Druckverformungsrest bei Elastomeren: Kennwert, Prüfung und Bedeutung für die Bauteilauslegung
Elastomere können große Verformungen aufnehmen und nach der Entlastung annähernd in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Wird ein Elastomer über längere Zeit zusammengedrückt, bleibt nach Aufhebung der Belastung jedoch eine Restverformung zurück. Der Druckverformungsrest oder auch Compression Set auf Englisch beschreibt das Ausmaß dieser bleibenden Verformung unter festgelegten Prüfbedingungen.
Der Druckverformungsrest (kurz DVR) wird vor allem zur Beurteilung von Werkstoffen für statisch auf Druck beanspruchte Bauteile verwendet. Dazu gehören O-Ringe, Flachdichtungen, Membranen, elastische Auflagen und Schwingungselemente. Für die technische Bewertung ist es wichtig zu wissen, dass der Druckverformungsrest kein universeller Materialwert ist, sondern von Temperatur, Belastungsdauer, Geometrie des Probenkörpers und Erholungsbedingungen abhängt.
1. Was ist ein Druckverformungsrest?
Der Druckverformungsrest ist ein Kennwert zur Beschreibung von Elastomeren, der die bleibende Verformung nach einer Belastung im Vergleich zur ursprünglichen Größe angibt und in Prozent angegeben wird. Diese bleibende Verformung hängt insbesondere von der Einwirkzeit der Belastung und der Temperatur ab. DVR-Werte (kurz für Druckverformungsrest) werden daher immer in Kombination mit Temperatur und Zeit angegeben.
Der Druckverformungsrest entsteht aufgrund von zwei sich überlagernden Effekten, die auf die Struktur der Polymerketten und deren Verbindung zurückzuführen sind. Elastomere bestehen aus langen, weitmaschig miteinander vernetzten Polymerketten, die als Knäuel vorliegen. Unter kurzer Belastung und Raumtemperatur überwiegen viskoelastische Effekte, also teilweise elastische, reversible Verformungen durch das Strecken der Polymerketten (elastischer Anteil) und ein Abgleiten der Ketten, verbunden mit einer Umlagerung von Additiven und Füllstoffen (viskoser Anteil). Mit steigender Temperatur und längerer Druckbelastung gewinnen chemische Prozesse an Bedeutung. Dazu zählen Nachvernetzung, Kettenspaltung, Oxidation sowie Veränderungen an den Vernetzungsstellen.
Neben dem Druckverformungsrest existieren weitere Größen, die jedoch einen jeweils anderen Vorgang beschreiben:
- Kriechen bezeichnet die mit der Zeit zunehmende Verformung unter einer konstanten Spannung.
- Spannungsrelaxation bezeichnet die mit der Zeit abnehmende Spannung bzw. Kraft bei konstant gehaltenem Verformungszustand.
- Druckverformungsrest bezeichnet die nach Entlastung verbleibende Formänderung im Verhältnis zur zuvor aufgeprägten Verformung.
Insbesondere die Spannungsrelaxation ist für das Design und die Materialwahl statischer Dichtungen relevant, da diese meist unter konstanter Belastung verpresst sind. Die Spannungsrelaxation ist das Maß für den zeitlichen Verlust der Anpresskraft und damit der Dichtwirkung. Im Gegensatz dazu misst der Druckverformungsrest das Ausmaß der bleibenden Verformung. Beide Werte beschreiben daher denselben Effekt, messen jedoch unterschiedliche Größen (Kraft und Verformung).
Für die Prüfung des Druckverformungsrests werden drei Werte benötigt:
- h0: ursprüngliche Höhe des unbelasteten Probekörpers
- h1: Höhe im zusammengedrückten Zustand, in der Regel durch ein Distanzstück vorgegeben
- h2: Höhe des Probekörpers nach Belastung und Erholung
Ein Wert von 0 % entspricht einer vollständigen Rückkehr auf die Ausgangshöhe h0. Im Umkehrschluss wäre ein DVR von 100 % eine vollständig irreversible Verformung des Probekörpers nach der Entlastung. Somit steht ein niedrigerer Wert unter identischen Prüfbedingungen für eine stärkere geometrische Rückstellung.
