Langzeitprognosen zum Alterungsverhalten

Statische Dichtungen für große Anlagen in der Energie- und der Industrietechnik müssen oft mehr als zwanzig Jahre halten. Bisher eingesetzte Berechnungswerkzeuge führen dazu, dass die Bauteile oft größer ausfallen, als es eigentlich notwendig wäre.
Die Lebensdauer von Dichtungen wird zum einen durch Setzen oder Dehnen (physische Relaxation) begrenzt. Zum andern verliert der Werkstoff mit der Zeit durch chemische Veränderungen seine Elastizität. Unter Einfluss von Luftsauerstoff oder Ozon sind grundsätzlich zwei Effekte zu beobachten, die die Alterung von Dichtungen beeinflussen: Zum einen können die Polymerketten und -netze unter mechanischer Belastung aufgebrechen, zum anderen können durch Oxidationsprozesse zusätzliche Sauerstoffbrücken in dem Netzwerk entstehen. Beide Effekte beeinflussen wichtige dichtungsrelevante Eigenschaften wie Steifigkeit, Kontaktdrücke oder die Fähigkeit, nach Verformung wieder in die ursprüngliche Kontur zu erlangen („Verformungsrest“). 
Beschleunigte Alterungstests bei erhöhten Temperaturen mit „Lagerungstests“ funktionieren zuverlässig, wenn die richtigen Prüfparameter gewählt werden. Ansonsten kann die Lebensdauerprognose stark daneben liegen. Überprüfen lässt sich die Prognose nur durch Messungen. Die Freudenberg-Experten verfolgten bei ihrer neuartigen Lösung zwei wesentliche Ansatzpunkte: Zum einen verbesserten sie das Lebensdauermodell deutlich, indem sie chemische Oxidationsgleichungen, also den Sauerstoffangriff auf das Elastomer, mit dem strukturmechanischen Verhalten des Werkstoffes koppelten. Um mit diesem Modell beliebige Geometrien berechnen zu können, wurde es numerisch effizient umgesetzt und in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm implementiert. Dieses ist nun in der Lage, die lokalen Oxidationsprozesse und deren Auswirkung auf das mechanische Werkstoffverhalten zu berechnen. Gleichzeitig war es aber auch notwendig, die Messmethoden weiterzuentwickeln, mit denen die Parameter für das Werkstoffmodell ermitteln werden – zum Beispiel, um die während des Alterungsprozesses verbrauchte Sauerstoffmenge zu bestimmen.

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