DE102007040097A1

DE102007040097A1 - Flachdichtung

Info

Publication number: DE102007040097A1
Application number: DE200710040097
Authority: DE
Inventors: Michael Schlipf; Heinrich Schramm
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-02-26
Also published as: WO2009026974A1

Abstract

Um eine Flachdichtung, die hohen qualitativen Ansprüchen genügt, wirtschaftlich herstellen zu können, wird vorgeschlagen die Oberflächenbereiche aus einem Polymermaterial, welches ein thermoplastisch verarbeitbares im Wesentlichen voll fluoriertes Kunststoffmaterial umfasst, zu fertigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachdichtung mit Oberflächenbereichen aus einem Polymermaterial. Solche Flachdichtungen werden in einer Vielzahl technischer Bereiche zu Dichtungszwecken zwischen Flanschen in technischen Anlagen eingesetzt, in denen aggressive gasförmige oder flüssige Medien zum Einsatz kommen oder in denen hochreine Produkte verarbeitet oder transportiert werden.
In solchen Anwendungen kommt üblicherweise PTFE als Polymermaterial zum Einsatz aufgrund seiner chemischen Resistenz, hohen Temperaturbeständigkeit, physiologischen Unbedenklichkeit und fehlenden Neigung zur Wasseraufnahme um nur die wichtigsten Vorzüge von PTFE zu nennen.
Die dabei verwendeten PTFE-Werkstoffe umfassen PTFE, modifiziertes PTFE sowie Abmischungen von PTFE und modifiziertem PTFE mit anderen Werkstoffen (PTFE-Compounds) und werden nach dem üblichen Press-Sinter-Verfahren verarbeitet. Unter modifiziertem PTFE wird ein TFE-Coplymer verstanden, welches geringfügige Anteile eines Comonomeren (Perfluorpropylvinylether) aufweist und ansonsten wie PTFE zu verarbeiten ist.
Dichtungen aus PTFE, modifiziertem PTFE oder PTFE-Compounds werden häufig entweder durch Ausstanzen aus einer Folie oder durch stirnseitiges Abstechen von einem Hohlzylinder hergestellt.
Dichtungen mit sehr großem Durchmesser, beispielsweise etwa 4000 mm oder mehr, werden häufig aus mehreren Ringsegmenten zusammengesetzt, die mittels PFA zusammengeschweißt werden.
Das Ausstanzen kann gegebenenfalls auch durch Schneiden mit Wasserstrahltechnik oder durch spanende Bearbeitung ersetzt werden.
Gelegentlich kommt auch so genanntes expandiertes PTFE zum Einsatz, wobei die Dichtungen aus plattenförmigem Halbzeug oder mittels Pastenextrusion hergestellten Strangprofilen gewonnen werden.
Nachteilig bei diesen Dichtungen ist das bei PTFE beobachtete Kaltflussverhalten, das sich beim Einwirken einer Flächenpressung nach der Montage der Dichtung nachteilig auswirkt, da die bei der Montage erzielte Flächenpressung dabei abnimmt. Beim Unterschreiten einer Mindestflächenpressung ist die Dichtungsfunktion nicht mehr gewährleistet und es besteht die Gefahr der Leckage.
Verschiedentlich sind Maßnahmen zur Verminderung des Kaltflussverhaltens vorgeschlagen worden, die jedoch regelmäßig mit anderen Nachteilen behaftet sind.
Modifiziertes PTFE zeigt zwar ein stark reduziertes Kaltflussverhalten, jedoch sind diese Materialien aufgrund des hohen Werkstoffpreises weniger wirtschaftlich und verbieten sich deshalb bereits für eine Vielzahl von Anwendungen.
Auch die Zugabe von Füllstoffen zu PTFE kann das Kaltflussverhalten verbessern, jedoch ist der Anwendungsbereich solcher gefüllter PTFE-Materialien beschränkt, da regelmäßig eine verminderte Chemikalienbeständigkeit in Kauf genommen werden muss.
Die Verwendung von Einlegeteilen oder Inserts aus Metall oder anderen Werkstoffen vergrößert die Ausblassicherheit solcher Dichtungen signifikant, jedoch nimmt die Flexibilität der Dichtung und damit das Anpassungsvermögen an Oberflächenunebenheiten der abzudichtenden Flanschen deutlich ab. Auch sind Mehrkomponentendichtungen bei verschiedenen Anwendungen insbesondere wegen einer veränderten Handhabung und anderem Einbauverhalten unsicherer als Einkomponentendichtungen. Außerdem sind bei Mehrkomponentendichtungen höhere Herstellkosten aufgrund der Fertigung der Einzelkomponenten und das anschließende Zusammenfügen zu erwarten, so dass solche Dichtungen für viele Anwendungen unwirtschaftlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Flachdichtung vorzuschlagen, die oben genannte Nachteile vermeidet und insbesondere wirtschaftlich hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Flachdichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Unter thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffmaterialien sind solche Materialien zu verstehen, welche einen Schmelzflußindex (MFI) aufweisen, der von Null verschieden ist (ASTM Test D1238-88 bei 372°C und einer Last von 5 kg bei einer maximalen Extrudat-Auffangzeit von 1 Stunde).
