Zeitstandprüfung – Anforderungen an Prüfanlagen

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Zeitstandprüfung – Anforderungen an Prüfanlagen

Allgemeines

Bei der konstruktiven Anwendung von Kunststoffbauteilen im Langzeiteinsatz muss das werkstoffspezifische Verhalten schon bei Raumtemperatur berücksichtigt werden, da infolge

• linear-elastischer Verformung,
• linear-viskoelastischer Verformung,
• nichtlinear-viskoelastischer Verformung und
• plastischer Verformung

schon bei kleinen Belastungen eine Abhängigkeit des Festigkeits-, Deformations- und elastischen Verhaltens von der Beanspruchungszeit, -temperatur und Umweltbedingungen auftritt. Aus diesem Grund sind die Kennwerte von Kurzzeitversuchen unter Zug-, Biege- oder Druckbeanspruchung für Dimensionierungszwecke (siehe Kunststoffbauteil, Dimensionierung) nur sehr eingeschränkt nutzbar [1].
Für die Erfassung des Langzeitverhaltens bei statischer Beanspruchung können zur mechanischen Grundcharakterisierung der Zeitstand- und der Entspannungsversuch verwendet werden (Bild 1). Der Zeitstand- oder Retardationsversuch (Bild 1a und b), der allerdings nur für spezielle Prüftechniken genormt ist, dient zur Ermittlung des Kriechverhaltens von Kunststoffen unter einer konstanten Beanspruchung (Bild 1a). Der spontanen elastischen Reaktion auf die Beanspruchung folgt bei konstanter Spannung in Abhängigkeit von der Zeit eine Zunahme der Dehnung (Bild 1b), die sich auf die Abmessung und Passung von Kunststoffbauteilen auswirken kann. Der nicht genormte Entspann- oder Relaxationsversuch setzt eine konstante Deformation voraus (Bild 1c), wobei im Versuch die Abnahme der Spannung in Abhängigkeit von der Zeit registriert wird (Bild 1d). In der prüftechnischen Praxis werden aus Kostengründen die Zeitstandversuche (Kriechversuche) zumeist nur bis 10³ Stunden und bei Raumtemperatur durchgeführt, obwohl zur Sicherung von belastbaren Langzeitkennwerten mindestens 10⁶ Stunden erforderlich wären.

Bild 1:

Schematische Darstellung des (a) und (b) Zeitstand- oder Retardationsversuchs und (c), (d) des Entspann- oder Relaxationsversuchs an Kunststoffen

In der Regel ist eine Extrapolation des Kennwertniveaus auf höhere Einsatzzeiten, speziell bei zusätzlicher medialer Beanspruchung hier auch nicht möglich.

Technische Realisierungsvarianten für Zeitstand- oder Kriechversuche sind:

• der Zeitstandzugversuch,
• der Rückfederungsversuch,
• der Zeitstandbiegeversuch,
• der Zeitstanddruckversuch und
• der Innendruckversuch,

wobei nur für die Zug- und Biegebeanspruchung normative Regelungen [2, 3] bei Kunststoffen existieren.
Für die Darstellung eindeutiger Abhängigkeiten von Spannung und Dehnung werden während des jeweiligen Versuches die Belastung, Temperatur, Luftfeuchte und andere relevante Einflussfaktoren konstant gehalten. Zur Beurteilung des Langzeitverhaltens und die Dimensionierung von Kunststoffbauteilen werden zumeist die ermittelten Kriech- oder Relaxationsmoduli verwendet.

Prüftechnik

Unabhängig davon, ob der Zeitstand- oder Kriechversuch (Bild 2a) oder der nicht genormte Relaxationsversuch (Bild 2b) verwendet wird, muss das Prüfsystem mit einer geregelten Temperier- oder Medienkammer ausgerüstet sein, um die Temperatur bzw. Temperatur und Feuchte während der Versuchsdauer konstant zu halten.

Bild 2:

Schematische Darstellung des (a) Zeitstand- oder Kriechversuchs, (b) des Relaxationsversuchs, (c) des Zeitstandbiegeversuchs unter Dreipunktbiegebeanspruchung und (d) bei Vierpunktbiegebeanspruchung

Im Fall des Kriechversuchs, der einfacheren Prüfbedingungen genügt, ist die Messgröße die entstehende zeitabhängige Dehnung des Prüfkörpers unter einachsiger Beanspruchung, während im Relaxationsversuch die zeitliche Abnahme der Kraft registriert wird. Bei der Charakterisierung des Kriechens unter Biegebeanspruchung existieren die genormte Variante des Dreipunktbiegeversuchs (Bild 2c) und die nicht verbindliche Version des Vierpunktbiegeversuchs (Bild 2d). In beiden Fällen wird die zeitabhängige Veränderung der Randfaserdehnung ermittelt und aufgezeichnet. Die Versuchsdurchführung kann dabei für unterschiedliche Temperaturen und eine konstante Last (Spannung) oder bei konstanter Temperatur, aber differierenden Spannungswerten (Bild 3) realisiert werden. Die verschiedenen Messstellen können über eine Multiplexereinheit abgefragt und gespeichert werden.

