Fit bis ins hohe Alter

Die Lebensdauer von Dichtungen wird zum Beispiel durch die chemischen Einwirkungen umgebender Medien, durch (UV-) Licht, Wärme und Druck beeinflusst. Durch die zahlreichen Einflussfaktoren ist die „Bandbreite“ der Gebrauchsdauer einer Dichtung nicht nur sehr breit, sondern auch sehr schwer zu beurteilen. Dennoch: Die Parker Dichtungsgruppe hat Verfahren entwickelt, diese Frage nicht nur zu untersuchen, sondern Antworten zu geben. Mit Hilfe nicht-linearer Finite-Elemente Programme (FEM) 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. 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 jedoch noch nicht die Frage, wie lange das Elastomer in der spezifizierten Umgebung funktionieren wird.Für die Untersuchung elastomerer Dichtungen stehen heute Finite Elemente-Programme zur Verfügung. Das Problem: Alterungseffekte sind noch keiner numerischen Simulation zugänglich, die eine vorausschauende Analyse möglich machen würde. Und die Einflussfaktoren sind für jede Anwendungssituation, für jeden Werkstoff andere, beziehungsweise 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 stetig an Elastizität.

Das Altern berechnen

Das Aufbrechen von Netzwerkketten reduziert die Zahl der effektiven Kettensegmente. Für diese Vorgänge gilt es, Gleichungen zu finden, die in der Lage sind, die teilweise gekoppelten Vorgänge in Abhängigkeit von äußeren Variablen, wie beispielsweise 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 reduziert. Damit steigt mit zunehmender Alterung das Leckagerisiko. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Dichtkraft verstärkende Faktoren wie hohe Temperatur und Systemdruck, zum Beispiel 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 vom Dichtungshersteller Parker entwickeltes 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 berücksichtigt werden.

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, so dass Produkteigenschaften darstellbar werden. Auf die Frage: „Was passiert, wenn ....?“ kann durch numerische Untersuchungen am Modell schnell, zuverlässig und kostengünstig eine verbindliche Antwort zur Frage gegeben werden. Der Entwurf geeigneter Dichtungen lässt sich somit durch diese Art von Modellbildung und numerischer Simulation unterstützen. Die Simulation des Betriebsverhaltens mit Hilfe 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.

Dr. Manfred Achenbach, Rene Boschet (beide Parker Hannifin) / sg