Das erfindungsgemäß verwendete, thermoplastisch verarbeitbare, im Wesentlichen voll fluorierte Kunststoffmaterial lässt sich insbesondere im Spritzgussverfahren verarbeiten, so dass die erfindungsgemäße Flachdichtung in einem einstufigen Prozess herstellbar ist.
Als voll fluoriertes thermoplastisches Kunststoffmaterial wird bevorzugt thermoplastisch verarbeitbares PTFE verwendet. Eine Vielzahl solcher Materialien ist beispielsweise in der WO 01/60911 und WO 03/078481 beschreiben.
Hierbei kommen insbesondere TFE-Copolymere in Betracht, bei denen der Comonomeranteil weniger als 3,5 Mol-% beträgt, da hier die PTFE-Eigenschaften weitestgehend erhalten bleiben und trotzdem eine thermoplastische Verarbeitung möglich ist. Weiter bevorzugt ist der Comonomeranteil beschränkt auf weniger als ca. 3 Mol-%, noch weiter bevorzugt sind Comonomeranteile von weniger als ca. 1 Mol-%, beispielsweise 0,5 Mol-% oder weniger.
Bevorzugte Comonomere, die einerseits eine gute thermoplastische Verarbeitbarkeit gewährleisten und andrerseits die Materialeigenschaften gegenüber PTFE weitgehend unverändert lassen sind Hexafluoropropylen, Perfluoro(alkylvinylether), Perfluoro-(2,2-dimethyl-1,3-dioxol) und Chlorotrifluoroethylen.
Das erfindungsgemäß verwendete voll fluorierte Kunststoffmaterial kann auch in Form eines Polymer-Compounds verwendet werden, wobei der Füllstoff des Compounds einen Anteil von bis zu ca. 60 Gew.-% aufweist.
Als Füllstoffe lassen sich in Abhängigkeit von dem spezifischen Verwendungszweck der Flachdichtung eine Reihe unterschiedlicher Materialien auswählen.
Häufig kommen Füllstoffe in Faserform und/oder in granularer Form zum Einsatz.
Bevorzugte Füllstoffe werden ausgewählt aus Glasfasern, Glaskugeln, harten und weichen Kohlepartikel und -fasern, Graphit, Leitfähigkeitsruß, Metallfasern, Metallpartikeln, insbesondere Bronzepartikel und Stahlpulver, Quarz, Al₂O₃, CaF₂, Glimmer, Mineralstoffe, insbesondere BaSO₄ sowie organische Polymermaterialien in granularer und Faserform.
Daneben können Füllstoffe aus organischen Polymermaterialien zum Einsatz kommen. Bevorzugte Füllstoffe dieses Typs werden vorzugsweise ausgewählt aus Polyimid, Polyamidimid, PPS, PEEK, PPSO₂, aromatischen Polyestern und Aramid oder Mischungen von zwei oder mehreren dieser Materialien.
Alle vorgenannten Füllstoffe können einzeln oder in beliebiger Mischung von zwei oder mehreren der Füllstoffe zum Einsatz gelangen.
Generell werden bei der Verwendung von Fasern als Füllstoffe geringere Füllstoff-Gehalte bevorzugt gegenüber den Gehalten bei granularen Füllstoffen.
Beispielsweise können anstelle von ca. 25 Gew.-% granularer Kohle ca. 15 Gew.-% Kohlefasern eingesetzt werden.
Als erfindungsgemäß zu verwendendes voll fluoriertes Kunststoffmaterial kommen neben den TFE-Copolymeren auch Polymerblends von PTFE und einem oder mehreren thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffen zum Einsatz.
Diese weiteren Kunststoffe werden insbesondere ausgewählt aus der Gruppe der PTFE-Mikropulver. Hierbei handelt es sich um PTFE-Typen mit im Vergleich zu hochmolekularem (Standard) PTFE niederem Molekulargewicht und niederer Schmelzviskosität. Sie werden typischerweise hergestellt entweder durch Emulsionspolymersation, durch thermomechanischen Abbau von hochmolekularem PTFE im Extruder oder durch Strahlenabbau von hochmolekularem PTFE, gefolgt von einem Mahlprozess.
