Nach jahrzehntelangen Erfahrungen verfügt die Kunststoffindustrie heute über umfangreiche Kenntnisse zum mechanischen und chemischen Verhalten ihrer Materialklasse. Zyklische Langzeit-belastung ist jedoch ein bisher nahezu unerforschtes Gebiet. Auf die Frage, wie lang das Motorlager, das Ansaugmodul oder der Ölfilter unter pulsierender Druckbelastung, in Anwesenheit von Öl bei wechselnden Temperaturen durchhält, gibt es kaum Antworten, weil systematische Untersuchungen weitgehend fehlen. Eine Voraussetzung für die Erarbeitung dieses Wissens über Ermüdungs-verhalten bzw. Betriebsfestigkeit sind universelle Prüfkörper, deren Verhalten sich virtuell vorhersagen und experimentell verifizieren lässt.

Solch ein Prüfkörper und das mit seiner Hilfe ermittelte Know-how sind vor allem für die Entwicklung hochbeanspruchter und sicherheits-relevanter Anwendungen von Bedeutung. Daher hat die BASF bereits vor knapp einem Jahr einen solchen Prüfkörper vorgestellt. Als ein geeignetes Material erwies sich Ultramid® A3WG7 CR, ein glasfaserverstärkter Vertreter der PA 66-Familie, der speziell für hohe und andauernde Belastung optimiert ist.

Der offene Hohlkörper mit der Bezeichnung ULTRASIM™ Fatigue Tester (UFT) wurde speziell für zyklische Innendruckbelastungen konstruiert und muss viele Anforderungen erfüllen: Er weist ein möglichst kleines Volumen auf, hält zyklische Belastungsdrücke von maximal 30 bar aus, weist definierte Versagensmodi an definierten Positionen auf und zeigt in diesen determinierten Schwachstellen eine typische Faserverteilung und -orientierung.

Um speziell das Verhalten von Schweißnähten systematisch zu untersuchen stellt die BASF nun ihren zweiten Probekörper für Ermüdungsuntersuchungen vor, den ULTRASIM Weld Tester (UWT). Er besteht aus einem speziellen Ultramid (PA), das bevorzugt für geschweißte Bauteile Verwendung findet. Ebenso wie beim ersten Prüfkörper kann hier auch eine der hoch belastbaren CR-Varianten eingesetzt werden, die sich mit dem BASF-Simulationsinstrument ULTRASIM genau beschreiben lässt.

Herstellung eines neuartigen Schweiß-Probekörpers

Der neue ULTRASIM Weld Tester hat eine andere Geometrie als sein etwas älterer Verwandter, der Fatigue Tester, denn für einen Schweißversuch werden zwei Probekörper aneinander gefügt. Daher ist rund um die Öffnung des Körpers als typische Schweißnaht-geometrie ein Flansch ausgebildet. Das Spritzgießwerkzeug für den Schweiß-Probekörper verfügt über variable Einsätze, so dass neben zwei verschiedenen Flanschdicken auch drei Probekörpergrößen realisiert und kombiniert werden können.

Mit diesem Werkzeugkasten lassen sich nun systematische Kurz- und Langzeituntersuchungen zur Belastbarkeit von Schweißungen bei unterschiedlichen Parametern durchführen. Zu den Einflussgrößen, die hier betrachtet werden, gehört die Vibrationsrichtung beim Vibrationsschweißen ebenso wie der Fügedruck und die Amplitude des Schweißvorgangs. Auch Glasfasergehalt und -orientierung an der Schweißnaht können von Bedeutung sein. Und all die Größen, die bereits beim ULTRASIM Fatigue Tester Einfluss auf die Belastbarkeit hatten: Temperatur, Feuchtigkeit, Spannungskonzentration und Belastungsart. Denn eines ist bekannt: Die Berstdruckfestigkeit leitet sich nicht unmittelbar aus der Materialfestigkeit ab. Geometrie und Verarbeitung – eben auch die Schweißung – des Bauteils haben einen deutlichen Einfluss.

Zweistufiger Untersuchungsprozess

In einer ersten Untersuchungsreihe soll der grundsätzliche Einfluss von Schweißparametern auf die Belastbarkeit des Körpers ausgelotet werden. Daraus resultiert ein Satz von optimalen Schweißparametern. Mit diesem Wissen werden dann optimal geschweißte Probekörper gefertigt.

In einer zweiten Stufe wollen die Bauteilexperten die Betriebsfestigkeit, also die Langzeitbeständigkeit der Schweißnähte dieser Probekörper untersuchen. Erst dann können zuverlässige Aussagen über die Lebensdauer der Schweißung, also über ihr Ermüdungsverhalten, gewonnen werden.