Abbildung 1: Beispielhafte Darstellung eines Tests zur Druckverformung
Beispiel: Ein zylindrischer Probekörper besitzt vor der Prüfung eine Höhe von 10,0 mm. Die Prüfvorrichtung begrenzt seine Höhe während der Belastung auf 7,5 mm. Nach der Entlastung und der vorgeschriebenen Erholungszeit beträgt die gemessene Höhe 9,5 mm.
Von der Verformung unter Belastung um 2,5 mm bleiben damit 0,5 mm als Restverformung bestehen. Der ermittelte Druckverformungsrest beträgt 20 %. Da der Wert auch von den Prüfbedingungen abhängt, ist dieser nur in Verbindung mit der Temperatur und Einwirkzeit aussagefähig bspw. 20 % nach 24 Stunden bei 70 °C.
2. Prüfung des Druckverformungsrests
Ein zylindrischer Probekörper wird zwischen zwei parallelen Druckplatten zusammengedrückt und der Abstand zwischen den Platten durch metallische Distanzstücke begrenzt. Liegen die Platten an den Distanzstücken an, ist die Prüfhöhe erreicht.
In der DIN ISO 815-1:2022-04 werden scheibenförmige, zylindrische Probekörper in zwei verschiedenen Größen vorgeschrieben:
| Probekörpertyp | Durchmesser | Ausgangshöhe |
| Typ A | 29,0 ± 0,5 mm | 12,5 ± 0,5 mm |
| Typ B | 13,0 ± 0,5 mm | 6,3 ± 0,3 mm |
Die Probekörper sollten ebene Stirnflächen haben und parallel zueinander stehen, da sie beim Schließen der Vorrichtung andernfalls ungleichmäßig belastet werden. Die Prüfkörper werden entweder in einem extra dafür hergestellten Werkzeug gefertigt oder aus einem existierenden Bauteil oder einer Prüfplatte herausgeschnitten. Bei dünnen Prüfkörpern oder komplexen Formteilen, bei denen die Herstellung eines normgerechten Zylinders nicht möglich ist, kann die Prüfung auch mit abweichenden Prüfkörpern erfolgen. Diese Prüfungen sollten jedoch als Bauteilprüfungen gekennzeichnet werden und können nicht ohne Weiteres mit dem Materialdatenblatt verglichen werden.
Abbildung 2: Prüfung des Druckverformungsrests nach DIN ISO 815-1 – 2022-04
Der praktische Ablauf lässt sich in sechs Schritte gliedern:
1. Probekörper konditionieren: Die Probekörper werden nach der Herstellung und gegebenenfalls nach dem Tempern unter festgelegten Bedingungen gelagert. Dadurch wird der Einfluss einer unmittelbar vorausgegangenen thermischen oder mechanischen Belastung begrenzt.
2. Ausgangshöhe bestimmen: Die Höhe (h0) wird vor der Belastung mit einem Dickenmessgerät gemessen und jedem Probekörper eindeutig zugeordnet.
3. Vorrichtung verspannen: Probekörper und Distanzstücke werden zwischen den Druckplatten angeordnet. Dabei wird je nach Härte des Probekörpers eine unterschiedliche Distanz gewählt, um insbesondere härtere Materialien nicht übermäßig zu belasten:
- Unter 80 IRHD: 25 % Verformung
- 80-89 IRHD: 15 % Verformung
- Über 90 IRHD: 10 % Verformung
Die Platten werden gleichmäßig angezogen, bis sie vollständig an den Distanzstücken anliegen und die Höhe h1 erreicht ist.
4. Bei festgelegter Temperatur lagern: Die geschlossene Vorrichtung verbleibt für die vorgeschriebene Dauer bei Umgebungs- oder erhöhter Temperatur. Häufig werden Kurzzeitprüfungen über 24 Stunden durchgeführt. Längere Prüfungen beziehen Alterungsvorgänge stärker ein.
5. Entlasten: Nach Ablauf der Prüfzeit wird die Vorrichtung nach dem gewählten Verfahren geöffnet. Zeitpunkt und Temperatur der Entlastung sind festgelegt, weil das Elastomer unmittelbar nach dem Öffnen mit der Rückstellung beginnt.
