Wie man die tatsächlichen Anforderungen an Temperatur, Medienbewegung und Geometrie definiert, bevor man eine Silikondichtungslösung auswählt

Silikon wird oft so diskutiert, als hätte es eine universelle Temperaturbeständigkeit. In der Praxis hängt die nutzbare Temperaturgrenze jedoch von der Silikonart, der Einwirkungsdauer, dem umgebenden Medium, der Dichtungsgeometrie und den zulässigen Eigenschaftsänderungen ab. Die im Datenblatt angegebene Temperatur dient als Ausgangspunkt und ist keine Freigabe für das fertige Bauteil.

Silikonkautschukkomponenten sind dann attraktiv, wenn eine Dichtung über einen breiten Temperaturbereich elastisch bleiben, witterungsbeständig sein oder eine elektrische Isolierung bieten muss. Sie werden in Haushaltsgeräten, elektrischen Systemen, Beleuchtungen, Industrieanlagen und anderen Bauteilen eingesetzt, in denen Hitze und Flexibilität gleichzeitig auftreten.

Die Konstruktionsfrage beschränkt sich nicht allein auf die Hitzebeständigkeit von Silikon. Bei der Auswahl des Silikonkautschukmaterials muss berücksichtigt werden, ob die jeweilige Mischung die Dichtkraft aufrechterhält, dem Kontaktmedium widersteht, die Montage übersteht und die zu erwartende Anzahl thermischer und mechanischer Zyklen unbeschadet übersteht.

Warum sich Silikon unter Hitze anders verhält

Das Silizium-Sauerstoff-Grundgerüst von Silikonelastomeren trägt zur Stabilität über einen weiten Temperaturbereich bei. Die Zusammensetzung beeinflusst dann Härte, Reißfestigkeit, Druckverformungsrest, Aushärtungsverhalten und die Einhaltung regulatorischer Vorgaben. Zwei Materialien, die beide als Silikon bezeichnet werden, können daher in ein und demselben Bauteil unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Durch Wärmebehandlung kann die Härte erhöht, die Dehnung verringert oder die Kompressionsrückstellung verändert werden. Auch die Sauerstoffverfügbarkeit spielt eine Rolle. Das Parker O-Ring Handbook weist darauf hin, dass ein Ergebnis der Luftalterung für ein Hochtemperatur-Silikon nicht repräsentativ für jede abgedichtete Umgebung ist. Das umgebende Medium beeinflusst den Alterungsmechanismus.

Hochtemperatur-Silikondichtungen müssen nach längerer Einwirkung der Temperatur eine ausreichende elastische Rückstellkraft beibehalten. Bei zu starker Druckverformung kann das Bauteil Bewegungen oder Toleranzänderungen in der Verbindung nicht mehr nachgeben. Undichtigkeiten können auftreten, selbst wenn die Dichtung noch glatt und unbeschädigt aussieht.

Kurzzeitige Temperaturspitzen und Dauerbelastung sollten separat spezifiziert werden. Dow beispielsweise gibt für einen bestimmten Hochtemperaturdichtstoff einen Temperaturbereich von -65 °C bis 260 °C an, wobei die kurzzeitigen Temperaturspitzen höher sind. Dieser Wert gilt für dieses Produkt und das zugehörige Aushärtungssystem; er ist keine allgemeine Angabe für alle Formsilikonmassen.

Nur flexible Materialien können von Flexibilität profitieren.

Flexible Materialien passen sich Temperaturänderungen, Vibrationen und kleinen Oberflächenverschiebungen an, benötigen aber dennoch ausreichend Kompression für eine dichte Abdichtung. Unzureichender Druck kann zu Leckagen führen, während zu starkes Zusammendrücken die Montagekräfte erhöht, die Belastung des Gummis steigert und den für die Wärmeausdehnung oder Volumenänderung benötigten Raum beansprucht.

Die Form der Kontaktfläche ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit einer flexiblen Gummidichtung. Scharfe Kanten können zu punktuellen Spannungen führen. Eine dünne Dichtlippe kann sich bei der Montage verdrehen oder einreißen. Große, unverstärkte Bereiche zwischen den Dichtflächen können beim Druckaufbau als erste ausgepresst werden. Die weiche Oberfläche des Silikons beseitigt diese geometrischen Gefahren nicht.

