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Schnelle Analyse des Vernetzungszustandes von O-Ringen: Auszug LNP® Fachartikel

 

Vertiefen Sie ihr Wissen zur Mikro- Indentation mit diesem Einblick in unsere Arbeit und unsere Erfahrungen bei LNP®.
Unseren Fachartikel können Sie kostenlos unter Medien herunterladen. Sie finden ihn außerdem im Isgatec Jahrbuch 2021.
Lesen Sie, wie die Analyse einer ganzheitlichen oder ortsaufgelösten Vernetzungsabweichung in der Fertigung von Kunststoff- und Elastomerprodukten helfen kann, ihren Ausschuss zu minimieren.

Der LNP 3 DC Messarbeitsplatz Mit O-Ring befindet sich im Hintergrund. Im Vordergrund ist eine vergrößerte Ansicht des gemessenen O-Rings zu sehen: Hier ist Schemahaft der Mess- und Analyseprozess am Messgerät und der Bediensoftware dargestellt.

Schnelle Analyse des Vernetzungszustandes von O-Ringen
Ermittlung der Materialeigenschaften mittels Mikro-Indentation

Immer mehr Dichtungsmaterialien müssen heute schnell hinsichtlich ihrer Eigenschaften und vereinbarten Lieferqualität überprüft werden. Langwierige Testreihen passen dabei nicht zu immer schnelleren Produktionszyklen. Die Mikro-Indentation eröffnet in diesem Zusammenhang interessante Perspektiven.

Vulkanisiert man Natur- oder synthetischen Kautschuk, so entsteht ein hochelastisches Material, das wir als Gummi bezeichnen. Die aus diesem Material produzierten Formteile, wie O-Ringe, Dichtungen, Reifen etc., verdanken ihre Elastizität und Härte den beigemengten Vernetzungsmitteln, wie z.B. Schwefel oder Peroxid. Diese sorgen dafür, dass sich die Polymerketten untereinander verbinden (vernetzen) und somit ihre Elastizität erlangen. Die Menge des eingesetzten Schwefels beeinflusst die Härte des Materials.

Die Vernetzung oder Vulkanisation ist ein Vorgang, der abhängig von Zeit und Temperatur ist. Welche Mischung, welche Zeit und Temperatur benötigt werden, ermittelt die Mischungsentwicklung mithilfe von Vulkametern. Dabei wird die Mischung zwischen zwei Platten – einer festen und einer rotierenden – erhitzt und in oszillierender Bewegung (Frequenz 0,05Hz bis 2Hz, Winkel 1° bis 2°) hin- und hergedreht. Das über die Zeit, Temperatur und Druck bestimmte Drehmoment beschreibt den Grad der Vul-kanisation. Die ermittelten Kurven helfen der Produktentwicklung (FEA) und der Prozess entwicklung bei der Konstruktion und Auslegung der Werkzeuge sowie bei der Bestimmung der Produktionsparameter. Ungleichmäßige Strömungsverhältnisse in Werkzeugen von Großteilen sowie lange Kanäle bei Mehrfachwerkzeugen sorgen jedoch dafür, dass die Mischung schon während der Befüllung der Kavität ungleichmäßig und zeitlich unterschiedlich vernetzt.

Weitere Parameter wie Dickenunterschiede der Teile, ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Werkzeugform, Schwankungen des Fülldrucks oder Mischungsinhomogenität erhöhen die Komplexität und sorgen für Abweichungen zwischen der theoretischen Dimensionierung und der Fertigung der realen Formteile. Misst man nur die Härte und Härteverteilung am gefertigten Teil, so wird nur ein Wert (z.B. bei IRHD-M die Eindringtiefe nach 30 s und die daraus resultierende Härte in [°]) bestimmt. Dabei beschreibt diese Angabe nur sehr unzureichend die elastischen Eigenschaften und somit auch den Vulkanisationsgrad des Bauteils.

 

 

 

Probleme in der Praxis

Die in der Praxis üblichen Beurteilungsmethoden zur Beschreibung der Vernetzungs-güte, wie Druckverformungsrest oder Quellversuche, liefern erst nach mehreren Tagen die benötigten Ergebnisse. Dabei kann nicht jede Teilegeometrie in einer Vorrichtung in einem DVR-Verfahren getestet werden. Oft sind die Teile auch sehr klein und filigran, wie z.B. Mikro-O-Ringe. Diese in einen Zugprüfstab für eine DMA-Messung umzuarbeiten, ist fast aussichtslos.

Die Vernetzung von Kautschukteilen braucht die richtige Zeit damit sich Polymerketten bilden. Diese steht aber direkt im Verhältnis zur Produktionszeit und somit zu den Bauteilkosten. Sind die Teile untervulkanisiert, riskiert man Ausschuss und somit Rücklieferung. Es ist eine Herausforderung, Kautschukteile in der richtigen Zeit, der akzeptablen Qualität und zum richtigen Preis zu produzieren.

Möchte man ein neues Werkzeug bemustern, so ist es wichtig, dass die ersten Teile schnell geprüft werden können. Die notwendigen Änderungen am Werkzeug kosten Zeit. Verkürzt man die Prüfzeit, reduziert man automatisch die Anlaufkosten. Werden Teile in großer Stückzahl produziert, ist es ebenfalls wichtig, die Serienfertigung schnell zu prüfen. Schließlich werden während der Wartezeit auf Prüfergebnisse die Teile weiter produziert. Stellt man die Produktionsabweichung erst nach mehreren Ta-gen fest, so sind bis dahin produzierte Teile teurer Ausschuss.

Wie kann also die Messtechnik helfen, den Produktionsprozess schneller und zuverlässiger zu verbessern, teure Reklamationen und Ausschuss zu reduzieren und wie kann die Mikro-Indentation (Titelbild) bei der Analyse des Vernetzungszustandes unterstützen?

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Sie finden ihn außerdem auf Seite 232 im Isgatec JAHRBUCH 2021 Dichten. Kleben. Polymer.

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