKautschuk • Sehr gute Abrieb- und Keltan ® , Getränkeindustrie sowieVerschleißfestigkeit Vistalon ® im Automobil gegen• Sehr gutes KälteverhaltenBremsflüssigkeiten• Hohe Heißwasser- undDampfbeständigkeit• Nicht ölbeständigNBR Acrylnitril- • Gute Ölbeständigkeit Perbunan ® , Radialwellendichtringe,Butadien- • Gute Dämpfung (mit Nipol ® , Dämpfer, Tilger,Kautschuk steigendem ACN-Gehalt) Europrene ® , Membranen, Hydraulik-• Gute Abrieb- und Buna N ® und Pneumatikteile,VerschleißeigenschaftenPräzisionsformteile,• Schlechte Ozon-O-Ringe in der Antriebsbeständigkeitund Elektrotechnik,• Mäßige Alterungs-in der Lebensmittelbeständigkeitindustrie, für Isolierung• Mäßige Kälteeigen-gegen Kälteschaften in Abhängigkeitvom ACN-GehaltIIR Butyl- • Ausgezeichnete Hitze-, Esso Butyl ® , Membranen, O-Ringe fürKautschuk Ozon- und Witterungs- Polysar Butyl ® Heißwasser und Dampfbeständigkeitanwendungen• Chemische Beständigkeitgegen Säuren, Heißwasser,Glykol• Gasundurchlässig• Gute Kältebeständigkeit• Hohe Dämpfung, starktemperaturabhängigECO Ethylenoxid- • Gute Beständigkeit gegen Hydrin ® , Membranen, Formteile,Epichlor- Kraftstoffe, Mineralöle Herclor ® , Motorlager im Automobilhydrin- und -fette Epichlomer ®Kautschuk • Gasundurchlässig• KälteresistentHNBR Hydrierter • Gute Öl- und Benzin- Therban ® , Radialwellendichtringe,Acrylnitril- beständigkeit wie bei NBR, Zetpol ® Dämpfer, Tilger,Butadien- jedoch höhere Temperatur- Membranen, Hydraulik-Kautschuk beständigkeit und Pneumatikteile,• Gute Alterungs-Präzisionsformteile,beständigkeitO-Ringe in der Antriebs-• Gute Abrieb- undVerschleißeigenschaftenund Elektrotechnik,aber auch im SanitärundTrinkwasserbereichACM Acrylat- • Ausgezeichnete Hitze-, Nipol AR ® , Radialwellendichtringe,Kautschuk Ozon- und Alterungs- Hytemp ® , O-Ringe, FlachdichbeständigkeitNoxtite ® tungen, Formteile für Ge-• Sehr gute Ölbeständigkeit• Hohe Dämpfungtriebe im Kfz-Bereich; fürden Öl- und KühlmittelkreislaufAEM Ethylen- • Ausgezeichnete Hitze- und Vamac ® Dämpfer, Tilger, Flach-Acrylat- Witterungsbeständigkeit dichtungen für GetriebeKautschuk • Hohe Ozonbeständigkeit im Kfz-Bereich, für den• Hohe DämpfungÖl- und Kühlmittelkreislauf• Mittlere ÖlbeständigkeitFKM Fluor- • Sehr gute Öl- und Viton ® , Radialwellendichtringe,Kautschuk Chemikalienbeständigkeit Fluorel ® , O-Ringe, Membranen,• Extreme Hitze- und Tecnoflon ® , Formteile, PräzisionsteileWitterungsbeständigkeit Dai-El ® , im Motorenbau, in Hydrau-• Schlechte Kälteeigenschaf- Noxtite ® lik, Chemie- und Prozesstenunterhalb von –20 °Ctechnik sowie Luftfahrt(Ausnahme: Spezialtypen)FFKM Perfluor- • Ausgezeichnete Kalrez ® , Radialwellendichtringe,Kautschuk Medienbeständigkeit Simriz ® O-Ringe, Membranen,• Extreme Hitze- undFormteile, PräzisionsteileWitterungsbeständigkeitin der Chemie- und• Spezialtypen bis –20 °CProzesstechnik, Raumbeständigfahrt bzw. gegen aggressiveMedien und DampfVMQ Methyl- • Extreme Hitzebeständigkeit Silopren ® , Präzisionsteile, O-Ringe,Vinyl- • Ausgezeichnetes Tief- Silastic ® , Flachdichtungen,Polysiloxan temperaturverhalten Elastosil ® Membranen für Medizinbis–60 °Ctechnik• Niedrige FestigkeitFVMQ Fluormethyl- • Hohe thermische, Silastic ® , Formteile, MembranenVinyl- Alterungs-, Ozon- und FluorSilicon ® etc., überwiegend fürPolysiloxan Witterungsbeständigkeit LuftfahrtPVMQ Phenyl- • Sehr gute Tieftemperatur- GE-Sil ® , Formteile, O-Ringe,Vinyl- beständigkeit, Ozon-, UV- Silastic ® , MembranenPolysiloxan und witterungsbeständig Silopren ® ,Elastosil ®AU Polyester- • Gute Alterungs- und Adiprene ® , Pneumatik- und Hydrau-Urethan Ozonbeständigkeit Pellethan ® likdichtungen für allgemei-• Hohe Reiß- und Verschleiß-nen Maschinenbau, Landfestigkeitund Baumaschinen,Fördertechnik

