Wenn ein Produkt undicht ist, suchen viele die Ursache zunächst beim Dichtring und glauben, dass ein Wechsel des Dichtungslieferanten das Problem löst. YueHouDZ ist seitKundenspezifische Silikonfertigungseit 11 Jahren. Bei der Analyse zahlreicher Zeichnungen undichter Baugruppen stoßen wir immer wieder auf dieselben Fehler. Bei mehr als der Hälfte der von uns untersuchten Dichtungsversagen liegt die Ursache in der Nutkonstruktion und nicht am Dichtring selbst. Die meisten Leckagen sind bereits bei der Zeichnungserstellung vorprogrammiert. Dies gilt insbesondere für hydrostatische Niederdruckanwendungen in der Unterhaltungselektronik, bei denen das Produkt unter Wasser Druck ausgesetzt ist. Die Dichtwirkung beruht auf der Rückstellkraft des Rings, der die Kontaktflächen anpresst. Sieht die Konstruktionszeichnung zu wenig Verpressung vor, nutzt eine unpassende Nutgeometrie oder hinterlässt unebene Dichtflächen, kann selbst ein hochwertigerSilikon-O-Ringkann keine Dichtkraft aufbauen.
Diese fünf Fallstricke verbergen sich allesamt in der technischen Zeichnung. Sie sind hier in der gleichen Reihenfolge aufgeführt, die auch bei der Konstruktion durchlaufen wird: Nut definieren, Verpressungsgrad festlegen, Toleranzen bestimmen, Werkstoffhärte wählen sowie Vorkehrungen für Montage und Validierung treffen. Nehmen Sie die Zeichnung zur Hand und prüfen Sie jeden einzelnen Punkt von vorne bis hinten. Sollte das Produkt nach diesen fünf Schritten immer noch undicht sein, liegt die Ursache eher in der Qualität des Dichtrings oder bei der Montage in der Fertigungslinie – das sind jedoch andere Fehlerquellen.
1. Nutabmessungen werden unbedacht kopiert oder geschätzt
Wir haben schon viele Zeichnungen gesehen, bei denen die Nut einfach von einem anderen wasserdichten Gehäuse übernommen, der Ring jedoch auf einen größeren Schnurdurchmesser geändert wurde. Der Schnurdurchmesser bezeichnet die Querschnittsdicke des O-Rings (in der Fertigung oft auch als „Schnurstärke“ bezeichnet). Wenn Nut und Dichtring nicht als abgestimmte Einheit berechnet werden, birgt bereits die Konstruktionszeichnung ein hohes Risiko. Ein typisches Fehlerbild: Das Produkt besteht die Tauchprüfung bei Raumtemperatur, doch bei thermischer Belastung unter sommerlichen Bedingungen dehnt sich der Ring in der Nut aus und die Dichtung versagt.
Nuttiefe und Nutbreite sind zwei getrennte, maßgebliche Dimensionen. Die Nuttiefe bestimmt den Verpressungsgrad bzw. wie stark der Ring im eingebauten Zustand flachgedrückt wird. Die Nutbreite steuert den Nutfüllgrad. Der Füllgrad ist der prozentuale Anteil des Nutquerschnitts, der vom Ringquerschnitt eingenommen wird – in der Fachsprache auch als „Nutausfüllung“ bezeichnet. Die Nut darf nicht so eng dimensioniert sein, dass der Ring sie exakt ausfüllt. Halten Sie den Füllgrad innerhalb von 85% und lassen Sie 15% bis 25% Freiraum für Wärmeausdehnung und Quellung durch Medien. Übersteigt der Füllgrad 90%, kann der Ring bei höheren Temperaturen aufquellen und sich in der Nut verklemmen, wodurch kein Raum mehr zur Erzeugung der Dichtpressung verbleibt.
