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Dichtungen

Simulation des Langzeitverhaltens von Dichtungen

| Autor/ Redakteur: Dr. Manfred Achenbach / Dr. Jörg Kempf

Anwender betrachten bei Investitionsentscheidungen zunehmend die voraussichtlichen Lebensdauer-Kosten der geplanten Investition. Total Cost of Ownership (TCO) ist hier immer auch eine Frage der Dichtungstechnik. Wie lange leben Dichtungen eigentlich? Die Parker Dichtungsgruppe hat Verfahren entwickelt, diese Frage nicht nur zu untersuchen, sondern Antworten zu geben. Damit werden Lebensdauerprognosen möglich, die bisher so nicht durchführbar waren.

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Virtuelle Dichtungsentwicklung reduziert Entwicklungszeiten und -kosten – auch bezüglich der späteren Costs of Ownership.
Virtuelle Dichtungsentwicklung reduziert Entwicklungszeiten und -kosten – auch bezüglich der späteren Costs of Ownership.
( Bild: Prädifa )

Die Lebensdauer von Dichtungen wird u.a. durch die chemischen Einwirkungen umgebender Medien, durch (UV-)Licht, Wärme und Druck beeinflusst. Durch die zahlreichen Einflussfaktoren und bedingt durch oft unterschiedliche Betriebsbedingungen ist die „Bandbreite“ der Gebrauchsdauer einer Dichtung nicht nur sehr breit, sondern auch sehr schwer zu beurteilen. Doch mithilfe nicht-linearer Finite-Elemente-Programme und in Ergänzung von physiko-chemischen Modellvorstellungen lassen sich Aussagen zum Alterungsverhalten von Gummidichtungen machen.

Die zuverlässige Untersuchung und Vorhersage des Werkstoffverhaltens hat den Vorteil, bereits bei der Entwicklung von Elastomerbauteilen einen Überblick über deren voraussichtliche Langzeiteigenschaften im konkreten Einsatzfall zu erhalten; damit wäre auch die Abschätzung der Gebrauchsdauer möglich. Traditionelle Methoden zur Bestimmung der Eignung von Elastomeren für Dichtungen beschränken sich auf die in der ASTM und DIN standardisierten Einlagerungstests. Die Durchführung eines Einlagerungstests beantwortet noch nicht die Frage, wie lange das Elastomer in der spezifizierten Umgebung funktionieren wird.

Zuverlässige Aussagen bislang nur für Verhalten von Neuteilen

Für die Untersuchung der „jungfräulichen“ Eigenschaften elastomerer Dichtungen stehen heute kommerziell erhältliche Finite-Elemente-Programme zur Verfügung. Das Problem: Alterungseffekte sind noch keiner numerischen Simulation zugänglich, die eine vorausschauende Analyse möglich machen würde. Warum? Die Einflussfaktoren sind für jede Anwendungssituation, für jeden Werkstoff andere bzw. andersartig zu gewichten. Physikalische Systeme kehren nach einer äußeren Störung über Relaxationsprozesse, also durch Entspannung nach einer Anspannung, in ihren Grundzustand zurück. Nicht so der alternde Gummiwerkstoff. Er verliert durch Kettenspaltungen der Polymere sowie die durch Wärme- und Sauerstoffeinfluss verursachten Nachvernetzungen stetig an Elastizität. Das Aufbrechen von Netzwerkketten reduziert die Zahl der effektiven Kettensegmente, die Träger der Festigkeit und der Elastizität sind. Für diese inneren Vorgänge gilt es, Gleichungen zu finden, die in der Lage sind, die teilweise gekoppelten Vorgänge in Abhängigkeit von äußeren Variablen, z.B. Temperatur und Druck, zu beschreiben. Denn Netzwerkdichte, Netzwerkstruktur und Morphologie der Phasenmischung und deren Veränderung im Gummi bestimmen die nutzbaren thermodynamischen Eigenschaften der elastomeren Dichtungen über die Gebrauchsdauer hinweg.

Während der Einfluss niedriger Temperaturen auf die Gummielastizität reversibel ist, wird die Gummielastizität durch die Alterung in unabänderlicher Weise reduziert. Damit steigt mit zunehmender Alterung das Leckagerisiko. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Dichtkraft verstärkende Faktoren wie hohe Temperatur und Systemdruck, z.B. nach dem Abschalten einer Anlage, entfallen. Aber nicht nur das Alter kann die Funktionstüchtigkeit einer Dichtung einschränken: Auch hochfrequente Druckbeaufschlagung, wie sie für hydraulische Anwendungen typisch ist, bewirkt auf Dauer eine Reduzierung der Gummielastizität.

