TY - BOOK

T1 - Berücksichtigung der Viskoelastizität in der Betriebsfestigkeitsanalyse von kurzfaserverstärkten Kunststoffen

AU - Stadler, Gabriel

N1 - gesperrt bis 26-08-2026

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Immer strengere Auflagen hinsichtlich Treibhausgase und Energieeffizienz zwingen die Industrie, im Speziellen den Transportsektor, zu mehr Leichtbaumaßnahmen. Somit rücken Leichtbauwerkstoffe, wie Kunststoff immer stärker in den Fokus von Komponentenherstellern. Eine große Palette von Kunststofftypen und Anwendungsmöglichkeiten erfordern genaue Kenntnisse über die ertragbaren Belastungen für den jeweiligen Einsatz. Um den Werkstoff gezielt auslegen zu können, wurden in der Vergangenheit eine ganze Reihe von Erkenntnissen und Modellen publiziert, die sich vorwiegend mit sogenannten Konstruktionskunststoffen beschäftigen. Da die Palette an Kunststoffen für Strukturbauteile auch mit Standardkunststoffen erweitert wird, gilt es im Zuge der vorgelegten Arbeit, mit kurzglasfaserverstärkten Polypropylen, einen Standardkunststoff näher zu untersuchen. Die dabei untersuchten Kenngrößen sind die Faserorientierung und -gehalt, sowie Mittelspannung, Temperatur und Kerbwirkung. Aufgrund des hauptsächlichen Einsatzes von Polypropylen über der Glasübergangstemperatur, liegt der Fokus bei den untersuchten Einflussgrößen auf dem viskoelastischen Materialverhalten. Dafür wurden durch Spritzguss hergestellte Prüfkörper sowie Prüfkörper aus spritzgegossenen Platten getestet. Um die Einflussgrößen zu untersuchen, wurden quasi-statische (Zugversuche), statische (Kriechversuche) und zyklische Versuche (Ermüdungsversuche) durchgeführt. Zusätzliche Versuche, bei denen statische und zyklische Belastungen kombiniert wurden (als „kombinierte Versuche“ bezeichnet), liefern eine direkte Aussage über das viskoelastische Verhalten und die Auswirkungen auf die Lebensdauer. Dabei wurden die konstanten Lastniveaus auf die maximale, minimale oder mittlere Spannung der zyklischen Belastung gelegt. Die Haltezeiten variieren dabei zwischen 0% (rein zyklisch), 25%, 50%, 75%, und 100% (reines Kriechen) der Gesamtversuchszeit. Die Ergebnisse aus statischen und zyklischen Versuchen zeigen, dass eine Änderung des Fasergehaltes einen Einfluss auf die Faserorientierung hat. So liegt bei Polypropylen mit 50% Glasfaserverstärkung ein Unterschied in der (Zug-) festigkeit von rund 40% bei Proben entlang der Platte vor, wogegen bei Polypropylen mit 40% Glasfaserverstärkung kein Unterschied zu verzeichnen ist. Weiters zeigt sich ein Einfluss der Faserorientierung in Wechselwirkung mit Kerben. So liegt bei längs orientierten Prüfkörpern eine höhere Stützwirkung als bei quer orientierten Prüfkörpern vor. Dieser Effekt nimmt mit kleineren Kerbradien zu. Die kombinierten Versuche bei PP-GF40 mit 75% Halten bei Oberlast zeigen eine Reduktion der ertragbaren Schwingspielzahl bei einem definierten Spannungsniveau von bis zu 90% im Vergleich zu rein zyklischer Belastung. Somit wirken sich konstante Haltebelastungen zwischen zyklischen Belastungen nicht nur auf die Versagenszeit, („Time-to-failure“) sondern ebenso auf die ertragbare Zyklenzahl, aus. Da der Effekt auf die Versagenszeit größer ist (als auf die Zyklenzahl), gilt es diese in der Lebensdauerberechnung zu berücksichtigen. Dies erfolgt mittels Time-to-failure Kurven (ergänzend zu Wöhlerlinien), isochronen Haigh-Diagrammen und eines neu entwickelten, zeitabhängigen Klassierungsverfahren. Versuche zeigen, dass die Zeitstandfestigkeit als maximales Belastungslimit für die Mittelspannungsempfindlichkeit herangezogen werden sollte. Eine im Zuge dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt es, statische Lasten, abhängig von Belastungsdauer und -niveau in der Lebensdauerbewertung zu berücksichtigten. Die entwickelte, zeitabhängige Klassierung bietet die Möglichkeit konstante Last und Dehnratenabhängigkeiten zu klassieren und somit in einer Lebensdauerbewertung mit stochastischen Belastungen abzubilden.

