09.02.2023 von Dr. Natalie Rudolph
Analyse von thermoplastischen Automobil-Bauteilen mit Hilfe der DMA
Thermoplastic parts can fail. However, when they do, the first priority is to identify the root cause of the failure and to eliminate it.
Thermoplaste können versagen - das ist kein Geheimnis. Doch wenn es passiert ist, ist es wichtig, den Grund für das Versagen eines Bauteils herauszufinden. Die Beseitigung der Fehlerursache hat dann oberste Priorität.
Thermische Analyseinstrumente dienen hier als leistungsstarke Werkzeuge für die Fehleranalyse
Die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) beantwortet Fragen wie:
- Ist das Material mit einem anderen Material verunreinigt?
- Hat der Lieferant die richtige Materialzusammensetzung für mein thermoplastisches Teil geliefert?
- Wie hoch ist der Kristallinitätsgrad des Materials? Besteht die Möglichkeit einer Nachkristallisation?
Die Thermogravimetrische Analyse (TGA) findet Antworten auf diese Fragen:
- Ist das Material mit der korrekten Menge an Füllstoffen, Weichmachern und Modifikatoren befüllt?
- Ist das Material thermisch stabil genug, um den Einsatztemperaturen standzuhalten?
- Hat das Material Wasser absorbiert?
Die thermomechanische Analyse (TMA) kann Fragen beantworten wie:
- Verändert das Material seine Abmessungen bei Betriebstemperatur?
- Gab es Eigenspannungen in dem geformten Teil?
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Suche nach der Ursache für das Versagen eines Bauteils. Der Einsatz der DMA gibt Antworten auf die Fragen:
- Hatte das Material bei Betriebstemperatur die gleichen mechanischen Eigenschaften?
- Hat sich das Material schneller als erwartet verändert?
- Hat das Material seine mechanischen Eigenschaften aufgrund von Wechselwirkungen mit Flüssigkeiten verloren?
In diesem Artikel gehen wir gezielt auf die Fehleranalyse von thermoplastischen Bauteilen mit Hilfe der DMA ein.
Häufige Ursachen für das Versagen von Thermoplasten im Automobilbau
Das Versagen von spritzgegossenen thermoplastischen Kunststoffteilen tritt in unterschiedlichsten Varianten auf. Oft sind das gewählte Material oder der Produktionsprozess von Bauteilen und Komponenten die Ursache für das Problem. Wann immer ein fehlerhaftes Teil die Maschine verlässt, ist es wichtig, die zugrundeliegende Ursache für das Versagen zu finden, um den Produktionsprozess, das Material oder die Konstruktion neu zu justieren und langfristige Kosten zu vermeiden.
Wir haben ein häufiges Versagen von Thermoplasten ausgewählt und zeigen, wie die dynamisch-mechanische Analyse bei der Ermittlung der Fehlerursache helfen kann:
Bruch eines thermoplastischen Bauteils unter Belastung
In Kunststoffen können intensive Stoffaustauschprozesse stattfinden. Gase, organische Lösungsmittel, Farbstoffe und auch Feuchtigkeit können in oder durch Polymere diffundieren. Die aufgenommene Feuchtigkeit verändert jedoch die Eigenschaften der Polymere. Dazu gehören auch die mechanischen Eigenschaften eines Polymers, z. B. der E-Modul, der ein Maß für den Widerstand gegen elastische Verformung ist. Auch das Versagen eines thermoplastischen Bauteils unter Belastung kann mit der Absorption von Feuchtigkeit in das Material zusammenhängen. Ein dynamischer mechanischer Analysator, der mit einem Feuchtigkeitsgenerator ausgestattet ist, kann helfen, die mechanischen Eigenschaften bei verschiedenen Feuchtigkeitsgraden zu bestimmen.
In Abbildung 2 wurde eine Probe von Polyamid 6 (PA) bei einer Frequenz von 1 Hz und einer Temperatur von 40 °C im Zugmodus gemessen. Die relative Luftfeuchtigkeit wurde schrittweise von 0 % auf 75 % erhöht. Die Steifigkeit (beschrieben durch den Speichermodul E') des Materials wurde bei diesen relativen Luftfeuchtigkeiten gemessen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Steifigkeit des Materials mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit abnimmt. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % hat sich der Speichermodul um ca. 74 % verringert.
Dieses Beispiel zeigt, wie wichtig es ist, die mechanischen Eigenschaften eines Polymers unter Betriebsbedingungen z. B. im Auto und in verschiedenen Klimazonen zu kennen. Entsprechend ist es wichtig, bei der Konstruktion von Automobilteilen und -komponenten thermoplastische Werkstoffe zu verwenden, die diesen Bedingungen standhalten können. Dieses Beispiel für häufige Versagensursachen bei thermoplastischen Werkstoffen zeigt, wie die dynamisch-mechanische Analyse zur Ermittlung der Versagensursachen beitragen kann. Die Analyse von Werkstoffen mit einer DMA 242 E Artemis bietet Einblicke in temperaturabhängige viskoelastische Eigenschaften wie Steifigkeit und Dämpfungsverhalten.
Erfahren Sie mehr über die Fehleranalyse von thermoplastischen Bauteilen mit Hilfe der Dynamisch-Mechanischen Analyse:
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Jeffrey Jansen ist Experte für Fehleranalyse und spricht in diesem Interview mit Dr. Natalie Rudolph über seine Arbeit. Er beantwortet Fragen zu den häufigsten Fehlern, KriechenKriechen beschreibt eine zeit- und temperaturabhängige plastische Verformung von Werkstoffen unter konstanter Kraft. Wird eine konstante Kraft z.B. auf eine Kautschukmischung aufgebracht, hat die die anfängliche Deformation, die durch diese Kraft erhalten wird, keinen festgelegten Wert.Kriechen als eine der Hauptursachen und wie die Dynamisch-Mechanische Analyse hier helfen kann.
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Session 1: 10 - 11 Uhr / Session 2: 16 - 17 Uhr
