Werden Kunststoffbauteile zyklischen Belastungen ausgesetzt, versagen sie aufgrund von Materialermüdung bei niedrigeren Lastniveaus als unter einmaliger Belastung. In einem Forschungsvorhaben wurde jetzt eine physikalisch basierte Lebensdauerabschätzung erfolgreich umgesetzt.
Über die Lebensdauer geben Wöhler-Diagramme Auskunft. Die Angabe erfolgt in Form von Lastspielen, die in Abhängigkeit von der äußeren Beanspruchung bis zum Versagen ertragen werden können. Dabei kann abhängig vom Materialverhalten im Wesentlichen zwischen Kurzzeitfestigkeit, Zeitfestigkeit und Langzeitfestigkeit unterschieden werden. Für die Bauteilauslegung interessiert häufig besonders der Zeitfestigkeitsbereich, der bei thermoplastischen Kunststoffen in der Regel im Bereich von 10.000 bis 10.000.000 Lastspielen liegt.
Zugprobekörper mit Thermoelement zur Messung der Oberflächentemperatur während der Prüfung auf einer Schwingprüfmaschine. (Foto: Bertold Zugelder/SKZ)
Der zeit- und kostenintensiven experimentellen Ermittlung stehen immer kürzere Entwicklungszeiten, ein steigender Kostendruck und Forderungen nach Ressourceneffizienz gegenüber. Am SKZ, Würzburg, haben sich Forscher daher im Rahmen eines Forschungsvorhabens mit der Frage beschäftigt, ob und wie eine physikalisch basierte Lebensdauerberechnung umgesetzt werden kann.
„Durch die Einführung einer werkstoffspezifischen Konstante konnten wir den aus dem Metallbereich kommenden Ansatz für thermoplastische Kunststoffe erschließen“, erklärt Britta Gerets, Senior Engineer am SKZ. Dabei wird auf Basis eines kraftgeregelten Laststeigerungsversuchs und zweier kurzer kraftgeregelter zyklischer Einstufenversuche eine physikalisch begründete Berechnung der Zeitfestigkeitsgeraden (Wöhler-Linie) vorgenommen. Dazu wurden die Messgrößen Dehnungsamplitude, dissipierte Energiedichte und Temperaturänderung, welche direkte Materialantworten auf die Beanspruchungsgröße darstellen, herangezogen. „Unter der Voraussetzung, dass die werkstoffspezifische Konstante für die interessierende Beanspruchung bekannt ist, konnte eine deutliche Zeit- und damit einhergehende Kostenersparnis für die Abschätzung des Zeitfestigkeitsbereichs demonstriert werden“, ergänzt Dr. Ruben Schlutter, Gruppenleiter Bauteileigenschaften am SKZ.