6. Erholen und messen: Nach der vorgeschriebenen Erholungszeit wird wiederum die Höhe h2 mit demselben Messverfahren wie h0 bestimmt und aus den drei ermittelten Höhen der Druckverformungsrest berechnet.
3. Einflussfaktoren auf den Druckverformungsrest
Der Druckverformungsrest wird durch mehrere Faktoren wie die Auswahl des Basispolymers, Additive, Umgebungstemperaturen, Belastungsdauer, Umgebungsmedien sowie die Geometrie des Bauteils beeinflusst. Daher lassen sich Messwerte aus Laboren (bei einer definierten Temperatur und Belastungsdauer) nur eingeschränkt auf reale Bauteile übertragen.
Polymerstruktur
Die chemische Struktur des Basispolymers (z.B. EPDM, NBR, NR) beeinflusst Kettenbeweglichkeit, Temperaturbeständigkeit, Alterungsverhalten, Chemikalienbeständigkeit und auch, wie weit sich das Netzwerk nach einer länger anhaltenden Kompression zurückstellen kann. Da zwei Mischungen desselben Basispolymers gänzlich andere Füllstoffe, Vernetzer, Additive etc. enthalten, kann auch die DVR deutlich abweichen. Die Polymerfamilie erlaubt daher nur eine eingeschränkte Aussage zum DVR.
Vernetzungssystem und -dichte
Das Vernetzungssystem legt fest, welche Art von Bindungen zwischen den Polymerketten entsteht. Schwefelvernetzte und peroxidisch vernetzte Mischungen unterscheiden sich unter anderem in ihrer thermischen Stabilität und in der Beweglichkeit der Vernetzungsstellen. Eine steigende Vernetzungsdichte kann die Rückstellkraft erhöhen, zugleich aber die Dehnfähigkeit und das dynamische Verhalten verändern. Relevant ist daher nicht eine möglichst hohe, sondern eine auf den Anwendungszweck, den Temperaturbereich und die Belastungsart abgestimmte Vernetzung.
Additive
Füllstoffe, wie Ruß oder Kieselsäure, beeinflussen die Steifigkeit, Festigkeit, Wärmeentwicklung sowie die Beweglichkeit der Polymerketten. Weichmacher verringern die Härte des Elastomers und verändern das Tieftemperaturverhalten, können jedoch bei Wärmeeinfluss oder Medienkontakt aus dem Bauteil migrieren, was zu einem veränderten Volumen, einer veränderten Härte und einem veränderten Rückstellverhalten führt. Weitere Substanzen wie Alterungsschutzmittel, Verarbeitungshilfen und Harzzusätze beeinflussen ebenfalls die Eigenschaften des Compounds und damit auch den DVR.
Temperatur und Belastungsdauer
Mit steigender Temperatur laufen molekulare Umlagerungen und chemische Reaktionen schneller ab. Bei längerer Belastungsdauer wirken diese Effekte zudem länger ein. Daher steigt der Druckverformungsrest häufig mit Temperatur und Prüfdauer, wobei er für verschiedene Mischungen oft sehr unterschiedlich ist.
Medien- und Chemikalienkontakt
Sauerstoff und Wärme können, je nach Compound, Polymerketten und Vernetzungsstellen verändern und damit schwächen. Ozon greift vor allem Elastomere mit Doppelbindungen in der Hauptkette an, insbesondere wenn die Oberfläche unter Zugdehnung steht. Bei geringer Medienresistenz können flüssige oder gasförmige Medien in den Werkstoff eindringen, Bestandteile extrahieren, chemisch reagieren und Quellung verursachen. Für Gummiformteile mit Medienkontakt sind daher Prüfungen des DVR in anwendungsnaher Umgebung erforderlich.
Geometrie
Da Elastomere unter Druck seitlich ausweichen, wirken sich das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe, die Größe der freien Seitenflächen und die Reibung an den Druckplatten auf die Verformung aus. Unterschiedliche Probekörpergeometrien können daher trotz identischer Materialien und des gleichen nominalen Verformungsgrads abweichende DVR-Werte liefern.
