Wie entsteht ein Gummiformteil? Ein Blog über die Welt der Elastomere

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07.06.2018

 

Gummiteile bzw. Elastomere sind in vielen Lebensbereichen unersetzlich geworden. Dennoch sind sie für die meisten Menschen unbekannt und nicht greifbar. Zwar gibt es geläufige Ausnahmen wie Autoreifen, Radiergummis oder Gummiringe, doch welche Bedeutung Gummiprodukten im Alltag zufällt und wie vielschichtig, spannend und komplex die Welt der Elastomere ist, wird erst bei näherer Beschäftigung mit dem Thema deutlich. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass Elastomere oft unerkannt in Geräten ihren Dienst tun und dabei doch oft zentral für die Funktionalität und Langlebigkeit sind.

Unser Ziel mit diesem Blog ist, Menschen an das Thema heranzuführen und es einem möglichst breiten und neugierigen Publikum verständlich zu machen. Alle 6-8 Wochen werden wir daher Fachbegriffe erläutern und Zusammenhänge erklären, interessante Tatsachen über Gummiteile aufzeigen und teilweise auch Überraschendes präsentieren. Menschen​, die Näheres und bisher Unbekanntes über Elastomere erfahren möchten und Leute, die in irgendeiner Form mit Gummiteilen zu tun haben, sollen den Blog als Informationsplattform nutzen können und so gegebenenfalls bessere Entscheidungen treffen.

1 Warum Gummi?

Eine auf den ersten Blick banale Frage ist, warum Elastomere eigentlich eingesetzt werden. Klar wird dies, wenn man die Einsatzmöglichkeiten von Gummi betrachtet und so darauf abzielt, wann Elastomere Anwendung finden. Grundsätzlich ist dies natürlich der Fall, wenn ein elastischer und flexibler Werkstoff benötigt wird, also ein Werkstoff, der dehnbar ist und nach der Verformung aufgrund hoher Rückstellkräfte wieder seine ursprüngliche Geometrie annimmt.

Gummi hat gute mechanische Eigenschaften, die auch bei dynamischer Belastung in unterschiedlichen Umwelteinflüssen beibehalten werden. So besitzen Elastomere ein breites Temperaturfeld, in dem sie eingesetzt werden können. Häufig werden Elastomere auch als Dichtungen verwendet, um das Aus- oder Eintreten von Flüssigkeiten, Gasen oder anderen Stoffen zu verhindern. Dabei sind sie beständig gegenüber verschiedenen Chemikalien, Fetten und Ölen, Säuren, Laugen und Dämpfen und können auch in extremen Wetterbedingungen eingesetzt werden. Elastomere werden darüber hinaus aufgrund ihrer dämpfenden Eigenschaften geschätzt.

Auch bieten sich für Konstrukteure und Ingenieure beim Design von Bauteilen hinsichtlich der Artikelgeometrie aufgrund der elastischen Eigenschaften große Freiheiten. So können zum Beispiel Hinterschneidungen an Artikeln realisiert werden, die bei Verwendung anderer Werkstoffe nicht möglich sind.

Die Einsatzmöglichkeiten von Gummi sind also vielfältig. Konkrete Anwendungsbeispiele finden Sie hier.

2 Was ist ein Elastomer? Der Unterschied zwischen Elastomer, Thermoplast und Duroplast

Elastomere werden hergestellt aus Kautschuk und der Zugabe verschiedener weiterer Stoffe. Auf die verschiedenen Arten von Kautschuken wird genau wie auf die Produktion fertiger Gummi-Formteile weiter unten eingegangen.

Neben Elastomeren sind auch die häufig als Kunststoffe bezeichneten Thermoplaste und Duroplaste weit verbreitet. Der grundsätzliche Unterschied liegt in der Verbindung der Polymere, aus denen Elastomere, Thermoplaste und Duroplaste aufgebaut sind. Polymere selbst setzen sich aus unterschiedlichen (und auch gleichen) Monomeren zusammen. Der Prozess, bei dem aus Monomeren diese Makromoleküle (Polymere) entstehen, nennt sich Polymerisation.

