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Kunststoffprüfung Kunststoffe kann man auch ohne Thermokammer dynamisch prüfen!

| Redakteur: Peter Königsreuther

Geht es um die Materialeigenschaften von Kunststoffen bei niedrigen Temperaturen, werden die Proben in der Regel in einer Thermokammer temperiert. Forscher aus Darmstadt können das bis -40 °C auch ohne...

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Üblicher Zugprobenstab aus Kunststoff in einer auf Minusgrade gekühlten Zerreißanlage am Fraunhofer-LBF. Hier passt alles, denn die Probe ist trocken. Dazu bedarf es neuerdings keiner aufwendigen Thermokammer mehr, betonen die Forscher...
Üblicher Zugprobenstab aus Kunststoff in einer auf Minusgrade gekühlten Zerreißanlage am Fraunhofer-LBF. Hier passt alles, denn die Probe ist trocken. Dazu bedarf es neuerdings keiner aufwendigen Thermokammer mehr, betonen die Forscher...
(Bild: A. Nierbauer / Fraunhofer-LBF)

Anders als Metalle, ändern Kunststoffe bei üblichen Temperaturschwankungen ihre mechanischen Eigenschaften stärker. Deshalb muss geprüft werden, bei welcher oberen und unteren Grenztemperatur ein Kunststoff für einen bestimmten Einsatzzweck nicht mehr geeignet ist. Am Besten prüft man die Bauteile unter den später tatsächlich wirksam werdenden Belastungen. Mit Blick auf den möglichen Temperaturbereich, hat es bis jetzt immer eine Thermokammer gebraucht, wenn bei tiefen Temperaturen geprüft werden musste. Mit einer Erweiterungsvorrichtung, die von den Experten und Expertinnen des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF an ihrem Schnellzerreißer angebracht werden kann, ist die Thermokammer bis -40°C nun nicht mehr nötig, heißt es.

Dynamische Materialuntersuchung mit dem Schnellzerreißer am Fraunhofer-LBF in Darmstadt, der jetzt auch ein besonderes Probenkühlsystem nutzen kann. Gut zu sehen sind die optischen Systeme zur Unterstützung des Testverlaufs (blau).
Dynamische Materialuntersuchung mit dem Schnellzerreißer am Fraunhofer-LBF in Darmstadt, der jetzt auch ein besonderes Probenkühlsystem nutzen kann. Gut zu sehen sind die optischen Systeme zur Unterstützung des Testverlaufs (blau).
(Bild: A. Nierbauer / Fraunhofer-LBF)

Ein Gasgemisch macht's möglich...

Getestet werden kann dabei die Belastungsfähigkeit der Kunststofftypen unterhalb der Raumtemperatur. Auch die Dehnung beim Versuch wird optisch per Digital Image Correlation / Greyscale Correlation (DIC/GSC) ermittelt. Wie temperieren die Forscher nun aber die Probe auf bis zu -40°C? Dazu greifen sie auf flüssigen Stickstoff zurück, der Druckluft kühlt, die wiederum die Kunststoffprobe kühlt, so die Erklärung. Damit alles exakt abläuft, überwacht eine Thermokamera flächig den Temperaturzustand der Probe, heißt es weiter. Ist die Prüftemperatur erreicht, wird der Test manuell gestartet.

Der große Vorteil der mit Stickstoff gekühlten Druckluft ist nach Aussage der Darmstädter Forscher, dass sie trocken ist. Dadurch bildet sich an der Probe kein Eis. Weil die Gasmischung aus einem Kältespeicher ströme, bleibe deren Temperatur sehr konstant, was mit einer direkten Probenkühlung mit reinem Stickstoff nicht so sei.

Viele Untersuchungsvorteile ohne Thermokammer

Was den Aufbau angeht, so erklären die LBF-Forscher, dass die Kühlvorrichtung grob aus einem Regler und einem Schaltelement besteht. Hinzu kommt der Stickstofftank und die Zuleitung an die Probe. Von Vorteil ist durch den Verzicht auf die Thermokammer, dass keine transparente Scheibe mehr zwischen Kamera und Probe steht. Die Scheibe kann sonst anlaufen oder gar einfrieren. Auch eine deshalb nötige Scheibenheizung sorge durch Luftverwirbelungen für Nachteile beim Prüfen. Ohne Scheibe und Thermokammer gelinge auch die DIC besser und es könnten verschiedene Bauteilgrößen und weitere Lastarten untersucht werden.

Vom Granulatsack bis zur Materialkarte alles klar

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme der Kühlvorrichtung kann das Fraunhofer-LBF nun alle für Kunststoffanwendungen relevante Temperaturbereiche abchecken. Nicht zuletzt reiche das Know-how so weit, dass am Institut der ganze Prozess von der Granulatsackanlieferung bis zur validierten Materialkarte abgedeckt werden könne. Damit sind alle Verarbeitungs- und Prüfbedingungen an einem Ort erarbeitet und genau bekannt, heißt es. Der Ablauf ist folgender: Aus angeliefertem Granulat fertigen die Forscher zunächst Platten, aus denen dann diverse Probekörper für verschiedenste Versuche entnommen werden können. Mit den Testergebnissen werden die Materialkarten erstellt. Sind Verstärkungsfasern im Kunststoff enthalten, so kann man die Faserorientierung mit einem ebenfalls am LBF befindlichen Mikrocomputertomographen ermitteln.

Klar ist, dass von diesem umfangreichen Angebot alle Industriezweige profitieren, die Kunststoffteile herstellen.

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