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Funktionswerkstoff Kunststoff

Exakte Prüfung von Kunststoffen mit einem neuen Testsystem

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Mehraxiale Belastung von Funktionswerkstoffen

Die in der Regel auf Bauteile einwirkende Belastung ist meist mehraxial, was bedeutet, dass das Bauteil aus verschiedenen Raumrichtungen belastet wird. Derzeitige Auslegungsmethoden berücksichtigen die mehraxiale Belastung meist nur unzureichend. Materialmodelle, die für die Auslegung von Bauteilen verwendet werden, sind meist auf Grundlage von einfachen Probestäben unter uniaxialer Belastung ermittelt worden. Die Übertragung von Materialdaten, die mithilfe von uniaxialen Probestäben ermittelt wurden, birgt Risiken, da die meisten Versagenshypothesen die Anisotropie und das nicht lineare Materialverhalten der Kunststoffe nur unzureichend abbilden. Dabei werden Wechselwirkungen aus mehraxialer Belastung nicht berücksichtigt. Meist sind die zur Ermittlung von Materialdaten für mehraxiale Belastung benötigten Prüfkörper nur schwer zugänglich.

Umweltbedingungen

Neben der Wahl von Material, Probengeometrie und Herstellungsprozess, ist bei der Materialuntersuchung die Beanspruchung unter Einsatzbedingungen realitätsnah zu simulieren. Wenn die Beanspruchungen, wie mechanische Belastung, Temperatur oder Medieneinfluss einzeln betrachtet werden, sind die Wechselwirkungen auf die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften zunehmend bekannt. Dies wird auch bei der konventionellen Dimensionierung durch die Verwendung von Abminderungsfaktoren berücksichtigt. Hierdurch werden jedoch die Wirkungszusammenhänge zwischen den einzelnen Einflüssen nicht beachtet, sondern es wird für jeden Faktor eine festigkeitsmindernde Wirkung vorausgesetzt. Aus Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Polymerbauteilen ist bekannt, dass das umgebende Medium Auswirkungen auf die Schwingfestigkeit hat. Das Ausmaß der Schwingfestigkeitsminderung durch die Medienbeanspruchung bei erhöhter Temperatur hängt dabei offenbar auch von dem anliegenden Spannungsverhältnis ab. Der Medieneinfluss ist bei Zug-Schwellbelastung deutlich größer als bei Zug-Druck-Wechselbelastung.

Bildergalerie

Des Weiteren sind Überlegungen angestellt worden, welche Zusammenhänge zwischen Desorption, Absorption und den auftretenden Eigenspannungen in Abhängigkeit der Probengeometrie bestehen. Hierzu sind außerdem Einflüsse auf Schwingfestigkeitskennwerte in Abhängigkeit des jeweiligen Spannungsverhältnisses denkbar. Bei der Absorption eines Mediums in ein Bauteil entstehen Druckeigenspannungen in den Randschichten und Zugeigenspannungen im Inneren. Bei der Desorption ist der Vorgang umgekehrt, es entstehen Zugeigenspannungen in den Randbereichen und Druckeigenspannungen im Inneren.

Zusätzliche Spannungsüberlagerungen können außerdem durch das jeweilige Spannungsverhältnis, mit dem ein Bauteil beansprucht wird, resultieren. Hierbei ist sowohl eine Erniedrigung als auch eine Erhöhung der Lebensdauer denkbar.

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