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DLC-Beschichtung von Dichtungen

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    • Dichtungen aus PTFE und FKM gehören zum Standard in der Industrie. Beide Werkstoffe enthalten PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen), die unter der europäischen REACH-Verordnung zunehmend reguliert werden. Wer heute Anlagen plant oder Dichtungen beschafft, steht vor einer konkreten Frage: Welche Alternativen liefern vergleichbare Leistung, ohne auf PFAS-haltige Materialien oder Schmierstoffe angewiesen zu sein?

    Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM testen wir eine Technologie, die genau das ermöglicht: die DLC-Beschichtung von Elastomeren.

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    Dichtungen aus PTFE und FKM gehören zum Standard in der Industrie. Beide Werkstoffe enthalten PFAS (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen), die unter der europäischen REACH-Verordnung zunehmend reguliert werden. Wer heute Anlagen plant oder Dichtungen beschafft, steht vor einer konkreten Frage: Welche Alternativen liefern vergleichbare Leistung, ohne auf PFAS-haltige Materialien oder Schmierstoffe angewiesen zu sein?

    Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM testen wir eine Technologie, die genau das ermöglicht: die DLC-Beschichtung von Elastomeren.

    Grundlagenversuche: Reibung und Haftung

    Im Kugel-auf-Scheibe-Versuch gegen Stahl reduzierte die DLC-Beschichtung auf HNBR die Reibung um 45 % gegenüber unbeschichtetem Material. In Kombination mit einer vorangehenden Laser-Strukturierung sank der Reibwert sogar um 56 %. Bei den DLC-beschichteten Proben war kein messbarer Verschleiß feststellbar.

    Die Haftung der Beschichtung wurde per Scratch-Test mit Diamantnadel an fünf verschiedenen Substraten geprüft: EPDM, PE1000, NBR, PTFE und HPU (Hydrolysebeständiges PU). REM-Aufnahmen bei 300-facher Vergrößerung zeigten auf keinem der Substrate signifikante Abplatzer. Die DLC-Schicht haftet auch auf stark unterschiedlichen Elastomeren zuverlässig.

    REM-Untersuchungen an DLC-beschichteten Kunststoffen

    Ergänzend zu den Kugel-auf-Scheibe-Versuchen wurden Ring-Scheibe-Tests gegen Aluminium durchgeführt, bei denen die Pressung schrittweise bis zum Schadensfall gesteigert wurde. DLC-beschichtete Elastomere hielten dabei deutlich höhere Pressungen aus als unbeschichtete. REM-Analysen nach dem Versuch bestätigten das Bild: Beim unbeschichteten NBR waren die Bearbeitungsriefen der Oberfläche vollständig eingeebnet, mit deutlichem adhäsivem Verschleiß. Beim DLC-beschichteten Prüfkörper dagegen war die Beschichtung in den Tälern der Riefen noch intakt. Nur an den Gipfeln zeigte sich leichte Klettung. Die Beschichtung wirkt als Schutzschicht, die den darunterliegenden Werkstoff vor Abrieb bewahrt.

    Wasserbasierte Schmierung statt Öl

    Ein besonders relevantes Ergebnis betrifft die Schmierung. Elastomere lassen sich unter normalen Bedingungen schlecht mit Wasser schmieren. Sie brauchen Öl oder PFAS-haltige Schmierstoffe. Die DLC-Beschichtung ändert das grundlegend.

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    Im tribologischen Versuch erreichte DLC-beschichtetes HNBR mit einem Wasser-Glyzerin-Gemisch (30 % Wasser, 70 % Glyzerin) ab einer bestimmten Gleitgeschwindigkeit denselben Reibungskoeffizienten wie ölgeschmierte Systeme. Für Anwendungen, in denen sowohl PFAS-haltige Werkstoffe als auch Ölschmierung eliminiert werden müssen, eröffnet das einen neuen Lösungsweg.

    Ein weiterer Befund aus den Trockenlaufversuchen: Bei geringen Gleitgeschwindigkeiten lag die Reibung von trocken laufendem DLC-HNBR sogar unter der geschmierter Systeme. Das liegt daran, dass Schmierstoffe selbst einen gewissen Strömungswiderstand erzeugen, der bei niedrigen Geschwindigkeiten ins Gewicht fällt. Erst ab einem Schnittpunkt sind geschmierte Systeme im Vorteil.

    Vom Labor auf den Prüfstand

    Grundlagenversuche liefern Trends, aber ob eine Dichtung funktioniert, zeigt sich erst unter realistischen Bedingungen. Deshalb haben wir gemeinsam mit dem Fraunhofer IWM einen Rotationsprüfstand entwickelt, der Dichtlippen bei Drehzahlen bis 8.000 U/min und kontinuierlicher dynamischer Belastung testet. Gemessen werden Reibmoment, Gleitgeschwindigkeit, Leckagerate und Temperatur. Eine Rotationsdichtung ist als Worst Case bewusst gewählt: Hohe Gleitgeschwindigkeiten und dauerhafte dynamische Belastung setzen die Beschichtung unter maximalen Stress.