Die Eigenschaftsunterschiede von hochmolekularem (Standard) PTFE und niedermolekularen PTFE-Mikropulvern lassen sich beispielsweise wie folgt darstellen (vgl. S. Ebnesajjad, Fluoroplastics, Vol. 1, Non-Melt Processible Fluoroplastics, Verlag William Andrew Publishing, 2000):

Produkt Molekulargewicht Schmelzviskosität bei 380°C in Pa·s

Standard PTFE ca. 10⁶–ca. 10⁸ ca. 10¹⁰–ca. 10¹³

Mikropulver ca. 10⁴–ca. 10⁶ ca. 10²– ca. 10⁵
Beispiele für solche Polymerblends finden sich in den Offenlegungsschriften WO 01/60911 und WO 03/078481 .
Die erfindungsgemäße Flachdichtung kann einerseits vollständig aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden voll fluorierten Kunststoffmaterial hergestellt sein. Andererseits, kann die erfindungsgemäße Flachdichtung aber auch ein Einlegeteil beinhalten, beispielsweise in Form eines Inserts, wobei dann bevorzugt das Einlegeteil aus einem Flachmaterial gebildet ist und weiter be vorzugt von den Oberflächenbereichen im Wesentlichen allseitig umgeben ist. Unbedeckt können in machen Fällen nicht in Dichtungsaufgaben einbezogene Randbereiche, insbesondere Stirnseiten und dgl. Bleiben.
Das Einlegeteil von erfindungsgemäßen Flachdichtungen wird bevorzugt ausgewählt aus metallischem Flachmaterial, Flachmaterial aus organischen Polymeren, Aramidfaser-, Kohlefaser- und/oder Glasfaserverstärkten Flachmaterialien sowie keramischen Flachmaterialien.
Flachmaterialien können als vollflächige Bauteile Verwendung finden ebenso wie perforierte Materialien, wie z. B. Lochbleche oder Spießbleche. Daneben eigenen sich auch Flachmaterialien mit Wellenstruktur zur Herstellung von Einlegeteilen.
Das Einlegeteil ist nicht notwendigerweise einstückig ausgebildet, auch wenn dies bevorzugt wird, da es in der Regel die Handhabung des Einlegeteils bei der Fertigung der Flachdichtung erleichtert.
Das Einlegeteil wird bevorzugt in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und dann mit dem erfindungsgemäß zu verwendenden voll fluorierten Kunststoffmaterial umspritzt.
Das als Einlegeteil verwendete Flachmaterial kann vor der Beschichtung mit dem voll fluorierten Kunststoffmaterial vorgeformt werden um die Flachdichtung an eine anwendungsspezifische Geometrie oder spezifische Abdichtungsaufgaben anzupassen.
Beispielsweise kann das Flachmaterial mit einer oder mehreren Sicken und/oder Halbsicken versehen sein.
In manchen Anwendungsfällen ist es erwünscht wenn Sicken vorhanden sind, die über beide Oberflächen überstehend ausgebildet sind.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Flachdichtung eine oder mehrere aus dem Polymermaterial gebildete Rippen an mindestens einer ihrer Oberflächen umfassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Flachdichtung wie es in Anspruch 19 näher definiert ist.
Für den Fall, dass die erfindungsgemäße Flachdichtung ein Einlegeteil enthalten soll, wird der Hohlraum des Formwerkzeugs bevorzugt so ausgebildet, dass er eine Aufnahme für ein Einlegeteil bildet, wobei das Einlegeteil in das Formwerkzeug eingebracht wird bevor der Hohlraum des Formwerkzeugs mit dem Polymermaterial befüllt wird.
Das Befüllen des Hohlraums des Formwerkzeugs wird vorzugsweise mittels Einspritzen des Polymermaterials erfolgen, unabhängig davon ob die herzustellende Flachdichtung ein Einlegeteil aufweisen soll oder nicht.
Um eine definierte Position des Einlegeteils in der fertigen erfindungsgemäßen Flachdichtung zu gewährleisten wird bevorzugt das Einlegeteil in dem Formwerkzeug mittels einer Halterung auf Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs gehalten.
Bevorzugt verwendete Halterungen umfassen mehrere, von außen in den Hohlraum des Formwerkzeugs einschiebbare Haltestifte.
Bevorzugt halten die Haltestifte das Einlegeteil während dem Befüllen in einer vorgegebenen Position und werden danach aus dem Hohlraum des Formwerkzeugs entfernt.
