EP4405602A1 - Dichtungselement und herstellungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dichtungselement aus einem Kunststoff, das zum Abdichten auf einem Stellkörper ausgebildet ist, und aus einem in einem Spritzgießverfahren verarbeitbaren Kunststoff oder Harz besteht. Um eine Dichtigkeit aus einem Kunststoff hergestellter, spritzgegossener Dichtungselemente deutlich zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Dichtungselement (1) direktes Produkt eines Spritzgießverfahrens an einer Dichtfläche (2) mit einer Struktur in Form einer über den Umfang der Dichtfläche (2) verteilten Rille (R) versehen ist.

Description

Dichtungselement und Herstellungsverfahren

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Dichtungselement , das zum Abdichten auf einem bewegbaren Stellkörper ausgebildet ist , und aus einem in einem Spritzgießverfahren verarbeitbaren Kunststof f oder Harz besteht , sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Dichtungselement .

Dichtungselemente der genannten Art werden nicht nur an planen Stellkörpern, sondern auch an kugel- , kegel- oder wal zenförmigen 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 Hei z flüssigkeit in einem Thermokreislauf . Ein beispielhafter, aber nicht ausschl ießlicher Einsatz solcher Thermomanagementmodule ist ein Kühlwasserkreislauf eines Automobils . Ein Öf fnen und Schließen eines Durchflusskanals in einem solchen Thermomanagementmoduls erfolgt üblicherweise entweder durch einen kugel förmigen oder wal zenförmigen Stellkörper mit mindestens einer Durchflussöf fnung in abdichtendem Kontakt mit einem Dichtungselement .

Die Herstellung solcher Dichtungselemente kann durch das spanende Bearbeiten eines Halbzeugs oder durch Spritzgießen erfolgen . Das letztgenannte Verfahren des Spritzgießens eines Kunststof fs zeigt insbesondere bei hohen Stückzahlen einen Kostenvorteil gegenüber dem erstgenannten, also einer spanenden Bearbeitung eines Kunststof f-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 Einsatz feld nur spanend hergestellte Dichtungselemente verwendet .

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe , die Dichtigkeit von aus einem Kunststof f hergestellten, spritzgegossenen Dichtungselementen deutlich zu verbessern sowie ein Herstellungsverfahren anzugeben .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst . Demnach ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Dichtungselement als direktes Produkt eines Spritzgießverfahrens an einer Dichtfläche mit einer Struktur in Form mindestens einer über einen Umfang der Dichtfläche verteilten Rille versehen .

Eine erfindungsgemäße Aus führung eines Dichtungselements baut auf der Erkenntnis auf , dass spanend hergestellte Kugel-Dichtungen aus einem thermoplastischen Kunststof f im Vergleich zu Spritzgießteilen aus dem gleichen Werkstof f eine durch die spanende Bearbeitung nicht oder kaum vermeidbare Oberflächenstruktur mit einer Rillung aufweisen, die sich über den Umfang der Dichtfläche erstreckt . Eine gerillte Oberfläche wirkt wie eine große Viel zahl von Dichtlippen . Durch diese Dichtlippen wird eine Zahl der Leckagepfade im Vergleich zu einer gewöhnlichen Spritzgießoberfläche erheblich reduziert , da eine Oberfläche eines Sprit zgießteils in aller Regel eine eher zufällig genarbte Struktur aufweist . Mit einer Struktur in Form mindestens einer über einen Umfang der Dichtfläche vertei lten Rille weist ein erfindungsgemäßes Dichtungselement auch als Produkt eines Spritzgießverfahrens ohne j ede Nachbearbeitung - insbesondere durch eine zeitaufwändigere und schon daher teurere spanende Bearbeitung der Dichtfläche - bereits eine Dichtverhalten auf , das im Wesentlichen dem unter einer spanenden Bearbeitung eines Kunststof f-Halbzeugs hergestellten Dichtungselementen entspricht . Die Ausbildung mindestens einer über den Umfang der grundsätzlich beliebig geformten Dichtfläche verteilten Rille findet im Rahmen des Sprit z-Gieß-Verf ährens an dem entstehenden Dichtungselement in situ statt , ohne dass ein weiterer Verfahrensschritt dafür nötig wäre .

