Die Bessere gewinnt

Die Hydrauliksysteme in Spritzgießmaschinen müssen auf lange Standzeiten ausgelegt sein. Leckagen werden in allen Fertigungsprozessen nicht akzeptiert. Die Spezialisten von Ferromatik Milacron, einem Hersteller von Spritzgießmaschinen, entschieden sich deshalb für einen direkten Vergleichstest zwischen den führenden Hydraulikdichtsystemen, um auf Nummer Sicher zu gehen.

Dazu wurden zwei Spritzgießmaschinen aus der Hochleistungsbaureihe K-Tec jeweils mit beiden Dichtsystemen ausgerüstet. Jede dieser Spritzgießmaschinen hat zwei Fahrzylinder; je einen auf der Bedienseite und auf der Bediengegenseite. Um direkt unter übereinstimmenden Belastungen vergleichen zu können, wurde ein Fahrzylinder der Maschine mit dem Dichtsystem des einen und der andere Fahrzylinder mit dem Dichtsystem des zweiten Dichtungsherstellers abgedichtet. Das Lecköl wurde für jeden Zylinder separat aufgefangen. Härter und transparenter kann kein Vergleich sein.

Nach nur 139 Betriebsstunden, in denen 101 000 Zyklen gefahren wurden, zeigte sich bereits die erste Leckage an einem der Fahrzylinder. Nach 665 Betriebsstunden oder 470 500 Zyklen hatte sich schon 1 l Lecköl an diesem Zylinder gesammelt. Nach ca. 1150 Betriebsstunden, die rund 800 000 Fahrzyklen entsprechen, hatte sich das Lecköl dieses einen Zylinders auf unakzeptable 3 l erhöht. Der parallel unter absolut identischer Beanspruchung gelaufene Fahrzylinder auf der Gegenseite dieser Maschine war mit dem Merkel Freudenberg Fluidtechnic Dichtsystem ausgerüstet und hatte zum gleichen Zeitpunkt nicht einen einzigen Tropfen Öl verloren.

Das stark leckende Vergleichs-Dichtsystem wurde daraufhin ausgebaut und durch das gleiche Merkel Dichtsystem, wie auf der leckfreien Seite, ersetzt. Kolbenstange und Zylinder blieben aber die gleichen. Trotz dieses glasklaren Ergebnisses war der Test noch nicht beendet. Die Spezialisten von Ferromatik Milacron wollten nun insbesondere die Guivex-Führungen des Merkel Dichtsystems unter erschwerten Bedingungen auf Herz und Nieren testen und haben dazu den neu abgedichteten Zylinder zusätzlich mit einer definierten Querkraft beaufschlagt. Der Zylinder wurde dazu mit 0,2 mm/m Schrägstellung montiert und die Tortur für die beiden Hydraulikdichtsysteme ging weiter.

Nach weiteren über 1900 Betriebsstunden (ca. 1,2 Mio. Zyklen) für das mit Querkräften beaufschlagte Ersatzdichtsystem und insgesamt 3080 Betriebsstunden (über 2 Mio. Zyklen) für das seit Testbeginn im Einsatz befindlichen Dichtsystem auf der Gegenseite waren die Spezialisten überzeugt: An beiden Merkel Freudenberg Fluidtechnic- Dichtsystemen aus Primärdichtung Omegat OMS-MR PR, Sekundärdichtung T20, Doppelabstreifer PT1 und Guivex Führungsbändern enstand kein einziger Tropfen Lecköl.

Ganz ähnliche Testergebnisse wurden bei der parallel unter gleichen Bedingungen bei einem Kunden von Ferromatik Milacron eingesetzten Spritzgießmaschine ermittelt. Auch dort hat allein das Merkel Dichtsystem anstandslos durchgehalten.

Um die Einzelkomponenten optimieren zu können, bedarf es eines umfangreichen Know-hows über alle Einflüsse, die auf ein Dichtsystem wirken. So ist es z. B. systembedingt und für die Schmierung des gesamten Dichtsystems absolut notwendig, dass ein Restölfilm beim Ausfahren auf der Stange bleibt. Beim Einfahren der Stange muss der mitgeschleppte Ölfilm unter der Dichtung hindurch in das Hydrauliksystem zurückgefördert werden. Eine optimierte Dichtung verfügt deshalb über ein hohes Rückfördervermögen. Das Verhältnis zwischen Mitschleppen und Rückfördern des Hydrauliköls ist über die Form der Dichtkante einstellbar. Diese Voraussetzungen müssen grundsätzlich alle Komponenten in diesem Dichtsystem erfüllen.

Die dem Systemdruck von bis zu 180 bar ausgesetzte Primärdichtung muss zuverlässig den Druckaufbau im Hydrauliksystem gewährleisten. Die hierfür verwendete Primärdichtung Merkel Omegat OMS-MR-PR ist aus einem speziellen PTFE-Compound gefertigt. Dieser Dichtungswerkstoff zeichnet sich durch hohe Verschleißfestigkeit, niedrige Reibung sowie sehr gute Formstabilität und damit Extrusionsfestigkeit aus. So ist die Primärdichtung als Hauptarbeitsdichtung sehr hoch belastbar.

Materialbedingt entlässt die Primärdichtung einen kleinen Ölfilm, der von der Sekundärdichtung nochmals verringert wird. Das ausgetretene Öl wird als Meniskus an der Sekundärdichtung angesammelt und beim Einfahren wieder abgegeben. Als Sekundärdichtung wird ein Nutring T20 aus Polyurethan (PU) verwendet. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe Abriebfestigkeit, einen niedrigen Compression-Set und einem breiten Temperatureinsatzbereich aus. Im Zusammenspiel zwischen dem harten Polyurethan (ca. 95 Shore A) und der Auslegung der Dichtkantengeometrie der T20 wird eine hohe Linienkraft erzeugt. Somit hat die Sekundärdichtung schon bei geringen Drücken, wie sie üblicherweise im Zwischenraum eines Dichtsystems auftreten (ca. 30 bis 50 bar), eine hohe Dichtwirkung.

