Dichtungsschäumen mit dem FIPFG-Verfahren

Der Industriestandard für viele Branchen

 

Das Dichtungsschäumen mit der FIPFG- (Formed In-Place Foam Gasket) Dosiertechnik ist im Vergleich zu konventionellen Einlegedichtungen (EPDM, TPE, NBR) deutlich wirtschaftlicher und effizienter. Die flüssige oder thixotrope 2-Komponenten Dichtmasse wird über den in der Regel beweglichen  Mischkopf der Dosieranlage von Sonderhoff direkt („in-place“) auf das Bauteil aufgetragen, wo sie zur Schaumdichtung („foam gasket“) bei Raumtemperatur ausreagiert.

Damit können, bei gleichzeitiger Kostenersparnis und hoher Reproduzierbarkeit, wesentlich bessere Dichtungsergebnisse erzielt werden als mit herkömmlichen, von Hand eingelegten Dichtungen.

Von der natürlichen zur synthetischen Dichtung

 

Sonderhoff Serienfertigung Mischkopf

Das Abdichten von Fugen und Spalten beherrschen die Menschen schon seit langer Zeit, z.B. zum Abdichten von Holzplanken im Schiffsbau. Man benutzte Bienenwachs, Baumharz oder Teer.

Die Geschichte der modernen Dichtstoffe beginnt mit der Polymerchemie in den 1930er Jahren, der Entwicklung synthetischer Kunst- und Dichtstoffe. Und die Geschichte wird weiter fortgeschrieben. Heute steht für das Abdichten von Bauteilen eine große Vielfalt an Materialien und Technologien zur Verfügung.

Zusätzlich ist durch die industrielle Fertigung der Neuzeit eine entscheidende Anforderung hinzugekommen. Die Abdichtprozesse müssen idealerweise vollautomatisch ablaufen. Dieser automatische Applikationsprozess für das Dichtungsschäumen wird allgemein als FIPFG-Dichtungstechnologie (Formed In-Place Foam Gasket) bezeichnet.

Die Chemie macht’s möglich

Polymere Reaktionswerkstoffe

Die polymeren Reaktionswerkstoffe der Sonderhoff Produkte bestehen aus einer flüssigen bis pastösen A-Komponente (Polyol) mit unterschiedlich langen Molekularketten für Weich-  und Hartschäume und einem Härter, der B-Komponente (MDI-Isocyanat). Die Sonderhoff Materialsysteme auf Basis von Polyurethan sind unter dem Markennamen FERMAPOR® zusammengefasst. Die Silikon basierten Produkte tragen den Namen FERMASIL®.

Ein Polymer ist ein Stoff, dessen Moleküle aus verketteten Monomereinheiten bestehen. Je länger die Molekülketten der Polyole (A-Komponente), desto flexibler sind die Weichschäume. Durch eine chemische Reaktion mit Wasser und dem Härter (B-Komponente) wird eine vernetzte Struktur der Molekülketten ausgebildet. Dabei entsteht als Spaltprodukt Kohlendioxid, das beim Niederdruckverfahren für das Aufschäumen verantwortlich ist. Es entsteht eine Weischaumdichtung, die bei Raumtemperatur, ohne Einsatz eines Temperofens, aushärtet.

Polyurethan chemische Formel PU PUR Polyadditionsreaktion Polyisocyanat Polyol

 

2-Komponenten Materialsysteme
 

Die A-Komponente (Polyol) ist der Träger für die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Dichtungsschäume. Die B-Komponente (Isocyanat) stößt die chemische Reaktion an und beeinflusst vor allem die Reaktionsgeschwindigkeit. Wir sprechen daher von „2K“, also 2-Komponenten-Materialsystemen. Das Mischungsverhältnis von A- und B-Komponente spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Ungefähr 90% der Sonderhoff Schaumdichtungssysteme sind 2K-PU-Materialsysteme, die unter Einsatz von Polyurethan Polyolen entwickelt werden. Dieser Werkstoff ist besonders vielseitig in der Anwendung.

