Trouble Shooting: Methoden zum Umgang mit Fehlern an Kunststoffprodukten
IKV-Impulse
Ermüdung - Ermittlung mechanischer Belastungsgrenzen
Problemstellung:
Um dynamisch beanspruchte Kunststoffe hinsichtlich ihrer Dauergebrauchseigenschaften zu charakterisieren stehen einerseits nach DIN standardisierte Wöhlerversuche zur Verfügung, die jedoch bis heute nur für metallische Werkstoffe bestimmt sind und für Kunststoffe aufgrund ihrer starken Temperaturabhängigkeit eine hohe Prüfzeit bedeuten. Andererseits bietet das Laststeigerungsverfahren neben einer deutlichen Reduktion von benötigten Prüfkörpern auch eine hohe Zeitersparnis, jedoch ist dieses Verfahren kein standardisiertes. Die beiden Methoden werden im Folgenden anhand eines Beispiels näher vorgestellt.
Ziel dieser Versuche ist es, die dynamische Belastungsgrenze zu ermitteln, bei welcher der Kunststoff unendlich oft belastet werden kann, ohne Versagen zu äußern.
Methodik: Einstufen/Mehrstufen-Dauerschwingversuch
- Charakterisierung eines PA 12 mittels Dauerschwingversuch auf servohydraulisch betriebenen Hydropulsern (Bild 1).
- Im Dauerschwingversuch nach Wöhler (DIN 50100) werden Prüfkörper bei zweckmäßig gestaffelten Lastniveaus belastet (vergleiche Bild 2, Teil 1), die Bruchschwingspielzahlen für jeweils 5 bis 10 Prüfkörper notiert und im Wöhlerdiagramm aufgetragen.
- Im Mehrstufen-Schwingversuch, auch Laststeigerungsverfahren genannt, durchläuft ein Prüfköper nach definierter Lastwechselzahl sukzessive eine Erhöhung der Mittel- und Oberlast, so dass die Belastungsgrenze in Form einer kritischen Spannung/Dehnung im Antwortsignal angezeigt wird, vergleiche Bild 2 Teil 2.
Ergebnis: Bestimmung kritischer Belastungsgrenzen im Mehrstufen-Schwingversuch
Bild 3 zeigt das Ergebnis eines Laststeigerungsversuchs für das PA 12. Aus dem Diagramm Dehnung/Schwingspielzahl wird mittels Regressionsanalyse die kritische Dehnung und die zugehörige kritische Spannung abgeleitet. Die ermittelten Wertepaare für die fünf untersuchten Prüfkörper zeigt Tabelle 1.
Aus der Regressionsanalyse wird als kritische Belastungsgrenze im Mittel 12 N/mm² ermittelt. Als unterkritisch gilt die Laststufe davor mit 11,5 N/mm². Dies entspricht etwa 24 % der quasistatischen Zugfestigkeit (48 N/mm²). Evaluierungsversuche bei 11,5 N/mm² im Dauerschwingversuch zeigten bis zu 10 Mio. Lastwechsel kein frühzeitiges Probenversagen. Abhängig vom Werkstoff kann somit eine Belastungsgrenze in kürzerer Prüfzeit mittels Laststeigerungsverfahren zuverlässig ermittelt werden.
Bei tiefergehenden Fragen zur Methodik stehen wir gerne zur Verfügung.
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