Wie sie die richtige Dichtung für ihre hydraulische oder pneumatische Zylinderanwendung finden

Dichtungskomponenten sind eine der kleinsten Komponenten in Hydraulik- und Pneumatik-Systemen, jedoch von großer Bedeutung für die Effizienz, Langlebigkeit und Produktivität in Baumaschinen, Landmaschinen, dem Bergbau, Kunststoffmaschinen und der Fabrikautomation. Passt das Dichtungssystem nicht zur Anwendung kann dies große wirtschaftliche Folgen für den Maschinenbetreiber haben. Maschinenhersteller müssen bei der Wahl des Dichtungssystem viele Faktoren in Betracht ziehen und auf verlässliche Partner setzen. Dieser Artikel fasst die wichtigsten Aspekte zusammen.

Dichtungssysteme: Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit im Fokus

Die Auswahl geeigneter Dichtungen für hydraulische und pneumatische Systeme wird von globalen Trends beeinflusst, die sowohl technische Anforderungen als auch regulatorische Rahmenbedingungen verändern. In der Hydraulik werden zunehmend biologisch abbaubare Fluide wie HEES (Hydrauliköle auf Basis gesättigter synthetischer Ester) oder HETG (auf pflanzlicher Basis) eingesetzt, insbesondere in ökologisch sensiblen Bereichen wie der Land- und Forstwirtschaft. Diese Fluide stellen völlig andere Anforderungen an das Dichtungsmaterial als herkömmliche Mineralöle. Klassische Werkstoffe wie NBR (Nitrilkautschuk) sind hier oft unzureichend, weshalb höherwertige Materialien wie FKM (Fluorkautschuk) oder spezielle PU (Polyurethane) mit angepasster chemischer Beständigkeit erforderlich werden.

In der Pneumatik sorgt die immer höhere Dynamik der Prozesse in der Fabrikautomation in pneumatischen Applikationen wiederum für höhere Taktzahlen und kürzere Zykluszeiten. Damit einher geht eine deutlich gesteigerte Belastung der Dichtsysteme. Um Stick-Slip-Effekte (ruckartige Bewegungen infolge zu hoher statischer Reibung) zu vermeiden, müssen die Dichtungen eine sehr geringe Reibung bei gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit aufweisen. Werkstoffe wie PTFE (Polytetrafluorethylen) oder beschichtete Elastomere mit gleitmodifizierten Oberflächen kommen hier vermehrt zum Einsatz.

In der Mobilhydraulik sorgt die Elektrifizierung der Maschinen für immer höhere Ansprüche an die Antriebssysteme und somit auch an die Dichtsysteme. Kompaktere, energieeffizientere und oftmals leiser arbeitende Hydrauliksysteme sind gefordert, um für optimale Synergieeffekte mit den elektrifizierten Antrieben zu sorgen. Daraus ergeben sich Anforderungen an Dichtungen mit minimaler Leckage, geringe Reibverluste und optionaler Integration in digitale Condition-Monitoring-Systeme. Maschinen, die weltweit eingesetzt werden, müssen unter hochdiversen Umgebungs- und Umweltbedingungen sowie unter Beachtung unterschiedlicher länderspezifischer Normen zuverlässig funktionieren.

Für Maschinenkonstrukteure folgt aus diesen Rahmenbedingungen, dass die Wahl der Dichtungselemente alles andere als trivial ist. Verlässliche Partner, die mit kompetenter Beratung und einem umfassenden Dichtungslösungsportfolio aufwarten können, sind ein Muss für OEM, die zuverlässige und robuste hydraulische und pneumatische Systeme integrieren möchten.

Wirtschaftliche und rufschädigende Folgen von Leckagen

Undichtigkeiten und damit einhergehende Leckagen haben für Maschinenbetreiber und Maschinenhersteller diverse, teils schwerwiegende Folgen.
Treten Flüssigkeiten auf Mineralölbasis in Ökosysteme oder ins Grundwasser ein, führt dies zu enormen Umweltschäden und sind somit unbedingt zu vermeiden.
Für die verursachenden Firmen können solche Zwischenfälle erhebliche wirtschaftliche Folgen haben. Beim Austritt von Ölen und Gasen in die Umwelt drohen Bußgelder in Millionenhöhe. Für mittelständische Maschinenbetreiber können solche Summen unter Umständen den Weiterbestand des Geschäfts bedrohen.

