Lebensdauer von Leichtbauwerkstoffen – Zyklische Werkstoffkennwerte für Composites

Im Motorraum sind die Anforderungen an Bauteile besonders hoch, denn dort müssen sie hohen Temperaturen, mechanische Schwingungen und aggressiven Stoffen wie Benzin, Bremsflüssigkeit und Motoröl standhalten.

Ihr Einfluss auf das Verhalten von Kunststoffen und damit die Lebensdauer ist hier bislang nur schwer abzuschätzen. Dies gilt besonders dann, wenn es sich um Sicherheits- und Funktionskomponenten handelt, deren Versagen ein erhebliches Gefahrenpotential und Haftungsrisiken bergen kann. Vom 23. bis 25. September zeigt das Fraunhofer LBF auf der Fachmesse Composite Europe in Essen – Halle 10-11; Stand 150 – Verfahren und Wege, wie die Lebensdauer von Strukturkomponenten aus Kunststoffen oder anderen Verbundmaterialien zuverlässig abgeschätzt werden kann.

Bei der Dimensionierung von Komponenten aus faserverstärkten Kunststoffen kommen bis heute meist konventionelle Bemessungskonzepte zum Einsatz, die lediglich auf statischen Kennwerten, Sicherheitsfaktoren und einer Vielzahl von Abminderungsfaktoren beruhen. Der tatsächliche Einfluss dieser sich überlagernden Faktoren wie multiaxiale Belastungen, Temperaturunterschiede und aggressiven Flüssigkeiten bleibt dabei unberücksichtigt. Mit diesen konventionellen Methoden kann das Leichtbaupotenzial von Kunststoffen deshalb nur unzureichend ausgeschöpft werden.

In einem gemeinsamen BMBF-Projekt mit der Robert Bosch GmbH entwickeln deshalb Fraunhofer Forscher neue Methoden zur Lebensdauerabschätzung von Leichtbaukomponenten. Die Forscher haben hierzu das Werkstoffverhalten und die Wirkungszusammenhänge zwischen Beanspruchung und Umwelteinflüssen zuverlässig nachgebildet und charakterisiert. An bauteilähnlichen Proben aus thermoplastischen Werkstoffen wurde das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit von Material, Geometrie, Fertigungs- und Umwelteinflüssen (Temperatur, Benzin, Öl) in Labortests untersucht. Diese Parameter bestimmen die Schwingfestigkeit und damit auch die Lebensdauer von Bauteilen maßgeblich.

Bei der Festigkeitsbewertung werden numerisch ermittelte Beanspruchungen lebensdauerspezifische Beanspruchbarkeiten gegenübergestellt. Diese können durch Proben und/oder Bauteilversuche bestimmt werden. Hierbei ergeben sich grundsätzlich verschiedene Versuchsparameter, die im Rahmen einer Versuchsplanung mehr oder weniger beliebig miteinander kombiniert werden können.

Damit soll der Umfang von Versuchsprogrammen optimiert werden. Dies setzt aber die Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Versuchsparametern und deren schädigenden Wirkung voraus. Wie ändert sich beispielsweise die Schwingfestigkeit einer Kunststoffprobe, wenn sie neben der mechanischen Belastung auch von erwärmtem Benzin umspült wird? Durch diesen Vergleich kann die Wechselwirkung zwischen mechanischer Beanspruchung und aggressiven Medium erschlos-sen und deren Tragweite auf das Bauteilverhalten bewertet werden.

„Ziel dieser werkstoffspezifisch angepassten Simulation ist es, die Alterung und die Auswirkungen verschiedener Umwelteinflüsse auf Kunststoffbauteile bereits im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen“ sagt Andreas Büter, Leiter des Kompetenzcenters Betriebsfester Leichtbau am Fraunhofer LBF. „Im Fahrzeugbau können so, auch beim Einsatz von neuen Werkstofftechnologien Entwicklungszyklen beschleunigt, Unsicherheiten bei der Dimensionierung reduziert und dabei die Kosten für Konstruktions- und Bauteiländerungen gesenkt werden.“

Aus der Kombination von Werkstoff-Know-how und Simulations-technologie können so künftig Versuchsprogramme und -verfahren zur Lebensdauerabschätzung von Kunststoffen standardisiert und verkürzt werden. Werkstoffspezifische Prüfverfahren sind vor diesem Hintergrund von großer Relevanz für den Einsatz neuer Materialsysteme in Branchen wie der Energietechnik, Elektro- und Elektronikindustrie, Fahrzeug- und Maschinenbau sowie der chemischen Industrie und der Automation.

„Werkstofftechnologien nehmen eine Schlüsselfunktion bei der Aufrechterhaltung und bei der Steigerung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit der wichtigsten deutschen Industriebranchen ein“, erläutert Holger Hanselka, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbundes Werkstoffe, Bauteile. Nach Informationen der VDI-Gesellschaft Werkstofftechnik sind etwa zwei Drittel aller technologischen Innovationen von Werkstoffaspekten abhängig.

Wissenschaflicher Kontakt auf der Messe:
Johanna Dreißig
Mobil: +49 (0)172 / 618 42 02