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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kunststoffteil sowie ein korrespondierendes Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Kunststoffteils.
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Kunststoffteile werden beispielsweise in Maschinen, Fahrzeugen und Produktionsanlagen als Formteile zu verschiedensten Zwecken eingesetzt, z.B. als Dichtung, Erdungsringe oder Dämpfer. Kunststoffe sind grundsätzlich aus Polymeren gebildet, welche entsprechend den vorliegenden Anforderungen für ein Kunststoffteil ausgewählt werden können. Hierbei sind sogenannte Gemische aus verschiedenen Polymeren bekannt, welche auch als Polymerblend bezeichnet werden, mit denen die Materialeigenschaften des Kunststoffteils eingestellt bzw. ausgewählt werden können.
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Für sehr hohe Anforderungen eignen sich insbesondere Fluorpolymere, wie beispielsweise Polytetrafluorethen (PTFE). Dies sind Kunststoffe mit hervorragenden chemischen und mechanischen Eigenschaften. Besonders gute Eigenschaften können mit Fluorpolymeren erreicht werden, die nicht mehr über ein Schmelzen verarbeitet werden können, wie beispielsweise PTFE. Diese können allerdings lediglich mittels eines Sinterprozesses zu Halbzeugen verarbeitet werden.
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Diese positiven Eigenschaften können durch die Zugabe von Füllstoffen weiter verbessert bzw. modifiziert werden, um beispielsweise das Kriechverhalten, die Verschleißfestigkeit oder die elektrischen Eigenschaften zu verbessern bzw. zu verändern. Es werden daher sogenannte Compounds aus Fluorpolymer und Füllstoff hergestellt, die in einem Sinterprozess zu einem Endprodukt oder einem Halbzeug hergestellt werden, welches anschließend beispielsweise mechanisch verarbeitet werden kann. Durch die Auswahl eines oder mehrerer Fluorpolymere und die Kombination mit einem oder mehreren Füllstoffen lässt sich eine Vielzahl von Materialeigenschaften eines Halbzeugs oder eines Endprodukts erreichen. Jedoch reichen in einigen sehr anspruchsvollen Anwendungen die genannten Möglichkeiten nicht aus, um die jeweiligen Anforderungen zu erreichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kunststoffteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils anzugeben, welche weiter verbesserte Eigenschaften aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kunststoffteil vorgeschlagen, wobei das Kunststoffteil eine Mehrzahl von Volumenabschnitten aufweist, wobei jeder Volumenabschnitt eine Materialzusammensetzung aus mindestens einem Kunststoff aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass aneinandergrenzende Volumenabschnitte eine voneinander abweichende Materialzusammensetzung aufweisen, wobei das Kunststoffteil über alle Volumenabschnitte wenigstens zwei unterschiedliche Materialzusammensetzungen aufweist.
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Das Kunststoffteil weist daher entsprechend der Verteilung und Anordnung der Volumenabschnitte lokal unterschiedliche Materialzusammensetzungen mit dementsprechend unterschiedlichen Eigenschaften auf. Auf diese Weise können Eigenschaften, insbesondere Kombinationen von Eigenschaften, des Kunststoffteils erreicht werden, beispielsweise Bruchdehnung, Leitfähigkeit und Gleitfähigkeit, die bisher nicht möglich waren. Es können insbesondere auch Eigenschaftsprofile in einem Kunststoffteil erreicht werden.
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Das vorgeschlagene Kunststoffteil ist vorzugsweise ein einstückiges Kunststoffteil. Weiterhin sind die Kunststoffe in den Materialzusammensetzungen vorzugsweise Thermoplaste bzw. thermoplastisch.
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Eine Materialzusammensetzung kann ein reines Polymer oder ein Polymerblend sein. Weiterhin kann eine Materialzusammensetzung ein Compound aus einem Polymer oder einem Polymerblend mit einem oder mehreren Füllstoffen sein. Ferner können Additive in der Materialzusammensetzung vorgesehen sein.
