Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodenentwicklung zur beschleunigten Ermittlung von Spannungsrelaxation bei Thermoplasten unter statischer Langzeitbelastung

Bei der Langzeitauslegung von Kunststoffbauteilen muss das mechanische Langzeitverhalten sowohl in Form von Kriechen (bei konstanter Spannung) als auch Spannungsrelaxation (bei konstanter Verformung) berücksichtigt werden. Für das Kriechverhalten stehen mit der DIN EN ISO 899 genormte Prüfungen zur Verfügung. Zudem wurden Stufenverfahren für beschleunigte Kriechversuche, z. B. Stepped Isothermal Method (SIM) oder Stepped Isostress Method (SSM) entwickelt, die eine Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens in kürzerer Zeit und mit geringem Prüfaufwand ermöglichen. Für viele Anwendungen wie z. B. Kunststoff-Direktschraubverbindungen oder Dichtungen spielt die Spannungsrelaxation eine wichtige Rolle. Dabei muss die (Langzeit-)Funktionsfähigkeit der Bauteile gesichert werden. Die benötigten Langzeitdaten in Form von Relaxationskurven sind jedoch kaum verfügbar und es gibt derzeit keine gültige Norm, um diese zu ermitteln. Daraus leitet sich ein großer Bedarf an Prüfkonzepten ab, welche das Langzeit-Relaxationsverhalten in kürzerer Zeit und mit möglichst geringem Aufwand bestimmen. Im Forschungsvorhaben soll deshalb (äquivalent zur SSM) ein zeitraffendes Prüfkonzept mit stufenweiser Erhöhung der Dehnung entwickelt werden, welche die Erstellung von Relaxationsmasterkurven ermöglicht. Das Prüfkonzept soll insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (kmU) in die Lage versetzen, mit möglichst wenigen Versuchen das Langzeit-Relaxationsverhalten für unterschiedliche Belastungsbedingungen (z. B. Beanspruchungshöhe und Temperatur) vorherzusagen. Dies ermöglicht eine explizite Berücksichtigung des Relaxationsverhaltens bei der Bauteilauslegung und reduziert damit die Gefahr eines vorzeitigen Funktionsausfalls ohne langwierige Trial-and-Error-Versuche am Bauteil, spart somit Material und Energie ein und vermeidet teure Regressansprüche. Die Ergebnisse sollen u. a. in die Erarbeitung einer Norm zur Ermittlung der Spannungsrelaxation bei Kunststoffen einfließen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer beschleunigten, aufwandsoptimierten Prüfmethode zur Ermittlung des Relaxationsverhaltens von Kunststoffen.

Eine Beschleunigung der Relaxationsversuche wurde erreicht, indem kurze Relaxationsversuche bei unterschiedlichen Dehnungsniveaus entlang der logarithmischen Zeitachse verschoben werden, bis sie sich überlappen und eine Masterkurve bilden. Die Gültigkeit dieser Zeit-Dehnung-Verschiebung konnte für drei Materialien (POM, PBT-GF30 und PC/ABS) beispielhaft nachgewiesen werden. Die generierte Masterkurve eignete sich, um das Relaxationsverhalten für Zeiten größer als 1 Jahr mit einer relativen Genauigkeit von maximal 10 % Abweichung abzuschätzen, obwohl die Gesamtdauer aller Experimente insgesamt nur einige Stunden (kleiner als 100 h) betrug.

Die hohe Beschleunigung (Faktor > 100) reduzierte den Zeitbedarf signifikant. Zur weiteren Reduzierung des Prüfaufwands wurde analog zur SSM (Stepped Isostress Method) die Belastung während des Versuchs erhöht. Das resultierende Verfahren mit stufenartiger Erhöhung der Dehnung wurde als Stepped Relaxation Method (SRM) bezeichnet. Insgesamt erlaubte die SRM den Prüfaufwand für die Erstellung einer Relaxationsmasterkurve für ein Referenzniveau auf einen einzelnen Versuch mit maximal zehn Stufen à 3 h zu beschränken.

Da in manchen Fällen Kriechdaten bereits vorhanden sind (z.B. Datenbank CAMPUS) oder ebenfalls benötigt werden, wurde die Gültigkeit einer Abschätzung des Relaxationsverhaltens auf Basis von Kriechdaten bewertet. Die Genauigkeit war insgesamt geringer als bei direkter Relaxationsmessung, jedoch hinreichend, um konventionelle (nicht beschleunigte) Relaxationsversuche bis 1000 h korrekt abzubilden. Bei längeren Zeiten bzw. höhere Dehnungen wird empfohlen, einen (zusätzlichen) Sicherheitsfaktor anzuwenden.

Diese Erkenntnisse können direkt und ohne zusätzliche Investitionen zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen eingesetzt werden.