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Die TGM Wien simuliert das Langzeit-Kriechverhalten von PE in Tagen

100 Jahre Betriebszeit im Zeitraffer
Langzeit-Kriechverhalten von PE simulieren

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Die Kappa Multistation von ZwickRoell: Sie dient auch als Prüfsystem für das SIM-Verfahren (Stepped Isothermal Method) zur Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens von Polyethylen-Werkstoffen. Bild: ZwickRoell
Wo Kunststoffe wie PE lange statisch belastet sind, beginnen sie zu kriechen – systematische Langzeitversuche sind daher unerlässlich bei sicherheitsrelevanten Teilen. Sie können Jahre dauern. Die TGM Wien verkürzt diese Zeit auf wenige Tage. Sie nutzt das inzwischen etablierte SIM-Verfahren und setzt dafür eine „Kappa Multistation“ von ZwickRoell ein.

» Dr. Peter Stipp, Fachjournalist bei Awikom in Lorsch

Strukturveränderungen von Werkstoffen aufgrund hoher mechanischer und thermischer Belastungen können auf Dauer zu einem kompletten Ausfall des Bauteils führen. Speziell unter langanhaltender, statischer Belastung bei erhöhten Temperaturen verhalten sich Werkstoffe anders als bei gleicher Belastung unter Raumtemperatur. So kommt es neben der elastischen Dehnung zu einer irreversiblen, plastischen Dehnung.

Dieser Effekt lässt sich zwar durch gezielte Materialzusammensetzungen verringern, aber nicht verhindern. Bauteile unter Kriechbedingungen haben daher grundsätzlich eine begrenzte Lebensdauer. Umso wichtiger ist eine umfangreiche und systematische Langzeituntersuchung. Ziel ist die Ermittlung der sogenannten Restlebensdauer von Bauteilen, damit diese zuverlässig ihren Dienst verrichten. Das gilt sowohl für Metalle als auch für Kunststoffe.

Die unabhängige staatliche Versuchsanstalt TGM in Wien nimmt diese Aufgabe auch im Auftrag wahr. Ihr größter Fachbereich ist die Kunststoff- und Umwelttechnik. Sie prüft unter anderem die Temperaturbeständigkeit und das Langzeit-Werkstoffverhalten von Produkten aus Polyethylen (PE), zum Beispiel von Kunststoffrohrsystemen und Deponiekomponenten.

Analyseziel ist eine Kriechkurve

Die Bestimmung des Kriechverhaltens von Werkstoffen erfolgt üblicherweise durch Zeitstandversuche und ist sehr langwierig. Im einfachsten Fall wird dabei eine Probe bei erhöhter Temperatur mit einer konstanten Kraft auf Zug belastet und ihre Verlängerung in Abhängigkeit von der Prüfzeit sowie die Zeit bis zum Probenbruch erfasst. Das Ergebnis ist eine Kriechkurve. In der Anfangsphase der Belastung hat sie zunächst einen degressiven Verlauf (primäres Kriechen). Dann geht sie in einen Bereich über, der sich durch eine konstante, minimale Kriechgeschwindigkeit auszeichnet. Das ist der gesuchte Bereich, der zugleich den größten Anteil der Gesamtlebensdauer einer Probe ausmacht.

Simulation ersetzt jahrelange Kriechversuche

Diese klassische Bestimmung des Langzeit-Kriechverhaltens ist sehr zeit- und kostenintensiv. Dagegen hat sich mit dem SIM-Verfahren (Stepped Isothermal Method) eine zeitsparende Methode etabliert und bewährt, die auch von der TGM Wien eingesetzt wird. Sie erlaubt es, das Werkstoffverhalten über eine Zeitspanne von 100 Jahren in wenigen Tagen zu simulieren, für die man mit konventionellen Kriechversuchen mehr als zehn Jahre benötigen würde.

Die Besonderheit dieser Methode ist die Ermittlung aller Ausgangsdaten an einem einzigen Probenkörper. Dazu wird während des Zugversuchs die Temperatur in definierten zeitlichen Abständen um einen konstanten Betrag stufenweise erhöht und dabei die Zunahmen der Dehnung erfasst. Nach der Korrektur des Temperatureinflusses auf die Dehnung werden die einzelnen Temperaturrampen zu der gesuchten Masterkurve mit logarithmischer Zeitachse zusammengesetzt.

Schnelle, präzise Temperaturwechsel nötig

Die Übereinstimmung der generierten Masterkurven mit den Ergebnissen konventioneller Messmethoden ist sehr gut, setzt aber eine schnelle Änderung und die genaue Regelung der Temperatur während der Prüfung voraus. Zur Messung des temperaturabhängigen Kriechmoduls an thermoplastischen Kunststoffen und deren Langzeit-Kriechverhalten setzt TGM eine Kappa Multistation von ZwickRoell in Fürstenfeld (Österreich) ein. Die Prüfmaschine ist speziell für die Analyse des Zeitstandverhaltens von Kunststoffen und Polymerwerkstoffen in modernen Entwicklungs- und Versuchslaboren konzipiert und ermöglicht eine umfassende Bauteilqualifizierung.

Die Kappa Multistation ist eine hochpräzise elektromechanische Zeitstandprüfmaschine und lässt sich mit bis zu sechs individuell geregelten Lastachsen mit Spindelantrieb ausstatten. Verschiedene Proben können gleichzeitig in einer Temperierkammer von –70 bis zu +250 °C geprüft werden. Jede Lastachse ist individuell und unabhängig von den anderen von 20 N bis 10 kN stufenlos belastbar. Die Prüfgeschwindigkeit reicht von 0,001 mm/h bis zu 100 mm/min. Durch den Einsatz eines automatischen und benutzerunabhängigen Temperaturreglers sind die für das SIM-Verfahren geforderten präzisen Probentemperaturen gewährleistet.

Dehnungsmessung erfolgt optisch

Die Dehnungsmessung erfolgt mit den optischen Extensometern videoXtens von ZwickRoell über ein Sichtfenster mit 4-fach-Glas an der Rückseite der Temperierkammer. Jede Lastachse ist mit einem solchen berührungslos messenden Extensometer ausgestattet. Dadurch ist weder eine Anbringung von Fühlerarmen notwendig noch gibt es einen Einfluss auf sensible Proben.

Die Extensometer sind geeignet für die Messung der Probenlängenänderung bei Zug-, Druck- und Biegeprüfungen an allen Arten von Kunststoffen, Metallen, Gummi, Verbundwerkstoffen sowie Folien. Bei einer Ausgangsmesslänge von 50 mm und einer erwarteten Dehnung von 5 mm erreichen sie eine Auflösung von 0,4 µm. Die Verarbeitung der Daten erfolgt mit der Prüfsoftware testXpert. Sie ermöglicht nicht nur Standardprüfungen, sondern auch beliebig definierbare Prüfabläufe.

Kontakt:
ZwickRoell GmbH & Co. KG
August-Nagel-Strasse 11
89079 Ulm
Tel.: +49 7305 10–0
www.zwickroell.com



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