Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beschleunigte Ermittlung der Langzeit-Festigkeit unter statischer und dynamischer Last

Kunststoffbauteile versagen unter Langzeitbelastung bei wesentlich niedrigeren Lasten als bei kurzzeitiger Belastung. Die Zeitstand- und Ermüdungsfestigkeit sind daher in vielen Industriezweigen entscheidende Größen. In der Praxis sind dazu jedoch kaum Daten verfügbar bzw. nur unter hohem Zeit- und Kostenaufwand zu ermitteln. Daraus leitet sich ein starker Bedarf für Prüfkonzepte ab, welche den Aufwand für die Bestimmung der Einsatzgrenzen unter statischer und dynamischer Langzeitbelastung deutlich reduzieren. Im Forschungsvorhaben sollen dazu quasistatische und zyklische Laststeigerungsversuche anstelle von Versuchen bei konstanter Belastung gezielt eingesetzt werden. Bei statischer Langzeitbelastung stellt zudem der Wechsel vom duktilen Versagen auf einen durch langsames Risswachstum (Spannungsrissversagen) dominierten Sprödbruch eine wesentliche Herausforderung dar. Dieser Übergang im Versagensmechanismus tritt mitunter erst bei sehr langen Belastungszeiten auf, ist aber beispielsweise bei geforderten Lebensdauern von bis zu 100 Jahren im Rohrleitungsbau durchaus relevant für die Bauteilauslegung. Zur Prognose des Spannungsrissversagens soll eine Zeitraffung durch dynamische Dauerschwingbelastung bei unterschiedlichen Lastverhältnissen (0<R<1) und anschließende Extrapolation auf das statische Zeitstandverhalten (R=1) erzielt werden.

Das Prüfkonzept soll insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in die Lage versetzen, mit möglichst wenigen Versuchen das Versagensverhalten für unterschiedliche Belastungsbedingungen (Langzeit statisch/dynamisch, Temperatur, Anisotropie, …) vorherzusagen. Die explizite Berücksichtigung festigkeitsmindernder Einflussfaktoren bei der Bauteilauslegung reduziert die Gefahr unerwünschter Über- oder Unterdimensionierung, spart somit Material und Energie ein und vermeidet teure Regressansprüche. Die Ergebnisse sollen u. a. in die Erarbeitung einer VDI-Richtlinie zum Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen einfließen.

Die aus dem Forschungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse zur Ermittlung des Langzeit-Versagensverhaltens von Kunststoffen können direkt der Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von KMU der betreffenden Industrien dienen. Darüber hinaus profitieren Unternehmen, die Prüfdienstleistungen anbieten. Die konventionelle Ermittlung von Wöhlerkurven bzw. Zeitstandkurven bindet viel Prüfkapazität für längere Zeiten, sodass sowohl Angebot als auch Nachfrage sich in Grenzen halten. Ein beschleunigtes Messverfahren, welches hohe Zeitraffung mit hoher Präzision kombinieren kann, sollte diese Prüfdienstleistungen stark begünstigen.

Ergebniszusammenfassung:

Unter Langzeitbelastung führen bereits wesentlich niedrigere Lasten als bei kurzzeitiger Belastung zum Versagen

von Kunststoffbauteilen. Die Zeitstand- und vor allem die Ermüdungsfestigkeit sind daher für Produkte in vielen

Industriezweigen entscheidende Größen. Für die Konstruktion liegen solche konkreten Daten zur Zeitstand- und

Ermüdungsfestigkeit in Datenbanken kaum vor. Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer

beschleunigten Methodik zur Bestimmung des statischen und dynamischen Langzeitverhaltens von Kunststoffen

mit einer besseren Planbarkeit der Versuche.

Zur besseren Planbarkeit wurden quasistatische und dynamische Laststeigerungsversuche eingesetzt. Mit in

Zugversuchen ermittelten Festigkeiten lassen sich mit diesen Verfahren Prüfspannungen so vorgeben, dass das

Versagen in einem bestimmten Zeitfenster auftritt. Eine deutliche Beschleunigung der Prüfung ist durch eine

Erhöhung der Prüftemperatur und anschließende Extrapolation auf eine niedrigere Anwendungstemperatur

möglich. Der Einfluss von Temperatur, Glasfaserverstärkung und -orientierung auf das statische und dynamische

Langzeitverhalten wurde untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Kurzzeitfestigkeiten genutzt werden

können, um den Einfluss der Prüftemperatur oder von Faserverstärkung auf das Langzeitverhalten abzuschätzen.

Es wurde außerdem ein Beschreibungsmodell für dynamische Ermüdungsfestigkeiten entwickelt, das eine

beschleunigte Ermittlung des Ermüdungsverhaltens durch Prüfungen bei erhöhten Beanspruchungsbedingungen

erlaubt. Durch Bestimmung des Ermüdungsverhaltens für unterschiedliche Lastverhältnisse R < 1 konnte mithilfe

dieses Modells auf den statischen Fall (R = 1) extrapoliert werden.

Die Projektergebnisse können bei der Materialoptimierung, der Auslegung von Bauteilen für langlebige

Anwendungen und zur Reduzierung des Prüfaufwands bei Prüfdienstleistern verwendet werden. Dadurch sind sie

für Unternehmen entlang der gesamten Wertschöpfungsketten von Interesse.