Bauteilentwicklung Lebensdauer von Kunststoffen schneller vorhersagen

Redakteur: Dorothee Quitter

Soll die Entwicklung von Kunststoffbauteilen beschleunigt werden, müssen sich auch Lebensdauertests verkürzen. Für komplexe Einsatzszenarien koppelt nun das Fraunhofer LBF maßgeschneiderte Prüfmethoden mit Modellierungssoftware zur Lebensdauervorhersage.

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Die Laborbewitterung von Kunststoffbauteilen ist ein Test von vielen. Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Darmstädter Forschenden diese an die jeweilige Fragestellung an.
Die Laborbewitterung von Kunststoffbauteilen ist ein Test von vielen. Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Darmstädter Forschenden diese an die jeweilige Fragestellung an.
(Bild: Fraunhofer LBF / Ursula Raapke)

Kunststoffe haben Stress mit ihrer Umwelt: Wechselnde Temperaturen, Sonnenstrahlung, Feuchte, chemische Substanzen und mechanische Belastungen setzen ihnen zu und verändern die Materialeigenschaften. Um die Risiken beim Einsatz neuer Materialien oder bei geänderten Betriebsbedingungen zu minimieren, sind belastbare Aussagen zur Lebensdauer erforderlich. Voraussetzung hierfür sind neben Prüfmethoden, die Schädigungen frühzeitig erkennen, geeignete Alterungs- und Versagensmodelle sowie anwendungsrelevante Schadenskriterien. Um die Material- und Bauteilentwicklung zu beschleunigen, ist es zudem von Vorteil, die Dauer der Prüfzyklen, der Klimalagerung oder der Laborbewitterung zu verkürzen.

Kopplung von Alterungsexperimenten und Modellierung

Für die Material- und Produktentwicklung sowie zur Verringerung der Versagenswahrscheinlichkeit im Einsatz sind zeit- und kostenaufwendige Tests erforderlich. Der Beschleunigung solcher Versuche durch erhöhte Temperaturen, Umgebungsfeuchte, Bestrahlungsstärke oder kürzere Prüfzyklen sind Grenzen gesetzt. Noch schwieriger ist es, Alterung und Versagen für neue Betriebszyklen oder für den Einsatz unter veränderten Umgebungsbedingungen vorherzusagen.

Schematisch dargestellte Lebensdauervorhersage für vorgegebene Lastszenarien durch Kopplung von Experiment und Modellierung.
Schematisch dargestellte Lebensdauervorhersage für vorgegebene Lastszenarien durch Kopplung von Experiment und Modellierung.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Im Bereich Kunststoffe des Fraunhofer LBF arbeiten interdisziplinäre Teams eng zusammen, um die Alterungsvorgänge und Versagensmechanismen von Kunststoffen besser zu verstehen und die zugehörigen Material- und Lebensdauermodelle zu verbessern. Ziel sind optimierte Prüfverfahren und Software-Tools zur Lebensdauervorhersage für komplexe Einsatzszenarien. Indem sie Alterungsexperimente und Modellierung koppeln, können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer LBF Lebensdauer und Versagensrisiko für vorgegebene Einsatzfälle besser abschätzen. Durch Superposition von aufeinanderfolgenden Temperatur-, Feuchte-, Bestrahlungs- und mechanischen Lasten können sie nahezu beliebige Szenarien nachstellen. Als Eingangsgrößen dienen dabei zeitaufgelöste Messdaten für verschiedene Betriebszustände, Wetterdaten oder hypothetische Einsatzszenarien.

Ergebnisse fließen direkt in die Bauteilauslegung ein

Am Fraunhofer LBF steht hierfür eine Toolbox bestehend aus Klimalagerung und Bewitterung, vielfältigen Mess- und Prüfmethoden, einer breit gefächerten chemischen Analytik und anpassbaren Alterungs- und Lebensdauermodellen zur Verfügung. Die Vorgehensweise lässt sich direkt mit der Bauteilauslegung mit FE-Methoden koppeln. Gemeinsam mit Industriepartnern passen die Darmstädter Forschenden diese an die jeweilige Fragestellung an und begleiten die Überführung in bestehende Abläufe und vorhandene Infrastruktur. Das Resultat sind anwendungsbezogene Prüfvorschriften, kürzere Entwicklungszeiten und ein verringertes Ausfallrisiko im späteren Einsatz. Zielgruppe sind Hersteller und Anwender von Kunststoffkomponenten und -bauteilen sowie polymerbasierten Beschichtungsmaterialien in nahezu allen Wirtschaftsbereichen.

Um einen praxisbezogenen Austausch mit den Experten zu ermöglichen, bietet das Fraunhofer LBF am 6. Mai 2021 ein kostenfreies Online-Seminar zu diesem Thema an.

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