Bei Elastomeren, Thermoplasten und Duroplasten sind die Polymere unterschiedlich stark miteinander vernetzt bzw. verbunden. So sind sie bei Elastomeren weitmaschig miteinander vernetzt und bei Duroplasten engmaschig. Bei Thermoplasten besteht in der Form keine Vernetzung der Polymere. 

Elastomere: Weitmaschig vernetzte Polymere

Abbildung 1: Elastomere: Weitmaschig vernetzte Polymere 

Bild: Von Roland.chem - Eigenes Werk, CC0, (Quelle)

Duroplaste: Engmaschig vernetzte Polymere.

Abbildung 2: Duroplaste: Engmaschig vernetzte Polymere.

Bild: Von Roland.chem - Eigenes Werk, CC0, (Quelle)

Thermoplaste: Unvernetzte Polymere

Abbildung 3: Thermoplaste: Unvernetzte Polymere

Bild: Von Roland.chem - Eigenes Werk, CC0, (Quelle)

In der Praxis äußern sich diese Unterschiede der Polymervernetzung in den unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe. So sind Elastomere elastisch und nehmen nach Dehnung oder Quetschung (in der Regel) ihre ursprüngliche Gestalt wieder an. Die Vernetzung selbst ist jedoch irreversibel, sodass sich die Form von einmal vernetzten Elastomer-Teil nicht dauerhaft verändern lässt. Ebenfalls irreversibel ist die Vernetzung von Duroplasten. Im Vergleich zu Elastomeren sind Duroplaste allerdings hart und nicht elastisch. Thermoplaste sind wie Duroplaste hart, lassen sich aber bei ausreichender Wärme dauerhaft verformen. Darüber hinaus gibt es noch Thermoplastische Elastomere, die (bis zu einem gewissen Grad) dehnbar sind, aber im Vergleich zu herkömmlichen Elastomeren unter Wärmezufuhr formbar sind. Dementsprechend ist die Wärmebeständigkeit von Artikeln aus Thermoplasten oder thermoplastischen Elastomeren zumeist deutlich schlechter als bei Duroplast- oder Elastomer-Teilen. Auch ist ihre dynamische Belastbarkeit niedriger. Ein Vorteil von Thermoplasten (und thermoplastischen Elastomeren) liegt aber in ihrer günstigeren Herstellbarkeit aufgrund niedrigerer Zykluszeiten, die bei der Produktion benötigt werden.

3 Vom Kautschuk zum fertigen Gummi-Formteil

3.1 Aufbau einer Gummi-Mischung

Die Basis für ein Gummi-Formteil und dessen Eigenschaften stellt der zugrunde liegende verwendete Kautschuk dar. Die meisten Kautschuke werden dabei synthetisch hergestellt. Eine Ausnahme ist Naturkautschuk, der zu großen Teilen aus dem Saft des Baums „Hevea brasiliensis“ in Südostasien und Südamerika gewonnen wird.

Aufbau einer Kautschukmischung

Abbildung 4: Aufbau einer Kautschukmischung

Der gewählte Kautschuk ist ausschlaggebend für die Eigenschaften des letztlichen Elastomer-Formteils, insbesondere dessen chemische Beständigkeit sowie Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen. Dem Kautschuk werden dann allerdings weitere Zusatzstoffe beigemischt, durch die dann die endgültige Kautschuk- oder Gummimischung entsteht. Durch Füllstoffe wie Ruß oder Kieselsäure können die Härte oder die Zugfestigkeit einer Mischung erhöht werden. Weichmacher hingegen reduzieren die Härte und erhöhen die Elastizität eines Werkstoffs. Die Vernetzung der Polymere wird durch Zugabe unterschiedlicher Stoffe ermöglicht. Bekannt ist hier insbesondere die Vernetzung durch Schwefel oder durch Peroxide. Darüber hinaus können Verarbeitungsadditive und Hilfsmittel in die Mischung eingearbeitet werden, die die Fertigung für den Produzenten erleichtern und zum Beispiel die Fließeigenschaften einer Kautschukmischung im Werkzeug verbessern. Zudem gibt es noch weitere Zusatzstoffe, die in speziellen Fällen beigemischt werden können wie zum Beispiel Haftvermittler oder häufiger Alterungsschutzmittel.