    REM-Analysen der Dichtlippen nach der Belastung im praxisnahen Medium (70 % Glyzerin, 30 % Wasser) bestätigen: Die DLC-Schicht bleibt als funktionale Gleitfläche erhalten. Unbeschichtetes HNBR zeigte dagegen Ansätze von Überlastung an der Dichtungskante.

    REM-Analysen der Dichtlippen nach der Belastung im praxisnahen Medium (70 % Glyzerin, 30 % Wasser) bestätigen: Die DLC-Schicht bleibt als funktionale Gleitfläche erhalten. Unbeschichtetes HNBR zeigte dagegen Ansätze von Überlastung an der Dichtungskante.

    Praxisvalidierung im Dauerlauf

    Parallel zu den Laborversuchen laufen Dauerlaufversuche mit Industriepartnern an Pneumatikzylindern. DLC-beschichtete Dichtungen wurden sowohl trocken bei Raumtemperatur als auch geschmiert bei 120 °C unter realen Betriebsbedingungen geprüft. Die bisherigen Ergebnisse nach Millionen von Zyklen:

    Trockenlauf ist möglich.

    DLC-beschichtete Dichtungen liefen trocken und ohne Fett bei Raumtemperatur über mehrere Millionen Schaltspiele ohne Ausfall. Die Leckage blieb dabei im akzeptablen Bereich. Für eine unbefettete Dichtung ist das ein beachtliches Ergebnis.

    Stick-Slip reduziert sich deutlich.

    Das Laufverhalten wird über den gesamten Geschwindigkeitsbereich gleichmäßiger. In den Kurzzeitmessungen erreichten die unbefetteten DLC-Zylinder sogar bessere Werte als spezielle Gleichlauf-Varianten.

    Geschmierte DLC-Alu-Paarungen laufen länger.

    Bei geschmierten Zylindern mit DLC-Beschichtung zeigten die Druckkennwerte nach Stillstand teils nur die Hälfte der Serienwerte. Die statische Reibung sinkt also messbar.

    Aluminium als Gegenlauffläche unproblematisch.

    Die Aluminiumoberfläche zeigte kein abrasives Verhalten. Im Gegenteil: Eher Glättung als Beschädigung, selbst bei weichen Oberflächen.

    REM-Untersuchungen an DLC-beschichteten Kunststoffen

    Was wir dabei auch gelernt haben

    Nicht alles funktioniert auf Anhieb. Die bisherigen Versuche haben auch Grenzen und Randbedingungen aufgezeigt, die für eine realistische Einschätzung wichtig sind.

    Die DLC-Beschichtung verschleißt bei hohen Belastungen. Das war zu erwarten. Interessant ist allerdings, dass der positive Effekt auch nach dem Verschleiß teilweise erhalten bleibt. Die Vermutung: DLC-Partikel werden in die Gegenlauffläche eingetragen und verbessern dort die tribologischen Eigenschaften weiter.

    Es gibt eine Einlaufphase. Bei niedrigen Geschwindigkeiten zeigt sich anfänglich ein etwas höheres Losbrechmoment als bei eingelaufenen Systemen. Nach dem Einlaufen reduziert sich das. Die Montage der DLC-beschichteten Dichtungen auf den Kolben zeigt unter dem REM, dass die Schollen der Mikrostruktur nach dem Dehnen und Entspannen teilweise abstehen, aber nicht abplatzen. Die Beschichtung übersteht also den Montageprozess.

    Wann ist DLC-Beschichtung wirtschaftlich?

    DLC-Beschichtung ist kein Massenverfahren. Die Dichtungen werden einzeln in Trays positioniert und im Plasma-Vakuumraum beschichtet. Das ist ein gerichteter Prozess, aufwendiger als Standardbeschichtungen. Auf die zusätzliche Laser-Strukturierung, die im Labor vielversprechende Ergebnisse lieferte, wird in der Serienanwendung aktuell verzichtet, weil sie für die Serienfertigung zu kostenintensiv ist.

    Wirtschaftlich sinnvoll wird die Beschichtung dort, wo die technischen Vorteile die Mehrkosten im Gesamtsystem aufwiegen: weniger Ausfälle, längere Standzeiten, Wegfall von Schmiermitteln, Einhaltung aktueller Regulatorik. Typische Einsatzfälle sind Anwendungen mit Anforderungen an Trockenlauf, reduzierten Verschleiß oder PFAS-Freiheit. Auch die Umstellung auf wasserbasierte Schmierung bei bisher ölgeschmierten Systemen kann ein wirtschaftlicher Treiber sein.

    Einfach ausprobieren

    Die DLC-Beschichtung lässt sich direkt auf bestehende Dichtungen auftragen, ohne Änderung an Geometrie oder Werkstoff. Sie müssen kein neues Bauteil konstruieren. Wir analysieren Ihre Anwendung, lassen Ihre Dichtungen beschichten und planen dann gemeinsam die Versuche. Sprechen Sie uns an.

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