DE102005002970A1

DE102005002970A1 - Elastomer-Dichtungen und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102005002970A1
Application number: DE102005002970A
Authority: DE
Inventors: Ralf Salameh
Original assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH; Federal Mogul Sealing Systems Bretten GmbH
Current assignee: Federal Mogul Sealing Systems GmbH; Federal Mogul Sealing Systems Bretten GmbH
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-09-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Dichtungen, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen aufweisen, und Elastomer-Dichtungen mit einer hohen Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen. Weiterhin beschreibt die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtung in oder an einem Motor oder Getriebe, insbesondere als Prototyp zum Optimieren der Gestaltung von Elastomer-Dichtungen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Dichtungen mit einer hohen Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen. Die Erfindung betrifft weiter die mit diesen Verfahren hergestellten Elastomer-Dichtungen und deren Verwendung.

Im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus werden Dichtungen für vielfältige Zwecke eingesetzt, wobei insbesondere an Dichtungen hohe Ansprüche gestellt werden, die in Motoren oder Getrieben zum Einsatz kommen. Je nach beabsichtigter Anwendung, sind im Stand der Technik sowohl Dichtungen mit Trägerelementen, als auch reine Elastomer-Dichtungen bekannt, wobei die Dichtungen zumeist in Spritzverfahren, insbesondere in Elastomer-Spritzverfahren, hergestellt werden. Die derzeit üblicherweise angewendeten Spritzverfahren erfordern jedoch die Verwendung aufwändiger Werkzeuge mit mehreren Kavitäten, die sowohl hohe Material-, als auch hohe Arbeitskosten mit sich bringen. Derart hohe Kosten können zwar bei der Serienherstellung von Dichtungen tolerierbar sein, sind jedoch bei einer Herstellung von Dichtungen in geringen Stückzahlen, beispielsweise beim Austesten von Prototypen, von beträchtlichem Nachteil. So ist insbesondere bei der Herstellung von Dichtungen in geringen Stückzahlen nachteilig, dass auch bei der Herstellung von einigen wenigen Mustern zur Erprobung oder für Prinzipversuche in Versuchsmotoren ein Spritzwerkzeug mit zumindest einer Kavität benötigt wird. Dies bedeutet, dass selbst wenn beispielsweise nur 10 Elastomer-Dichtungen für eine Zylinderkopfhaubendichtung in einer bestimmten Geometrie benötigt werden, die Werkzeugkosten im Bereich von 20.000 EUR oder darüber liegen können.

Andererseits kann eine perfekte Abstimmung zwischen den Bauelementen einer Maschine und den hierin benötigten Dichtungen nur auf Basis von zahlreichen Versuchen ermittelt werden.

Im Stand der Technik wurden daher verschiedene Ansätze zur Verringerung der Kosten bei einer Herstellung von Prototypen entwickelt, die vorrangig auf eine Reduzierung der Kosten für die Formherstellung ausgerichtet sind. So kann beispielsweise Aluminium als Formwerkstoff als Ersatz für den sonst üblichen Werkzeugstahl eingesetzt werden, wobei dieses Material den Vorteil bietet, dass es bei der Herstellung der Gussform schneller und daher mit geringeren Arbeitskosten zerspant werden kann.

Andere Ansätze zur Verringerung der Kosten bei der Herstellung von Prototypen beruhen beispielsweise auf Stereolithographie-Verfahren, wobei derartige Verfahren des Stands der Technik jedoch nicht ausreichend an die hohen Druck- und Temperatur-Belastungen im Bereich des Elastomer-Spritzgießens angepasst sind.

Dichtungen, die beispielsweise im Motoren- und Getriebebereich zum Einsatz kommen, müssen neben ihrer Eignung zur Herstellung in Elastomer-Spritzgussverfahren auch eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen als eine weitere unabdingbare Eigenschaft aufweisen. Eine derartige hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen muss hierbei selbst bei nur kurzen Prototypen-Tests erfüllt sein, um eine zuverlässige Korrelation zwischen der Form des Dichtungselements und dem Ergebnis des Prototypentests zu ermöglichen.

