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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bälgen, insbesondere für Gelenke, weiter bevorzugt Gleichlaufgelenke, aus einem thermoplastisch elastomeren Material.
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Bälge, insbesondere Rollbälge und Faltenbälge, dienen zur Abdichtung von Bauteilen. Insbesondere finden sie bei der Abdichtung von Gelenken im Automobilbau Anwendung. Derartige Bälge weisen einen ersten Bund mit einem größeren Durchmesser zur Befestigung auf einem Gelenkaußenteil eines Drehgelenks und einen zweiten Bund mit einem kleineren Durchmesser zur Befestigung auf einer Welle auf. Rollbälge weisen dabei eine halbtorusförmig ausgebildete, die Bunde verbindende Balgwandung auf, wohingegen Faltenbälge einen konisch ausgebildeten, ziehharmonikaähnlichen Balgwandungsbereich zwischen den beiden Bunden aufweisen. Rollbälge werden insbesondere bei Gelenkkonstruktionen eingesetzt, die bei hohen Drehzahlen hohe Beugewinkel und eine Verschiebung zulassen, Faltenbälge werden insbesondere bei Gleichlaufgelenken eingesetzt. Im Betrieb, insbesondere bei höheren Drehzahlen und größeren Beugewinkeln, tritt im Balg eine Wärmeentwicklung auf, wodurch die mechanische Festigkeit des Balgmateriales abnimmt, was durch einen Übergang des Faltenbalgmateriales von seiner Glasübergangstemperatur Tg auf die Schmelztemperatur Tm beschrieben werden kann. Insbesondere die Zugspannungs- und Dehnungseigenschaften der Bälge nehmen bei höherer Temperatur ab.
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Diese Problematik versucht man dadurch in den Griff zu bekommen, indem Faltenbälge aus einem Material hergestellt werden, welches ausreichende mechanische Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen aufweist. Aus dem Stand der Technik bekannte Faltenbälge aus Kautschukmaterial wie bspw. Polychloropren sind bei Temperaturen bis zu 120° einsetzbar, wohingegen Faltenbälge aus thermoplastischen Elastomeren bei Temperaturen bis zu 140° einsetzbar sind. Bei Temperaturen bis zu 180°C können entweder Siliconkautschuke oder hydrierte Nitril-Butadien-Kautschuke (HNBR) eingesetzt werden. Der Nachteil, insbesondere der beiden letztgenannten Kautschuke liegt darin, dass die Ausgangsmaterialien relativ teuer sind, und diese darüber hinaus in der Kälte nachteilige Eigenschaften, verglichen mit Bälgen aus üblichen Kautschuken oder thermoplastischen Elastomeren, aufweisen. Zudem können derartige Bälge auch schlecht recycelt werden. Umgekehrt sind die Einsatztemperaturen von Bälgen, hergestellt aus üblichen Kautschuken wie bspw. Polychloropren oder aus thermoplastischen Elastomeren nicht ausreichend im Hinblick auf die vorstehend beschriebene Wärmeentwicklung bei starken Beanspruchungen.
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DE 43 30 182 A1 offenbart eine Balgabdichtung, die im Spritzgussverfahren aus einer flexiblen Zusammensetzung mit thermoplastischen Polyester-Elastomeren, hergestellt durch Vermischung von 20–99% Massenanteilen eines thermoplastischen Polyester-Elastomers und 80–1% Massenanteilen eines Kautschukes, hergestellt wird, wobei ein Vernetzungsmittel während dem Knetvorgang beigefügt wird zur Durchführung einer dynamischen Vernetzung.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem Bälge mit ausreichenden thermischen und mechanischen Eigenschaften aus kostengünstigeren Ausgangsmaterialien hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Bälgen, insbesondere für Gelenke, aus einem thermoplastisch elastomeren Material, wobei vor Formung des Balges das Material irreversibel zumindest teilweise vernetzt wird, bevorzugt mit einem Vernetzungsgrad in einem Bereich von etwa 15% bis etwa 100%, weiter bevorzugt etwa 15% bis etwa 85%, noch weiter bevorzugt etwa 45% bis etwa 65%. Das thermoplastische elastomere Material kann dabei insbesondere in Form von Pulvern, auch spratzigen Pulvern, als Granulat oder in Form von Pellets oder ähnlichem vorliegen. Durch die irreversible Vernetzung des thermoplastisch elastomeren Materiales vor Formung des Balges wird vorteilhafterweise erreicht, dass die aus dem derart behandelten Material hergestellten Faltenbälge gleichmäßige Eigenschaften insbesondere bei einer Serienproduktion aufweisen. Hierdurch werden die Nachteile vermieden, die bei einer nachträglichen Vernetzung des Materiales der geformten Bälge auftreten.
