Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zustandsbestimmung von Elastomerdichtungen mit integrierten Drucksensoren

Dichtungen sind integrale Bestandteile vieler Systeme und die korrekte Funktionalität dieser Systeme kann maßgeblich vom Zustand der eingesetzten Dichtungen beeinflusst werden. Informationen über den Zustand einer Dichtung können Systemausfälle frühzeitig erkennen oder sogar verhindern. Im Vorprojekt wurden erfolgreich Methoden entwickelt, um Dehnungsmessstreifen (DMS) in Elastomerdichtungen einzubringen. Es konnte gezeigt werden, dass damit unter bestimmten Bedingungen der Zustand von Dichtungen bestimmt werden kann.

Ein großer Nachteil von DMS ist deren hohe Querempfindlichkeit. Für eine zuverlässigere, direkte Messung des Anpressdrucks auf eine Dichtung sollen in diesem Vorhaben Drucksensoren entwickelt und in Dichtungen integriert werden. Außerdem sollen umfangreiche Charakterisierungen von Dichtungsmaterialien vorgenommen werden, um daraus ein Modell zur Alterungsvorhersage zu erstellen. Es entsteht ein System aus mathematischem Modell und Dichtung mit integrierter Drucksensorik, mit dem eine klare Aussage zum Zustand der Dichtung während ihrer Lebenszeit getroffen werden kann. Das Modell wird durch die Zustandsmessungen mit integrierten Sensoren verifiziert und im Gegenzug wird das Model als Interpretationshilfe für das Signal des Sensors genutzt.

Es soll ein Demonstrator entstehen, anhand dessen eine ind. Umsetzung der Idee möglich ist. Diese kann gut durch KMUs erfolgen, die sich auf die Entwicklung von Sonderprodukten spezialisiert haben. Zusätzlich ist die Beschreibung der Alterungsmechanismen von Elastomeren und das daraus abgeleitete Alterungsmodel industrierelevant. Die dazu nötigen umfangreichen Arbeiten können von KMUs kaum selber geleistet werden, haben aber direkten Nutzen für die Material- und Produktentwicklung. Nicht zuletzt ist auch die Vermarktung der entwickelten Sensorik für andere Anw. denkbar. Gerade im Bereich der Sensorik gibt es ebenfalls viele KMUs, die sich auf die Entw. von Sonderlösungen spezialisiert haben.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die im Projekt realisierten Sensoren ist es möglich, flexible Druckmessungen durchzufüh‎ren. Der Sensor ist nur aus einer Schicht aufgebaut, welche auch die drucksensitive Schicht ist. ‎Mit diesem Design ist die Gefahr von Delamination zwischen verschiedenen Schichten deutlich ‎kleiner und der Sensor ist so dünn wie möglich, sodass Störeffekte in den Bauteilen geringgehal‎ten werden. Die dynamische Langlebigkeit des Sensors ist überprüft worden und zeigt nur eine ‎sehr geringe (lineare) Verschiebung des Ausgangswiderstandes. ‎

Die intensive Materialforschung hat gezeigt, wie CNT-Polymerschichten mittels Spincoating ‎hergestellt werden können. Das Wissen über die Effekte an der Oberfläche (Rauigkeit, hydro-‎phob, hydrophil), die Haftung zwischen Metall und Polymer und das einfache Vermischen von ‎CNTs in Polymeren kann in der weiteren Forschung eingesetzt werden. ‎

Unter chemischen Aspekten wurde die thermisch-oxidative Stabilität und Alterungskinetik von ‎typischen Elastomeren auf Basis von EPDM und HNBR wie sie in der Praxis für zahlreiche ‎Dichtungssysteme in Kombination mit polaren bzw. unpolaren Meiden (Polyethylenglykol-‎basierende Öle bzw. Mineralöle) genutzt werden, systematisch untersucht. Die umfangreiche analytische Charakterisierung ermöglicht die ‎tendenzielle Vorhersage zu Materialveränderungen unter thermisch-oxidativen Einsatzbedingun‎gen wie sie in der Praxis auftreten. Die an repräsentativen Systemen des HNBR-Materials umfangreiche Bestimmung von Materialkenndaten in Abhängigkeit vom Alterungszustand ergänzt ‎die Erkenntnisse und schaffte die Grundlage für das entwickelte Simulationsmodell. Dieses war bei Vernachlässigung ‎der viskosen Eigenschaften in der Lage, das oxidative Alterungsverhalten der mechanischen Kennwerte abzubilden und kann daher einen Beitrag zur Verbesserung des Auslegungsprozesses insbesondere von sicherheitskritischen Elastomerkomponenten liefern.