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Langzeit-Verformungsverhalten von Kunststoffbauteilen schneller vorhersagen

Das SKZ hat weitreichende Kompetenz im Bereich der Zustandsbewertung und Lebensdauerprognose von Kunststoffbauteilen und weitet diese stetig aus - aktuell mit zwei weiteren Forschungsvorhaben.

Ein wichtiger Fokus liegt auf der frühzeitigen Berücksichtigung des Langzeit-Verformungsverhaltens bei der Bauteilauslegung. Typischerweise werden dafür Kriechkurven bzw. isochrone Spannungs-Dehnungs-Diagramme verwendet, welche den Einfluss von Zeit, mechanischer Belastung und ggf. Temperatur auf die Verformung beschreiben. Diese Werkstoffinformationen sind allerdings nur in Ausnahmefällen (ca. 1 % der Materialien in der Kunststoff-Datenbank CAMPUS) verfügbar. Die Generierung dieser Daten über konventionelle Langzeitversuche ist nicht praktikabel, da der dafür notwendige Zeit- und Kostenaufwand sich nicht rechtfertigen lässt bzw. den immer kürzer werdenden Produkt-Entwicklungszyklen entgegen steht.

Zur Unterstützung der Kunststoffindustrie in dieser Problematik wurden dieses Jahr gleich zwei Forschungsvorhaben am SKZ gestartet. Im ersten Projekt soll der Aufwand für die Generierung von isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen bei unterschiedlichen Temperaturen optimiert werden. Dabei werden innovative, zeitraffende Prüfmethoden zur Bestimmung des Kriechverhaltens eingesetzt. Die Stepped Isothermal Method (SIM) und die Stepped Isostress Method (SSM) sind Kriechversuche mit stufenweiser Erhöhung der Temperatur bzw. der Spannung und werden auch kombiniert eingesetzt, um den Prüfaufwand (Dauer und Anzahl der Einzelversuche) stark zu minimieren. Im Fokus des Projektes stehen vor allem technische Thermoplaste (verstärkt und unverstärkt) wie POM, PBT und PA.

Das zweite Projekt befasst sich mit einem wesentlichen Nachteil solcher zeitraffenden Prüfmethoden, nämlich der Tatsache, dass die Genauigkeit der Vorhersagen mit steigendem Zeithorizont abnimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass beschleunigte Versuche die allmähliche Verlangsamung des Kriechvorgangs durch physikalische Alterung nicht erfassen können. Zwar existieren bereits zahlreiche Grundsatzuntersuchungen zum Einfluss der physikalischen Alterung auf das mechanische (Langzeit-)Verhalten, allerdings wurde aufgrund der Komplexität des Phänomens noch keine industrielle Umsetzung bei der Prognose des Langzeit-Verformungsverhaltens von Kunststoffbauteilen erreicht.

Ziel des Projekts ist deshalb die Entwicklung eines pragmatischen Ansatzes, der mit möglichst geringem Prüf- und Zeitaufwand durch explizite Berücksichtigung des physikalischen Alterungszustandes des Kunststoffes eine genauere Abschätzung des Langzeit-Verformungsverhaltens ermöglicht.

Die IGF-Vorhaben 18715 N und 19448 N der Forschungsvereinigung FSKZ werden über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Projekte laufen bis Ende Dezember 2018 bzw. März 2019.

Das Bild zeigt die Apparatur zur zeitraffenden Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens. (Foto: SKZ)

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Ansprechpartner:

Frederic Achereiner
Bauteileigenschaften
Würzburg
+49 931 4104-475
f.achereiner@skz.de
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