Besonders bevorzugt werden die Haltestifte während einer so genannten Nachdruckphase entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Hohlraum des Formwerkzeugs großenteils oder im Wesentlichen vollständig mit dem Polymerma terial ausgefüllt und eine Veränderung der Position des Einlegeteils in den Folgeschritten des Herstellungsverfahrens ist nicht mehr zu befürchten. Zu diesem Zeitpunkt steht aber noch über den Nachdruck Polymermaterial an, das in den Hohlraum der Form gepresst werden kann, zum einen um die während des Verfestigen des Polymermaterials eintretende Schwindung desselben auszugleichen und zum anderen um die durch das Entfernen der Haltestifte entstehenden freien Volumina zu befüllen. Die zeitliche Abfolge der Schritte wird bevorzugt so gewählt, dass das Polymermaterial im Hohlraum des Formwerkzeugs beim Entfernen der Haltestifte noch schmelzflüssig ist und so über das mittels Nachdruck noch eingefüllte Polymermaterial die freien Volumina füllen werden können, wobei dann eine praktisch nahtlose Umhüllung des Einlegeteils erzielbar ist.
Ergänzend zu den Haltestiften oder alternativ kann der Hohlraum des Formwerkzeugs mit einem oder mehreren kleinflächigen Auflagern für das Einlegeteil ausgebildet werden.
Bevorzugt wird das Einlegeteil vor dem Einbringen desselben in den Hohlraum des Formwerkzeugs auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt. Im Hinblick auf die Schmelztemperatur der einzufüllenden Polymermaterialien wird eine Vorwärmtemperatur von bevorzugt ca. 200°C oder mehr gewählt.
Die Schmelzetemperatur des in den Hohlraum des Formwerkzeug eingespeisten Polymermaterials wird vorzugsweise gleich oder größer der Peaktemperatur im DSC-Diagramm, ermittelt im zweiten Aufschmelzen, gewählt, vorzugsweise eine Temperatur von ca. 330°C oder höher.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein überwiegender Teil des Polymermaterials bei einem Spritzdruck in den Hohlraum eingespeist wird und dass danach ein weiterer Teil des Polymermaterials bei einem Nachdruck in den Hohlraum eingespeist wird, wobei der Spritzdruck höher gewählt wird als der Nachdruck.
Insbesondere wird ein Anteil von ca. 70 Gew.-% bis ca. 90 Gew.-% des Polymermaterials mit dem Spritzdruck in den Hohlraum des Formwerkzeugs eingefüllt.
Weiter bevorzugt wird nach dem Befüllen des Hohlraums mit dem Polymermaterial das Formwerkzeug noch für eine vorgegebene Haltezeit geschlossen gehalten.
Diese Haltezeit liegt bevorzugt im Bereich von ca. 5 sec oder mehr, insbesondere ca. 10 sec oder mehr.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische Darstellung einer Extruderschnecke zur Verwendung bei der Herstellung erfindungsgemäßer Flachdichtungen;
2a und 2b: ein Einlegeteil für eine erfindungsgemäße Flachdichtung bzw. eine Flachdichtung mit diesem Einlegeteil;
2c: eine schematische Darstellung eines Spritzgußwerkzeugs;
3a und 3b: ein Einlegeteil für eine erfindungsgemäße Flachdichtung bzw. eine Flachdichtung mit diesem Einlegeteil; und
4 bis 7: partielle schematische Schnittdarstellungen weiterer erfindungsgemäßer Flachdichtungen.
Herstellung einer Flachdichtung aus thermoplastischen verarbeitbarem PTFE: Für die Verarbeitung der erfindungsgemäß zu verwendenden voll fluorierten Kunststoffmaterialien im Spritzgußverfahren empfiehlt sich die Verwendung einer speziellen Maschinenausrüstung.
Da bei der Verarbeitung von Fluorthermoplasten Fluorwasserstoff entstehen kann, empfiehlt es sich alle mit der Schmelze in Berührung kommenden Teile korrosionsbeständig auszulegen (z. B. aus Hastelloy C4 oder Inconel 625).
Um des Weiteren eine optimale Verarbeitung des Fluorthermoplasten zu gewährleisten empfiehlt sich die Verwendung einer Schnecke 10 mit einer Auslegung der Schneckengeometrie wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist und im Folgenden beschreiben wird.
Die Schnecke 10 umfasst eine Einzugszone 12, eine Kompressionszone 14 und eine Meteringzone 16.