Auf beiden Untersuchungsstufen betritt die BASF mit ihrem Konzept Neuland: Schweißparameter wurden bisher fast nur an eigens dafür gefertigten Kunststoffplatten ermittelt. Mit dem ULTRASIM Weld Tester lassen sich nun stattdessen Teststücke aus einem realitätsnah geschweißten Probekörper verwenden. Bereits erste Ergebnisse zeigen, dass sich hier andere Festigkeiten einstellen als bei den einfachen Platten. Während an geschweißten Testplatten Zug- und Biege-Eigenschaften nur getrennt gemessen werden können, lassen sich am geschweißten Bauteil über die Innendruckbelastung simultan auftretende Zug- und Biegemomente gleichzeitig bestimmen. Auch das Verhältnis von Zug- und Biegebelastung kann man durch den Einsatz der verschiedenen Formteilgrößen variieren.

Die meisten der im Markt vorhandenen komplexen Schweißkörper sind symmetrisch aufgebaut, so dass sich an ihnen a priori keine einzelne Schwachstelle ergibt. Der UWT der BASF ist gezielt asymmetrisch konzipiert und verfügt damit über eine vordefinierte Schwachstelle. Diese Eigenschaft ist sehr wichtig, denn so kann man sich bei der Auslegung von Schweißungen auch der hohen Vorhersagegenauigkeit des Computerprogrammpakets ULTRASIM bedienen. Die Flexibilität des Werkzeuges gestattet es darüber hinaus, verschieden große Probekörper miteinander zu verschweißen, so dass auch auf diese Weise praxisnahe, nämlich asymmetrische Bauteile zustande kommen. So können komplexe Belastungsprofile mit einem komplizierten Zusammenspiel von Zug- und Biegebelastung erzeugt und untersucht werden. Mit ihrer Hilfe kommt man den Verhältnissen an realen Bauteilen bereits sehr nahe.

Mehr Basiswissen im Einsatz beim Kunden

Mit dem UWT wird zurzeit systematisch Wissen aufgebaut, das in Kundenprojekten Früchte tragen soll. Je näher der Weld Tester bezüglich Lage der Schweißnaht, Fügegeometrie und Schweißparametern dem geplanten Bauteil kommen kann, umso zuverlässiger können die BASF-Experten die Lebensdauer des Kundenbauteils vorhersagen. Dazu ist ein Probekörper nötig, an dem sich reproduzierbar verschiedene (Schadens-)Modi einstellen – und per ULTRASIM – verstehen lassen. Die gewonnenen Kenntnisse kommen beiden Seiten zu gute. Denn ein wohlverstandener Probekörper lässt sich schnell an die kundenspezifischen Parametersätze anpassen.

In einem so variablen Schweißkörpersystem lässt sich dann auch die Belastung durch ganz spezielle, vom Kunden gewünschte Medien berücksichtigen. Hier sind ein- oder zweiseitige Medienbelastung, Temperatur- und Druckbelastung gleichzeitig möglich. Medienuntersuchungen, in dieser systematischen Art mit Schweißungen gekoppelt, sind im Markt bisher einzigartig. Von solchen Materialkenntnissen ist man mit dem klassischen Teststab weit entfernt.

Kunststoffbauteile mit höherer Lebensdauer

Eine bildliche Darstellung von Ermüdungsphänomenen kennt man aus der Metallkunde: In diesen so genannten Wöhlerkurven wird die Bruchspannung – ein Maß für die Festigkeit – gegen die Zahl der erreichbaren Lastwechsel aufgetragen. Wöhlerkurven für Kunststoffe finden sich in der Literatur nur sehr vereinzelt. Für hochbelastbare technische Kunststoffe existieren gar keine systematischen Untersuchungen an wirklichkeitsnahen Bauteilen. Ziel der aufwändigen Studien am ULTRASIM Weld Tester im Hause BASF sind deshalb Wöhlerkurven von geschweißten Kunststoffkörpern, die den Einfluss von Temperatur, von verschiedenen Medien und Druckpulsationen wieder geben.

Mit der Verbindung von Schweißnaht- und Betriebsfestigkeits-untersuchungen stößt die BASF in neue Dimensionen vor. Der patentierte, sehr variable Probekörper für Ermüdungsuntersuchungen an Schweißnähten ULTRASIM Weld Tester gestattet durch seine genau definierte Gestalt und seine hohe Flexibilität eine ernorme Erweiterung des Wissens über Kunststoffbauteile.

Seine Anwendung findet dieses Wissen naturgemäß bei der Entwicklung von Bauteilen wie Motor- und Getriebelager, wo hohe dynamische Dauerbelastung ein zentrales Thema ist. Da solche meist sicherheitsrelevanten Komponenten nur aus Spezialkunststoffen gefertigt werden können, wird sich der Einsatz der neuen Kenntnisse auf ausgewählte Materialgruppen konzentrieren. Diese Kenntnisse werden bald dazu dienen, den Kunden bei der Gestaltung eines Bauteils mit hoher Lebensdauer zu unterstützen.

Quelle: BASF – 25.06.2010, Fachpressekonferenz K 2010 am 22. und 23. Juni in Frankenthal.

Ausführungen von Dr. Stefan Glaser
Leiter Simulation Engineering
Engineering Plastics Europe
BASF SE, Ludwigshafen