Ein numerisches Verfahren, das sowohl die Materialeigenschaften als auch die geometrischen und sonstigen Einsatzrandbedingungen abzubilden gestattet, wäre eine solche Alternative, um das Verhalten des Bauteils auch unter Langzeitaspekten zuverlässig vorhersagen und gegebenenfalls eine Lebensdauer prognostizieren zu können. Um dies in die Tat umzusetzen, müsste ein adäquates Materialmodell für Elastomere entwickelt werden, das die Beschreibung des Alterungsprozesses gestattet.

Das von Parker entwickelte Alterungsmodell geht über das klassische strukturmechanische Konzept hinaus; es werden Kopplungen zu thermischen und physiko-chemischen Effekten in Elastomeren möglich: Diffusion und Quellung von Umgebungsmedien sowie daraus resultierende chemische Reaktionen, die zur Veränderung des Elastomerverhaltens führen, können im Alterungsmodell über den FEM-Zugang (Finite Elemente Methode) berücksichtigt werden.

Simulation bietet eine Optimierungshilfe

Der Nutzen einer numerischen Simulation des Langzeitverhaltens von Dichtungen besteht nun darin, Konzepte (Material, Geometrie, Einsatzbedingungen) im Entwurfsstadium an numerischen Modellen virtuell zu „erproben“, ohne dass Prototypen gleich zu anfangs hergestellt werden müssen. So können Entwicklungszeiten und Kosten eingespart werden. Das entstandene Alterungsmodell befindet sich mit den Eigenschaften des nachzubildenden Systems weitgehend in Übereinstimmung, sodass Produkteigenschaften darstellbar werden, die durch den Versuch häufig nicht oder nur mit großem Aufwand zugänglich sind. Auf die Frage: „Was passiert, wenn... ?“ kann durch numerische Untersuchungen am Modell schnell, zuverlässig und kostengünstig eine verbindliche Antwort zur Frage nach der Gebrauchsdauer gegeben werden.

Der Entwurf geeigneter Dichtungen lässt sich somit durch diese Art von Modellbildung und numerischer Simulation unterstützen. Die Simulation des Betriebsverhaltens mithilfe des Computers hilft, anhand errechneter Kräfte und Verformungen bereits vor der Anfertigung eines Prototypen die Auslegung zu optimieren und den sicheren Einsatz bis zum Ende der spezifizierten Gebrauchsdauer zu gewährleisten. Dazu folgt nun ein Beispiel.

Anwendung auf eine Pneumatikdichtung

Gegeben sei eine pneumatische Kolbendichtung aus einem HNBR-Werkstoff, die über einen Zeitraum von 1000 Stunden bei einer Dauertemperatur von 120 °C abdichten soll. Im nun folgenden dritten Simulationsbeispiel soll die bleibende Deformation der Dichtung nach der definierten Belastungszeit im losen (freien) Zustand ermittelt werden.

Die obere Abbildung zeigt links die Kolbendichtung im losen Ausgangszustand bei Raumtemperatur. Der mittlere Teil bildet die auf den Kolben aufgezogene und in den Zylinder eingebaute Kolbendichtung bei einer Temperatur von 120 °C ab. In dieser Lage verbleibt die Dichtung 1000 Stunden. Das rechte Bild präsentiert den demontierten Zustand der Dichtung nach 1000 Stunden Belastungszeit und Abkühlung auf Raumtemperatur. Ein Vergleich mit der jungfräulichen Dichtung ist möglich, da die Kontur des Ausgangsprofils in dieses Bild eingearbeitet ist. Am Innendurchmesser der Dichtung hat die Simulation eine mittlere bleibende radiale Pressung von etwa zwei Prozent berechnet. Daraus ergibt sich ein Compression Set von 66 Prozent. Ob der gefundene Compression Set für einen konkreten Einsatz der vorliegenden Kolbendichtung noch tolerierbar ist, muss durch eine erweiterte numerische Simulation unter Berücksichtung der resultierenden Druckbelastung analysiert werden.

Fazit: Noch immer werden elastomere Dichtungen weitgehend über experimentelle Untersuchungen weiterentwickelt. Das ist oft langwierig und kostspielig. Durch Simulation der Einsatzbedingungen lässt sich dieser Optimierungsprozess vereinfachen und wirtschaftlicher gestalten. Auch, wenn die Vorhersage der Lebensdauer von Dichtungen mit numerischen Methoden, wie der FEM, gegenwärtig noch nicht durchgängiger Stand der Technik ist, bringt sie Vorteile bei der Entwicklung anwendungsgerechter Dichtungen sowohl unter dem Gesichtspunkt der Entwicklungszeit als auch bezüglich der späteren Costs of Ownership der mit diesen Dichtungen ausgestatteten Systeme. Altern ist berechenbar, zumindest für Dichtungen.

M. Achenbach ist Leiter Technischer und Analytischer Service/FEA bei der Parker Hannifin GmbH & Co. KG, Prädifa – Packing Division, Bietigheim-Bissingen.

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