Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Berücksichtigung der physikalischen Alterung bei der zeitraffenden Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens von Thermoplasten

Zur Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens von Kunststoffen sind beschleunigte Kriechversuche zwingend notwendig, da diese langen Zeiten keineswegs konventionell abgeprüft werden können. Eine Kriechmasterkurve wird häufig auf Basis von Kurzzeit-Kriechversuchen durch Zeit-Temperatur-Verschiebung erstellt. Mit steigendem Zeithorizont verliert jedoch diese Masterkurve an Genauigkeit aufgrund unzureichender Berücksichtigung des Alterungszustandes. Physikalische Alterungsvorgänge spielen dabei eine wesentliche Rolle. Diese thermoreversiblen Veränderungen im Werkstoff bewirken eine allmähliche Versteifung des Materials, also eine Verlangsamung des Kriechvorgangs mit steigendem Alter. Unter Berücksichtigung der sog. Effective Time Theory (ETT) soll eine Prüfmethodik entwickelt werden, welche eine schnelle Vorhersage des Langzeit-Kriechverhaltens mit deutlich verbesserter Genauigkeit im Vergleich zur konventionellen Zeit-Temperatur-Verschiebung erlaubt. Zunächst soll eine Methode zur Abschätzung eines unbekannten Ausgangs-Alterungszustands auf Basis von Zug- bzw. DSC-Versuchen entwickelt werden. Anschließend soll die Anwendbarkeit eines Näherungswertes für die Alterungsrate validiert werden. Beide Werte werden zur Berechnung der Langzeit-Kriechmasterkurve mittels Effektivzeit angewendet. Die Übertragung der Ergebnisse auf komplexere, für den industriellen Anwender relevantere Alterungsbedingungen erfolgt anhand einer erweiterten ETT, welche für die Verschiebung auf andere Alterungszeiten, Temperaturen und Lastniveaus eingesetzt werden soll. Die Genauigkeit der Ergebnisse wird schließlich durch den Vergleich mit Langzeit-Referenzdaten bewertet und daraus werden Handlungsempfehlungen für die Industrie ausgearbeitet. Mit den angestrebten Forschungsergebnissen wird den KMU eine schnelle und genaue Bestimmung der benötigten Kriechdaten für die Langzeitauslegung ermöglicht, wodurch eine verbesserte Bauteilauslegung ermöglicht und teure Schadensfälle vermieden werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Das vorliegende Forschungsvorhaben betrachtet den Einfluss der physikalischen Alterung auf das Langzeit-Kriechverhalten von Thermoplasten. Der Fokus der Untersuchungen lag auf der Entwicklung eines pragmatischen Konzepts zur Abschätzung unbekannter Alterungsbedingungen, welche anschließend zur Verbesserung der Vorhersage des Kriechverhaltens angewendet werden.

Das pragmatischere Konzept, welches im Rahmen des Forschungsvorhabens verfolgt wurde, setzt auf der Effective Time Theory (ETT) von Struik auf. Allerdings wurden die dafür notwendigen Eingangsparameter, der Alterungszustand zum Beginn des Kriechversuchs (Voralterungszeit) und die Alterungsgeschwindigkeit während des Versuchs (Alterungsrate), nicht mit großem experimentellen Aufwand ermittelt. Vielmehr wurden dafür Schätzwerte herangezogen, deren Ableitung auf einfach und schnell zu ermittelnden Materialeigenschaften wie E-Modul und Übergangstemperaturen basiert. Durch die Berücksichtigung der physikalischen Alterung konnte eine Verbesserung der Prognosegüte um z. T. einen Faktor 2 erreicht werden.

Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung eines neuen Kriechmodells, welches den Potenzansatz nach Findley und die Effective Time Theory (ETT) kombiniert, um physikalisch alterungsbehaftete Langzeit-Kriechdaten besser modellieren zu können. Damit können Alterungszeit und Alterungsrate auch direkt aus gemessenen Kriechdaten durch Kurvenanpassung ermittelt werden. Das entwickelte Konzept ist auch auf teilkristalline Thermoplaste anwendbar. Das Kriechmodell wurde am Beispiel von Langzeitdaten für ein Polyamid (PA12) validiert.

Das Ziel des Forschungsvorhabens, die zeitraffende Vorhersage des Langzeit-Kriechverhaltens ohne großen zusätzlichen Prüfaufwand oder Mehrkosten noch genauer zu gestalten, wurde somit erreicht. Diese Erkenntnisse können direkt ohne zusätzliche Investitionen zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) genutzt werden.