Wie groß sollte die Nut sein? Sie müssen die Maße nicht neu erfinden. Prüfen Sie Nuttiefe und Nutbreite in der Norm GB/T 3452.3. Diese Norm liefert direkt anwendbare Richtwerte: Bei statischen Dichtungen gehört zu einem O-Ring mit einer Schnurstärke von 2,65 mm eine Nuttiefe von etwa 2,15 mm und zu einem 3,55-mm-Ring eine Nuttiefe von ca. 2,85 mm. Die Nutbreite beträgt typischerweise etwa das 1,35-Fache des Schnurdurchmessers. Die US-amerikanische Norm AS568 und die japanische JIS-Norm folgen derselben Logik, weisen jedoch abweichende Schnurstärken-Reihen auf. So entspricht beispielsweise die US-amerikanische 3,53-mm-Reihe der chinesischen 3,55-mm-Reihe. Mischen Sie beim Übernehmen von Zeichnungen keine unterschiedlichen Normen. Sie können den Wert auch anhand einer einfachen Formel überprüfen: Die Nuttiefe entspricht dem Schnurdurchmesser multipliziert mit (1 minus Verpressung). Bei einem 3,55-mm-Ring mit 20% Verpressung ergibt sich eine Nuttiefe von 2,84 mm, was exakt dem Tabellenwert von 2,85 mm entspricht. Sobald die Herkunft der Zahlen klar ist, lässt sich jeder Schnurdurchmesser leicht ermitteln. Bevor Sie eine andere Zeichnung kopieren, prüfen Sie bitte zuerst eines: ob für den O-Ring tatsächlich noch derselbe Schnurdurchmesser verwendet wird.
Die Kontaktfläche, auf die der Ring gepresst wird – in der Fertigung oft als Dichtzone oder Dichtlinie bezeichnet –, darf weder Werkzeugspuren noch Einfallstellen aufweisen. Für statische Dichtflächen reicht in der Regel ein Rauheitswert von Ra 1,6 bis 3,2 aus. Befindet sich jedoch eine Einfallstelle des Spritzgussteils auf der Dichtzone, kann Wasser entlang dieser Vertiefung den Dichtring unterwandern – während der Ring selbst völlig unbeschädigt bleibt.
2. Kompressionsrate basiert rein auf Annahmen
Die Formel für den Verpressungsgrad ist einfach: Schnurdurchmesser minus Nuttiefe, geteilt durch den Schnurdurchmesser. Genau hier passieren jedoch auch am leichtesten Fehler. In den meisten Fällen sorgt eine Verpressung von 15% bis 25% für die beste Dichtwirkung gegen Wasser. Eine zu geringe Verpressung führt zu Leckagen. Eine zu starke Verpressung verformt das Gehäuse und erfordert übermäßige Montagekräfte. Beides birgt Risiken. Übersteigt die tatsächliche Verpressung 40%, nimmt der Dichtring selbst Schaden.
Der richtige Wert hängt von der Einbauart des O-Rings ab. Wird der Ring bei einer radialen Montage eingeschoben, muss Gleitreibung überwunden werden. Je stärker er verpresst wird, desto schwieriger gestaltet sich die Montage, weshalb die Verpressung üblicherweise bei etwa 10% liegt. Wird der Ring bei einer axialen Flanschkonstruktion direkt durch einen Deckel verpresst, tritt keine Gleitreibung auf, sodass eine Verpressung von bis zu 20% möglich ist. Ein weiterer Anstieg auf 25% bis 30% erreicht den Grenzbereich, ab dem eine bleibende Verformung einsetzt.
Die Folgen einer Überverpressung zeigen sich meist nicht sofort. In der Branche spricht man hierbei vom sogenannten „Druckverformungsrest“ (Compression Set). Bleibt der O-Ring mehrere Monate lang in der Nut verpresst, ist der Querschnitt nach dem Ausbau flachgedrückt und nimmt seine runde Ursprungsform nicht mehr an. Nach längerer Belastung kann sich der Querschnitt schmetterlingsförmig verformen, wodurch Undichtigkeiten an der Dichtfläche entstehen. Je höher die Verpressung und je höher die Temperatur, desto schneller verformt sich der Ring dauerhaft. Die Verpressungsrate sollte daher keinesfalls nach Gefühl gewählt werden: Was vordergründig nach einem sichereren, festeren Sitz aussieht, geht in Wahrheit unmittelbar zulasten der Lebensdauer der Dichtung.
