JÄGER Busi­ness Blog

Fünf Fak­ten über Gum­mi-Metall-Ele­men­te,

die Sie beach­ten sollten

15.03.2022   |  Andrej Kisselmann

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Gum­mi-Metall-Puf­fer gehö­ren zu den häu­figs­ten Anwen­dun­gen für Elas­to­me­re. Sie kom­men immer dann zum Ein­satz, wenn Maschi­nen oder Anla­gen vor Vibra­tio­nen und Erschüt­te­run­gen geschützt wer­den sol­len. Obwohl sie sim­pel erschei­nen, ist ihre Kon­struk­ti­on kom­plex, denn es gibt eine Men­ge Ein­fluss­fak­to­ren zu beachten.

Hier sind fünf Fak­ten über Gum­mi-Metall-Ele­men­te, die Unter­neh­men im Auge behal­ten sollten.

1. Gum­mi-Metall-Ele­men­te haben streng genom­men drei Komponenten

Gum­mi und Metall gehen nicht ohne Wei­te­res eine dau­er­haf­te Ver­bin­dung ein. Zwar ist es mög­lich, eine Direkt­haf­tung durch Pro­zess­steue­rung und Kom­pa­ti­bi­li­tät der bei­den Kom­po­nen­ten zu erzeu­gen, aller­dings ver­langt dies erheb­li­chen Auf­wand und Know-hows. In der Regel ver­wen­den Unter­neh­men einen Haft­ver­mitt­ler, der als che­mi­sche Brü­cke dient und die Adhä­si­ons­ei­gen­schaf­ten bei­der Ele­men­te ver­bes­sert. Streng genom­men bestehen Gum­mi-Metall-Ele­men­te daher nicht aus zwei, son­dern aus drei Ele­men­ten: Elas­to­mer, Metall und Haft­ver­mitt­ler.

Es ist wich­tig, dass der Haft­ver­mitt­ler wäh­rend der Pro­duk­ti­on eben­falls Beach­tung fin­det. Wird er beschä­digt oder in Mit­lei­den­schaft gezo­gen, droht eine Beein­träch­ti­gung der Ver­bin­dung zwi­schen Gum­mi und Metall.

Bei­spiels­wei­se kann der Haft­ver­mitt­ler Scha­den neh­men, wenn er zu hohen Tem­pe­ra­tu­ren zu lan­ge aus­ge­setzt ist. Spritz­guss­werk­zeu­ge sind jedoch vor­tem­pe­riert, um den Vul­ka­ni­sa­ti­ons­pro­zess zu beschleu­ni­gen. Daher gilt es, die Beleg- und For­m­of­fen­zei­ten von Gum­mi-Metall-Ele­men­ten zu redu­zie­ren. Auf die­se Wei­se ver­mei­den Sie eine Beschä­di­gung des Haftvermittlers.

2. Die Pro­jekt­an­for­de­run­gen gel­ten auch für ein­zel­ne Kom­po­nen­ten eines Gummi-Metall-Elements

Gum­mi-Metall-Ele­men­te bestehen aus ver­schie­de­nen Werk­stoff­grup­pen, die che­misch zusam­men­ge­fügt wer­den. Im Gegen­satz zu Ver­bund­werk­stof­fen behal­ten die Mate­ria­li­en nach der Vul­ka­ni­sie­rung jedoch ihre indi­vi­du­el­len Cha­rak­te­ris­ti­ka. Die­ser Umstand soll­te auch bei Kon­struk­ti­on und Mate­ri­al­aus­wahl Beach­tung fin­den. Alle Kom­po­nen­ten müs­sen die Pro­jekt­an­for­de­run­gen erfül­len, andern­falls ist das kom­bi­nier­te Ele­ment für den vor­ge­se­he­nen Anwen­dungs­zweck nicht geeignet.

