Simulation

Meinolf Droege,

Lebensdauer von Kunststoffen vorhersagen

Um die Betriebssicherheit von Kunststoffbauteilen zu garantieren, sind belastbare Aussagen zur Lebensdauer erforderlich, die den konkreten Anwendungsfall so gut wie möglich widerspiegeln müssen. Beispiele sind Kunststoffe und polymerbasierte Beschichtungsmaterialien im Außenbereich, Bauteile unter stark wechselnden thermischen und mechanischen Lasten oder Druckbehälter für organische Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen. Besonders wichtig ist eine zuverlässige Lebensdauervorhersage für sicherheitsrelevante Kunststoffanwendungen wie Gefahrstoffbehälter, tragende Bauteile oder Injektionsdübel für lasttragende Befestigungen.

Laborbewitterung von Kunststoffbauteilen im Fraunhofer LBF. © Fraunhofer LBF, Raapke

Kunststoffe haben Stress mit ihrer Umwelt: Wechselnde Temperaturen, Sonnenstrahlung, Feuchte, chemische Substanzen und mechanische Belastungen setzen ihnen zu und verändern die Materialeigenschaften. Um die Risiken beim Einsatz neuer Materialien oder bei geänderten Betriebsbedingungen zu minimieren, sind belastbare Aussagen zur Lebensdauer erforderlich. Voraussetzung hierfür sind neben Prüfmethoden, die Schädigungen frühzeitig erkennen, geeignete Alterungs- und Versagensmodelle sowie anwendungsrelevante Schadenskriterien.

Um die Material- und Bauteilentwicklung zu beschleunigen, ist es von Vorteil, die Dauer der Prüfzyklen, der Klimalagerung oder der Laborbewitterung zu verkürzen. Forscherteams aus dem Bereich Kunststoffe des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickeln maßgeschneiderte Prüfmethoden und koppeln diese mit Modellierungssoftware zur Lebensdauervorhersage für komplexe Einsatzszenarien. Als Resultat versrechen sie kürzere Entwicklungszeiten und ein verringertes Ausfallrisiko im späteren Einsatz.

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Verbesserte Experimente und Software

Lebensdauervorhersage für vorgegebene Lastszenarien durch Kopplung von Experiment und Modellierung (schematisch). © Fraunhofer LBF

Für die Material- und Produktentwicklung sowie zur Verringerung der Versagenswahrscheinlichkeit im Einsatz sind zeit- und kostenaufwendige Tests erforderlich. Der Beschleunigung solcher Versuche durch erhöhte Temperaturen, Umgebungsfeuchte, Bestrahlungsstärke oder kürzere Prüfzyklen sind Grenzen gesetzt. Noch schwieriger ist es, Alterung und Versagen für neue Betriebszyklen oder für den Einsatz unter veränderten Umgebungsbedingungen vorherzusagen.

Der Bereich Kunststoffe des Fraunhofer LBF arbeitet daran, die Alterungsvorgänge und Versagensmechanismen von Kunststoffen besser zu verstehen und die zugehörigen Material- und Lebensdauermodelle zu verbessern. Ziel sind optimierte Prüfverfahren und Software-Tools zur Lebensdauervorhersage für komplexe Einsatzszenarien. Indem sie Alterungsexperimente und Modellierung koppeln, lassen sich Lebensdauer und Versagensrisiko für vorgegebene Einsatzfälle besser abschätzen. Durch Superposition aufeinanderfolgender Temperatur-, Feuchte-, Bestrahlungs- und mechanischen Lasten können sie nahezu beliebige Szenarien nachstellen. Als Eingangsgrößen dienen dabei zeitaufgelöste Messdaten für verschiedene Betriebszustände, Wetterdaten oder hypothetische Einsatzszenarien.

Dafür steht eine Toolbox bestehend aus Klimalagerung und Bewitterung, vielfältigen Mess- und Prüfmethoden, einer breit gefächerten chemischen Analytik und anpassbaren Alterungs- und Lebensdauermodellen zur Verfügung. Die Vorgehensweise lässt sich direkt mit der Bauteilauslegung mit FE-Methoden koppeln. Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Darmstädter Forscher diese an die jeweilige Fragestellung an und begleiten die Überführung in bestehende Abläufe und vorhandene Infrastruktur. Das Resultat sollen anwendungsbezogene Prüfvorschriften, kürzere Entwicklungszeiten und ein verringertes Ausfallrisiko im späteren Einsatz sei. Zielgruppe sind Hersteller und Anwender von Kunststoffkomponenten und -bauteilen sowie polymerbasierten Beschichtungsmaterialien in nahezu allen Wirtschaftsbereichen.

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