Die zugehörigen beispielhaften Schneckenparameter sind die folgenden, wobei D den Nenndurchmesser der Schnecke bezeichnet:

Wirksame Schneckenlänge	ca. 20 D
Länge der Einzugszone	ca. 10 bis ca. 12 D
Länge der Kompressionszone	ca. 4 bis ca. 5 D
Länge der Meteringzone	ca. 4 bis ca. 5 D
Steigung a	ca. 1 D
Stegbreite b	ca. 0,1 D
Gangtiefe der Einzugszone c	ca. 0,16 bis ca. 0,18 D
Gangtiefe der Meteringzone d	ca. 0,06 bis ca. 0,07 D
Kompressionsverhältnis	ca. 2,5 bis ca. 2,7

Beispiel 1: Herstellung einer ersten erfindungsgemäßen Flachdichtung
Im Folgenden wird anhand der 2a und 2b die Herstellung einer erfindungsgemäßen Flachdichtung 20 beschrieben. Die Flachdichtung 20 weist ein Einlegeteil 22 in Form eines Inserts auf das separat in 2a dargestellt ist.
Als Insert 22 wird bei diesem Beispiel ein Lochring mit den Abmessungen 41 × 66 × 0,5 mm aus einem Blech eines korrosionsfesten Stahls (z. B. 1.4301) mit einer Oberflächenbeschaffenheit Rv 1,8–2,5 verwendet. Der Lochring 22 weist eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten Durchgangslöchern 24 auf, die in konzentrischen Ringen um den mittigen Durchbruch 26 des Lochrings 22 angeordnet sind.
Der Lochring wird in einem Spritzgußwerkzeug 30 (vgl. 2c) positioniert. Die Fixierung des Inserts 22 in dem Hohlraum 32 des Spritzgußwerkzeugs 30 erfolgte über mindestens drei, in der Trennebene des Werkzeugs 30 angeordnete Haltestifte 34.
Nach dem Schließen des Werkzeugs wird dieser Lochring 22 mit einem voll fluorierten Kunststoffmaterial in einem Hohlraum 32 eines Spritzgußwerkzeugs 30 umspritzt und bildet eine im Wesentlichen allseitige Beschichtung 36 aus. Als voll fluoriertes Kunststoffmaterial wurde ein TFE-Copolymer verwendet mit einem Comonomeranteil von 0,5 Mol-%. Das Comonomer war Perfluorpropylvinylether (PPVE).
Das Spritzgießen zur Herstellung der Flachdichtungen 20 erfolgte auf einem Arburg Allrounder 420C-250 mit der oben beschriebenen Maschinenauslegung (nicht dargestellt).
Bei der Auslegung des Werkzeugs 30 wurde darauf geachtet, dass die vorgegebenen Endmaße eingehalten werden. Der Lochring 22 sollte vortemperiert werden (T ca. 200°C oder mehr), da andernfalls die Schmelze des Polymermaterials an der Oberfläche des Lochrings 22 zu schnell erstarren könnte und ein Durchfließen und Ausfüllen der Durchgangslöcher 24 behindert würde.
Zu Schließen des Spritzgußwerkzeugs 30 ist eine kleine Schließkraft ausreichend (ca. 0,4 t/cm² oder mehr), da einerseits die erfindungsgemäß verwendeten thermoplastischen Polymermaterialien auf Grund ihrer hohen Viskosität weniger stark zu Gratbildung neigen und andererseits so zusätzlich die Trennebene des Werkzeugs 30 als Entlüftung fungieren kann.
Die Werkzeugtemperatur betrug ca. 230°C oder mehr.
Ein Angußsystem wurde derart ausgelegt, dass der Schmelzeeintritt in den Hohlraum 32 des Spritzgußwerkzeugs 30 sich exakt in der Mitte der herzustellenden Flachdichtung 20 befindet. Dies garantiert eine gleichmäßige Verteilung der Schmelze beim Einspritzen.
Eingespritzt wird mit einem Spritzdruck von ca. 1000 bar oder weniger und einer Massetemperatur von ca. 330°C oder höher. Beim Einspritzvorgang umströmt und durchdringt das thermoplastische Polymermaterial das Insert 22 während es den Hohlraum 32 ausfüllt. Bei einem Füllstand von ca. 80% wurde auf einen Nachdruck von ca. 800 bar oder weniger umgeschaltet.
Nachdem der Hohlraum 32 vollständig gefüllt war, verblieb das Werkzeug 30 eine gewisse Zeit ca. 8 sec oder mehr im geschlossenen Zustand um dem Polymermaterial 36 die Möglichkeit zu geben auf formstabiles Temperaturniveau abzukühlen.
Beim Öffnen des Werkzeugs 30 fahren die Haltestifte 34 aus dem Hohlraum 32 aus, anschließend wird die Flachdichtung 20 dem Spritzgußwerkzeug 30 entnommen.
Die Zykluszeit für den kompletten Vorgang ist ca. 35 sec oder etwas mehr.