Daher besteht ein Bedarf nach einem Verfahren, das die Herstellung von Dichtungen ermöglicht, die eine ausreichende Beständigkeit gegenüber organisch-chemischen Fluiden und insbesondere gegenüber handelsüblichen Ölen und Kraftstoffen aufweisen. Gleichzeitig sollte ein derartiges Verfahren jedoch auch eine schnelle Teileherstellungszeit garantieren und ohne die Herstellung eines aufwändigen und teuren Formwerkzeuges (Elastomer-Spritzwerkzeug) auskommen und eine einfache und kostengünstige Herstellung von Dichtungen auch in geringen Stückzahlen gewähren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Elastomer-Dichtungen, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen aufweisen, welches die folgenden Schritte umfasst:
Herstellen eines Stereolithographieteils oder eines Modellelements,
Eingießen des Stereolithographieteils oder Modellelements zur Herstellung einer Gussform für eine oder mehrere Elastomer-Dichtungen mit Gussmaterial für die Gussform und Härten dieses Gussmaterials zum Erhalten einer Gussform für eine oder mehrere Elastomer-Dichtungen,
Öffnen der Gussform und Entnehmen des Stereolithographieteils oder Modellelements,
Giessen der einen oder mehreren Elastomer-Dichtungen, wobei das Gussmaterial zur Herstellung der Elastomer-Dichtung durch einen Gussvorgang, beispielsweise einen Vakuumgussvorgang, in die Gussform eingebracht wird und das Gussmaterial für die Elastomer-Dichtung mindestens ein Gussmaterial umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gießbarem, bei Raumtemperatur vulkanisierendem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk und gießbarem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan,
Polymerisieren des Gussmaterials zur Elastomer-Dichtungsherstellung in der Gussform zum Erhalten der einen oder mehreren Elastomer-Dichtungen, und
Entfernen der einen oder mehreren Silikonkautschuk und/oder Polyurethan umfassenden Elastomer-Dichtungen aus der Gussform.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht folglich die Bereitstellung von Prototypen-Teilen mit geringen Kosten, wobei ein vorteilhaftes Zusammenspiel der Verfahrensschritte mit dem eingesetzten Gussmaterial vorliegt. Insbesondere wird eine schnelle einfache und kostengünstige Herstellung der Dichtungen ermöglicht, da das Gussmaterial zum Giessen der Dichtungen mit einem Vakuumgussvorgang durchgeführt werden kann und die Dichtungen eine hohe Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen und Ölen aufweisen.

Der Begriff eine "Dichtung mit hoher Beständigkeit gegenüber Kraftstoffen und Ölen" bezeichnet, dass eine derartige Dichtung nach einer Lagerung des Dichtungselements während 5 min bei 20 °C in Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan) eine Änderung ihrer Abmessungen (Länge, Dicke) von weniger als 40 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 5 %, insbesondere von weniger als 1 % aufweist und/oder eine Verringerung der Reißfestigkeit von weniger als 40 %, vorzugsweise von weniger als 10 %, bevorzugt von weniger als 5 %, insbesondere von weniger als 2 % aufweist. Abmessungsänderungen können beispielsweise durch mikroskopische Untersuchungen festgestellt werden, während eine Reißfestigkeit nach DIN 53 504 S3 ermittelt werden kann.

Der Begriff "Dichtung", wie in der vorliegenden Erfindung verwendet, umfasst sowohl Dichtungen, wie beispielsweise am Motor Zylinderkopfhaubendichtungen, Ölwannendichtungen, Sauganlagendichtungen oder am Getriebe Getriebeölwannendichtungen, Deckeldichtungen, etc., aber auch im weitesten Sinn jegliches Element, das als Trennung und/oder Übergang zwischen zwei oder mehreren Elementen aus Metall, Legierung, Keramik und/oder Glas oder als Abdichtung eines Elements aus Metall, Legierung, Keramik und/oder Glas gegenüber einem Fluid, insbesondere Wasser, Kraftstoffen, Ölen eingesetzt werden kann. Der Begriff "Kraftstoffe" umfasst sowohl Diesel- und Benzin-Kraftstoffsorten, als auch Pflanzenöle und Pflanzenölester, wie beispielsweise Rapsöl oder Rapsölmethylester. Der Begriff "Öle" umfasst unter anderem Motoröle und insbesondere Kohlenwasserstoffe umfassende Motoröle.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in einem ersten Schritt die Herstellung eines Stereolithographieteils (STL) gemäß einer dem Fachmann bekannten Vorgehensweise. Bei einer Stereolithographie wird üblicherweise ein Photopolymerisationsgemisch mittels Computer-gesteuerter Strahlen, beispielsweise mit einem oder mehreren Laserstrahlen, gehärtet. Aufgrund der Bestrahlung härtet das flüssige Photopolymerisationsgemisch an der Oberfläche gemäß einem bestimmten, erwünschten Muster oder Form aus. Die derart erhaltene Polymerhülle wird dabei im Allgemeinen mit Hilfe einer Tragstruktur verankert. Ein derartiges Stereolithogaphie-Verfahren ist beispielsweise in der US 4,575,330 beschrieben. Ein besonderer Vorteil der Verwendung des Stereolithographie-Verfahrens, wie es bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird, ist, dass hierdurch die Gewinnung eines Stereolithographieteils direkt von dem CAD-Modell (CAD, computer aided design) möglich ist. Weiterhin kann auch ein Modellelement gemäß einer dem Fachmann bekannten Vorgehensweise hergestellt werden. Das Modellelement kann beispielsweise aus einer aus Metall, aus einer Legierung, Kunststoff oder Holz gefrästen oder mit anderen Bearbeitungsverfahren hergestellten Geometrie bestehen. Diese Verfahren wird man eher bei einfachen Geometrien (rotationssymmetrische Teile etc.) anwenden, das Stereolithographieverfahren bei komplexeren Geometrien wie sie bei den heute eingesetzten und beschriebenen Dichtungen eher üblich sind. Es sind auch zusammengesetzte Modelle vorstellbar, bei denen aus Fertigungsgründen Stereolithographieteile mit bearbeitend hergestellten Teilen zum fertigen Modell kombiniert werden.

