In past studies, several techniques have been employed to create microscopic features on relatively simple surfaces. Of these, lithography-based techniques have proven effective at manufacturing large fields of deterministic microasperities and microcavities on planar and cylindrical substrates. The present study focuses on adapting UV-lithography to a more complex substrate. Machined from stainless steel, a conical mold insert introduces an interesting geometry designed for the injection molding of radial lip seal elastomer. The distinct shape of this mold insert poises unique challenges to a conventional lithography procedure. Spray application is investigated as a feasible means to deposit layers of photoresist on the surface. An appropriate masking element is designed and created to facilitate transfer of a particular pattern via UV exposure. A clamping technique is implemented to align and secure the photomask. These techniques are incorporated into a three-day process, and results are obtained through optical microscopy and light interferometry. By applying Design of Experiments (DOE) and Analysis of Variance (ANOVA), significant process variables are indentified. Based on these findings, refinements to the process are enabled and future considerations are made evident.

Dichtungen spielen für die Funktion von Maschinen eine zentrale Rolle. Sie verhindern den Austritt von Schmierstoff aus dem Innenraum in die Umgebung und das Eindringen von Schmutz von Außen. Neben einer möglichst guten Abdichtung ist jedoch auch die durch die Dichtung auftretende Reibung von immer größerer Bedeutung für die Funktionalität von Maschinen und Anlagen. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit untersucht, welche wesentlichen Einflussfaktoren das Reibmoment, bzw. den Reibwert von Radialwellendichtungen, beeinflussen. Experimentelle Untersuchungen erfolgen dafür an einem speziell entwickelten Versuchstand. Dabei wird ersichtlich, dass die Umfangsgeschwindigkeit, die Schmierstoffviskosität und die Temperatur im Dichtkontakt die wesentlichsten Einflussfaktoren bei einer festen Kombination aus Dichtung und Gegenlaufläche darstellen. Im Vergleich zwischen verschiedenen Dichtungen spielt zudem die Radialkraft der Dichtung eine entscheidende Rolle. Des weiteren wird ein komplexes Modell entwickelt, welches die Effekte im tribologischen Kontakt beschreibt und so das Reibmoment der Dichtung berechenbar macht. Berücksichtigt werden dabei sowohl die durch Oberflächenstrukturen beeinflusste Fluidreibung im Schmierspalt, als auch die Hysteresereibung im Dichtungsmaterial und die Temperatur im Dichtkontakt. Durch die Kopplung der Einzelmodelle wird zudem die gegenseitige Beeinflussung berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse ermöglichen einen tiefen Einblick in das Zusammenwirken der Phänomene im Dichtkontakt. Das Modell erlaubt die Berechnung des Reibwertes der Dichtung anhand der Betriebsbedingungen. Der Vergleich zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Ein weiteres, vereinfachtes Modell auf Basis der Gümbelzahl ermöglicht die direkte und extrem schnelle Berechnung des Reibwertes der Dichtung. Das reduzierte Modell kann hierbei sowohl von experimentellen als auch numerischen Ergebnissen parametriert werden.:1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1 2 Stand des Wissens 3 2.1 Dynamische Dichtungen 3 2.2 Tribologie des Dichtkontaktes 4 2.2.1 Mechanismen im tribologischen Kontakt 5 2.2.2 Einflüsse auf die Dichtwirkung 6 2.2.3 Schmierfilmhypothesen 7 2.2.4 Stribeck-Kurve und Gümbelzahl 8 2.3 Materialeigenschaften von Elastomeren 9 2.4 Schmierstoffeigenschaften 11 2.5 Modelle zur Beschreibung von Dichtungsreibung 13 2.5.1 Modellierung der Hysteresereibung 14 2.5.2 Modellierung der Fluidreibung 16 2.5.3 Modellierung des Dichtungskontaktes 19 2.5.4 Modellierung der Temperatur im Dichtkontakt 20 3 Experimentelle Untersuchungen 21 3.1 Radialkraft 21 3.2 Kontaktbreite 23 3.3 Reibwertkennlinien 24 3.3.1 Radial-Dichtungsprüfstand 24 3.3.2 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter stationären Randbedingungen 25 3.3.3 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter instationären Randbedingungen 31 3.4 Elastomereigenschaften 34 3.4.1 Zugversuch 34 3.4.2 Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analyse 34 4 