 

3.2 Der Vulkanisationsprozess

Die Kautschukmischung selbst ist nahezu komplett plastisch und daher frei verformbar. Erst durch die Vernetzung der Polymere entsteht ein elastischer Werkstoff. Diesen Prozess bezeichnet man als Vulkanisation. Die Vernetzung ist dabei nicht reversibel. Um aus einer plastischen Kautschukmischung ein Elastomer zu erhalten, sind grundsätzlich eine bestimmte Temperatur, Zeit sowie Druck notwendig. Die Parameter unterscheiden sich je nach zugrunde liegender Kautschukmischung sowie der Geometrie und Dickwandigkeit der zu fertigenden Produkte. Typischerweise liegt die Vulkanisationstemperatur zwischen 140° C und 200° C.    

Die Vulkanisation und Fertigung von Gummi-Formteilen kann dabei generell auf drei verschiedene Arten erfolgen: Compression Molding, Transfer Molding und Injection Molding. Das Grundprinzip dieser drei Verfahren wird im Folgenden näher beschrieben. Es gibt dabei natürlich diverse Variationen und Feinheiten hinsichtlich des Werkzeugaufbaus und der Verarbeitung, aber die generelle Funktionsweise wird sicherlich verständlich.

3.2.1 Compression Molding

Beim Compression Molding wird Rohmaterial (blau) zwischen zwei Formhälften eingelegt (Abbildung 5). Die Werkzeughälften werden geschlossen. Dabei wird die Kautschukmischung in die entsprechende Form gebracht und das Formteil bei einer Temperatur zwischen 140° C und 200° C unter Druck ausvulkanisiert. Nach einer bestimmten Zeit öffnet sich das Werkzeug und das Gummi-Formteil wird entnommen (Abbildung 6 und 7).

Compression Molding eignet sich bei verschiedenen Stückzahlen und insbesondere einfacheren Artikelgeometrien. Es findet zudem häufig Verwendung bei der Fertigung von Gummi-Verbundteilen, wenn also Einlegeteile aus Metall oder Kunststoff mit einem Elastomerwerkstoff umspritzt und verbunden werden sollen.

Grundlegendes Prinzip des Compression Molding: Rohmaterial wird zwischen zwei Werkzeughälften gelegt.

Abbildung 5: Grundlegendes Prinzip des Compression Molding, Schritt 1

Grundlegendes Prinzip des Compression Molding: Material wird zwischen den Formhälften gepresst und so in Form gebracht..

Abbildung 6: Grundlegendes Prinzip des Compression Molding, Schritt 2

Grundlegendes Prinzip des Compression Molding: Fertiges Teil wird entnommen.

Abbildung 7: Grundlegendes Prinzip des Compression Molding, Schritt 3

3.2.2 Transfer Molding

Beim Transfer Molding werden drei Werkzeugteile benötigt: Oberteil, Mittelteil und Unterteil. Die Artikelkontur befindet sich im Unterteil und im Mittelteil. Im Formmittelteil ist an der Oberseite zudem ein Topf eingearbeitet, der durch einen Angusskanal mit dem Formnest verbunden ist. In diesen Topf wird die rohe, plastische Kautschukmischung eingelegt (Abbildung 8). Über einen im Formoberteil befindlichen Kolben wird das Rohmaterial über durch den Angusskanal in die Kavität gedrückt. Die Kavität füllt sich (Abbildung 9). Nach einer gewissen Zeit wird das Werkzeug geöffnet und das Formteil kann entnommen werden (Abbildung 10). Gegebenenfalls muss der Angusskanal noch vom Artikel entfernt werden.

Das Transfer-Molding-Verfahren wird vor allem bei komplexen Artikelgeometrien verwendet sowie ebenfalls bei Gummi-Verbundteilen. Die Werkzeuge sind dabei relativ aufwendig. Transfer Molding eignet sich für verschiedene Stückzahlen.  

Grundlegendes Prinzip des Transfer Molding: Rohmaterial wird in einen Spritzbecher gegeben.