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Bevorzugt erfolgt die Vernetzung chemisch und/oder thermisch und/oder durch Strahlen, wobei besonders bevorzugt eine Vernetzung durch Elektronenstrahlen ist. Besonders bevorzugt ist eine Vernetzung mit Beta-Strahlen, Gamma-Strahlen, Kathoden-Strahlen und/oder Röntgen-Strahlen erfolgt. Weiter bevorzugt wird die Vernetzung mit einer Strahlung mit einer Energie von mindestens etwa 0,5 MeV vorgenommen. Das solchermaßen behandelte thermoplastisch elastomere Material lässt sich im angegebenen Vernetzungsgradbereich noch mit den üblicherweise aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verformen zur Herstellung von Bälgen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Bälge weisen dabei verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere erhöhte Werte für die Zugspannung und die Härte auf, und sind darüber hinaus bei Temperaturen bis zu 180–190°C einsetzbar, ohne dass hier eine Beeinträchtigung der Materialeigenschaften, wie aus dem Stand der Technik bekannt, erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird das irreversibel vernetzte Material vor Formung mit Ausgangsmaterial, welches nicht irreversibel vernetzt wurde, gemischt. Thermoplastisch elastomeres Material, welches als Ausgangsmaterial eingesetzt wird, ist üblicherweise auch vernetzt, jedoch sind die entsprechenden physikalischen Verknüpfungspunkte reversibel wieder lös- und knüpfbar. Im Unterschied hierzu wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine irreversible chemische Vernetzung, welche nicht mehr durch chemische oder thermische oder sonstige Behandlung rückgängig gemacht werden kann, erhalten. Erfindungsgemäß enthält die Mischung maximal etwa 70 Gew.-% des irreversibel vernetzten Materiales, weiter bevorzugt maximal etwa 60 Gew.-% des irreversibel vernetzten Materiales, noch weiter bevorzugt maximal etwa 50 Gew.-% des irreversibel vernetzten Materiales. Dadurch, dass in seiner chemischen Zusammensetzung identisches Ausgangsmaterial mit irreversibel vernetztem Material vermischt wird, kann eine sehr gleichmäßige und homogene Verformung vorteilhafterweise vorgenommen werden. Zudem können durch die Mischung gezielt die mechanischen Eigenschaften und/oder die Temperatureigenschaften der mittels des thermoplastisch elastomeren Materiales hergestellten Faltenbälge voreingestellt werden.
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Vorzugsweise wird die Formung mittels Spritzgießen, Blasformen oder Spritzblasformen vorgenommen. Besonders bevorzugt ist dabei im Rahmen des Spritzgießens die Spritzextrusion, das Spritzpressen und das Spritzgießen, wobei weiter bevorzugt die Formung durchgeführt wird mittels Extrusionsblasformen und/oder Pressblow-Spritzblasen, wobei das letztgenannte Verfahren besonders bevorzugt ist. Mit diesem Verfahren, aber auch mit dem Spritzextrusionsverfahren lassen sich vorteilhafterweise sehr maßgenaue Bälge herstellen.
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Vorteilhafterweise wird das Material ausgewählt aus einer Gruppe umfassend thermoplastische Polyester-Elastomere (TPEE), thermoplastische Polyether-Polyamid-Elastomere (TPEA), thermoplastische Polyolefine (TPO) und/oder thermoplastische vernetzte Polyolefine (TPV). Bevorzugt wird dabei als Material TPEE ausgewählt. Dieses weist als Hartsegmente vorzugsweise Polybutylen-Terephthalat auf, wohingegen die Weichsegmente insbesondere aus amorphen Polyestern und/oder Polyethern bestehen können.
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Vorzugsweise weist das Material Hartsegmente mit einer Glasübergangstemperatur Tg in einem Bereich von etwa –90°C bis etwa 150°C auf. Vorzugsweise das Material weiterhin Weichsegmente auf mit einer Glasübergangstemperatur Tg in einem Bereich von –90°C bis –35°C. Die Glasübergangstemperatur Tg des irreversibel vernetzten Materiales ist im Vergleich zu dem nicht irreversibel vernetzten Ausgangsmaterial um nicht mehr als etwas 25°C, bevorzugt nicht mehr als etwa 20°C, noch weiter bevorzugt nicht mehr als etwa 10°C erhöht, und noch weiter bevorzugt nicht erhöht.
