Druga część serii nowych materiałów dotyczy gumy. W latach 30. uszczelnienia promieniowe wału składały się z metalowej obudowy i skórzanej tulei. Skóra stała się jednak towarem deficytowym i drogim, więc Freudenberg zastąpił ją gumą.
Kompaktowy
Historia Simmerringów: W latach 30. skóra została zastąpiona gumą w Simmerringach, ponieważ skóra była droga. Guma okazała się stabilna wymiarowo i elastyczna w ponownym formowaniu, z wysoką odpornością na temperaturę i pęcznienie 1.
Produkcja gumy: Droga od kauczuku naturalnego lub syntetycznego do zaawansowanej technologicznie gumy (elastomeru) jest złożona i wymaga mieszanki od dziesięciu do dwudziestu składników, w tym wypełniaczy, takich jak sadza i krzemionka, plastyfikatory i środki zapobiegające starzeniu.
Procesy wulkanizacji: Freudenberg Sealing Technologies (FST) wykorzystuje różne procesy wulkanizacji, w tym formowanie tłoczne (CM) i formowanie wtryskowe (IM). Procesy te różnią się stopniem automatyzacji i rodzajem przetwarzania.
Właściwości chemiczne i fizyczne: Materiały gumowe muszą być odporne na różne media i temperatury, w zależności od zastosowania. Żywotność gumowej uszczelki ulega znacznemu skróceniu wraz ze wzrostem temperatury.
Procedury testowe i innowacje: FST przeprowadza testy wytrzymałościowe w celu określenia granic zastosowania nowych materiałów. Testy te symulują rzeczywiste warunki i dostarczają ważnych informacji na temat praktycznej przydatności nowych rozwiązań materiałowych.
Prawie 100 lat temu pierwszy Simmerring® składał się z metalowej obudowy ze skórzanym rękawem. Skóra była jednak droga. Freudenberg szukał zamiennika i znalazł to, czego szukał, zastępując swój tradycyjny produkt technologii uszczelniania gumą. Jak się wkrótce okazało, dobre właściwości gumy były przekonujące. Stabilna wymiarowo, ale elastycznie podatna na ponowne formowanie guma charakteryzowała się między innymi znacznie wyższą odpornością na temperaturę i pęcznienie w porównaniu z olejami smarowymi do silników powszechnie stosowanymi w latach trzydziestych XX wieku. Oznaczało to początek triumfalnego rozwoju gumy jako materiału uszczelniającego, który trwa do dziś – najpierw w Simmerringach, potem w O-ringach, a następnie w płaskich uszczelkach…
Inżynier czy piekarz ciast?
Droga od kauczuku naturalnego lub syntetycznego do zaawansowanej technologicznie gumy, technicznie znanej jako elastomery, jest długa. Sama guma – niezależnie od tego, czy jest pochodzenia naturalnego, czy syntetycznego – w żadnym wypadku nie wystarcza. Mieszanka gumowa składa się zazwyczaj z 10 do 20 składników. Podobnie jak w przypadku pieczenia ciasta, wymagane są odpowiednie składniki w odpowiednich ilościach.
Ostatecznie to wyrafinowane połączenie mąki, cukru, jajek, masła, mleka lub kakao daje pożądany rezultat… i (smakowe) doznania. Oprócz gumy, wypełniacze takie jak sadza i krzemionka są szczególnie ważne dla idealnej mieszanki gumy, ponieważ zwiększają wytrzymałość i trwałość. Ponadto plastyfikatory początkowo poprawiają płynność podczas przetwarzania, a później rozszerzalność i pęcznienie. Środki przeciwstarzeniowe spowalniają zmęczenie materiału, podczas gdy inne składniki chronią na przykład przed ozonem.
Mieszalnia: od ważenia do wysyłki
W zależności od receptury, wszystkie składniki są najpierw ważone z dokładnością do miligrama w mieszalniach surowców Freudenberg Sealing Technologies (FST) na całym świecie. Następnie są one mieszane w jednorodną masę w dużej maszynie ugniatającej. Jest ona następnie dalej homogenizowana w walcowni poprzez ciągłe składanie i walcowanie.
Na koniec gęstość, twardość, wytrzymałość i elastyczność każdej partii są dokładnie sprawdzane w testach towarzyszących produkcji seryjnej. Po pomyślnym przejściu testu jakości, mieszanka jest schładzana w tak zwanym systemie batch-off i formowana w paski, sznury lub inne kształtki. Po zapakowaniu, gotowa mieszanka jest wysyłana do zakładów formowania. Trend w mieszalniach FST zmierza w kierunku maszyn sieciowych, cyfryzacji i automatyzacji na wszystkich etapach pracy. Zakład produkcji mieszanek surowych w Weinheim jest jednym z pionierów w tej dziedzinie.
Tworzywo sztuczne staje się elastyczne
Substancje sieciujące, takie jak siarka, są bardzo ważnym składnikiem mieszanki. Wulkanizacja jest dla gumy tym, czym pieczenie w piekarniku dla ciast, czym wulkanizacja dla gumy podczas formowania w produkcji seryjnej. Podczas wulkanizacji cząsteczki gumy są sieciowane w temperaturze od 120 do 160 stopni Celsjusza. To usieciowanie nadaje gumie elastyczność, przekształcając tworzywo sztuczne w elastyczne.
Po raz ostatni wracamy do analogii z pieczeniem: jak dobry cukiernik, FST pisze przepis, miesza składniki i sam je piecze. FST kupuje tylko „składniki do pieczenia” – podobnie jak cukiernik, który nie miele własnej mąki.
Kilka procesów w jednym celu: Guma
FST wykorzystuje różne procesy wulkanizacji do produkcji uszczelek z materiałów gumowych. Dwa najważniejsze z nich oznaczane są skrótami CM i IM.