Es gibt noch ein weiteres Detail, das unbemerkt Verpressung kostet: Ein radial montierter Dichtring dehnt sich, wenn er auf die Welle aufgezogen wird. Pro 1% Dehnung verringert sich der Schnurdurchmesser um etwa 0.5%. Sobald der Querschnitt schrumpft, geht ein Teil der konstruktiv vorgesehenen Verpressung verloren. Die Dehnung wird üblicherweise zwischen 1% und 5% ausgelegt. Japanische und taiwanesische Lieferanten bezeichnen die Verpressungsrate mitunter als „Crush Rate“. Es handelt sich um dasselbe Konzept – lassen Sie sich bei der Durchsicht von Konstruktionsunterlagen also nicht von der Terminologie verwirren.
3. Toleranzketten werden nicht überprüft
Die nominelle Verpressung entspricht nicht der tatsächlichen Verpressung. Toleranzen können bis zur Hälfte davon aufzehren.
Apple Rubber führt in seinem Konstruktionsleitfaden ein anschauliches Beispiel an: Bei einem Ring mit einem Schnurdurchmesser von 0,76 mm können sich die Ringtoleranz, die Nuttoleranz und die Toleranz der Aufnahmebohrung auf bis zu 0,3 mm aufsummieren. Das entspricht fast der Hälfte des Ringquerschnitts. Eine Zeichnung mit einer nominellen Verpressung von 20% weist lediglich eine Gesamteindrückung von etwa 0,15 mm auf. Im ungünstigsten Fall wird diese geringe Verpressung nahezu vollständig aufgezehrt. Dadurch kann ein Spalt entstehen, die Kontaktpressung wird unzureichend und es kommt zu Mikroleckagen.
Das Tückische an solchen Zeichnungen ist, dass sie die Prototypenphase oft problemlos bestehen: Drei Prototypenmuster bestehen die Tauchprüfung, das Team friert den Zeichnungsstand ein und die Serienproduktion startet. Bei einem Fertigungslos von 500 Stück sind dann plötzlich 7 von 20 Stichproben undicht. Die Prototypenteile lagen rein zufällig im Zentrum des Toleranzfelds, während die Serienmaße die gesamte Bandbreite ausschöpfen. Eine bestandene Prototypenprüfung beweist keineswegs, dass die Zeichnung fehlerfrei ist.
Die Korrektur lässt sich bei der Zeichnungsprüfung in etwa fünf Minuten durchführen: Berechnen Sie einfach beide Grenzwerte. Das nennt man Worst-Case-Prüfung. Kombinieren Sie den kleinsten Dichtring mit der tiefsten Nut und prüfen Sie, ob die Verpressung noch ausreicht, um Leckagen zuverlässig zu verhindern. Setzen Sie anschließend den größten Ring in die engste Nut ein und kontrollieren Sie, ob die maximale Nutausfüllung überschritten wird. Bestehen beide Werte, ist die Zeichnung wirklich serienreif. Nutzen Sie später bei der Abstimmung mit Lieferanten genau diese beiden Grenzwerte – Nennmaße eintragen kann schließlich jeder.
4. Härtegrad wird einfach von einem anderen Produkt übernommen
Manche glauben, ein härterer Dichtring sei sicherer. Das ist leider ein Irrtum. Ist die Härte falsch gewählt, kann es auf zwei verschiedene Arten zu Undichtigkeiten kommen.
Ist der Dichtring zu hart, passt er sich bei geringem Druck nicht vollständig an die Dichtfläche an. Seine Rückstellkraft reicht nicht aus, um mikroskopische Spalte zu schließen, was bei hydrostatischen Prüfungen zu Mikroleckagen führt. Auch die Montage wird erschwert: Das Gehäuse lässt sich nur schwer schließen und kann sich unter der Belastung verformen, was Undichtigkeiten noch verstärkt. Ist der Ring hingegen zu weich, versagt er auf andere Weise: Durch einen hohen Druckverformungsrest flacht er bei dauerhafter Kompression ab und kann bei höherem Druck in den Passungsspalt gequetscht und beschädigt werden. Wie stark kann er sich verformen? Ein Silikonring mit 60 Shore A, der 1.000 Stunden lang bei 120 °C komprimiert wird, kann einen Druckverformungsrest von 25% erreichen. Auf diese Weise geht die Rückstellkraft schrittweise verloren. Da Silikon von Natur aus kein hochfestes Material ist, müssen Härte und Spaltmaße stets gemeinsam aufeinander abgestimmt werden.