Je nach Wahl des Polyols und des Isocyanats können Polyurethane unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Je nach Kettenlänge und ihrer Verzweigungen im Polyol werden die mechanischen Eigenschaften positiv beeinflusst.

Silikon wird vor allem dann eingesetzt, wenn es um hohe Beständigkeit gegen Chemikalien, Lösungsmittel, sehr hohe Temperaturen und Witterungseinflüsse geht.

Polyurethanschaum chemische Formel Aufschäumen PU PUR

 

Topfzeit und Steigzeit

 

Topfzeit

Die Dauer der Verarbeitbarkeit von reaktiven Werkstoffen wird als Topfzeit bezeichnet. Beim Dichtungsschäumen ist es die Zeit der Vermischung der A- mit der B-Komponente in der Mischkammer vor Dosierung auf das Bauteil. Bildlich gesprochen ist es die Zeitspanne, in der sich die Substanzen noch aus dem Topf nehmen und verarbeiten lassen. Meist zeigt sich das Ende der Topfzeit durch deutlichen Viskositätsanstieg, der eine weitere Verarbeitung verhindert. Die Dauer der Topfzeit ist abhängig von den chemischen Eigenschaften der eingesetzten Komponenten und von den Umweltbedingungen.

So ist die Angabe der Topfzeit eines Stoffes nur sinnvoll und aussagekräftig mit zusätzlicher Angabe der Menge, Durchmischung, Umgebungsklima (Temperatur und Feuchte) und Gefäßform.

Steigzeit

Die Steigzeit beim FIPFG-Verfahren ist die Zeitspanne nach der Topfzeit, in der die homogen vermischte Dichtmasse des eingesetzten Materialsystems aufschäumt und zu einem Dichtungskörper expandiert.

Mit der chemischen Reaktion zwischen Isocyanat und dem Wasser der Polyol-Komponente entsteht als Spaltprodukt das zur Schaumherstellung erforderliche Treibgas CO2. Durch die während der Reaktion ansteigende Temperatur (exotherme Reaktion) schäumt das CO2-Gas die Dichtmasse auf.

Zum Ende der Steigzeit hat das Treibgas seinen Dienst getan und kann durch die gemischtzellige Zellstruktur der Polyurethan Weichschäume entweichen.

Flüssigdichtungen, in-situ-Dichtungsschäumen, Cured-In-Place - FIPFG!

 

Traditionell erfolgt die Abdichtung von Bauteilen mit vorgestanzten Moosgummidichtungen oder durch Verkleben von Dichtungsschnüren. Heute, bei zunehmendem Automatisierungsgrad, werden Dichtungsschäume mit Dosieranlagen direkt an Ort und Stelle auf die Bauteile aufgetragen. Dort härten sie unter Raumtemperatur aus. Geläufig sind auch die Begriffe In-Situ-Dichtungsschäumen, das Auftragen von Flüssigdichtungen auf ein Bauteil an Ort und Stelle, ortsgeschäumte Dichtungen oder Cured-In-Place (CIP). Letzteres stellt das Aushärten der Schaumdichtung unter Raumtemperatur heraus.

Das FIPFG-Verfahren hat sich als Industriestandard für unterschiedlichste Bauteilanwendungen durchgesetzt. Entscheidend für das FIPFG-Verfahren sind das Zusammenspiel von Materialsystem und Maschinentechnologie sowie das anwendungsspezifische Verständnis für den Prozess.

Der FIPFG-Schaumdichtungsprozess

 

Chemisches oder physikalisches Schäumen

Bei der chemische Reaktion der Komponenten A (Polyol) und B (Isocyanat) mit Wasser entsteht CO2, das als Treibmittel wirkt und das Material aufschäumt. Es bildet sich eine gemischtzellige Weichschaumdichtung.

Beim physikalischen Aufschäumen, unter direkter Luftzufuhr in die Dosierkopf-Mischkammer, bildet sich eine geschlossenzellige Polyurethan-Schaumdichtung. Diese Sonderhoff Systeme sind am Namenszusatz „CC“ für „closed cells“ zu erkennen.

