Die Welt der O-Ringe
Fachwissen aus der Dichtungswelt für die Industrie

Inhaltsverzeichnis:

#1 Die Welt der O-Ringe

O-Ringe, das sind auf den ersten Blick unscheinbare Bauteile, ohne die jedoch kaum ein technisches Gerät funktionieren würde. Sie dienen dazu, das Eindringen eines Mediums von einem Raum in einen anderen zu verhindern. Denken Sie an eine Rohrverbindung, bei der der O-Ring je nach Druckverhältnis das Prozessmedium im Inneren hält oder das Eindringen des Umgebungsmediums verhindert. 

Maximal effiziente Prozesse und die dafür notwendige hochspezialisierte Anlagentechnik stellen heute hohe funktionale Anforderungen an Dichtungen. In vielen Bereichen ist daher der Einsatz verbreiteter Standarddichtungen mehr und mehr Einzellösungen gewichen. Das schafft ein komplexes Handlungsfeld für alle, die mit Konstruktion, Herstellung sowie Verwendung und Instandhaltung von Dichtungslösungen betraut sind. In diesem Beitrag geben wir einen Überblick über die wichtigsten Aspekte des professionellen Einsatzes von O-Ringen.

#2 O-Ringe: High-Tech-Bauteile

Technische Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten, das sind die übergeordneten Kriterien, an denen sich nicht nur O-Ringe, sondern alle Produktionsmittel messen lassen müssen. Doch selten verhält es sich so wie bei O-Ringen: Hier besteht ein deutliches Missverhältnis zwischen Beschaffungskosten und Einfluss auf die übrigen Leistungsparameter von Geräten, Maschinen und Anlagen. Selbst wenn ein O-Ring, anders als in vielen Bereichen von Pharma-, Chemie-, oder Lebensmittelindustrie, keine sicherheitskritische Funktion hat, kann er zum Problem werden. Unkalkulierbare sporadische Maschinenausfälle verursachen nicht nur Ausfallzeiten, sondern auch einen erheblichen Instandhaltungsaufwand.

Es ist an den Technikern, für jeden Einzelfall die richtige Balance zwischen den Anforderungen und Anschaffungskosten der O-Ringe zu finden. Das wird schnell kompliziert, denn auf dem Weg zur optimalen Dichtungslösung gilt es diverse Fragen zu beantworten. Das beginnt bei der Werkstoffauswahl unter Beachtung der notwendigen Zulassungen und führt über Lieferantenauswahl, konstruktive Auslegung der Dichtstelle bis zur schonenden und prozesssicheren Montage fort. Bisweilen ist das ein iterativer Prozess, zu dem auch die Schadensanalyse defekter O-Ringe gehört. Schneller ans Ziel kommt, wer über engagierte Partner und verfügt. Hier zählen Zuverlässigkeit, Flexibilität und die Bereitschaft zum Austausch technischen Know-hows.

#3 Technische Grundlagen zu O-Ringen

O-Ringe sind die Dichtungselemente mit der häufigsten Verwendung und heben sich von den ebenfalls verbreiteten Flachdichtungen durch ihre Form ab. Sie bestehen aus einem geschlossenen Ring mit einem kreisrunden Querschnitt und dienen zur Abdichtung ruhender und bewegter Maschinenteile. Die Dichtwirkung entsteht durch die Verpressung des elastischen Materials zwischen den beiden Dichtflächen. So funktionieren auch zur Abdichtung von Flanschen verwendete Flachdichtungen, denen der runde Querschnitt fehlt. Bei der dynamischen Abdichtung fällt die Belastungsrichtung anders aus. So nutzt der Techniker den O-Ring zur Abdichtung eines Hydraulikzylinders in Form einer Kolben- oder Stangendichtung. Der Unterschied zwischen den Einbauarten: Bei der Kolbendichtung befindet sich die Einbaunut im Innenteil, bei der Stangendichtung im Außenteil.

