09.12.2025 von Sascha Riegler
Wie Hochlast-dynamisch-mechanische Analysesysteme das wahre Materialverhalten sichtbar macht
Gummikomponenten in Luftfahrt, Bergbau, Militär und Motorsport sind in der Praxis extremen mechanischen Belastungen ausgesetzt – weit über das hinaus, was herkömmliche Prüfmethoden simulieren können. High-Force DMA ermöglicht es, diese realen Beanspruchungen nachzubilden und entscheidende Materialverhalten wie Heat Build-Up, Ermüdung sowie den Payne- und Mullins-EffektDer Mullins-Effekt beschreibt ein Phänomen, das für Kautschukmaterialien typisch ist.Mullins-Effekt sichtbar zu machen. So lassen sich Leistung, Lebensdauer und Sicherheit von Elastomeren besser vorhersagen und optimieren.
Das Verhalten von Gummi unter extremen Bedingungen
Ob Flugzeugreifen, Förderbänder im Bergbau, Kettenpolster für Militärfahrzeuge oder Hochleistungsrennreifen in der Formel 1, Gummi ist häufig enormen mechanischen Kräften ausgesetzt. Doch wie verhält sich dieses komplexe Material unter realen Bedingungen? Und wie können Hersteller diese Belastungen zuverlässig simulieren und testen? Die Antwort liefert die hochkraftfähige dynamisch-mechanische Analyse (DMA) von NETZSCH.
Warum DMA mit hoher Kraft unverzichtbar ist
Die DMA ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das das dynamisch-mechanische Verhalten viskoelastischer Festkörper untersucht. Während herkömmliche DMA-Systeme für kleine Proben und lineare viskoelastische Messungen ausgelegt sind, stoßen sie an ihre Grenzen, sobald reale Einsatzbedingungen ins Spiel kommen, also hohe Kräfte, hohe Frequenzen und große Verformungen.
Genau hier kommen die Hochlast-DMA-Systeme von NETZSCH ins Spiel. Geräte wie der DMA 503Eplexor®und der DMA 523 Eplexor® ermöglichen statische Kräfte bis zu 6000 N und dynamische Kräfte bis zu 4000 N. Sie erlauben die Prüfung großer Proben und die realitätsnahe Simulation anspruchsvoller Belastungen – von Hochleistungsreifen bis zu Schwingungsdämpfern in Fahrzeugen und Industrieanlagen.
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Heat Build-Up und Blow-Out: Wenn Elastomere an ihre Grenzen stoßen
Eine der größten Herausforderungen bei der Prüfung von Elastomeren ist die Wärmeentwicklung bei zyklischer Beanspruchung. Aufgrund ihrer geringen WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit entsteht bei hoher dynamischer Belastung üblicherweise mehr Wärme, als abgeführt werden kann. Die Folge: Die Probentemperatur steigt deutlich an – ein Effekt, der als Heat Build-Up bekannt ist.
Blow-Out-Versuche gehen noch weiter: Hier wird die Probe so lange dynamisch belastet, bis sie versagt. Die Hochlast-DMA ermöglicht dabei nicht nur die Temperaturmessung, sondern auch die gleichzeitige Erfassung viskoelastischer Materialkennwerte wie Speichermodul, Verlustmodul und Dämpfung (tan δ) – alles innerhalb eines einzigen Experiments.
Ein anschauliches Beispiel zeigt: Während ein Oberflächen-Thermoelement lediglich einen Temperaturanstieg von 20 °C erfasste, wurde im Inneren der Probe – über ein Nadel-Thermoelement gemessen – eine Temperatursteigerung von bis zu 70 °C registriert. Solche Erkenntnisse sind entscheidend, da interne Überhitzung zur Bildung von Hohlräumen, zu Rissbildung und letztlich zu Materialversagen führen kann.
