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Bis an die Belastungsgrenze

Ein neuartiges Messgerät hilft bei der Abschätzung der mechanischen Belastungsgrenzen von Elastomer-Werkstoffen.
Mit dem Intrinsic Strength Analyzer (ISA) lässt sich mit relativ geringem Aufwand im Labor ein quantifiziertes Ranking von Elastomer-Mischungen hinsichtlich ihres intrinsischen Schneidwiderstands vornehmen.

Ein neuartiges Messgerät hilft bei der Abschätzung der mechanischen Belastungsgrenzen von Elastomer-Werkstoffen.

Entwickler technisch mechanisch beanspruchter Gummimischungen – zum Beispiel für Reifen sowie Dichtungs- oder Dämpferelementen – stehen vor der schwierigen Aufgabe, die Lebensdauer eines Bauteils abschätzen und gewährleisten zu müssen. Abhängig von Einsatz -und Umgebungsbedingungen wirken verschiedene Versagensmechanismen, die früher oder später zum Ausfall eines Bauteils führen.

Thermisch oxidative und chemische Belastungen der Bauteile bewirken die Degradation des Werkstoffes Gummi und verändern seine mechanischen Eigenschaften. Darüber hinaus spielt die mechanische Belastung, der ein Gummibauteil ausgesetzt ist, eine wesentliche Rolle für seine Lebensdauer, wobei entscheidend ist, ob das Bauteil statisch oder dynamisch belastet ist und welche Form das Belastungsprofil über der Zeit hat.

Dieser Versagensprozess beginnt in jedem Fall mit dem Reißen von Polymerketten und somit der Initiierung von Rissen, die sich unter anhaltender Belastung fortsetzen und letztlich zum Versagen des Bauteils führen. Die dem Material innewohnende Widerstandskraft gegen die Initiierung eines Risses (Intrinsic Strength) ist ein Kennwert, mit dessen Hilfe Elastomer-Werkstoffe in Hinsicht auf den Beginn dieses Versagensprozesses charakterisiert werden können. Diese intrinsische Stärke des Materials entspricht einer Energiedichte unterhalb des Wertes, bei dem die Risswachstumskurve des Paris Erdogan Graphen die X-Achse schneidet.

Der Messaufbau des Intrinsic Strength Analyzer (ISA), den der Dortmunder Prüftechnikhersteller Coesfeld gemeinsam mit dem US-Unternehmen Endurica entwickelt hat, dehnt eine Materialprobe in Y-Richtung und bewegt eine sehr scharfe Klinge in X-Richtung gegen die Kante des Materials und schneidet es dabei ein. Während des Messablaufe wird die Dehnenergiedichte geregelt und die Schneidenergiedichte bei geregelter Schneidgeschwindigkeit bestimmt. Dieser Vorgang läuft vollautomatisch mit variierten Dehnenergiedichten und Schneidgeschwindigkeiten ab. Die Regelung der Dehnenergiedichte, der Schnittgeschwindigkeit sowie der implementierte Auswertealgorithmus entspricht einem von Endurica in den USA patentierten Verfahren.

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Mit Hilfe des Messgeräts wird die Schneidenergie S ermittelt, ab der das Material geschädigt wird (Intrinsic Cutting Energy). Sie ist die Summe der Dehnenergiedichte T und der Schneidenergiedichte F (S = T + F). Die Messung zur Bestimmung der minimalen Schneidenergie einer Elastomermischung mit dem ISA benötigt etwa vier Stunden Messzeit im Labor.

Das heißt, mit Hilfe dieses Messgeräts kann mit recht geringem Aufwand im Labor ein quantifiziertes Ranking von Elastomer-Mischungen hinsichtlich ihres intrinsischen Schneidwiderstands vorgenommen werden. Die Schneidenergiedichte F hängt ab davon, wie scharf die Klinge ist und welche Reibkräfte zwischen Klinge und Probenmaterial auftreten und weiter hin an den bruchmechanischen Eigenschaften des Gummis in verschiedenen Dehnzuständen.

Experimente haben gezeigt, dass die Intrinsic Strength ungefüllter Gummimischungen etwa 13 % bis 18 % der minimalen Schneidenergie beträgt. Daher kann mit der gegebenen Abschätzung der Energiedichte im Bauteil abgeschätzt werden, unterhalb der unter sonst gleichen Bedingungen kein Versagen eintritt. Auf jeden Fall liefert die intrinsische Schneidenergie eine sichere Abgrenzung der Belastungsenergien nach oben, wenn Belastungsgrenzen für Elastomerwerkstoffe abgeschätzt werden müssen.

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