Bei­spiels­wei­se müs­sen sowohl das Elas­to­mer als auch das Metall die rich­ti­ge (Shore-)Härte bzw. Güte auf­wei­sen, damit sie der zu erwar­ten­den Belas­tung gerecht wer­den. Glei­ches gilt für Resis­ten­zen. Ist das Ele­ment etwa für den Außen­ein­satz gedacht, müs­sen alle Kom­po­nen­ten im Rah­men der Mög­lich­kei­ten für den Außen­ein­satz opti­miert sein. Das Metall z.B. soll­te eine zum Ein­satz­zweck pas­sen­de Kor­ro­si­ons­be­schich­tung auf­wei­sen und das Elas­to­mer in sei­ner Mischungs­zu­sam­men­set­zung ent­spre­chen­de Eigen­schaf­ten mit sich bringen.

3. Die Geo­me­trie des Gesamt­sys­tems ist entscheidend

Wenn Gum­mi-Metall-Ele­men­te gro­ße Las­ten tra­gen sol­len, ist bei­spiels­wei­se neben der Bau­teil­geo­me­trie, auch die Gewichts­ver­tei­lung / der Schwer­punkt der Anla­ge von gro­ßer Bedeu­tung. Dies ist zum Bei­spiel bei Maschi­nen­fü­ßen der Fall. Neben der Bau­teil­geo­me­trie und Här­te, die aus­schlag­ge­bend für die Stei­fig­kei­ten des Lagers sind, spielt in Bezug auf sta­ti­sche Belas­tung und dyna­mi­sche Per­for­mance auch die Ein­bau­si­tua­ti­on der Lager und die Geo­me­trie der Maschi­ne eine wich­ti­ge Rol­le. Wenn der Schwer­punkt exakt in der Mit­te liegt, wer­den alle Stand­fü­ße gleich­mä­ßig belas­tet. Ist die Maschi­ne jedoch asym­me­trisch kon­stru­iert, wird die Last ungleich­mä­ßig ver­teilt. Dadurch sind ein­zel­ne Maschi­nen­fü­ße höhe­ren sta­ti­schen, sowie dyna­mi­schen Belas­tung aus­ge­setzt als ande­re. Wird die­ser Umstand bei der Kon­struk­ti­on und Aus­le­gung der Lager nicht berück­sich­tigt, kön­nen die­se Kom­po­nen­ten im Ein­satz nach kur­zer Betriebs­zeit aus­fal­len, was wei­ter­ge­hen­de Schä­den an der Maschi­ne ver­ur­sa­chen kann.

Bei der Ent­wick­lung von Gum­mi-Metall-Ele­men­ten soll­ten daher gewis­se Ein­gangs­grö­ßen beach­tet wer­den. Die sta­ti­sche Last­ver­tei­lung, sowie wei­ter­ge­hen­de Kenn­grö­ßen (z.B. Fre­quen­zen, Ampli­tu­den etc.), sind wich­ti­ge Ein­gangs­grö­ßen, denn von die­sen hängt, vor­aus­ge­setzt eine kor­rek­te Bau­teil­aus­le­gung, die Gesamt­per­for­mance ab.

Ingenieur bedient Maschine

Berech­nung der sta­ti­schen Last­ver­tei­lung einer Anlage

4. Dämp­fung und Ent­kopp­lung haben unter­schied­li­che Anforderungen

Gum­mi-Metall-Ele­men­te wer­den haupt­säch­lich dazu ver­wen­det, Erschüt­te­run­gen und Vibra­tio­nen zu redu­zie­ren. Hier­bei ist es wich­tig, beson­ders zwi­schen bspw. einer Dämp­fung und einer Ent­kopp­lung zu unterscheiden:

Die­se Unter­schei­dung ist wich­tig, da sie sich unmit­tel­bar auf die Mate­ri­al­aus­wahl aus­wirkt. Jedes Elas­to­mer hat unter­schied­li­che che­mi­sche und phy­si­ka­li­sche Eigen­schaf­ten und reagiert anders auf Ener­gie­ein­tra­gung. Das Spei­cher­mo­dul (G‚) beschreibt die Ener­gie, wel­che nach Aus­übung einer Kraft auf das Lager gespei­chert wird und nach Ent­las­tung des Lagers wie­der gewon­nen wer­den kann. Das Ver­lust­mo­dul (G„) beschreibt hin­ge­gen den vis­ko­sen Anteil eines Mate­ri­als und damit den Ver­lust­an­teil der Ener­gie, wel­cher durch inne­re Rei­bung in Wär­me umge­wan­delt wird