Bei beiden Verfahren werden keine formenden Werkzeuge benötigt. Allein durch freies Aufschäumen auf der Bauteiloberfläche entsteht die Weichschaumdichtung in der gewünschten Form auf der Oberfläche oder in der Nut des Bauteils.

Ein eleganter und hoch effizienter Prozess:
Mischen, dosieren, schäumen.

Die Schaumkomponenten A und B werden in der Mischkammer der Dosieranlage in einem vorgegebenen Mischungsverhältnis homogen vermischt. Dafür werden je nach Rezeptur und Anforderungsprofil unterschiedlich designte Rührwerke eingesetzt.

Unmittelbar danach wird die flüssige oder thixotrope 2-Komponenten Dichtmasse  über den CNC gesteuerten Mischkopf der Dosieranlage direkt („in-place“) auf die vorprogrammierte Bauteilkontur präzise aufgetragen. Die dort konturgenau abgelegte Dichtungsraupe schäumt um das mehr als 3-fache ihres ursprünglich flüssigen Materialvolumens auf.

Schon nach wenigen Minuten hat sich bei Raumtemperatur eine weiche, nahtlos geschlossene Schaumdichtung ausgebildet. Im Gegensatz zur eingelegten Dichtungsschnur oder Moosgummidichtung entsteht keine Nahtstelle, durch die z.B. Feuchtigkeit in das Bauteil dringen kann. Die FIPFG-Schaumdichtung passt sich an jede beliebige Werkstückgeometrie an und gleicht Maßtoleranzen aus. Die Kopplungsstelle der Dichtungsraupenenden sind fast völlig unsichtbar.

Mit der richtigen Maschine geht’s quasi von allein

Vollautomatisch, präzise, wiederholgenau

Aufgrund der präzisen vollautomatischen Steuerung der Dosieranlage lässt sich der Schäumungsprozess jederzeit exakt reproduzieren. Dazu bewegt der Linearroboter den Mischkopf mit einer Wiederholgenauigkeit von +/- 0,1 mm über dem Bauteil. Die Steuerung der Dosieranlage koordiniert die Dosierung der Auftragsmenge mit der Verfahrgeschwindigkeit des Linearroboters.

Das ortsgeschäumte Dichtungsschäumen kann bei den thixotropen (pastösen) Dichtungssystemen mit hoher Viskosität auf ebener oder 3-dimensionaler Fläche auch ohne Nut erfolgen. Auch extreme Schrägen sind mit dem FIPFG-Dichtungsschäumen möglich, ohne dass Material zurück oder zur Seite fließt.

Sonderhoff System 2: Optimales Zusammenspiel von Material und  Maschine für Ihren Fertigungsprozess

Als FIPFG-Experte stellen wir mit unseren Dosieranlagen die Genauigkeit der Abdichtungsprozesse sicher. Im Sondermaschinenbau bauen wir die Dosieranlagen optimiert auf Ihre Anforderungen, um sie bestmöglich in Ihre Fertigungskonzepte zu integrieren.

Unterschiedliche Automationslösungen​​​​​​​ sowohl für 2D- als auch 3D-Bauteile können realisiert werden. Mit 3-Achs-Linearrobotern ist ein Verfahrbereich für den Misch- und Dosierkopf von bis zu X/Y/Z 3.000 x 1.000 x 500 Millimetern darstellbar. Bei Einsatz von 6-Achsrobotern sind praktisch keine Grenzen mehr gesetzt und bei Verwendung von Matrialsystemen mit geeigneter Viskosität sind sogar Überkopf-Applikationen möglich.

