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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Testen von Dichtmechanismen.
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Bei
der Konzeption von Dichtungssystemen, wie z. B. in der Automobilindustrie,
ist zu beachten, dass die Dichtung und die Oberfläche der
abzudichtenden Flansche im Wesentlichen vollständig ineinander greifen. In
diesem Falle entsteht eine nahezu perfekte Verbindung zwischen zwei
Flanschen, beispielsweise eines Motorblocks, so dass während des Betriebs
kein Öl
oder Wasser austreten können.
Im Allgemeinen werden die Flansche und die Dichtung aufeinander
gepresst, so dass das Dichtmaterial auf der funktionellen Oberfläche der
Flansche verteilt wird, damit die Löcher, die bedingt durch die
Oberflächenstruktur
der Flansche vorliegen, verstopft und geschlossen werden. Mit funktioneller
Oberfläche wird
im Weiteren die Fläche
bezeichnet, die mit dem Dichtungsmaterial der Dichtung in Kontakt
gebracht wird.
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In
die Auslegung von Dichtungssystemen gehen zahlreiche unterschiedliche
Kenngrößen ein, wie
beispielsweise Toleranzen der verwendeten Bauteile, Verformungen
bedingt durch den Anpressdruck, Einflüsse durch Alterung oder Relaxationseffekte
usw. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Oberflächenbeschaffenheit
bzw. Oberflächenstruktur
der Flansche oder Bauteile, die abgedichtet werden sollen. Die grundlegende
Aufgabe eines Dichtungssystems ist es, einen bestimmten Anpressdruck
auf die Flansche zu gewährleisten,
um somit eine geschlossene Anpressfläche zusammen mit dem Dichtungsmaterial
zu bilden.
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Die
Oberflächenstruktur
hat einen großen Einfluss
auf das Dichtverhalten des Systems, da das Dichtmaterial in die „Berge
und Täler” bzw. Löcher der
Oberflächenstruktur
mit Hilfe des Anpressdrucks verteilt eingebracht wird, um diese
möglichst
vollständig
zu verschließen.
Im Allgemeinen gilt, je „rauer” die funktionelle
Oberflächenstruktur
ist, desto schwieriger ist es für
die Elastomerdichtung bzw. Dichtung oder Dichtmaterial, die genannte
Oberfläche
exakt zu verschließen.
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Die
abzudichtenden Oberflächen
sind im allgemeinen technische Oberflächen, die durch Herstellung
und Bearbeitung verschiedenartiger Materialien entstanden sind.
Zum Beispiel weist die gefräste Oberfläche eines
Aluminiumbauteils eine andere Oberflächenstruktur als die Struktur
eines Magnesiummotorblocks auf. Weitere Oberflächen im Bereich von Dichtungssystemen
sind beispielsweise Gußoberflächen von Ölwannen
oder Zylinderkopfhauben.
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Beim
Testen von Dichtungsmechanismen oder Dichtungssystemen und bei der
Bestimmung von Oberflächenfaktoren
oder Oberflächeneinflüssen ist
es notwendig, eine Dichtung auf eine funktionelle Oberfläche, beispielsweise
eine Sandgußoberfläche, zu
pressen und in Abhängigkeit
vom Anpressdruck das Anpassungsvermögen des Dichtmaterials an die Oberflächenstruktur
zu untersuchen.
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Da
diese Untersuchung nicht immer direkt an der originalen funktionellen
Oberfläche
durchgeführt werden
kann, ist es von Vorteil, ein genaues Abbild der funktionellen Oberflächenstruktur
zu gewinnen, um das Anpassungsvermögen der Dichtung anhand dieses
Abbildes zu untersuchen. Von Vorteil wäre es auch, wenn dieses Abbild
bzw. Kopie der Oberflächenstruktur
durchsichtig bzw. transparent vorliegen würde. Dadurch kann das Anpassungsvermögen der Dichtung
nicht nur aus einer seitlichen Perspektive untersucht werden, sondern
es kann auch direkt durch die durchsichtige Kopie das Zusammenwirken der
Dichtung mit der funktionellen Oberfläche betrachtet werden.
