La seconda parte della serie sui nuovi materiali riguarda la gomma. Negli anni ’30, le guarnizioni per alberi radiali erano costituite da un alloggiamento in lamiera e da un manicotto in pelle. Ma poi il cuoio divenne scarso e costoso e Freudenberg lo sostituì con la gomma.
Compatto
Storia del Simmerring: negli anni ’30, la pelle fu sostituita dalla gomma nei Simmerring perché il cuoio era costoso. La gomma si dimostrò stabile dimensionalmente ed elasticamente riformabile, con un’elevata resistenza alla temperatura e al rigonfiamento.
Produzione della gomma: il percorso che porta dalla gomma naturale o sintetica alla gomma high-tech (elastomero) è complesso e richiede una miscela di dieci o venti ingredienti, tra cui cariche come il nerofumo e la silice, plastificanti e agenti anti-invecchiamento.
Processi di vulcanizzazione: Freudenberg Sealing Technologies (FST) utilizza diversi processi di vulcanizzazione, tra cui lo stampaggio a compressione (CM) e lo stampaggio a iniezione (IM). Questi processi si differenziano per il grado di automazione e il tipo di lavorazione.
Proprietà chimiche e fisiche: i materiali in gomma devono essere resistenti a diversi mezzi e temperature, a seconda dell’applicazione. La durata di una guarnizione in gomma si riduce notevolmente quando le temperature aumentano.
Procedure di prova e innovazione: FST esegue prove di stress per determinare i limiti di applicazione dei nuovi materiali. Questi test simulano le condizioni reali e forniscono risultati importanti per l’idoneità pratica di nuove soluzioni di materiali.
Quasi 100 anni fa, il primo Simmerring® consisteva in un alloggiamento in lamiera con un manicotto in pelle. Ma il cuoio era costoso. Freudenberg cercò un sostituto e trovò quello che cercava, sostituendo il suo tradizionale prodotto di tecnologia di tenuta con la gomma. Le buone proprietà della gomma si sono rivelate subito convincenti. La gomma, stabile dimensionalmente ma modellabile elasticamente, era caratterizzata, tra l’altro, da una resistenza alla temperatura e al rigonfiamento molto più elevata rispetto agli oli lubrificanti per motori comunemente utilizzati negli anni Trenta. Questo segnò l’inizio della trionfale avanzata della gomma come materiale di tenuta, che continua ancora oggi – prima nei Simmerring, poi negli O-ring, poi nelle guarnizioni piatte…
Ingegnere o pasticcere?
Il percorso che porta dalla gomma naturale o sintetica alla gomma high-tech, tecnicamente nota come elastomero, è lungo. La gomma da sola, sia essa di origine naturale o prodotta sinteticamente, non è assolutamente sufficiente. Una mescola di gomma è solitamente composta da dieci o venti ingredienti. Proprio come per la preparazione di una torta, sono necessari gli ingredienti giusti nelle giuste quantità.
Alla fine, è la sofisticata combinazione di farina, zucchero, uova, burro, latte o cacao a produrre il risultato desiderato… e l’esperienza (di gusto). Oltre alla gomma, le cariche come il nerofumo e la silice sono particolarmente importanti per la perfetta miscela di gomme, in quanto aumentano la resistenza e la durata. Inoltre, i plastificanti migliorano inizialmente il comportamento di scorrimento durante la lavorazione e successivamente il comportamento di espansione e rigonfiamento. Gli agenti anti-invecchiamento rallentano l’affaticamento del materiale, mentre altri ingredienti proteggono, ad esempio, dall’ozono.
Impianto di miscelazione: dalla pesatura alla spedizione
A seconda della ricetta, tutti gli ingredienti vengono prima pesati al milligrammo negli impianti di miscelazione di Freudenberg Sealing Technologies (FST) in tutto il mondo. Vengono poi mescolati in una grande impastatrice per ottenere una massa omogenea. Questa viene poi ulteriormente omogeneizzata in un laminatoio attraverso una costante piegatura e laminazione.
Infine, la densità, la durezza, la resistenza e l’elasticità di ogni lotto sono controllate con precisione nei test che accompagnano la produzione in serie. Una volta superato il test di qualità, la miscela viene raffreddata in un cosiddetto sistema batch-off e trasformata in strisce, cordoni o altri pezzi sagomati. Dopo l’imballaggio, la miscela finita viene inviata agli impianti di produzione di stampi. La tendenza degli impianti di miscelazione FST è quella di collegare in rete le macchine, digitalizzare e automatizzare tutte le fasi di lavoro. L’impianto di miscelazione grezza di Weinheim è uno dei pionieri in questo campo.
La plastica diventa elastica
I reticolanti, come lo zolfo, sono un ingrediente molto importante della miscela. Come la cottura in forno per le torte, così la vulcanizzazione per la gomma durante lo stampaggio in serie. Durante la vulcanizzazione, le molecole di gomma vengono reticolate a una temperatura compresa tra 120 e 160 gradi Celsius. Questa reticolazione conferisce alla gomma la sua elasticità, trasformando la plastica in elastica.
Un’ultima volta, tornando all’analogia con la cottura: come un buon pasticcere, FST scrive la ricetta, mescola gli ingredienti e li cuoce da sé. FST acquista solo gli “ingredienti per la cottura”, proprio come il pasticcere, che non macina la propria farina.
Diversi processi per un unico obiettivo: la gomma
FST utilizza diversi processi di vulcanizzazione per produrre guarnizioni da materiali in gomma. I due più importanti sono abbreviati in CM e IM.
