Die unterschätzten Bauteilelemente

Elastomere Dichtungen am Beispiel Automobilindustrie

Von Heiko Friedrich, Weil im Schönbuch

Eine besondere Herausforderung in Bezug auf die Funktionalisierung stellen elastomere Dichtungen dar, beispielsweise in Bezug auf die Reinheit oder erforderliche Beschichtungen. Eine plasmabasierte Behandlung erlaubt die gezielte Einstellung von Oberflächeneigenschaften für eine Weiterbehandlung oder die erforderliche Sauberkeit. Vor allem in der Automobilindustrie bietet die Plasma­behandlung für zahlreiche Anforderungen ausgezeichnete Ergebnisse mit der notwendigen Prozesssicherheit.

Elastomeric seals – underrated components, for example in the automotive industry

The functionalisation of elastomeric seals, notably in the automotive industry poses a significant challenge, for example in terms of their purity and coating processes associated with them. Plasma treatment can be used to create a surface suitable for subsequent processing as well as for cleaning. Especially in the automotive industry, plasma treatment offers the best solution to meeting numerous requirements, giving excellent results with the required degree of process reliability.

1 Einleitung

Dichtungen sind eine weit differenzierte­ Klasse wichtiger Konstruktionselemente. Insbesondere im Automobilbau herrscht eine unvergleichbare Vielfalt an verschiedensten Einsatzgebieten, von der Elektronik über die Mechanik bis hin zum Interieur. Die Eigenschaften von elastomeren Dichtungen sind hierfür ideal. Mitunter sind die vermeintlich günstigen Dichtungen ein unter­schätztes Bauteilelement.

Eine der größten Herausforderungen bei der Verwendung von elastomeren Dichtungen ist deren Oberflächenbeschaffenheit:­ Saubere Elastomeroberflächen sind stumpf. Zu hohe Reibung und die vermehrt geforderte LABS-Freiheit sind dominierende Themen. Dies wird während der Konstruktionsphase nicht immer zu 100 % berücksichtigt. Daher treten Schwierigkeiten mit Dichtungen meist dann auf, wenn es für Neukonstruktionen bereits zu spät beziehungsweise zu teuer ist (Abb. 1). LABS-Freiheit wird über die Wirkung beziehungsweise die Effekte der Verschmutzungssubstanzen definiert. Wenn eine Lackierung durch Krater gestört wird, dann ist das zu lackierende Werkstück beziehungsweise die Lackierumgebung nicht LABS-frei. Der Nachweis erfolgt unter anderem nach Volkswagen Prüfvorschrift PV 3.10.7 oder Festo FN942010-2.

Die Herausforderungen erstrecken sich nicht nur auf Aspekte der Montagefähigkeit (Abb. 2), sondern treten ebenfalls beim Einsatz in der Anwendung auf. Technische Sauberkeit oder LABS-Freiheit sowie die Vermeidung von Verwechslungen ähnlicher­ Dichtungen, die unterschiedlichen Einsatzzwecken dienen, sind weitere Anforderungen. Dichtungen sind häufig die kleinsten Bauteile eines Systems, werden aber mitunter zum größten Problem.

Die in der Vergangenheit naheliegende Lösung, der Einsatz von einfachen Schmiermitteln wie Ölen, Fetten, Pulver, birgt gravierende Nachteile. So sinken die Prozesssicherheit und die Lebensdauer, der Verschmutzungsgrad wird stark erhöht und das System passt nicht zum Hightech-Selbstbild der Kfz-Branche.