Im nachfolgenden Schritt wird das Stereolithographieteil mit einem Gussmaterial zur Herstellung der Gussform für eine oder mehrere Elastomer-Dichtungen eingegossen. Als Gussmaterial für die Gussform kann beispielsweise ein Silikon-Gussmaterial eingesetzt werden. Anschließend wird das Gussmaterial gemäß den Herstellerangaben gehärtet. Insbesondere kann die Gussform mit einem Material ganz oder teilweise ausgegossen werden oder eine Gussform kann hergestellt werden, die in verschiedenen Teilbereichen aus unterschiedlichen Gussmaterialien hergestellt wurde.

Die derart erhaltene Gussform wird dann gemäß dem Wissen des Fachmanns, beispielsweise durch Aufschneiden, geöffnet und das Stereolithographieteil wird entnommen. Die Gussform kann dabei in zwei, drei oder mehr voneinander getrennte Teile aufgeteilt werden oder einstückig verbleiben.

Die derart erhaltene Gussform dient anschließend zur Herstellung der Elastomer-Dichtung(en).

Hierzu wird das Gussmaterial zur Herstellung der Elastomer-Dichtung durch einen Vakuumgussvorgang in die Gussform eingebracht. Ein derartiger Vakuumgussvorgang ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung der Elastomer-Dichtung(en). Die Herstellung der Elastomer-Dichtungen im Vakuumgussvorgang beginnt mit dem Abwiegen des eingesetzten Werkstoffs (z.B. Zwei-Komponenten-Werkstoff auf Polyurethan-Basis) dem hier nun auch nach Bedarf Farbpigmente zugefügt werden können um die Dichtung(en) farblich zu gestalten. Die Materialkomponenten können unter Vakuum, das heißt unter einem gegenüber dem Umgebungsraumdruck verringerten Druck von beispielsweise nicht mehr als 1000 mbar, vorzugsweise von 1000 mbar–0,1 mbar, bevorzugterweise von 1,4 mbar– 1,6 mbar, insbesondere von 1,5 mbar, jeweils bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 20 °C, gemischt werden (verhindert Lufteinschlüsse beim Mischen) und werden nach dem Mischen in die Form in der Vakuumkammer gegossen. Das Eingießen in die Form erfolgt drucklos. Das Mischen erfolgt bei Raumtemperatur (beispielsweise 20 °C). Die Form wird vor dem Eingießen auf eine Temperatur von etwa 50°C bis 100°C gebracht. Nach dem Abgießen wird die Form für etwa 4 bis 10 Stunden bei etwa 50°C bis 100°C je nach eingegossenem Material zum Aushärten der Dichtung auf Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet und die Dichtung entnommen. Dann werden Entlüftungsstege und Anguss abgeschnitten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet in vorteilhafterweise ein Zusammenspiel zwischen den Verfahrensschritten und dem verwendeten Gussmaterial statt, wobei dieses während des Vakuumgussvorgangs fließfähig verbleibt.

