Bauteileigenschaften

Spannungsrissversagen ist mit ca. 25 % die häufigste Schadensursache bei Kunststoffbauteilen. Durch gleichzeitiges Einwirken von Spannungen (externe Lasten oder Eigenspannungen) und spannungsrissfördernden Medien können die Versagenszeiten von Kunststoffbauteilen deutlich reduziert sein.

Neben der Bewertung der Spannungsrissbeständigkeit nach genormten Prüfverfahren widmen wir uns der Vorhersage der Versagenszeiten über beschleunigte Testmethoden.

Besondere Themen sind:

• Beschleunigte Prüfmethoden zum langsamen Risswachstum bei Polyolefinen
• Einfluss verschiedener Medien und Betriebsbedingungen bzw. Eigenspannungszustände auf das Spannungsrissversagen
• Quantitative Ermittlung von Eigenspannungen
   

Kontakt:
Dr. rer. nat. Mirko Wenzel | +49 931 4104-347 | m.wenzel@skz.de
Dr.-Ing. Frédéric Achereiner | +49 931 4104-475 | f.achereiner@skz.de

Die Alterung von Kunststoffprodukten kann durch eine Vielzahl von Einflussfaktoren wie Wärme, UV-Strahlung und Medien hervorgerufen werden und hängt neben dem eingesetzten Kunststoff (Polymertyp und Stabilisierung) in hohem Maße von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen des Kunststoffproduktes ab. Zur genauen Vorhersage der zu erwartenden Lebensdauer sind geeignete zeitraffende Tests notwendig.

Am SKZ werden Untersuchungen zur Alterung verschiedenster Kunststoffbauteile unter Einflussgrößen wie Temperatur, chemischen Medien und unter Witterungseinfluss durchgeführt. Neben der Vorhersage der Alterung durch zeitraffende Prüfungen liegt der Schwerpunkt dabei auch auf der Anwendung und Entwicklung geeigneter analytischer Methoden zur Charakterisierung des Alterungszustandes.

Besondere Themen sind:

• Thermo-oxidative Alterung (Temperatur, Sauerstoff/Oxidationsmittel)
• Witterungsverhalten (Strahlung, Temperatur und Feuchte)
• Medienbeständigkeit (z.B. heißes Wasser, Reinigungsmittel, Öle)
• Zeitraffende Prüfmethoden zur Vorhersage des Alterungsverhaltens
   

Kontakt:
Dr. rer. nat. Mirko Wenzel | +49 931 4104-347 | m.wenzel@skz.de
Britta Gerets | +49 931 4104-575 | b.gerets@skz.de

Die Eigenschaften von Kunststoffbauteilen hängen nicht nur vom chemischen Molekülaufbau des Polymers ab, sondern auch von der Morphologie und dem Eigenspannungszustand, die sich verarbeitungsabhängig einstellen.

Je nach Verarbeitungsbedingungen entstehen z.B. unterschiedliche

• kristalline Strukturen (Kristallinitätsgrad, Kristallmodifikationen, Überstrukturen),
• Orientierungszustände (Molekül- und Faserorientierungen, die zu anisotropen Eigenschaften führen)
• und Eigenspannungszustände.

Die effektive Bestimmung solcher Effekte und Beurteilung der daraus resultierenden Konsequenzen für das Bauteil werden am SKZ in Bezug auf bauteilspezifische Fragestellungen näher erforscht. Ziel ist dabei, diese Effekte gezielt steuern zu können, um negative Auswirkungen zu vermeiden oder sogar neue Vorteile zu gewinnen.

Besondere Themen sind:

• Morphologieuntersuchungen (amorphe bzw. kristalline Strukturen, Molekül- und Faserorientierungen, Binde- bzw. Fließnähte, Verunreinigungen, Fehlstellen etc.)
• Betrachtung von Verarbeitungseinflüssen 
• Quantitative Ermittlung von Eigenspannungen
   

Kontakt:
Dr. rer. nat. Mirko Wenzel | +49 931 4104-347 | m.wenzel@skz.de
Britta Gerets | +49 931 4104-575 | b.gerets@skz.de

An Kunststoffbauteile werden immer höhere Anforderungen bezüglich deren Lebensdauer gestellt, gleichzeitig reduzieren sich die Entwicklungszeiten von neuen Produkten immer mehr. Dies stellt die Hersteller und Anwender von Kunststoffbauteilen oftmals vor das Problem, gesicherte Prognosen über die anzunehmende maximale Nutzungsdauer ihrer Produkte treffen zu müssen. Die geforderte Mindestlebensdauer kann in einigen Fällen durchaus 50 Jahre und mehr betragen (beispielhaft seien hier Kunststoffrohre oder Kunststoffdichtungsbahnen genannt). Dafür reichen selbst Extrapolationen anhand von Langzeitversuchen (typischerweise im Bereich von mehreren Monaten) nicht mehr aus, um über eine Extrapolation auf längere Zeiten sichere Prognosen abzuleiten.

