Aus den über 6000 gespeicherten thermoplastische Proben in einer Datenbank des Fraunhofer LBF lassen sich grundlegende Zusammenhänge wie die Einflüsse von Geometrie, Umwelt, Alterung, Belastungsart oder lokaler Faserorientierung auf die Schwingfestigkeit ableiten.
Wöhlerlinien eines Polyamidtyps mit unterschiedlicher Additivierung.
Fraunhofer LBF
Angesichts immer kürzerer Entwicklungszyklen gewinnen Materialdatenbanken immens an Bedeutung. Auf dem Gebiet der Schwingfestigkeitscharakterisierung von Kunststoffen hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mittlerweile über 6.000 geprüfte thermoplastische Proben in einer Datenbank gespeichert. Während der Schwingfestigkeitsversuche ermitteln die Wissenschaftler aus der aufgezeichneten Kraft- und Verformungsantwort unter zyklischer Belastung den Steifigkeitsabfall, die Kriecheigenschaften und die Dämpfungszunahme. Mit Hilfe von bildgebenden Verfahren können sie das Anrissverhalten und die Rissausbreitung während der zyklischen Prüfung bestimmen. Darüber hinaus lässt sich mit Hilfe von thermografischen Untersuchungen die hysteretische Erwärmung der Probe über die Lebensdauer untersuchen.
Auf diese Weise liefert das Fraunhofer LBF zuverlässige Materialkennwerte für die Auslegung von Bauteilen und Bemessungskonzepte. Das bestätigt Dr. Matthias De Monte von der Robert Bosch GmbH: "Aufgrund der niedrigen Prüffrequenzen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen muss die Anzahl der Versuche für die Ermüdungscharakterisierung von faserverstärkten Thermoplasten stark reduziert werden. Dank der systematischen Speicherung der Rohdaten, der entsprechenden Metadaten und dessen intelligenter Kombination mit einer Bosch-internen Datenbank von Simulationsergebnissen kann der Aufwand für die Charakterisierung von weiteren Werkstoffen deutlich reduziert werden."
Verwendetes Material besser beschreiben
Mit Hilfe der Datenbank können für verschiedene Materialtypen mit ausreichend statistischer Absicherung Einheitswöhlerlinien für unterschiedliche Prüf- und Anforderungszenarien abgeleitet werden. Durch die umfangreiche Versuchsausstattung und Datenauswertungsmethoden haben die Wissenschaftler des Instituts die Möglichkeit, über die Bruchschwingspielzahl hinaus Kennwerte hinsichtlich des Steifigkeitsabfalles, die Kriecheigenschaften und die Dämpfungszunahme, sowie das Anrissverhalten und die Rissausbreitung zu ermitteln. "Mit Hilfe dieser Materialkennwerte kann ein besserer Zusammenhang zwischen Materialverhalten, Schädigungsmechanismen und der Materialermüdung abgeleitet werden, um das verwendete Material besser beschreiben zu können", erklärt Dominik Spancken, am Fraunhofer LBF zuständig für die Digitalisierung von Schwingfestigkeitswerten.
Der Einfluss von Temperatur, Konditionierungszustand, Formzahl oder Umgebungsmedium lassen sich mit Hilfe der Datenbank abschätzen. Diese Faktoren sind bei der Bauteilauslegung ein wichtiger Indikator dafür, ob das jeweilige Material für den Anwendungsfall eingesetzt werden kann. "Dabei ist es unzulässig, auf einen detaillierten Nachweisversuch, der den realen Anwendungsfall bestätigt, zu verzichten. Selbst kleinste Änderungen an der Additivierung der Kunststoffe oder an den Herstellparametern haben einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften unter zyklischer Belastung", betont Spancken.