O-Ringe bestehen meist aus Elastomeren, die sich allesamt durch ihre gummielastische Eigenschaft auszeichnen. Gängige Basispolymere sind NBR (Acrylnitril-Butadien-Kautschuk), FKM (Fluorkautschuk), FFKM (Perfluorkautschuk), sowie EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), die sich hinsichtlich vieler technischer Eigenschaften unterscheiden. Die Feinabstimmung des Werkstoffs bewirkt der Compound-Hersteller durch die Beimischung zahlreicher Zusatzstoffe nach einer Rezeptur.

Bei der Serienproduktion von O-Ringen in gängigen Dimensionen kommen urformende Fertigungsverfahren zum Einsatz. Verbreitet sind das Formpressen und das Spritzgießen, wobei der Vulkanisation eine besondere Bedeutung zukommt. In dieser Stufe bilden die Makromoleküle unter der Wirkung von Druck und Hitze Querverbindungen aus, die dem Elastomer seine elastischen Eigenschaften verleihen. Im Gegensatz dazu dominieren bei der Herstellung von Flachdichtungen trennende Verfahren. Hier arbeitet ein Werkzeug die Kontur der Dichtung aus einem fertigen Plattenwerkstoff heraus.

#4 Optimale Auslegung von O-Ringen

Bei der Auslegung einer Abdichtung mittels O-Ring muss der Techniker viele Anforderungen miteinander verbinden. Die Herausforderung dabei: Viele Gestaltungsziele einer Abdichtung stehen miteinander im Konflikt.

#5 Mechanische Belastbarkeit von O-Ringen

Auf der einen Seite ist es wünschenswert, dass der O-Ring eine niedrige Härte aufweist, da es ihm ermöglicht, feinste Unebenheiten der Dichtungsflächen einzuschließen und diese auszugleichen. Denn dadurch kann der O-Ring sicher abdichten, ohne dass Oberflächen höchster Güte notwendig sind. Auf der anderen Seite neigt ein weicher O-Ring zur Spaltextrusion. Druck kann ihn also in den Dichtspalt pressen und auf diese Weise bleibende Schäden hinterlassen.

Auch Zugfestigkeit und Bruchdehnung sind wichtige Parameter: Sie geben Auskunft darüber, welche Kraft wirken muss, um den O-Ring zu zerreißen und wie groß seine Dehnung im Moment des Zerreißens ist. In Abhängigkeit davon dürfen bei der Montage bestimmte Grenzwerte nicht überschritten werden, um eine Vorschädigung des Dichtungselements auszuschließen. Das ist in der Praxis besonders entscheidend, denn Untersuchungen zeigen, dass montagebedingte Schäden eine der häufigsten Ursachen für den Ausfall von O-Ringen darstellen.

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#6 Einfluss der Temperaturbeständigkeit

Daneben ist die Einsatztemperatur entscheidend für die Auswahl des passenden O-Rings. Denn die Eigenschaften eines Dichtungswerkstoffs variieren teilweise deutlich mit den wirkenden Temperaturen. Es geht darum, welche Temperaturbelastung unter Betriebsbedingungen zu erwarten ist und ob es sich um vorübergehende Temperaturspitzen oder dauerhafte Bedingungen handelt.

Elastomere Werkstoffe verlieren bei bestimmten Temperaturen ihre Elastizität und nehmen eine dauerhafte Verformung an. Dann kehren sie nach der Druckentlastung nicht mehr vollständig in die ursprüngliche Gestalt zurück. In der Praxis: Die Dichtwirkung des O-Rings entsteht durch die Verpressung seines Querschnitts. Entsteht eine bleibende Verformung am O-Ring, so lässt diese Verpressung nach. Aufschluss über das Verformungsverhalten von Dichtungswerkstoffen bei bestimmten Temperaturen gibt der Druckverformungsrest.

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#7 Unverzichtbar: Prüfung der Medienbeständigkeit

Die für den Druckverformungsrest ermittelten Werte hängen aber auch von den Umgebungsmedien ab. So kann der Messwert eines Werkstoffes ganz unterschiedlich ausfallen, abhängig davon, ob die Prüfung in Öl, Dampf oder einem anderen Medium stattfindet. Etwa durch Quellung oder Schrumpfung können die Umgebungsmedien die Eigenschaften der Dichtung verändern. Dabei dringen Bestandteile des Umgebungsmediums in die Dichtung ein oder lösen Bestandteile aus dieser heraus.