4. Bedeutung für die Bauteilauslegung
Der Druckverformungsrest beschreibt die bleibende Höhenänderung eines Elastomers nach einer definierten Druckbeanspruchung. Da bekannt ist, um welchen Faktor ein Bauteil voraussichtlich komprimiert wird, wird mit einer geometrischen Rückstellreserve gearbeitet. Die verbleibende Dichtkraft ergibt sich daraus nicht unmittelbar, weil die Kontaktpressung während der Einbaudauer zusätzlich durch Spannungsrelaxation abnimmt.
Vom DVR zur verbleibenden Verpressung
Die anfängliche Verpressung eines Dichtelements mit der freien Höhe (h_0) und der Einbauhöhe (h_1) beträgt:
Aus einem gemessenen Druckverformungsrest (DVR) ergibt sich nach Entlastung und vorgeschriebener Erholung die Höhe:
Wird diese zurückgestellte Höhe gedanklich wieder in denselben Einbauraum eingesetzt, verbleibt die geometrische Überdeckung:
Ein Dichtelement mit 5,0 mm Ausgangshöhe wird auf 4,0 mm eingebaut. Die Anfangsverpressung beträgt damit 1,0 mm beziehungsweise 20 %. Bei einem DVR von 25 % kehrt der Werkstoff nach der Prüfung auf 4,75 mm zurück. Gegenüber dem unveränderten Einbauspalt verbleiben rechnerisch 0,75 mm Überdeckung beziehungsweise 15 % der ursprünglichen Dichtungshöhe.
Diese Rechnung bewertet ausschließlich die Geometrie nach der genormten Erholungszeit. Sie liefert keine verbleibende Kontaktpressung. Der Zusammenhang zwischen Verpressungsweg und Kraft ist nicht linear und verändert sich durch Temperatur, Alterung, Medium und Spannungsrelaxation.
Festlegung des Druckverformungsrests in 5 Schritten
Bei der Auslegung des DVR spielt vor allem die Einbausituation eine tragende Rolle. Daher bestimmen die Umgebungsbedingungen, die Geometrie der benachbarten Komponenten sowie die Anforderung an eine mögliche Montage den nötigen DVR-Wert:
1. Betriebsumgebung definieren: Chemikalienkontakt, Druckdifferenzen, höchste und geringste Einsatztemperatur, Belastungsdauer, Relativbewegung ergeben die Randbedingungen an das Basispolymer.
2. Verpressung über die Toleranzkette berechnen: Die geringste Verpressung besteht aus der kleinsten Dichtungshöhe und dem größten Einbauspalt. Analog entsteht die größte Verpressung aus der größten Dichtungshöhe und dem kleinsten Einbauspalt. Die Mindestverpressung bildet die Grundlage für die Berechnung der Dichtung. Die Maximalverpressung bestimmt Montagekraft, Werkstoffbeanspruchung und den benötigten freien Raum.
3. DVR unter passenden Bedingungen: Prüftemperatur, Prüfdauer, Verformungsgrad, Probekörper und Entlastungsverfahren müssen den Einsatzbedingungen entsprechen. Ein DVR bei Raumtemperatur liefert keine Aussage über die Langzeitbeanspruchung bei 150 °C. Ebenso ersetzt eine 24-Stunden-Prüfung keine Aussage über eine Betriebsdauer von mehreren Jahren.
4. Geometrische Reserve bestimmen: Die verbleibende Überdeckung wird mit dem DVR und der kleinsten Anfangsverpressung berechnet. Dadurch wird sichtbar, wie stark Maßtoleranzen und bleibende Setzung gemeinsam die geometrische Reserve reduzieren.
5. Optional: Kraftreserve bestimmen und Bauteilprüfung: Die Kontaktkraft wird über eine Kraft-Verformungs-Kennlinie gemessen, anhand derer auch die Spannungsrelaxation bestimmt wird. Falls es sich um ein ausfallkritisches Bauteil handelt, kann eine weitere Dauerprüfung unter Serienbedingungen und in der geplanten Einsatzumgebung erfolgen.
