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Smart Sealing

Das Projekt hat zum Ziel, die Unzulänglichkeiten gegenwärtiger Flachdichtungen abzubauen, indem die Erkenntnisse aus der neueren Dichtungstechnik mit den Fortschritten im Bereich gedruckter Sensorik kombiniert werden, um Flachdichtungen letztendlich intelligent zu machen. Hierzu ist geplant, hauchdünne Sensoren mit wenigen µm Dicke erstmalig auf der Flachdichtung selbst zu applizieren und diese damit zum aktiven Bauelement werden zu lassen. Dadurch soll es möglich werden:

· Die Flächenpressung direkt an der Dichtung zu messen und nicht mehr indirekt über Schraubenkräfte oder Drehmomente (für Flächenpressungen bis zu 150 MPa)

· Die Verteilung der Flächenpressung entlang der Dichtfläche zu visualisieren, um Druckspitzen aufzuzeigen und einer fehlerhaften Montage von Flanschverbindungen vorzubeugen

· Die Temperatur direkt an der Dichtung zu messen, ohne zusätzliche Bohrungen am Flansch oder Temperatursensoren im Betriebsmedium (für Temperaturen bis zu 180 °C)

· Eine etwaige Leckage zuverlässig festzustellen und den Anwender zu warnen (Leckagen größer als 0,1 mg/(m*s))

· Die verbleibende Lebensdauer einer Dichtung zuverlässig vorauszusagen und vor einem baldigen Ausfall zu warnen (daher sollte die Lebensdauer des Sensors zumindest fünf Jahre betragen)

Dazu ist vorgesehen, eine Kombination aus verschiedenen Sensoren auf die Flachdichtungen zu drucken:

· Ein Flächenpressungs- und gleichzeitig Alterungssensor, der im Wesentlichen aus Elektroden auf Ober- und Unterseite der Flachdichtung besteht

· Ein Temperatursensor in Form eines temperaturabhängigen elektrischen Widerstands

· Ein Leckage-Sensor in Form zweier Elektroden am inneren und äußeren Rand der Dichtung, zwischen denen sich bei Austritt des Mediums der elektrische Widerstand ändert (leitfähiges Betriebsmedium vorausgesetzt).

Die gedruckte Sensorik muss dabei dünn genug sein, sodass eine Änderung der mechanischen Eigenschaften der Dichtung ausgeschlossen werden kann. Die Anschlüsse der Sensoren werden über ein Flachbandkabel aus der Flanschverbindung herausgeführt. An dieses Flachbandkabel kann dann eine Messelektronik angeschlossen werden, die die Sensordaten erfasst.

 

Im Anschluss muss ein mathematisches Modell generiert werden um Flächenpressungsverluste ermitteln zu können. Sofern dieses mathematische Modell, aufgrund der Vielzahl von Variablen, keine ausreichende Genauigkeit aufweist, so soll in einem nächsten Schritt eine Mustererkennung durch Data-Mining und künstlicher Intelligenz diese Aufgabe übernehmen. Dazu ist eine immense Menge an Daten notwendig, welche in einem "dezentralen" Prüfstand ermittelt werden sollen. Teil dieses "dezentralen" Prüfstandes kann jede Verbindung sein, welche die intelligenten Dichtungen nutzt. So ist dieser Prüfstand erst im Labormaßstab zu entwickeln und erproben, kann sich aber im Laufe der Zeit auf die Industriepartner erweitern und somit immer leistungsfähiger werden.

 

 

 

Double Seal

Die Forschung thematisiert eine neuartige, doppelt wirkende Dichtung, die vorrangig für Kunststoffflansche und andere Flanschverbindungen geeignet ist, bei denen typischerweise nur geringe Kräfte auf der Dichtung aufgebracht werden können. Die Erfindung ist aber nicht auf diese "schwachen" Flanschtypen begrenzt.

