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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement, das zum Abdichten auf einem bewegbaren Stellkörper ausgebildet ist, und aus einem in einem Spritzgießverfahren verarbeitbaren Kunststoff oder Harz besteht, sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Dichtungselement.
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Dichtungselemente der genannten Art werden nicht nur an planen Stellkörpern, sondern auch an kugel-, kegel- oder walzenförmigen Stellkörpern z. B. bei einem Thermomanagementmodul zum Abdichten diverser Fluid-Kanäle eingesetzt. Thermomanagementmodule steuern und regeln eine über den Stellkörper einstellbare Verteilung einer Kühl- oder Heizflüssigkeit in einem Thermokreislauf. Ein beispielhafter, aber nicht ausschließlicher Einsatz solcher Thermomanagementmodule ist ein Kühlwasserkreislauf eines Automobils. Ein Öffnen und Schließen eines Durchflusskanals in einem solchen Thermomanagementmoduls erfolgt üblicherweise entweder durch einen kugelförmigen oder walzenförmigen Stellkörper mit mindestens einer Durchflussöffnung in abdichtendem Kontakt mit einem Dichtungselement.
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Die Herstellung solcher Dichtungselemente kann durch das spanende Bearbeiten eines Halbzeugs oder durch Spritzgießen erfolgen. Das letztgenannte Verfahren des Spritzgießens eines Kunststoffs zeigt insbesondere bei hohen Stückzahlen einen Kostenvorteil gegenüber dem erstgenannten, also einer spanenden Bearbeitung eines Kunststoff-Halbzeugs. Untersuchungen haben aber gezeigt, dass ein spritzgegossenes Dichtungselement im Vergleich zu einem spanend hergestellten eine deutlich höhere Leckage sowie eine hohe Streuung im Dichtverhalten aufzeigt. Aus diesen Gründen werden derzeit insbesondere in dem genannten Einsatzfeld nur spanend hergestellte Dichtungselemente verwendet.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Dichtigkeit von aus einem Kunststoff hergestellten, spritzgegossenen Dichtungselementen deutlich zu verbessern sowie ein Herstellungsverfahren anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Demnach ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dichtungselement als Spritzgießteil an einer Dichtfläche mit einer Oberflächenstruktur versehen, die eine radiale Riffelung aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Ausführung eines Dichtungselements baut auf der Erkenntnis auf, dass spanend hergestellte Kugel-Dichtungen aus einem thermoplastischen Kunststoff im Vergleich zu Spritzgießteilen aus dem gleichen Werkstoff eine durch die spanende Bearbeitung nicht oder kaum vermeidbare Oberflächenstruktur mit radialer Riffelung aufweisen. Eine geriffelte Oberfläche wirkt wie eine Vielzahl von Dichtlippen. Durch diese Dichtlippen wird eine Zahl der Leckagepfade im Vergleich zu einer gewöhnlichen Spritzgießoberfläche erheblich reduziert, die in aller Regel eine eher zufällig genarbte Struktur aufweist.
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Auch ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs, in das eine Negativstrukturierung zur Ausbildung einer Dichtfläche mit einer geriffelten Oberflächenstruktur eingebracht wurde, ist Lösung der genannten Aufgabe.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach weist die Oberfläche der Dichtfläche eine Struktur mit einer radial geschlossenen Riffelung auf. Eine derartige Riffelung der Oberfläche entspricht im Wesentlichen der eines spanend hergestellten Dichtungselements, das hierdurch seine Wirkung als dünne Vielfachdichtlippe und eine gegenüber einem bekannten Spritzgießteil vergleichsweise höhere Dichtigkeit erreicht. Diese Riffelungen bilden i.d.R. geschlossene Strukturen eng benachbart liegender dünner Dichtlippen.
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Besonders bevorzugt wird, dass eine axiale Oberflächenrauigkeit über eine Riffelung hinweg gekennzeichnet ist durch einen Mittenrauwert Ra < 2 µm bzw. eine untere Grenze der gemittelten Rautiefe Rz < 5 µm.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Mittenrauwert Ra < 1 µm oder eine untere Grenze der gemittelten Rautiefe Rz < 2 µm.
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Verarbeitet werden können alle durch einen Spritzgieß-Prozess verarbeitbaren Kunststoffe, also auch vernetzbaren Werkstoffe, welche mittels Spritzguss ihre Formgebung erhalten. Vorzugsweise ist als Kunststoff jedoch ein thermoplastischer Kunststoff vorgesehen. Besonders bevorzugt ist ein Fluorkunststoff als thermoplastischer Kunststoff vorgesehen, da bei sehr anspruchsvollen Anwendungen neben der jeweils geforderten Dichtigkeit eine geringe Reibung mit daraus resultierenden geringeren Stellkräften gefordert ist. Solche geringen Reibungskoeffizienten sind in vorteilhafter Weise durch den Einsatz von Fluorkunststoffen als Dichtungswerkstoff erzielbar.