Konstrukteure sollten die maximalen und minimalen Abmessungen der Nut, die zu erwartende Bewegung der Fuge und den Oberflächenzustand klar spezifizieren. Für eine einwandfreie Funktion muss die Dichtung auch bei den Extrempositionen der Fugenflächen dicht sein, nicht nur bei den Nennwerten.

Ein Hauptgrund für die Anwendung der Schichtdickenanalyse ist, dass die Komponenten von Metall-/Kunststoffwerkstoffen, die sich in ihren Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden können, den Effekt hervorrufen, wenn sich ein Material ausdehnt und das andere zusammenzieht. Um Fehler zu vermeiden, ist daher eine sorgfältige Schichtdickenanalyse bzw. -prüfung unerlässlich.

Scharfe Kanten, die beim Einbau oder Einführen von Teilen während der Montage helfen, können zu Rissen oder Brüchen führen. Um Montageschäden zu vermeiden, sollten scharfe Kanten, die Teile beim Ausbau beschädigen könnten, durch installationsbedingte Schnitte minimiert werden. Muss ein Teil über einen Stecker oder eine Buchse gedehnt werden, ist eine Simulation, die den tatsächlichen Montagevorgang abbildet, unerlässlich. Dehnung und Oberflächendehnung haben nämlich unterschiedliche Auswirkungen. Dehnung kann zu Brüchen führen, während dies nur bei der Versiegelung mit mehreren Lagen ein Problem darstellt.

Medienpräsenz kann die Auswahl beeinflussen

Das gleiche Dichtungsmaterial reagiert je nach Medium, dem es ausgesetzt ist, unterschiedlich. Kühlmittel, Dampf, trockene Hitze, Reinigungsmittel, Kraftstoff und Öl stellen jeweils unterschiedliche Anforderungen an das Dichtungsmaterial. Obwohl Silikon eine Art Gummi ist, verhält es sich ganz anders. Nach Tests mit allen Ölen und Lösungsmitteln, denen es standhalten muss, kann es nicht einmal mehr als solcher bezeichnet werden. Effekte wie Quellen, Erweichen und Auslaugen, die beim Kontakt von Materialien auftreten können, können die Leistungsfähigkeit des Materials beeinträchtigen.

Daher sollte die Materialauswahl für Silikonkautschuk an erster Stelle stehen, wobei das genaue Medium, dem das Material ausgesetzt sein wird, genau zu spezifizieren ist. Es kann hilfreich sein, Daten wie die Konzentration des Mediums, die Kontakttemperatur, die Einwirkungsdauer, den Druck usw. zu dokumentieren und zu berücksichtigen, ob es sich um ein Gemisch handelt oder das Material nach Gebrauch erneuert wird. Selbst Montagepaste (ein Schmierfett, das kurz vor der Montage auf ein Bauteil aufgetragen wird, um die Montage zu erleichtern und die Reibung zu reduzieren) beeinflusst die Dichtleistung, da Dichtung und Paste über einen sehr langen Zeitraum in direktem Kontakt stehen.

Die Arbeit von DuPont zur Entwicklung von Materialien und Verfahren zur Abdichtung der Verbindung zwischen Stromkabel und Wechselrichter eines Elektrofahrzeugs ist ein hervorragendes Instrument zur Sensibilisierung der Öffentlichkeit für dieses Thema. Die Studie wurde mit verschiedenen O-Ring-Typen (z. B. Silikon und EPDM) durchgeführt, um die Verbindung bei hohen Temperaturen (bis zu 120 °C) vor Feuchtigkeit zu schützen. Dabei wurden die Eigenschaften, die Verträglichkeit mit Gummi und die thermischen Eigenschaften eines Schmierstoffs untersucht. Es wurde nicht davon ausgegangen, dass jeder Gummi geeignet ist; vielmehr wurden Alterungstests an verschiedenen Gummisorten durchgeführt, die Eigenschaften des Schmierstoffs ermittelt und sein Verhalten mit dem eines herkömmlichen Schmierstoffs verglichen.