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Die Volumenabschnitte sind entweder durch eine Außenfläche des Kunststoffteils begrenzt oder durch einen angrenzenden Volumenabschnitt mit einer abweichenden Materialzusammensetzung. Die Anzahl der Volumenabschnitte beträgt beispielsweise weniger als 20, weiter beispielsweise weniger als 10. Die Anzahl der Volumenabschnitte in dem Kunststoffteil kann durch beispielsweise durch spanende Bearbeitung verändert, insbesondere vergrößert werden, wenn durch Materialabtrag vormals zusammenhängende Volumenabschnitte voneinander getrennt werden.
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Aufgrund der unterschiedlichen Materialzusammensetzungen entsprechend der Volumenabschnitte kann sich ein Muster in dem Kunststoff abzeichnen, welches beispielsweise bei unterschiedlichen Farben oder Einfärbungen der Materialzusammensetzungen mit dem bloßen Auge sichtbar sein kann. Die jeweiligen Volumenabschnitte weisen vorzugsweise eine makroskopische Größe auf und weisen beispielsweise ein Volumen von mindestens 1 mm3, weiter beispielsweise mindestens 10 mm3 auf.
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Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass jede Materialzusammensetzung mindestens ein Fluorpolymer aufweist. Ein Fluorpolymer kann beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), modifiziertes PTFE, Perfluoralkoxy-Polymere (PFA), sowie Polymerblends, wie PTFE-PFA, sowie etwaige weitere Verschnitte oder Blends sein. Hierdurch können besonders gute Materialeigenschaften des Kunststoffteils erreicht werden. Gleichzeitig ergibt sich eine hohe Viskosität der Schmelze, wodurch eine Vermischung der unterschiedlichen Materialzusammensetzungen über den Grenzbereich zwischen zwei aneinandergrenzenden Volumenabschnitten hinaus bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei der Herstellung, vermieden werden kann.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Materialzusammensetzung mit einem Füllstoff verfüllt ist. Der Füllstoff wird hierbei dem Kunststoff, der in der Materialzusammensetzung beispielsweise als Matrix dient, zugesetzt. Der Füllstoffanteil kann hierbei aus einem weiten Bereich ausgewählt werden, wobei sich beispielsweise die unterschiedlichen Materialzusammensetzung von zwei aneinandergrenzenden Volumenabschnitten durch die ihre Füllstoffe und/oder ihren Füllstoffanteil voneinander unterscheiden können.
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Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Materialzusammensetzung mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff verfüllt und elektrisch leitfähig ist. Dies ermöglicht elektrische leitende Eigenschaften in dem entsprechenden Volumenabschnitt, wodurch beispielsweise statische Aufladungen, kapazitive EDM-Ströme und/oder Hochfrequenz-Zirkulationsströme über diesen Volumenabschnitt abgeleitet werden können. Ein leitfähiger Füllstoff ist beispielsweise Leitruß (carbon black). In möglichen Ausführungsformen kann beispielsweise ein besonders leitfähiger Füllstoff und ein schwach leitfähiger Füllstoff kombiniert eingesetzt werden.