Der Payne-Effekt: Wenn dynamische Beanspruchung das Material weicher macht
Der Payne-Effekt beschreibt die Verringerung der Steifigkeit (Speichermodul) gefüllter Elastomere bei zunehmender dynamischer Beanspruchung. Er wird besonders relevant bei Bauteilen, die wiederholten Deformationen ausgesetzt sind wie etwa Reifen, Motordichtungen, Scheibenwischer oder Schwingungsdämpfer.
Mit dem NETZSCHDMA 503 Eplexor® konnte in einem sogenannten Load Sweep eindeutig gezeigt werden: Im linearen viskoelastischen Bereich bleibt der Speichermodul stabil. Sobald das Material jedoch in den nichtlinearen Bereich übergeht, sinkt der Speichermodul dramatisch – in diesem Fall um fast zwei Drittel. Gleichzeitig steigt der Verlustfaktor (tan δ) zunächst an, erreicht ein Maximum, wenn die Füllstoffnetzwerke am stärksten gestört sind, und fällt anschließend wieder ab.
Reduziert man danach die dynamische DehnungDehnung beschreibt die Deformation eines Materials, das durch eine von außen einwirkende Kraft oder Spannung mechanisch belastet wird. Gummimischungen zeigen Kriech-Eigenschaften, wenn eine statische Last aufgebracht wird.Dehnung wieder, kehrt das Material nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Das Material zeigt ein Hystereseverhalten – eine nur teilweise Erholung. Der Payne-Effekt ist daher kurzfristig nur bedingt reversibel; eine vollständige Erholung erfordert Ruhephasen, in denen sich die Füllstoffstrukturen reorganisieren.
Mullins-Effekt: Die irreversible Erweichung
Während sich der Payne-Effekt nach einer Erholung zumindest teilweise zurückbilden kann, beschreibt der Mullins-Effekt die dauerhafte Erweichung eines gefüllten Elastomers nach einmaliger oder wiederholter Belastung unter quasistatischen Bedingungen.
Er spielt eine zentrale Rolle in Anwendungen wie:
- Einlaufverhalten von Reifen
- Langzeit-Dichtungsleistung von O-Ringen
- Veränderung der Dämpfungseigenschaften von Schwingungsdämpfern
Hochlast-DMA zeigt deutlich: Nach dem ersten Belastungszyklus verlaufen die weiteren Spannungs-Dehnungs-Kurven deutlich weicher. Dies weist auf irreversible Strukturveränderungen hin, wie beispielsweise Schäden an Polymer-Füllstoff-Bindungen oder die Umordnung der Polymerketten. Der Unterschied zwischen der ersten und den folgenden Kurven wird als Mullins-Schaden bezeichnet – ein essenzieller Parameter für prädiktive Modellierungen und Materialsimulationen.
Fazit
Elastomere sind eine faszinierende, aber technologisch anspruchsvolle Materialklasse. Ihr Verhalten unter Belastung ist das Zusammenspiel von mechanischen, thermischen und mikrostrukturellen Effekten – und diese wirken gleichzeitig.
Mit den Hochlast-DMA-Systemen von NETZSCH Analysieren & Prüfen lassen sich reale Einsatzbedingungen zuverlässig simulieren und entscheidende Daten zu Heat Build-Up, Materialermüdung, Dämpfungsverhalten und strukturellen Veränderungen erfassen.
Wie es Adrian Newey, legendärer Formel-1-Konstrukteur, treffend formulierte:
„Diese kleinen Gummistücke, die tatsächlich die Haftung auf den Asphalt übertragen, sind wahrscheinlich am wenigsten verstanden – und doch sind sie am wichtigsten.“
Bei NETZSCH haben wir vielleicht nicht alle Antworten, aber wir liefern die Technologien, mit denen Sie den Geheimnissen von Elastomeren einen großen Schritt näherkommen.
Neugierig geworden? Kontaktieren Sie uns gerne und erfahren Sie mehr über Hochlast-DMA und unsere Lösungen für die Materialprüfung!
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