Als für die Bedingungen eines Vakuumgussvorgangs in hohem Maße geeignet erwiesen sich hierbei ein gießbares, bei Raumtemperatur vulkanisierendes Mehrkomponentengemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk und ein gießbares Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan.

Neben einer ausreichenden Fließfähigkeit insbesondere während eines Vakuumgussvorgangs muss das für die Herstellung der Elastomer-Dichtung verwendete Material darüber hinaus nach abgeschlossener Fertigung der Dichtung auch eine ausreichende Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen aufweisen und/oder Temperaturen von beispielsweise –40 °C bis zu 400 °C, vorzugsweise von etwa –40 °C bis 200 °C, bevorzugt von –40°C bis 150°C standhalten können. Auch in dieser Hinsicht ergänzen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die hierbei eingesetzten Materialien in äußerst vorteilhafter Weise.

Anschließend wird das Gussmaterial in der Gussform zum Erhalten der einen oder mehreren Elastomer-Dichtungen polymerisiert. Danach wird die eine oder werden die mehreren Silikonkautschuk und/oder Polyurethan umfassenden Elastomer-Dichtungen aus der Gussform entnommen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Dichtungen hergestellt werden, die mit einem Trägermaterial verbunden sind. Derartige Trägermaterialien können beispielsweise sein, Elemente aus Metall, Legierung, Keramik und/oder Kunststoff, auch in Form von Geweben und Vliesmaterialien. Derartiges Trägermaterial kann vor, während oder nach einem Befüllen der Gussform mit dem Material für die Herstellung der Elastomer-Dichtung (jedoch vor dessen vollständiger Erhärtung) in die Gussform eingebracht werden. Nach Polymerisation ist dieses Trägermaterial dann vorzugsweise im Wesentlichen fest mit dem Material der Elastomer-Dichtung verbunden. Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, dass Teilbereiche der Elastomer-Dichtung aus einem anderen polymeren Material hergestellt sind. Insbesondere vorteilhaft sind Trägerrahmen beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff, die zur Stabilisierung der Dichtung in Fertigung, beim Transport und bei der Montage dienen. Diese können außerdem weitere Funktionselemente beinhalten.

Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für die Herstellung einer Trägerrahmendichtung, die gebildet ist aus einem metallischen Trägerrahmen aus Metall oder einem anderem, geeigneten Material in Kombination mit einer Dichtung, die im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.

Die erfindungsgemäßen Dichtungen können für verschiedenste Bauteile ausgelegt werden.

Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen Dichtungen für einen jeweiligen Medienkontakt maßgeschneidert und angepasst werden, das heißt die erfindungsgemäßen Dichtungen können durch einfache Reihenversuche von einem Fachmann derart angepasst werden, dass sie beispielsweise eine gesteigerte Härte aufweisen.

Falls erwünscht kann die Elastomer-Dichtung nach der Entnahme aus der Gussform noch weiteren Behandlungsschritten, beispielsweise zur Oberflächenbehandlung, unterworfen werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Elastomer-Dichtungen können beispielsweise eine Härte Shore A gemäß DIN 53 505 von 40 bis 70, vorzugsweise von 50 bis 65 und insbesondere von 54 bis 56 aufweisen und/oder eine Reißfestigkeit gemäß DIN 53 504 S 3 in einem Bereich von 4,0 bis 14,0 N/mm², vorzugsweise von 4,5 bis 11,5 N/mm² und/oder eine Reißdehnung gemäß DIN 53 504 S 3 von 300 bis 400 % aufweisen.

Als Gussmaterial für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zum einen ein gießbares, bei Raumtemperatur vulkanisierendes Mehrkomponentengemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk geeignet. Beispielsweise kann eine Komponente einen Katalysator, beispielsweise einen Platinkatalysator, und eine weitere Komponente einen Vernetzer (auch als Cross-Linker bezeichnet) enthalten. Insbesondere kann ein Zweikomponenten-Siliconkautschuk verwendet werden. Die geeignete Auswahl der jeweiligen spezifischen Verbindungen und der Zusatz von weiteren im Stand der Technik bekannten Zusatzstoffen, Hilfsmitteln und/oder Lösungsmitteln erfolgt dabei gemäß dem allgemeinen Wissen eines Fachmanns. Der Begriff "Raumtemperatur" (hinsichtlich eines Vulkanisierungsvorgangs) kann einen Temperaturbereich von –20°C bis 200°C vorzugsweise von –15°C bis 150°C, bevorzugt von 0°C bis 90°C, insbesondere von 5°C bis 50 °C umfassen.