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Vorzugsweise wird das Material mittels Elektronenstrahlen mit einer gleichmäßigen und/oder ungleichmäßigen Intensität bestrahlt und dabei irreversibel vernetzt. Weitere Parameter, welche bei der Bestrahlung mittels Elektronenstrahlen, gleich welchen Types, variiert werden können, sind insbesondere die Dauer der Aussetzung des Ausgangsmateriales ein Elektronenstrahl sowie die Energie der Elektronenstrahlen selbst. Vorzugsweise wird das Material mindestens zweimal Elektronenstrahlen ausgesetzt. Dies kann dabei derart erfolgen, dass das Material zugleich einem Mehrfachstrahl ausgesetzt wird, wobei hier die einzelnen Strahlen dieses Mehrfachstrahles unterschiedliche Energien aufweisen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Energie der eingesetzten Elektronenstrahlen im Mehrfachstrahl sich sukzessive erhöht bei Durchführung des Materiales durch den Mehrfachstrahl. Es ist jedoch gleichwohl auch möglich, dass die einzelnen Strahlen des Mehrfachstrahles gleiche Energien aufweisen. Zudem können anstatt eines Mehrfachstrahls auch nachfolgend mehrere einzelne Elektronenstrahlen vorgesehen werden. Das irreversibel zu vernetzende thermoplastisch elastomere Material wird bspw. mittels eines Transportbandes transportiert und in einer Kammer mit den Elektronenstrahlen in Kontakt gebracht. Nach Durchlaufen der Kammer kann dann das nunmehr irreversibel zumindest teilweise vernetzte Material dem Transportband entnommen und der weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Material während der Behandlung bewegt wird. Hierunter ist nicht der Transport des zu vernetzenden Materiales auf bspw. einem Transportband zu verstehen, sondern dass das Material, welches bspw. pulverförmig, als Granulat oder als Pellets vorliegt, z. B. durch Rüttelung in unterschiedliche Lagen gebracht wird, so dass die einzelnen Partikel gleichmäßig mit Strahlen, insbesondere Elektronenstrahlen beschossen werden. Diese Bewegung kann auch dadurch erfolgen, dass nach einer ersten Bestrahlung Material von dem Transportband abgenommen und nachfolgend wieder erneut in einer anderen Orientierung auf das Transportband aufgegeben wird, wobei dieses Transportband nachfolgend die gleiche oder eine weitere Elektronenstrahlkammer durchläuft.
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Die Formung der Faltenbälge mit dem zumindest teilweise reversibel vernetzten Material wird vorzugsweise bei Temperaturen von mindestens etwa 200°C vorgenommen, weiter bevorzugt liegt die Verarbeitungstemperatur in einem Bereich von etwa 200°C bis etwa 250°C.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Balg, und dabei insbesondere ein Rollbalg oder Faltenbalg, hergestellt werden. Ein Gleichlaufgelenk umfasst einen solchen Balg. Diese weisen, im Unterschied zu mit unvernetztem thermoplastischem elastomeren Material hergestellten Bälgen einen erhöhten Schutz gegen unerwünschte Verformungen, insbesondere bei den bei starker Beanspruchung zeitweilig auftretenden hohen Temperaturen auf. Die Bälge können damit erhöhten mechanischen Belastungen, aber auch Temperaturen ausgesetzt werden, ohne dass die Gefahr von Schäden oder Ausfällen eintritt. Wird dabei für die Herstellung des Balges ein irreversibel zumindest teilweise vernetztes thermoplastisch elastomeres Material mit einem Vernetzungsgrad in einem Bereich von etwa 40% bis etwa 70%, bevorzugt etwa 45 bis etwa 65%, bezogen auf gesamte zur Verformung eingesetzte thermoplastisch elastomere Material, verwendet. So weisen die hiermit hergestellten Bälge eine noch ausreichende Flexibilität bei gleichzeitig verbesserten Eigenschaften für die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbeständigkeit auf.
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Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Rollbalges, montiert auf einem Gelenkbauteil;
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2: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Faltenbalges, montiert auf einem Gelenkbauteil;
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3: eine Schemazeichnung, betreffend die Bestrahlung von thermoplastisch elastomerem Material mit Elektronenstrahlen; und
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4: eine alternative Ausführungsform der Bestrahlung des thermoplastisch elastomeren Materiales mit Elektronenstrahlen.
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Zunächst sei vorausgeschickt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in den Figuren gezeigten Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr sind die jeweils in der Beschreibung einschließlich der Figurenbeschreibung der Figuren angegebenen Merkmale zur Weiterbildung miteinander kombinierbar.