Die Neuartigkeit der Dichtung beruht auf folgenden Punkten:

 

  1. Die Erfindung besteht aus zwei unabhängig voneinander wirkenden Dichtungen ("Primary- und Secondary-Dichtung"), die sich aber in einem fest miteinander verbundenen Aufbau befinden. Die Secondary-Dichtung, mit deutlich höherer Steifigkeit als die Primary-Dichtung, stellt den Kraftnebenschluss (KNS) sicher, was dynamische Lasten von der Primary-Dichtung fernhält. Die Lebensdauer der Dichtverbindung wird dadurch deutlich erhöht.
  2. Die Secondary-Dichtung besteht aus dem Material, welches dem Flansch- oder Liner-Material des Flansches entspricht, wodurch Probleme mit Temperaturwechselbelastungen oder mit der chemischen Beständigkeit vermieden werden. Die Primary-Dichtung (regelmäßig, aber nicht zwingend dem Medium zugewandt), mit geringer Steifigkeit, kann typischerweise aus Gummi, PTFE oder einem beliebigen anderen Material bestehen.
  3. Die Secondary-Dichtung wird durch Stauchen, Bördeln oder ein beliebiges anderes Fertigungsverfahren erzeugt, sodass beispielsweise eine beidseitige Wölbung auf der Secondary-Dichtung entsteht und damit die Dichtwirkung mittels erhöhter Flächenpressung am Ort der Wölbung sichergestellt wird.
  4. Die Primary Dichtung stellt die vorrangige Dichtwirkung sicher. Sollte diese versagen, übernimmt die Secondary-Dichtung diese Dichtaufgabe. Ein Ausfall der Dichtverbindung wird damit äußerst unwahrscheinlich.

 

Ziele und Vorgehen, die zur Validierung der Idee führen, sind:

  1. Die Dichtlösung ist im ersten Schritt in mehreren Varianten konstruktiv zu gestalten und hinsichtlich der geforderten Eigenschaften (Abdichtfähigkeit, mechanische Funktion der beiden Dichtelemente und Handlingsfreundlichkeit) mit Hilfe des methodischen Entwickelns und Konstruierens zu bewerten.
  2. Die besten beiden Varianten aus 1. sollen mittels FEM in einem zunächst einfachen Modell bewertet und anschließend konstruktiv optimiert werden. Ziel ist es hierbei ein möglichst großes Funktionsfenster zu erhalten, hervorgerufen durch Zusatzlasten (Biegemomente sowie Zug- und Druckkräfte), Temperatur- und Druckbelastung, in dem die Dichtung sicher ihre Funktion erfüllen können muss.
  3. Parallel zu den ersten beiden Punkten ist zu bestimmen, wie die Primary- mit der Secondary-Dichtung fest verbunden werden kann. Hierbei ist es Ziel, die beiden Elemente untrennbar miteinander zu verbinden, damit eine problemlose Montage erfolgen kann. Denkbar sind hier form- als auch stoffschlüssige Verbindungen.
  4. Nächstes Ziel ist es, Prototypen aus den Ergebnissen der ersten drei Punkte zu fertigen. Hierbei kann im ersten Schritt eine Fertigung der Primary-Dichtung aus dem Vollen mittels Compression-Moulding oder ggf. sogar mit handelsüblichen Dichtungen erfolgen. Die Secondary-Dichtung kann ebenfalls durch Umformverfahren mittels 3D-Druck oder Spritzguss aus dem Vollen hergestellt werden. Die Funktion der Verbindung beider Dichtungsteile und eine problemlose Montage und Demontage sollte damit möglich sein. Hierbei ist auch eine möglichst kostengünstige nachgelagerte Fertigung in die Überlegungen mit einzubeziehen.
  5. Letzter Schritt zur Validierung sind experimentelle Versuche mit den Prototypen, an zunächst "schwachen" Kunststoffflanschen, die im Vergleich zu bislang gängigen Dichtungen durchzuführen sind. Ziel ist es dabei zu zeigen, dass die neu entwickelte, doppelt wirkende Dichtung hinsichtlich der Restflächenpressung nach Temperaturbelastung und der erreichten Dichtheit nach mehreren Belastungszyklen, auch unter dynamischer Belastung deutlich besser abschneidet. Es darf also keine Leckage über dem TA Luft-Grenzwert auftreten und die Restflächenpressungen müssen mindestens 30% über der nächstbesten Alternativdichtung liegen.
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