Prüfverfahren: Hartschaum-Bauteile leichter auslegbar

Neues Prüfverfahren für Hartschaum: Beim Umschlingungstest für die neue 2D-Druckuntersuchung wird die Schlaufe mit der Probe mit der „Brücke“ nach unten in die Backen der Prüfmaschine eingesetzt. Foto: Fraunhofer LBF

Für die sichere und kostengünstigere Auslegung von Bauteilen aus Hartschaum hat das Fraunhofer LBF neue Prüfverfahren und verbesserte Methoden entwickelt.

Hydrostatische Prüfverfahren – Zug- und Druckversuche – sind wichtig für die Modellierung der Materialeigenschaften von harten Schäumen. Die Daten aus diesen Tests sind unerlässlich, um das Materialversagen in der Anwendung auszuschließen. Bislang fehlt jedoch ein bewährtes multiaxiales Prüfverfahren für harte Schäume. Einige Belastungsfälle sind experimentell kaum realisierbar. So sind zum Beispiel plausible Prüfvorschriften für den hydrostatischen Zugversuch nicht bekannt, und der equibiaxiale Zugversuch ist aufwendig in der Durchführung.

Um diese Problematik in den Griff zu bekommen, haben die Experten des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF einen equibiaxialen und einen hydrostatischen Druckversuch aufgebaut. Die Ergebnisse dieser Versuche sind eindeutig und einfach zu interpretieren. Zusammen mit den uniaxialen Zug- und Druckversuchen sowie Torsionsversuchen sorgen diese Versuchsdaten für eine zuverlässige Modellierung und plausible Extrapolationen, die eine Abschätzung der nicht verfügbaren Daten aus dem hydrostatischen Zugversuch ermöglichen.

Neuartiges Druckprüfverfahren mit Zugprüfmaschine

Die equibiaxiale Druckbelastung wird in einer konventionellen Zugprüfmaschine mit einer Kreisscheibe als Probengeometrie und einer Blechschleife zum Belastungsaufbringen realisiert. Der Aufwand ist vergleichbar mit den Standard- Zugversuchen. Der 2D-Druckversuch stellt eine effektive Methode zur ersten Abschätzung des Materialverhaltens dar. Für eine genaue Modellierung ist jedoch ein hydrostatischer Druckversuch unerlässlich.

Hydrostatische Belastungen an polymeren Hartschäumen getestet

In der Druckkammer für hydrostatische Untersuchungen wird die vakuumverpackten Probe mit Gummibändern fixiert. Foto: Fraunhofer LBF

Es sind zwei Arten des Materialverhaltens unter hydrostatischem Druck zu unterscheiden: das Versagen der Zellen und der hydrostatische Kollaps der Gesamtstruktur. Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben eine neue Methode zur Prüfung des Materialverhaltens unter hydrostatischer Druckbelastung implementiert und auf mehrere polymere Hartschäume angewendet. Sie bieten Unterstützung auf jeder Ebene des Designprozesses und erzielen zuverlässige Lösungen für optimierte Strukturen.

Für eine zuverlässige Modellierung von Materialien, die unter hydrostatischem Druck versagen, wie beispielsweise harte polymere Schäume, ist der hydrostatische Druckversuch zwingend erforderlich. Die Materialeigenschaften aus dieser Prüfung können nicht aus den Daten der Zug-, Druck- und Torsionsprüfung berechnet werden. Mögliche Extrapolationen, wie zum Beispiel auf der Basis des 2D-Druckversuchs, können nur Abschätzungen liefern und sollten für kritische Anwendungen nicht angewendet werden.

Der hydrostatische (balancierte 3D-Druck) Versuch liefert die notwendigen Informationen zur Modellierung des elastischen Verhaltens und des Versagens bei mehraxialen Druckbelastungen. Die Ergebnisse des hydrostatischen Versuchs führen direkt zu den benötigten Parametern im Materialmodell, was die Anpassungsprozedur erheblich vereinfacht. Unter anderem ist der Kompressionsmodul des elastischen Verhaltens ein Ergebnis dieser Versuche.

Neue Methode für weitere Materialen geeignet

Mit der neuen Methode des Fraunhofer LBF können Bauteile, die harte Schäume enthalten, zuverlässiger und kostengünstiger ausgelegt werden. Die Methode erlaubt es, sichere Entscheidungen über die Materialwahl für bestimmte Anwendungen zu treffen. „Unerwartete Versagensfälle“ in der Anwendung können damit ausgeschlossen werden. Die Methode erscheint auch für weitere Materialien wie beispielsweise keramische Schäume, Porenbeton, Boden, gesinterte und granulare Materialien vielversprechend.

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sk