Natur­kau­tschuk hat einen hohen Spei­cher­mo­dul und einen gerin­gen Ver­lust­mo­dul, weist also nur wenig ener­ge­ti­sche Dis­si­pa­ti­on auf. Dem­zu­fol­ge ist Natur­kau­tschuk als Mate­ri­al für dämp­fen­de Ele­men­te kaum geeig­net, denn er wan­delt nur wenig kine­ti­sche Ener­gie in ther­mi­sche um. Dafür ver­fügt er über her­vor­ra­gen­de Ent­kopp­lungs­ei­gen­schaf­ten. Bei Butyl ist es umge­kehrt. Es weist, ver­ein­facht aus­ge­drückt, einen hohen Ver­lust­mo­dul und einen gerin­gen Spei­cher­mo­dul auf, eig­net sich also sehr gut für dämp­fen­de Komponenten.

Bei der Grund­po­ly­mer­aus­wahl müs­sen Sie, zusätz­lich zu Ein­gangs­grö­ßen wie Anre­gungs­fre­quen­zen, dyna­mi­sche bzw. sta­ti­sche Belas­tun­gen oder Umge­bungs­tem­pe­ra­tu­ren somit auch beach­ten, ob das zu kon­stru­ie­ren­de Ele­ment spä­ter dämp­fen oder ent­kop­peln soll.

5. Gum­mi-Metall-Ele­men­te sind schwer zu recyceln

Gum­mi-Metall-Ver­bin­dun­gen las­sen sich nur mit sehr viel Auf­wand von­ein­an­der lösen. Dies erschwert das Recy­cling sol­cher Pro­duk­te. Bei­de Werk­stof­fe getrennt zu ent­sor­gen, erfor­dert einen kom­ple­xen Ver­wer­tungs­pro­zess mit hohem Ener­gie­auf­wand, der wirt­schaft­lich kaum zu ver­tre­ten ist. Aus die­sem Grund wer­den Gum­mi-Metall-Ele­men­te meist nicht recy­celt, son­dern depo­niert. Dies wirkt sich auf die Nach­hal­tig­keits­zie­le des Unter­neh­mens aus.

Rat­sam ist daher, bei der Kon­struk­ti­on von Gum­mi-Metall-Ele­men­ten auf eine mög­lichst lan­ge Lebens­dau­er zu ach­ten. Die ver­wen­de­ten Mate­ria­li­en soll­ten robust und alte­rungs­be­stän­dig sein. Abnut­zungs­er­schei­nun­gen soll­ten (wenn mög­lich) auf geo­me­tri­scher Ebe­ne mini­miert wer­den. Dies redu­ziert nicht nur Abfäl­le, son­dern senkt oben­drein die War­tungs- und Reparaturkosten.

Fazit

Gum­mi-Metall-Ele­men­te sind kei­nes­falls nur ergän­zen­de Kom­po­nen­ten, um Moto­ren oder Pum­pen vor Stö­ßen zu schüt­zen und Geräu­sche abzu­dämp­fen. Bei ihrer Kon­struk­ti­on gibt es vie­le Fak­to­ren zu beach­ten, von Anre­gungs­fre­quen­zen über sta­ti­sche Las­ten bis hin zu den dis­si­pa­ti­ven Eigen­schaf­ten des Grund­po­ly­mers. Wer die­se Kom­ple­xi­tät unter­schätzt, ris­kiert einen Aus­fall im lau­fen­den Betrieb, der im schlimms­ten Fall wei­te­re Schä­den an Maschi­nen nach sich zie­hen kann.

White­pa­per:
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Mitarbeiter Andrej Kisselmann von Jäger Gummi und Kunststoff in Hannover

Der Autor

Andrej Kis­sel­mann

Andrej Kis­sel­mann ist Absol­vent des Wei­ter­bil­dungs­stu­di­ums Kau­tschuk­tech­no­lo­gie an der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver. Seit 2011 ist er bei Jäger im zen­tra­len Pro­dukt­ma­nage­ment sowie im tech­ni­schen Ver­trieb tätig.

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