Für Maschinenhersteller wiederum sind umfassende Leckagen rufschädigend und können den Absatz betroffener Maschinen und Geräte negativ beeinflussen. In jedem Fall führen Leckagen jedoch zu einem Wartungsfall und zum Maschinenstillstand. Je nach Einsatzgebiet kann auch dieser ungeplante Stillstand großen wirtschaftlichen Schaden nach sich ziehen.

*Abbildung 1 Steht eine Baustelle wegen einer Leckage still, wird es schnell teuer*

Typische Beispiele finden sich insbesondere in der Bau- und Landwirtschaft. Steht ein Straßenfertiger auf einer Baustelle ungeplant still, kann beispielsweise angelieferter Asphalt im schlimmsten Fall nicht im vorgesehenen Temperaturfenster verarbeitet werden. Verzögerungen im Bauprozess können empfindliche Vertragsstrafen oder Schadenersatzansprüche nach sich ziehen.
Kommt es mitten in der Ernte zum Ausfall eines Mähdreschers, kann dies für den betroffenen Landwirt teuer werden. Durch die Verzögerung kann es zu Ernte- oder Qualitätsverlusten kommen, etwa durch Schimmelbildung infolge zu großer Feuchtigkeit.

Undichte pneumatische Systeme haben zwar keine negativen Folgen für die Umwelt, führen jedoch zu Fertigungsproblemen und in jedem Fall zu erhöhten Kosten für den Maschinenbetreiber. Leckagen können beispielsweise zu inkonsistentem Verhalten pneumatischer Greifer führen und somit bis zum Produktionsstillstand aufgrund notwendiger Wartung führen. Ausweichende Druckluft stellt zudem einen enormen Kostenfaktor dar. Leckagen sind folglich aus einer Vielzahl an Gründen zu vermeiden. Dichtungssysteme sind entscheidend, um Kosten zu vermeiden und das Image zu bewahren.

Generelle Aspekte bei der Wahl einer Dichtung

Die Auswahl der passenden Dichtung ist somit für die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit hydraulischer und pneumatischer Zylinder entscheidend. Falsche Materialwahl, unzureichende Medienbeständigkeit oder ungünstige Einbaubedingungen können zu Ausfällen, Leckagen oder vorzeitigem Verschleiß führen. Dabei sind folgende Faktoren grundsätzlich zu berücksichtigen:

• Unterschiedliche Belastungen und Umgebungsbedingungen

Hydraulische und pneumatische Zylinder arbeiten unter unterschiedlichsten Bedingungen. Extreme Witterungsbedingungen, starke Druckspitzen, hohe Temperaturen, die Dynamik des Prozesses oder der Kontakt mit aggressiven Medien sind nur einige Aspekte, die Maschinen- und Subsystemkonstrukteure in Betracht ziehen müssen.

• Medienbeständigkeit

Verschiedene Fluide, verschiedene Eigenschaften: klassische Mineralöle, synthetische Fluide, bioabbaubare Öle oder Druckluft stellen unterschiedlichste Anforderungen an die verwendeten Dichtungsmaterialen.

• Reibung und Verschleiß

Eine zu hohe Reibung führt zu Energieverlusten und kann Stick-Slip-Effekte erzeugen. Gleichzeitig muss die Dichtung verschleißfest genug sein, um hohe Zyklenzahlen zu überstehen, sonst drohen Leckagen.

• Oberflächenrauheitswerte und -güte

Dichtungen arbeiten im Kontakt mit gleitenden oder beweglichen Oberflächen. Ist die Oberfläche zu rau, kann das den Verschleiß beschleunigen, zu Leckagen oder der Zerstörung der Dichtung führen. Ist die Dichtungsoberfläche hingegen zu glatt, verhindert dies den Aufbau des notwendigen Schmierfilms oder kann zu Stick-Slip-Effekten führen. Daher kommt es auf die optimale Bearbeitung der Dichtung an, um den bestmöglichen Rauheitswert und die optimale Oberflächengüte sicherzustellen. Hierzu werden bei der Produktion Mikro- und Makrostrukturen eingebracht.