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Es
ist daher von Vorteil ein Abbild unterschiedlicher Sandgußoberflächen bzw.
Gußoberflächen mit
unterschiedlichen Rauheitsgraden erhalten zu können, um die oben erwähnten Untersuchungen durchführen zu
können.
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Versuche,
z. B. Glasbauteile mit einer Oberfläche mit unterschiedlichen Rauheiten
zu fertigen, sind gescheitert. Die Glashersteller behaupten, dass die
Herstellung solcher Oberflächenstrukturen
z. B. durch Ätzen,
etc. nicht möglich
ist. Ein weiterer Versuch lag darin, z. B. eine Gußoberfläche mit
erhitztem Glas abzuformen. Hier stellt sich das Problem, dass auch
dann, wenn das Verfahren erfolgreich gewesen wäre, die entstandene Fläche einer
Abformung der Oberfläche
entspricht, und nicht eine praktisch identische Struktur der funktionalen
Oberflächenstruktur
aufweist.
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Andere
technische Oberflächen,
wie z. B. gefräste
Flächen,
lassen sich sehr einfach auch durch Fräsen einer Plexiglasplatte herstellen.
Allerdings ist es hierbei fraglich, ob die so entstandene Oberflächenstruktur
identisch mit der ursprünglichen
funktionellen Oberflächen-Struktur ist. Außerdem muss
die Plexiglasabbildung nachträglich
poliert werden, was die optischen Eigenschaften des so entstandenen Abbildes
beeinflusst, und somit indirekt die Untersuchung des oben erwähnten Dichtungsverhaltens
erschwert.
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Die
DE 197 26 907 A1 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung eines durchsichtigen Versuchs-Maschinengehäuses, um
beispielsweise bei der Motoren- oder Getriebeentwicklung das Betriebsverhalten von
Motorelementen oder Getrieben bzw. Getriebeelementen untersuchen
zu können.
Dabei wird ein Gehäuserohling
gebildet, von dem nach Glätten
der Oberfläche
eine Negativform abgenommen wird, die anschließend mit aushärtbarem,
im festen Zustand durchsichtigem Kunststoff ausgegossen wird. Dieses gegossene
Kunststoffgehäuse
wird anschließend ausgeformt
und einer Endbearbeitung zugeführt. Nach
Bestücken
dieses durchsichtigen Versuchs-Maschinengehäuses können entsprechende Untersuchungen
ausgeführt
werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Erforschen
eines Dichtmechanismus anhand einer durchsichtigen Kopie einer Objektprobe
bereitgestellt.
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Eine
im Wesentlichen durchsichtige Kopie einer Objektprobe wird in in
eine Befestigungseinrichtung eingelegt. Die Kopie weist eine Vorderfläche und eine
Rückfläche auf,
wobei die Rückfläche der
Kopie in Richtung eines Bereichs der Befestigungseinrichtung zeigt.
Die Vorderfläche
der Kopie wird mit einem Dichtmaterial mit einer Anpresskraft F
zusammengepresst. Die Rückseite
der Kopie wird entlang einer auf deren Rückseite gerichteten Beobachtungsrichtung
V in dem Bereich der Befestigungseinrichtung mittels einer visuellen
Betrachtungseinrichtung, die ein Mikroskop aufweist, beobachtet.
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Es
wird bevorzugt, dass das Mikroskop an eine Videokamera oder Photokamera
angeschlossen werden kann, um das Anpassungsvermögen des Dichtmaterials zu begutachten.
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Es
wird bevorzugt, dass die Vorderfläche und die Rückfläche der
Kopie einer identischen Ausgestaltung wie die Objektprobe entsprechen.
Weiterhin bevorzugt ist die Oberflächenstruktur der Kopie praktisch
identisch mit der Oberflächenstruktur
der Objektprobe und somit des ursprünglichen Objektes.
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Es
wird bevorzugt, dass die Vorderfläche der funktionellen Oberfläche der
Objektprobe entspricht. Dadurch können ferner Untersuchungen
der funktionellen Oberfläche
anhand der Kopie der Objektprobe durchgeführt werden.