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An einem Spritzgießwerkzeug wird an einer mit einer Oberflächenstruktur zu versehenden Dichtfläche eines herzustellenden Dichtungselements eine Riffelung durch Erodieren, Ätzen oder Lasern erzeugt. Zur Erzeugung der Oberflächenstrukturen ist aber grundsätzlich jedes Verfahren anwendbar, solange eine entsprechend feine Strukturierung kontrolliert realisierbar ist. Diese oberflächliche Struktur ähnelt dabei jener spanend hergestellter Dichtungselemente. Dieser Ansatz ermöglicht neben einer preiswerten Fertigung von Dichtungselementen aber auch den Aufbau verbesserter Dichtungen für Geometrien und Raumformen von Dichtflächen, die mit einer spanenden Verarbeitung nicht oder nur unter hohem Aufwand herstellbar sind, z. B. ein Dichtungselement mit einer eckigen Durchfluss-Geometrie. Nicht-radialsymmetrische Strukturen sind in all den Fällen von Interesse, bei denen die Dichtung selbst bzw. der Einbauraum nicht rund ist. Hierfür können nun durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erstmals Dichtungselemente mit verbesserter Dichtungseigenschaft hergestellt werden.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in teilweise vereinfachter Darstellung:
- 1: eine Schnittdarstellung eines Dichtungselements in Form eines Dichtrings;
- 2a bis 2c:
- vergrößerte Ausschnitte einer nach einem bekannten Spritzgießverfahren sowie nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Dichtfläche und eine beispielhafte Messung einer Rautiefe einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dichtfläche über einen Abschnitt hinweg;
- 3: eine Schnittdarstellung eines Halters eines Dichtungselements gemäß 1, der auch im Rahmen einer Dichtigkeitsprüfung genutzt werden kann, und
- 4: eine Schnittdarstellung einer Messvorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung mit Lastbeaufschlagung unter Verwendung eines Dichtungselements sowie eines Halters gemäß der vorstehenden Abbildungen.
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Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend ein Herstellungsverfahren anhand eines radialsymmetrischen Dichtungselements zum Einsatz in einem KugelVentil beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ist vorteilhafterweise nicht auf radialsymmetrische Dichtungselemente beschränkt.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Dichtungselements 1 in Form eines Dichtrings einer Höhe h mit einem Innendurchmesser d und einem Außendurchmesser D. Eine Dichtfläche 2 des Dichtungselements 1 bildet einen Kreisring-förmigen Ausschnitt einer Kugeloberfläche in Anpassung an einen Einsatz zur Abdichtung an einem kugelförmigen Stellkörper mit einem Radius R. Der Dichtfläche 2 gegenüberliegend ist an dem flach-zylindrischen Dichtungselement 1 eine Auflagefläche 3 mit einem Absatz 4 vorgesehen. Eine zylindrische Mantelfläche 5 verbindet die Dichtfläche 2 mit dem Absatz 4
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Die Abbildung von 2a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Dichtfläche 2, die nach einem bekannten Spritzgießverfahren hergestellt worden ist. Diese Oberfläche zeigt eine unregelmäßige Struktur aus zufällig orientierten Vernarbungen.
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Dahingegen zeigt die Abbildung von 2b einen vergrößerten Ausschnitt einer Dichtfläche 2, die nach einem erfindungsgemä-ßen Spritzgießverfahren hergestellt worden ist, mit einer Oberflächenstruktur, die eine sehr gleichmäßig aufgebaute radiale Riffelung aufweist. Die Maxima bzw. Berge weisen einen Abstand von weniger als 0,1 mm bzw. 100 µm auf. Dazu zeigt das Diagramm von 2c eine nochmals vergrößerte beispielhafte Messung einer Rautiefe über einen Abschnitt einer mit einer geriffelten Oberflächenstruktur versehenen Dichtfläche 2 hinweg mit einer nahezu regelmäßigen Abfolge von im Wesentlichen gleichartigen Maxima und Minima bei engem Abstand.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Halters 6 für ein Dichtungselement 1 gemäß 1. Dieser Halter 6 weist eine Aufnahme 7 mit geschliffener Mantelfläche und verrundeten Ecken auf, in die das Dichtungselement 1 eingesetzt wird. Die Aufnahme 7 ist durch den Halter 6 hindurch mit einem Druckanschluss 8 verbunden.