Modularer Aufbau für individuelle Konfigurationen

Für das Dichtungsschäumen nach dem FIPFG-Verfahren stellt Sonderhoff Misch- und Dosieranlagen in offener und geschlossener Bauweise zur Auswahl, um so für größere wie kleinere Bauteile den Raumbedarf zu optimieren. Für gemischtzellige Schaumdichtungen bieten wir unseren Kunden die sehr erfolgreichen und bewährten Niederdruckanlagen an. Für die geschlossenzellige Schaumdichtung steht die exklusive Weltneuheit der Mitteldruckanlagen zur Verfügung.

Die Dosieranlagen übernehmen die Aufgaben Materialaufbereitung, Materialauftrag über den Mischkopf, Automation und Prozessteuerung. Flüssige, mittel- und hochviskose Reaktionswerkstoffe aus Polyurethan, Silikon, Epoxidharz können so mit diesen Anlagen exakt verarbeitet werden.
 

Mit FIPFG flexibel auf individuelle Kundenanforderungen eingehen

 

Mit der FIPFG-Dichtungstechnologie erfüllen wir die hohen Anforderungen unserer Kunden an Abdichtgüte und konturgenauer Dichtigkeit der Bauteile.

Unsere mehr als 1000 Materialformulierungen bieten ein breites Eigenschaftsspektrum. Haftung, Temperaturstabilität, Elastizität, mechanischer Belastbarkeit und chemischer Beständigkeit sind dabei die am häufigsten geforderten Eigenschaften für die Schaumdichtung aus Polyurethan oder Silikon.

So lassen sich Bauteile unterschiedlichster Anwendungen optimal vor dem Eindringen von Luft, Gasen, Staub, Feuchtigkeit und andere Medien schützen.

Starke Gründe für die FIPFG Dichtungstechnologie

 

  • Vollautomatisch, prozesssicher, flexibel
  • Schnell, wirtschaftlich und effizient
  • Geringer Personalaufwand durch hohen Automationsgrad
  • Kurze Fertigungszyklen und hohe Produktionsgeschwindigkeiten
  • Reproduzierbare Qualität nahtloser, konturgenauer Schaumdichtungen
  • Fast unsichtbare selbst nivellierende Kopplungsstelle
  • Frei dosierbarer Applikationsprozess – keine formenden Werkzeuge notwendig wie bei 2K-Spritzguss
  • Kostengünstige Alternative insbesonders für komplexe Bauteilgeometrien

 

 
  • Größtmögliche Materialausnutzung – keine Stanzabfälle wie bei Einlegedichtung
  • Maximal flexibel weil jederzeit neu programmierbar – Änderungen in laufender Produktion bis zu kompletten Modelwechseln spontan möglich
  • Auch für kleinste Serien geeignet durch freie Programmierbarkeit der Dosieranlage
  • Gemischte „chaotische“ Teilefertigung mit Teileerkennung der Dosieranlage
  • Gute Integration in bestehende Produktionen

Einsparmöglichkeiten durch die geschäumte Dichtung

 

Mit dem FIPFG- (Formed-In-Place Foam Gasket) Verfahren lässt sich, im Vergleich zum manuellen Einlegen vorgefertigter Dichtungen, viel Geld sparen. Insbesondere dann, wenn es sich um hohe Fertigungszahlen handelt und die Bauteile nur relativ arbeitsintensiv mit einer herkömmlichen Gummidichtung (wie EPDM oder NBR) versehen werden können, ist das direkte Anschäumen einer Dichtung - das automatisierte FIPFG-Verfahren - klar im Vorteil.

Mit der folgenden Beispielrechnung kann der Kosteneffekt prinzipiell nachvollzogen werden. Auch wenn es sich um eine stark vereinfachende Betrachtung handelt, ist sie für eine erste Einschätzung auch auf andere Anwendungen durchaus übertragbar.

Im folgenden Beispiel soll eine Elektronikbox betrachtet werden, Produktionsmenge 2.000.000 Stück pro Jahr, mit einer Dichtungslänge von 30 cm und einem Dichtungsdurchmesser von 4 mm.

Berechnung der Kosten eines herkömmlichen, manuell applizierten Dichtungsverfahrens

Die wesentlichen Kosten sind die Material- und Arbeitskosten.