• Materialauswahl

Dichtungen für hydraulische und pneumatische Anwendungen gibt es aus verschiedenen Materialien. Diese verfügen über individuelle Vorteile, wie die untenstehende Übersicht zeigt.

Material	Eigenschaften	Typische Anwendung
NBR (Nitrilkautschuk)	Gute Ölbeständigkeit, begrenzte Temperaturfestigkeit	Standard-Hydraulik-zylinder-Anwendungen
FKM	Exzellente Chemikalien- und Temperatur-beständigkeit	Anwendungen mit heißen Fluiden, z.B. Kunststoffmaschinen
PU (Polyurethan)	Sehr abriebfest, mechanisch stabil	Hochdruckanwendungen, z.B. in Baumaschinen
PTFE	Sehr geringe Reibung, medienresistent	Dynamische Anwendungen mit hohem Druck und hohen Geschwindigkeiten

Worauf es bei Dichtungen für hydraulische Zylinder ankommt

Hydrauliksysteme werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, darunter geringer Wartungsaufwand, einfache Handhabung, lange Lebensdauer und hoher Leistungsdichte in verschiedenen Branchen eingesetzt. In diesen Systemen sind Hydraulikzylinder für Funktionen wie Pressen, Heben und Schieben zuständig. Zu den häufigsten Anwendungsbereichen gehören:

Landwirtschaft
Bergbau
Baumaschinen
Hydraulikpressen
Eisen- und Stahlindustrie
Mobile Geräte

Die Auswahl der Dichtung erfordert ein ganzheitliches Verständnis des Systems: Druck, Medium, Dynamik, Einbauraum und Betriebsbedingungen müssen zusammengedacht werden. Diese zentralen Aspekte entscheiden über die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer eines Hydrauliksystems. Nur so lassen sich Leckagen, Energieverluste und frühzeitiger Verschleiß vermeiden.

Konstrukteure mobiler Maschinen oder von stationärhydraulischen Anlagen sollten bei der Wahl der Dichtung für ihre Zylinderanwendung daher auf Folgendes achten.

• Hohe Druckbeständigkeit

Hydraulische Zylinder arbeiten mit Betriebsdrücken von 100–400 bar, Druckspitzen in Hochdruckanwendungen können nochmals deutlich höher liegen. Dieser extreme Druck kann zur Extrusion, also dem Herauspressen des Dichtmaterials aus dem Dichtspalt, führen. Das Dichtungsmaterial muss somit für diese Druckspitzen ausgelegt sein. Hierfür können beispielweise Stütz- oder Back-Up-Ringe eingebracht werden.

• Temperaturbeständigkeit und Medienverträglichkeit

Gerade bei mobilen Maschinen können die Umgebungstemperaturen extrem schwanken. Die hydraulischen Systeme müssen zuverlässig bei Tiefsttemperaturen von –40 °C bis zu Wüstenhitze von +50 °C arbeiten. Hinzu kommt die einwirkende Hydrauliköltemperatur von bis zu +150 °C. Das Hydraulikfluid hat angesichts der immer stärker variierenden Zusammensetzungen, von Mineralöl bis hin zu synthetischen Ester-basierten Fluiden, ebenfalls einen großen Einfluss auf die verwendete Dichtung. Das verwendete Dichtungsmaterial muss sowohl diesem weiten Temperaturbereich als auch den unter Umständen aggressiven Medien gewachsen sein. Die Verwendung des falschen Materials kann zur Quellung, zu Rissen oder zum Aushärten der Dichtung führen und somit die Dichtwirkung negativ beeinflussen.

