Entwicklungstendenzen bei Hydraulikdichtungen 1

Im Wesentlichen sind es drei Aspekte in der Hydraulik, die auch die aktuellen Produktentwicklungen in der Dichtungstechnik prägen: Energieeffizienz, Energiedichte und Miniaturisierung. Im folgenden Technologiereport hat fluid die firmenspezifischen Entwicklungsaktivitäten der tonangebenden Unternehmen zusammengefasst. Bei einem Technologiereport über Dichtungen ist der Blick auf laufende Forschungsprojekte unumgänglich. Fokussiert man das Thema speziell auf Hydraulikdichtungen, so liefert das soeben ausgelaufene Forschungsvorhaben mit der Bezeichnung „Untersuchung des Einflusses von verschieden hergestellten Stangenoberflächen und Hydraulikölen auf Dichtheit, Reibung und Lebensdauer ausgewählter Hydraulikdichtungen“ wichtige Erkenntnisse.

Begonnen wurde das Forschungsvorhaben im Februar 2008 am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart.

Alexander Buck, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut und mit dem Projekt betreut, betont: „Wir wollten herausfinden, inwieweit die Oberfläche einer Hydraulikstange denn Reibung, Verschleiß und Leckage von Dichtsystemen beeinflusst.

Im Projekt selbst haben wir allerdings den Fokus auf den Verschleiß, also den Materialabtrag an der Dichtkante, gelegt.“ Um möglichst die gesamte Bandbreite an möglichen Oberflächenausprägungen abzudecken, haben die Stuttgarter 30 verschiedene Stangen analysiert.

Auf die Frage, ob die Ergebnisse der Untersuchungen denn überraschend gewesen seien, antwortet der Wissenschaftler: „In einer gewissen Weise schon, denn wir haben zwei verschiedene Dichtungen untersucht: einen PU-Nutring und eine PTFE-Stufendichtung.

Beim PU-Nutring haben wir herausgefunden, dass nicht der obere Teil der Oberfläche für den Verschleiß verantwortlich ist, sondern eher der untere Bereich, also die Rauheitstäler. Der Verschleiß von PTFE-Dichtungen hingegen wird primär durch die Rauheitshügel verursacht.“

Welche auf die Industrie übertragbaren Erkenntnisse sich nun aus dem Forschungsprojekt ableiten lassen, beschreibt Alexander Buck in einem Satz: „Was man aus den Ergebnissen im Wesentlichen ableiten kann sind Vorgabekennwerte, wie eine Stangenoberfläche idealerweise beschaffen sein soll.“

Im Rahmen unserer Umfrage haben wir von den Firmen aus der Industrie zum Teil Stellungnahmen zu ganz unterschiedlichen Themenbereichen erhalten. Das dokumentiert auch ein wenig, dass die Dichtungshersteller, je nachdem welche Anwendungsschwerpunkte sie haben, auch unterschiedliche Entwicklungsaktivitäten verfolgen. Bei Freudenberg zum Beispiel liegt Mini voll im Trend.  

Dr. Arman Barimani, Geschäftsleiter Freudenberg Dichtungs- und Schwingungstechnik erklärt: „Marktstudien belegen, dass das Potenzial  für Mikroprodukte während der letzten zehn Jahre stetig gewachsen ist, und zwar um jährlich 15 Prozent. Auch auf Dichtungen hat der Trend zur Miniaturisierung signifikante Auswirkungen.“

Freudenberg-Forschern ist es jetzt gelungen, den weltweit kleinsten Elastomer-Simmerring zu entwickeln und zu fertigen. Er kann drehende Wellen mit einem Durchmesser von nur einem Millimeter bei mehr als 10 000 Umdrehungen pro Minute abdichten.

Die kleinsten Details dieses Mikro-Simmerrings bewegen sich im Bereich von wenigen hundertstel Millimetern. Prototypen der Dichtung haben erfolgreich Testläufe von mehr als 5000 Stunden unter Betriebsbelastung ohne sichtbaren Verschleiß absolviert.

Die Frage nach den möglichen Einsatzbereichen beantwortet Dr. Barimani so: „In Miniaturmotoren oder Mikropumpen finden die Mikro-Simmerringe ihre Anwendung. Ein anderer Einsatzbereich ist die Dosierung von Klebstoffen, und selbst in Brennstoffzellen übernehmen diese Mikro-Pumpsysteme zusammen mit den Dichtungen zentrale Aufgaben.