Vorteilhafterweise sollte ein derartiges gießbares, bei Raumtemperatur vulkanisierendes Mehrkomponentengemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk eine Verarbeitungszeit (das heißt eine Zeitspanne bis zum Erreichen einer Viskosität von 150 000 mPa s) bei einer Verarbeitungstemperatur von 15°C im Bereich von 1 bis 8 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 Stunden, bevorzugter von 3 + 0.25 Stunden, insbesondere von 3 Stunden aufweisen. Bei einer Verarbeitungstemperatur von 5 °C sollte die Verarbeitungszeit im Bereich von 5 bis 7 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 6 + 0.25 Stunden liegen und bei einer Temperatur von 30 °C in einem Bereich von 30 + 10 Minuten liegen.

Die Vulkanisationszeit des Silikonkautschuks kann bei einer Vulkanisationstemperatur von 23 °C 20–30 Stunden, insbesondere 23 bis 25 Stunden, betragen und kann beispielsweise bei einer Vulkanisationstemperatur von 70 °C 30 + 10 Minuten und beispielsweise bei einer Vulkanisationstemperatur von 150 °C 10 + 3 Minuten betragen. Die Vulkanisationszeiten gelten jeweils für eine Schichtdicke von 1 cm. Ein derartiger Silikonkautschuk stellt eine schnelle Vulkanisation bei Raumtemperatur bereit, wobei diese im Wesentlichen schrumpffrei erfolgen kann.

Weiterhin kann im Falle des Silikonkautschuks das Vulkanisat nach 24 Stunden Lagerung bei 23 °C eine Dichte in Wasser bei 23 °C gemäß DIN 53 479 A von 1,0 bis 1,8 g/cm³, vorzugsweise von 1,3 bis 1,4 g/cm³ und insbesondere von 1,32 bis 1,36 g/cm³ aufweisen. Das, wie vorstehend beschrieben, erhaltene Silikonkautschuk-Vulkanisat (24 h, 23 °C) kann eine Härte Shore A gemäß DIN 53 505 von 40 bis 70, vorzugsweise von 50 bis 65 und insbesondere von 54 bis 56 aufweisen. Die Reißfestigkeit gemäß DIN 53 504 S 3 kann in einem Bereich von 4,0 bis 6,0, vorzugsweise von 4,5 bis 5,5 N/mm² und insbesondere von 4,9 bis 5,1 N/mm² liegen. Die Reißdehnung kann gemäß DIN 53 504 S 3 300 bis 400 %, insbesondere 340 bis 360 % betragen. Der Weiterreißwiderstand gemäß ASTM D624, B kann größer oder gleich 12 N/mm sein und die lineare Schrumpfung kann weniger als 0,1 % und der lineare Ausdehnungskoeffizient im Bereich von 0–150 °C kann (2,2 ± 0,1) × 10^–4 m/m K betragen.

Insbesondere kann ein additionsvernetzender Siliconkautschuk verwendet werden, das heißt ein Silikonkautschuk, bei dem die Polymerisation derart erfolgt, dass alle Atome der an der Polymerisation teilnehmenden Monomereinheiten in das Polymer inkorporiert werden. Dies weist im Gegensatz zu einer Kondensationshärtung den Vorteil auf, dass bei der Polymerisation keine als Nebenprodukte gebildete Moleküle anfallen.

Ein weiteres, für das erfindungsgemäße Verfahren geeignetes Gussmaterial zur Herstellung der Elastomer-Dichtung ist ein Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan. Ein derartiges Mehrkomponenten-Gemisch kann beispielsweise ein Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat oder ein urethanmodifiziertes Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat enthaltendes Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan sein. Die erste Komponente dieses Mehrkomponenten-Gemischs zur Herstellung von Polyurethan kann dabei Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat oder ein urethanmodifiziertes Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat und die zweite Komponente hiervon Polyetherpolyole umfassen. Die geeignete Auswahl der jeweiligen spezifischen Verbindungen und der Zusatz von weiteren im Stand der Technik bekannten Zusatzstoffen, Hilfsmitteln und/oder Lösungsmitteln erfolgt dabei gemäß dem allgemeinen Wissen eines Fachmanns.