Welche Härte sollte spezifiziert werden? Wasserdichte Dichtringe nutzen üblicherweise 50 bis 70 Shore A. Bei Gehäusedichtungen für Unterhaltungselektronik kommen in der Praxis meist 45 bis 60 Shore A zum Einsatz. Die Konstruktion eines Outdoor-Smartphones dient hier als praxisnahe Referenz: Der Gehäusedichtring weist rund 45 Shore A auf, während der Schraubstopfen mit 70 Shore A ausgelegt ist. Da der Schraubstopfen keine breite Flächenabstützung besitzt, sorgt die höhere Härte für die nötige Dichtwirkung. Wenn auf derselben Zeichnung zwei Ringtypen mit unterschiedlichen Härtewerten vorkommen, achten Sie darauf, nicht die falsche Angabe zu übernehmen.
Auch der Einkauf muss eine Kennzahl im Blick behalten: Die Silikonhärte selbst weist üblicherweise eine Toleranz von plus/minus 5 Shore A auf. Zwei Lieferanten geben möglicherweise beide 60 Shore A an, ihre tatsächlichen Bauteile können jedoch um 5 Grad voneinander abweichen. Berücksichtigen Sie diese Toleranz bei der Härtespezifikation auf der Zeichnung. Legen Sie den Verpressungsgrad nicht am Limit aus und verlassen Sie sich nicht darauf, dass jede Lieferantencharge exakt übereinstimmt. Bei Hochdruckanwendungen tritt zudem das Problem der „Spaltextrusion“ auf, bei Niederdruck-Konsumgütern bzw. Elektronikprodukten sind Stützringe in der Regel jedoch nicht erforderlich.
5. Für den Montageablauf gibt es keinen Plan B
Ein Fehler tritt besonders häufig auf: Die Dichtheitsprüfung zeigt eine massive Leckage, das Produkt wird geöffnet und der Dichtring weist rundherum eine gleichmäßige Schnittspur auf. Der Ring wurde durch eine scharfe Bohrungskante eingeschnitten – und genau an dieser Schnittstelle befindet sich das Leck. Jede scharfe Kante entlang des Montagepfads wirkt wie eine Klinge. Der Schnitt mag winzig sein, die Leckage kann jedoch gravierend sein.
Hierfür gibt es zwei Abhilfemaßnahmen: Versehen Sie die Montageöffnung mit einer Einführschräge von 15 bis 20 Grad und wählen Sie am Nutgrund einen Übergangsradius von R0,3 bis R0,5. Muss der Dichtring über Gewinde oder scharfe Bohrungskanten geführt werden, integrieren Sie die Fase entweder direkt in das Bauteil oder nutzen Sie eine Schutzhülse am Montagewerkzeug. In der technischen Zeichnung sind diese Geometrien lediglich einfache Bemaßungen und im Werkzeugbau problemlos umzusetzen. Die eigentliche Kunst liegt darin, bei der Konstruktion rechtzeitig daran zu denken.
Eine weitere häufige Ursache für Leckagen liegt gehäuseseitig: Werden Ober- und Untergehäuse verschraubt, um den Dichtring zu verpressen, sollte der Schraubenabstand nach gängiger Branchenpraxis typischerweise bei etwa 35 mm liegen. Sind die Verschraubungspunkte zu weit voneinander entfernt, wölbt sich das Gehäuse in der Mitte auf, sodass sich die Dichtfläche punktuell öffnet. Ein ungleichmäßiges Anzugsmoment führt zum gleichen Fehlerbild: Die Dichtung ist intakt und die Nut korrekt ausgelegt – das Gehäuse presst die Dichtung schlichtweg nicht ausreichend zusammen.