Sie spielen auch eine wichtige Rolle in der pharmazeutischen und chemischen Industrie, der Fahrzeugtechnik, der Biotechnologie sowie der Luft- und Raumfahrt.“ Dass der Aktionskreis der Entwickler noch größer ist, versteht sich bei Freudenberg von selbst.

Dr. Arman Barimani offenbart: „Unsere Experten arbeiten an weiteren, speziellen Dichtungslösungen für diese neuen Anforderungen. Dazu gehören entsprechende Materialien und Herstellverfahren bis hin zu miniaturisierter Versuchs- und Prüftechnik.“

Zu den aktuellen Trends und Entwicklungen in der Dichtungstechnik bezog auch SKF Economos Stellung. Geschäftsführer Thomas Deigner sagt: „Im Bereich der Großdichtungen von 250 bis über 600 mm Durchmesser kommen bei X-Slides oder Composite Seals aus Gleitring und elastomerem Spannexpander immer öfter Werkstoffe aus der Ecopur-Familie mit höherer Härte zur Anwendung.

Das verwendete Härteniveau liegt bei 54 bis 60 Shore D. Im Gegensatz zu PTFE-Lösungen können X-Slides aus Ecopur über Einschnappmontage installiert werden. Eine zusätzliche Nachkalibrierung entfällt, wodurch bei der Zylindermontage und vor allem bei der Instandhaltung Kosten eingespart werden können.“  

Nach den Angaben von Thomas Deigner müssen diese Dichtungslösungen unterschiedliche Anforderungseigenschaften erfüllen wie zum Beispiel: Tieftemperaturverhalten, Verschleißfestigkeit, der Stick-Slip-Effekt, Hydrolysebeständigkeit und Extrusionsfestigkeit.

Der Geschäftsführer fügt hinzu: „Die Ecopur-Werkstoffe XS-Ecopur (mit inkorporierten Festschmierstoffen), XH-Ecopur (hydrolysefest) und X-Ecopur (allrounder) werden dieser Marktentwicklung gerecht. Speziell für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien kommt G-Ecopur LTW immer mehr zur Geltung, mit den positiven Eigenschaften im Hinblick auf UV- und Ozonbeständigkeit sowie Tieftemperatureigenschaften bis -40°C. S-Ecopur und XS-Ecopur ermöglichen durch ihre Compoundrezepturen einen sparsameren Schmierstoffeinsatz für umweltoptimierte Anwendungen und für den Einsatz in wasserbasierender Fluidtechnik.“

Thomas Deigner betont insbesondere, dass nicht nur die Anwendungen neue Parameter fordern würden, sondern auch der Beschaffungszeitraum. „Dies lösen wir als Marktführer in der gedrehten Dichtungstechnik mit der Seal-Jet-Technologie.“ Thomas Braun, Marketing- und Engineering-Manager bei Parker Hannifin, spricht von drei Makrotrends, die sich in der Hydraulik abzeichnen würden: „In der Hydraulik beschäftigt man sich derzeit mit drei Hauptthemen, die durchaus als markttypische Makrotrends angesehen werden können: Energiedichte, Energieeffizienz und Qualität/Betriebssicherheit.“

Alle drei Themen beeinflussen den weiteren Gang der Dichtungstechnik ganz wesentlich. Braun betont: „An erster Stelle steht die Energiedichte bedingt durch immer höhere Drücke, größere Einsatztemperaturbereiche und schnellere Verfahrgeschwindigkeiten, aber auch durch die zunehmende Miniaturisierung von Komponenten.

All diese Entwicklungen erfordern immer hochwertigere und belastbarere Einzelteile. Neuentwicklungen beispielsweise bei Dichtungswerkstoffen und -geometrien sind daraufhin konzipiert.“ Nicht minder wichtig sei die Energieeffizienz, sagt der Parker-Manager.

„Energieverluste in Hydrauliksystemen werden unter anderem durch Leerlauf und Reibung erzeugt. Sehr wahrscheinlich wird beispielsweise die Start-Stopp-Methode aus dem Automotivbereich auch bald bei Erdbewegungsmaschinen und Flurförderfahrzeugen Einzug halten.