• Dichtgeometrie und Abriebfestigkeit

Die Dichtunsgeometrie hat unmittelbaren Einfluss auf die erzeugte Reibung im System. Zu hohe Reibung erhöht den Energieverbrauch, kann zu Stick-Slip-Effekten (ruckartiges Anfahren) führen und die Bauteile erwärmen. Sie hat somit unmittelbaren Einfluss auf die Produktivität und Effizienz der Maschine. Leistungsfähige Lösungen setzen daher auf Mehrlippendichtungen oder eine Asymmetrie in der Dichtgeometrie, um den Schmierfilm optimal zu halten und die Reibung zu reduzieren. Denn Kolben- und Stangendichtungen in Hydraulikzylinder werden über Millionen Hübe dynamisch belastet und müssen dennoch jederzeit für eine gleichmäßige Abdichtung sorgen. Der Ölfilm zwischen Dichtung und Gegenlauffläche ist dabei entscheidend. Auch die auf die Dichtung wirkende Vorspannung muss im richtigen Maß gewählt werden, um Reibung und Leckagen zu vermeiden.

Angesichts der enormen wirkenden Kräfte in der Hydraulik müssen Querkräfte davon abgehalten werden, auf die Dichtung zu wirken. In der Folge könnte es sonst zu ungleichmäßiger Abdichtung und Verschleiß kommen. Zu diesem Zweck werden Führungsringe eingesetzt, die diese Kräfte aufnehmen.

Nicht zuletzt arbeiten insbesondere mobile Maschinen in staubigen oder verschmutzten Umgebungen. Das Dichtsystem hat die Aufgabe diese Schmutzpartikel aus dem Zylinderantrieb herauszuhalten. Feste Partikel im Zylindersystem können die Hubqualität beeinflussen, die Stangenoberfläche beschädigen und durch Störung des Schmierfilms zu Leckagen und Verschleiß führen. Kombinationen aus Stangendichtungen und Abstreifer, üblicherweise aus PU oder PTFE, können ein wirksames Mittel gegen Kontamination sein. In anspruchsvollsten Anwendungen kann der Einsatz geschlossener Dichtsysteme oder von Mehrfachdichtungssystemen notwendig sein.

Für Wartungsfälle sollte zudem die Montagefreundlichkeit berücksichtigt werden, gerade in Anwendungen in denen lange Serviceeinsätze und Maschinenstillstände große wirtschaftliche Folgen haben können.

• Oberflächengüte der Gegenlaufflächen

Auch in hydraulischen Anwendungen ist das Zusammenspiel der Dichtung mit der Kolbenstange bzw. Zylinderbohrung ein entscheidender Faktor für eine zuverlässige Abdichtung. Für die Dichtkontaktfläche, z. B. Kolbenstange oder Wellenbereich, fordert die ISO 6194-1 zum Beispiel bei gehärteten und geschliffenen Wellenoberflächen eine Rauheit von Ra = 0,2 µm bis 0,63 µm sowie einen maximalen Spitzenwert von R_max = 0,8 µm bis 2,5 µm.
Für die Gehäusebohrung darf die Oberfläche maximal Ra ≤ 3,2 µm oder R_max ≤ 12,5 µm betragen – wiederum unter Bezug auf die ISO 468.

