Weniger Verschleiß, mehr Leistung: Wie die Dichtungen der Zukunft haltbarer werden

Programm: COMET – Competence Centers for Excellent Technologies

Förderlinie: COMET-Zentrum K1

Projekttyp: IMPROVED SEALING MATERIALS FOR HARSH TRIBOLOGICAL ENVIRONMENTS , 01/2021-12/2024, multi firm

Obwohl sie in den meisten Anwendungen eine ver-meintlich untergeordnete Rolle übernehmen, sind sie aus modernen und effizienten Maschinen nicht mehr wegzudenken: Dichtungen. Ihre Notwendigkeit für die Funktionalität wird aber erst beim Versagen of-fensichtlich. Im industriellen Maßstab werden essentielle Aufgaben von Dichtungen übernommen welche beim Versagen teilweise horrenden Kosten und möglicherweise schwere Schäden an Menschen und Umwelt verursachen können. So bilden beispiels-weise hochmoderne Dichtungen für Schiffsschrauben die Barriere zwischen Meerwasser und Motorraum was das Austreten von Schmierstoffen in die Umwelt und das Fluten des Motorraumes verhindern. Weiters sind Dichtungen substanzielle Maschinenelemente in nachhaltigen Energieträger wie Wasserkraftwerke und Windenergieanlagen. 

Durch mannigfaltige Ein-satzgebiete und Umgebungsbedingungen werden hohe Ansprüche an die verwendeten Werkstoffe ge-stellt. Verwendet werden für solche Aufgaben in der Regel elastisch verformbare Kunststoffe (Elasto-mere). Vibrationen, d. h. mikroskopische Bewegungen mit hohen Frequenzen, wie sie beispielsweise bei Ge-neratoren/Motoren vorkommen, können Risse und Verschleiß initiieren. Im worst case können solche Risse ein abruptes Versagen und somit einen Total-ausfall der Anlage/Maschine verursachen. Diese Art von Verschleiß wird Fretting-Verschleiß genannt. Die Herausforderungen zur Reproduktion dieses Ver-schleißmechanismus im Labormaßstab liegen zum einem an mikroskopisch kleinen Auslenkungen und zum anderen den hohen Frequenzen. Weiters sind mechanische Eigenschaften bei Polymeren stark tem-peraturabhängig, weshalb Prüfmöglichkeiten über einen weiten Temperaturbereich wesentlich zur Opti-mierung des Werkstoffes beitragen. In Kooperation mit den Projektpartnern wurde eine Prüfvorrichtung entworfen, die es erstmals erlaubt, Fretting-Ver-schleiß bei Dichtungswerkstoffen über einen weiten Temperaturbereich realitätsnah zu charakterisieren.

Der Prüfaufbau wurde in ein Anton Paar Rheometer implementiert und durchlief bereits eine Vielzahl von Versuchsreihen mit den unterschiedlichsten Testpa-rametern. Je nach Anwendungsfall können Prüf-frequenzen zwischen 0,1 Hz bis 100 Hz und Auslen-kungen von wenigen Mikrometern erreicht werden. Außerdem ist es dank der durchdachten Bauweise möglich, neben der Umgebungstemperatur auch im gewünschten Umgebungsmedium (z. B. Schmier-fette/-öle, Stickstoffatmosphäre oder Wasser) Untersuchungen durchzuführen.  Mit Hilfe der neuen Testapparatur ist es möglich, diesen Verschleißme-chanismus bei der Entwicklung von neuen Materialien bereits in einem frühen Stadium zu berücksichtigen und den Werkstoff dahingehend zu optimieren. Teure und langwierige Bauteiltests bzw. Feldstudien können somit reduziert und die Ausfallswahrscheinlichkeit aufgrund von Fretting-Verschleiß weiter gesenkt wer-den. Dies ist nicht nur im wirtschaftlichen Sinne ein signifikanter Faktor zur Kostenreduktion, sondern wird auch dem Nachhaltigkeitsgedanken gerecht.

Projektkoordination
Dipl.-Ing. Dr.mont. Roman Christopher Kerschbaumer
Division Manager Elastomer Technologies and Process Optimization

• SKF Sealing Solutions Austria GmbH, Österreich
• Anton Paar Graz GmbH, Öster-reich
• Montanuniversität Leoben, Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe, Österreich