Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Verfahrens für die automatisierte und zeitraffende Bestimmung von isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen bei unterschiedlichen Temperaturen

Aufgrund immer steigender Anforderungen an die Nutzungsdauer von Kunststoffbauteilen muss das Langzeitverhalten bereits bei der Bauteilauslegung berücksichtigt werden. Die Struktursimulation ist mittlerweile die fast unumgängliche Lösung, dies in kürzester Zeit und mit überschaubarem Aufwand zu bewältigen. Sie wird jedoch oft durch die Qualität der Eingangsdaten, welche das Materialverhalten beschreiben, begrenzt. Die dafür typischerweise verwendeten isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagramme sind zudem aufwendig und teuer zu ermitteln, insbesondere wenn der Einfluss der Temperatur auf das Verformungsverhalten berücksichtigt werden muss. Unter Berücksichtigung der Temperatur- und Spannungsabhängigkeit des Kriechverhaltens soll daher ein Konzept entwickelt werden, um isochrone Spannungs-Dehnungs-Diagramme für unterschiedliche Temperaturen mit möglichst geringem Aufwand zu generieren. Durch die Anwendung zeitraffender Prüfungen soll eine deutliche Zeitersparnis erreicht werden. Dafür werden zunächst die Temperatur- und die Spannungsabhängigkeit des Kriechverhaltens auf Basis von Kriechversuchen mit stufenartiger Erhöhung der Temperatur (Stepped Isothermal Method, SIM) bzw. des Lastniveaus (Stepped Isostress Method, SSM) untersucht. Im nächsten Schritt sollen die Vorzüge der beiden Methoden kombiniert werden. Die Umsetzbarkeit des theoretischen Prüfkonzepts wird dann überprüft und die Ergebnisse durch den Vergleich mit Langzeit-Referenzdaten validiert. Schließlich wird die Anwendung der ermittelten isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagramme zur strukturmechanischen Simulation eines Kunststoffbauteils bewertet und daraus Handlungsempfehlungen für die Industrie ausgearbeitet. Mit den angestrebten Forschungsergebnissen werden KMU eine schnelle und kostengünstige Bestimmung der relevanten Langzeitkriechdaten während der Entwicklungsphase ermöglicht. Infolge der verbesserten Bauteilauslegung können so teure Schadensfälle vermieden werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines innovativen Prüf- und Auswertekonzepts zur beschleunigten Ermittlung von isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen mit einem Fokus auf die Optimierung hinsichtlich von drei Faktoren: Zeitbedarf, Prüfaufwand und Gesamtkosten. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt: weniger Prüfungen und schnellere Prüfungen.

Dank der Übertragung des sog. Drei-Parameter Ansatzes nach Schmachtenberg (ursprünglich für quasistatische Spannungs-Dehnungskurven) auf die Beschreibung von isochronen Spannungs-Dehnungskurven konnte die Anzahl der notwendigen Langzeit-Versuche bei gleichbleibender, hoher Genauigkeit deutlich gesenkt werden. Zudem wurden Zeit-Temperatur- und Zeit-Spannung-Superpositionsprinzip kombiniert, um mit einer überschaubaren Anzahl an zusätzlichen Kurzzeit-Kriechversuchen das ermittelte isochrone Spannungs-Dehnungs-Diagramm auf weitere Temperaturen zu verschieben. Damit werden Prüfaufwand und Zeitbedarf stark reduziert, da viele lange Kriechversuche (je ≥ 1.000 h) entfallen.

Darüber hinaus wurde die Eignung von neuen, innovativen zeitraffenden Prüfmethoden – die Stepped Isothermal Method (SIM) und insb. die Stepped Isostress Method (SSM) – zur beschleunigten Ermittlung von Langzeit-Kriechmasterkurven untersucht. Das Konzept wurde an einem unverstärkten Polyoxymethylen (POM) durch Vergleich mit Langzeit-Referenzdaten validiert und die Übertragbarkeit auf weitere Materialien am Beispiel von zwei faserverstärkten Thermoplasten (PBT-GF30 und PA-GF50) überprüft.

Beide Ansätze wurden kombiniert, um eine gewaltige Reduzierung von Zeitbedarf, Prüfaufwand und natürlich Gesamtkosten bei gleichzeitig hoher Genauigkeit zu erzielen. Diese Erkenntnisse können direkt ohne zusätzliche Investitionen zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) eingesetzt werden.