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Ausgewählte Ausgabe: 05-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Vorschläge für eine aufwandsoptimierte Wöhlerprüfung

Der Einsatz spritzgegossener kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste (SFT) in sicherheitsrelevanten Anwendungen erfordert oftmals den Nachweis der Betriebsfestigkeit. Um bereits in der Konstruktionsphase eine frühzeitige Lebensdauerauslegung simulativ durchführen zu können, werden bauteilunabhängige Werkstoffwöhlerkurven benötigt. Für die Ermittlung und Nutzung dieser Werkstoffkennwerte wurde am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Aachen ein aufwandsoptimiertes Prüf- und Simulationskonzept entworfen (Bild 1).


Bild 1 Beispielhafte Anwendung der aufwandsoptimierten Lebensdauersimulation an einem Modellbauteil.

Bild 1
Beispielhafte Anwendung der aufwandsoptimierten Lebensdauersimulation an einem Modellbauteil.

Für den Einsatz von Kunststoffen in hoch beanspruchten Anwendungen ist zunehmend der Nachweis der mechanischen Leistungsfähigkeit unter dynamisch-zyklischer Belastung erforderlich [1]. Um den Umfang von Bauteilversuchen zu verringern, können Methoden des Computer Aided Engineering wie beispielsweise die Finite-Elemente-Methode eingesetzt werden. Diese nutzen Werkstoffwöhlerkurven zur Lebensdauerberechnung [2]. Aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften von Kunststoffen besteht bei Wöhlerversuchen eine Herausforderung in der durch Dissipation entstehenden Wärme in den Prüfkörpern. Diesem wird in der Praxis durch geringe Prüffrequenzen entgegengewirkt, sodass die Erwärmung der Probe während des Versuchs minimal ist [3]. Weitere Einflussgrößen auf das Ermüdungsverhalten von SFT sind aus den Herstellungsbedingungen resultierende anisotrope Werkstoffeigenschaften aufgrund lokaler Faserorientierungen [4]. Während dieser Einfluss in den vergangenen Jahren zunehmend untersucht wurde, ist die Frage nach Auswirkungen des Fasermassengehalts von SFT hingegen noch nicht ausreichend betrachtet worden. Bisher müssen für einen Werkstofftyp die Wöhlerkurven für jeden Fasermassengehalt separat ermittelt werden.
Die Kombination aus niedrigen Prüffrequenzen, der Berücksichtigung von werkstoffspezifischen Eigenschaften sowie die hohe Anzahl an Lastniveaus und den damit verbundenen Wiederholungsprüfungen führen zu einem signifikanten Prüfaufwand für die Erstellung von Wöhlerkurven.

Verringerung des Aufwands in der Ermüdungsprüfung

Für die Werkstoffcharakterisierung wurden aus spritzgegossenen Platten Zugstäbe längs und quer zur Füllrichtung spanend entnommen, um auf diese Weise eine hauptsächlich longitudinale bzw. transversale Faserorientierung untersuchen zu können. Bei den betrachteten Werkstoffen handelt es sich um ein Polybuthylenterephthalat (PBT) mit 10 Gew.-% Kurzglasfasern vom Typ Pocan B3215 (PBT-GF10) und um ein PBT mit 30 Gew.-% Kurzglasfasern vom Typ Pocan B3235 (PBT-GF30), die jeweils von der Lanxess Deutschland GmbH, Köln, zur Verfügung gestellt wurden. Darüber hinaus wurde für einzelne Untersuchungen auch der unverstärkte Matrixwerkstoff vom Typ Pocan B1305 desselben Herstellers genutzt. Für die grundlegende Ermüdungscharakterisierung in Wöhlerversuchen wurde zunächst vergleichbar zu Literaturkennwerten eine Prüffrequenz von f = 5 Hz bei Raumtemperatur gewählt, um eine unzulässige Erwärmung und damit thermisches Versagen verhindern zu können.

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Autoren

Dipl.-Ing. Pascal Brandt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am IKV

Univ.-Prof. Dr.-Ing.  Christian Hopmann

Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen, Geschäftsführer der Fördervereinigung des IKV und Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen.

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