DE102012112594A1

DE102012112594A1 - Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements

Info

Publication number: DE102012112594A1
Application number: DE201210112594
Authority: DE
Inventors: Günther Grau; Martin Maier; Mehmet Cankar
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-07-10
Also published as: WO2014095276A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements, welches ein metallisches Feder- oder Stützelement und ein Dichtungsmaterial aus einem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umfasst, wobei das Feder- oder Stützelement mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Dichtungselement, das gemäß diesem Verfahren hergestellt ist, sowie dessen Verwendung als Stangen-, Kolben- oder Wellendichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements, welches ein metallisches Feder- oder Stützelement und ein Dichtungsmaterial aus einem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umfasst.
Die Erfindung betrifft ferner ein gemäß diesem Verfahren hergestelltes Dichtungselement.
Dichtungselemente mit einem Dichtungsmaterial aus vollfluorierten Kunststoffen wie PTFE oder TFE-Copolymeren werden in den verschiedensten Anwendungsbereichen eingesetzt, insbesondere zur dynamischen Abdichtung von beweglichen Bauteilen. Die genannten Kunststoffe eignen sich aufgrund ihres geringen Reibungskoeffizienten und ihrer hohen thermischen und chemischen Beständigkeit hervorragend als Dichtungsmaterialien auch bei anspruchsvollen Anwendungen, bei denen das Dichtungselement starken Belastungen durch große Temperaturschwankungen, aggressive Medien usw. ausgesetzt ist.
Auch wenn bei Dichtungselementen aus vollfluorierten thermoplastischen Kunststoffen grundsätzlich bereits durch die Eigenspannung des Kunststoffs (Memory-Effekt) eine Dichtungswirkung erzielt werden kann, werden solche Dichtungselemente bei einigen Anwendungen zusätzlich mit metallischen Federelementen kombiniert, um die Anpresskraft des Dichtungsmaterials an die Gegenflächen zu erhöhen und relativ genau einstellen zu können. Als Beispiel sind hier sogenannte federgestützte Nutringe zu nennen. Auch einfache Stützelemente aus Metall können verwendet werden, um dem Dichtungselement insgesamt eine höhere Stabilität zu verleihen.
Gemäß dem Stand der Technik erfolgt die Herstellung solcher Dichtungselement nach einem zweistufigen Verfahren, bei dem zunächst das eigentliche Dichtungselement aus dem vollfluorierten Kunststoff durch ein zerspanendes Bearbeitungsverfahren wie Fräsen oder Drehen hergestellt wird. Anschließend wird das metallische Feder- oder Stützelement in einen Rücksprung, eine Ausnehmung oder einen Innenbereich des Dichtungselements eingesetzt.
Diese Art der Herstellung ist sehr aufwändig und daher kostenintensiv, zumal der erste Schritt relativ viel Zeit in Anspruch nimmt und der zweite Schritt in der Regel nur manuell durchgeführt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für ein Dichtungselement der eingangs genannten Art vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Feder- oder Stützelement mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird.