Die Materialkosten ergeben sich aus der benötigten Dichtungsschnurmenge (2.000.000 Bauteile x 30 cm) und dem Materialpreis (EPDM-Schnur auf Rolle 1.000 m für 300 €). Umgelegt auf die einzelne Dichtung belaufen sich die Materialkosten damit auf ca. 0,09 € pro herkömmlicher Dichtung.

Die Arbeitszeit pro Dichtungsschnur ist oft nicht genau bekannt. Sie wird überschlägig hergeleitet aus der Anzahl und Arbeitszeit der dazu notwendigen Mitarbeiter. In diesem Beispiel montieren je drei Mitarbeiter im 2-Schichtbetrieb, 8 Stunden pro Tag, 250 Arbeitstage pro Jahr, um 2.000.000 Teile herzustellen - und haben trotzdem nur 21 Sekunden Zeit, um eine Dichtung zu montieren. Der Stundenlohn beträgt 20 €. Daraus ergeben sich Arbeitskosten von 240.000 € pro Jahr beziehungsweise 0,12 € pro Teil.

Durch Addition der Material- und Arbeitskosten ergeben sich für die handeingelegte Dichtung Gesamtkosten von 0,21 € pro Dichtung beziehungsweise 420.000 €/Jahr.

Berechnung der Kosten im automatisierten FIPFG-Verfahren

 

Die Materialkosten ergeben sich aus der notwendigen Dichtungsmasse und den Materialkosten pro kg. Die Dichtungsmasse ergibt sich aus der Multiplikation von Dichte und Volumen. Das Dichtungsvolumen wird durch Multiplikation von Dichtungslänge (30cm) und dem (idealisierten) Durchmesser (4mm) errechnet. Die Dichte wird hier mit typischen 0,4 g/cm3 angenommen. Zur Herstellung einer Dichtung werden also 1,52 g Rohstoff benötigt. Der Materialpreis wird mit 6 €/kg (0,006 €/g) angenommen. Die Materialkosten der geschäumten Dichtung betragen somit ca. 0,01 € pro Dichtung.

Die Kosten der FIPFG-Anlage hängen davon ab in welchem Zeitraum sich die Maschine amortisiert haben soll. In diesem Beispiel gehen wir von einem Investitionsvolumen von 200.000 € und einem Amortisationszeitraum von zwei Jahren aus. Damit ergeben sich Jahresmaschinenkosten von 100.000 €. Umgerechnet auf ein Bauteil liegen die Maschinenkosten pro geschäumter Dichtung bei 0,05 € pro Teil. Bei einer länger gewählten Pay-Off Dauer sind die auf ein Teil umgelegten Kosten entsprechend noch erheblich niedriger.

Kostenvergleich EPDM vs. FIPFG
EPDM FIPFG
Kosten pro Dichtung Kosten p.a.
(Beispiel)          
pro Dichtung Kosten p.a.
(Beispiel)          
Material 0,09 180.0000,01 20.000
Arbeit 0,12 240.0000,04 160.000
Maschine / /0,05 100.000
Sonstiges / /0,01 20.000
Gesamt 0,21 420.0000,11 300.000
Ersparnis

0,10
120.000

Fazit des Kostenvergleichs

Der Vergleich der Kosten der vorgestellten Beispielrechnung zeigt deutlich die Einsparmöglichkeiten, die das FIPFG-Verfahren bietet.

Gleichwohl ist es eine idealisierte Betrachtung. Kosten für elektrische Energie, Druckluft, Wasser, Ersatzteile, Ausschussteile etc. wurden lediglich für die FIPFG-Technologie und dort pauschal mit 10% angesetzt. In der konkreten Umsetzung muss jeder Fall einzeln betrachtet und verglichen werden.

Erfahrungsgemäß gilt aber, dass sich die Investition in eine Maschine meist schon ab einer Jahresproduktion von ca. 50.000 Teilen lohnt und ein Vergleich der Kosten durchgeführt werden sollte.