Abbildung 8: Grundlegendes Prinzip des Transfer Molding; Schritt 1

Abbildung 8: Grundlegendes Prinzip des Transfer Molding: Material wird mithilfe eines Kolbens durch einen Kanal in die Kavität gepresst.

Abbildung 9: Grundlegendes Prinzip des Transfer Molding; Schritt 2

Abbildung 8: Grundlegendes Prinzip des Transfer Molding: Das Fertigteil wird entnommen.

Abbildung 10: Grundlegendes Prinzip des Transfer Molding; Schritt 3

3.2.3 Injection Molding

In den meisten Fällen findet die Fertigung im Injection Molding-Verfahren (Spritzgieß-Verfahren) wie abgebildet horizontal statt (das heißt, die Werkzeughälften öffnen sich in horizontaler Richtung), kann aber auch vertikal erfolgen. Das Rohmaterial wird automatisch über einen Futterstreifen der Schnecke zugeführt, die das Material dann über einen Kanal in die Formkavität befördert (Abbildung 12). Anschließend öffnen sich das Werkzeug und das fertige Formteil kann entnommen werden (Abbildung 13). Ein Vorteil des Injection Molding ist, dass das Rohmaterial nicht manuell zugeführt werden muss. Zudem lässt sich der Prozess aufgrund der horizontalen Fertigung automatisieren, wobei in dem Fall geeignete Maßnahmen zur Entformung der Fertigteile gefunden werden müssen. Nahezu alle anderen Elastomere werden für das Spritzgussverfahren gebraucht. Zudem wird Injection Molding zur Fertigung von Teilen aus Flüssigsilikon (LSR, Liquid Silicone Rubber) verwendet. In dem Fall wird das Material aber nicht über einen Futterstreifen zugeführt, sondern über einen Mischer in die Schnecke befördert (dies ist nötig, da es sich beim LSR um einen Zwei-Komponenten-Silikon handelt). Injection Molding eignet sich sehr gut für die Herstellung größer Stückzahlen. Die Werkzeuge sind zumeist relativ aufwendig.

Grundlegendes Prinzip des Injection Molding: Schnecke wird mit Material befüllt.

Abbildung 11: Grundlegendes Prinzip des Injection Molding, Schritt 1

Grundlegendes Prinzip des Injection Molding: Material wird durch einen Kanal in die Kavität gespritzt.

Abbildung 12: Grundlegendes Prinzip des Injection Molding, Schritt 2

Grundlegendes Prinzip des Injection Molding: Fertigteil kann entnommen werden.

Abbildung 13: Grundlegendes Prinzip des Injection Molding, Schritt 3

4 Gummi ist nicht gleich Gummi

Zur Fertigung von Elastomerteilen werden verschiedene Kautschuke bzw. Kautschukmischungen verwendet. Je nach Anwendung und Anforderungen kommen so zum Beispiel EPDM, NBR, HNBR, Butyl, FKM bzw. FPM (Viton ®), FFKM bzw. FFPM (Kalrez ®), Festsilikon VMQ, Flüssigsilikon LSR oder Fluorsilikon FVMQ zum Einsatz. Im Netz finden sich zahlreiche Artikel und Tabellen über die verschiedenen Kautschuke und deren Eigenschaften. Einen Auszug aus dem Spektrum der Elastomere gibt es auch hier, wobei die Liste nicht vollständig ist.

Interessant für Anwender ist, dass auch innerhalb eines Kautschuks je nach Mischungsaufbau unterschiedliche Eigenschaften erzielt werden können. Ein EPDM mit einer Härte von 50° ShA kann so andere Eigenschaften besitzen als ein anderer EPDM mit einer Härte von 50° ShA. Beispielsweise kann eine EPDM-Mischung schwefelvernetzt oder peroxid-vernetzt sein, was dann einen Einfluss auf mechanische Eigenschaften wie den Druckverformungsrest oder die Temperaturbeständigkeit hat. Durch die Zugabe weiterer Stoffe können Kautschukmischungen entsprechend verändert werden. Grundsätzlich kann man aber sagen, dass die Wahl des richtigen Kautschuks für die Anwendung entscheidend ist und durch einen geeigneten Mischungsaufbau noch entsprechend Anpassungen erfolgen.