Die einstufige Herstellung des Dichtungselements mittels Spritzgießen des Dichtungsmaterials kann vollautomatisiert und wesentlich schneller durchgeführt werden als das bekannte Herstellungsverfahren. Zudem ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren weitere Vorteile: gegenüber der zerspanenden Bearbeitung können Fertigungstoleranzen wesentlich besser eingehalten und die Ausschussquote gesenkt werden, da die exakte Geometrie des Dichtungselements durch die Spritzgussform vorgegeben ist. Die Herstellung mittels Spritzgießen ermöglicht auch höhere Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Geometrie des Dichtungselements, als dies bei einer zerspanenden Bearbeitung möglich ist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den besseren Verbund zwischen dem Dichtungsmaterial und dem Feder- oder Stützelement: beim Umspritzen des metallischen Elements mit dem Kunststoff kommt es zu einem exakten Formschluss, während beim nachträglichen Einsetzen des Feder- oder Stützelements in eine Ausnehmung fast immer ein Freiraum (z.B. durch ungleiche Kanten oder Rundungen der Profilquerschnitte) verbleibt. Der enge Verbund zwischen den beiden Komponenten des erfindungsgemäß hergestellten Dichtungselements bewirkt u.a. auch einen besseren Korrosionsschutz für das metallische Element. Zudem kann auf eine Sicherung des Feder- oder Stützelements mittels einer Haltenase oder dergleichen verzichtet werden.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ringförmig ausgebildet, und dient zum Einbau in einem Ringspalt zwischen zwei Bauteilen, die sich axial oder radial gegeneinander bewegen. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch ebenso möglich, dass das Dichtungselement oval oder polygonal ausgebildet ist oder eine unregelmäßige Form aufweist. Das Dichtungselement muss auch nicht wie bei einem Ring in sich geschlossen sein, sondern kann auch eine lineare Erstreckung aufweisen. Insbesondere bei unregelmäßigen Geometrien, die von einer Ringform abweichen, ergibt sich durch die Herstellung mittels Spritzgießen ein besonders deutlicher Effizienzvorteil gegenüber der zerspanenden Herstellung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung von Dichtungselementen in sehr unterschiedlichen Größen, je nach Art der vorgesehenen Anwendung, eingesetzt werden. Typischerweise weist das Dichtungselement (bei einer in sich geschlossenen Form) einen Durchmesser von ca. 3 bis ca. 300 mm auf. Die Höhe des Dichtungselements (gemessen senkrecht zum Durchmesser) liegt typischerweise im Bereich von ca. 1 bis ca. 20 mm.
Die Dicke des Dichtungsmaterials kann ebenfalls sehr unterschiedlich sein, sowohl zwischen verschiedenen Dichtungselementen als auch zwischen verschiedenen Bereichen eines Dichtungselements. Günstigerweise beträgt die Dicke des Dichtungsmaterials ca. 0,15 mm oder mehr.
Die Geometrie des metallischen Feder- oder Stützelements kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung praktisch beliebig gewählt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem in sich geschlossenen Dichtungselement weist das Feder- oder Stützelement ein entlang der Umfangsrichtung des Dichtungselements konstantes Querschnittsprofil auf, welches insbesondere rund, stabförmig, L-förmig oder U-förmig ausgebildet ist. Bei den drei erstgenannten Querschnittsformen liegen insbesondere Stützelemente vor und im letztgenannten Fall ein Federelement.
Das Feder- oder Stützelement ist vorzugsweise aus Stahl gebildet, wobei die aus dem Stand der Technik bekannten Stähle verwendet werden können. Ein Federelement kann insbesondere aus speziellem Federstahl gebildet sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Federelement ein im Wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil auf, welches außen mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird. Auf diese Weise können insbesondere federgestützte Nutringe hergestellt werden. Das Federelement wird dabei in entspanntem Zustand in die Spritzgussform eingelegt und umspritzt, sodass die Vorspannung des Federelements erst beim bestimmungsgemäßen Einbau des Dichtungselements erfolgt, wie dies auch bei Dichtungselementen der Fall ist, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurden. Wenn derartige Dichtungselemente, die insgesamt ein U-förmiges Querschnittsprofil aufweisen, zur Abdichtung zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlichem Druck eingesetzt werden, ist die offene Seite des Profils bevorzugt der Hochdruckseite zugewandt, sodass die Dichtwirkung mit steigender Druckdifferenz zusätzlich erhöht wird.
Gemäß einer weiteren Variante der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird das Federelement zusätzlich innen mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt. Auf diese Weise kann das Federelement vollständig mit dem Dichtungsmaterial ummantelt werden, was bei Dichtungselementen, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt sind, nicht möglich ist. Diese Variante kann entsprechend auch bei Feder- oder Stützelementen mit einer anderen Geometrie verwirklicht werden.
Der vollfluorierte thermoplastische Kunststoff muss, um im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden zu können, schmelzverarbeitbar sein. Die Verwendung von homopolymerem PTFE ist somit nicht möglich, da dieses aufgrund des hohen Molekulargewichts eine zu geringe Schmelzviskosität für das Spritzgussverfahren aufweist. Der erfindungsgemäß eingesetzte Kunststoff ist daher bevorzugt ein TFE-Copolymer mit einem Comonomeranteil von mehr als 0,5 Gew.%. Durch einen Comonomeranteil in diesem Größenordnungsbereich kann das Molekulargewicht der Polymerketten reduziert werden, ohne dass die mechanische Festigkeit des Materials beeinträchtigt wird, sodass die Schmelzviskosität herabgesetzt und eine Verarbeitung mittels Spritzguss ermöglicht wird.