Eine sehr hohe Zahl an Fahrzyklen mit unterschiedlichen Ein- und Ausfahrgeschwindigkeiten, hier bei einem Hub von 500 mm, kann in einem solchen Dichtsystem dazu führen, dass trotz optimalem Rückfördervermögen der Primärdichtung das zurückgeförderte Ölvolumen geringer als das ausgeschleppte ist. Damit sammelt sich Öl zwischen Primär- und Sekundärdichtung. Der Druck im Dichtungszwischenraum kann schon nach kurzer Zeit den Druck des Hydraulikhauptraums übersteigen.

Die so entstehende Druckdifferenz ist besonders für die Primärdichtung kritisch. Der im Dichtungszwischenraum zwischen Primär- und Sekundärdichtung auftretende höhere Druck gegenüber dem Hauptraumdruck wirkt auf der Rückseite der Primärdichtung und es kann zu einer Extrusion der Primärdichtung in Richtung Hauptraum kommen. Des Weiteren kann die Dichtung unter diesen Bedingungen im Einbauraum kippen. Wiederholtes Kippen schädigt die Dichtkante, die Dichtwirkung wird verringert und das Ausschleppen des Hydraulikmediums verstärkt. Der rasant ansteigende Druckaufbau im Dichtungszwischenraum würde zwangsläufig zu Spaltextrusion und damit zum Totalausfall führen. Der Druck im Dichtungszwischenraum führt auch zu einer verstärkten Aktivierung der Sekundärdichtung. Dies hat zur Folge, dass es zu einer höheren Reibung und somit zu einem höheren Verschleiß kommt. Ein Ausfall der Sekundärdichtung wäre vorgezeichnet.

Durch eine patentierte Druckentlastungsbohrung in der Omegat OMS-MR-PR Primärdichtung ist es den Hamburgern gelungen, dieses Problem endgültig zu lösen. Im Regelfall, wenn der Druck im Hauptraum größer als im Dichtungszwischenraum ist, liegt die Primärdichtung so im Einbauraum, dass die Druckentlastungsbohrung durch das Anliegen des PTFE-Dichtelements an der Nutwand verschlossen ist. Steigt der Druck im Zwischenraum über den Hauptraumdruck, reicht schon eine minimale Druckdifferenz, um die Dichtung von der Wand ein wenig abzuheben und die Druckentlastungsbohrung freizugeben. Der Druckausgleich findet so automatisch statt.

Abstreifer schützen das Dichtsystem vor dem Eindringen von Staub oder Schmutz und gleichzeitig ermöglichen sie eine höchst wirkungsvolle Rückförderung des notwendigen – extrem dünnen – Restölfilms auf der Stange in das System. Der hier eingesetzte Doppelabstreifer PT1 verfügt über ein spezielles Doppelkantenprofil. Auf der dem Dichtsystem zugewandten Seite sorgt eine Präzisionsdichtkante für höchste Dichtheit. Auf der zur Umgebung zugewandten Seite befindet sich eine harte Abstreifkante, die so geformt ist, dass sie Schmutz zuverlässig von der Stange entfernt und den auf der Stange befindlichen Restölfilm wieder in das Dichtsystem zurückfördert.

Um sowohl für die Dicht- wie auch die Abstreifkante eine optimale Vorspannung zu erreichen, wird bei diesen Abstreifern das seit über 15 Jahren bewährte System mit zwei O-Ringen eingesetzt. Dieser Abstreiferaufbau gewährleistet eine auf die jeweilige Dichtlippe abgestimmte und optimierte Anpressung.

Führungsringe müssen die in Hydraulikzylindern auftretenden Seitenkräfte und Auslenkungen zuverlässig kompensieren. Im Test wurden diese Querkräfte durch die definierte Schrägmontage erzwungen. Die Kompensation dieser Querkräfte erfordert eine sehr hohe Druckstandsfestigkeit für den eingesetzten Werkstoff. Gleichzeitig müssen die Führungsringe flexibel sein, um bei der Montage keinen Schaden zu nehmen.

Eine definierte Balance zwischen Druckstandsfestigkeit und Flexibilität war das Entwicklungsziel für den Spezialwerkstoff HG 650 aus dem diese Guivex Führungsbänder gefertigt werden. Führungsringe aus diesem hoch belastbaren Composite-Material in Verbindung mit der patentierten Guivex-Geometrie sind für Belastungen bis zu 80 N/mm² zugelassen. Die Guivex-Geometrie sorgt dafür, dass die Querkräfte besonders gleichmäßig auf die gesamte Länge der Führungsbuchsen verteilt werden. Durch diese Profilgebung entstehen keine schädlichen Kantenpressungen. Dies begünstigt das Einschleppen von Hydrauliköl zwischen Führungsbuchse und Gegenlauffläche. Dadurch werden Reibung und Verschleiß reduziert. Der Test hat eindeutig bewiesen, dass diese Führungsbänder für eine große radiale Belastung ausgelegt sind.

Merkel KEM 563

Simrit KEM 564

Freudenberg KEM 565

Alle nachfolgenden Einzelkomponenten sind optimal auf einander abgestimmt. Jedes Dichtelement übernimmt spezifische Funktionen.