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1 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnetes Gelenkbauteil mit einem Gelenkaußengehäuse 33 und einem Gelenkinnengehäuse 31 sowie einer Welle 30, wobei die Welle mit dem Gelenkaußenteil mittels eines Rollbalges 14 eine Balgdichtung 12 zur Verfügung stellt. Der Rollbalg 14 ist dabei mittels eines Binders 29, bspw. eines Spannbandes, mit seinem ersten Bundbereich 18 auf der Welle 30 befestigt. Der Rollbalg weist des Weiteren üblicherweise einen äußeren Bundbereich 20 auf, welcher in etwa wulstförmig ausgebildet ist. Der Rollbalg 14 weist eine insgesamt etwa halbtorusförmig ausgebildete Balgwandung 13 auf mit einer Innenseite 15 und einer Außenseite 17. Der Rollbalg 14 ist mittels einer Halteklammer 28 über den äußeren Bundbereich 28 mit dem äußeren Gelenkgehäuse 33 verbunden, wobei die Verbindung durch eine Klemmung des Halteringes einerseits auf das Gelenkgehäuseaußenteil 33, andererseits des äußeren Bundbereiches 28 erfolgt.
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2 zeigt nun einen Faltenbalg 16, welcher auf einem Gelenkbauteil montiert ist. Im übrigen werden in 2 für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie für 1 verwendet. Der Faltenbalg 16 weist eine Balgdichtung 12 und eine Balgwandung 13 auf, welche ziehharmonikaförmig ausgebildet ist, mit einer Außenwandung 17 und einer Innenwandung 15. Ein erster Bundbereich 18 ist an dem der Welle 30 zugewandten Ende angeordnet, wobei hier der Faltenbalg 16 mittels eines Haltemittels 29, insbesondere eines Spannbandes, auf der Welle befestigt ist. Am anderen Ende des Faltenbalges weist dieser einen zweiten Bundbereich 20 auf, wobei dieser über ein zweites Haltemittel 28 auf dem Gelenkgehäuse befestigt ist. Das Gelenkbauteil 10 umfasst dabei ein Gelenkaußenteil 33 und ein Gelenkinnenteil 31 auf, wobei der Faltenbalg über ein Verbindungsmittel 32, welches am Gelenkaußenteil 33 angreift, mit dem Gelenkgehäuse verbunden ist.
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Der Rollbalg 14 bzw. der Faltenbalg 16 sind dabei hergestellt worden aus einem zumindest teilweise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vernetzten thermoplastisch elastomeren Material, insbesondere einem TPEE. Dabei wurde eine Mischung von unvernetztem Ausgangsmaterial mit 50% irreversibel vernetztem Material mit einem Vernetzungsgrad von etwa 60% eingesetzt.
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht die Bestrahlung von thermoplastisch elastomerem Material 38 mittels eines Elektronenstrahles 32. Dieser wird von einer Elektronenstrahlungsquelle 30 emittiert und auf thermoplastisch elastomeres Material 38 hin gerichtet, welches auf einer Unterlage 36 angeordnet wird. Dabei kann die Elektronenquelle 30 Elektronenstrahlen 32 gleichmäßig oder ungleichmäßig, insbesondere auch gepulst, aufgeben, wobei auch die Energie der Elektronenstrahlen 32 verändert werden kann. Dabei wird vorteilhafterweise das thermoplastisch elastomere Material 38 nach einer ersten Bestrahlung bewegt, d. h. seine Orientierung zu der Elektronenstrahlquelle geändert, so dass eine möglichst gleichmäßige Vernetzung des thermoplastisch elastomeren Materiales 38 erfolgt. Dabei kann diese Bewegung des thermoplastisch elastomeren Materiales 38 z. B. durch Abnehmung desselben von dem Träger 36, Mischung und nachfolgendes Wiederanordnen auf dem Träger 36 erzielt werden.
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4 zeigt nun eine ähnliche Anordnung wie 3, wobei hier jedoch das thermoplastisch elastomere Material 38 auf einem Transportband 34 durch ein durch die Elektronenstrahlungsquelle 30 mittels Elektronenstrahlen 32 aufgespanntes Elektronenstrahlfeld in Richtung eines Pfeiles mit einer Geschwindigkeit vs geführt wird. Alternativ ist es dabei auch möglich, die Elektronenstrahlquelle 30 in Richtung des weiteren Pfeiles mit einer Geschwindigkeit vBS zu bewegen, wobei dann das thermoplastisch elastomere Material 38 stationär wieder unmittelbar auf einem Träger 36 angeordnet werden kann.