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Es
wird bevorzugt, dass die Oberflächenstruktur
der Kopie unterschiedliche Rauheitswerte bedingt durch einen Herstellungsprozess
aufweisen kann. Dies erlaubt die Herstellung unterschiedlicher Kopien,
um ausführlichere
Untersuchungen durchführen
zu können.
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Es
wird bevorzugt, dass die Rückfläche eine Antireflexionsbeschichtung
aufweist. Dies verbessert die optischen Eigenschaften der Objektprobe.
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Es
wird bevorzugt, dass die Rückfläche eine kratzfeste
Beschichtung aufweist. Damit verbessert sich die Handhabung der
Kopie der Objektprobe und die Robustheit der Rückfläche wird gesteigert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zum Erforschen eines Dichtmechanismus bereitgestellt. Die Vorrichtung
umfasst eine Einrichtung zum Befestigen einer Kopie einer Objektprobe
und eine Einrichtung zum Pressen des Dichtmaterials auf die Vorderfläche der
Kopie. Der Anpressdruck kann variabel eingestellt werden, um das
Anpassungsvermögen
des Dichtmaterials in Abhängigkeit
des Anpressdruckes zu untersuchen. Die Einrichtung zum Befestigen
des Dichtmaterials sichert einen sicheren Betrieb der Vorrichtung.
Mit Hilfe der visuellen Betrachtungseinrichtung kann die Rückfläche der
Kopie der Objektprobe betrachtet werden. Somit kann die Anpassungsfähigkeit
des Dichtmaterials praktisch durch die Kopie untersucht werden.
Die visuelle Betrachtungseinrichtung weist ein Mikroskop auf. Dies
erlaubt eine strukturnahe und genaue Untersuchung des Anpassungsvermögens des
Dichtmaterials an die funktionelle Oberflächenstruktur. Dies geschieht
anhand der durchsichtigen Kopie der Objektprobe.
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Es
wird bevorzugt, dass das Mikroskop an eine Videokamera oder Photokamera
angeschlossen werden kann, um das Anpassungsvermögen des Dichtmaterials zu begutachten.
Durch den Anschluss einer Videokamera kann das dynamische Verhalten des
Dichtmaterials in Abhängigkeit
vom Anpressdruck untersucht werden. Mit Hilfe der Photokamera können so
genannte Momentaufnahmen des untersuchten Dichtmaterials angefertigt
werden.
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Es
wird bevorzugt, dass die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zum
Durchführen
von Dauerbelastungstests und eine Einrichtung zum Durchführen von
Relaxations- und Alterungstests umfasst. Dies erlaubt die Gewinnung
praxisrelevanter Daten zum Verschleißverhalten.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich, in der auf die angefügte Zeichnung Bezug genommen
wird, in der:
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1 eine
schematische Darstellung einer funktionellen Oberfläche zusammen
mit einer entnommenen Objektprobe darstellt;
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2 ein
Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Kopie einer
Objektprobe darstellt;
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2a ein
ausführlicheres
Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßem Verfahrens zur Herstellung
einer Kopie einer Objektprobe; und
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3 ein
Teil einer Einrichtung zum Erforschen eines Dichtmechanismus darstellt.
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1 stellt
eine schematische Darstellung einer funktionellen Oberfläche dar
und zeigt zusätzlich
das Entnehmen bzw. Herausschneiden einer Objektprobe. Es ist exemplarisch
ein Teil 1 eines Motorblocks mit einer entsprechenden Öffnung 8 dargestellt,
die mit Hilfe einer Dichtung abgedichtet werden soll. Die Öffnung 8 kann
einer Brennraumöffnung
entsprechen und es gilt, diese Öffnung
mit Hilfe eines Dichtungsmaterials zuverlässig zu schließen. Damit wird
die funktionelle Oberfläche 10 des
Motorblocks dargestellt. Diese Oberfläche weist eine spezifische Oberflächenstruktur 5 im
abzudichtenden Bereich auf. Das Dichtungsmaterial muss all diese
Unebenheiten bzw. Löcher
ausfüllen,
so dass eine möglichst hohe
Dichtigkeit und Zuverlässigkeit
erreicht wird.
