Neues Prüfverfahren zur dauerfesten Auslegung von Thermoplasten

Das SKZ startet ein Forschungsprojekt zur effizienten Bestimmung werkstofflicher Schädigungsgrenzen
Der Festigkeitsnachweis an Kunststoffbauteilen ist nach wie vor eine große Herausforderung. Dies gilt insbesondere für die Dimensionierung gegenüber langzeitigen zyklischen Lasten, wie sie in anspruchsvollen Anwendungen häufig auftreten (z. B. im Automotive-Bereich). Dies liegt an unterschiedlichen Gründen: Zum einen weisen Kunststoffe im Vergleich zu Metallen ein deutlich komplexeres Materialverhalten auf (viskoelastisch, häufig anisotrop, zahlreiche festigkeitsmindernde Einflussfaktoren), und es existieren im Gegensatz zu Metallen (FKM-Richtlinie) keine etablierten Regelwerke für den Festigkeitsnachweis. Zum anderen sind geeignete Bemessungskennwerte für die Langzeitauslegung kaum vorhanden und bisher nur über extrem zeit- und kostenaufwendige Langzeitversuche (z. B. Dauerfestigkeit aus Wöhlerversuchen) zu ermitteln. Deshalb ist der Ingenieur meist gezwungen, auf vereinfachte Bemessungsansätze (z. B. pauschale Abminderungsfaktoren nach Oberbach oder Grenzdehnung nach Menges) zurückzugreifen. Da diese in der Regel nicht für den konkret vorliegenden Werkstoff (unter den jeweiligen Einsatzbedingungen) ermittelt wurden oder nur grobe Wertebereiche angeben, bergen sie die Gefahr einer ungewollten Über- oder Unterdimensionierung.

Das Kunststoff-Zentrum SKZ hat deshalb zum 01.06.2025 ein neues Forschungsprojekt gestartet. Dieses hat zum Ziel, ein effizientes Prüf- und Auswerteverfahren zu entwickeln, welches in der Lage ist, unter vergleichsweise geringem Prüf-, Kosten- und Zeitaufwand an Kunststoffen Materialkennwerte für die Auslegung im Bereich der Dauerfestigkeit zu generieren. Hierzu soll die Versuchsmethodik der intermittierenden Zugversuche weiterentwickelt und optimiert werden, um anwendungsbezogene werkstoffliche Schädigungsgrenzen zu ermitteln.

Um die universelle Anwendbarkeit des neuen Prüf- und Auswertekonzepts zu belegen, soll die Methodik im Forschungsvorhaben an zahlreichen thermoplastischen Kunststoffen (amorph/teilkristallin, verstärkt/unverstärkt, spröd/duktil etc.) erprobt werden. Zudem soll eine direkte prüftechnische Berücksichtigung festigkeitsmindernder Einflussfaktoren (z. B. Anisotropie/Faserorientierungen, Temperatur und Feuchte) erfolgen. Die ermittelten werkstofflichen Bemessungsgrenzen werden abschließend gegenüber weiteren Bemessungsverfahren für Kunststoffe (z. B. pauschale Abminderungsfaktoren nach Oberbach oder Grenzdehnung nach Menges) sowie Ergebnissen aus Langzeitversuchen eingeordnet und bewertet. Zum Ende des Projekts ist außerdem eine Praxiserprobung des neuen Prüf- und Auswertekonzepts durch Firmen des projektbegleitenden Ausschusses vorgesehen.

Das Kick-off-Meeting findet am 16.07.2025 online statt.
Weitere interessierte Firmen können sich gerne beim SKZ melden, um im Rahmen einer Teilnahme am projektbegleitenden Ausschuss direkt von den Forschungsergebnissen zu profitieren.

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