Ein letzter Schritt bleibt noch: die Validierung. Die Wasserdichtigkeit muss durch wiederholte Prüfungen nachgewiesen werden. Ein fertiges Produkt kann den ersten Test nach der Montage bestehen, fällt dann jedoch nach Temperaturwechselprüfungen, Falltests oder Wasserdrucktests durch. Aus Design-Reviews für Rugged-Smartphones kennt man diese schmerzhafte Lektion. In der Serienfertigung stützt sich die Validierung auf Dichtheitsprüfungen. Der Hohlraum wird mit Druck beaufschlagt und der Druckabfall gemessen. In der Fertigung wird dies als „Luftprüfung“ bezeichnet, während das entsprechende Tauchverfahren als „Wasserprüfung“ gilt. Ein branchenübliches Verfahren besteht darin, das Produkt mit ca. 24 kPa Luftdruck zu beaufschlagen, den Druck eine halbe Minute lang zu halten und das Produkt freizugeben, wenn der Druckabfall weniger als 0,05 psi beträgt. Dieser Wert ist aus den Anforderungen der IP67-Schutzart abgeleitet. Die Wasserprüfung dauert pro Einheit mehrere Minuten und erfordert eine anschließende Trocknung. Die Luftprüfung ist zerstörungsfrei und ermöglicht eine 100%-Prüfung. Werden Prüfmethode und Gut-/Schlecht-Grenzen nicht präzise geplant, zeigt sich das Dichtigkeitsproblem erst nach Auslieferung beim Kunden.
Risiken vor der endgültigen Zeichnungsfreigabe kostenlos eliminieren
Welche der fünf Fehlerquellen sollte zuerst vermieden werden? Eine Rangfolge nach Kosten: Nut- und Verpressungsprobleme treten häufig auf und werden bei Tests meist frühzeitig erkannt. Toleranzprobleme sind am tückischsten und verursachen die höchsten Kosten. Beim Prototyping fallen sie oft nicht auf, treten jedoch in der Serienfertigung massiv zutage. Wenn die ersten Kundenreklamationen eintreffen, sind die Werkzeugkosten bereits angefallen.
Die Zeit vor der finalen Zeichnungsfreigabe ist bares Geld wert. In der Zeichnungsphase kostet die Anpassung von Nuttiefe, Verpressung oder Härteangaben nichts; das 3D-Modell lässt sich beliebig oft überarbeiten. Nach dem Werkzeugbau schlagen kleinere Formkorrekturen bereits mit etwa $45 bis $450 zu Buche. Handelt es sich bei der Nuttiefe jedoch um ein fest eingeformtes Maß, das nicht mehr nachgearbeitet werden kann, muss das Werkzeug komplett neu angefertigt werden. Das bedeutet Zusatzkosten von etwa $450 bis $4,500 oder mehr sowie einen weiteren Monat Verzögerung bei der Lieferzeit. Führt das Problem in der Serienproduktion gar zu Kundenreklamationen, kommen teure Rücksendungen und ein massiver Imageschaden hinzu. Derselbe Konstruktionsfehler kann das Hundertfache kosten, wenn er zu spät entdeckt wird.
Vor dem Zeichnungs-Freeze ist die Überprüfung dieser fünf Punkte anhand der Zeichnung eine kostenlose Absicherung. Wir sind YueHouDZ – mit 11 Jahren Erfahrung in der Fertigung kundenspezifischer Silikonteile. Unsere Serienprojekte reichen von Dichtringen für Instrumentengehäuse über Dichtungen für Kabelsteckverbinder bis hin zu wasserdichten Outdoor-Lösungen.Silikon-Dichtring-Projekte. Senden Sie uns gerne Ihre Zeichnungen zur Dichtungsgeometrie. Wir prüfen Nutmaße und Verpressungsgrad im Rahmen unseresOEM-Fertigung von Silikonteilen-Supports – dieser Prüfschritt ist für Sie völlig kostenlos.