Das Comonomer ist bevorzugt ausgewählt aus einem Perfluoralkylvinylether, insbesondere Perfluormethylvinylether, Hexafluorpropylen und Perfluor-(2,2-dimethyl-1,3-dioxol). Je nach Comonomeranteil handelt es sich bei dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff dann um ein so genanntes schmelzverarbeitbares PTFE (Comonomeranteil bis etwa 3 Gew.%), um ein PFA (mehr als etwa 3 Gew.% Perfluoralkylvinylether als Comonomer), ein MFA (mehr als etwa 3 Gew.% Perfluormethylvinylether als Comonomer) oder ein FEP (mehr als etwa 3 Gew.% Hexafluorpropylen als Comonomer).
Das TFE-Copolymer kann auch verschiedene Comonomere umfassen. Ebenso ist es möglich, dass der vollfluorierte thermoplastische Kunststoff eine Mischung verschiedener TFE-Copolymere umfasst.
Das Dichtungsmaterial kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen vollständig aus dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff gebildet sein. Alternativ kann das Dichtungsmaterial einen oder mehrere Füllstoffe umfassen, insbesondere Pigmente, reibungsvermindernde Additive und/oder die thermische Beständigkeit erhöhende Additive, um die Eigenschaften des hergestellten Dichtungselements weiter zu optimieren und an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Dichtungselement, welches gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das erfindungsgemäße Dichtungselement unterscheidet sich in vorteilhafter Weise von Dichtungselementen, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt sind, insbesondere durch die exakte formschlüssige Verbindung zwischen dem Dichtungsmaterial und dem metallischen Feder- oder Stützelement, die einen wesentlich stabileren Verbund zwischen den beiden Komponenten ermöglicht als bei einem Dichtungselement, das durch zerspande Bearbeitung hergestellt wurde.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Dichtungselements wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement kann in verschiedenen technischen Bereichen vielfältig eingesetzt werden, sowohl zur statischen als auch zur dynamischen Abdichtung, und im letzteren Fall sowohl zur Abdichtung von axialen als auch von Drehbewegungen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung des Dichtungselements als Stangen-, Kolben- oder Wellendichtung.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
1: schematische Querschnittsdarstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dichtungselements; und
2: schematische Querschnittsdarstellung eines gemäß dem Stand der Technik hergestellten Dichtungselements.
Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Dichtungselements 10. Das Dichtungselement 10 ist insgesamt ringförmig, oval oder polygonal ausgebildet, wobei das Querschnittsprofil entlang des gesamten Umfangs gleich ist.
Das Dichtungselement 10 umfasst ein metallisches Federelement 12 mit einem U-förmigen Querschnittsprofil und einen um das Federelement 12 angeordneten Dichtungskörper 14, der ebenfalls ein im Wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil aufweist mit einem Scheitelbereich 18 und zwei Dichtlippen 20 und 22. Die Dichtlippen 20 und 22 weisen jeweils eine nach außen orientierte Dichtfläche 24 und 26 auf, die in der Einbausituation des Dichtungselements 10 an einer statischen oder dynamischen Gegenfläche zur Anlage kommen.
Das Dichtungselement 10 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf die Weise hergestellt, dass das Federelement 12 in eine Spritzgussform eingelegt und mit dem Dichtungsmaterial, aus dem der Dichtungskörper 14 gebildet ist, umspritzt wird. Das Dichtungsmaterial umfasst einen vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff, insbesondere ein schmelzverarbeitbares PTFE, ein PFA, MFA oder FEP. Die Herstellung des Dichtungselements 10 kann nicht nur einfach und kostengünstig durchgeführt werden, sondern sie führt auch zu einem exakten Formschluss und einem engen Verbund zwischen dem Federelement 12 und dem Dichtungskörper 14. Um die Verbindung zwischen dem Federelement 12 und dem Dichtungskörper 14 weiter zu verbessern, kann auch vorgesehen sein, dass das Federelement 12 Durchbrüche aufweist, in die das Dichtungsmaterial beim Spritzgießen einfließen kann. Derartige Durchbrüche, die entlang des Federelements 12 in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, verleihen dem Federelement 12 auch die nötige Flexibilität, um die Ringform des Dichtungselements 10 auszubilden. Das Federelement 12 besteht aus Stahl, z.B. aus Federstahl mit der Werkstoffnummer 1.4310.