70 AnhangEinsatz von Elastomerwerkstoffen in verschiedenen DichtmedienNR SBR CR IIR EPDM NBR ECO HNBR ACM AEM FKM FFKM VMQ FVMQ AUMax. Höchsttemperatur [°C] +80 +100 +120 +130 +140 +120 +130 +150 +160 +150 +210 +230 +200 +175 +90Zulässige Tieftemperatur [°C] –60 –50 –40 –40 –40 –30 –40 –30 –30 –40 –20 –15 –60 –60 –30Motorenöle – – (+) – – + + + ++ ++ ++ ++ (+) + 0Mine - Getriebeöle – (+) – – (+) + + ++ ++ ++ ++ (+) + 0ralische Hypoidöle – – (+) – – (+) + + ++ ++ ++ ++ (+) + 0Schmier-stoffeATF-Öle – – (+) – – (+) + + ++ ++ ++ ++ (+) + 0Fette – – (+) – – + + + ++ ++ ++ ++ (+) + +Synthe - Polyalkylen- – – – – (+) (+) – + – – + ++ – + 0tische Schmierstoffeglycole (PAG)Polyalphaolefine – – 0 – – (+) + + + + + ++ (+) + 0Mine - (PAO)HLP nach – – (+) – – + + + + + ++ ++ + + +ralische DruckflüssigkeitenDIN 51524 Teil 2HLVP nach – – (+) – – + + + + + ++ ++ + + +Biolog. DIN 51524 Teil 3HETG-Rapsöl – – – – – 0 0 (+) – – ++ ++ 0 + 0abbaubare HEES – – – – – 0 0 0 0 – – ++ ++ – + 0DruckflüssigkeitenHEPG-Polyglykole Synthetische Ester– – – – 0 (+) – (+) – – + ++ – + –Schwer-Gruppe HFA – – – – – + – + – – – ++ – – –entflamm-Gruppe HFB – – – – – + – + – – – ++ – – –bare Druck-Gruppe HFC – – – (+) (+) (+) – (+) – – – ++ – – –flüssigkeiten Gruppe HFD – – – – – – – – – – – ++ – – –Heizöl EL und L – – 0 – – (+) (+) (+) – 0 ++ ++ 0 ++ –Bremsflüssigkeit 0 0 – (+) ++ – – – – – – ++ 0 – –Sonstige DOT3 /DOT4Benzin – – – – – (+) + (+) – – + ++ – ++ –Medien Wasser 0 0 (+) + ++ + 0 + 0 0 (+) ++ 0 0 0Waschlauge 0 0 (+) (+) ++ + 0 + – – (+) ++ 0 0 –CIP/SIP – – – – + – 0 (+) – – ++ ++ 0 – –Luft 0 0 + + ++ + + ++ ++ ++ ++ ++ – ++ –++ sehr gut, + gut, (+) befriedigend, 0 mäßig, – nicht geeignet; Spezialtypen können von den vorliegenden Angaben abweichen.Der Partner dieses BuchesFreudenberg Sealing TechnologiesGmbH & Co. KGHöhnerweg 2–469465 WeinheimInternet: www.FST.comFreudenberg Sealing Technologies ist Teil des breit diversifizierten,international tätigen Familienunternehmens Freudenberg. Der Technologiespezialistentwickelt, produziert und liefert für die Kunden inder Automobil-, der Zulieferer- und der Allgemeinen Industrie einebreite Palette an dichtungstechnischen Lösungen – von der in engerZusammenarbeit mit den Kunden entwickelten Einzellösung bis hinzu weltweit standardisierten, kompletten Dichtungspaketen. Allewichtigen Automobilhersteller, großen Zulieferer und mehr als15 000 Kunden in der Allgemeinen Industrie beziehen Dichtungenvon Freudenberg.Seit 1960 ist Freudenberg an der japanischen NOK beteiligt. Beide Partnerarbeiten insbesondere in der Dichtungstechnik eng und erfolgreichin einem globalen Netzwerk zusammen. Sie haben eine Vielzahl vonGemeinschaftsunternehmen in aller Welt gegründet und ihre Unternehmensstrukturenaufeinander abgestimmt. Meilensteine der Globalisierungwaren die Gründung der Freudenberg-NOK General Partnership,Plymouth/USA, im Jahr 1989 sowie der NOK Freudenberg Asia Holdingim Jahr 1996. Gemeinsam verfügen die Partner über mehr als50 Produktionsstätten weltweit.Der Simmerring ® , 1929 bei Freudenberg durch Prof. Walther Simmerentwickelt, war die Grundlage des heute mehr als 80 000 unterschied -liche Produkte umfassenden dichtungstechnischen Sortiments. Dabeientstand eine Vielzahl an wegweisenden Innovationen. Heute übernehmenDichtungen unter anderem Zusatzfunk tionen, um Signale an dasBremssystem oder die Motorsteuerung zu übermitteln.Innovationen in der Dichtungstechnik sind undenkbar ohne eine tiefeKenntnis der Elastomere. Bei Freudenberg arbeiten rund 250 Expertenweltweit in der Werkstoffentwicklung. Das Unternehmen setzt mehr als1600 verschiedene Compounds und mehr als 850 verschiedene Rohstoffeein. Modernste Analysemethoden und eigene Modelle zurBerechnung und Simulation von Werkstoffverhalten tragen dazu bei,Dichtungen von Freudenberg Sealing Technologies immer weiterzu verbessern.