Dichtungen Ansprüche, Trends und Anwendung statischer und dynamischer Dichtsysteme

Dichtungen sind wichtige Bauteile aller technischen Gebilde, vom Küchenmixer bis zum Kernkraftwerk. Versagt die Dichtung an der hydraulischen Bremse eines Automobils, wird’s mit dem raschen stoppen schwierig. Bricht der Kolbenring im Motor, fährt es erst gar nicht los; und ist das statische Dichtelement des Schiebedachs porös, wird der Fahrer wenn’s regnet nass. Versagende Dichtungen sind immer – mehr oder weniger – unangenehm. Dies führt zu der Frage: Was ist bei der Konstruktion eines Dichtsystems zu beachten? Der folgende Beitrag gibt die Antwort.

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Die aktuellen gesellschaftlichen Trends zu höherer Leistung bei geringerem Preis und Energieverbrauch sowie zu null Fehlertoleranz führen in der Technik zu höheren Drehzahlen, höheren Drücken, höheren Temperaturen, aggressiveren Fluiden (Schmierstoffen) und sich stärker verformenden Strukturen. Diese sind von den Dichtungen dann zu beherrschen, zu beherrschen bei gleichzeitig höherer Dichtgüte – Leckage ist ja inakzeptabel! –, Lebensdauer und Zuverlässigkeit.

Diese Forderungen spiegeln sich in den dichtungstechnischen Forschungsaktivitäten wider. Nachdem über Jahrzehnte meist nur das Dichtelement als Dichtung verstanden wurde, setzt sich mittlerweile der richtige Systemgedanke durch.

Dynamische Kontaktdichtungen

Dichtungen sind komplexe tribologische Systeme, wie in Bild 1 am Beispiel einer Lagerabdichtung gezeigt ist. Alle Systempartner (1 - 6) und deren Zusammenspiel sind wichtig für gute Abdichtergebnisse. Dieses Zusammenspiel günstig zu organisieren ist die anspruchsvolle Kernaufgabe des Konstrukteurs, die nur durch dichtungstechnisches Wissen und Erfahrung zufriedenstellend lösbar ist.

Nachdem für viele Dichtelemente eine zu hohe Temperatur in der Dichtzone das frühe Aus bedeutet, wird zum einen nach temperaturbeständigeren, stabileren und reibungsärmeren Werkstoffen gesucht, Bild 2. Zum anderen wird nach Möglichkeiten geforscht, durch entsprechendes Gestalten des Dichtelements (schmale Dichtkante, geringe Anpressung) und Strukturieren der Dichtzone (bessere Hydrodynamik und Kühlung), die entstehende Reibleistung und die damit einhergehende Temperaturerhöhung geringstmöglich zu halten, Bild 3. Wie der Konstrukteur das „Innere Einbauumfeld“ gestaltet, beeinflusst die Temperatur am Dichtelement ganz erheblich.

Der Einfluss der Dichtfläche auf die Dichtgüte

Im Forschungsfokus steht derzeit auch die Dichtfläche, jene Oberfläche des rotierenden oder linear bewegten Maschinenteils, auf welcher das Dichtelement abdichtet. Sie bestimmt durch ihre fertigungsbedingte Mikrostruktur, die Rauheit, in hohem Maße die Dichtgüte, die Reibung sowie den Verschleiß und damit Qualität, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Dichtstelle. Das drängendste Problem ist, hier Bewertungsverfahren und Kennwerte zu finden, mit denen eine gefertigte Oberfläche, unabhängig vom Herstellungsverfahren, hinsichtlich obiger Kriterien messtechnisch treffsicher beurteilt werden kann. Was nach dem Stand der Technik dafür zur Verfügung steht, ist bei Weitem nicht ausreichend.

Geringere Produktpreise bedingen auch sinkende Kosten in der Fertigung. Deshalb werden, besonders in der Massenfertigung, Dichtflächen nicht mehr mit den bewährten, sondern mit einfacheren Fertigungsverfahren hergestellt. Für diese Fertigungsverfahren wie beispielsweise Drehen statt Schleifen sind nun in der Forschung dichtungstechnisch geeignete Fertigungsparameter zu finden. Die Eigenschaften der entstehenden Dichtungen wie Reibung, Verschleiß und Schädigung durch Umgebungs- und Betriebsbedingungen sind zu ermitteln und Schwachstellen sowie Optimierungspotenziale aufzuzeigen. Dies dient der immer wichtiger werdenden Qualität und Zuverlässigkeit der Endprodukte.

