Thermische Einsatzgrenzen von Kunststoffen

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Die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe, besonders in Hinblick auf die Auslegungvon Bauteilen, sind in starkem Maße von der Höhe und Art der Belastung, der Temperaturund der Zeit abhängig. Unterscheidet man die Verformung in elastisch, viskos und relaxierend,so ergeben sich vielfältige Überlagerungen.Die bisher übliche Methode zur Bestimmung thermischer Einsatzgrenzen als Abfall desSchubmoduls über der Temperatur (z.B. DIN 65 583) kann für Bauteile, die Belastungen außerhalbdes sehr geringen elastischen bzw. linear viskoelastischen Bereiches erfahren, nurbedingt angewendet werden, da sich bei höheren Spannungen ein abweichender Kennwertverlaufergibt.Eine Alternative zu dynamischen Untersuchungen zur Ermittlung des Moduls stellt der quasistatischeZugversuch dar. Jedoch gilt das Ende der elastischen bzw. linear viskoelastischenVerformung als Kennwert ebenfalls nur für geringe Verformungen. Zudem ist aufgrund derisothermen Versuchsdurchführung die temperaturabhängige Ermittlung von Kennwertendeutlich aufwändiger. Weiterhin werden im Zugversuch vor allem bei höheren Temperaturenauch nicht-elastische Verformungsanteile gemessen, die aufgrund des Zeiteinflusses (konst.Deformationsgeschwindigkeit) kaum von den elastischen Anteilen getrennt werden können.Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ermöglicht es, den Zeiteinfluss bei höheren Belastungendurch die höhere Deformationsgeschwindigkeit weitgehend zu unterdrücken. HerkömmlicheDMA-Messtechniken zur Ermittlung des temperaturabhängigen Moduls erlaubenMessungen bei sehr geringen Dehnungen und Spannungen. Im Falle höherer dynamischerBelastungen müssen die Untersuchungen meist mittels Hydropulser durchgeführt werden,die jedoch nur isotherme Messungen ermöglichen.Der Lehrstuhl für Kunststofftechnik verfügt über eine Messtechnik, mit der diese Lücke geschlossenwerden kann und somit die temperaturabhängige Ermittlung von mechanischenKennwerten unter dynamischer Belastung bis in den nicht-linear viskoelastischen Bereichmöglich ist. In dem vorliegenden Antrag werden im Wesentlichen zwei Ziele verfolgt:1. Mit der vorhandenen Schwerlast-DMA soll der in der Literatur bisher kaum untersuchteEinfluss der Belastungshöhe (bis in den nicht-linear viskoelastischen Bereich) aufden temperaturabhängigen E-Modul bestimmt und mit Ergebnissen aus Zugversuchenverglichen werden, um den zunehmenden Einfluss nicht-linearer Effekte aufthermische Einsatzgrenzen auch für praxisrelevante Belastungen zu ermitteln.2. Neben dem dynamischen Modul als Kennwert für eine kurzzeitige Belastung soll dasKriechverhalten der zu untersuchenden Kunststoffe unter dynamischer Belastung untersuchtwerden und eine thermische Belastungsgrenze bei überproportionalem Kriechendefiniert werden.Die Untersuchungen sollen an dem amorphen Werkstoff Polycarbonat (PC) und den teilkristallinenWerkstoffen Polyamid (PA) und Polybutylentherephtalat (PBT) durchgeführt werden.In enger Zusammenarbeit mit dem Centre of Experimental Mechanics (CEM), UniversitätLjubljana, Slowenien, werden die gemessenen Werte mit Simulationsergebnissen kommerziellerFE-Programme verglichen und Modelle entwickelt, die zu einer besseren Beschreibungdes Verformungsverhaltens bei überlagerten Belastungen bis in den nicht-linearen Bereichin kommerzielle FE-Programme implementiert werden sollen.Im Rahmen dieser internationalen Kooperation findet ein intensiver Austausch experimentellerund theoretischer Erkenntnisse statt.