Worauf es bei Dichtungen für pneumatische Zylinder ankommt

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Umgebungsbedingungen und Anforderungen von hydraulischen und pneumatischen Dichtungselementen essenziell. Worauf kommt es bei pneumatischen Dichtungen besonders an?
Pneumatische Zylinder arbeiten mit geringen Drücken, üblicherweise bis maximal 10 bar. Die Bewegungen der Zylinder sind oft schnell, kurz und hochfrequent. Schon geringe Haftreibung kann zu Stick-Slip führen. Pneumatische Dichtungen müssen somit gleitfreudig sein, z. B. durch Einsatz von PTFE oder speziell beschichtetem PU. Druckluft enthält oft wenig Schmiermittel oder ist völlig trocken, z. B. bei Reinraumanwendungen. Die Dichtungswerkstoffe müssen somit auch ohne Schmierung funktionieren, sonst drohen schneller Verschleiß oder Dichtungsausfall. Die Dichtung muss zudem verträglich mit Druckluftzusätzen wie Kondensat-Öl, Trocknungsmitteln oder Reinigungsgasen sein. Hierfür haben sich FKM-Werkstoffe bewährt.
Anders als in der Hydraulik, in der der Systemdruck die Dichtwirkung zusätzlich aktiviert, müssen pneumatische Dichtungen auch ohne diese Druckeffekte abdichten. Daher ist eine gute Vorspannung der Dichtung oder spezielle Geometrie zur Abdichtung im Niederdruckbereich notwendig.
Zur Vermeidung von Kontamination durch Partikel, die sich in pneumatischen Anlagen immer sammeln können, und daran anschließende Leckagen müssen ggf. Dichtungssysteme mit Abstreifern oder integrierten Filtern eingesetzt werden.
Pneumatische Zylinder absolvieren oft Millionen von Zyklen – z. B. in Verpackungsmaschinen oder in der Automation. Daher müssen Dichtungen in diesen Anwendungen verschleißarm, thermisch stabil und dynamisch belastbar sein.
Insbesondere in pneumatischen Systemen können ungeeignete Oberflächenrauheiten (insbesondere am Nutgrund) zu Leckagen führen. In pneumatischen Systemen wird empfohlen, dass die dynamische Arbeitsfläche der Stange eine Härte zwischen 55 und 60 HRC aufweist und mit 25 bis 40 μm hartverchromt ist. Es wird empfohlen, die Bohrungsoberflächen durch Verfahren wie Honen, Schleifen und Harteloxieren zu bearbeiten.
Die Rauheit Rmax ist der wichtigste Bestandteil der Oberflächengütespezifikation nach DIN ISO 4287. Rmax ist die größte Einzelrautiefe der Einzelmessstrecken. Rz entspricht dem arithmetischen Mittelwert der Einzelrautiefen aller Einzelmessstrecken. Zur Bewertung der dynamischen Lauffläche sollte der Koeffizient aus den Einzelmesswerten der Rautiefe Rp und der gemessenen Rauheit Rz herangezogen werden. Rp bezeichnet den Abstand von der Mittellinie zur höchsten Profilspitze innerhalb der Einzelmessstrecke. Profile mit Rp/Rz < 0,5 sind hinsichtlich Verschleiß und Lebensdauer von Elastomer-Dichtelementen ein geeigneter Wert für pneumatische Anwendungen. Rp/Rz > 0,5 führt zu frühzeitigem Verschleiß von Dichtelementen in offenen Profilen.

Quelle:

Die richtige Dichtungslösung für ihre Anwendung

Kastas Sealing Technologies mit Sitz in Izmir, Türkei, ist seit mehr als 40 Jahren einer der führenden Partner von Premium-Maschinenherstellern. Das erfahrene F&E-Team entwickelt maßgeschneiderte Lösungen für die anspruchsvollsten Anwendungen, von Standardlösungen zu kundenspezifischen Sonderlösungen. Kastas hält alle Gewerke in-house bereit, um Dichtungselemente von Grund auf neu zu denken. Mit den 40.000 m2 großen Fertigungsanlagen kann das Unternehmen alle Prozesse vom Produktdesign über die Beschaffung des Rohmaterials bis zur Produktion in-house ausführen. Vor der Produktion von Prototypen setzt das Kastas-Entwicklungsteam auf umfassende Simulationen, wie etwa die Finite-Elemente-Analyse, um Entwicklungskosten zu reduzieren und bestmögliche Lösungen zu kreieren. Hierzu trägt zudem die hauseigene Entwicklung von Elastomer-Verbundstoffen bei, um die stetig steigenden Anforderungen in der Fluidtechnik erfüllen zu können. Das in-house Prüf- und Testzentrum erlaubt es Kastas seine Dichtungslösungen für Hydraulik- und Pneumatikkolben und –stangen vor Inverkehrbringung unter Hoch- und Niedrigdruck umfassend auf Leckage, Reibung, Verschleiß, Extrusion, Temperaturbeständigkeit und hinsichtlich des Stick-Slip-Effekts zu testen.
Das Kastas-Produktportfolio umfasst Stangen- und Kolbendichtungen für alle hydraulischen und pneumatischen Zylinderanwendungen, statische Dichtungen, Abstreifer, Führungselemente, O-Ringe und Rotationsdichtungen. Insgesamt stehen mehr als 15000 Varianten für den Einsatz in Baumaschinen, Landmaschinen, der Mobilhydraulik, Industrie, Bergbau und Metallverarbeitung bereit. Hier geht es zum Produktportfolio von Kastas: https://www.kastas.com/de/produkte

