Thermische Dehnungs-Analyse

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Thermische Dehnungs-Analyse (TDA)

Grundlagen der Thermischen Dehungsanalyse (TDA)

Bei einer Warmlagerung im Bereich der Umwandlungstemperatur neigen Formteile aus Kunststoffen teilweise zu erheblichen Dimensions- und Gestaltänderungen. Diese Erscheinung bezeichnet man als Schwindung, wenn die Warmlagerung unterhalb der Glasübergangstemperatur T_g (kurz: Glastemperatur) erfolgt und die Dimensionsänderungen auf Volumenänderungen mit Verbesserung der Packungsdichte beruhen, wie es z. B. während des Abkühlprozesses von Kunststoffformteilen im Spritzgießwerkzeug beobachtet wird. Die Schwindung steht deshalb in engem Zusammenhang zum Eigenspannungszustand. Man spricht dagegen von Schrumpfung, wenn die Warmlagerung oberhalb von T_g erfolgt und die Dimensionsänderungen bei Volumenkonstanz ablaufen. Die Längenänderungen in allen drei Raumrichtungen entsprechen dann im wesentlichen der Rückstellung der verarbeitungsbedingten Molekülorientierung in Richtung des isotropen Werkstoffzustandes und steht deshalb mit der entropieelastischen Verformung der Makromoleküle in Verbindung.

Experimentelle Durchführung der TDA

Die TDA untersucht das Schrumpfungs- bzw. Schwindungsverhalten unter einer definierten Temperaturbeanspruchung. Diese wird in einer Temperierkammer realisiert, wobei das Aufheiz- und Abkühlregime vorgegeben werden kann. Der Prüfkörper muss dazu einseitig eingespannt werden. Die Dehnung wird mittels Extensometern gemessen, die entweder auf den Prüfkörper geklemmt (mechanische Extensometer) oder die mit Hilfe von auf den Prüfkörper aufgebrachten Markierungen im Lichtreflexionsverfahren registriert werden (optische Extensometer). Mit mechanischen Extensometern ist nur eine Zweipunkt-Messung möglich, weshalb diese Art von Extensometern für die integrale Dehnungsmessung verwendet wird. Dagegen werden die optischen Extensometer für differentielle bzw. lokale Dehnungsmessungen eingesetzt. Besonders die Laserextensometer besitzen ein hohes Maß an Auflösungsvermögen aufgrund deren monochromatischer Lichtquelle (Bild 1).

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Bild 1:

Universalprüfmaschine FRANK 81801 mit Laserextensometer P50 mit der Erweiterung „Areascan“ der Fiedler Optoelektronik GmbH, Lützen

Im Bild 2 ist der Ablauf des Schrumpfversuchs in Form einer Dehnungs-Temperatur-Kurve schematisch dargestellt. Nach Beginn des Aufheizens nimmt die Länge des Prüfkörpers gemäß dem (materialspezifischen) Ausdehnungskoeffizienten zu. Im Bereich der Glasübergangstemperatur erreicht die Ausdehnung ihr Maximum und nimmt wegen des Abbaus von Eigenspannungen mit weiter ansteigender Temperatur ab. Beim Abkühlen kommt die Kontraktion des Prüfkörpers zum Stillstand und erreicht nach Unterschreiten der Glasübergangstemperatur bei einer gewissen Temperatur (z. B. der Einsatztemperatur eines Bauteils) eine Restkontraktion, die als Schrumpf bezeichnet wird. Eventuell werden hier Eigenspannungen, allerdings auf niedrigerem Niveau, eingefroren, weshalb bei kleineren Temperaturwerten eine Ausdehnung auftreten kann.

Bild 2:

Schematische Darstellung der konventionellen (integral messenden) Thermischen Dehnungs-Analyse (TDA)

Sowohl bei der thermischen Spannnungsanalyse (TSA) als auch bei der thermischen Dehnungs-Analyse (TDA) tritt, unabhängig von der Art des Versuches, eine überlagerte Wärmedehnung auf, die bei der Interpretation der Versuchsergebnisse beachtet werden muss [1].

Literaturhinweise

[1]	Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 26, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2]	Grellmann, W., Bierögel, C., Sirch, C., Oluschinski, A.: Thermische Spannungsanalyse (TSA) und Dehnungsanalyse (TDA) an Kunststoffen. In: Pohl, M.: Konstruktion, Werkstoffentwicklung und Schadensanalyse, Tagung „Werkstoffprüfung“ 2010, 2.–3. Dezember 2010 Neu-Ulm, Tagungsband S. 365–370 (ISBN 978-3-514-00778-9; siehe AMK-Büchersammlung unter M 18)