2 Gleitlackbeschichtungen auf Wasserbasis

Bei der Gleitlackbeschichtung mit Lacken auf Wasserbasis hat sich ein über die Jahre­ bewährtes System etabliert. Je nach Verschmutzungsgrad ist eine Nassreinigung der Oberfläche nötig. Anschließend werden die Dichtungen in Niederdruckplasma­anlagen tiefengereinigt und aktiviert. Hierbei ist die nach Prozessende gemessene Oberflächenspannung ein entscheidendes Kriterium für die anschließende Beschichtbarkeit. Über die Behandlungszeit im Niederdruckplasma lässt sich ebenfalls die sogenannte LABS-Freiheit erzielen. Der Beschichtungsprozess mit der höchsten Konstanz bezüglich der applizierten Schichten wird mit Hilfe von Trommel-Sprüh-Anlagen gewährleistet.

Die Auswahl von passenden Lacksystemen (Abb. 3) ist vielfältig und gründet sich auf die Anforderungen des Kunden. Auswahlkriterien sind der Einsatzzweck (dynamisch, statisch), der verwendete Werkstoff, die Einsatztemperaturen, eingesetzte Medien (z. B. Öl, Benzin, Chemikalien), Verpressung, Druck des Mediums, geforderte Normen (FDA, NSF, DVGW, etc.), farbige Beschichtung, LABS-Freiheit oder UV-Indikator, um nur die wichtigsten zu nennen.

Aus den verschiedenen betrieblichen Perspektiven ergibt sich eine Reihe von Vorteilen bezüglich der Technologie, der Qualität, der Eigenschaften bei der Verarbeitung, der Wirtschaftlichkeit oder der heute immer mehr geforderten Umweltverträglichkeit.

• Entwicklung/Technik:
  - keine Veränderung des Einbauraums
  - Erhöhung der Standzeiten
  - Geräusch- und Verschleißreduktion
  - Stick-Slip-Verhinderung
  - Minimierung der Losbrechkräfte
  - LABS-Freiheit möglich
• Qualität:
  - Prozesssicherheit
  - Reproduzierbarkeit
  - Erhöhung der Bauteil- und Betriebssicherheit
  - Sauberkeit
  - Erfüllung von Freigaben der Automobilindustrie
  - IMDS- Eintrag verfügbar
• Produktion/Montage:
  - sichere Vereinzelung
  - vereinfachte Wartung
  - Stillstandzeiten minimieren
  - Lebensdauerzyklen maximieren
  - Montageschäden minimieren
  - saubere Bauteile und Fertigungseinrichtungen
  - farbige Beschichtung für eine Unterscheidung möglich
  - UV-Indikator zur Detektion (Abb. 4)
• Wirtschaftlichkeit:
  - erweiterte Funktionalität
  - Kostenreduzierung durch optimierte Montage (intern)
  - Aufwertung der Bauteile (extern)
• Umwelt:
  - Lacke ausschließlich auf Wasserbasis

3 Anwendungsbeispiele: Probleme und Lösung

An einer Reihe von Beispielen wird ersichtlich, wie vielfältig die Lösungen von problembehafteten Anwendungen aussehen können. Sie liefern gleichzeitig auch einen Anhaltspunkt, auf welche Weise Dichtungen für den Einsatz modifiziert werden ­können.

Im Interieur wird für Klappen, Hand­griffe beziehungsweise Handschuhfach und Zündschloss eine Bewegungsdämpfung ­gefordert, da eine zu hohe Reibung die geforderte Funktionalität verhindert und Quietschgeräusche entstehen. Eine Gleitlackbeschichtung mit spezieller Vorbehandlung gewährleistet definierte Reibmomente in einer vorgegebenen Bandbreite und verhindert auftretendes Quietschen.

Einspritzdüsen für Commonrailpumpen können Montageprobleme und zu hohe Reibung im Betrieb aufweisen. Eine Gleitlackbeschichtung ermöglicht die problemlose Montage sowie den geforderten Einsatz in der Anwendung.

Dichtungen in der Klimaanlage konnten bislang nicht montiert werden, da auch hier die Reibung zu hoch war. Eine Gleitlackbeschichtung brachte den gewünschten Erfolg.