Bei dem Dichtungselement 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiels handelt es sich insbesondere um einen federgestützten Nutring, der als Stangen-, Kolben- oder Wellendichtung verwendet werden kann. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann aber auch zur Herstellung einer Vielzahl anderer Dichtungselemente mit unterschiedlichen Geometrien eingesetzt werden.
Die 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Dichtungselements 30, dessen Aufbau im Wesentlichen dem erfindungsgemäßen Dichtungselement 10 gemäß der 1 entspricht, das jedoch im Unterschied hierzu nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde. Gleiche oder einander entsprechende Elemente in den 1 und 2 sind jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
Bei dem Dichtungselement 30 wurde der Dichtungskörper 14 aus einem vollfluoriertem thermoplastischen Kunststoffmaterial durch zerspanende Bearbeitung wie z.B. Fräsen oder Drehen hergestellt. Anschließend wurde das metallische Federelement 12 in den Innenbereich zwischen den beiden Dichtlippen 20 und 22 des Dichtungskörpers 14 eingesetzt. Im Vergleich zu dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist diese Vorgehensweise sehr aufwändig und zeitintensiv.
Ein weiterer Nachteil bei dem Dichtungselement 30 ist, dass zwischen dem Federelement 12 und dem Dichtungskörper 14 kein exakter Formschluss besteht, wodurch die Stabilität des Dichtungselements 30 insgesamt schlechter ist. Insbesondere sind im Scheitelbereich 18 durch unterschiedliche Krümmungen des Federelements 12 und des Dichtungskörpers 14 Freiräume 32 und 34 vorhanden. Aufgrund der schlechteren Verbindung zwischen dem Federelement 12 und dem Dichtungskörper 14 ist am äußeren Ende der Dichtlippe 24 eine Haltenase 36 erforderlich, um eine Herauslösung des Federelements 12 aus dem Dichtungskörper 14 zu verhindern.
Bezugszeichenliste

10: Dichtungselement
12: Federelement
14: Dichtungskörper
18: Scheitelbereich
20: Dichtlippe
22: Dichtlippe
24: Dichtfläche
26: Dichtfläche
30: Dichtungskörper
32: Freiraum
34: Freiraum

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements, welches ein metallisches Feder- oder Stützelement und ein Dichtungsmaterial aus einem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder- oder Stützelement mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Dichtungselement ringförmig, oval oder polygonal ausgebildet ist oder eine unregelmäßige Form aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Dichtungselement einen Durchmesser von ca. 3 bis ca. 300 mm und eine Höhe von ca. 1 bis ca. 20 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dichtungsmaterial eine Dicke von ca. 0,15 mm oder mehr aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feder- oder Stützelement ein entlang der Umfangsrichtung des Dichtungselements konstantes Querschnittsprofil aufweist, welches insbesondere rund, stabförmig, L-förmig oder U-förmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Feder- oder Stützelement aus Stahl, insbesondere aus Federstahl, gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Federelement ein im Wesentlichen U-förmiges Querschnittsprofil aufweist, welches außen mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Federelement zusätzlich innen mit dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der vollfluorierte thermoplastische Kunststoff ein TFE-Copolymer mit einem Comonomeranteil von mehr als 0,5 Gew.% umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Comonomer ausgewählt ist aus einem Perfluoralkylvinylether, insbesondere Perfluormethylvinylether, Hexafluorpropylen und Perfluor-(2,2-dimethyl-1,3-dioxol).
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der vollfluorierte thermoplastische Kunststoff ein schmelzverarbeitbares PTFE, ein PFA, ein MFA oder ein FEP ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Dichtungsmaterial neben dem vollfluorierten thermoplastischen Kunststoff einen oder mehrere Füllstoffe, insbesondere Pigmente, reibungsvermindernde Additive und/oder die thermische Beständigkeit erhöhende Additive umfasst.
Dichtungselement, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verwendung eines Dichtungselements nach Anspruch 13 als Stangen-, Kolben- oder Wellendichtung.