Dieses Beispiel ist nicht einfach nur ein weiterer Fall, der zeigt, dass man ein Material durch ein hitzebeständigeres ersetzen kann. Es verdeutlicht vielmehr, dass beide Aspekte gemeinsam betrachtet und analysiert werden müssen. Es demonstriert die Wichtigkeit, neben der Verwendung der verschiedenen Komponenten und deren Auswirkungen auch das Gummi, das Schmierfett, die Hitze und das elektrische Gehäuse, in dem die Baugruppe untergebracht ist, zu untersuchen.

Wo bei Silikon Vorsicht geboten ist

Silikon weist im Vergleich zu anderen Dichtungselastomeren oft eine geringere Reiß- und Abriebfestigkeit auf. Parker empfiehlt bestimmte Silikonmischungen aufgrund ihrer geringen Verschleißfestigkeit hauptsächlich für statische Anwendungen. Bei oszillierenden Stangen, rotierenden Wellen oder abrasiven Einbaubereichen kann daher ein anderes Material oder eine andere Dichtungsanordnung erforderlich sein.

Die Gasdurchlässigkeit kann im Vergleich zu manchen Alternativen höher sein. Dies kann bei Vakuum-, Gasspeicher- oder Langzeitdruckanwendungen relevant sein. Silikon sollte nicht automatisch abgelehnt werden, sondern es sollte eine zulässige Leckrate festgelegt und die tatsächliche Geometrie unter realen Druck- und Temperaturbedingungen geprüft werden.

Die Haftung kann ein weiterer Faktor bei Verbindungen zwischen Gummi und Metall oder Gummi und Kunststoff sein. Oberflächenvorbereitung, Primer, Verunreinigungen und Aushärtungsbedingungen beeinflussen die Adhäsion. Ein Materialdatenblatt für den Gummi kann die Dauerhaftigkeit der Verbindung im fertigen, umspritzten Bauteil nicht belegen.

Anwendungen mit Lebensmittelkontakt, medizinische Anwendungen oder Anwendungen mit geringer Flüchtigkeit erfordern zusätzliche Kontrollen. Eine Lieferantenerklärung kann sich nur auf eine bestimmte Güteklasse, ein bestimmtes Aushärtungsschema und einen bestimmten Nachhärtungszustand beziehen. Das Fertigteil, die Verarbeitungshilfsmittel, die Pigmente und das Reinigungsverfahren müssen den geltenden Anforderungen entsprechen.

Gemeinsame Normen und ihre Rolle

ASTM D2000 ist ein Prüfverfahren zur Einteilung vulkanisierter Gummimaterialien nach Wärmealterungstypen, Ölquellungsklassen und anderen Eigenschaftsanforderungen. Es bietet eine standardisierte Methode zur Spezifizierung von Materialeigenschaften. Darüber hinaus weist ASTM darauf hin, dass eine detaillierte Produktspezifikation Vorrang vor einer Klassifizierung hat, wenn die Anwendungsanforderungen spezifischer sind als die Klassifizierung abdeckt.

ISO 3601-5 wählt verschiedene Elastomerwerkstoffe für industrielle O-Ringe aus und fordert, dass die physikalischen Eigenschaften und Prüfmethoden dieser O-Ringe zwischen Anwender und Lieferant vereinbart werden. Es legt eine gewisse Materialspezifikation fest, jedoch ist die Zertifizierung beliebiger Formen, Nuten oder Betriebssysteme nicht möglich.

Kein einzelnes Dokument reicht als Nachweis für die Gewährleistung der Dichtungslebensdauer aus. Ein Standard-Zugversuch simuliert nicht die Materialbeanspruchung in einer Formecke, und Alterungsbedingungen im Labor sind möglicherweise nicht repräsentativ für einen Wechsel von Flüssigkeiten oder Temperaturzyklen. Normen legen Mindestanforderungen fest, Anwendungstests liefern das tatsächliche Produktergebnis.

Bei kundenspezifischen Silikonkautschukteilen sollten die technischen Spezifikationen oder Zeichnungen die Materialanforderungen anhand von Maß-, Sicht- und Funktionsvorgaben darlegen. Damit die Produktions- und Prüfteams bei der Arbeit stets auf die Spezifikationen zurückgreifen können, müssen beispielsweise kritische Maße, Gratgrenzen, Oberflächenfehler und Nachhärtungsanforderungen in einer für sie verständlichen Sprache beschrieben werden.