Viele Fortschritte in der Technik werden heute durch Beschichten erzielt. Das hat einen regelrechten Beschichtungs-Boom ausgelöst und eine große Vielfalt von Beschichtungen hervorgebracht. Fast alle diese Beschichtungen bewähren sich aber im dynamischen Dichtkontakt nicht.

Die Auswirkungen moderne Schmierstoffe

Die abzudichtenden Schmierstoffe werden immer aggressiver. Besonders problematisch sind „biologische“ und native Schmierstoffe sowie moderne Additivpakete. Dies macht insbesondere den wichtigen elastomeren Dichtungs-Werkstoffen schwer zu schaffen. Sie sind nicht wie der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE) universell, sondern nur selektiv beständig. Dafür ermöglichen sie besser dichte Dichtungen! Dies führt zur Entwicklung immer spezifischer angepasster elastomerer Werkstoffmischungen und damit zu einer großen Werkstoffvielfalt. Ob ein Elastomer-Dichtelement gegen ein bestimmtes Fluid im Betrieb dauerhaft beständig ist, muss geprüft werden. Dies führt zu großen Forschungsanstrengungen hinsichtlich einfacher Kurzzeittests die eine zutreffende Aussage zum Langzeitverhalten des komplexen tribologischen Systems Dichtung erlauben – ein mehr als schwieriges Unterfangen. Nach Meinung des Verfassers führt der einzige Weg aus der Verträglichkeits-Problematik nur über den Werkstoff PTFE.

Auch bezüglich der Parameter Reibung und Verschleiß wird nach einfachen, vom tribologischen System Dichtung losgelösten Bewertungsstrategien für Dichtungswerkstoffe gesucht. Dabei besteht die Kunst darin, sich trotz aller gewünschten Einfachheit nicht zu weit vom System Dichtung zu entfernen. Reibung, Verschleiß und auch Beständigkeit sind nun mal System- und nicht nur Werkstoffeigenschaften. Getrieben werden diese Forschungsanstrengungen u. a. von kurzen Entwicklungszeiten und engen Budgets, die langwierige Systemtests nur noch sehr eingeschränkt ermöglichen.

Den Dichtelement- bzw. Schmierstoffhersteller so früh wie möglich einzubeziehen, ist hier für den Konstrukteur unerlässlich.

Berechnung und Simulation von Dichtungssystemen

Die schnelle Entwicklung komplexer Systeme bei niedrigen Kosten bedingt entsprechende Entwicklungswerkzeuge. Moderne Hilfsmittel dazu sind rechnergestützte Analyse- und Berechnungsverfahren sowie Simulationsmodelle. Dies gilt auch in der Dichtungstechnik. Probleme bereiten hier die große Zahl an relevanten Systempartnern (1 - 6 in Bild 1) und ihr sehr großer Unterschied, die schwer beschreibbaren Eigenschaften von wesentlichen Dichtungswerkstoffen und Oberflächen sowie die stark verknüpften Wechselwirkungen die sich sehr deutlich auf das Resultat auswirken. Einzeleffekte wie beispielsweise die Verformung des Dichtelements infolge des Drucks sind heute gut darstellbar; Systemeigenschaften wie beispielsweise Leckage (Dichtgüte) und Reibung in Abhängigkeit von der Oberfläche der Gleitpartner eher nicht. Hier besteht großer Forschungsbedarf. Nach anfänglicher und immer wieder aufflackernder großer Euphorie ist mittlerweile zu akzeptieren, dass infolge der oben angedeuteten Probleme auch für kleine Fortschritte ein großer Aufwand betrieben werden muss. Die treffsichere Vorausberechnung der Systemeigenschaften und deren Änderung bei einer dynamischen Dichtung mit einem elastomeren Dichtelement ist ein sehr erstrebenswertes Ziel, das aber in naher Zukunft nicht zu erreichen ist.

Ein buntes Simulationsbild ist schnell erzeugt, die richtige Interpretation ist dafür umso schwieriger. Für eine treffsichere Vorhersage bedarf es viel Erfahrung und einer kritischen Beurteilung von Simulationsergebnissen – auch durch den Anwender.

Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Großer Forschungsbedarf besteht auch hinsichtlich der voraussagbaren Zuverlässigkeit von Dichtelementen in einem Dichtungssystem, wie beispielsweise in Bild 1. Auf diesem Feld gibt es bis dato weder belastbare Daten noch eine ausführbar erscheinende Strategie, diese Daten zu erzeugen. Solche Daten benötigt aber der Anwender von Dichtelementen, um die Zuverlässigkeit seines Produkts richtig abschätzen zu können. Innovationshemmer sind auch hier die große Zahl unterschiedlichster Einflussfaktoren und die Vielzahl möglicher Versagensarten. Mehrere Anläufe Licht ins Dunkel zu bringen sind immer wieder an dieser unübersichtlichen Mammutaufgabe gescheitert. Derzeit werden sehr gezielt neue Anstrengungen unternommen.