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Aus
der funktionellen Oberfläche 10 wird eine
Objektprobe 3 entnommen bzw. herausgeschnitten, die ferner
weiter verwendet werden soll. Die Objektprobe 3 weist eine
Vorderfläche 4 und
eine Rückfläche 6 auf.
Somit weist die Vorderfläche 4 dieselbe
Oberflächenstruktur 5 wie
die funktionelle Oberfläche
des Motorblocks 1 auf. Die Dicke der entnommenen Objektprobe 3 wird
mit dem Kennzeichen d klar gemacht. Nach der Entnahme der Objektprobe 3,
kann die Dicke d gemäß den gewünschten
Abmessungen angepasst werden. So kann beispielsweise Material von
der Rückfläche abgetragen
werden. Auch kann eine Zusatzlage auf die Rückfläche 6 aufgebracht
werden, falls die Dicke d zu gering ist. Die Vorderfläche 4 der
Objektprobe 3 sollte nicht durch Weiterverarbeitung verfälscht werden,
da sie der funktionellen Oberflächenstruktur 5 der
abzudichtenden Oberfläche
entspricht.
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2 stellt
die einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
einer durchsichtigen Kopie einer Objektprobe. Das Verfahren ist
als nicht beschränkendes
Beispiel zu verstehen, und wird in Folgenden näher erläutert.
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Im
ersten Schritt S 100 wird zunächst
eine Objektprobe bereitgestellt. Die Objektprobe weist zwei Flächen, nämlich eine
Vorderfläche
und eine Rückfläche auf.
Die Vorderfläche
besitzt die funktionelle Oberflächenstruktur
des zu untersuchenden Teils. Anschließend wird der Schritt S 102
ausgeführt, wobei
ein Aufbringen der Abdruckmasse auf die Objektprobe erfolgt. Die
Abdruckmasse wird beispielsweise mit einem Vakuumgießverfahren
aufgebracht und kann aus Silikonmasse bestehen bzw. diese aufweisen.
Nach dem Aushärten
der Abdruckmasse erfolgt das Gewinnen der Negativform der Objektprobe.
Das Aufspalten der Negativform erlaubt das Entfernen der ursprünglichen
Objektprobe.
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Schließlich wird
im Schritt S 104 die Negativform mit einer Ausgießmasse ausgegossen,
um somit die durchsichtige Kopie der Objektprobe zu erhalten. Die
Ausgießmasse
ist so hergestellt worden, dass sie sich sehr genau an die Oberflächenstruktur der
Negativform anpasst und somit schließlich dieselbe Oberflächenstruktur
wie die Objektprobe aufweisen wird. Nach dem Aushärten der
Ausgießmasse
kann die durchsichtige Kopie der Objektprobe entnommen werden. Das
Ausgießen
der Negativform kann ebenfalls mit Hilfe des Vakuumgießverfahrens ausgeführt werden.
Schritt S 106 symbolisiert das Ende des Verfahrens, nachdem die
Kopie der Objektprobe zur weiteren Verwendung bereit steht.
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2a beschreibt
ein Verfahren zum Herstellen einer Kopie einer Objektprobe, wobei
die einzelnen Schritte genauer aufgeschlüsselt werden. Im Schritt S
200 wird eine Objektprobe mit gewünschten Abmessungen aus einem
zu untersuchenden Bauteil bzw. Objekt entnommen bzw. herausgeschnitten.
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Falls
die Abmessungen des zu untersuchenden Bauteils nicht den gewünschten
Anforderungen entsprechen, kann folglich eine Anpassung der Objektprobe
durchgeführt
werden. Das heißt,
dass Material von der Rückfläche abgetragen
werden kann oder aber eine Zusatzlage als zusätzlicher Aufbau kann angebracht
werden. Diese Schritte dürfen
nur auf der Rückfläche ausgeführt werden,
um die zu untersuchende Oberflächenstruktur
nicht zu verfälschen.
