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Elastomerprüfung Na, wird der Gummi schlapp? Nun erfährt man viel flotter wie und warum

| Redakteur: Peter Königsreuther

Ein Unterschied von Polymeren zu Metallen ist, dass sie bei Temperatur und Spannungeinfluss ihre mechanischen Eigenschaften ändern. Damit man das Verhalten besser abschätzen kann, gibt es jetzt ein neuartiges Prüfsystem.

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Blick auf den Messaufbau zur gleichzeitigen Prüfung der Spannungsrelaxation von Elastomeren. Mit sechs verschiedenen Tempraturen kann das nun vonstatten gehen, sagen die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.
Blick auf den Messaufbau zur gleichzeitigen Prüfung der Spannungsrelaxation von Elastomeren. Mit sechs verschiedenen Tempraturen kann das nun vonstatten gehen, sagen die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt.
(Bild: Fraunhofer LBF/Raapke)

Die Eigenschaften von gummiähnlichen Polymeren und vielen Thermoplasten ändern sich durch Temperatur- und Krafteinwirkung im Laufe ihrer Nutzungsdauer. Denkt man dabei an die Entwicklung von Fahrzeugreifen und Förderbändern, wird klar, dass es wichtig ist, vor dem Einsatz des Produkts bereits stimmige Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer von Elastomeren, die unter bestimmten äußeren Einflüssen stehen, treffen zu können. Essentiell ist im Zuge dessen die Bestimmung der Aktivierungsenergie der thermischen Alterung, die mithilfe der Spannungsrelaxationsmethode einfach und kostengünstig möglich ist, heißt es weiter. Bisher dauerten die Messungen je nach gewählter Temperatur jedoch mehrere Wochen bis Monate, um das Alterungsverhalten zu bestimmen. Damit das Verfahren schneller durchlaufen werden kann, hat man am Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF nun einen mehrkanaligen Prüfstand entwickelt, mit dem man die Spannungsrelaxation von Elastomeren unter den genannten Bedingungen ablaufen lassen kann. Damit werde es möglich, die Aktivierungsenergie unter sechs verschiedenen Temperaturen gleichzeitig zu testen und außer der Effizienz auch die Qualität der Lebensdauervorhersage zu verbessern.

Elastomer-Alterungsprüfung im Zeitraffer

Die Methode der Spannungsrelaxation eigne sich besonders zur Vorhersage der Lebensdauer von Elastomeren. Dabei wird das Material unter erhöhter Temperatur um einen gewissen Betrag gedehnt, üblicherweise sind das 10 % von der Ursprungslänge des Prüfkörpers. Diese Dehnung wird konstant aufrechterhalten und die Zugspannung des Materials dabei kontinuierlich gemessen. So lässt sich bald erkennen, dass die Spannung im Zeitverlauf immer weiter abnimmt, es kommt also zur sogenannten Relaxation der Spannung. Die Ursache dafür sind Alterungsvorgänge in der Probe, bei denen physikalische und chemische Vernetzungspunkte im Elastomer sukzessive abgebaut werden – einst geknüpfte Polymerketten werden dabei quasi durchtrennt. Diese Messungen zur Alterung von Elastomeren sind mit dem neu entwickelten Prüfstand des Fraunhofer-Instituts LBF nun deutlich effizienter durchführbar als mit den bisherigen Systemen, betonen die Forscher.

Der mehrkanalige Messplatz besteht aus sechs Prüfkammern, die sich unabhängig voneinander einstellen lassen, heißt es weiter. Die Darmstädter Forscher können in jeder der Kammern Proben mit einer konstanten Temperatur und einer bestimmten Wegauslenkung untersuchen. Ein Kraftsensor zeichnet die stetig sinkende Zugkraft über die gesamte Prüfdauer auf. Diese parallele Messung der Alterungsvorgänge schafft eine Art Zeitraffereffekt, der im Vergleich zu Tests mit den üblichen einkanaligen Prüfständen, das Ganze um mehrere Wochen verkürzt, betonen die LBF-Experten.

Masterkurvenkonstruktion erlaubt Alterungsprognose

Wie hoch die Aktivierungsenergie ist, lässt sich mithilfe eines Auswertealgorithmus bestimmen, heißt es weiter. Diesen haben die LBF-Forscher auf Basis der sogenannten Masterkurvenkonstruktion entwickelt. Dabei werden die Einzelkurven der unterschiedlichen Temperaturen mit passenden Verschiebungsfaktoren zu einer Masterkurve zusammengesetzt, so die Erklärung für die Auswertung. Tragen die Wissenschaftler dann die logarithmierten Verschiebungsfaktoren entsprechend angepasst in einem Arrhenius-Diagramm auf, können sie daraus die Aktivierungsenergie bestimmen.

Mit der Methode sollen sich zu jeder beliebigen Temperatur die Verschiebungsfaktoren errechnen und dazu passende Kraft-Zeit-Kurven vorhersagen lassen. Das alles, heißt es, erlaubt eine Abschätzung der Lebensdauer der untersuchten Materialien. Es zeige sich, dass die Aktivierungsenergie der Spannungsrelaxation mit der aus sehr aufwändigen zyklischen Ermüdungsexperimenten übereinstimme. „Mit diesem Ansatz verringert sich der Messaufwand und verkürzt sich die Materialentwicklung deutlich“, betont Dr. Dirk Lellinger aus dem in das Projekt involvierten LBF-Team.

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