21/02/2014

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Fraunhofer LBF: Wie beständig sind Kunststoffbauteile im Gebrauch? - Umwelteinflüsse in experimenteller Simulation

In Autos, Haushaltsgeräten oder medizintechnischen Produkten bestehen immer mehr Sicherheitsbauteile aus Kunststoffen. Im täglichen Gebrauch müssen die eingesetzten Werkstoffe nicht nur aggressiven Medien standhalten, sondern auch hohe mechanische Lasten ertragen. Die Frage, wie beständig - und damit, wie sicher - diese Kunststoffe dabei sind, untersucht das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF erstmals in einer ganzheitlichen Prozesskette. Sie deckt gleichermaßen die Analytik von Schädigungsmechanismen wie die Prüfung mechanischer Eigenschaften ab. Mit ihrem Ansatz der experimentellen Simulation betrachten die Darmstädter Forscher den Produktlebenszyklus ganzheitlich - von der Herstellung bis zum Einsatz unter realen Umgebungsbedingungen. Das Institut untersucht das Langzeitverhalten von Kunststoffen unter dem Einfluss verschiedener brennbarer und nicht brennbarer Medien. Dabei prüfen die Wissenschaftler den Werkstoff nicht nur mechanisch, sondern untersuchen auch, wie das umgebende Medium diesen chemisch und morphologisch verändert.

Rohstoffe maßschneidern, Fertigungsverfahren optimieren
Die Fraunhofer-Wissenschaftler klären mit analytischen Techniken, welche Veränderungen des Werkstoffes bzw. Bauteils auftreten, während darauf mechanische Lasten einwirken. Auf diese Weise werde die Aussagekraft der experimentellen Lebensdauerbestimmung massiv gesteigert. Positive Folge: Aus am Markt erhältlichen Werkstoffen sollen sich zum Beispiel die bestgeeigneten Materialien für eine spezifische Anwendung auswählen lassen. Oder: In enger Zusammenarbeit mit dem Kunden und Rohstofflieferanten sollen Rezepturen der Rohstoffe maßgeschneidert und Fertigungsverfahren für Strukturbauteile optimiert werden können. Hieraus ergibt sich laut LBF ein immenses Einsparpotenzial bei der Entwicklungszeit und den Kosten.

Der analytische Ansatz könne darüber hinaus zur Ursachenforschung genutzt werden: Mit hoher Zuverlässigkeit sollen sich Aussagen treffen lassen, ob ungeeignete Materialien oder unangemessene Betriebsbedingungen Schadensfälle im Feldeinsatz verursacht haben. Durch die Betrachtung und Analyse des gesamten Produktlebenszyklus sei es möglich, betriebsfeste und zuverlässige Strukturbauteile aus Kunststoff zu bemessen und das Leichtbaupotenzial des Werkstoffes besser auszunutzen.

Neuer Ansatz
Ausgestattet mit zahlreichen unterschiedlichen Versuchseinrichtungen können die LBF-Wissenschaftler verschiedene mechanische Beanspruchungsarten wie statische, dynamische und zyklische Belastung an Flachproben, an Innendruckprüfkörpern oder auch an Strukturbauteilen untersuchen. Zudem können sie den Einfluss brennbarer Medien wie Benzin, Diesel und Kerosin und nicht brennbarer Medien wie "AdBlue", Öle, Waschlaugen und Salzlösungen sowie von Temperatur und Feuchte auf die mechanischen Eigenschaften ermitteln. Aus den gewonnenen Daten werden numerische Materialmodelle zur Lebensdauerabschätzung abgeleitet. Darüber hinaus werden Wirkmechanismen und Interaktionen auf die mechanischen Eigenschaften und das Gesamtsystem, bestehend aus Werkstoff, Herstellprozess, Geometrie (Kerben), Umwelteinfluss und Art der äußeren Belastung in dessen Gesamtheit betrachtet.

Dabei kommen modernste analytische Techniken zum Einsatz, um die chemischen und physikalischen Auswirkungen eines Belastungskollektivs auf die Struktur einer Probe zu ermitteln. Diese sollen ermöglichen, exakte Informationen über die Kettenlänge des Kunststoffes, die Veränderungen und den Verlust von stabilisierenden Additiven, das Eindringen von Medien, die morphologische Struktur der Probe oder die Veränderungen von belastenden Medien zu erlangen. Ein besonderer Schwerpunkt sind dabei bildgebende analytische Techniken, welche mit hoher Präzision chemische und morphologische Parameter einer Kunststoffprobe lokal erfassen. Sie seien aufgrund einfacher Probenvorbereitung und extrem kurzer Analysenzeiten in der Lage, Materialveränderungen frühzeitig zu erkennen.

Traditionelle Analysemethoden haben ihre Grenzen
"Für Kunststoffe, die als Sicherheitsbauteile eingesetzt werden, sind exakte Kennwerte über die mechanische Belastbarkeit der verwendeten Materialien unter realen Einsatzbedingungen meist nur schwer zugänglich. Auf der anderen Seite existiert eine Vielzahl analytischer Techniken für Kunststoffe, jedoch werden diese nur selten angewandt, um Materialveränderungen in Folge chemischer Belastung zu untersuchen", so das LBF. Darüber hinaus seien viele "traditionelle" Analysemethoden nicht zur Schadensfrüherkennung geeignet.

Gegenwärtig würden Strukturbauteile aus Kunststoff meist mit konventionellen Bemessungskonzepten ausgelegt, die in der Regel Sicherheits- und Abminderungsfaktoren beinhalten. Dies stelle zwar durchaus eine praktikable Möglichkeit der Bauteilauslegung dar, nutze aber im Sinne einer Auslegung nach Kriterien des betriebsfesten und funktionsintegrierten Leichtbaus bei Weitem nicht das volle Potenzial der Werkstoffe aus. Des Weiteren lieferten sie keine Informationen zu den während der Belastungen ablaufenden Elementarprozessen, wie der chemischen und morphologischen Veränderung des Werkstoffes. Diese Informationen sind nach Ansicht den LBF für eine rationale Materialauswahl sowie für eine den spezifischen chemischen und mechanischen Belastungen optimal angepasste Bauteil- und Prozessauslegung unerlässlich. Insbesondere blieben mögliche Interaktionen von Umwelteinflüssen, Belastungsart und/oder Bauteilgeometrie (Kerben) unberücksichtigt. Weiter berge das Abschätzen der Abminderungsfaktoren eine Unsicherheit, die zu einer Unter- oder Überdimensionierung des Bauteils führen könne.

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