Nimm das einfache O

Von Herausgeber | 17. November 2015

Bearbeitet vonMary C. Gannon, leitende Redakteurin

LSR-O-Ringe (Flüssigsilikonkautschuk) werden zunehmend in einer Vielzahl von Massenproduktionsanwendungen eingesetzt, insbesondere in den Biowissenschaften.

O-Ringe sind die am häufigsten verwendeten Dichtungen, die in Anwendungen von Flugzeugtriebwerken bis hin zu chemischen Verarbeitungslinien, der Hydraulik in Traktoren und Unterwasser-Bohrlochwerkzeugen zum Einsatz kommen. Sie machen einen erheblichen Teil des globalen Marktes für Dichtungen aus, der laut Global Industry Analysts* bis 2020 45,8 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Flüssigsilikonkautschuk ermöglicht die zuverlässige Formung empfindlicher Teile und kann bis zu einer Dicke von 0,004 Zoll oder weniger hergestellt werden.

Planer und Anwender bevorzugen O-Ringe, da ihr rundes Profil einen nahezu universellen Einsatz in axialen oder radialen Dichtungsanordnungen sowohl unter statischen als auch mäßig dynamischen Belastungsbedingungen ermöglicht. Ihre Grundgeometrie ermöglicht eine relativ einfache Herstellung im Spritzguss- oder Formpressverfahren in einer Reihe von Materialien.

Die einfache Form des O-Rings täuscht jedoch über die Materialien und Produktionstechnologie hinweg, die hinter diesem bescheidenen Gummikreis stecken. Um eine lange Lebensdauer und Integrität zu gewährleisten, muss der O-Ring perfekt auf die Systemanforderungen abgestimmt sein. Dabei kann es darum gehen, extremen Temperaturen, hohen Drücken und aggressiven Kontaktmedien standzuhalten. Möglicherweise müssen sie auch reibungsarme Eigenschaften für die automatisierte Montage und in dynamischen Umgebungen bieten.

„Die Spezifikation des optimalen O-Rings für eine Anwendung erfordert ein genaues Verständnis der Systemanforderungen sowie spezifische und nachgewiesene Kenntnisse der Materialeigenschaften“, sagte Ursula Nollenberger, Produktlinienleiterin für Trelleborgs LSR-Komponenten. „Die Zusammenarbeit mit einem O-Ring-Lieferanten, der über Fachwissen in diesen Bereichen verfügt und Testergebnisse für seine Materialien liefern kann, ist für die Sicherstellung der Leistung von Geräten oder Herstellungsprozessen von entscheidender Bedeutung.“

Die Lebenswissenschaften treiben das Wachstum voran Erfahrungen mit LSR sind in einigen anspruchsvolleren Bereichen wie den Biowissenschaften besonders wichtig. Globale Branchenanalysten gaben an, dass komplexe Anwendungen in einigen Sektoren, einschließlich des medizinischen Sektors, Herausforderungen bei Fertigung und Design mit sich bringen werden.†

„Wir haben diesen Trend gesehen und darauf reagiert, indem wir die Präzision bei der Herstellung einfacher O-Ringe neu definiert haben. Wir bringen es auf ein neues Niveau für die schwierigsten Anwendungen, insbesondere in medizinischen Geräten“, sagte Nollenberger.

Wie bei jeder O-Ring-Anwendung müssen die erwartete Funktion des Produkts, die passenden Komponenten, Montageaspekte, Betriebsbedingungen und die erwartete Lebensdauer berücksichtigt werden, um nur einige zu nennen. In den Biowissenschaften könne jedoch unerwünschtes Bakterienwachstum aufgrund von Toträumen in medizinischen Geräten, die mit den üblichen Sterilisationsmethoden nicht erreicht werden könnten, ein großes Problem darstellen, sagte Nollenberger.