AB - Immer strengere Auflagen hinsichtlich Treibhausgase und Energieeffizienz zwingen die Industrie, im Speziellen den Transportsektor, zu mehr Leichtbaumaßnahmen. Somit rücken Leichtbauwerkstoffe, wie Kunststoff immer stärker in den Fokus von Komponentenherstellern. Eine große Palette von Kunststofftypen und Anwendungsmöglichkeiten erfordern genaue Kenntnisse über die ertragbaren Belastungen für den jeweiligen Einsatz. Um den Werkstoff gezielt auslegen zu können, wurden in der Vergangenheit eine ganze Reihe von Erkenntnissen und Modellen publiziert, die sich vorwiegend mit sogenannten Konstruktionskunststoffen beschäftigen. Da die Palette an Kunststoffen für Strukturbauteile auch mit Standardkunststoffen erweitert wird, gilt es im Zuge der vorgelegten Arbeit, mit kurzglasfaserverstärkten Polypropylen, einen Standardkunststoff näher zu untersuchen. Die dabei untersuchten Kenngrößen sind die Faserorientierung und -gehalt, sowie Mittelspannung, Temperatur und Kerbwirkung. Aufgrund des hauptsächlichen Einsatzes von Polypropylen über der Glasübergangstemperatur, liegt der Fokus bei den untersuchten Einflussgrößen auf dem viskoelastischen Materialverhalten. Dafür wurden durch Spritzguss hergestellte Prüfkörper sowie Prüfkörper aus spritzgegossenen Platten getestet. Um die Einflussgrößen zu untersuchen, wurden quasi-statische (Zugversuche), statische (Kriechversuche) und zyklische Versuche (Ermüdungsversuche) durchgeführt. Zusätzliche Versuche, bei denen statische und zyklische Belastungen kombiniert wurden (als „kombinierte Versuche“ bezeichnet), liefern eine direkte Aussage über das viskoelastische Verhalten und die Auswirkungen auf die Lebensdauer. Dabei wurden die konstanten Lastniveaus auf die maximale, minimale oder mittlere Spannung der zyklischen Belastung gelegt. Die Haltezeiten variieren dabei zwischen 0% (rein zyklisch), 25%, 50%, 75%, und 100% (reines Kriechen) der Gesamtversuchszeit. Die Ergebnisse aus statischen und zyklischen Versuchen zeigen, dass eine Änderung des Fasergehaltes einen Einfluss auf die Faserorientierung hat. So liegt bei Polypropylen mit 50% Glasfaserverstärkung ein Unterschied in der (Zug-) festigkeit von rund 40% bei Proben entlang der Platte vor, wogegen bei Polypropylen mit 40% Glasfaserverstärkung kein Unterschied zu verzeichnen ist. Weiters zeigt sich ein Einfluss der Faserorientierung in Wechselwirkung mit Kerben. So liegt bei längs orientierten Prüfkörpern eine höhere Stützwirkung als bei quer orientierten Prüfkörpern vor. Dieser Effekt nimmt mit kleineren Kerbradien zu. Die kombinierten Versuche bei PP-GF40 mit 75% Halten bei Oberlast zeigen eine Reduktion der ertragbaren Schwingspielzahl bei einem definierten Spannungsniveau von bis zu 90% im Vergleich zu rein zyklischer Belastung. Somit wirken sich konstante Haltebelastungen zwischen zyklischen Belastungen nicht nur auf die Versagenszeit, („Time-to-failure“) sondern ebenso auf die ertragbare Zyklenzahl, aus. Da der Effekt auf die Versagenszeit größer ist (als auf die Zyklenzahl), gilt es diese in der Lebensdauerberechnung zu berücksichtigen. Dies erfolgt mittels Time-to-failure Kurven (ergänzend zu Wöhlerlinien), isochronen Haigh-Diagrammen und eines neu entwickelten, zeitabhängigen Klassierungsverfahren. Versuche zeigen, dass die Zeitstandfestigkeit als maximales Belastungslimit für die Mittelspannungsempfindlichkeit herangezogen werden sollte. Eine im Zuge dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubt es, statische Lasten, abhängig von Belastungsdauer und -niveau in der Lebensdauerbewertung zu berücksichtigten. Die entwickelte, zeitabhängige Klassierung bietet die Möglichkeit konstante Last und Dehnratenabhängigkeiten zu klassieren und somit in einer Lebensdauerbewertung mit stochastischen Belastungen abzubilden.

KW - short-fibre reinforced polymers

KW - visco-elasticity

KW - fatigue tests

KW - modelling

KW - creep

KW - polypropylene

KW - operational strength

KW - Kurzfaserverstärkte Polymere

KW - Viskoeastizität

KW - Ermüdungsversuche

KW - Modellierung

KW - Kriechen

KW - Polypropylen

KW - Betriebsfestigkeit

M3 - Dissertation

ER -