Faserverstärkte Kunststoffe Alterung und Umwelteinflüsse im Entwicklungsprozess berücksichtigen

Der Einfluss von hohen Temperaturen, mechanische Schwingungen und aggressiven Stoffen auf das Verhalten von Kunststoffen und damit ihre Lebensdauer ist bislang nur schwer abzuschätzen. Das Fraunhofer LBF zeigt neue Verfahren und Wege.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Bei der Dimensionierung von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen kommen bis heute meist konventionelle Bemessungskonzepte zum Einsatz, die lediglich auf statischen Kennwerten, Sicherheitsfaktoren und einer Vielzahl von Abminderungsfaktoren beruhen. Der tatsächliche Einfluss dieser sich überlagernden Faktoren wie multiaxiale Belastungen, Temperaturunterschiede und aggressiven Flüssigkeiten bleibt dabei unberücksichtigt.

In einem gemeinsamen BMBF-Projekt mit der Robert Bosch GmbH entwickeln deshalb Fraunhofer Forscher neue Methoden zur Lebensdauerabschätzung von Leichtbaukomponenten. Die Forscher haben hierzu das Werkstoffverhalten und die Wirkungszusammenhänge zwischen Beanspruchung und Umwelteinflüssen zuverlässig nachgebildet und charakterisiert. An bauteilähnlichen Proben aus thermoplastischen Werkstoffen wurde das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit von Material, Geometrie, Fertigungs- und Umwelteinflüssen (Temperatur, Benzin, Öl) in Labortests untersucht. Diese Parameter bestimmen die Schwingfestigkeit und damit auch die Lebensdauer von Bauteilen maßgeblich.

Bei der Festigkeitsbewertung werden numerisch ermittelte Beanspruchungen lebensdauerspezifische Beanspruchbarkeiten gegenübergestellt. Diese können durch Proben und/oder Bauteilversuche bestimmt werden. Hierbei ergeben sich grundsätzlich verschiedene Versuchsparameter, die im Rahmen einer Versuchsplanung mehr oder weniger beliebig miteinander kombiniert werden können.

Kombination von Werkstoff-Know-how und Simulationstechnologie

Damit soll der Umfang von Versuchsprogrammen optimiert werden. Dies setzt aber die Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Versuchsparametern und deren schädigenden Wirkung voraus. Wie ändert sich beispielsweise die Schwingfestigkeit einer Kunststoffprobe, wenn sie neben der mechanischen Belastung auch von erwärmtem Benzin umspült wird? Durch diesen Vergleich kann die Wechselwirkung zwischen mechanischer Beanspruchung und aggressiven Medium erschlossen und deren Tragweite auf das Bauteilverhalten bewertet werden.

Aus der Kombination von Werkstoff-Know-how und Simulationstechnologie können so künftig Versuchsprogramme und -verfahren zur Lebensdauerabschätzung von Kunststoffen standardisiert und verkürzt werden. Werkstoffspezifische Prüfverfahren sind vor diesem Hintergrund von großer Relevanz für den Einsatz neuer Materialsysteme in Branchen wie der Energietechnik, Elektro- und Elektronikindustrie, Fahrzeug- und Maschinenbau sowie der chemischen Industrie und der Automation.

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