Qualität sichern

Meinolf Droege,

Polymere auf dem Prüfstand

Von einfachen Transportverpackungen für Lebensmittel über Gehäuse von elektronischen Geräten bis zu hochbelasteten Funktionsteilen in Fahrzeug- und Maschinenbau – Polymere finden sich buchstäblich überall. Dementsprechend vielfältig sind die Anforderungen an mechanische und physikalische Prüfungen in allen Stufen zwischen Materialprobe und echten Bauteilen. Das erfordert den Einsatz möglichst flexibel nutzbarer Prüftechnologien.

Willkommene Hilfe bei verschiedenen Aufgaben der Materialprüfung – flexibel einsetzbarer Roboter. © ZwickRoell

Dank der Entwicklung immer leistungsfähigerer Kunststoffe ergibt sich eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete. Auch Fertigungsmethoden wie der 3D-Druck schaffen neue Einsatzmöglichkeiten. Dementsprechend unterschiedlich sind die Anforderungen an die Werkstoffe: Die Automobilbranche legt den Fokus auf andere Eigenschaften als beispielsweise die Medizinbranche. Entsprechend vielfältig sind auch die Prüfungen. Sie reichen von Fließ- und Härteprüfungen über die klassischen Schlagprüfungen bis zu den statischen Zug- Druck- und Biegeversuchen sowie Zeitstandversuchen und dynamischen Lebensdauerprüfungen.

Um die Möglichkeiten und Chancen, die Kunststoff als Werkstoff bietet, in vollem Umfang zu nutzen, sind genaue Kenntnisse über die Materialkennwerte essentiell. Dies beginnt schon bei der Prüfung des Rohmaterials. Eine einfache, in der Qualitätssicherung und Wareneingangskontrolle weit verbreitete Methode ist die Fließprüfung. Sie gibt Auskunft über die Schmelze-Volumenfließrate (MVR) oder die Schmelze-Massefließrate (MFR). Dabei stellen sich je nach Verarbeitungsstufe in der Kunststoffindustrie verschiedene Anforderungen an das Fließprüfgerät. Die Prüfgeräte der Xflow-Reihe von ZwickRoell, bestehend aus dem Cflow für die Wareneingangsprüfung, dem modular aufgebauten Mflow und dem automatischen Aflow für den 24/7 Schichtbetrieb, decken dabei ein breites Anforderungsfeld ab. Sie sollen sich durch einfache Bedienung und Reinigung sowie zuverlässige Messungen auszeichnen.

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Fließprüfungen gehören zu den Standards der Kunststoffindustrie – hier an der voll automatisierten Version. © ZwickRoell

Die Härte ist eine der interessierenden Basiseigenschaften jedes Werkstoffs. Sie gibt Aufschluss über dessen Abriebfestigkeit und lässt erste Rückschlüsse über seine Zugfestigkeit zu. Klassische Verfahren zur Härtebestimmung an Kunststoffen sind beispielsweise die Härteprüfung nach Rockwell und die Kugeldruckhärte. Abgestimmt auf die Anforderungen beim Kunden bietet ZwickRoell von analogen Handgeräten zur Bestimmung der Shore-Härte über universelle Härteprüfmaschinen bis zu Kombinationslösungen aus Härtemesskopf und Universalprüfmaschine für die instrumentierte Eindringprüfung ein breites Portfolio an Möglichkeiten. Mit dem ZHN Nanoindenter kann die Härte selbst dünner Schichten und kleiner Oberflächenbereiche zuverlässig und sicher bestimmt werden.

Kunststoffe unter schlagartiger Belastung

In Schlagprüfungen beurteilt man das Materialverhalten eines Werkstoffs bei höheren Verformungsgeschwindigkeiten. Je nach Anforderung bedient man sich dabei eines Pendelschlagwerks, eines Fallwerks oder einer Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine.

Instrumentierte Pendelschlagwerke mit Kraftsensor und schneller Messwerterfassung ermöglichen es, neben den Energiewerten der Schlagarbeit weitere Daten zu erfassen und auszuwerten. Gleiches gilt für den Einsatz instrumentierter Fallwerke. Sie zeichnen beispielsweise im Durchstoßversuch komplette Kraft-Wege-Diagramme auf, aus denen charakteristische Kraftpunkte und die aufgenommene Schlagenergie berechnet werden.

Pendelschlagwerke dienen der Prüfung spröder oder zäher Kunststoffe bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten. © ZwickRoell

Hochgeschwindigkeitsprüfmaschinen mit hydraulischem Antrieb erzeugen Prüfgeschwindigkeiten bis 20 m/s. Sie sind variabel für Schnellzerreißversuche, Durchstoß- und Biegeversuche einsetzbar und decken die Verfahren der Pendelschlagwerke und instrumentierten Fallwerke ab. Dank des hohen Energieüberschusses und der speziellen Regelung ermöglichen sie nahezu konstante Prüfgeschwindigkeiten während des Prüfvorgangs.