Die erfindungsgemäßen Polyurethan-Dichtungen können beispielsweise eine Reißfestigkeit gemäß DIN 53 504 S 3 in einem Bereich von 4,0 bis 14,0, vorzugsweise von 8,0 bis 14,0 N/mm² und insbesondere von 10,5 bis 11,5 N/mm² aufweisen und/oder ein Zug-E-Modul gemäß ISO R 527 von 4–5 MPa, insbesondere von 4,5–4,7 MPa aufweisen und/oder eine Zugfestigkeit gemäß ISO R 527 von 11–12 MPa, insbesondere von 11,5–11,7 MPa aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die hierbei eingesetzten Ausgangstoffe sind insbesondere dafür ausgelegt, den hohen Druck- und Temperatur-Belastungen bei der Durchführung eines Elastomer-Spritzgießens widerstehen zu können.

Die Geometrie der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dichtungen kann auch aufwändig sein und wird der geforderten Geometrie der Dichtung entsprechen.

Die erfindungsgemäßen Dichtungen müssen jedoch nicht in der Lage sein, einen Dauerbetrieb über mehrere Wochen oder Jahre durchzustehen und müssen also nicht die gesamte Erprobung durchstehen können, da sie durch weitere Prototypenteile oder zu testende, künftige Serienmaterialien ersetzt werden können. Eine Anwendung für das erfindungsgemäße Verfahren und die hiermit erhaltenen Dichtungen ist somit beispielsweise ein Einsatz in "Forschungs- und Prinzip-Motoren", die nicht in Serie gehen. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt daher insbesondere eine schnelle Bereitstellung von Dichtungen, die später durch weiterentwickelte Prototypen ersetzt werden können oder die beim Aufbau von Versuchsmotoren zu Entwicklungszwecken in sehr geringer Stückzahl benötigt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt daher eine schnelle Lieferfähigkeit von Funktionsmustern bereit, wobei diese für die Basiserprobung ausreichende Beständigkeiten aufweisen und ermöglicht zahlreiche Untersuchungen zur Optimierung der Dichtungsgeometrie einer Dichtung an die jeweilige Einbausituation.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiter Elastomer-Dichtungen, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen aufweisen und die aus mindestens einem Gussmaterial hergestellt sind, wobei das mindestens eine Gussmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gießbarem, bei Raumtemperatur vulkanisierendem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk und gießbarem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan. Beispielsweise können derartige Elastomer-Dichtungen über das vorstehend erläuterte Verfahren oder Varianten hiervon erhalten werden.

Zur Herstellung derartiger Elastomer-Dichtungen kann beispielsweise ein Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk und ein Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan verwendet werden. Die Formulierung derartiger Mehrkomponenten-Gemische (Reaktanden, Zusatzstoffe, Farbstoffe, Lösungsmittel, Katalysatoren, etc.) erfolgt gemäß dem allgemeinen Fachwissens und unter Berücksichtung der spezifischen, angestrebten Anwendungssituation der Elastomer-Dichtung, wobei auch handelsübliche Mehrkomponenten-Gemische gemäß den Herstellerangaben verwendet oder insbesondere durch Zusatz weiterer Substanzen (Zusatzstoffe, Farbstoffe, Lösungsmittel, Katalysatoren, etc.) an die jeweilige spezifische, angestrebte Anwendungssituation der Elastomer-Dichtung angepasst werden können.

Die erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtungen können beispielsweise eine Härte Shore A gemäß DIN 53 505 von 40 bis 70, vorzugsweise von 50 bis 65 und insbesondere von 54 bis 56 aufweisen und/oder eine Reißfestigkeit gemäß DIN 53 504 S 3 in einem Bereich von 4,0 bis 14,0 N/mm², vorzugsweise von 4,5 bis 11,5 N/mm² und/oder eine Reißdehnung gemäß DIN 53 504 S 3 von 300 bis 400 % aufweisen.

Weitere Materialeigenschaften der erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtungen wurden zuvor in Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren diskutiert und werden daher an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt.

Anwendungsabhängig kann es von Vorteil sein, wenn die Elastomer-Dichtung weiter ein Trägermaterial umfasst oder auf einem Trägermaterial angeordnet ist oder mit diesem verbunden ist. Das Trägermaterial kann beispielsweise ein Trägerrahmen, vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung, sein. Geeignete Trägermaterialien und deren Eigenschaften wurden zuvor in Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren diskutiert und werden daher an dieser Stelle nicht nochmals erläutert.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtung als Dichtung in oder an einem Motor oder Getriebe und die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtung als Prototyp zum Optimieren der Gestaltung von Elastomer-Dichtungen, insbesondere als Dichtung in oder an einem Motor oder Getriebe. Eine erfindungsgemäße Elastomer-Dichtung kann insbesondere auch in einer Vorrichtung verwendet werden, in der die Elastomer-Dichtung oder Teile hiervon zumindest zeitweise mit Öl oder Kraftstoff in Kontakt kommt.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Elastomer-Dichtung als Zylinderkopfhaubendichtung eines Verbrennungsmotors oder als Ölwannen- und/oder Öl-Sumpfwannendichtung eines Verbrennungsmotors.

