Analyse und Modellierung der umgebungsbedingten Spannungsrissbeständigkeit kurzfaserverstärkter amorpher thermoplastischer Kunststoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit einem Anteil von 25 % aller Ausfälle von Kunststoffbauteilen ist die umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (engl. Environmental Stress Cracking, ESC) eine der bedeutendsten Ausfallursachen mit hoher technisch-wirtschaftlicher Relevanz. Besonders betroffen ist hierbei die Werkstoffgruppe der amorphen Thermoplaste. Eine naheliegende Lösung zur Vermeidung des Bauteilausfalls ist die Verwendung eines Werkstoffs, welcher gegenüber den vorliegenden Medieneinflüssen als unkritisch bekannt ist. Hierbei erfolgt die Einschätzung des Spannungsrisspotentials einer bestimmten Medien/Werkstoffkombination meist anhand von Erfahrungswissen oder durch aufwendige Versuchsreihen. Die zu prüfenden Medien sind oftmals teuer, wobei etablierte Tests stets ein hohes Medienvolumen erfordern. Bei einer entsprechend hohen Variation der Umgebungsmedien ist aus diesem Grund ein simulativer Ansatz dringend notwendig. Ist jedoch ein Werkstoffwechsel nicht möglich, so kann der zusätzliche Einsatz von Kurzfasern zu einer signifikanten Verbesserung der Spannungsrissbeständigkeit führen. Voruntersuchungen zeigen jedoch ebenfalls, dass eine korrekte Bewertung der Spannungsrissbeständigkeit nur unter Berücksichtigung des Orientierungszustands der Verstärkungsfasern erfolgen kann. Ziel des Forschungsvorhabens war die Analyse und modellhafte Beschreibung der umgebungsbedingten Spannungsrissbeständigkeit von kurzfaserverstärkten amorphen Thermoplasten in Abhängigkeit des Orientierungszustands der Fasern und relevanter Matrixeigenschaften. Es konnte der deutliche Einfluss einer Faserverstärkung auf die Ausbildung von Spannungsrissen gezeigt werden, so ist bei einer Faserorientierung in Fließrichtung eine höhere Belastung ertragbar, als dies quer hierzu der Fall ist. Des Weiteren bestätigte sich die hohe Abhängigkeit der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung vom umgebenen Medium. Zur Prüfung der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung wurde ein neuartiger Prüfstand konstruiert und gefertigt, welcher die Prüfung sicherheitskritischer Medien bei geringem Medienvolumen erlaubt. Die Modellierung der Faserorientierung sowie des Medieneinflusses auf der Makroskala wurde mithilfe einer integrativen Multiskalen-Simulationskette durchgeführt, welche eine Spritzgießsimulation auf der Mesoskala mit Molekulardynamik-Simulationen auf der Nanoskala verknüpft und abschließend das Bauteilverhalten in einer Struktursimulation auf der Makroskala modelliert. Hierdurch konnten die genannten Effekte abgebildet werden, wobei die Abbildungsgenauigkeit durch den Einsatz weiterer Modellierungsparameter neben dem Elastizitätsmodul noch erhöht werden könnte. Ebenfalls konnte die Schallemissionsanalyse, erstmals zur Untersuchung des Medieneinflusses auf Kunststoffbauteile eingesetzt, Informationen über das Schädigungsverhalten liefern, welche anhand mechanischer Prüfungen nicht generiert werden konnten. Die Untersuchungen im Rahmen des Vorhabens motivieren zwei konkrete Anwendungen, beziehungsweise Forschungsrichtungen, welche durch den Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung weiter verfolgt werden. Dies ist zum einen die Integration von atomistischen Simulationen in die Bauteilauslegung teilkristalliner Thermoplastbauteile unter Berücksichtigung der Beeinflussung der amorphen Phasen durch ein Medium. Dies setzt ebenfalls die Kenntnis des vorliegenden lokalen Kristallisationsgrads voraus, welche in einer vorgeschalteten Simulation ermittelt werden muss. Die zweite Anwendung ist der Einsatz atomistischer Simulationen zur Vorhersage des Risikos der umgebungsbedingten Spannungsrissbildung zur Reduzierung des unwirtschaftlichen Prüfaufwands. Hierbei werden Molekulardynamik-Simulationen eingesetzt, um Deskriptoren von Polymer/Medien- Kombinationen zu bestimmen und daraufhin das ESC-Risiko abschätzen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Medieneinfluss auf Kunststoffe analysieren und modellieren. 29. Internationales Kolloquium Kunststofftechnik: Kunststoffindustrie 4.0, Aachen: Shaker Verlag, 2018 – ISBN: 978-3-8440-5609-9, S. 575-612
Hopmann, Ch.; W Olf, A.; Koch, S.; Alperstein, D., Standfuß-Holthausen, S.
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Modelling of the mechanical properties of medium saturated short fiber-reinforced polycarbonate. Proceedings of the Annual Technical Conference of the Society of Polymer Engineers (ANTEC). Detroit, USA, 2019
Hopmann, Ch.; Koch, S., Verwaayen, S.
