Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer zeit- und kostenreduzierten Ermittlung mechanischer Langzeiteigenschaften von Kunststoffen unter Medieneinfluss durch Einsatz eines modularen Prüfsystems und Verwendung einer aufwandsoptimierten Materialdatenermittlung

Kunststoffbauteile sind im Gebrauch oftmals zwangsweise Umgebungsmedien ausgesetzt, welche die mechanischen Eigenschaften des Bauteils deutlich reduzieren können. Die Berücksichtigung des Medieneinflusses auf die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe ist bisher an der Möglichkeit, diese ohne aufwendige Prüfverfahren zu ermitteln, gescheitert. Zur Verbesserung der Auslegung ist es zwingend notwendig, diese Beeinflussungen zu berücksichtigen und sowohl Zeit als auch kostenoptimiert prüfen zu können. Hierfür sind Untersuchungen notwendig, welche ein Entwicklungsbudget und Prüfausrüstung erfordern, welche von kleinen und mittelständigen Unternehmen der Kunststoffindustrie in Deutschland (wie Prüflabore, Ingenieursdienstleiser, Zulieferbetriebe der Automobilindustrie etc.) in der Regel nicht aufgewendet werden können. Insgesamt sind ca. 92 % aller Betriebe der Kunststoffverarbeitung in Deutschland KMUs, welche sich aktuell einem hohen wirtschaftlichen Risiko durch den vorzeitigen medienbedingten Ausfall ihrer Produkte im Einsatz aussetzen. In diesem Forschungsvorhaben soll eine Methodik erarbeitet werden, welche das Materialverhalten eines Kunststoffs unter Medieneinfluss aufwandsoptimiert ermittelt. Dies betrifft die Kriechkurve unter Medieneinfluss, als auch der Zeitpunkt der Medien Spannungsrissbildung. Mit ca. 25 % aller Kunststoffbauteilausfällen ist die Medien-Spannungsrissbildung eine der bedeutendsten Ausfallursachen mit hoher technisch-wirtschaftlicher Relevanz. Das adressierte Forschungsziel wird über den Aufbau eines Prüfsystems, inkl. optischer Messsysteme, kombiniert mit der Entwicklung und Validierung einer Prüf und Modellierungssystematik zur Abbildung des Materialverhaltens unter Verwendung der Zeit-Temperatur-Verschiebung erreicht. Die Kombination der genannten Ansätze stellt die wissenschaftliche Herausforderung dar, verspricht jedoch eine deutliche Reduktion der in der Industrie, vor allem bei KMU, üblichen hohen Prüfzeiten als auch Anlagenkosten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden umfangreiche Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von Thermoplasten unter Medieneinfluss durchgeführt. Dabei wurden zwei verschiedene Ansätze zur aufwandsoptimierten Materialdatenermittlung zur Modellkalibrierung untersucht. In einem ersten Schritt erfolgte die Untersuchung eines modularen Aufbaus zur Kennwertermittlung. Dieser Aufbau ermöglicht es, Kurzzeitzugversuche bei vollständiger Benetzung des Probekörpers mit dem Prüfmedium und gleichzeitiger optischer Beobachtung er Probenkörperoberfläche durchzuführen. Auf diesem Weg konnten mechanische Kennwerte unter Medien- und Temperatureinfluss ermittelt werden und gleichzeitig optisch die Entstehung von umgebungsbedingten Spannungsrissen untersucht werden. Hierbei wurden Erkenntnisse bezüglich der Rissentstehung sowie der Eignung des Aufbaus zur Kennwertbestimmung generiert. In einem zweiten Schritt wurde die Eignung einer Klimakammer für die aufwandsoptimierte Materialdatenermittlung untersucht. In diesen Versuchen konnte die Eignung der Klimakammer für die Kennwertermittlung für das Langzeitverhalten von Thermoplasten unter Medieneinfluss aufgezeigt werden.

Mit den ermittelten Materialdaten war eine Modellkalibrierung zur Vorhersage des Langzeitverhaltens von Thermoplasten unter Medieneinfluss möglich. Dabei wurden Kriechkurven unter Verwendung einer Zeit-Temperatur-Verschiebung numerisch ermittelt. Auf diesem Weg konnte es ermöglicht werden, das Langzeitverhalten von Thermoplasten unter Medieneinfluss vorherzusagen und somit zu einer Reduktion der Versuchszeit beizutragen. Zur Validierung der Ergebnisse wurden darüber hinaus reale Kriechkurven mit Versuchszeiten von über 1000 h vermessen. Diese Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den modellierten Kriechkurven. Somit kann aus den hier generierten Ergebnissen eine Reduktion der Versuchszeit für Ermittlung von Kriechkurven von über 1000 h auf ca. 40 h erreicht werden.