In den nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispielen wird die vorliegende Erfindung eingehender in beispielhafter Weise verdeutlicht.

Beispiel 1
Herstellung einer Gussform für eine Dichtung
Es wird eine Dichtung für eine Zylinderkopfhaube benötigt. Basis für die Erstellung einer Gussform ist das Teil in Dichtungsgeometrie das eingegossen wird. Dieses wird vorzugsweise direkt vom CAD-Modell der Dichtung hergestellt. Das Modell der Dichtung mit dem Dichtungsprofil wird anhand der benötigten Flanschgeometrien und der geforderten Eigenschaften konstruiert. Das erstellte Stereolithographieteil wird in einem der Größe der Gussform entsprechenden Behältnis fixiert und mit Silikon eingegossen. Das Eingießen und Aushärten erfolgt unter Raumtemperatur in etwa 2 bis 24 Stunden je nach Größe der Form.
Nach dem Aushärten wird die Form mit speziellen Werkzeugen aufgespalten und das Stereolithographieteil entnommen.
Beispiel 2
Herstellung einer Dichtung aus Polyurethan oder Silikonkautschuk
Der Ablauf ist nach Herstellung der gießfähigen Mischung für Silikonkautschuk und Polyurethan nahezu identisch. Die Herstellung der Elastomer-Dichtung im Vakuumgussvorgang beginnt mit dem Abwiegen der Mischungsbestandteile des einzusetzenden Werkstoffes (z. B. Silikonkautschuk oder Zwei-Komponenten-Werkstoff auf Polyurethan-Basis) dem hier nun auch nach Bedarf Farbpigmente zugefügt werden können, um die Dichtung farblich zu gestalten. Die Materialkomponenten können unter Vakuum gemischt werden (verhindert Lufteinschlüsse beim Mischen) und werden nach dem Mischen unter Vakuum in die in der Vakuumkammer befindliche Form gegossen. Das Eingießen in die Form erfolgt drucklos. Das Mischen erfolgt bei Raumtemperatur (beispielsweise 20 °C). Die Form wird vor dem Eingießen auf eine Temperatur von etwa 50°C bis 100°C gebracht. Nach dem Abgießen wird die Form für etwa 2 bis 20 Stunden bei etwa 50°C bis 100°C je nach eingegossenem Material zum Aushärten der Dichtungen auf Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen wird die Form geöffnet und die Dichtung entnommen. Dann werden Entlüftungsstege und Anguss abgeschnitten.
Beispiel 3
Anwendungsbeispiel
Im Bereich der Motorenentwicklung werden Motoren aufgebaut an denen grundlegende Funktionsprinzipien studiert werden. Diese sind meist „Einzelstücke" die beim Aufbau weiterer Prinzipmotoren optimiert und somit geändert werden. Die für solche Motoren benötigten Dichtungen werden vorteilhafterweise mit dem beschriebenen Verfahren hergestellt um die hohen Kosten für die aufwändigen Werkzeuge einzusparen. Die hierbei eingesetzten Dichtungen sind z.B. Zylinderkopfhaubendichtungen, Ölwannendichtungen, Flanschdichtungen, Dichtungen im Ansaugbereich, etc. Hierbei hat z.B. die Zylinderkopfhaubendichtung die Aufgabe die Zylinderkopfhaube mit dem Zylinderkopf dicht zu verbinden, so dass das im Bereich des Ventiltriebs aufgewirbelte und zur Schmierung benötigte Motoröl nicht nach außen dringen kann.
Die Herstellung von Dichtungen in den bekannten Spritzverfahren kann unter Umständen mehrere Wochen dauern (Normale Prototypenlieferzeiten sind etwa 6–8 Wochen) da die Lieferzeit die Erstellung der unter Umständen aufwändigen Werkzeuge beinhaltet. Hier können parallel zur Erstellung der Werkzeuge und Prototypenteile aus den späteren Serienmaterialien mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens erste Dichtungen mit kurzer Lieferzeit erstellt werden. Diese Dichtungen können später, wenn die Dichtungen mit den Serienmaterialien verfügbar sind, getauscht werden. Diese Vorgehensweise ist bei allen Zeitkritischen Dichtungen anwendbar.