Eigenspannungen auf der Spur

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In einem Forschungsprojekt am SKZ wird die inkrementelle Bohrlochmethode für kurzfaserverstärkte Spritzgussbauteile weiterentwickelt.

Prinzip und Workflow der quantitativen Eigenspannungsbestimmung mittels inkrementeller Bohrlochmethode. Grafik: SKZ

Während des Fertigungsprozesses von spritzgegossenen kurzfaserverstärkten Kunststoffbauteilen entstehen Eigenspannungen, die auf die Überlagerung mehrerer Phänomene zurückzuführen sind. Dazu gehören beispielsweise Temperaturgradienten oder Fertigungsparameter. Diese Eigenspannungen können die Bauteileigenschaften sowohl positiv als auch negativ beeinflussen – je nachdem, ob sie einer äußeren Last gleich- oder gegengerichtet sind (Zug- oder Druckspannungen). In den meisten Fällen liegen allerdings keine Informationen über die Höhe und Richtung fertigungsbedingter Eigenspannungen vor. Daraus resultieren erhebliche Unsicherheiten in der Bauteilauslegung. Frühzeitiges Versagen oder Abweichungen bei der Maßhaltigkeit können die Folgen sein.

Relativ kostengünstiges Prüfverfahren

Mit der inkrementellen Bohrlochmethode steht ein vergleichsweise kostengünstiges und zugleich industriell praktikables Prüfverfahren zur quantitativen Bestimmung von tiefenabhängigen Eigenspannungsprofilen zur Verfügung. Die inkrementelle Bohrlochmethode basiert auf einer Teilentlastung der Oberfläche durch das Anbohren der Bauteiloberfläche. Die in der Nähe des Bohrlochs vorhandenen Spannungen (Eigenspannungen) werden mit Hilfe von speziellen Dehnungsmesssteifen-Rosetten in Abhängigkeit der Bohrlochtiefe erfasst und mit Hilfe eines speziellen Algorithmus ausgewertet. In einem früheren Forschungsvorhaben konnte das Verfahren bereits erfolgreich für die Messung an unverstärkten (isotropen) Kunststoffbauteilen eingesetzt werden.

Ziel eines kürzlich gestarteten Forschungsvorhabens am SKZ ist nun die Weiterentwicklung der Methode hinsichtlich der Anwendbarkeit auf faserverstärkte, also anisotrope Kunststoffbauteile. Hierfür sollen bestehende Versuchsparameter und Auswerteprozeduren erweitert und mit Methoden der Prozess- und Struktursimulation kombiniert werden, um die zusätzlichen Abhängigkeiten (richtungsabhängige Materialeigenschaften) für den Fall der Anisotropie zu berücksichtigen.

Das Verfahren soll im Rahmen eines bis Ende November 2020 laufenden Vorhabens zudem dazu verwendet werden, den Einfluss von Eigenspannungen auf das Verhalten faserverstärkter Kunststoffbauteile zu untersuchen. Durch systematische Variation verschiedener Materialparameter – Polymer, Fasergehalt und -konzentration – und Prozessparameter – Strömungs- und Abkühlbedingungen – wird aufgezeigt, wie der Eigenspannungszustand gezielt beeinflusst werden kann, um positive Eigenschaften im Bauteil, also zum Beispiel höhere Festigkeiten und Spannungsrissbeständigkeiten zu erreichen.

Interessierte Industrieunternehmen sind eingeladen, das Forschungsvorhaben kostenfrei zu begleiten und frühzeitig von den Ergebnissen zu profitieren.

sk

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