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Ermittlung von Belastungsgrenzen für die dauerfeste Auslegung von Thermoplasten

09.03.2022

Das mechanische Langzeitverhalten von Kunststoffen ist sehr komplex. Entsprechend schwierig ist auch eine zuverlässige Auslegung von thermoplastischen Bauteilen im Bereich der Langzeit- bzw. Dauerfestigkeit.

Unter Berücksichtigung anwendungsbezogener Einflussfaktoren hat das SKZ ein neues Verfahren entwickelt. Dies erlaubt eine einfache Abschätzung von Belastungsgrenzen zur dauerfesten Auslegung von Thermoplasten.

Neues Verfahren vom SKZ erlaubt einfache Abschätzung

Für thermoplastische Kunststoffbauteile existiert bisher keine allgemeingültige Vorgehensweise zum Festigkeitsnachweis der Langzeit- bzw. Dauerfestigkeit. Eine besondere Herausforderung ist die Ermittlung werkstofflicher Einsatzgrenzen, um Materialschädigungen und zukünftiges Bauteilversagen zu verhindern. Bisherige Auslegungsverfahren sind meist mit erheblichem Prüf- und Kostenaufwand verbunden oder liefern bei Verwendung pauschaler Abminderungsfaktoren und hoher Sicherheitsbeiwerte meist sehr konservative Ergebnisse, was dem Wunsch nach Leichtbau und Ressourceneffizienz entgegensteht. Daher wurde für die Bestimmung derartiger Grenzwerte ein energiebasiertes Bemessungskonzept erarbeitet, welches auf Basis intermittierender Zugversuche die Detektion werkstofflicher Einsatzgrenzen durch eine Auswertung der Dehnungsamplitude erlaubt. Durch geeignete Zerlegung der umgesetzten Energie in gespeicherte und dissipierte Energieanteile kann eine kritische dissipierte Energiedichte bestimmt werden, welche charakteristisch für die Schädigungsgrenze des Werkstoffs ist. Unterhalb dieser Schädigungsgrenze ist der Werkstoff „dauerfest“ in dem Sinne, dass es auch nach sehr häufiger Belastung oder langen Belastungsdauern zu keinen Mikroschädigungen kommt, die später zu einem Bauteilversagen führen können.

Anwendungsbezug dank einfacher Prüftechnik

Das neuartige Verfahren wurde unter dem Gesichtspunkt entwickelt, eine anwendungsbezogene Auslegung bei geringem Prüfaufwand zu ermöglichen. Durch die Beschränkung auf einfache Versuche, die mit Universalprüfmaschinen durchgeführt werden, ergibt sich die Möglichkeit, Belastungsgrenzen unter direkter Berücksichtigung anwendungsbezogener Einflussfaktoren festzulegen. So lassen sich zum Beispiel durch Nutzung einer Temperierkammer Belastungsgrenzen für Temperaturen ermitteln, die vom Normklima abweichen. Auch lassen sich Schädigungsgrenzen in Abhängigkeit von einer durch eine Faserverstärkung bedingten Anisotropie der Werkstoffeigenschaften ermitteln. Durch die direkte Berücksichtigung festigkeitsmindernder Einflussfaktoren während der Materialprüfung kann somit auf pauschale Abminderungsfaktoren verzichtet werden. Die innovative Prüfmethodik erlaubt zudem den Verzicht auf zeit- und kostenintensive Langzeitversuche.

Universell nutzbar für Thermoplaste

Die Anwendbarkeit des neuen Verfahrens wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes an unterschiedlichen Thermoplasten (amorph/teilkristallin, spröd/duktil, faserverstärkt/unverstärkt) demonstriert. Die ermittelten Belastungsgrenzen wurden gegenüber gängigen Auslegungsverfahren (spannungsbezogen bzw. dehnungsbezogen) abgeglichen und erzielten gute Übereinstimmungen.

Entlang der Wertschöpfungskette von Kunststoff(bauteil)en werden zahlreiche Firmen von einer anwendungsbezogenen Bestimmung der Belastungsgrenzen ihrer eingesetzten Kunststofftypen profitieren. Kostenintensive Langzeitversuche oder pauschale Bemessungsmethoden werden vermieden. Dies steigert die Sicherheit und Lebensdauer von Produkten, spart Material und vermeidet teure Regressansprüche. Die geplante perspektivische Aufnahme des Verfahrens in Normen und Richtlinien wird den Anwendern zusätzliche Sicherheit bei der Auslegung bieten und eine effizientere Gestaltung der Entwicklungsprozesse erlauben.

Das Verfahren wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens 20522 N der FSKZ e.V. entwickelt und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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