W przypadku formowania tłocznego (CM) półwyrób jest ręcznie wkładany do formy otwartego narzędzia. Prasa jest zamknięta. Ciepło generowane na górze i na dole przez płyty grzewcze uruchamia proces wulkanizacji. Jest to najprostszy proces.
W formowaniu wtryskowym (IM) mieszanka, która została wcześniej wstępnie przetworzona na sznury lub taśmy, jest wtryskiwana bezpośrednio do zamkniętej formy pod wysokim ciśnieniem i tam wulkanizowana. Jest to najbardziej złożony proces o najwyższym stopniu automatyzacji.
Inne procesy nazywane są Transfer Moulding (TM) i Injection Transfer Moulding (ITM).
W zależności od zastosowanego materiału gumowego, uszczelki muszą być podgrzewane po formowaniu. W piecu do wygrzewania wtórnego dodatki i substancje pomocnicze wydostają się na zewnątrz, a sieć wulkanizacyjna jest mocno uszczelniona. Krótko mówiąc: wygrzewanie wtórne nadaje uszczelkom i ich materiałom ostateczne właściwości.
Chemia i fizyka
W zależności od zastosowania, elastomerowe materiały uszczelniające muszą być odporne chemicznie na takie media, jak mineralne i syntetyczne oleje smarowe i smary. Muszą być odporne na zimno, ciepło, wodę, wilgotne powietrze, gorącą parę, ozon lub agresywne środki czyszczące.
Obowiązuje tu zasada kciuka: Szybkość reakcji chemicznych podwaja się wraz ze wzrostem temperatury o dziesięć stopni Celsjusza (reguła RGT). I odwrotnie, oznacza to, że żywotność gumowej uszczelki ulega znacznemu skróceniu wraz ze wzrostem temperatury. Odporność materiałów gumowych na media jest zatem wysoce zależna od temperatury. Zmniejsza się również z powodu wyższego ciśnienia, wyższych prędkości i wyższego tarcia – ponieważ wszystkie te zjawiska zwiększają temperaturę.
Z punktu widzenia fizyki, uszczelki gumowe mają przede wszystkim zapobiegać pęcznieniu, kurczeniu się i przenikaniu gazu przez materiał uszczelniający. Niskie tarcie zmniejsza również temperaturę, a tym samym zużycie i zużycie energii.
Nie każda guma jest taka sama
Materiały gumowe charakteryzują się na ogół wysoką elastycznością, co wiąże się z wysokim efektem uszczelniającym i siłami przywracającymi. W połączeniu z odpowiednim smarem charakteryzują się dobrą odpornością na zużycie i ścieranie. Jedną z wad gumy jako materiału jest to, że nadaje się ona tylko w ograniczonym zakresie do zastosowań wysokociśnieniowych, na przykład w hydraulice, ze względu na brak twardości.
Nie każda guma jest taka sama. Poszczególne materiały gumowe różnią się pod względem gęstości, twardości, wytrzymałości na rozciąganie, odkształcalności, zakresu temperatur użytkowania i wielu innych charakterystycznych wartości. Dlatego też nadają się do różnych obszarów zastosowań.
Kilka przykładów: Standardowym materiałem FST, na przykład dla klasycznych uszczelnień promieniowych wału, jest NBR. HNBR ma wyższą odporność na temperaturę i media. Silikon jest mniej odporny na ścieranie i dlatego jest pierwszym wyborem w szczególności dla uszczelnień statycznych. ACM dobrze radzi sobie z niskimi temperaturami do -40 stopni Celsjusza i ciepłem do 160 stopni Celsjusza, a także jest odporny na ozon i gorące powietrze. FKM udowodnił swoją wszechstronność w rozwiązywaniu problemów. FFKM Simriz® to wysokiej klasy rozwiązanie firmy FST dla przemysłu przetwórczego.
Na stanowisku testowym
W kilku lokalizacjach FST pola testowe są kluczowymi elementami innowacyjnej siły FST. Jakie są granice zastosowania nowych materiałów? Czy są one w stanie wytrzymać wysokie prędkości dominujące w elektromobilności? Czy są odporne na nowe rodzaje smarów, konsekwencje zmian ładunku elektrycznego, ciśnienie, zimno, bryzgi wody, brud i wibracje? Testy wytrzymałościowe na polu testowym odtwarzają rzeczywistość tak dokładnie, jak to możliwe i dostarczają ważnych ustaleń dotyczących praktycznej przydatności nowych rozwiązań materiałowych. Można tu symulować operacje w Arktyce i na pustyni, a także podróże samochodem przez wodę i błoto. Największe centrum testowe Simmerring znajduje się w Weinheim. W Plymouth, FST może testować w szybkim tempie, jak materiały w elektrolizerach wodoru sprawdzają się przez lata ciągłego użytkowania.
Jednak nawet 1000-godzinne testy długoterminowe na stanowisku badawczym nie są wystarczające, aby zapewnić trwałość uszczelnień przez dziesięciolecia, co jest wymagane na przykład w morskich turbinach wiatrowych. Niezbędne są do tego cyfrowe narzędzia symulacyjne. FST od lat korzysta z wypróbowanych i przetestowanych modeli, na przykład do długoterminowego starzenia się gumy w uszczelnieniach statycznych.
Nowe zadania
Uszczelki gumowe coraz częściej muszą spełniać dodatkowe zadania, które wykraczają daleko poza uszczelnianie. Czasami muszą przewodzić prąd elektryczny, czasami muszą być w stanie ekranować ciepło lub promieniowanie elektromagnetyczne. Muszą też być w stanie jak najdokładniej przewidzieć, kiedy należy je wymienić w ramach tzw. monitorowania stanu. FST opracowuje również rozwiązania w tym zakresie.