Statische Prüfungen wie der Zug- und Druckversuch, aber auch die Biegeprüfung gehören zu den am häufigsten durchgeführten Prüfungen. Sie generieren grundlegende Kennwerte in der Entwicklung und lassen während der Qualitätssicherung weitreichende Rückschlüsse auf das Materialverhalten von Bauteilen zu. Universalprüfmaschinen wie die Vertreter der AllroundLine decken dank modularer Bauweise und einer umfangreichen Auswahl an Zubehör alle relevanten statischen Prüfmethoden ab. Im Zusammenspiel mit einer Temperierkammer sind auch Versuche im Temperaturbereich von -40 bis 250 Grad Celsius möglich. Darüber hinaus sorgen bis zu drei Prüfräume in einer Prüfmaschine für flexibles Arbeiten ohne Umbauten. Das Prüfplatzkonzept der Prüfsoftware Testxpert III lädt auf Knopfdruck alle relevanten Parameter und unterstützt so den schnellen Wechsel der vorkonfigurierten Prüfräume.

Langzeitverhalten bestimmen

Zugversuche ermitteln verschiedene Basis-Kennwerte von Kunststoffen. © ZwickRoell

Kriechprüfungen dienen der Bewertung des Langzeitverhaltens von Kunststoffen. Sie sind besonders wichtig für Produkte, die im Einsatz einer dauerhaften Belastung unterliegen wie Rohre, Dichtungen und Lagerbestandteile. Üblich sind Zug-, Druck- und Biegeversuche. Die Prüfdauer liegt mitunter bei mehreren Wochen oder Monaten. Häufig gesellt sich zur rein mechanischen eine thermische Belastung, ein Umstand dem die Kappa Multistation mit einer integrierten Temperierkammer Rechnung trägt. Die Kriechprüfmaschine wurde für die Analyse des Zeitstandverhaltens von Kunststoffen und Polymerwerkstoffen entwickelt. Auf maximal sechs individuell geregelten Prüfachsen können Zeitstandversuche bis 10 Kilonewton frei kombiniert und unter Normalbedingungen oder Temperatur ausgeführt werden. Präzise Dehnungsmessungen arbeiten mit optischen Längenänderungsaufnehmern der Videoxtens-Reihe. Hinter der Temperierkammer angebracht, besteht dank der Sichtfenster freies Blickfeld auf alle Proben, ohne die Tests zu beeinflussen.

Während das Langzeitverhalten unter statischer Last geprüft wird, sind zur Ermittlung der Betriebsfestigkeit im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich dynamische Prüfungen nötig. Mit einer zyklischen Last beanspruchte Bauteile ertragen auf Dauer geringere Spannungswerte als bei statischer Beanspruchung – sie versagen durch Materialermüdung. Eine gute Option sind die elektro-dynamischen Prüfmaschinen der LTM-Baureihe, die mit Kräften zwischen 1 und 10 Kilonewton angeboten werden. Dank breitem Geschwindigkeitsbereich sind sie von quasistatischen Versuchen bis zu dynamischen Ermüdungsprüfungen mit maximal 120 Hertz Prüffrequenz (je nach Typ) nutzbar. Der ölfreie Antrieb bietet Vorteile, von der einfachen Inbetriebnahme der Prüfmaschine – es sind weder Anschlüsse für Öl noch Wasser nötig – bis zu niedrigem Energieverbrauch und geringen Lärmemissionen. Beides macht sich besonders bei längeren Tests positiv bemerkbar.

Flexible automatisieren

Gerade in der Materialentwicklung und im seriennahen Prototypenbau gibt es immer wieder kleinere Serien an Materialproben oder Bauteilen zu prüfen. Mit dem Leichtbauroboter Robotest N lassen sich Pick-and-Place-Aufgaben an Prüfmaschinen automatisieren. Der kompakte Prüfassistent ist leicht in bestehende Prüflabors zu integrieren, bedarf er doch keiner aufwendigen Bedienerschutzmaßnahmen. Besonders in der mobilen Version ist sein Einsatz sehr flexibel: das Gerät kann nach Bedarf an die jeweilige Prüfmaschine geschoben, an die Software angebunden und schnell trainiert werden. Er ist vollständig in die ZwickRoell Automatisierungssoftware Autoedition 3 integriert und lässt sich ohne Roboterbedienterminal nutzen. Spezielle Kenntnisse im Bereich Roboterprogrammierung sind laut Anbieter nicht nötig.

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