Bild 3:

Varianten des Zeitstandzugversuchs

Bild 4:

Automatische Zeitstandprüfanlagen der Fa. Coesfeld GmbH & Co. KG, Dortmund mit (a) verfahrbarer Messeinheit, (b) separaten Videokameras und (c) Einzelmessplatz der Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG am DKI Darmstadt, Ulm-Einsingen

Verfügbare Zeitstandprüfanlagen basieren auf bis zu 10 Einzelmessstellen mit manueller oder vollautomatischer Bedienung (Bild 4a und b) oder auf Einzelmessplätzen (Bild 4c), die jedoch alle mit einer mechanischen Positioniereinheit und Temperier- oder Medienkammer ausgerüstet sein müssen. Die an der Hochschule Merseburg (HOME) befindlichen vollautomatischen Zeitstandprüfanlagen der Fa. Coesfeld GmbH & Co. KG verfügen über je 5 Einzelmessplätze, die mit einer Temperier- bzw. Medienprüfkammer ausgestattet sind (Bild 4a und b). Beide nutzen eine mechanische Positioniereinheit, die auch als einfache Universalprüfmaschine verwendet werden kann, sowie über Zug-, Biege- und bruchmechanische Spannzeuge, so dass unterschiedliche Beanspruchungszustände realisiert werden können. Während das Messsystem in Bild 4a mit einer positionierbaren Videokamera ausgerüstet ist, verfügt die Zeitstandprüfanlage in Bild 4b für jeden Messplatz über eine stationäre CCD-Kamera um die auftretenden Verformungen zu registrieren.

Auswertung von Zeitstandversuchen

In Zeitstand- oder Kriechversuchen werden unabhängig von der Art der Belastung die Dehnungs-Zeit-Kurven für die jeweilige Beanspruchung und die eingestellte Prüftemperatur oder das Prüfmedium registriert (Bild 5a).

Bild 5:

Auswertealgorithmus für Zeitstandversuch

Werden für identische Prüfzeiten t_i die registrierten Dehnungen ε_i (t) in Abhängigkeit von der eingestellten konstanten Belastung σ_i horizontal in das Diagramm entsprechend Bild 5b übertragen, dann ergibt sich sogenannte isochrone Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Dieses Diagramm wird in der Regel durch das Spannungs-Dehnungs-Diagramm des Kurzzeitversuchs (siehe: Zugversuch) ergänzt und gibt Auskunft über die Veränderung des Spannungs-Dehnungs-Verhalten bei differierenden Prüfzeiten.
Bei vertikaler Verschiebung der erhaltenen Dehnungswerte und Zuordnung zum konstanten Spannungswert (vertikale Achse) erhält man das Zeitstandschaubild des untersuchten Werkstoffs für eine Prüftemperatur oder -medium (Bild 5c). Zu den identischen Dehnungswerten sind also die Spannungen den Zeitwerten zugeordnet. Bei langen Versuchszeiten mit niedriger Spannung wird somit die identische Dehnung wie bei kurzer Zeit und hoher Spannung erreicht. Der Anstieg der Spannungs-Dehnungs-Kurve bei einer identischen Dehnung ergibt bei den verschiedenen Zeiten den Wert des Kriechmoduls E_c (siehe: Kriechverhalten Ermittlung), wobei der Ausgangswert der Elastizitätsmodul des Kurzzeitversuches E_t ist (Bild 5d). Zu erkennen ist hier die deutliche Abnahme des Kriechmoduls mit Erhöhung der Prüf- oder Einsatzdauer für den Werkstoff.
Eine umfangreiche Literaturanalyse mit Angabe von Werkstoffkennwerten bei Zeitstandbelastung für zahlreiche Kunststoffe wird in [4] gegeben.

Literaturhinweise

[1]	Höninger, H.: Statisches Langzeitverhalten. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 182–192 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2]	DIN EN ISO 899-1 (2017-07): Kunststoffe–Bestimmung des Kriechverhaltens – Teil 1: Zeitstand-Zugversuch (Normentwurf)
[3]	DIN EN ISO 899-2 (2015-06): Kunststoffe–Bestimmung des Kriechverhaltens – Teil 2: Zeitstand-Biegeversuch bei Dreipunkt-Belastung
[4]	Bierögel, C., Grellmann, W.: Long-Term Loading. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer-Verlag, Berlin (2014) S. 286–331, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe AMK-Büchersammlung unter A 16)