„Die Herausforderung und Chance für uns als Designer und Hersteller eines LSR-Teils, egal ob O-Ring oder andere Geometrie, besteht darin, nicht nur einen Standard-O-Ring zu liefern, sondern gemeinsam mit dem Kunden eine Lösung zu entwickeln, die möglicherweise noch eine Lösung darstellt.“ Wenn wir die Grundform und den Querschnitt betrachten, handelt es sich bei einem O-Ring um eine maßgeschneiderte Lösung“, sagte sie. „Hier stehen dann je nach Anwendungsfall über die Materialwahl hinaus auch Aspekte der Oberflächenbeschaffenheit unseres O-Rings gegenüber Gegenstücken, das Oberflächenreibungsverhalten und die Oberflächenenergie im Fokus.“ Wir sehen immer mehr den Trend hin zu einer vollständig integrierten Lösung, weg von dem Konzept, nur einen O-Ring zu verwenden, hin zu einer Lösung, die aus zwei Komponenten besteht und absolut totraumfrei ist oder durch eine mögliche inkonsistente Platzierung eines O-Rings innerhalb einer Baugruppe.“

Wie es funktioniert Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, verfügt Trelleborg Sealing Solutions mittlerweile über vier Standorte, die sich auf das LSR-Spritzgießen für Anwender in den Bereichen Medizin, Automobil und verschiedenen Industriebereichen spezialisiert haben. LSR verzeichnet eine steigende Nachfrage bei Großserienanwendungen, insbesondere dort, wo komplexe Teilegeometrien und eine hohe gleichbleibende Präzision erforderlich sind, sagte Nollenberger. Der Vorteil von LSR bestehe zudem darin, dass es sich um ein äußerst reines Material handele und sich daher gut für die Biowissenschaften eigne.

Laut Jarno Burkhardt, Geschäftsführer des Werks in Stein am Rhein in der Schweiz, „erfolgt die herkömmliche Produktion von Elastomer-O-Ringen entweder durch Spritzguss oder Formpressen und erfordert typischerweise eine Entgratung entweder mechanisch, durch Schneiden oder Stanzen oder durch einen kryogenen Prozess.“ Diese sekundären Prozessschritte führen zu Prozessvariabilität und Herstellungsrisiken sowie zu zusätzlichen direkten und potenziell indirekten Kosten.

„Beim LSR-Flüssigkeitsspritzgussverfahren für O-Ringe werden Teile ohne Grat geformt, wobei der Anguss oder Überlauf leicht vom Funktionsbauteil getrennt werden kann, sodass keine Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind“, schloss Burkhardt.

Neue Möglichkeiten in der LSR-Technologie ermöglichen umspritzte Kunststoffkomponenten für Anwendungen wie elektrische Steckverbinder.

Die meisten O-Ringe werden aus NBR (Nitril-Butadien-Kautschuk) und EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Methylen) hergestellt. Der größte Vorteil von LSR besteht jedoch darin, dass es sich aufgrund der niedrigen Viskosität des Rohmaterials in viel komplexere Formen als diese Materialien spritzgießen lässt – und das viel einfacher als mit jedem anderen Elastomer.

HauptvorteileDie Hauptvorteile des Spritzgießens von LSR-O-Ringen in einem grat- und abfallfreien Werkzeugkonstruktionskonzept sind:

• Reduzierung des Abfallmaterials, • kein Bedarf an sekundären Prozessschritten zur Entfernung von Graten und Abfällen, • Eliminierung aller Qualitätsrisiken, die mit sekundären Prozessen verbunden sein können, sowie der damit verbundenen Prozess- und Prüfkosten, • kontinuierlich hohe Maßhaltigkeit und Präzision des O-Rings gerade aus der Form • vollständige Rückverfolgbarkeit des Produkts nicht nur nach Charge, sondern auch nach Kavität

Darüber hinaus deckt LSR ein breites Temperaturspektrum von –40 bis 250 °C (–40 bis 480 °F) ab und bietet eine gute chemische Beständigkeit gegenüber einer Reihe von Flüssigkeiten und Chemikalien. Wie jedes Elastomer verfügt es nur über begrenzte Druckfähigkeiten, was jedoch hauptsächlich auf die spezifischen Konstruktions- und Anwendungsbedingungen zurückzuführen ist, sagte Nollenberger.

Großserienproduktion Entscheidend für die LSR-Produktion ist, dass das Rohmaterial im Vergleich zum konventionelleren Gummiformen den Einsatz hochwertiger Werkzeuge erfordert, sagte Nollenberger. Daher ist die Werkzeugausstattung teurer. Aufgrund dieser High-End-Konstruktionen halten die LSR-Werkzeuge jedoch länger und haben in der Regel eine Lebensdauer von einer Million Schüssen.

