Experimentelle Simulation 24.02.2014, 11:52 Uhr

Kunststoff: Haltbarkeit von Bauteilen verlängern und zuverlässig vorhersagen

Mit einer neuen Methode lässt sich die Haltbarkeit von Bauteilen besser abschätzen. Überdimensionierungen sind nicht mehr nötig.

Ein Foto von der Fachmesse für Kunststoff: High-Tech-Kunststoffe sorgen hier für ein leichtes Gewicht des Fahrzeugs. 

Ein Foto von der Fachmesse für Kunststoff: High-Tech-Kunststoffe sorgen hier für ein leichtes Gewicht des Fahrzeugs. 

Foto: dpa

Konstrukteure lieben Kunststoffbauteile. Sie sind billig, problemlos herzustellen und leicht. Doch oft halten sie den Belastungen nicht stand. Plötzlich vibriert die Zahnbürste nicht mehr, der Entsafter streikt und gibt ein grässliches Geräusch von sich oder das Spielzeugauto bleibt einfach stehen. Und immer wieder wird gemunkelt, das habe System: Manche Bauteile würden extra so ausgelegt, dass sie nur eine gewissen Zeit halten, also auf Selbstzerstörung programmiert sind.

Tatsächlich ist es nicht so einfach, die Lebensdauer eines Kunststoff-Bauteils vorherzusagen. Diese Unsicherheit wollen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt jetzt beseitigen. „Experimentelle Simulation“ nennen sie ihren Ansatz, mit dem sie den gesamten Produktlebenszyklus betrachten können, von der Herstellung bis zum Einsatz unter realen Umgebungsbedingungen.

Neuartiger Prüfaufbau des Fraunhofer LBF, mit dem der schädigende Einfluss brennbarer Flüssigkeiten auf Kunststoffbauteile analysiert wird.

Neuartiger Prüfaufbau des Fraunhofer LBF, mit dem der schädigende Einfluss brennbarer Flüssigkeiten auf Kunststoffbauteile analysiert wird.

Foto: Fraunhofer LBF

Das Team unter der Leitung von Dominik Spancken analysiert die Veränderungen, die sich in einem Bauteil abspielen, wenn es mechanisch beansprucht wird. Daraus leiten sie die Lebensdauer ab. Wenn Kunststoffe derart charakterisiert sind kann man aus denen, die am Markt sind, für jede Anwendung das am besten geeignete Material auswählen. Mit diesem Verfahren lassen sich auch neue Kunststoffmischungen entwickeln, die ganz spezielle Belastungen langfristig ertragen ohne schlapp zu machen.

Mit modernsten analytischen Verfahren untersucht das Fraunhofer LBF morphologische Veränderungen an glasfaserverstärkten Kunststoffen.

Mit modernsten analytischen Verfahren untersucht das Fraunhofer LBF morphologische Veränderungen an glasfaserverstärkten Kunststoffen.

Foto: Fraunhofer LBF

Ausgestattet mit zahlreichen unterschiedlichen Versuchseinrichtungen können die LBF-Wissenschaftler Kunststoffkörper beliebig belasten. Sie lassen statische, dynamische und zyklische Kräfte angreifen. Zudem können sie den Einfluss von Temperatur und Umgebungsfeuchtigkeit  auf die mechanischen Eigenschaften ermitteln. Außerdem untersuchen sie den Einfluss von brennbaren und nichtbrennbaren Flüssigkeiten auf die Proben. Aus den gewonnenen Daten entwickeln sie Modelle zur Lebensdauerabschätzung.

Einsparung von Material

Den Forschern stehen die modernsten analytischen Techniken zur Verfügung, mit denen sie die chemischen und physikalischen Auswirkungen von Belastungen der Struktur einer Probe ermitteln. Diese ermöglichen es, exakte Informationen über die Kettenlänge der Kunststoffmoleküle, Veränderungen und Wirkungsverluste von stabilisierenden Additiven, die Folgen des Eindringens von Medien wie Säuren und die Strukturveränderungen zu erlangen.

Wenn es auf Langlebigkeit ankommt werden die Bauteile heute überdimensioniert, um auf der sicheren Seite zu sein. Das bedeutet, dass unnötig viel Material eingesetzt wird. Außerdem lassen sich dann bestimmte Größen nicht unterschreiten. Mit der neuen Methode lässt sich das Potenzial von Werkstoffen hingegen ausschöpfen.

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