Mit SmartSeal bietet Kastas einen Produktionsservice, mit dem innerhalb von 24 Stunden auf dringende und spezielle Kundenanforderungen reagiert werden kann. Mit hochmodernen CNC-Anlagen werden innerhalb von Minuten kundenspezifische Dichtungslösungen realisiert.
Der SmartSeal Service umfasst darüber hinaus die kundenspezifische Fertigung von Halbzeugen zur Dichtungsproduktion. SmartSeal Material Solutions produziert hochleistungsfähige Polymer-Halbzeuge, hauptsächlich aus PTFE, Polyurethan und Verbundwerkstoffen, in einer Vielzahl von Größen und Materialvarianten unter Verwendung hochwertiger Rohstoffe. MoMehr zum SmartSeal Service: https://www.kastas.com/de/smartseal-de

Um die Beschaffung von Dichtungslösungen noch kundenfreundlicher zu gestalten, bietet Kastas mit seal-Link einen eigenen Onlineshop an. Über eine intelligente Suche und intuitive Filterfunktionen finden Interessenten schnell und einfach die passende Dichtung für ihre Anwendung sowie Information zur Lagerverfügbarkeit und den Produktpreisen. Alternativ stehen eine Vielzahl an Kategorien bereit, um sich einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Produkte zu verschaffen.
Hier geht es zum seal-Link Onlineshop: https://www.seal-link.com/de-DE/

Hersteller von Baumaschinen, Landmaschinen, Kunststoffmaschinen, Anlagen für die Fabrikautomation und den Bergbau finden mit Kastas Sealing Technologies einen kompetenten und erfahrenen Partner, der sowohl durch seine Expertise in der Forschung und Entwicklung als auch der Produktion überzeugt. Konstrukteure dieser Maschinen können darauf vertrauen, dass sie von erfahrenen Vertriebsingenieuren beraten werden, und so die beste Dichtungslösung für ihre Anwendung finden. Kastas verfügt über ein internationales Vertriebsnetzwerk in 80 Ländern. Kastas Europe mit Sitz im Norden von Hamburg verfügt über ein eigenes Vertriebszentrum, das das gesamte Sortiment bereithält und eine europaweite Lieferung innerhalb von 24 Stunden gewährleistet.

Anwendungsbeispiele Baumaschinen

Baumaschinen sind hoch komplexe Maschinen, die unter extremen Umgebungsbedingungen (Hitze, Kälte, Staub, Schmutz, Feuchtigkeit) hohe Leistung über Jahrzehnte ihrer Betriebslebensdauer erbringen. Um die notwendige Leistungsdichte zu gewährleisten, arbeiten sie mit Hochdruck-Hydraulik-Systemen. Daher sind Dichtungselemente mit hoher Dichtwirkung erforderlich, die sich durch eine perfekte statische und dynamische Dichtleistung, geringe Reibung, Widerstandsfähigkeit gegen Extrusion und lange Lebensdauer auszeichnen.
Durch den Einsatz von Hochleistungsmaterialien und -verbundstoffen, die hohen und niedrigen Temperaturen standhalten und die Medienverträglichkeit sicherstellen, gestaltet und entwickelt Kastaş Sealing Technologies innovative und zuverlässige Lösungen, die diesen Anforderungen gerecht werden.
Mehr Informationen zu den Branchenlösungen von Kastas finden Sie hier: https://www.kastas.com/en/documents-literature

• Dichtungssystem für Radlader und Bagger