Aktive mikrowellenangeregte Thermografie mit gekoppelten FE-Berechnungen zur Bestimmung der ortsaufgelösten Feuchteverteilungen in Polyamid 6 und deren Auswirkungen auf das feuchteabhängige Verformungs- und Versagensverhalten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Georg Herrmann; Professor Dr.-Ing. Markus Stommel
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555260573

Das Materialverhalten von Polyamid 6 (PA 6) ist stark vom vorliegenden Feuchtegehalt abhängig. Das hygroskopische PA 6 absorbiert die polaren Wassermoleküle aus seiner Umgebungsluft. Diese diffundieren entlang des Konzentrationsgefälles im amorphen Bereich des teilkristallinen Thermoplasts, um sich an die ebenso polaren Carbonamidgruppen der Molekülketten zu binden, bis sich durch Absättigung der Amidgruppen ein Gleichgewicht mit der Umgebungsfeuchtigkeit einstellt. Bei realen, sich ständig ändernden Bedingungen entstehen so instationäre Feuchtigkeitsverteilungen in PA 6-Bauteilen. Durch die Wasseraufnahme wird der intermolekulare Kettenabstand vergrößert und die kooperative Kettensegmentbeweglichkeit erhöht sich. Infolgedessen reduziert sich die Glasübergangstemperatur Tg, sodass auch die thermomechanischen Eigenschaften stark verändert werden. Gleichzeitig resultiert die Einlagerung von Wassermolekülen in einer Quellung des Materials und führt aufgrund des Platzbedarfs dieser im instationären Zustand lokal zu Eigenspannungen. Zur Beurteilung des Wassereinflusses auf das Verformungs- bzw. Versagensverhalten ist demnach nicht nur die prozentuale aufgenommene Wassermenge relevant, sondern insbesondere die Kenntnis der instationären Verteilung innerhalb eines Bauteils. Der Projektantrag zielt darauf ab, mit der aktiven mikrowellenangeregten Thermografie (AMT) eine schnelle, zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode zu entwickeln, um inhomogene Wasserkonzentrationsverteilungen in PA 6 zu detektieren. Die Methode basiert auf der unterschiedlich starken Erwärmung von PA 6 durch Mikrowellenstrahlung in Abhängigkeit des lokalen Wassergehaltes. Die numerische Berechnung von Konzentrationsverteilungen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) ist bereits für wenige konstante Umgebungsbedingungen etabliert und experimentell validiert. Durch FE-Berechnung der Feuchteverteilung in bekannten, validierten Zuständen wird eine Möglichkeit geschaffen, die AMT auch für quantitative Auswertungen über die lokal vorliegende Verteilung zu verwenden, sobald der konkrete Zusammenhang zwischen Wasserverteilung und Temperaturerhöhung durch Mikrowellenanregung bekannt ist. Ferner werden auch Ansätze aus der Literatur zur Lösung inverser Probleme genutzt, um Tiefeninformationen zu generieren. Bei präziser Kenntnis der Konzentrationsverteilung aus der AMT wird eine Grundlage geschaffen, auch für schwankende Luftfeuchtigkeiten die FE-Berechnung der Wasserverteilung im Material für verschiedene Zeitpunkte zu validieren. Mittels konzentrationsabhängiger Charakterisierung des thermomechanischen Materialverhaltens bei homogener Wasserverteilung werden Kenngrößen ermittelt, die in der FE-Berechnung an die Wasserkonzentration und darüber an die feuchteabhängige Tg gekoppelt werden. Im Weiteren wird das Materialverhalten unter externer, mechanischer Belastung unter Berücksichtigung der vorliegenden, inhomogenen Wasserverteilung numerisch berechnet und parallel im Experiment validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen