Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Versuchsanlage zur zeitraffenden Prüfung von Kunststoffen in Medien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unter dem Titel "Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Versuchsanlage zur zeitraffenden Prüfung von Kunststoffen in Medien" wurde in diesem Forschungsvorhaben mit dem Laststeigerungsverfahren eine Prüfmethode entwickelt, mit der innerhalb eines kurzen Zeitraums eine Aussage über die Spannungsrissbeständigkeit eines Kunststoffs gegenüber einer ausgewählten Flüssigkeit gemacht werden kann. Insbesondere sollen die Möglichkeiten einer zeitraffenden Prüfung mit im Vergleich zum Medien-Zeitstandzugversuch verkürzten Prüfzeiträumen realisiert werden. Um eine Vergleichbarkeit der beiden Prüfverfahren Laststeigerungsverfahren und Medien-Zeitstandzugversuch zu ermöglichen, wird in den durchgeführten Untersuchungen die Anwendbarkeit geeigneter Materialmodelle geprüft, mit denen das mechanische Verhalten des Kunststoffs unter Medieneinfluss für beide Lastfälle beschrieben werden kann. Dazu werden zunächst Untersuchungen mit dem Vier- Parameter-Modell durchgeführt. Um die Qualität der Materialmodellierung weiter zu verbessern, wird im Anschluss daran das erweiterte Maxwell-Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens eingesetzt. Die Parameter dieser beiden Materialmodelle werden durch experimentelle Untersuchungen kalibriert. Dazu werden sowohl im Medien-Zeitstandzugversuch als auch im Laststeigerungsverfahren Messungen des Dehnungsverlaufs einer Kunststoffprobe unter Medieneinfluss in Abhängigkeit der Temperatur, der mechanischen Belastung und der Zeit durchgeführt. Anhand dieser Messkurven werden die Parameter der Materialmodelle durch die Methode der Minimierung der Fehlerquadratsumme bestimmt. Im Rahmen der Untersuchungen konnten die Parameter für beide Materialmodelle durch Messungen sowohl im Laststeigerungsversuch als auch im Medien- Zeitstandzugversuch bestimmt werden. Damit konnten dann die gemessenen Kurvenverläufe mathematisch beschrieben werden. Um die Übertragbarkeit der im Kurzzeitzugversuch ermittelten Kennwerte auf den Medien-Zeitstandzugversuch zu verifizieren, werden beide Versuche im gleichen Zeitraum durchgeführt. Die in diesen beiden Versuchsarten bestimmten Materialparameter sollten ineinander überführbar sein. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die verwendeten Materialmodelle bzw. die Kalibrierung der Modelle diese Übertragung nur in Grenzen zulassen. Die Unterschiede in den einzelnen Parametern der Materialmodelle, die mit den beiden Prüfmethoden kalibriert wurden, sind teilweise groß. Die betrachteten Materialmodelle sind somit sehr stark an den Lastfall gekoppelt, für den sie kalibriert wurden. Dennoch zeigt sich, dass das Konzept der zeitraffenden Medienprüfung mit dem Laststeigerungsverfahren bei weiterer Optimierung der Materialmodelle eine sinnvolle Alternative zum Medien-Zeitstandzugversuch darstellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Henseler, J. Die Spannungsrissbildung von amorphen Kunststoffen unter Medieneinfluss: Werkstoffspezifische Grundlagen zur Berücksichtigung des Phänomens in der Bauteilauslegung. RWTH Aachen, Dissertation, 2008
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Michaeli, W. Berücksichtigung des Alterungseinflusses auf das Henseler, J. Langzeitverhalten. Tagungsband der Fachtagung des Instituts für Kunststoffverarbeitung: Rechnergestützte Entwicklung von Kunststoffbauteilen. Aachen, 2006
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Michaeli, W. Environmental stress cracking in polycarbonate - Prediction of Henseler, J. the long term behavior by the use of short time tests. Proceedings of the 65th Annual Technical Conference of the Society of Plastics Engineers. Cincinatti, OH, 2007
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Michaeli, W. Kunststoffe in korrosiven Umgebungen. Konstruktion 58 (2006) Henseler, J. 6, S. 9-11
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Michaeli, W. Spannungsrissbildung unter Medieneinfluss - Analyse von Henseler, J. Schädigungsmechanismen und Möglichkeiten der Prevention. Tagungsband Werkstoffprüfung 2006 - Fortschritte der Kennwertermittlung für Forschung und Praxis. Bad Neuenahr, 2006
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Michaeli, W. Testing the environmental stress crack resistance in Henseler, J. polycarbonate by the use of short time tests. 6th Annual Polymer Colloquium. Madison, Wl, 2007
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Michaeli, W. Testing the environmental stress crack resistance of Henseler, J. polycarbonate by the use of the increasing load method. Potthoff, A. Proceedings of the European Corrosion Congress - EUROCORR 2007. Freiburg, 2007
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Michaeli, W. Zeitraffende Prüfung von Kunststoffen unter Medieneinfluss mit Potthoff, A. dem Laststeigerungsverfahren. Online-Zeitschrift Kunststofftechnik, 2008
