Kontinuierliche Verschiebung der Grenzwerte als Entwicklungskatalysator

Elastomerdichtungen nach Maß

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Innovation, Fortschritt und Erfahrung – diese Schlagworte sind allgegenwärtig, wenn man sich in der Maschinenbaubranche umhört. Die Märkte ändern sich, die Anforderungen steigen und die Prozesse werden komplexer. Hiervon sind Elastomerdichtungen und O-Ringe besonders betroffen.

Die enormen Veränderungen im Maschinenbau lassen sich an kleinen, aber dennoch bedeutenden Komponenten wie den Dichtungen anschaulich nachvollziehen und darauf aufbauend in die Zukunft blicken. Dass die heute hergestellten Präzisions-O-Ringe und weitere Elastomerdichtungen auf die Lederverarbeitung zurückzuführen sind, ist heute kaum mehr vorstellbar. Im 19./20. Jahrhundert wurden Dichtungen vorwiegend aus Leder hergestellt, das mit verschiedenen Wachsen, Ölen und Fetten getränkt, bearbeitet und in entsprechende Formen gebracht wurde. Dichtringe, Faltenbälge, Hut- und Topfmanschetten wurden für die unterschiedlichsten Dichtungszwecke hergestellt, angefangen von Wasserleitungen über Motoren und Pumpen bis hin zu hydraulischen Maschinenelementen.

1839 wurde das Vulkanisationsverfahren von C. Goodyear erfunden, aber erst 1909 wurde der erste „brauchbare“ synthetische Kautschuk von C. Hofmann patentiert und 1910 die Basis für eine großindustrielle Synthesekautschukproduktion geschaffen. 1930 gelang mit der Entwicklung des öl- und hitzebeständigen Acrylnitril-Butadien-Kautschuks (NBR) wie auch des flammwidrigen, ozon- und witterungsbeständigen Chloropren-Kautschuks (CR) ein wesentlicher Fortschritt für moderne Industrieanwendungen. Der Durchbruch von Gummi (vulkanisierter Kautschuk) als Dichtungswerkstoff gelang jedoch erst in den 1950er Jahren. Die Ära der Lederdichtungen ging damit zu Ende.

Elastische Werkstoffe im Vorteil

Der Gummiwerkstoff war wesentlich preiswerter und konnte, durch den Wegfall des zeitaufwändigen Gerbprozesses, wesentlich schneller produziert werden. Zudem ließ sich der elastischere Werkstoff in unterschiedlichsten Formen produzieren, die Maßhaltigkeit war deutlich höher als bei Leder und die physikalischen Eigenschaften waren besser. Es boten sich völlig neue Einsatzmöglichkeiten an. Zunächst gab es nur wenige Gummiwerkstoffe.

In der Dichtungstechnik wurden und werden überwiegend synthetische Kautschuke eingesetzt. Wie in vielen anderen Industriezweigen haben sich die Anforderungen an die Produkte im Laufe der Jahre sehr stark geändert. Durch komplexere Konstruktionen und Verfahren im Maschinen- und Anlagenbau mussten Dichtungen immer höheren Anforderungen genügen. So führte beispielsweise die Verwertung von aus Erdöl gewonnenen Produkten und die schnelle Verbreitung der Verbrennungsmotoren einerseits zum Bau zahlreicher neuer Raffinerien und andererseits zu einer rasanten Weiterentwicklung der in den Raffinerien verwendeten Verfahren. Diese beeinflussten auch maßgeblich die Entwicklung von Dichtungswerkstoffen. So wurden beispielsweise durch die Entwicklung von Kraftstoffen mit speziellen Additiven auch neue Dichtmaterialien notwendig, da die bisher verwendeten Werkstoffe gegenüber den neuen Kraftstoffen nicht mehr beständig waren.

Normen, Zulassungen, Materialien

C. Otto Gehrckens (COG) ist als langjähriger Hersteller von Elastomerdichtungen in der Branche bekannt und feiert dieses Jahr das 150-jährige Firmenjubiläum. In dieser Zeit hat sich das Unternehmen selbst und seine Produkte im Einklang mit den sich wandelnden Märkten stark verändert. Seit dem 19./20. Jahrhundert stellt COG Ledertreibriemen und Lederdichtungen her, seit den 1950er Jahren auch Elastomer-O-Ringe. Viele Entwicklungen sind durch eine enge Zusammenarbeit mit den Anwendern und Rohstofflieferanten sowie einer eigenen Forschungs- und Entwicklungsabteilung und Mischerei entstanden. Höhere Marktanforderungen erforderten neue Produktionsverfahren, die die spätere Verarbeitung des Werkstoffs und damit die Qualität des Endprodukts optimierten – sowohl die Maßhaltigkeit als auch die Werkstoffperformance betreffend. Mit der ersten DIN-Norm von 1970, damals noch unter dem Titel „Runddichtringe mit besonderer Maßgenauigkeit aus Elastomeren“, wurde ein Grundstein für erste Qualitätsrichtlinien festgelegt. Doch erst mit der Nachfolge-Norm DIN 3771 von 1984 wurden die qualitativ wesentlich hochwertigeren Präzisions-O-Ringe definiert. Diese Norm ist in die heutige gültige Norm ISO 3601 übergegangen. Qualitativ sind die so produzierten O-Ringe mit ihren niedrigen Toleranzen nach wie vor die Benchmark. Allerdings sagt die Werkstoffbezeichnung selbst nichts über die Produktqualität aus – so ist FKM nicht gleich FKM – auch wenn beide Werkstoffe nach der ISO 3601 produziert werden. Die Mischungsrezeptur ist entscheidend und darüber hinaus die Verarbeitung. Bei den auf dem Markt verfügbaren Dichtungswerkstoffen gibt es daher eine große Varianz in der Performance der Dichtungen. Für viele Entwicklungen im Maschinenbau können aus diesem Grund auch nur bestimmte High-Tech-Compounds zum Einsatz kommen oder müssen für die neuen Einsatzzwecke extra entwickelt werden.

