Dynamische 2-Komponenten-Dichtungen aus additiver Fertigung

Abstract

Ziel dieses Vorhabens ist die additive Herstellung von 2-Komponenten-Bauteilen (2K-‎‎Bauteile) und die Qualifikation dieser Bauteile für generelle Anwendungen im Reibkontakt. ‎‎Typischerweise kommen für Reibanwendungen Thermoplaste zum Einsatz, die gute ‎‎Reibeigenschaften aufweisen. Um im Reibkontakt die notwendige Anpressung zu ‎erzeugen, ‎muss eine Vorspannkraft aufgebracht werden. In der Dichtungstechnik, welche ‎besonders ‎hohe Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe stellt, wird diese ‎Anpressung durch eine zweite Komponente, einen O-Ring aus einem Elastomer, ‎erreicht. Konventionell werden die beiden Komponenten derartiger 2K-‎Bauteile separat ‎‎(trennend, urformend) gefertigt und in der Anwendung ‎kombiniert oder im 2K-Spritzguss gefertigt, wofür ein aufwendiger Formenbau erforderlich ist. ‎ Als Innovation wird in diesem Forschungsvorhaben die additive ‎Fertigung beider ‎Komponenten eines solchen 2K-Bauteils ohne einen vorherigen Formenbau umgesetzt. ‎Zunächst wurden für die additive Herstellung der thermoplastischen Komponente Verfahren ‎und mögliche Werkstoffe ermittelt. Anschließend wurden Prototypen der dynamischen ‎Dichtringe gedruckt und auf Dichtigkeit, Formstabilität und Maßhaltigkeit geprüft sowie ‎mittels ‎Funktionsversuchen für den beispielhaften Anwendungsfall „Stangendichtung“ ‎qualifiziert. Die ‎Versuche dienten zudem der Validierung der parallel durchgeführten ‎Simulation. Deren ‎Ergebnisse zeigten unter anderem, dass bezüglich des Rückförderverhaltens der additiv gefertigten ‎Dichtung im Vergleich zu einer konventionell gefertigten Dichtung durch die ‎verfahrensbedingt strukturiere Oberfläche besonders bei größeren Drücken Unterschiede ‎auftreten. Die zweite Komponente der Dichtung, der O-Ring, wurde zunächst separat aus ‎einer zuvor hergestellten und charakterisierten Kautschukmischung additiv gefertigt. Dafür ‎wurde ein Demonstrator aus einem umgebauten Thermoplast-3D-Drucker entwickelt und ‎verwendet. Hiermit konnte ein Prototyp einer 2K Dichtung in einem Prozess gefertigt werden. ‎Funktionstest an diesen Prototypen zeigen für die NBR/TPU-Kombination eine gute Funktion ‎bis zu Laufleistungen von 5,32 km. Auch die Dichtwirkung kann bei Drücken bis zu 15 MPa ‎als gut eingestuft werden, da kaum bis keine Leckage auftrat. Die hier entwickelten ‎Fertigungsverfahren lassen sich beispielsweise nutzen, um an entlegenen Orten der Welt ‎eigene Ersatzteile zu fertigen. Auch eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere ‎Anwendungsfelder ist möglich und sinnvoll.‎