Simulationen 37 4.1 FE-Modelle und Parametrierung 37 4.2 Modell zur Simulation des Dichtungsreibmomentes 39 4.2.1 Modellierung der Fluidreibung 40 4.2.2 Modellierung der Hysteresereibung 51 4.2.3 Approximation der Temperatur im Dichtkontakt 60 4.2.4 Kopplung/Abhängigkeiten 60 4.2.5 Berechnung der wahren Kontaktfläche 62 4.2.6 Ankopplung der Hysteresereibung 64 4.3 Ergebnisse zur Simulation des Dichtungsreibwertes 64 4.3.1 Fluidreibung 64 4.3.2 Hysteresereibung 69 4.3.3 Fluid- und Hysteresereibung 74 4.3.4 Einfluss der Umgebungstemperatur 77 4.3.5 Instationäre Randbedingungen 79 5 Zusammenfassung 83 A Einfluss der Maxwell-Äste auf das Ergebniss der Hysteresereibung 87 B Koeffizienten für die Flussfaktorenberechnung 89 Literaturverzeichnis 91 / Seals are very important for the proper function of machines. They prevent lubricant from escaping from the interior into the environment and the ingress of dust from outside. Yet not only the sealing properties are relevant, also the friction is getting more and more in focus. Therefore, in this thesis, the relevant influences on the friction moment, and on the friction coefficient are investigated. A special test rig has been developed for the experimental investigations. It has been found that the circumferential velocity and the lubricants viscosity in conjunction with the temperature at the seals contact are the main influence factors of a defined combination of seal and surface. For the comparison of different seals, the radial contact force has an important influence, too. Beside these experimental investigations a complex simulation model has been developed. It describes the effects inside the tribological contact and allows the calculation of the seals friction moment. The model uses calculation routines for the fluid friction due to the fluid film inside the seals contact with respect to the surface structures, as well as the hysteresis friction inside the seals lip. Furthermore, the seals contact temperature is calculated. All these models relate and respect the influence between each other. The simulation results allow a deep view on the phenomena inside the seals contact and their interaction with each other. The model allows the calculation of the friction coeficient. A good agreement between experimental and numeric results could be achieved. An additional, reduced model on basis of the Gümbel number allows a direct and extreme fast calculation of the friction coeficient. The reduced model could be parameterized both on experimental and simulation results.:1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1 2 Stand des Wissens 3 2.1 Dynamische Dichtungen 3 2.2 Tribologie des Dichtkontaktes 4 2.2.1 Mechanismen im tribologischen Kontakt 5 2.2.2 Einflüsse auf die Dichtwirkung 6 2.2.3 Schmierfilmhypothesen 7 2.2.4 Stribeck-Kurve und Gümbelzahl 8 2.3 Materialeigenschaften von Elastomeren 9 2.4 Schmierstoffeigenschaften 11 2.5 Modelle zur Beschreibung von Dichtungsreibung 13 2.5.1 Modellierung der Hysteresereibung 14 2.5.2 Modellierung der Fluidreibung 16 2.5.3 Modellierung des Dichtungskontaktes 19 2.5.4 Modellierung der Temperatur im Dichtkontakt 20 3 Experimentelle Untersuchungen 21 3.1 Radialkraft 21 3.2 Kontaktbreite 23 3.3 Reibwertkennlinien 24 3.3.1 Radial-Dichtungsprüfstand 24 3.3.2 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter stationären Randbedingungen 25 3.3.3 Ermittlung von Reibwertkennlinien unter instationären Randbedingungen 31 3.4 Elastomereigenschaften 34 3.4.1 Zugversuch 34 3.4.2 Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analyse 34 4 Simulationen 37 4.1 FE-Modelle und Parametrierung 37 4.2 Modell zur Simulation des Dichtungsreibmomentes 39 4.2.1 Modellierung der Fluidreibung 40 4.2.2 Modellierung der Hysteresereibung 51 4.2.3 Approximation der Temperatur im Dichtkontakt 60 4.2.4 Kopplung/Abhängigkeiten 60 4.2.5 Berechnung der wahren Kontaktfläche 62 4.2.6 Ankopplung der Hysteresereibung 64 4.3 Ergebnisse zur Simulation des Dichtungsreibwertes 64 4.3.1 Fluidreibung 64 4.3.2 Hysteresereibung 69 4.3.3 Fluid- und Hysteresereibung 74 4.3.4 Einfluss der Umgebungstemperatur 77 4.3.5 Instationäre Randbedingungen 79 5 Zusammenfassung 83 A Einfluss der Maxwell-Äste auf das Ergebniss der Hysteresereibung 87 B Koeffizienten für die Flussfaktorenberechnung 89 Literaturverzeichnis 91