Nello stampaggio a compressione (CM), lo spezzone viene inserito manualmente nello stampo componente dell’utensile aperto. La pressa viene chiusa. Il calore generato nella parte superiore e inferiore dalle piastre riscaldanti mette in moto il processo di vulcanizzazione. È il processo più semplice.
Nello stampaggio a iniezione (IM), la mescola, precedentemente prelavorata in cordoni o nastri, viene iniettata direttamente nello stampo chiuso ad alta pressione e vulcanizzata. Si tratta del processo più complesso e con il più alto grado di automazione.
Altri processi sono chiamati Transfer Moulding (TM) e Injection Transfer Moulding (ITM).
A seconda del materiale di gomma utilizzato, le guarnizioni devono essere post-riscaldate dopo lo stampaggio. Nel forno di post-riscaldamento, gli additivi e i coadiuvanti tecnologici fuoriescono e la rete di vulcanizzazione viene saldamente sigillata. In breve: il post-riscaldamento conferisce alle guarnizioni e ai loro materiali le proprietà finali.
Chimica e fisica
A seconda dell’applicazione, i materiali di tenuta in elastomero devono essere chimicamente resistenti a sostanze come oli e grassi lubrificanti minerali e sintetici. Devono essere in grado di resistere al freddo, al calore, all’acqua, all’aria umida, al vapore caldo, all’ozono o a detergenti aggressivi.
In questo caso vale la regola empirica: La velocità delle reazioni chimiche raddoppia con un aumento di temperatura di dieci gradi Celsius (regola RGT). Per contro, ciò significa che la durata di una guarnizione in gomma si riduce notevolmente quando le temperature aumentano. La resistenza ai fluidi dei materiali in gomma è quindi fortemente dipendente dalla temperatura. Diminuisce anche a causa di pressioni più elevate, velocità più elevate e attrito più elevato, perché tutti questi fenomeni aumentano la temperatura.
Dal punto di vista fisico, le guarnizioni in gomma si occupano principalmente di prevenire il rigonfiamento, il restringimento e la penetrazione del materiale di tenuta da parte di un gas, nota come permeazione. Un basso attrito riduce anche la temperatura e quindi l’usura e il consumo di energia.
Non tutta la gomma è uguale
I materiali in gomma sono generalmente caratterizzati da un’elevata elasticità, associata a un elevato effetto di tenuta e a forze di ripristino. In combinazione con il giusto lubrificante, sono caratterizzati da una buona resistenza all’usura e all’abrasione. Uno degli svantaggi della gomma come materiale è che è adatta solo in misura limitata alle applicazioni ad alta pressione, ad esempio nell’idraulica, a causa della sua mancanza di durezza.
Non tutta la gomma è uguale. I singoli materiali in gomma differiscono in termini di densità, durezza, resistenza alla trazione, comportamento alla deformazione, intervallo di temperatura di utilizzo e molte altre caratteristiche. Sono quindi adatti a diversi campi di applicazione.
Alcuni esempi: Il materiale standard di FST, ad esempio per le classiche tenute per alberi radiali, è l’NBR. L’HNBR ha una maggiore resistenza alle temperature e ai fluidi. Il silicone è meno resistente all’abrasione ed è quindi la prima scelta soprattutto per le tenute statiche. L’ACM resiste bene a temperature fredde fino a -40 gradi Celsius e al calore fino a 160 gradi Celsius, oltre a essere resistente all’ozono e all’aria calda. L’FKM ha dimostrato di essere un versatile risolutore di problemi. FFKM Simriz® è la soluzione di fascia alta di FST per l’industria di processo.
Sul banco di prova
In diversi siti FST, i campi di prova sono componenti fondamentali della forza innovativa di FST. Quali sono i limiti di applicazione dei nuovi materiali? Possono sopportare le alte velocità prevalenti nell’elettromobilità? Possono resistere a nuovi tipi di lubrificanti, alle conseguenze degli spostamenti di carica elettrica, alla pressione, al freddo, agli spruzzi d’acqua, allo sporco e alle vibrazioni? Le prove di stress sul campo riproducono il più fedelmente possibile la realtà e forniscono risultati importanti per l’idoneità pratica di nuove soluzioni di materiali. Qui si possono simulare operazioni nell’Artico e nel deserto, così come viaggi in auto attraverso l’acqua e il fango. Il più grande centro di prova Simmerring si trova a Weinheim. A Plymouth, FST è in grado di testare in tempi rapidi come i materiali degli elettrolizzatori di idrogeno si dimostrino validi in anni di utilizzo continuo.
Tuttavia, anche i test a lungo termine di 1.000 ore sul banco di prova non sono sufficienti a garantire che le guarnizioni durino per decenni, come richiesto, ad esempio, nelle turbine eoliche offshore. A tal fine, gli strumenti di simulazione digitale sono essenziali. FST utilizza da anni modelli collaudati, ad esempio per il comportamento di invecchiamento a lungo termine della gomma nelle tenute statiche.
Nuovi compiti
Le guarnizioni in gomma devono sempre più spesso svolgere compiti aggiuntivi che vanno ben oltre la sigillatura. A volte devono essere elettricamente conduttive, altre volte devono essere in grado di schermare il calore o le radiazioni elettromagnetiche. Oppure devono essere in grado di prevedere con la massima precisione possibile quando devono essere sostituite, nel cosiddetto condition monitoring. FST sviluppa soluzioni anche per questo.
