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Quantitative Ermittlung von Eigenspannungen

Eigenspannungen sind ein allgegenwärtiges Phänomen. Sie sind in nahezu jedem Werkstoff und Bauteil vorhanden, insbesondere bei spritzgegossenen Kunststoffteilen, wo der Kunststoff sehr rasch und unter Wirkung des Nachdruckes abkühlt. Eigenspannungen können sowohl schädliche als auch günstige Auswirkungen auf das Festigkeitsverhalten haben, je nachdem ob sie den Lastspannungen gleich- oder entgegengerichtet sind. Selbst bei Abwesenheit äußerer Kräfte können Eigenspannungen bei Kontakt des Kunststoffes mit oberflächenaktiven Medien zu einem vorzeitigen Versagen durch Spannungsrissbildung führen.

Prinzipschema des Eigenspannungsprofils von Kunststoffen / Quelle: Domininghaus, Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften, 2005
Prinzipdarstellung des Eigenspannungsprofils von (spritzgegossenen) Kunststoffbauteilen

Vielfach sind Eigenspannungen nach wie vor eine Quelle der Unsicherheit bei der Bauteildimensionierung. Die quantitative Bewertung dieser Eigenspannungen erlaubt nicht nur den Charakter des Unberechenbaren zu eliminieren, sondern darüber hinaus die Fertigungstechnologien so zu optimieren, dass ungünstige Eigenspannungen (Zugspannungen) verhindert werden und ggf. günstige Eigenspannungen (Druckspannungen) gezielt eingebracht werden können. Dies führt zur optimalen Ausnutzung von Werkstoffen und Bauteilen.

Eigenspannung können direkt bzw. indirekt ermittelt werden:

Zur direkten Bestimmung der Eigenspannung wird am SKZ die sogenannte inkrementelle Bohrlochmethode eingesetzt. Die inkrementelle Bohrlochmethode basiert auf einer Teilentlastung der Oberfläche durch das Anbohren der Bauteiloberfläche. Die in der Nähe des Bohrlochs vorhandenen Spannungen (Eigenspannungen) werden mit Hilfe von speziellen DMS-Rosetten in Abhängigkeit der Bohrlochtiefe erfasst und mit Hilfe einer speziellen Software ausgewertet.

Bei der indirekten Bestimmung der Eigenspannungen wird unter Zuhilfenahme der Spannungsoptik die Änderung der Isochromaten vor bzw. nach dem Tempern unterhalb des Glasübergangspunktes bestimmt. Durch das Tempern unterhalb des Glasübergangspunktes werden die Eigenspannungen abgebaut, so dass nur noch die Doppelbrechung aufgrund von Molekülorientierungen übrig bleibt. Mit Hilfe des Photo-Stress-Systems besteht am SKZ die Möglichkeit die Spannungen sowohl in Transmission als auch in Reflexion an jeden beliebigen Punkt zu bestimmen.

Beide Methoden können auch auf komplexe Bauteilgeometrien angewandt werden.

Eigenspannungs-Messgerät (Bohrlochmethode) mit Details einer auf der Probe applizierten DMS-Rosette
Eigenspannungs-Messgerät (Bohrlochmethode) mit Details einer auf der Probe applizierten DMS-Rosette

Ermittlung lokaler Spannungsfelder mit dem System PhotoStress
Ermittlung lokaler Spannungsfelder und Eigenspannungen mit dem System PhotoStress