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Funktionswerkstoff Kunststoff

Exakte Prüfung von Kunststoffen mit einem neuen Testsystem

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Neuer Ansatz zur Untersuchung der Prozesskette

Die Abteilung betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau des Fraunhofer LBF hat mit dem Multi-Tester einen neuartigen Innendruckprüfkörper entwickelt. Mit ihm kann die gesamte Prozesskette untersucht werden: Beginnend von der rheologischen Balancierung eines Bauteils über den Spritzgießprozess bis hin zur Materialcharakterisierung und Bauteilprüfung. Das Herstellverfahren des Multi-Testers ist das Spritzgießverfahren. Dabei kann der Multi-Tester aus verschiedenen Kunststoffmaterialien wie unverstärkten, kurzglasfaserverstärkten oder langglasfaserverstärkten Materialien hergestellt werden.

Im Vorfeld wird mittels Füllsimulation der Füllvorgang und das Fließverhalten des verwendeten Kunststoffes untersucht. Dadurch können die Spritzgießprozessparameter optimiert und angepasst, mögliche Bindenähte und Bauteilverzug identifiziert und die Faserorientierungsverteilung untersucht werden. Durch eine Prozessparametervalidierung der verwendeten Spritzgießparameter können die Einflüsse der Spritzgießprozessparameter auf die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Materials anhand von Innendruckversuchen identifiziert werden.

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Nach dem Herstellen der Probekörper mittels Spritzgießen kann der Multi-Tester unter statischer, kriechender, dynamischer und zyklischer Beanspruchung mittels Innendruck geprüft werden. Dadurch kann sowohl das Kurzzeitverhalten (Crash) als auch das Langzeitverhalten (Kriechen, Schwingfestigkeit) untersucht werden. Die Belastung auf den Multi-Tester wird mittels Innendruck aufgebracht. Als Innendruckmedium können verschiedenste brennbare und nicht brennbare Flüssigkeiten wie Öle, Treibstoffe, Säuren oder Laugen verwendet werden. Dabei kann der Einfluss von verschiedensten Medien auf die Kurz- und Langzeitbeanspruchung untersucht werden. Die Belastung mittels Innendruck ruft an den höchst belasteten Bereichen einen mehraxialen Belastungszustand hervor.

Mit Hilfe einer Finite-Element-Berechnung können die einzelnen Belastungskomponenten an den höchst belasteten Bereichen bestimmt werden. Materialmodelle, die auf Grundlage von uniaxialen belasteten spritzgegossenen Probestäben für statische und zyklische Belastung erstellt wurden, können anhand des Multi-Testers validiert werden. Dazu wird die Anstrengung im höchst belasteten Bereich des Multi-Testers in Bezug auf die Faserorientierung, der Anstrengung des Materialmodells gegenübergestellt. Dadurch ist es möglich, die Betriebsfestigkeit für Innendruckbelastung am Multi-Tester abzuschätzen und auf andere Strukturkomponenten zu übertragen. Dies ermöglicht, Strukturkomponenten unter mehraxialer Belastung zu bemessen.

Fazit

Der Vorteil des Multi-Testers ist, dass im frühen Stadium der Entwicklung auf mögliche Schwachstellen und Wechselwirkungen aufmerksam gemacht wird. Dadurch reduzieren sich nicht nur die Entwicklungskosten, sondern auch die Entwicklungszeit zur Serienreife. Durch den Multi-Tester lassen sich die Leichtbaupotenziale des Werkstoffes Kunststoff besser ausnutzen, wodurch Strukturkomponenten nicht nur schneller bei geringeren Kosten, sondern vor allem auch leichter und betriebssicherer ausgelegt werden.

Literatur:

[1] Ehrenstein G.W.: Mit Kunststoffen konstruieren. Carl Hanser Verlag, München Wien (2002)

[2] Hartmann J., Büter A., Gumnior P., Dreißig J.: Lebensdauersimulation von Kunststoffbauteilen, 37. Jahrestagung der GUS, Pfintztal, 2008

[3] Jaschek J., Büter A., Sonsino C.M.: Fatigue behaviour of short fiber reinforced polyamide under multiaxial loading. Sheffield: International Conference on multiaxial Fatigue&Fracture, ICMFF8, 2007

[4] Sonsino C.M., Moosbrugger E.: Fatigue design of highly loaded short-glass-fibre reinforced polyamide parts in engine compartments. International Journal of Fatigue, 30, 1279-1288 (2008)

* D. Spancken, J. Decker: Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit, 64289 Darmstadt

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