Fretting bei Dichtungsmaterialien
Wie kleine Vibrationen große Schäden anrichten können und wie Temperatur das Ganze beeinflusst
Stellen Sie sich vor, eine Dichtung in Ihrem Auto, einer Maschine oder einer Industrieanlage funktioniert einwandfrei – bis sie plötzlich undicht wird. Nicht wegen Alterung, nicht wegen Überlastung, sondern wegen winziger, für unsere Augen unsichtbarer Bewegungen: Fretting.
Dieses Phänomen ist einer der unterschätztesten Feinde von Dichtungen – besonders bei Elastomeren wie TPU (Thermoplastisches Polyurethan). Und hier kommt der Temperaturfaktor ins Spiel: Was bei Raumtemperatur noch harmlos wirkt, kann bei Kälte oder Hitze zum Totalausfall führen.
In unserer Studie haben wir eine Testmethode entwickelt, um das Fretting-Verhalten von TPU-Dichtungen bei Temperaturen von -10°C bis +80°C zu untersuchen.
Was ist Fretting? Der stille Killer in dynamischen Systemen
Fretting ist kein klassischer Verschleiß, sondern ein Kombinationsschaden aus:
- Mikrobewegungen (Amplituden von 50–1000 µm, oft unsichtbar für das Auge).
- Hoher Frequenz (z. B. Vibrationen in Motoren, Pumpen oder Flugzeugen).
- Kontaktdruck (z. B. zwischen Dichtung und Metallgehäuse).
Das Problem dabei ist, dass sich das Bauteil selbst scheinbar nicht bewegt, aber durch Schwingungen, thermische Ausdehnung oder Montagespannungen winzige Relativbewegungen entstehen. Diese können zu Materialermüdung (Mikrorisse, die mit der Zeit wachsen), Abrasion (lokale Oberflächenzerstörung) und Mikroverschleiß (abgeriebene Partikel) führen.
TPU, der Alleskönner mit der ein oder anderen Schwachstelle
TPU (Thermoplastisches Polyurethan) ist ein Star unter den Dichtungsmaterialien, weil es:
- Elastisch wie Gummi, aber verarbeitbar wie ein Thermoplast (spritzgussfähig).
- Abriebfest, chemikalienbeständig und temperaturstabil (von -40°C bis +120°C).
- Ideal für dynamische Dichtungen in Automotiv, Luftfahrt oder Industrieanlagen.
Doch TPU hat einen kritischen Punkt, nämlich seine viskoelastischen Eigenschaften ändern sich dramatisch mit der Temperatur. Bei Kälte (z. B. -10°C) wird TPU steif und spröde, dadurch entstehen Mikrorisse schneller, während bei Hitze (z. B. +80°C) TPU weicher und “klebriger” wird; hier treten im Verschleißbild Transferfilme und Schallamach-Wellen (wellige Verschleißmuster) auf. Dieser Temperaturbereich ist in vielen Anwendungsbereichen anzufinden.
Die drei Vorboten für eine versagende Dichtung
- Kälte ist der Feind – besonders bei Startbedingungen
- Beispiel: Eine Dichtung in einer Kraftstoffpumpe oder einem Flugzeugtriebwerk wird bei -20°C gestartet.
- Risiko: Durch die Steifigkeit des TPU entstehen Mikrorisse – die später zu Undichtigkeiten führen.
- Hitze beschleunigt Verschleiß – aber nicht immer dort, wo man denkt
- Beispiel: Eine Hydraulikdichtung in einer Maschine läuft bei 80°C.
- Risiko: Statt Rissen bilden sich klebrige, fadenartige Partikel, die Abrasion verstärken.
- Langzeit-Fretting ist ein schleichender Prozess
- Beispiel: Eine Wellendichtung in einem Windrad vibriert Jahre lang mit kleinen Amplituden.
- Risiko: Selbst wenn der Verschleiß pro Zyklus minimal ist, summiert er sich zu katastrophalem Versagen.
Die große Frage: Wie kann man Fretting-Schäden vermeiden?
Fretting ist kein Zufall – es ist physikalisch vorhersagbar. Mit den richtigen Maßnahmen lässt es sich minimieren oder sogar verhindern. Dazu zählen die richtige Materialauswahl, eine Design-Optimierung und vorab die Betriebsbedingungen zu evaluieren.
Fretting ist kein Schicksal – sondern eine Herausforderung, die man meistern kann
Fretting bei TPU-Dichtungen ist ein komplexes, aber beherrschbares Problem. Temperatur ist ein entscheidender Faktor, denn sie bestimmt, ob Risse oder klebriger Verschleiß dominieren. Mit dem richtigen Material, Design und Betriebsbedingungen lassen sich Lebensdauer und Zuverlässigkeit deutlich steigern.
Wie gehen Sie mit Fretting um? Haben Sie eigene Erfahrungen mit temperaturabhängigem Verschleiß bei Dichtungen?
Wer wissen will, wie die Kurven und Würmchenbildung von Dichtungen aussieht, kann hier nachlesen: https://doi.org/10.1016/j.wear.2025.206442 (Großes Danke an die Co-Autoren für die Zusammenarbeit)
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