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Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Materialzusammensetzung mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff verfüllt ist. Ein elektrisch isolierender Füllstoff kann beispielsweise Glasfaser, insbesondere Kurzfasern aus Glasfasern, sein. Ein elektrisch isolierender Füllstoff kann beispielsweise in einer Materialzusammensetzung zusammen mit einem leitfähigen Füllstoff zusammeneingesetzt werden, so dass sich insgesamt eine elektrische Leitfähigkeit in der Materialzusammensetzung einstellt. Es wird ferner vorgeschlagen, dass eine Materialzusammensetzung elektrisch isolierend ist, vorzugsweise eine Materialzusammensetzung mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff. In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann beispielsweise die Materialzusammensetzung schwach leitend sein, wobei die Materialzusammensetzung beispielsweise durch einen schwach leitenden Füllstoff und/oder durch einen leitfähigen Füllstoff in geringer Konzentration, insbesondere in geringerer Konzentration als in einem Volumenabschnitt mit einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung, schwach elektrisch leitend ist, wobei die Materialzusammensetzungen beispielsweise auch mit elektrisch isolierenden Füllstoffen kombiniert werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kunststoffteil ein Ring. Der Ring kann in vorteilhaften Ausführungsformen insbesondere ein Erdungsring sein. Dieser Erdungsring kann beispielsweise an einem Rotor eines Elektromotors vorgesehen sein, um elektrostatische Spannungen von dem Rotor zu einem feststehenden Teil des Elektromotors abzuleiten. Der Erdungsring kann beispielsweise eine elektrisch leitfähige Manschette sein. Die unterschiedlichen Volumenabschnitte sind in dieser Form vorzugsweise über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Ring eine Dichtlippe aufweist. Die Dichtlippe kann beispielsweise eine Staubschutzlippe sein. In vorteilhaften Ausführungsformen ist die Dichtlippe leitfähig, beispielsweise eine leitfähige Staubschutzlippe. Ferner kann das Kunststoffteil daher in vorteilhaften Ausführungsformen ein Radialwellendichtring sein. Insbesondere kann durch die Anordnung der Volumenabschnitte mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen, d.h. mit dem entstehenden Muster die Anlage der Dichtlippe an eine Welle verändert und verbessert werden.
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Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass das Kunststoffteil mindestens einen Volumenabschnitt aufweist, welcher radial zwischen einem Innenradius und einem Außenradius eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Dies ermöglicht eine gute Ableitung, beispielsweise von elektrostatischen Spannungen, von einer Welle zu einem Gehäuse, wodurch beispielsweise ein Erdungsring oder ein leitfähiger Dichtring ermöglicht wird. Weitere Volumenabschnitte in dem Kunststoffteil können beispielsweise nichtleitend bzw. elektrisch isolierend ausgeführt sein, wodurch andere Eigenschaften, wie beispielsweise die Bruchdehnung oder der E-Modul in diesen Volumenabschnitten verbessert oder verändert werden können, so dass das gesamte Kunststoffteil höhere Anforderungen erfüllen kann.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Kunststoffteil mindestens einen Volumenabschnitt aufweist, welcher an einen Innenradius und/oder an einen Außenradius grenzt, und mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff verfüllt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dieser Volumenabschnitt elektrisch isolierend. In einer alternativen Ausführungsform kann der elektrisch isolierende Füllstoff mit einem schwach leitfähigen Füllstoff kombiniert werden, so dass sich für diesen Volumenabschnitt beispielsweise eine sehr schwache Leitfähigkeit einstellt. Dementsprechend ist es nicht zwingend erforderlich, dass ein Volumenabschnitt, welcher nicht für die elektrische Leitung vorgesehen ist, elektrisch isolierend ist. In einer weiteren möglichen Ausführungsform kann beispielsweise die Materialzusammensetzung schwach leitend sein, wobei die Materialzusammensetzung beispielsweise durch einen leitfähigen Füllstoff in geringer Konzentration, insbesondere in geringerer Konzentration als in einem Volumenabschnitt mit einer elektrisch leitfähigen Materialzusammensetzung, schwach elektrisch leitend ist, wobei die Materialzusammensetzungen beispielsweise auch mit elektrisch isolierenden Füllstoffen kombiniert werden können.
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Es wird ferner zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffteils nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- - Zuführen von wenigstens zwei voneinander abweichenden Materialzusammensetzungen in Pulverform in eine Form, wobei das Zuführen der voneinander abweichenden Materialzusammensetzungen an mindestens zwei lokal voneinander abweichenden Positionen in der Form unter Ausbildung von mindestens zwei aneinandergrenzenden Volumenabschnitten mit voneinander abweichenden Materialzusammensetzung erfolgt;
- - Pressen aller Volumenabschnitte mit den Materialzusammensetzungen zu einem Formling;
- - Sintern des Formlings zu einem Kunststoffteil.
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Diese Schritte in der vorgenannten Reihenfolge ermöglichen in vorteilhafter Weise die Herstellung von Kunststoffteilen, bei denen aneinandergrenzende Volumenabschnitte eine voneinander abweichende Materialzusammensetzung aufweisen.