Für den Einsatz eines Radialwellendicht­rings in der Elektronik der Motorensteuerung ist kundenspezifisch eine absolute Silikonfreiheit gefordert. Die wird durch einen aufwendigen Plasmareinigungsprozess erreicht. Geprüft nach TOF-SIMS (Sekundär­ionen-Massenspektrometrie) ergab sich ein über Jahre hinweg stabiler Wert von kleiner < 3 %Atom Silikonanteil.

Diverse Profilabdeckungen, die teilweise manuell montiert werden, wiesen in der Vergangenheit so hohe Reibungswerte auf, dass die Abdeckungen nicht montiert werden konnten. Abhilfe schaffte wieder eine Gleitlackbeschichtung, welche die Montage­ überhaupt erst ermöglichte.

Für Lackieranlagen in beziehungsweise für die Kfz-Industrie ist die Forderung nach LABS- beziehungsweise Silikonfreiheit der kompletten Anlage mittlerweile Standard. Der Lieferant muss also dafür sorgen, dass sämtliche Bauteile seiner Lackieranlage dementsprechend geliefert und anschließend im Werk des Kunden installiert werden. LABS-freie Dichtungen sind daher ein Muss.

4 LABS-Freiheit und Technische Sauberkeit

LABS-Freiheit wird über die Wirkung beziehungsweise die Effekte der Verschmutzungssubstanzen definiert. Die Prüfung ist relativ einfach, das Ergebnis kann aber interpretiert werden (Abb. 5). Die Prüfvorschriften beschreiben eindeutige Lack­benetzungsstörungen. Häufig werden aber auch Bläschenbildung, Verfärbungen oder Partikeleinschlüsse detektiert und als nicht LABS-frei erkannt.

Technische Sauberkeit wiederum, definiert über Restschmutzregularien wie die VDA 19 oder ISO 16232, spezifiziert die zulässige Menge (Masse oder Volumen) relativ zur Prüflingsmasse, Oberfläche oder Volumen. Zusätzlich werden für Partikelgrößen (ein-, zwei- oder dreidimensional) in Klassen die jeweiligen Maximalmengen definiert. Die Materialart oder Härte der Partikel wird aber (noch) nicht berücksichtigt. Für bewegte Bauteile sind überwiegend harte Partikel unerwünscht, da diese Verschleiß bis hin zu Fressen initiieren können. Weiche Partikel sind eher harmlos. Bei medienführenden Systemen ist entscheidend, ob die Partikel Düsen oder Bohrungen verstopfen können oder sich auf Ventil- oder Dichtflächen anlagern und so Leckagen verursachen.

Abb. 5: Ergebnisse LABS-Test nach VW PV 3.10.7

5 QS-Perspektive

Qualitätssicherung bei Automobilherstellern und Zulieferern basiert mittlerweile­ auf den Vorgaben der ISO TS 16949. Bei rechtzeitiger Einbindung des Beschichtungsdienstleisters können die einschlägigen Erfahrungen in die Produktentwicklung und Qualitätsvorausplanung (APQP) einfließen. Die Beschichtungsprozesse werden auf die Kundenanforderungen angepasst und sind durch Prozess-FMEA und Produktbeobachtungen abgesichert. Nach Abschluss der Entwicklung erfolgt die Produkt- und Prozessfreigabe nach VDA Band 2 (PPF) oder nach QS9000 (PPAP). Die Prozesse sind in Prozessablaufplänen (PAP) und Prozesslenkungsplänen (PLP) dokumentiert. Durch eine lückenlose Rückverfolgbarkeit, Speichern der Maschinendaten sowie Rückstellmuster zu jedem Auftrag werden die besonderen Anforderungen der Automobilindustrie abgedeckt. Ein Kanbansystem für die Beschichtungsmaterialien und den Einsatz gleicher Maschinen erlaubt es, mög­liche Produktionsengpässe bei Bedarfs­spitzen zu vermeiden. Alle Maschinen und die Infrastruktur werden selbstverständlich vorbeugend gewartet. Die zuständigen Mitarbeiter werden regelmäßig geschult.