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Dichtungen, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen aufweisen, welches umfasst: Herstellen eines Stereolithographieteils oder eines Modellelements, Eingießen des Stereolithographieteils oder Modellelements zur Herstellung einer Gussform für eine oder mehrere Elastomer-Dichtungen mit Gussmaterial für die Gussform und Härten dieses Gussmaterials zum Erhalten einer Gussform für eine oder mehrere Elastomer-Dichtungen, Öffnen der Gussform und Entnehmen des Stereolithographieteils oder Modellelements, Giessen der einen oder mehreren Elastomer-Dichtungen, wobei das Gussmaterial zur Herstellung der Elastomer-Dichtung durch einen Vakuumgussvorgang in die Gussform eingebracht wird und das Gussmaterial für die Elastomer-Dichtung mindestens ein Gussmaterial umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gießbarem, bei Raumtemperatur vulkanisierendem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk und gießbarem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan, Polymerisieren des Gussmaterials zur Elastomer-Dichtungsherstellung in der Gussform zum Erhalten der einen oder mehreren Elastomer-Dichtungen, und Entfernen der einen oder mehreren Silikonkautschuk und/oder Polyurethan umfassenden Elastomer-Dichtungen aus der Gussform.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polymerisation der Komponenten unter Additionsvernetzung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei die Zeitspanne bis zum Erreichen einer Viskosität von 150 000 m Pas nach Vereinigung der Komponenten zur Herstellung von Silikonkautschuk bei einer Verarbeitungstemperatur von 15°C im Bereich von 1 bis 8 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 Stunden, mehr bevorzugt im Bereich von 3 ± 0.25 Stunden, liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei die Elastomer-Dichtung eine Härte Shore A von 40 bis 70, vorzugsweise von 50 bis 65 aufweist und/oder eine Reißfestigkeit in einem Bereich von 4,0 bis 14,0 N/mm² und/oder eine Reißdehnung von 300 bis 400 % aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei das Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan als eine Komponente ein Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat oder urethanmodifiziertes Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat umfasst und/oder als weitere Komponente ein Polyetherpolyol umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei das Modellelement aus Metall, Holz, Kunststoff oder einer Legierung hergestellt, vorzugsweise gefräst, ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen, wobei das Stereolithographieteil direkt vom CAD-Modell hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Trägermaterial vor, während oder nach einem Befüllen der Gussform mit dem Material für die Herstellung der Elastomer-Dichtung in die Gussform eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Trägermaterial ein Trägerrahmen, vorzugsweise aus Metall oder Legierung, ist.
Elastomer-Dichtung, die eine hohe Beständigkeit gegenüber Ölen und Kraftstoffen aufweist und die aus mindestens einem Gussmaterial hergestellt ist, wobei das mindestens eine Gussmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus gießbarem, bei Raumtemperatur vulkanisierendem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Silikonkautschuk und gießbarem Mehrkomponenten-Gemisch zur Herstellung von Polyurethan.
Elastomer-Dichtung nach Anspruch 10, die eine Härte Shore A von 40 bis 70, aufweist und/oder eine Reißfestigkeit in einem Bereich von 4,0 bis 14,0 N/mm², vorzugsweise von 4,5 bis 11,5 N/mm², und/oder eine Reißdehnung von 300 bis 400 % aufweist.
Elastomer-Dichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, die weiter ein Trägermaterial umfasst oder auf diesem angeordnet oder mit diesem verbunden ist.
Elastomer-Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der das Trägermaterial ein Trägerrahmen, vorzugsweise aus einem Metall oder einer Legierung, ist.
Verwendung einer Elastomer-Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 als Dichtung in oder an einem Motor oder Getriebe.
Verwendung einer Elastomer-Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 als Prototyp, insbesondere als Dichtung in oder an einem Motor oder Getriebe.
Verwendung einer Elastomer-Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 in einer Vorrichtung, in der die Elastomer-Dichtung oder Teile hiervon zumindest zeitweise mit Öl oder Kraftstoff in Kontakt kommt.
Verwendung der Dichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 als Zylinderkopfhaubendichtung eines Verbrennungsmotors oder als Ölwannen- und/oder Öl-Sumpfwannendichtung eines Verbrennungsmotors.