Aus diesem Grund ist für LSR eine Großserienfertigung erforderlich, da sich Werkzeugwechsel bei Kleinserien nicht lohnen.

Trelleborg Sealing Solutions hat dieses Verfahren für ein nur 1,4 x 1,1 mm großes Mikrobauteil eingesetzt, das jährlich in Millionen Stück für ein medizinisches Gerät hergestellt wird. Diese Teile werden durch direktes Einspritzen von LSR-Material in jede Kavität eines Werkzeugs mit mehreren Kavitäten hergestellt. Anschließend werden die O-Ringe von einem speziell entwickelten Robotergreifarm aus den Hohlräumen entnommen. Da die Teile zu klein zum Gravieren sind, werden die O-Ringe aus Gründen der Rückverfolgbarkeit hohlraumweise in Behälter geladen.

Die Entwicklung des Prozesses zur Herstellung winziger O-Ringe bringt viele Herausforderungen mit sich. Eine davon bestand darin, einen Robotergreifarm zu entwickeln, der Teile mit einem Gewicht von jeweils weniger als 0,0093 g handhaben kann; Ein Bauteil, das so klein und leicht ist, dass keine menschliche Hand damit problemlos umgehen kann.

Mit der Nadelspitzen-Injektionstechnologie von Trelleborg ist eine gratfreie Produktion möglich.

Eine weitere Herausforderung war die elektronische Aufladung der winzigen O-Ringe. Dies führte dazu, dass sie überall herumflogen, wenn sie vom Greifer gelöst wurden. Ihr federartiges Gewicht machte es unmöglich, sie nach der Produktion in die dafür vorgesehenen Behälter zu legen. Um dieses Problem zu lösen, haben Ingenieure einen sogenannten „Ionator“ entwickelt, der die Teile auf ihrem Weg von der Form in den Behälter entlädt.

Durch die Implementierung dieses Prozesses konnte der Materialverbrauch um über 30 % gesenkt werden, und es werden gleich aus der Produktion Null-Fehler-Qualitätsniveaus erreicht. Diese Mikro-O-Ringe werden derzeit auf Werkzeugen mit bis zu 32 Kavitäten hergestellt.

„Das nächste Ziel des LSR-Technikteams besteht darin, die Anzahl der Kavitäten auf 64 zu verdoppeln, nicht nur für O-Ringe, sondern auch für andere kundenspezifische Mikroteile für innovative medizinische Geräte“, sagte Burkhardt.

Die Zukunft von LSR Die LSR-Technologie verzeichnet ein enormes Wachstum, wobei High-Tech-Anwendungen in den Biowissenschaften den Weg weisen – zur Selbstmedikation chronischer Erkrankungen wie Autoimmunerkrankungen, Bluterkrankungen und Hormonmangel. Auch dort, wo Gesundheits- und Sicherheitsaspekte streng geprüft werden – beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung und im Trinkwasserbereich – kann LSR in der Zukunft eingesetzt werden.

Da in der Automobilindustrie immer mehr elektronische Funktionen integriert werden, wächst auch die Nachfrage nach superreinen und integrierten LSR-Komponenten.

„Darüber hinaus hängt die steigende Nachfrage nach LSR auch mit der Urbanisierung sowie demografischen und sozialen Veränderungen zusammen, da eine wachsende, wohlhabende Bevölkerung über eine größere Kaufkraft für Elektronik und andere Lifestyle-Produkte und Verbrauchsgüter verfügt“, sagte Nollenberger. „Für uns bei Trelleborg bedeutet das, dass wir die Werkzeuge, Prozesse und Automatisierungstechnologien weiter vorantreiben werden, um zwei Dinge zu tun: erstens immer kleinere Teile bis hin zu Mikro- und bald Nanogrammgewichten zu produzieren und zweitens zu produzieren.“ immer komplexere Zwei- und Mehrkomponententeile mit LSR als einer der Komponenten.“

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Verweise:*Global Industry Analysts, www.StrategyR.com †RubberWorld, www.rubberworld.com/RWmarket_report.asp?id=746

Trelleborg-Dichtungslösungenwww.tss.trelleborg.com