Primerloses Verbinden von Kautschuk und Polyamid

In der Automobilherstellung sind die meisten Produktionsschritte automatisiert. Schnelligkeit und Präzision sind wichtige Aspekte der Fertigung, um einerseits qualitativ hochwertige Produkte herzustellen und andererseits anfallende Kosten möglichst gering zu halten. Dabei haben Kunststoffe aufgrund ihrer positiven technischen Eigenschaften in der Automobilproduktion mittlerweile einen hohen Anteil, nicht nur im Innenraum, sondern auch in der Karosserie und im Motorenraum. Hierzu gehören beispielweise auch Dichtungen und Kabelkanäle.

Der Automobilzulieferer Dana Corporation aus Neu-Ulm entwickelte und produziert eine sogenannte ,Window Gasket‘. Ein Dichtungssystem, in dem die Leitungen durch die Dichtebene geführt werden können. Für dieses System wird eine Spritzgießtechnologie eingesetzt, die den Ethylenacrylat-Kautschuks (AEM) Vamac der Dichtung mit dem Polyamid (PA) Zytel als Gerüst verbindet. Mit dem Zweikomponenten-Verfahren, das DuPont als alleiniger Lizenznehmer der Evonik Degussa nutzt, lassen sich Kautschuk und Kunststoff direkt, also primerlos koppeln. „Hierfür ist das Polyamid auf chemischen Weg kautschukfreundlich ausgestattet und kann Elastomere besser anbinden", erklärt Dr. Wolfgang Steinhoff, Senior Technology Chemist bei DuPont de Nemours. „Das Prinzip funktioniert auch mit anderen Elastomeren als Ethylenacrylat-Kautschuk , wie zum Beispiel mit Fluoroelastomeren FKM. Die technische Vorteile kommen vor allem im Automobilbereich zum tragen, weil die Werkstoffe chemisch resistent, d.h. zum Beispiel gegen Kraftstoffe beständig sind. Andere Polyamide als das spezielle Zytel sind derzeit noch nicht zur Anpassung vorgesehen."

Höhere Produktivität und Kosteneffizienz
Weil dabei diesem Verfahren weder ein Primer aufgebracht werden muss noch mechanische Fixierungen erforderlich sind, vereinfacht sich Montage erheblich. Das bietet zum Beispiel Tier-1-Zulieferern der Automobilindustrie, wie Dana, die Möglichkeit, die Kosteneffizienz und die Produktivität bei der Herstellung multifunktionaler Komponenten ebenso zu steigern. Ebenso wie deren Qualität und Zuverlässigkeit, die auch nach Alterung bei hohen Temperaturen und unter Einwirkung Kfz-typischer Medien erhalten bleiben.
Die hoch integrierte Dichtung von Dana ermöglicht, einen oder mehrerer Kabelbäume zur Stromversorgung oder zur Übertragung elektronischer Signale ohne zusätzliche Bohrung, zum Beispiel im Motorblock, einfach durchzuführen. Auch die Verwendung variabler Steckverbindungen, beispielsweise von Stromverbindungen für Elektromagnete, Schalter, Benzineinspritzung oder Sensoren, ist möglich. Der hier verwendete Zytel PA-66-Typ verbindet sehr gute mechanische Eigenschaften mit sehr guter Hochtemperatur-, Wärmealterungs-, Hydrolyse- und Ölbeständigkeit. Als Zytel RS bietet der Hersteller Polyamid-Varianten an, die zu 60 % aus Rizinusöl bestehen. Das Elastomer Vamac zeichnet sich in dieser Anwendung durch seine hohe Dichtwirkung, eine niedrige Permeabilität und eine sehr hohe Beständigkeit gegen Fette und Öle aus. Darüber hinaus bieten Dichtungen aus Vamac einen geringen Druckverformungsrest und damit einen langzeitigen Erhalt der Dichtkraft, so dass eine Wiederverwendung nach der Demontage möglich ist. Damit hilft dieser Verbund aus der Dichtlippe und dem Dichtungsträger signifikant, das Auftreten von Leckagen zu verhindern.

Dazu Berthold Schiele, Vertriebsingenieur und Projektmanager für Kunststoffsysteme bei Dana: „Die größte Herausforderung war, Komponenten aus Metall, Thermoplast und Gummi im Bereich der Fenster (der Durchbrüche für die Kabeldurchführung) sicher zu verbinden. In enger Zusammenarbeit mit DuPont ist es uns gelungen, die Kunststoffe ebenso wie die Verfahrenstechnik so zu modifizieren, dass die Haftung zwischen den Kunststoffen über die ganze Dichtfläche optimal ist. Tatsächlich übertrifft das Ergebnis unsere Erwartungen. Wir haben die Verbindung zwischen dem PA-Träger und der AEM-Dichtung in einem speziellen Zugversuch geprüft. Dabei hat sich gezeigt, dass die Kräfte, die zum Trennen der beiden Komponenten aufgebracht werden müssen, deutlich jenseits der üblichen Betriebsbelastungen liegen. Darum sehen wir ein beachtliches Potenzial für zukünftige Anwendungen dieser Technologie und Werkstoffpaarung."

In der Praxis erprobt
Als hoch integrierte Einheit mit vormontierter Verkabelung kann die ,Window Gasket‘ von Dana die Montagezeit um 30 bis 40% verkürzen. Zudem entfällt die Notwendigkeit, Bohrungen zum Beispiel in Zylinderköpfe einzubringen, Kabel einzuführen und deren korrekte Verlegung zu prüfen. Auch nach Wartungsarbeiten sichert sie die korrekte Positionierung aller elektrischen Anschlüsse. Insgesamt ermögliche dieses Dichtsystem Kosteneinsparungen in Höhe von 25 bis zu 40% im Vergleich mit herkömmlichen Dichtungen und separater Verkabelung, so dass sich die erforderliche Investition in den Maschinenpark für das primerlose Spritzgießsystem in kurzer Zeit rechnen dürfte.

Die ,Window Gasket‘ hat erfolgreich einen Feldtest über mehr als 200 000 km absolviert und die Anforderungen der branchentypischen Tests erfüllt oder übertroffen, darunter Prüfungen des Verhaltens unter Wärmealterung, unter Einwirkung der im Motor auftretenden Temperaturen und Schmiermittel sowie unter dynamischer Belastung. Bereits kurz darauf ging das neue Dichtsystem bei großen Herstellern von Dieselmotoren für Baumaschinen, landwirtschaftliche Fahrzeuge, den stationären und den maritimen Einsatz in Serie. Die erste europäische Serienanwendung erfolgte nach umfangreichen Labor- und Feldtests Anfang 2010 in großen Dieselmotoren von MTU, Deutz und Liebherr.