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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.

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.

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.

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.

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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