Ein Validierungsweg für Fertigteile

Beginnen Sie mit einer kontrollierten Material- und Maßprüfung. Bestätigen Sie bei Hochtemperatur-Silikondichtungen die Materialidentität, die vereinbarten Eigenschaften, die Bauteilabmessungen und den sichtbaren Zustand des Formteils. Prüfen Sie die Nut und die Passstücke auf ihre Toleranzgrenzen, bevor Sie mit den Umwelttests beginnen.

Anschließend werden die montierten Proben bei der kontinuierlichen Betriebstemperatur und unter definierten Temperaturzyklen konditioniert. Die Dichtheit bzw. Dichtungsfunktion ist nach Möglichkeit während der Belastung und nicht erst nach dem Abkühlen zu messen. Das Verhalten bei hohen Temperaturen kann vom scheinbaren Zustand einer Dichtung bei Raumtemperatur abweichen.

Fügen Sie die im Betrieb zu erwartenden Medien, Schmierstoffe und Reinigungsrückstände hinzu. Dokumentieren Sie Änderungen von Masse, Volumen, Härte oder Zugfestigkeit, wenn diese Messungen die Risikobewertung unterstützen. Prüfen Sie außerdem die montierte Dichtung auf Extrusion, Risse, Kontaktverlust und Montageschäden.

Bei vorhandener Bewegung sind Hub, Geschwindigkeit, Druck und Zykluszahl zu prüfen. Flexible Gummidichtungen in beweglichen Gelenken benötigen Nachweise über Reibung und Verschleiß. Eine statische Druckprüfung reicht nicht aus, um die dynamische Haltbarkeit zu ermitteln.

Öffnen Sie abschließend die Baugruppe und prüfen Sie die gesamte Schnittstelle. Achten Sie auf bleibende Verformungen, Haftungsänderungen, Oberflächenmarkierungen und Ablagerungen. Die Akzeptanzgrenzen sollten sich an den funktionalen Anforderungen des Kunden orientieren, und die Stichprobengröße sollte die Auswirkungen und die Variabilität der Anwendung widerspiegeln.

Zusammenarbeit mit einem kundenspezifischen Formenbauer

Eine aussagekräftige Anfrage umfasst mehr als eine 2D-Zeichnung des Bauteils. Geben Sie die maximalen Dauer- und Spitzentemperaturen, das Medium, den Druck, die Bewegung, die Montageart, die erwartete Lebensdauer, die regulatorischen Anforderungen und die Dichtheitskriterien an. Fotos oder ein Ausschnitt der Verbindungselemente können Risiken verdeutlichen, die sich allein durch Maße nur schwer darstellen lassen.

Dalian Yida Precision Rubber Products Co., Ltd. entwickelt kundenspezifische Silikonkautschukteile für spezifische Anwendungen. Unsere Aufgabe besteht darin, die Herstellbarkeit zu prüfen, Material- und Geometrieoptionen zu erörtern und vereinbarte Prüf- und Validierungspläne zu unterstützen – nicht darin, eine allgemeine Materialbewertung als Garantie für das Endprodukt zu betrachten.

Bei unklaren Anforderungen können Prototypen helfen, Montage- oder Dichtungsprobleme vor der Serienproduktion zu identifizieren. Für den Prototyp sollten repräsentative Materialien, Werkzeugbedingungen und Nachhärtungsprozesse verwendet werden, sofern diese Faktoren das Ergebnis beeinflussen. Jede spätere Produktionsänderung sollte anhand der validierten Konfiguration bewertet werden.

Die leistungsstärkste Silikonlösung zeichnet sich durch einen klar definierten Anwendungsbereich aus. Hitzebeständigkeit, Flexibilität, Medienverträglichkeit, Geometrie und Verarbeitung müssen optimal aufeinander abgestimmt sein. Sind diese Bedingungen dokumentiert und das fertige Bauteil geprüft, stellen Silikonkautschukkomponenten eine praktikable Wahl für anspruchsvolle Dichtungsarbeiten dar.