Auch ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs , in das eine Negativstrukturierung zur Ausbildung einer Dichtfläche mit einer gerillten Oberflächenstruktur eingebracht wurde , ist Lösung der genannten Aufgabe . Die Rillenstruktur wird ohne j eden Nachbearbeitungsschritt an einem j eden Spritzgießteil fertiggestellt .

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der j eweiligen Unteransprüche . Demnach weist die Oberfläche der Dichtfläche eine Struktur mit einer geschlossenen Rillung auf . Eine derartige Rillung der Oberfläche entspricht im Wesentlichen der eines spanend hergestellten Dichtungselements , das hierdurch seine Wirkung als dünne Viel fachdichtlippe und eine gegenüber einem bekannten Spritzgießteil vergleichsweise höhere Dichtigkeit erreicht . Diese Rillungen bilden i . d . R . geschlossene Strukturen eng benachbart liegender dünner Dichtlippen .

Besonders bevorzugt wird, dass die Struktur in der Dichtfläche als Mikrostruktur ausgebildet ist , d . h . eine erfindungsgemäße Struktur zeichnete sich durch sehr kleine Abmessungen auf . In vorteilhaften Aus führungsbeispielen der Erfindung i st daher statt genauerer Bemaßungen eine axiale Oberflächenrauigkeit über eine Rillung hinweg angegeben, die gekennzeichnet ist durch einen Mittenrauwert Ra < 2 pm bzw . eine untere Grenze der gemittelten Rautiefe Rz < 5 pm . In einer bevorzugten Aus führungs form der Erfindung beträgt der Mittenrauwert Ra < 1 pm oder eine untere Grenze der gemittelten Rautiefe Rz < 2 pm .

Verarbeitet werden können alle durch einen Sprit zgieß-Prozess verarbeitbaren Kunststof fe , also auch vernetzbaren Werkstof fe , welche mittels Spritzguss ihre Formgebung erhalten . Vorzugsweise ist als Kunststof f j edoch ein thermoplastischer Kunststof f vorgesehen . Besonders bevorzugt ist ein Fluorkunststof f als thermoplastischer Kunststof f vorgesehen, da bei sehr anspruchsvollen Anwendungen neben der j eweils geforderten Dichtigkeit eine geringe Reibung mit daraus resultierenden geringeren Stellkräften gefordert ist . Solche geringen Reibungskoef fi zienten sind in vorteilhafter Weise durch den Einsatz von Fluorkunststof fen als Dichtungswerkstof f erzielbar .

An einem Spritzgießwerkzeug wird an einer mit einer Oberflächenstruktur zu versehenden Dichtfläche eines herzustellenden Dichtungselements eine Rillung durch Erodieren, Ätzen oder Lasern erzeugt . Zur Erzeugung der Oberflächenstrukturen ist aber grundsätzlich j edes Verfahren anwendbar, solange eine entsprechend feine Strukturierung kontrolliert realisierbar ist .

Diese oberflächliche Struktur ähnelt dabei j ener spanend hergestellter Dichtungselemente . Dieser Ansatz ermöglicht neben einer preiswerten Fertigung von Dichtungselementen aber auch den Aufbau verbesserter Dichtungen für Geometrien und Raumformen von Dicht flächen, 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 oder radialsymmetrisch ist . Hierfür können nun durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erstmals Dichtungselemente mit deutlich verbesserter Dichtungseigenschaft hergestellt werden .

