„Elastische“ Faltenbälge und Membranen aus PTFE

Können Teflonbauteile Manschetten aus Gummi ersetzen?

Faltenbälge und Membranen werden in der Technik als sogenannte „Hermetische Dichtungen“ eingesetzt, die Bewegungen Leckage-frei abdichten können.
Beide technischen Begriffe sind eigentlich zurückzuführen auf die Bezeichnung dünner Häute tierischen Ursprungs.
Historisch wurden damit zunächst Trinkblasen und Blasebälge hergestellt.
Heute sind damit Bauteile gemeint, die zwischen zwei Räume eingespannt werden, um relative Bewegungen ausgleichen zu können.

Dabei sind verschiedene Bewegungsrichtungen denkbar:

• Axial / lineare Kompensation
• Radial / seitliche Kompensation
• Angular / Winkelkompensation

Mit „Membranen“ oder „Membrane“ bezeichnet man in erster Linie flache Bauteile, die nur kleine Hübe im Verhältnis zu Ihrem Durchmesser aufnehmen können.
Faltenbälge dagegen könnte man als Hintereinanderschaltung von vielen einzelnen, miteinander verbundenen Membranen bezeichnen, so dass ein größerer Hub erzielt werden kann. Mit dem Begriff „Manschette“ kann beides gemeint sein.

Die Materialgruppe, die für Membranen und Faltenbälge die größte Wichtigkeit besitzt, ist natürlich die der Elastomere. Die gebräuchlichsten Werkstoffe sind dabei NBR, HNBR, Silikon (VMQ), EPDM, Santoprene® (EPDM-PP-Compolymer) oder Viton® (FKM).  In industriellen und automobilen Anwendungen findet sich eine Vielzahl von werkzeuggebundenen Gummiformteilen. Die Entwicklung dieser Sonderbauteile rechnet sich in erster Linie erst ab einer größeren Stückzahl. Ein großer Vorteil der Gummimanschetten ist hierbei die enorme Flexibilität des Materials, die kleinere Auslegungsfehler verzeiht. 

Ist eine höhere chemische Beständigkeit bzw. eine höhere Einsatztemperatur gefragt, so wird gerne auf PTFE oder in selteneren Fällen auf UHMW-PE zurückgegriffen. Bei beiden Werkstoffen handelt es sich um Thermoplaste, die wenig elastische Anteile haben. Deshalb ist bei der Auslegung darauf zu achten, dass die Flanken der Falten möglichst radial verlaufen und nicht unter einem Winkel. So gewährleistet man eine Bewegung des Faltenbereichs, trotz der geringen Elastizität von Teflon® oder Polyethylen. Faltenbälge werden meist gedreht, seltener formgeblasen.

Bei Membranen ist es ähnlich: Bei Gummimembranen genügt bereits eine flache Scheibe, die sich leicht axial verformen lässt. Gedrehte Teflon®-Membranen stattet man gerne mit einer Sicke aus, die sich beim Hub in beide Richtungen abrollt. Die Sicke sollte so gestaltet sein, dass ein Differenzdruck von der konkaven (hohlen) Seite angreift. Als Faustregel für die Sicke hat sich ein Faktor von 0,5 -0,7 der ursprünglichen Dicke der Gummimembrane herausgestellt. Dabei sollte aufgrund der unterschiedlichen Spannungsverteilung die Wandstärke nach außen abnehmen.

Nicht allen Konstrukteuren ist bekannt, dass hydraulisch gepresstes, viginales Polytetrafluoräthylen der bekannten Hersteller eine enorme Biegewechselfestigkeit aufweist. Beachtet man deshalb die o. g. Gestaltungshinweise, dann lassen sich tatsächlich Faltenbälge und Membranen entwerfen, die der Lebensdauer von Gummimanschetten in nichts nachstehen. Dies liegt in der Molekularstruktur von PTFE begründet, wo sich ausschließlich eindimensionale Ketten finden, die sich gegeneinander bewegen lassen.  Ein weiterer Vorteil ist die mechanische Fertigung der Bauteile, die keine Werkzeuge erfordert. So können auch kleine Stückzahlen schnell, individuell und kostengünstig hergestellt werden.  

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass sich selbst bei gegebenen Einbauräumen Gummimembranen und -faltenbälge in maßgeschneiderte Konstruktionen aus PTFE überführen lassen. Am Ende erhält man mit dem bestehenden Aggregat die Vorteile wie universelle chemische Beständigkeit, einen weiten Temperaturbereich, physiologische Unbedenklichkeit und noch vieles mehr.

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Ihr Stefan Bock