Energiebedarfsspitzen werden bereits heute durch geeignete Akkumulatoren realisiert. Neue Entwicklungen in der Dichtungstechnik können die Reibung auf ungefähr ein Drittel der heute noch üblichen Werte senken. Bezogen auf die Anwendungsdauer der Hydrauliksysteme wird die Rentabilität dieser einfach zu realisierenden Verbesserung rasch deutlich.“

Als drittes Thema, zumindest in Europa, ist die Qualität der Komponenten zu nennen, da mittlerweile alle Hersteller – ähnlich wie in der Automobilindustrie – die hohen Aufwendungen bei etwaigen Reklamationen und Imageverluste scheuen. Qualität und Betriebssicherheit sind im derzeitigen Markt unschlagbare Argumente für Hydraulikkomponenten aller Art.

Noch eine andere Tendenz zeichnet sich ab: In der heutigen elastomeren Dichtungstechnik gewinnt der Einsatz von universell einsetzbaren Dichtungswerkstoffen immer mehr an Bedeutung. Michael Krüger, Leiter Anwendungstechnik bei C. Otto Gehrckens, untermauert das: „Diese Tendenz zeigt sich zunehmend in der Praxis. Konstrukteure als auch Dichtungshersteller versuchen mit dem Einsatz eines meist hochwertigen Allround-Werkstoffes den stetig wachsenden Herausforderungen in den Anwendungen zu begegnen.

Insbesondere bei in sich geschlossenen Baugruppen, Modulen oder Maschineneinheiten ergeben sich große Vorteile, denn bei der Verwendung eines identischen Hochleistungselastomers als Dichtungswerkstoff für sämtliche Dichtungsgeometrien ist das Verhalten des Werkstoffs gegenüber Temperatur, Druck, Ausdehnung und Medienkontakt stets gleich.

Ein nicht zu unterschätzender Sicherheitsaspekt.“ Darüber hinaus können Krüger zufolge insbesondere bei statisch verbauten Dichtungen auch Betriebskosten gesenkt werden, da diese Dichtungen bei gleicher Laufleistung und Beanspruchung häufig zum selben Zeitpunkt ausgetauscht werden müssen und somit die Anzahl der Wartungsintervalle reduziert werden kann.

Auf diese Herausforderungen müssen die Dichtungshersteller mit entsprechenden Werkstoffen vorbereitet sein. „Ein unternehmensinterner Werkzeugbau mit einem spezialisierten Maschinenpark und einer eigenen Mischungsentwicklung sind entscheidend, um die geeigneten Werkstoffe zu entwickeln und die Dichtungen zeitnah zu produzieren“, fasst Michael Krüger zusammen.

Sonderwerkstoffe werden für die Dichtungstechnik immer wichtiger, behauptet Armin Seidel, Technischer Leiter von Seal Concept. Die Gründe hierfür liegen seiner Meinung nach in den immer komplexer werdenden Anforderungen und Bedürfnissen in der Hydraulik.

So steigen die Drücke immer weiter an, Geschwindigkeiten nehmen zu und die eingesetzten Medien werden aggressiver. Allein die Umstellung von Mineralölen auf umweltfreundliche Bioöle erfordern teilweise andere Werkstoffe.

Seidel zu den Werkstoffdetails: „Herkömmliche Werkstoffe wie Polyurethan oder Polytetraflurethylen werden mit Zusätzen modifiziert, welche dem Endprodukt zusätzliche Eigenschaften verleihen.

Teilweise werden jedoch auch neue Werkstoffe eingesetzt, die bisher in der Dichtungstechnik kaum Verwendung fanden. Insbesondere wenn es um besondere Zulassungen oder einer hohen Chemikalienresistenz geht.“

Einer dieser Werkstoffe ist beispielsweise ein spezielles Polyethylen. Sofern keine hohen Temperaturen vorliegen, ermöglicht dieser Werkstoff dem Dichtelement Vorteile, die die klassischen PTFE-Compounds nicht mehr erfüllen können.

Höhere Geschwindigkeiten sind möglich, die Standzeiten werden verlängert, aber auch die Montage wird erleichtert. Armin Seidel: „Durch Beimischen von Schmierstoffen können auch Polyurethane so verändert werden, dass der Stick-Slip-Effekt reduziert wird und damit auch verbesserte Trockenlaufeigenschaften erzielt werden können.“

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