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Aus führungs formen unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert . Darin zeigen in teilweise vereinfachter Darstellung :

Figur 1 : eine Schnittdarstellung eines Dichtungselements in Form eines Dichtrings ;

Figuren 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;

Figur 3 : eine Schnittdarstellung eines Halters eines Dichtungselements gemäß Figur 1 , der auch im Rahmen einer Dichtigkeitsprüfung genutzt werden kann, und

Figur 4 : eine Schnittdarstellung einer Messvorrichtung zur Dichtigkeitsprüfung mit Lastbeaufschlagung unter Verwendung eines Dichtungselements sowie eines Halters gemäß der vorstehenden Abbildungen .

Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente oder Verfahrensschritte stets die gleichen Bezugs zeichen verwendet . Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend ein Herstellungsverfahren anhand eines radialsymmetrischen Dichtungselements zum Einsatz in einem Kugel-Ventil beschrieben . Ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren ist vorteilhafterweise nicht auf radialsymmetrische Dichtungselemente beschränkt . Insbesondere sind auch eckige Dichtflächen mit einer verbesserten Dichtigkeit durch eine gerillte Oberflächenstruktur realisierbar .

Figur 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 kugel förmigen 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 Mantel fläche 5 verbindet die Dichtfläche 2 mit dem Absatz 4 .

Die Abbildung von Figur 2a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Dichtfläche 2 , die nach einem bekannten Sprit zgießverfahren hergestellt worden ist . Diese Oberfläche zeigt eine unregelmäßige Struktur aus zufällig orientierten Vernarbungen .

Dahingegen zeigt die Abbildung von Figur 2b einen vergrößerten Ausschnitt einer Dichtfläche 2 eines Dichtungselements 1 , das nach einem erfindungsgemäßen Spritzgießverfahren unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs hergestellt wurde , in das eine Negativstrukturierung zur Ausbildung einer Dichtfläche 2 mit einer gerillten Oberflächenstruktur eingebracht wurde , hergestellt worden ist . Die Dichtfläche 2 weist eine Oberflächenstruktur auf , die eine sehr gleichmäßig aufgebaute radiale Rillung zeigt , von der in Figur 2b exemplarisch Abschnitte einer oder mehrerer Rillen R dargestellt sind . Die Maxima bzw . benachbart angeordneten Berge weisen hier einen Abstand von weniger als 0 , 1 mm bzw . 100 pm auf .

Dazu zeigt das Diagramm von Figur 2c eine nochmals vergrößerte beispielhafte Messung einer Rautiefe über einen Abschnitt einer mit einer gerillten Oberflächenstruktur versehenen Dichtfläche 2 hinweg mit einer nahezu regelmäßigen Abfolge von im Wesentlichen gleichartigen Maxima bzw . Berge und Minima bzw . Täler bei engem Abstand zueinander als Beleg für die ausgebildete Mikrostruktur über einen Umfang der Dichtfläche 2 des Dichtungselements 1 .

Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Halters 6 für ein Dichtungselement 1 gemäß Figur 1 . Dieser Halter 6 weist eine Aufnahme 7 mit geschli f fener Mantel fläche 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 .

Der Halter 6 wird nachfolgend im Rahmen einer Dichtigkeitsprüfung in einer Messvorrichtung 9 genutzt , die in Figur 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 geschli f fener Oberfläche versehener Stempel 13 in der Führung 11 gelagert mit einer einstel lbaren Kraft F auf das Dichtungselement 1 . Nun wird eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt , indem durch eine Öf fnung 14 hindurch ein Mess fluid mit einem Eingangsdruck P± in die Führung 11 eingeleitet wird und dann ein an der Ausnehmung 12 anliegender Ausgangsdruck P_o gemessen wird . Alternativ kann eine Messung der Dichtigkeit des Dichtungselements 1 auch durchgeführt werden, indem der Eingangsdruck P± 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 Ril- lung 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 Fluorkunststof f durch die besondere Strukturierung an einer Dichtfläche 2 unter Vermeidung zufälliger Vernarbungen eine winkelunabhängig verbesserte Dichtigkeit aufweist , da die radial geschlossene Ri llung als Kaskade von Mikro-Dichtlippen nur eine vergleichsweise geringe Anzahl von Leckage-Pfaden eröf fnet . Selbstverständl ich 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 Rillung an der Dichtfläche 2 hergestelltes Dichtungselement 1 .