In einem nachfolgenden Veredelungsschritt wird der Anguß entfernt, und der endgültige Innendurchmesser von 35 mm erzeugt. Man erhält eine Flachdichtung 20 mit den Abmessungen 35 × 70 × 2 mm, wobei zwischen Innendurchmesser der Flachdichtung 20 und Insert 22 eine Diffussionssperre 38 von ca. 3 mm verbleibt und zwischen Insert und Außendurchmesser eine Schicht 39 von ca. 2 mm. Die Aussparungen (nicht gezeigt) der Haltestifte 34 können ohne Nachbehandlung verbleiben.
Beispiel 2: Herstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Flachdichtung
Die Vorgehensweise ist in diesem Beispiel analog zu der des Beispiels 1, so dass im Wesentlichen auf die dort gegebene Erläuterung verwiesen werden kann.
Als Insert kommt ein Lochring mit den wesentlich größeren Abmessungen von 123 × 164 × 0,5 mm zum Einsatz. Das verwendete Stahlblech war wieder ein 1.4301-Material mit einer Oberflächenbeschaffenheit Rv 6–7 mm.
Nachdem wie zuvor beschrieben der Hohlraum des Spritzgußwerkzeugs vollständig gefüllt war verblieb das Werkzeug eine gewisse Zeit (ca. 10 sec oder mehr) im geschlossenen Zustand um dem Material die Möglichkeit zu geben auf formstabiles Temperaturniveau abzukühlen. Bedingt durch die größere Masse an Polymermaterial bedingt wurde die Haltezeit hier etwas länger gewählt.
Beim Öffnen des Werkzeugs 30 werden die Haltestifte 36 aus dem Hohlraum 32 ausgefahren, anschließend wird die Flachdichtung dem Werkzeug entnommen.
Die Zykluszeit für den kompletten Vorgang bleibt praktisch unverändert bei ca. 35 sec oder etwas mehr.
In einem nachfolgenden Veredelungsschritt wird der Anguß entfernt, und der endgültige Innendurchmesser von 115 mm erzeugt. Man erhält eine Flachdichtung mit den Abmessungen 115 × 168 × 2 mm, wobei zwischen Innendurchmesser und Insert eine Diffusionsbarriere von ca. 4 mm verbleibt und zwischen Insert und Außendurchmesser eine Schicht von ca. 2 mm. Die Aussparungen der Haltestifte können ohne Nachbehandlung verbleiben.
Beispiel 3: Herstellung einer dritten erfindungsgemäßen Flachdichtung mit doppelt umlaufenden Sicken
In diesem Beispiel wurde eine erfindungsgemäße Flachdichtung 40 mit Abmessungen wie in Beispiel 2 hergestellt.
Die Flachdichtung 40 wurde jedoch an einer ihrer Oberflächen mit zwei konzentrisch angeformten Sicken oder Rippen 42 und 44 ausgebildet.
Der Vorteil von umlaufenden Sicken besteht darin, dass eine geringere Flächenpressung ausreicht, um Dichtheit zu erzielen. Als Insert kommt ein Lochring 46 aus 1.4301-Material mit den Abmessungen 123 × 164 × 0,5 mm und einer Oberflächenbeschaffenheit Rv 6–7 mm zum Einsatz. Dieser wird wie in den Beispielen 1 und 2 mit voll fluoriertem Kunststoffmaterial umspritzt. Die Vorgehensweise ist wie in Beispiel 2 beschreiben. Die Sicken oder Rippen 42, 44 sind konzentrisch zum Durchbruch 47 des Lochring 46 angeordnet.
In einem der Entnahme der Flachdichtung 40 aus dem Werkzeug nachfolgenden Veredelungsschritt wird der Anguß entfernt, und der endgültige Innendurchmesser von 115 mm erzeugt. Man erhält eine Flachdichtung mit den Abmessungen 115 × 168 × 2 mm mit zwei umlaufenden Sicken 42, 44, wobei zwischen Innendurchmesser und Insert 46 eine Diffusionsbarriere 48 von ca. 4 mm verbleibt und zwischen Insert 46 und Außendurchmesser eine Schicht 50 von ca. 2 mm. Die Positionierung der zwei Sicken oder Rippen 42, 44 ist derart gewählt, dass im Querschnitt gesehen sich beide Sicken oberhalb des Lochrings 46 befinden. Die Aussparungen der Haltestifte verbleiben wieder ohne Nachbehandlung.
In den 4 bis 7 sind weitere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Flachdichtung gezeigt, die selbstverständlich in vielerlei Abwandlungen realisiert werden können. Beispielsweise ist die Außenkontur der erfindungsgemäßen Flachdichtungen nicht zwingend kreisförmig sondern kann beliebige Gestalt annehmen.
Gleichfalls ist die Zahl und Form der Durchbrüche der Flachdichtung nicht auf einen einzigen beschränkt.