Die grundlegenden Beständigkeitseigenschaften legt bereits das Basispolymer des O-Ring-Werkstoffes fest. Die übrigen Mischungsbestandteile können diese und andere Eigenschaften in einem gewissen Rahmen gezielt verbessern. Wie gut ein Dichtungswerkstoff für den Einsatz in verschiedenen Medien geeignet ist, das sagt die Beständigkeitsliste des Herstellers aus. Mit potenziell schädlichen Medien kann die Dichtung bereits vor der Betriebsphase in Berührung kommen. So zählt die Verwendung ungeeigneter Montageöle oder –Fette zu einer verbreiteten Schadensursache. Selbst bei der Lagerung kann es diesbezüglich zu Fehlern kommen. Daher sollte die Lagerung von Gummierzeugnissen stets nach der Norm 7716 erfolgen.

#8 Zulassungen: Darauf kommt es an

Weniger aus der Perspektive der Haltbarkeit der Dichtung heraus, sondern aus Gründen der Verbrauchersicherheit bestehen in vielen Anwendungsbereichen für O-Ringe verpflichtende Werkstoffanforderungen. Die Konformität der Dichtungen mit diesen Anforderungen bestätigt in der Regel der Hersteller. In anderen Fällen vergeben anerkannte Prüfinstitute entsprechende Zulassungen. Ein Anwendungsbeispiel: In Anlagen für die Lebensmittelverarbeitung kommen Dichtungen häufig mit fettigen oder wässrigen Stoffen in Kontakt. Diese können Stoffe aus dem Dichtungswerkstoff lösen, die schließlich in den Organismus der Konsumenten gelangen und dort schädliche Folgen haben können. Entsprechende Lebensmittelzulassungen für Dichtungen geben Grenzwerte für die maximal zulässige Extraktion von Dichtungsbestandteilen vor. Zulassungen für O-Ringe zum Einsatz in Sauerstoff- oder Gasanlagen dienen daneben der direkten Unfallvermeidung

#9 Zulassungen: Darauf kommt es an

Neben der Montage bilden Fehler bei der Gestaltung des Einbauraums für O-Ringe einen Fehlerschwerpunkt. Bei der Konstruktion widmet der Ingenieur der Vermeidung scharfer Kanten und einer zu hohen Verpressung besondere Sorgfalt. Ersteres verhindert mechanische Schäden am O-Ring, während eine Verpressung im Sollbereich die Elastizität des O-Rings erhält. Hier ist entsprechend der Druckverformungsrest besonders gering. Durch dieses Handeln lassen sich viele vorzeitige Dichtungsausfälle verhindern, vorausgesetzt die fertigungstechnische Umsetzung wird den Ansprüchen gerecht. Dabei kommt es auf die Einhaltung der Toleranzen und die Bereitstellung von Bauteilen mit rückstandsfreien Oberflächen geringer Rautiefen an.

Gelingt es, während der Auslegung alle wichtigen Anforderungen zu beachten, dann kommen alle Vorteile eines richtig eingesetzten O-Rings zum Tragen: Niedriger Platzbedarf, einfache Montage, hohe Dichtwirkung bei geringen Verformungskräften und geringe Kosten.

#10 Der richtige Partner ist entscheidend

Vor dem Hintergrund der Komplexität der Dichtungsthematik ist es im alltäglichen Arbeiten hilfreichen einen kompetenten Partner an der Seite zu haben. Wir verstehen uns nicht nur als Lieferant, sondern auch als Dienstleister und Berater im Dichtungsbereich. Unsere Kunden profitieren neben unseren Produkten auch von unserer langjährigen Erfahrung im Bereich des Gummis und Kunststoffs. Bei Fragen rund um den Dichtungsbereich stehen Ihnen unsere Experten jederzeit gerne zur Verfügung.

Luke Williams
Luke Williams

Blogautor- und Vertriebsleitung
NH Dichtungsservice
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