Aus diesem Grund sind zeitraffende Prüfmethoden auf Basis physikalisch-chemischer Modelle von größtem Interesse, die es erlauben innerhalb kürzerer Zeit zu gesicherten Aussagen über das Langzeit- und Alterungsverhalten von Kunststoffen zu gelangen. Dabei ist von zentraler Bedeutung, dass es durch eine Beschleunigung der Prüfung, z.B. über Temperaturerhöhung, nicht zu einem Wechsel im Versagensmechanismus kommt, der so gar nicht in der Praxis (unter Betriebsbedingungen) auftreten würde.

Die Anwendung und Weiterentwicklung von Methoden zur beschleunigten Prüfung und Lebensdauerprognose von Kunststoffbauteilen stellt einen wichtigen Arbeitsschwerpunkt unserer F&E-Aktivitäten dar.

Wir führen für Sie Untersuchungen zur Zustandsbewertung von gealterten Kunststoffbauteilen und zur Lebensdauerprognose von Kunststoffbauteilen im Neuzustand bzw. nach langjähriger Nutzungsdauer durch.

Besondere Themen sind:

• Zustandsbewertung mittels innovativer Prüf- und Analysemethoden
• Beschleunigte Prüfverfahren, welche auf den jeweiligen Versagensmechanismus (z.B. Kriechen oder Thermo-oxidative Alterung) abgestimmt sind
• Einsatz von physikalisch-chemischen Vorhersagemodellen zur Lebensdauerabschätzung
• Simulationsbasierte Lebensdauerprognose auf Bauteilebene
   

Kontakt:
Dr. rer. nat. Mirko Wenzel | +49 931 4104-347 | m.wenzel@skz.de
Dr.-Ing. Frédéric Achereiner | +49 931 4104-475 | f.achereiner@skz.de

Rechnergestützte Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM)  erlauben eine effiziente Auslegung und Berechnung von Kunststoff- und Verbund¬bauteilen. Mit einer geeigneten Modellierung des Werkstoff- und Bauteilverhaltens lassen sich so bereits in einer frühen Entwicklungsphase Zeit, Material und Kosten einsparen.

Eine aussagekräftige Simulation erfordert dazu die bestmögliche Kenntnis des realen Werkstoffverhaltens, welches hauptsächlich von den Einsatzbedingungen (Lasten, Temperatur, Feuchtigkeit/Medien etc.) abhängig ist. Durch die umfangreichen Prüfmöglichkeiten und unsere jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Kunststofftechnik sind wir in der Lage sämtliche Einflussfaktoren (Anisotropie, Belastungsart und -dauer, Temperatur, Umgebungsbedingungen etc.) auf geeignete Simulationsmodelle zu übertragen. Gerne unterstützen wir Sie mit unserer Expertise bei Ihrem Projekt.

Wir beschäftigen uns mit:

• Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere
• Faserverbundkunststoffe (FVK)
• Werkstoffverbunde (Hybridbauteile, z.B. Kunststoff-Metall)
• Isotropes und anisotropes sowie lineares und nichtlineares Materialverhalten
• Elastizität, Plastizität, Viskoelastizität, Hyperelastizität
• Auswirkung von Umgebungseinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit/Medien etc.)

Wir bieten Ihnen:

• Verformungs- und Festigkeitsanalysen
• Berechnung des Langzeitverhaltens und Ermüdungsfestigkeitsnachweis
• Berechnung mechanischer und stoffschlüssiger Verbindungen
• Kerbspannungsanalysen
• Thermische Analysen
• Ermittlung von Materialkennwerten
• Kalibrierung und Validierung von Materialmodellen

Kontakt:
Malte Nebel | +49 931 4104-133 | m.nebel@skz.de