Mediendichte Durchführungen für Kunststoffgehäuse

Mediendichte metallische Durchführungen für Kunststoffgehäuse/- behälter unter anwendungsnahen Belastungen

Mediendichte, metallische Durchführungen kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Dabei lassen sich zwei grundlegende Anwendungsfelder unterscheiden, zum einen der Bereich der Behälter (meist duroplastisch und endlosfaserverstärkt) und zum anderen das Gehäuse (meist thermoplastisch und kurzglasfaserverstärkt). Außerdem lassen sich die Anwendungsfelder beziehungsweise die daraus resultierenden Belastungen in drei Hauptkategorien einteilen, nämlich mechanisch, thermisch und sonstige (medienbedingte) Belastungen, die im Projekt separat betrachtet wurden.

Im Anwendungsfeld der kurzglasfaserverstärkten Thermoplaste konnte gezeigt werden, dass eine Beurteilung der Belastungsresistenz anhand von Auszugsversuchen möglich ist und dass, unabhängig von der Einlegeteilvorbehandlung, bis zur definierten Maximalkraft auch bei mehrfacher Beanspruchung keine Schädigung auftritt. Die Maxima kann somit als Auslegungskriterium herangezogen werden. Im Bereich der thermischen Belastung konnte gezeigt werden, dass ein komplexer Wirkzusammenhang zwischen Eigenspannungen, Thermospannungen, Alterung und Prozessführung besteht, der die Beurteilung beziehungsweise Prognose des Leckageverhaltens deutlich erschwert. Für die medienbedingten Belastungen konnte gezeigt werden, dass eine Auslegung anhand von Löslichkeits- und Absorptionsverhalten der Kunststoffkomponente sowie einer Betrachtung des Korrosionsverhaltens genügt, um einen Bauteilausfall zu vermeiden.

Diese Erkenntnisse wurden anhand eines Salzsprühnebeltestes nach DIN EN ISO 9227 ermittelt. Zu guter Letzt konnte gezeigt werden, dass bei der Gehäusekonstruktion eine zusätzliche Versteifung in Form von Rippen in Kombination mit einer leichten Erhöhung der Umspritzlänge zu einer deutlich höheren Resistenz gegen belastungsbedingte Schädigung führt.

Zusammenfassend konnte also ein wichtiger Beitrag zur belastungsgerechten Auslegung von metallischen Durchführungen mit kurzglasfaserverstärkter Umspritzung geleistet werden. Im Bereich der endlosfaserverstärkten Kunststoffe konnten durch eine Konkretisierung der Anwendung, die für die Dichtigkeit kritischsten mechanischen Lasten gesammelt und experimentell und numerisch nachgebildet werden. Aus den Versuchsergebnissen konnten konkrete Empfehlungen zur dauerhaft dichtenden Durchführung abgeleitet werden, insbesondere mit Bezug auf die als kritische identifizierte Behälterinnendruckbelastung.

Neben den Wirkzusammenhängen wurde auch eine Methodik zur numerischen Modellierung der Faserarchitektur entwickelt, sodass bereits die am ungetränkten Gewebe beobachtete Faserverdrängung und –umlenkung Eingang in die virtuelle Produktentwicklung finden kann. Resin-Transfer-Molding stellt ein typisches Fertigungsverfahren zur Herstellung endlosfaserverstärkter Duroplastbauteile dar. Im Projekt wurde in diesem Bereich eine Methode entwickelt, um in-situ metallische Durchführungen in das Laminat im RTM-Verfahren zu integrieren. Aus den im Projekt erarbeiteten Grundlagen lassen sich bereits eine Reihe generalisierbarer Gestaltungshinweise sowohl für kurz- als auch endlosfaserverstärkte Materialien ableiten. Die in beiden Untersuchungsbereichen etablierten in-situ-Dichtheitsmessmethoden konnten darüber hinaus aufzeigen, dass es sich bei der Dichtheit einer metallischen Durchführung um eine Bauteileigenschaft unter Last handelt. Gleichermaßen muss bei dem Entwurf eines Bauteils immer der Einfluss von Medien und Temperatur berücksichtigt werden, neben den rein mechanischen Lasten.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20298-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.