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Funktionswerkstoff Kunststoff Exakte Prüfung von Kunststoffen mit einem neuen Testsystem

| Autor/ Redakteur: Dominik Spancken und Julia Decker* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Stetig nimmt der Anteil an Kunststoffen als Funktionswerkstoff zu. Gegenwärtig werden Bauteile mit konventionellen Bemessungsmethoden ausgelegt. Dabei werden die Einsatzgrenzen oft nicht vollständig ausgeschöpft. Mithilfe experimenteller Simulationen kann dies gelingen.

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Abb.1: Eine Füllsimulation des Probekörpers
Abb.1: Eine Füllsimulation des Probekörpers
(Bild: Fraunhofer LBF)

Bislang wurden Bauteile aus Kunststoffen häufig mit statischen Kennwerten, einem Sicherheitsfaktor und einer Vielzahl von Abminderungsfaktoren dimensioniert (konventionelle Dimensionierung). Dieses Vorgehen stellt zwar eine Möglichkeit der Auslegung dar, ist jedoch für die meisten Anwendungen im Sinne einer betriebsfesten Dimensionierung nicht authentisch. Mögliche Wechselwirkungen zwischen den Abminderungsfaktoren werden dabei nicht berücksichtigt. Auch das Abschätzen der Abminderungsfaktoren birgt Unsicherheiten, die schnell zu einer Unter- bzw. Überdimensionierung führen können. Ein Verfahren das vollständige Werkstoffpotenzial auszunutzen, ist das Bauteil mithilfe der experimentellen Simulation zu bemessen.

Experimentelle Simulation

Bei der auf experimenteller Simulation basierenden betriebsfesten Auslegung, werden die Wechselwirkungen der einzelnen Einflussgrößen weitestgehend einbezogen. Im Allgemeinen sind für die betriebsfeste Bemessung die Parameter Werkstoff, Bauteilgeometrie, Herstellungsverfahren und Beanspruchung bei Einsatzbedingung maßgeblich. Diese Parameter stehen in Interaktion zueinander und werden bei der Auslegung der meisten Anwendungen von dem Faktor Kosten wesentlich bestimmt. Ziel einer jeden Auslegung ist es, Werkstoff, Form (Geometrie), Material und Herstellungsprozess so zu definieren, dass bei minimalem Gewicht und Kosten die geforderte Funktionalität gegeben ist. Im Hinblick auf die Festigkeit bedeutet das, dass die Beanspruchung stets kleiner ist als die Beanspruchbarkeit. Die numerische Betriebslastensimulation in Kombination mit der experimentellen Materialprüfung ermöglicht eine derartige Bewertung. Die Beanspruchungsverteilung einer Komponente kann über eine Finite-Elemente-Berechnung (Beanspruchung, Geometrie, Materialmodell) ermittelt werden. Auf Basis von Daten aus Materialuntersuchungen, die normalerweise an Proben oder mit bauteilähnlichen Proben durchgeführt werden, wird die Beanspruchbarkeit ermittelt und den Ergebnissen aus der Bauteilberechnung gegenübergestellt.

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Materialdatenermittlung

Um für die Bauteilauslegung unter verschiedenen Einsatzbedingungen realistische Materialdaten zu erhalten, müssen für die experimentellen Untersuchungen alle wichtigen Einflussparameter auf die Betriebsfestigkeit berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass sowohl die Wahl der Probekörper als auch deren Herstellung ebenso wichtig sind, wie das richtige Einleiten der mechanischen Beanspruchung in die Probe und die Simulation der Umweltbelastungen. Umweltbelastungen besitzen bei Kunststoffen einen großen Einfluss auf die ertragbare Spannung des Werkstoffes. Soll beispielsweise die zu dimensionierende Komponente aus einem kurzfaserverstärktem Thermoplast mittels Spritzgießverfahren hergestellt werden, sollten die für die Materialprüfung verwendeten Proben mit ähnlichen Fertigungsbedingungen hergestellt werden wie das spätere Bauteil. Bei kurzfaserverstärkten Thermoplasten ist zu beachten, dass bedingt durch den Herstellungsprozess, die Fasern je nach Wandstärke, Ausführung des Formteils und Wahl der Spritzgießparameter, unterschiedlich ausgerichtet werden. Für die Ermittlung verwendbarer Materialdaten sollten diese Eigenschaften von Probe und zu dimensionierende Komponente daher ähnlich bzw. identisch sein. Folge der Nichtberücksichtigung dieses Attributs wäre, dass das Bauteil und die Probe unterschiedliche anisotrope Eigenschaften besitzen würden.

Bauteile weisen in der Regel Kerben auf. Kerben, z.B. bedingt durch Querschnittsänderungen in der Geometrie einer Komponente, rufen Spannungskonzentrationen hervor. Diese wiederum reduzieren die ertragbare Belastung des Bauteils. Daher sind für die Dimensionierung Kerben zu berücksichtigen und es sind spezifische Materialuntersuchungen mit Berücksichtigung der Spannungskonzentrationen erforderlich.

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