Spritzgießteile weisen im Vergleich zu spanend hergestellten Teilen charakteristische Markierungen auf , wie etwa Abdrücke von Auswerfern oder Anspritzpunkte . Damit ist es möglich, Teile zu identi fi zieren, welche mittels eines Sprit zgießprozesses hergestellt wurden, auch wenn sie Oberflächenstrukturen aufweisen, die j enen von spanend hergestellten Teilen ähneln . Diese charakteristischen Markierungen können zum Schutz der besonderen Oberflächenstruktur leicht in einen Bereich außerhalb einer j eweiligen Dichtfläche verlagert werden, wenngleich ein Herstellungsverfahren dabei erkennbar und nachweisbar bleibt .

Damit sind gemäß der vorliegenden Erfindung leistungs fähigere und zuverlässige Dichtungselemente in einem preiswerteren und schnelleren Verfahren bei guter Reproduzierbarkeit als Spritzgießteile in Anpassung an nahezu beliebig geformte Stellkörper ohne Nachbearbeitung herstellbar, und insbesondere ohne zeitintensive spanende Bearbeitung . Die aus einer Sprit zgieß form entnommenen Dichtungselemente sind vielmehr unmittelbar einsetzbar und weisen eine deutlich verbesserte Dichtwirkung auf .

Bezugs z ei chenl i s te

1 Dichtungselement

2 Dichtfläche

3 Auflagefläche

4 Absatz

5 zylindrische Mantel fläche

6 Halter

7 Aufnahme

8 Druckanschluss

9 Messvorrichtung

10 O-Ring

11 Führung

12 Ausnehmung als Anschluss für eine Druckmessung

13 Stempel / Stellkörper

14 Öf fnung 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

R Rille oder Abschnitt einer Rille in der Dichtfläche 2

Claims

Ansprüche Dichtungselement, das zum Abdichten auf einem Stellkörper ausgebildet ist, und aus einem in einem Spritzgießverfahren verarbeitbaren Kunststoff oder Harz besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (1) als direktes Produkt eines Spritzgießverfahrens an einer Dichtfläche (2) mit einer Struktur in Form mindestens einer über einen Umfang der Dichtfläche (2) verteilten Rille (R) versehen ist. Dichtungselement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Dichtfläche (2) eine Struktur mit geschlossenen Rillen aufweist. Dichtungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur in der Dichtfläche (2) als Mikrostruktur ausgebildet ist. Dichtungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Oberflächenrauigkeit über eine Rillung hinweg gekennzeichnet ist durch einen Mittenrauwert Ra < 2 pm bzw. eine untere Grenze der gemittelten Rautiefe Rz < 5 pm. Dichtungselement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Oberflächenrauigkeit über eine Rillung hinweg gekennzeichnet ist durch einen Mittenrauwert Ra < 1 pm bzw. eine untere Grenze der gemittelten Rautiefe Rz < 2 pm. Dichtungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein thermoplastischer Kunststoff vorgesehen ist. Dichtungselement (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastischer Kunststoff ein Fluorkunststoff vorgesehen ist. Verfahren zur Herstellung eines Dichtungselements (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (1) unter Verwendung eines Spritzgießwerkzeugs hergestellt wird, in das eine Negativstrukturierung zur Ausbildung einer Dichtfläche (2) mit einer gerillten Oberflächenstruktur eingebracht wurde. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Dichtungselements

(1) ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastischer Kunststoff ein Fluorkunststoff verwendet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Spritzgießwerkzeug eines mit einer Oberflächenstruktur an einer Dichtfläche

(2) herzustellenden Dichtungselements (1) eine Rillung durch Erodieren, Ätzen oder Lasern erzeugt wird.