Neben Materialentwicklungen erweitern auch neue O-Ring- und Nutgeometrien das Einsatzspektrum von O-Ring-Dichtungen. So verhindern die Aseptik-Dichtungen – sogenannte totraumfreie Dichtungen – durch ihre spezielle Ring-Geometrie, dass sich Verschmutzungen ablagern können. Dies ist besonders in kritischen Anwendungen, beispielsweise in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie, wichtig. Ein weiterer Entwicklungsfaktor synthetischer Kautschuke basiert auf neuen Nachfrageanforderungen, um zum Beispiel eine größere Beständigkeit gegenüber hohen und tiefen Temperaturen, hohen Drücken, Vakuum oder unterschiedlichen Chemikalien zu erreichen.

Neue Materialien sind auch auf die Einführung von Zulassungen (z.B. FDA, USP oder DVGW) zurückzuführen. Durch die sich ändernden Marktanforderungen werden sukzessive auch neue Zulassungen für die im Produktionsprozess eingesetzten Materialien notwendig. Diese müssen teilweise auch individuellen Werksnormen entsprechen.

Die beste Lösung für jede Applikation

Die Entwicklung neuer Synthesekautschuke in den letzten Jahrzehnten zeigt deutlich, dass in zunehmendem Maße Möglichkeiten genutzt werden, Synthesekautschuke für ganz bestimmte Anwendungen unter Hervorhebung speziell gewünschter Eigenschaften, z. B. Resistenz gegen explosive Dekompression, chemische Beständigkeit bei gleichzeitig guter Tieftemperaturflexibilität oder der Einsatzfähigkeit bei hohen Temperaturen, quasi nach „Maß“ herzustellen. Ebenso ist festzustellen, dass die Produktionszyklen zugunsten einer erhöhten Produktivität verkürzt und damit die Elastomerdichtungen deutlich höher beansprucht werden. Sind die Dichtungen in der Vergangenheit häufig nur einem Medium in einem vorher fest definierten thermischen bzw. physikalischen Umfeld ausgesetzt gewesen, so sind die heutigen Ansprüche an eine moderne O-Ring-Dichtung vielschichtiger. Dies hat zur Konsequenz, dass es eine Vielzahl spezieller Werkstoffe für spezifische Einsatzräume gibt und gleichzeitig immer neue Allround-Werkstoffe entwickelt werden, die für einen universellen Einsatz konzipiert wurden. Diese Veränderungen und damit verbundenen erhöhten Anforderungsprofile stellen die Entwickler in der Dichtungstechnik vor immer neue Herausforderungen.

In der Konsequenz besteht die Notwendigkeit für alle eingebundenen Personen, über umfangreiche Kenntnisse zu verfügen und diese stets auf dem aktuellsten Stand zu halten. Nur so gelingt es dem Hersteller, für die jeweilige Anwendung eine optimale Dichtungslösung zu finden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat COG sich entschieden, auch weiterhin am Standort Deutschland zu produzieren und den F&E-Bereich weiter auszubauen. 2001 wurde die Anwendungstechnik als Kompetenz-Center und Serviceabteilung aufgebaut und zusätzlich wurde im Jahr 2009 mit der O-Ring-Akademie eine kostengünstige Fortbildungsmaßnahme etabliert, um entsprechendes Know-how auf der Kunden- und Anwenderseite zu vertiefen.

Über die Zielrichtung des Zukunfts-Szenarios sind sich alle Beteiligten – vom Hersteller bis hin zu den Anwendern – einig: Es muss versucht werden, in gemeinsamer Arbeit die bestmögliche Dichtungslösung für die einzelne Anwendung zu finden. Hierfür sind ein einheitlich hoher Wissensstand und eine offene Kommunikation untereinander notwendig. Nur so können Fehler, und damit zusammenhängend Kosten, vermieden werden. Ob neue Dichtungen im Kontext Industrie 4.0 sinnvoll und bezahlbar sind oder neue Anwendungsfelder erschlossen werden sollen – eines ist sicher: Die Einsatzmöglichkeiten neuer Hochleistungs-Elastomerwerkstoffe werden sich kontinuierlich erweitern.

www.prozesstechnik-online.de

Suchwort: cav0617cog


Autor: Michael Krüger

Leiter Anwendungstechnik,

C. Otto Gehrckens


Autor: Henning Wrage

Leiter Marketing,

C. Otto Gehrckens

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