Thermische Spannungs-Analyse
Thermische Spannungs-Analyse (TSA)
Bei einer Warmlagerung im Bereich der Umwandlungstemperatur (Glasübergangs- oder Glastemperatur) neigen Formteile aus Kunststoffen teilweise zu erheblichen Dimensions- und Gestaltänderungen. Diese Erscheinung bezeichnet man als Schwindung, wenn die Warmlagerung unterhalb der Glasübergangtemperatur Tg erfolgt und die Dimensionsänderungen auf Volumenänderungen mit Verbesserung der Packungsdichte beruhen. Die Schwindung steht deshalb in engem Zusammenhang zum Eigenspannungszustand. Schrumpfung tritt auf, wenn die Warmlagerung oberhalb von Tg 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.
Die TSA untersucht das Spannungsverhalten unter einer definierten Temperaturlast. Diese wird in einer Temperierkammer realisiert, wobei das Aufheiz- und Abkühlregime vorgegeben werden kann. Der Prüfkörper muss dazu beidseitig eingespannt werden. Neben der Spannung können zur tiefergehenden Untersuchung lokale Dehnungen auch mit einem Extensometer integral und lokal (z.B. mit Hilfe der Laserextensometrie) bestimmt werden (Bild 1).
In Bild 2 ist der Ablauf der Thermischen Spannungs-Analyse in Form einer Kraft-Temperatur-Kurve schematisch dargestellt. Nach Beginn des Aufheizens nimmt die Länge des Prüfkörpers gemäß dem (materialspezifischen) Ausdehnungskoeffizienten zu, was bei einer beidseitigen, festen Einspannung zu einer Kraftabnahme führt (Druckkraft). Im Bereich der Glasübergangstemperatur erreicht die Kraft aufgrund der maximalen Ausdehnung ihr Minimum und nimmt wegen des Abbaus von Eigenspannungen mit weiter ansteigender Temperatur zu. Nach dem Übergang in den entropieelastischen Zustand nehmen die Kraftwerte wieder 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 Restkraft, die durch den Schrumpf hervorgerufen wird. Eventuell werden hier Eigenspannungen, allerdings auf niedrigerem Niveau, eingefroren, weshalb es mit niedrigeren Temperaturwerten zu einem leichten Kraftanstieg kommen kann.
Bild 1: Universalprüfmaschine FRANK 81801 mit Laserextensometer P50 mit der Erweiterung „Areascan“ der Fiedler Optoelektronik GmbH, Lützen
Bild 2: Schematische Darstellung der konventionellen Thermischen Spannungs-Analyse (TSA)
Sowohl bei der thermischen Spannnungsanalyse (TSA) als auch bei der thermischen Dehnungsanalyse (TDA) tritt, unabhängig von der Art des Versuches, eine überlagerte Wärmedehnung auf, die bei der Interpretation der Versuchsergebnisse beachtet werden muss.
Literatur
- Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2011) 2. Auflage, S. 24 (ISBN 978-3-446-42722-8; siehe AMK-Büchersammlung unter A 12)
- 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; siehe AMK-Büchersammlung unter M 18)