Es bleibt also festzuhalten, dass viele verschiedene Kautschuke existieren, aus denen wiederum eine unendliche Menge an Kautschukmischungen erstellt werden kann.   

5 Kriterien für die Wahl des geeigneten Kautschuks

Bei der Vielzahl an unterschiedlichen Kautschuken stellt sich für den Anwender die Frage, welches Elastomer für seine Anwendung geeignet ist. Es gibt verschiedene Kriterien, auf die bei der Auswahl eines Elastomers geachtet werden sollte.

Zunächst ist zu klären, welche technischen bzw. mechanischen Eigenschaften das Gummiteil und somit der Kautschuk besitzen sollte. So geht es zum Beispiel darum, ob eine bestimmte Härte gewünscht ist, welche Reißdehnung erreicht werden soll oder ob der Druckverformungsrest von besonderer Bedeutung ist. Wichtig ist dabei, ob das Gummiteil in der Anwendung ausschließlich statisch belastet wird oder ob auch dynamische Kräfte wirken. Mehr zu den mechanischen Charakteristika von Kautschuken und deren Prüfung finden Sie im Beitrag „Die mechanischen Eigenschaften von Elastomeren und ihre Prüfung".

Außerdem ist zu definieren, welche chemischen Anforderungen an das Produkt gestellt werden. Kautschuke und somit letztlich die fertigen Elastomerartikel unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer chemischen Beständigkeit. Je mehr bekannt ist darüber, mit welchen Medien das Elastomer wie lange bei welcher Temperatur in Kontakt kommt, desto leichter fällt die Wahl des geeigneten Kautschuks.

Ebenso sind Informationen über den Einsatzort des Gummiteils hilfreich. Bei der Materialauswahl spielt hierbei der Temperaturbereich eine besondere Rolle, in dem das Elastomer eingesetzt wird und seine Eigenschaften zur Geltung bringen soll. So gibt es Werkstoffe, die bei Temperaturen bis 300° C eingesetzt werden können, wohingegen andere bereits bei 90° C versagen. Gut zu wissen ist in dem Zusammenhang, ob das Elastomer im Außen- oder Innenbereich eingesetzt wird und in einem Gerät verbaut und somit nicht sichtbar ist. Daraus lassen sich auch Rückschlüsse darüber ziehen, ob das Elastomerteil zum Beispiel UV-Strahlung oder weiteren Umwelteinflüssen ausgesetzt ist.

Auch müssen immer häufiger regulatorische Anforderungen berücksichtigt werden. Je nach Anwendungsfeld müssen Elastomere zum Beispiel mit den Anforderungen der FDA konform sein, USP Class VI Zulassung besitzen und biokompatibel sein oder einen Flammschutz entsprechend der Regeln der UL Underwriters Laboratories aufweisen.

Wäre das nicht schon genug, so ist außerdem noch zu beachten, dass sich die genannten Kriterien gegenseitig beeinflussen können. Bei Temperatursteigerungen verschlechtern sich möglicherweise die Werte des Druckverformungsrest oder der Reißfestigkeit.

Da immer auch die Geometrie des Elastomerteils eine ganz wesentliche Rolle spielt, wird stets empfohlen, das fertige Bauteil in der Anwendung zu prüfen und so einem Belastungstest zu unterziehen. Leider gibt es keinen Kautschuk, der alle Kriterien und Eigenschaften abdeckt. Die Auswahl des Kautschuks kann dadurch durchaus komplex sein. Welche Elastomere bei welchen Anwendungen und welchen Kriterien besonders geeignet sind, wird in diesem Blog im Laufe der Zeit behandelt. Mitnehmen sollten Sie an der Stelle insbesondere, welche Kriterien Einfluss auf Elastomere ausüben und dass kein Kautschuk dem anderen gleicht.

Wenn Sie noch Fragen zu diesem Blogpost haben oder möchten, dass demnächst ein bestimmtes Themengebiet rund um Elastomere behandelt wird, melden Sie sich gerne bei uns per E-Mail unter info@hepako.de