Bei der Beschichtung und Reinigung der Materialien wird besonders auf umweltfreundliche Produktionsprozesse geachtet. Das bei der Nassreinigung anfallende Abwasser wird mithilfe eines Vakuumverdampfers aufbereitet und wiederverwendet. Es werden so Wasser und Energie gespart und gleichzeitig die umweltgerechte Entsorgung der aus den Dichtungen austretenden Verunreinigungen, wie beispielsweise Zink- und Bleioxid, garantiert.

6 Schichtdickenmessung auf Elastomeren

Schichtdicken auf metallischen Substraten sind sehr präzise und vergleichsweise einfach zu messen. Auf Elastomeren können Kunstharzschichten durch die verwendeten Verfahren nicht gemessen werden. Die Unterschiede in elektrischer oder Wärmeleitfähigkeit, Eigenfrequenzen und Magnetismus zwischen Substrat und Beschichtung sind zu gering um zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten.

Elektronenmikroskope, Topographen oder ähnliches sind nicht wirtschaftlich in die Prozesskette zu integrieren. Nach Prozess­ende kann anhand von Schliffbildern unter­ Lichtmikroskopen eine Schicht festgestellt werden (Messen ist in diesem Zusammenhang nicht möglich).

Der Kontrast und die Trennschärfe von transparenten oder schwarzen Beschichtungen gegen die Einbettmasse und das Elastomer sind nicht ausreichend, um ein prozessfähiges Ergebnis zu erzielen. Zwischen Elastomer und Schicht sowie zwischen Beschichtung und Einbettmaterial gibt es diffuse Mischschichten, die eine exakte Bestimmung der Schicht nicht zulassen. Bei farbigen Beschichtungen kann die Dicke von Pigmentagglomeraten bestimmt werden. Diese werden fälschlicherweise mit der Schichtdicke gleichgesetzt.

Es sind bis heute keine Messverfahren verfügbar, die für eine Prozesssteuerung zugänglich sind. Deshalb erfordert die Prozessführung hohes Know-how und Erfahrung, um eine gleichmäßige Beschichtung von Massenteilen zu erzielen. Über den Zusatz von UV-Indikatoren kann die Abdeckung der zu beschichtenden Oberfläche während des Prozesses bestimmt werden. Bei einem eingespielten Mensch-Maschine-System zeigt die anschließende­ Beurteilung der Querschliffe eine hohe Konstanz der Schichtdicke. Die Schichtdicke korreliert jedoch nicht mit den erwünschten ­Eigenschaften. Nur eine komplett ­deckende Schicht führt zum gewünschten Effekt.

OVE Plasmatec ermöglicht in Absprache mit Kunden die Verwendung von Drehmoment-, Steckkräfte- oder Reibwertemessungen oder die Verwendung von Grenzmusterkarten als Nachweis für einen korrekt ausgeführten Prozess.

7 Fazit

Es gibt innovative Lösungen, welche die hohen Anforderungen der Kfz-Industrie erfüllen. Teilweise fehlt bei den Anwendern jedoch das Wissen um die Möglichkeiten oder auch die erforderliche Eigeninitiative, ein bestehendes Systeme zu optimieren. Die Wahl des Lieferanten sollte nicht ausschließlich unter Kostenaspekten erfolgen. Die Qualität der Dienstleistungen, die Kapazität des Lieferanten, die technische Beratung sowie die Liefertreue stehen im Vordergrund. Erhöhten Einkaufskosten für die Dienstleistung Beschichtung oder LABS-Freiheit stehen Einsparungen bei Reinigungsaufwand, störungsfreie Prozesse, Steigerung der Zuverlässigkeit, Funktionserweiterung des Bauteils, Verlängerung der Lebensdauer und Sicherheit gegenüber.

DOI: 10.7395/2014/Friedrich1