Kunststoffdiagnostik

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Kunststoffdiagnostik

Kunststoffprüfung/Kunststoffdiagnostik und Kunststoffdiagnostik/ Schadensanalyse

Die Kunststoffdiagnostik bezeichnet ein modernes Wissensgebiet, was häufig unter dem Gesichtspunkt einer erkenntnistheoretischen Vertiefung auch als „Kunststoffprüfung/Kunststoffdiagnostik“ oder „Kunststoffdiagnostik/Schadensanalyse“ in der Literatur bezeichnet wird. Dabei besteht ein enger Zusammenhang mit der „Werkstoffdiagnostik/Werkstoffprüfung“, die sich als eigenständige Wissenschaftsdisziplin mit der Aufklärung der Eigenschaften spezieller, zumeist metallischer, Werkstoffe und den Ursachen für ein mögliches Versagen (siehe: Bruch) beschäftigt.

Unter Werkstoffdiagnostik versteht man somit – in Analogie zur medizinischen Diagnostik – die Lehre von dem Erkennen von Werkstoffschädigungen (Ungänzen) sowie mikromechanischen Verformungs- und Bruchmechanismen. Die Kunststoffdiagnostik beinhaltet das Zusammenwirken von physikalischen Untersuchungsmethoden zur Aufklärung der stofflichen Zusammensetzung (Analytik), der molekularen Struktur, der Morphologie, mechanischen, thermischen, elektrischen und optischen Eigenschaften, der Herstellungs- und Verarbeitungsbedingungen sowie den technologischen Eigenschaften und den Reaktionen des Werkstoffs mit der Umgebung (siehe auch: Spannungsrissbeständigkeit).

Besondere Fortschritte bezüglich des Erkenntnisgewinns wurden bei Nutzung und der Weiterentwicklung der hybriden Methoden der Kunststoffdiagnostik erzielt, worunter man die Kopplung von zwei oder mehreren, verschiedenen, zumeist zerstörungsfreien, Prüfverfahren und -methoden der modernen Kunststoffprüfung versteht.

Dabei wird häufig durch eine elektronische Instrumentierung konventioneller Prüfmethoden ein Informationsgewinn im Vergleich mit den klassischen Methoden angestrebt, wobei einerseits vertiefte Aussagen aus den Kennwerten abgeleitet werden können und andererseits durch geregelte Prüfalgorithmen eindeutigere Bezüge zu gekoppelten zerstörungsfreien Prüfmethoden herstellbar sind. Beispiele hierfür sind z. B.

• die instrumentierte Härteprüfung
• die instrumentierte Kratzprüfung
• der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch
• der instrumentierte Kerbschlagzugversuch und
• der instrumentierte Durchstoß- oder Fallversuch

die auch durch zahlreiche eigene Publikationen (siehe Instrumentierung) belegt wurden.

Neben der Erhöhung des Informationsgehaltes konventioneller Prüfverfahren (siehe: Werkstoffprüfung) besteht die Zielstellung hybrider Methoden in einer verallgemeinerungsfähigen Aufklärung der Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und den Eigenschaften, einer quantitativen Bewertung von Struktur (Morphologie)-Eigenschafts-Korrelationen und der Aufstellung physikalisch begründete Funktionalitäten bis hin zur Nutzung schädigungsspezifischer Werkstoffkenngrößen in der Schadensmechanik mit Methoden der FEM. Für die Kunststoffdiagnostik im Sinne der hybriden Methoden nutzbare zerstörungsfreie Prüftechniken sind in Kombination mit mikroskopischen Prüfmethoden z. B.:

• die Ultraschall- und die Klangprüfung
• die Schallemissionsprüfung
• die Mechano-Dielektrometrie
• die Laser- und Videoextensometrie
• die Volumendilatometrie und
• die experimentellen Speckle-Messtechniken wie Speckle-Pattern-Photographie, Speckle-Pattern-Interferometrie, Shearographie, Grauwert-Korellations-Analyse und Moiré-Technik

Eine international bedeutender Trend besteht auch in dem verstärkten Bemühen einer Online-Integration von innovativen zerstörungsfreien Prüfverfahren der Werkstoff- bzw. Kunststoffdiagnostik in den jeweiligen Produktionsprozessen zur optimalen Sicherung der Qualitätsanforderungen an das Produkt und den Herstellungsprozess. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer produktbezogenen Anpassung werkstofflicher Untersuchungsmethoden für Kunststoffe resultierend aus dem komplexen Aufbau moderner Werkstoffe.

Die Professur Werkstoffdiagnostik/ Werkstoffprüfung (Leiter: Prof. Dr. rer. nat. habil. W. Grellmann) hat in den Jahren von 1995 bis 2014 zahlreiche methodische und werkstoffliche Beiträge zur Weiterentwicklung der Kunststoffdiagnostik geliefert (siehe www.kunststoffdiagnostik.de). Dabei bildete die Einbeziehung der experimentellen Methoden der Bruchmechanik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung einen besonderen methodischen Schwerpunkt. Besondere herauszuhebende Forschungsschwerpunkte beziehen sich auf die in-situ-Kopplung von mechanischen und bruchmechanischen Experimenten mit zerstörungsfreien Methoden, wie z. B.

• Kopplung des Zugversuches bei statischer Beanspruchung mit der Methode der Laserextensometrie
• Kopplung des Zugversuches mit der schädigungssensitiven Schallemissionsanalyse
• Kopplung von Schallemission und Thermographie mit dem Zugversuch an einem statisch beanspruchten CT-Prüfkörper oder Vielzweckprüfkörper
• Kopplung des Biegeversuchs mit der schädigungssensitiven Schallemissionsanalyse
• Kopplung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches (IKBV) mit der Schallemissionsanalyse (SEA)
• In-situ-Zugversuch im NMR

Ziel der in-situ-Kopplung verschiedener Prüfmethoden ist immer die Erhöhung der Aussagefähigkeit klassischer Prüfmethoden und die Ableitung von Möglichkeiten zur Quantifizierung von Schädigungszuständen bzw. -grenzwerten (siehe Schadensanalyse) und von neuartigen kunststoffspezifischen Kenngrößen wie z. B. der Heterogenität.

Literaturhinweise

• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage, S. 1‒5 (ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)

• Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Polymer Testing. Carl Hanser Verlag, München Wien (2013), (ISBN 978-1-56990-548-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 15)

• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Fracture Behavior of Polymers. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2001), (ISBN 3-540-41247-6; siehe AMK-Büchersammlung unter A 7)

• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998), (ISBN 3-540-63671-4; e-Book (2014): ISBN 978-3-642-58766-5; siehe AMK-Büchersammlung unter A 6)

• Grellmann, W., Langer, B. (Hrsg.): Deformation and Fracture Behavior of Polymer Materials. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017) (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 19)

• Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Group VIII Advances Materials and Technologies, Polymer Solids and Polymer Melts Volume VIII/6A3, Landolt-Börnstein, Springer Verlag 2014, (Hardcover: ISBN 978-3-642-55165-9; E-Book: ISBN 978-3-642-55166-6; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)

• Grellmann, W., Heinrich, G., Kaliske, M., Klüppel, M., Schneider, K., Vilgis, T. Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends. Springer-Verlag Berlin-Heidelberg 2013 (ISBN 978-3-642-37909-3, siehe AMK-Büchersammlung unter A 14)

• Weitere Bücher zur Kunststoffprüfung und Technischen Bruchmechanik von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen siehe AMK-Büchersammlung