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Vor allem kann dies in Kombination mit Fluorpolymeren, insbesondere mit PTFE, als Kunststoff in den Materialzusammensetzungen genutzt werden, um besonders vorteilhafte Eigenschaften erreichen zu können. Die vorzugsweise thermoplastischen Kunststoffe in den Materialzusammensetzungen ermöglichen die Herstellung im Sintervorgang, wobei eine hohe Viskosität in der Schmelze bzw. Erweichung vorteilhaft ist, um einen Ausgleich oder eine Vermischung der Materialzusammensetzungen über den Grenzbereich zwischen zwei Volumenabschnitten hinaus unter Wärmeeinfluss zu vermeiden, wodurch die lokal unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften aufrechterhalten werden können. Der Grenzbereich zwischen zwei Volumenabschnitten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen kann auf diese Weise ohne Fehlstellen ausgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass der Kunststoff aller Materialzusammensetzungen gleich ist, beispielsweise PTFE. Die Materialzusammensetzungen können sich in dieser vorteilhaften Ausführungsform lediglich in der Materialzusammensetzung unterscheiden.
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Die auf diese Weise hergestellten Kunststoffteile können Endprodukte oder Halbzeuge, insbesondere sogenannte Billets, sein, welche anschließend mittels spanender Bearbeitung und/oder Ätzen weiterverarbeitet werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Kunststoffteils mit mehreren Volumenabschnitten mit zwei unterschiedlichen Materialzusammensetzungen; und
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kunststoffteils mit mehreren Volumenabschnitten mit zwei unterschiedlichen Materialzusammensetzungen.
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In 1 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiels eines Kunststoffteils 10 schematisch dargestellt, wobei das Kunststoffteil 10 ein Ring 30 ist. Das Kunststoffteil 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel vierzehn Volumenabschnitte 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24 auf, wobei alle Volumenabschnitte 11,..., 24 zwei unterschiedliche Materialzusammensetzungen 25,26 des Kunststoffteils 10 aufweisen. Die Volumenabschnitte 11,..., 24 sind entweder durch die Außenfläche des Kunststoffteils 10 bzw. des Rings 30 begrenzt oder durch einen angrenzenden Volumenabschnitt 11,...,24 mit einer abweichenden, d.h. anderen Materialzusammensetzung 25, 26. Dementsprechend ergeben sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel sieben Volumenabschnitte 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 mit einer bestimmten Materialzusammensetzung 26 sowie sieben Volumenabschnitte 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 mit einer abweichenden Materialzusammensetzung 25. Die Übergänge bzw. Grenzbereiche zwischen den zwei unterschiedlichen Materialzusammensetzungen 25, 26 bzw. den entsprechenden Volumenabschnitten 11,...,24 sind durch die gestrichelte Linien schematisch dargestellt.
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In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Erdungsring bzw. Ring 30, welcher eine hohe Leitfähigkeit zwischen dem Innenradius und Außenradius des Rings 30 aufweist, um beispielsweise die Erdung eines Rotors in einem Elektromotor zu ermöglichen.
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Für eine gute Gleitfähigkeit des Rings 30, beispielsweise an einer Welle am Innenradius, sowie eine hohe Medien- und Temperaturbeständigkeit weisen beide Materialzusammensetzungen 25, 26 Polytetrafluorethylen (PTFE) als Kunststoff auf.
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Für eine hohe Leitfähigkeit wird der grundsätzlich nichtleitende Kunststoff der Materialzusammensetzung 25 mit einem hohen Anteil eines leitfähigen Füllstoffs, beispielsweise Leitruß (carbon black), verfüllt, so dass ein leitfähiger Compound gebildet wird. Die Volumenabschnitte 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 des Rings 30 weisen die durch den elektrisch leitfähigen Füllstoff leitfähige Materialzusammensetzung 25 auf und grenzen an den Innenradius sowie an den Außenradius des Rings 30, wodurch eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Innenradius und dem Außenradius erreicht werden kann.
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Die Anpassung der Materialzusammensetzung 25 an eine entsprechende Anforderung, hier die Leitfähigkeit, kann jedoch andere Eigenschaften der entsprechenden Volumenabschnitte 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 verschlechtern. Beispielsweise kann die Bruchdehnung oder die Dehnbarkeit durch den leitfähigen Füllstoff soweit herabgesetzt werden, dass es bei mechanischen Belastungen zu vorzeitigen Rissen kommen kann. Dies wird im Kunststoffteil 10 bzw. Ring 30 des Ausführungsbeispiels durch die Volumenabschnitte 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 kompensiert, welche eine abweichende Materialzusammensetzung 26 aufweisen. Die Materialzusammensetzung 26 kann ebenfalls mit einem Füllstoff verfüllt sein, sie weicht jedoch von der Materialzusammensetzung 25 ab, und weist keine oder eine geringe Leitfähigkeit, jedoch eine höhere Dehnbarkeit auf. Dementsprechend kann für den Ring 30 insgesamt eine ausreichende Bruchdehnung erreicht werden, wobei gleichzeitig hohe Anforderungen an die Leitfähigkeit erfüllt werden können, wodurch eine hochleitende Manschette bzw. ein Erdungsring geschaffen werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Volumenabschnitte 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 mit der Materialzusammensetzung 26 mit der höheren Dehnbarkeit vorteilhaft keilförmig über den Umfang des Rings 30 angeordnet, wobei die Spitze des Keils jeweils am Außenradius endet und die Grundseite des Keils vom Innenradius des Rings 30 begrenzt wird. Hierdurch wird die bessere Dehnbarkeit der Materialzusammensetzung 26 vor allem am Innenradius des Rings 30 besonders gut ausgenutzt.
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In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Spitze des Keils abgeflacht sein, was beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung am Außenradius des Rings 30 möglich ist.
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Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in der 2 dargestellt, in dem die Spitzen der Keile von einem Volumenabschnitt 12 mit der abweichenden Materialzusammensetzung 25 begrenzt sind, wodurch die Volumenabschnitte 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1 lediglich einen zusammenhängenden Volumenabschnitt 12 mit der Materialzusammensetzung 25 bilden.
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Grundsätzlich kann das Eigenschaftsprofil durch eine entsprechend gezielte Anordnung der Volumenabschnitte 11,...,24 in dem Kunststoffteil 10 eingestellt werden, wodurch beispielsweise die Anlage des Rings 30 oder auch einer Dichtlippe des Rings 30 an eine Welle verändert werden kann.
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In den ausgeführten Ausführungsbeispielen entsprechend der 1 und 2 für einen Erdungsring bzw. eine hochleitfähige Manschette können die beiden Materialzusammensetzungen 25, 26 ein Compound mit mindestens einem Fluorpolymer, insbesondere PTFE, sein, wobei die Materialzusammensetzung 25 einen Anteil von 8% Glasfasern und 10,5% Leitruß und die Materialzusammensetzung 26 einen Anteil von 25% Glasfasern aufweist.
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In weiteren möglichen Ausführungsbeispielen können die beiden Materialzusammensetzungen 25, 26 ein Compound mit mindestens einem Fluorpolymer, insbesondere PTFE, sein, wobei die Materialzusammensetzung 25 einen Anteil von 5% Glasfasern und 5% Molybdändisulfid und die Materialzusammensetzung 26 einen Anteil von 25% Glasfasern aufweisen kann. Hierdurch werden unter anderem die Festigkeit und die Gleiteigenschaften des Kunststoffteils 10 bzw. Rings 30 gleichzeitig verbessert werden. Durch die entsprechend unterschiedlichen Füllstoffe in den jeweiligen Volumenabschnitten 11,..., 24 ergibt sich eine unterschiedliche Farbe für die beiden voneinander abweichenden Materialzusammensetzungen 25,26, so dass dies im einstückigen Kunststoffteil 10 als Muster erkennbar ist.