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Im
nächsten
Schritt S 202 wird die Rückfläche geschliffen
und poliert. Dieser Schritt ist im Wesentlichen verantwortlich für die gewünschte Durchsichtigkeit
der Kopie der Objektprobe. Die Abdruckmasse, die ferner bei der
Herstellung der Negativform verwendet wird, haftet somit nicht auf
der Rückfläche. Infolgedessen
können
Fehler in der Durchsichtigkeit der Kopie und in den optischen Eigenschaften
vermieden werden.
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Mit
Hilfe des Vakuumgießverfahrens
wird im Schritt S 204, die nach Schritt S 202 entstandene Objektprobe,
mit Silikon ausgegossen. Das verwendete Silikon-Material erlaubt
eine sehr hohe Anpassungsfähigkeit
und kann praktisch die gesamte Oberfläche der Objektprobe ausfüllen und
damit nachbilden. Im anschließenden
Schritt S 206 härtet
das Silikon-Material aus und die so entstandene Form wird aufgespalten.
Die somit freigelegte Objektprobe kann nun entfernt werden und eine
so genannte Negativform ist entstanden. Die Negativform weist zwei
Seiten auf. Die erste Seite trägt
das Negativ der funktionellen Oberflächenstruktur und die zweite
Seite bildet das Negativ der Rückfläche der
Objektprobe. Wie bereits erwähnt,
sollte diese Fläche
nahezu vollständig glatt
sein.
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Im
nächsten
Schritt S 208 wird wiederum mit Hilfe des Vakuumgießverfahrens
die Negativform mit einem speziellen Kunststoff gefüllt. Der
Kunststoff ist nach dem Aushärten
ausreichend fest und durchsichtig. Nachfolgend im Schritt S 210
kann der verwendete Kunststoff aushärten und die durchsichtige Kopie
der ursprünglichen
Objektprobe kann im letzten Schritt (S 106) bereitgestellt werden.
Die so entstandene Kopie ist ein nahezu identisches Abbild der Objektprobe
und weist auf der Vorderfläche
dieselbe Oberflächenstruktur
wie die funktionelle Oberfläche des
ursprünglichen
Objektes.
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3 zeigt
ein Teil einer Vorrichtung zum Testen von Dichtmechanismen, in der
die durchsichtige Kopie der Objektprobe eingespannt wurde. Die Kopie 30 wird
in einer Befestigungseinrichtung 13 eingelegt und zusammen
mit dem Dichtmaterial 15 zusammengepresst. Die Befestigungseinrichtung 13 ist
Teil einer komplexeren Einrichtung, die hier nicht dargestellt ist.
Die Anpresskraft F presst das Dichtmaterial 15 einer Dichtung
auf die funktionelle Oberflächenstruktur
der Kopie 30. Das Bezugszeichen V symbolisiert die Richtung,
in der ein Mikroskop oder eine andere Betrachtungseinrichtung installiert
werden kann, um das Anpassungsvermögen des Dichtungsmaterials
in Abhängigkeit
von der Anpresskraft F zu beurteilen. Somit kann durch die Kopie 30 der Objektprobe
die Funktionalität
des Dichtungsmaterials in Abhängigkeit
von der Anpresskraft F untersucht werden. Die Dichtung soll sich
vollständig
an die Oberflächenstruktur
des abzudichtenden teils anpassen.
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Der
Bereich 16 der Vorrichtung ist gezeigt, der ebenfalls durchsichtig
ist und eine Beobachtung der Rückseite
der Kopie gemäß der Beobachtungsrichtung
V erlaubt.
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Hierbei
können
auch Einflüsse
durch Relaxations- und Alterungseffekte auf die Dichtwirkung von
Elastomerdichtungen beurteilt werden. Die Kopie kann auch als Gegenfläche in vorhandene
Dichtprüfungseinrichtungen
integriert werden, bei denen z. B. mit Medium oder mit Innendrücken geprüft wird.
Es lassen sich hierbei nicht nur wie beim Einsatz der bekannten
Oberflächen
die Grenzwerte festlegen, sondern man hat parallel dazu die Möglichkeit
die Effekte durch die Platte zu beobachten und zu erforschen. Die
durchsichtigen Kopien sind auch eine gute Hilfe bei der Vorstellung
der Dichtungen im Kundenbereich.