Ebenso können erfindungsgemäße Flachdichtungen mit oder ohne Einlegeteil Verwendung finden. Das Einlegeteil selbst ist zwar vorzugsweise im Wesentlichen vollständig von dem voll fluorierten Kunststoffmaterial umgeben, jedoch sind Anwendungen denkbar, bei denen nur ein Teil der Oberflächen des Einlegeteils mit dem Kunststoffmaterial umgeben werden muss, während andere Bereiche ohne Dichtungsfunktion unbedeckt bleiben können.
In einzelnen zeigen die 4 bis 7:
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer Flachdichtung 60 mit Oberflächenbereichen 62, 64 aus einem Polymermaterial, welches im Wesentlichen aus einem voll fluorierten Kunststoffmaterial besteht.
In das Polymermaterial der Oberflächenbereiche 62 und 64 ist ein Einlegeteil 66 eingebettet, das in der 4 als voll flächiges Bauteil dargestellt ist, aber ebenso, wie in den 2 und 3 dargestellt, ein Lochblech sein kann.
In dem Einlegeteil 66 sind Sicken 68, 70 eingeprägt, die in Richtung zu einer der Oberflächen der Flachdichtung 60 ausgerichtet sind.
Der aus Polymermaterial gebildete Oberflächenbereich 62 der Flachdichtung 60 weist den Sicken 68 und 70 folgende Erhebungen 72, 74 auf, die im Einbauzustand zu kleinflächigen Dichtungsbereichen führen mit denen eine Ab dichtung zwischen benachbarten Bauteilen bereits mit einem geringeren Flächendruck bewerkstelligt werden kann.
5 zeigt eine Variante der Flachdichtung 60 in Form einer Flachdichtung 80, die von ihrer äußeren Gestalt her der Flachdichtung der 4 gleicht.
In 5 ist allerdings die Flachdichtung 80 im Wesentlichen vollständig aus einem Polymermaterial gebildet, d. h. bei dieser Flachdichtung wird auf ein Einlegeteil verzichtet.
Zum Erzielen von Abdichtbereichen, die bereits bei geringeren Flächendrücken zu einer sicheren Abdichtung führen, sind an einer Oberfläche der Dichtung 80 zwei Rippen 82, 84 vorgesehen, während auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Dichtung 80 eine im Wesentlichen plane Struktur realisiert ist.
Im Querschnitt weisen die Rippen 82, 84 ebenso wie die im Zusammenhang mit der 4 beschriebenen Sicken eine im Wesentlichen kreissegmetförmige Querschnittsfläche auf, die in vielen Fällen den Erfordernissen einer zu erzielenden Abdichtung Rechnung trägt.
6 zeigt eine Flachdichtung 90, welche ebenfalls ohne Einlegeteil hergestellt ist und auf einer ihrer Oberflächen Rippen 92, 94 aufweist. Die gegenüberliegende Oberflächenseite der Flachdichtung 90 ist planar ausgestaltet.
In 7 ist eine Flachdichtung 100 im Querschnitt schematisch dargestellt, bei der zwischen Oberflächenbereichen 102 und 104 aus einem Polymermaterial ein Einlegeteil 106 angeordnet ist.
Darüber hinaus weisen die Oberflächenbereiche 102, 104 der Flachdichtung 100 jeweils zwei Rippen 108, 110 bzw. 112, 114 auf, die ähnlich wie in 6 eine dachförmige Struktur aufweisen.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich als ein Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung einer Festverbunddichtung durch einen einstufigen Umspritzungsprozess. Ein Zusammenfügen von Einzelkomponenten entfällt. Der Zeitaufwand für die Herstellung ist im Vergleich zu den bisherigen Herstellverfahren wesentlich geringer. Das für die Beispiele eingesetzte thermoplastisch verarbeitbare voll fluorierte Kunststoffmaterial besitzt des Weiteren einen noch geringeren Kaltfluß als modifiziertes PTFE.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 01/60911 [0017, 0031]
- WO 03/078481 [0017, 0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- vgl. S. Ebnesajjad, Fluoroplastics, Vol. 1, Non-Melt Processible Fluoroplastics, Verlag William Andrew Publishing, 2000 [0030]

Claims

Flachdichtung, umfassend Oberflächenbereiche aus einem Polymermaterial, welches ein thermoplastisch verarbeitbares im Wesentlichen voll fluoriertes Kunststoffmaterial umfasst.
Flachdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastisch verarbeitbare Kunststoffmaterial ein thermoplastisch verarbeitbares PTFE-Material ist.
Flachdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische PTFE-Material ein TFE-Copolymer ist, wobei der Co-Monomeranteil vorzugsweise ca. 3,5 Mol-% oder weniger beträgt, insbesondere weniger als ca. 3 Mol-%, weiter bevorzugt weniger als ca. 1 Mol-%.
Flachdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Co-Monomer ausgewählt ist aus Hexafluorpropylen, Perfluoralkylvinylether, Perfluor-(2,2-dimethyl-1,3-dioxol) und Chlortrifluorethylen.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ein Polymer-Compound ist und einen Füllstoff mit einem Anteil von bis zu ca. 60 Gew.-% umfasst.
Flachdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff in Faserform und/oder granularer Form vorliegt.
Flachdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine oder mehrere Komponenten umfasst ausgewählt aus Glasfasern, Glaskugeln, harten und weichen Kohlepartikel und -fasern, Graphit, Leitfähigkeitsruß, Metallfasern, Metallpartikeln, insbesondere Bronzepartikel und Stahlpulver, Quarz, Al₂O₃, CaF₂, Glimmer, Mineralstoffe, insbesondere BaSO₄ sowie organische Polymermaterialien in granularer und Faserform.
Flachdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Polymermaterialien des Füllstoff ausgewählt sind aus Polyimid, Polyamidimid, PPS, PEEK, PPSO₂, aromatischen Polyestern und Aramid oder Mischungen von zwei oder mehreren dieser Materialien.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Füllstoff ca. 25 Gew.-% oder weniger beträgt.
Flachdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Füllstoff ca. 10 Gew.-% oder weniger beträgt.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das PTFE-Material eine Polymermischung ist, umfassend PTFE und einen thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoff.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung ein Einlegeteil aus einem Flachmaterial umfasst, wobei das Einlegeteil vorzugsweise von den Oberflächenbereichen im Wesentlichen allseitig umgeben ist.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial ausgewählt ist aus metallischem Flachmaterial, Flachmaterial aus organischen Polymeren, Aramidfaser-, Kohlefaser- und/oder Glasfaserverstärkten Flachmaterialien sowie keramischen Flachmaterialien.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial vorgeformt ist.
Flachdichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial mit eine oder mehrere Sicken aufweist.
Flachdichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial eine oder mehrere über eine seiner Oberflächen überstehende Sicken aufweist.
Flachdichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachmaterial über beide Oberflächen überstehende Sicken umfasst.
Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung eine oder mehrere aus dem Polymermaterial gebildete Rippen an mindestens einer seiner Oberflächen aufweist.
Verfahren zu Herstellung einer Flachdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend die Schritte Bereitstellen eines Formwerkzeugs mit einem Hohlraum; Aufheizen des Formwerkzeugs auf eine Temperatur von 230°C oder mehr; und Befüllen des Hohlraums des Formwerkzeugs mit einem Polymermaterial, wobei das Polymermaterial ein thermoplastisch verarbeitbares im Wesentlichen voll fluoriertes Kunststoffmaterial umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum des Formwerkzeugs so ausgebildet wird, dass er eine Aufnahme für ein Einlegeteil bildet, wobei das Einlegeteil in das Formwerkzeug eingebracht wird bevor der Hohlraum des Formwerkzeugs mit dem Polymermaterial befüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen mittels Einspritzen des Polymermaterials in den Hohlraum des Formwerkzeugs erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil in dem Formwerkzeug mittels einer Halterung auf Abstand zur Oberfläche des Formwerkzeugs gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung mehrere von außen in den Hohlraum des Formwerkzeugs einschiebbare Haltestifte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte das Einlegeteil während dem Befüllen in einer vorgegebenen Position halten und danach aus dem Hohlraum des Formwerkzeugs entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte während einer Nachdruckphase entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum des Formwerkzeugs so ausgebildet wird, dass für das Einlegeteil eine oder mehrere kleinflächige Auflager gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil vor dem Einbringen desselben in den Hohlraum des Formwerkzeugs auf eine vorgegebene Temperatur vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Vorwärmtemperatur ca. 200°C oder mehr beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial mit einer Temperatur von 330°C oder höher in den Hohlraum des Formwerkzeugs eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein überwiegender Teil des Polymermaterials bei einem Spritzdruck in den Hohlraum eingespeist wird und dass danach ein weiterer Teil des Polymermaterials bei einem Nachdruck in den Hohlraum eingespeist wird, wobei der Spritzdruck höher gewählt wird als der Nachdruck.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ca. 70 bis ca. 90 Gew.-% des Polymermaterials mit dem Spritzdruck in den Hohlraum eingespeist wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen des Hohlraums mit dem Polymermaterial das Formwerkzeug noch für eine vorgegebene Haltezeit geschlossen gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit ca. 5 sec oder mehr, insbesondere ca. 10 sec oder mehr beträgt.