Berührungsfreie Dichtungen - kontaktlos und dennoch dicht

Berührungsfreie Dichtungen, Bild 4, sind absolut zuverlässig, reibungsfrei, aus beliebigem Material herstellbar, bei geeigneter Gestaltung tröpfchenfrei dicht und sie kennen keine Geschwindigkeitsgrenze. Auch Schmutz macht kaum Probleme. Alle schnelllaufenden Werkzeugmaschinenspindeln beispielsweise sind berührungsfrei abgedichtet u. a. die in DIN 69002 genormten Kurzbohrspindeln. Als Sperrluftdichtung ausgeführt können damit auch feinste Stäube zurückgehalten werden. Ihre Dichtgüte ist in weiten Bereichen berechenbar. Sie eignen sich für kleine wie für große Durchmesser wie beispielsweise bei den modernen 5MW-Windenergieanlagen. Die Regeln für ihre Gestaltung sind bekannt und vielfach erprobt, u. a. auch in sehr heißen Turboladern. Der Trick liegt beim geschickten Umlenken, Auffangen und Rückführen. Die Regeln müssen nur für jeden Anwendungsfall angepasst umgesetzt werden, was natürlich vom Konstrukteur deren Kenntnis voraussetzt. Nebensächlich erscheinende Kleinigkeiten sind oft entscheidend. Das Institut des Verfassers kann hier kompetent Hilfestellung leisten.

Membrandichtungen, immer eine Überlegung wert

Reibung, Verschleiß und Leckage dürften der Grund dafür sein, dass es in der Natur keine gleitende Abdichtung gibt, sondern nur Membrane. Mittels Membrane (Balge = mehrere hintereinander geschaltete Membrane) lassen sich begrenzte, komplexe Bewegungen reibungsfrei und quasihermetisch abdichten – ein unschätzbarer Vorteil! Der Mensch lebt damit gut über viele Jahrzehnte bei täglich 24-stündigem Betrieb. Mit modernen Metall-, Kunststoff-, Gummi- und Compound-Werkstoffen sowie geeigneter geometrischer Gestaltung lassen sich vielfältige technische Anforderungen hinsichtlich Beweglichkeit, Belastbarkeit (chemisch, thermisch, mechanisch) und Bauraum erfüllen. Dem Aggregate-Konstrukteur obliegen dabei die geeignete Auswahl und vor allem die problemgerechte Gestaltung der statischen Anschlussstellen. Auch hier gilt der Systemgedanke: Es kommt nicht nur auf das Dichtelement Membran (Balg) an. Alle zum System Dichtung gehörenden Komponenten sind wichtig.

Statische Gehäusedichtungen, oft verkannt

Bei statischen Dichtungen ist die jahrelange Euphorie, mit Dichtmassen (flüssigen Dichtmitteln) das universelle und einfachst zu handhabende Dichtelement gefunden zu haben, einer realistischen Ernüchterung gewichen. Aktuell wird hier nach Kennwerten und nach Verfahren diese zu gewinnen geforscht, damit flüssig abgedichtete statische Dichtstellen zielsicher ausgelegt und ihre Betriebseigenschaften ausreichend genau abgeschätzt werden können. Daran mangelt es derzeit in erheblichem Maße.

Kosteneffektivität bei der Produktherstellung und Gewichtsminderung führen zu nicht idealen Dichtflächen, zwischen welchen das statische Dichtelement abdichten muss. Während viele Jahre nach der idealen Dichtfläche geforscht wurde, liegt nun das Dichtelement, das auf rauen, unebenen und sich im Betrieb verformenden Dichtflächen (Dichtflansche) bei geringen Kosten bestmöglich abdichten kann, im dichtungstechnischen Forschungstrend.

Hält sich der Konstrukteur an die bewährten Auslegungsregeln gibt’s wenig Probleme; muss er davon abweichen, steht er noch ziemlich alleine da.

Kompetente Forschung und Beratung

An den meisten der dargestellten Forschungstrends ist das Institut für Maschinenelemente (IMA) mit seinen modernen Forschungseinrichtungen und seiner umfassenden Erfahrung aus fast fünf Jahrzehnten Dichtungsforschung mit zentralen Forschungsprojekten beteiligt.

Auf umfassendes dichtungstechnisches Wissen kann von der Industrie zugegriffen werden – beispielsweise in Form von Beratungsleistung.

Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Haas, Institut für Maschinenelemente, Universität Stuttgart

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