Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Weiterentwicklung des Strain Hardening Tests als Methode zur schnellen Charakterisierung

der Spannungsrissbeständigkeit von Bauteilen aus Polyethylen

Die Spannungsrissbeständigkeit ist im Hinblick auf die Nutzungsdauer von Bauteilen aus Polyethylen (PE) eine der kritischsten Eigenschaften. Dies liegt u.a. daran, dass etablierte Prüfmethoden zeitaufwändig sind und für besonders spannungsrissbeständige PE heute an ihre Grenzen stoßen. Mit dem Strain Hardening Test (SHT) zur Materialprüfung von Rohrwerkstoffen wurden diese Herausforderungen gelöst. In dem Vorgängervorhaben (IGF 18324 N) konnte die Übertragbarkeit auf weitere Werkstoffanwendungen gezeigt, ein Benchmark zur Bewertung der Ergebnisse und mögliche Anpassungen für die vereinfachte Umsetzung in Unternehmen erarbeitet werden. Für den Einsatz als Bauteilprüfung wurden z. T. deutliche Diskrepanzen zwischen Material- und Bauteilprüfung festgestellt. Unternehmen, insb. kleine und mittlere (kmU), stehen daher vor dem Problem, dass sie mittels SHT zwar ihren Wareneingang, nicht jedoch die Endeigenschaften ihrer Produkte hinsichtlich der Spannungsrissbeständigkeit bewerten können. Dies zieht erhebliche Haftungsrisiken nach sich und behindert überdies Produktoptimierungen sowie die Erschließung neuer Absatzmärkte, die durch die materialseitigen Entwicklungen der letzten Jahre möglich wären. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung einer Schnelltestmethodik zur Charakterisierung der Spannungsrissbeständigkeit von Bauteilen aus Polyethylen auf Basis des SHT. Dazu sollen mittels einer systematischen Betrachtung verfahrensbedingter Einflussfaktoren in Spritzguss und Extrusion die Ursachen für Abweichungen zwischen Material- und Bauteilprüfung aufgeklärt, verfahrensspezifische Optimierungspotenziale aufgezeigt und eine Bewertung der Anwendungseigenschaften vorgenommen werden. Darüber hinaus soll die Probengewinnung aus Bauteilen optimiert werden, um die industrielle Umsetzung zu erleichtern. Durch eine Nutzung in der Produkt- und Werkstoffoptimierung sowie Qualitätssicherung können die Forschungsergebnisse entscheidend zum Unternehmenserfolg beitragen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Spannungsrissbeständigkeit ist in Langzeitanwendungen im Hinblick auf die Bewertung der Nutzungsdauer essenziell. Für Polyethylen kann sie nun mithilfe des Strain Hardening Tests nicht mehr nur am Material, sondern auch am Bauteil schnell charakterisiert werden. Zur quantitativen Bestimmung wurden mechanische Verfahren zur Probekörpergewinnung aus verschiedenen Bauteilen (Folien/Dichtungsbahnen, Platten und Rohren) erfolgreich demonstriert. Das Ergebnis der Prüfung des Widerstandes gegen langsames Risswachstum wird in Produkten neben dem eingesetzten Material auch von der Verarbeitung beeinflusst. Dabei ist die aus den Herstellparametern und der Bauteildimension bzw. -geometrie resultierende (Molekül)Orientierung in Relation zur Beanspruchungsrichtung entscheidend. Diese ist auch für die in der Praxis zum Teil beobachteten Abweichungen von Material- und Bauteilprüfungen ursächlich. Optimierungen im Hinblick auf die Spannungsrissbeständigkeit sollten auf eine Kongruenz von Beanspruchungsrichtung und (Molekül)Orientierung abzielen. Wo diese nicht realisierbar ist, sind (Molekül)Orientierungen konstruktiv und/oder durch geeignete Wahl der Herstellbedingungen möglichst zu minimieren. Die an einem Musterwerkstoff erarbeiteten Erkenntnisse konnten anhand von kommerziell erhältlichen Bauteilen validiert werden. Korrelationen mit konventionellen Spannungsrissprüfungen wurden qualitativ wie quantitativ demonstriert. Ein Einsatz der (weiter)entwickelten Prüfmethode ist in der Warenein- und Warenausgangsprüfung, internen Produktions- und Qualitätsüberwachung, Material- und Produkt(weiter)entwicklung sowie Zertifizierung möglich. Die Forschungsergebnisse können somit mannigfaltig genutzt werden und somit zum wirtschaftlichen Erfolg beitragen.