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Der Halter 6 wird nachfolgend im Rahmen einer Dichtigkeitsprüfung in einer Messvorrichtung 9 genutzt, die in 4 in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Der Halter 6 trägt das Dichtungselement 1 mit einem elastomeren O-Ring 10 in der Aufnahme 7 und ist in einer endseitig geschlossenen Führung 11 so angeordnet, dass der Durchanschluss 8 fluchtend zu einer Ausnehmung 12 liegt. In dieser Position drückt ein endseitig mit einer Halbkugel mit geschliffener Oberfläche versehener Stempel 13 in der Führung 11 gelagert mit einer einstellbaren Kraft F auf das Dichtungselement 1. Nun wird eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt, indem durch eine Öffnung 14 hindurch ein Messfluid mit einem Eingangsdruck Pi in die Führung 11 eingeleitet wird und dann ein an der Ausnehmung 12 anliegender Ausgangsdruck Po gemessen wird.
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Alternativ kann eine Messung der Dichtigkeit des Dichtungselements 1 auch durchgeführt werden, indem der Eingangsdruck Pi durch einen nur gestrichelt dargestellten Kanal 15 entlang einer Mittelachse M des Stempels 13 angelegt wird und der Ausgangsdruck Po unverändert an der Ausnehmung 12 anliegt. Der Stempel 13 ist um seine Mittelachse drehbar, wie durch den Pfeil angedeutet. Damit kann eine Dichtigkeit bei einer bestimmten Andruckkraft F auch über einen Vollwinkel hinweg gemessen werden. Damit ist nachweisbar, dass ein erfindungsgemäß hergestelltes Dichtungselement 1 mit radial geschlossener Riffelung an der Dichtfläche 2 selber keinen Vorzugswinkel mit besonders hoher Dichtwirkung aufweist. Es ist damit auch nachgewiesen, dass ein erfindungsgemäß hergestelltes Dichtungselement 1 aus einem thermoplastischen Fluorkunststoff durch die besondere Strukturierung an einer Dichtfläche 2 unter Vermeidung zufälliger Vernarbungen eine winkelunabhängig verbesserte Dichtigkeit aufweist, da die radial geschlossene Riffelung als Kaskade von Dichtlippen nur eine vergleichsweise geringe Anzahl von Leckage-Pfaden eröffnet. Selbstverständlich führen auch andere Konfigurationen einer Druckmessung über die drei Anschlussmöglichkeiten 12, 14, 15 der beschriebenen Messvorrichtung 9 mit oder ohne Drehung des Stempels 13 zu den gleichen positiven Ergebnissen für ein erfindungsgemäß mit einer radial geschlossenen Riffelung an der Dichtfläche 2 hergestelltes Dichtungselement 1.
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Spritzgießteile weisen im Vergleich zu spanend hergestellten Teilen charakteristische Markierungen auf, wie etwa Abdrücke von Auswerfern oder Anspritzpunkte. Damit ist es möglich, Teile zu identifizieren, welche mittels eines Spritzgießprozesses hergestellt wurden, auch wenn sie Oberflächenstrukturen aufweisen, die jenen von spanend hergestellten Teilen ähneln. Diese charakteristischen Markierungen können zum Schutz der besonderen Oberflächenstruktur leicht in Bereiche außerhalb einer jeweiligen Dichtfläche verlagert werden, wenngleich ein Herstellungsverfahren dabei erkennbar und nachweisbar bleibt.
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Damit sind gemäß der vorliegenden Erfindung leistungsfähigere und zuverlässige Dichtungselemente in einem preiswerteren und schnelleren Verfahren bei guter Reproduzierbarkeit als Spritzgießteile in Anpassung an nahezu beliebig geformte Stellkörper herstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dichtungselement
- 2
- Dichtfläche
- 3
- Auflagefläche
- 4
- Absatz
- 5
- zylindrische Mantelfläche
- 6
- Halter
- 7
- Aufnahme
- 8
- Druckanschluss
- 9
- Messvorrichtung
- 10
- O-Ring
- 11
- Führung
- 12
- Ausnehmung als Anschluss für eine Druckmessung
- 13
- Stempel
- 14
- Öffnung als Anschluss für eine Druckmessung
- 15
- Kanal im Stempel 13 als Anschluss für eine Druckmessung
- d
- Innendurchmesser
- D
- Außendurchmesser
- F
- Kraft
- h
- Höhe
- M
- Mittelachse des Stempels 13
- Pi
- Eingangsdruck
- Po
- Ausgangsdruck
- R
- Radius des Stellkörpers
