TY - THES

T1 - Charakterisierung von Quellung und Medieneinfluss zur Lebensdauerbewertung von kurzglasfaserverstärkten Polyamiden

AU - Haslinger, Tim

N1 - gesperrt bis 10-11-2019

PY - 2014

Y1 - 2014

N2 - Durch die ständig wachsenden Forderungen nach Leichtbau und Kostensenkung, kommen im Bereich des Motorraums von Kraftfahrzeugen zunehmend Komponenten aus kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz. Im Betrieb werden diese Bauteile häufig zyklischen Belastungen in Kombination mit Alterung durch aggressive Medien, wie z.B. Kühlflüssigkeit, ausgesetzt. Durch den Kontakt mit diesen Medien kommt es zudem bei hygroskopischen Kunststoffen zu Feuchtigkeitsaufnahme und einer daraus resultierenden Volumenvergößerung, welche als Quellung bezeichnet wird. Sowohl Alterungsprozesse, wie z.B. eine Verringerung der Faser-Matrix-Haftung, als auch Quellung führen im Allgemeinen zur Änderung der anisotropen Eigenschaften des Werkstoffs, was für die Bauteilauslegung zusätzlich berücksichtigt werden muss. Im Zuge dieser Arbeit wird ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid mit 50 Gew. % Faseranteil hinsichtlich Feuchtigkeitsaufnahme, anisotroper Quellung, Alterung und daraus resultierender Festigkeitsreduktion charakterisiert. Der Medieneinfluss auf die Festigkeit kann dabei durch quasistatische Zugversuche und einstufige Wöhlerversuche in Abhängigkeit der Faserorientierung dargestellt werden. Hierzu werden Zugprüfkörper aus einer spritzgegossenen Platte gefräst und bei 80 °C und 120 °C in reinem Wasser und Kühlflüssigkeit, einem 1:1-Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser, bis zu 1500 Stunden ausgelagert. Parallel zum experimentellen Teil der Arbeit wird zur Abschätzung der durch die Feuchtigkeitsaufnahme entstehenden Quellspannungen im Bauteil sowie des entstehenden Verzugs eine Simulationskette aufgebaut. Mit dieser kann, ausgehend von der Spritzgusssimulation hin zur anisotropen FE-Strukturanalyse, der Diffusionsprozess der Feuchtigkeit und die daraus resultierende Spannungsverteilung in Anlehnung an eine thermische FE-Rechnung simuliert werden. Diese Daten können anschließend zur Analyse des Quellverzuges von komplexen Bauteilen herangezogen werden. Die Versuche zeigten, dass eine Wasseraufnahme von bis zu 4,1 % zu einer Abnahme der statischen Festigkeitswerte von bis zu 55 % führt. An den in Kühlflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen ausgelagerten Proben konnte eine weitaus drastischere Reduktion der Festigkeit um bis zu 85 % dokumentiert werden. Die zyklischen Versuche zeigten eine medienunabhängige, deutliche Abnahme der Schwingfestigkeit um bis zu 82 % sowohl bei Auslagerung in Wasser als auch im Glykol-Wasser-Gemisch.

AB - Durch die ständig wachsenden Forderungen nach Leichtbau und Kostensenkung, kommen im Bereich des Motorraums von Kraftfahrzeugen zunehmend Komponenten aus kurzglasfaserverstärkten Kunststoffen zum Einsatz. Im Betrieb werden diese Bauteile häufig zyklischen Belastungen in Kombination mit Alterung durch aggressive Medien, wie z.B. Kühlflüssigkeit, ausgesetzt. Durch den Kontakt mit diesen Medien kommt es zudem bei hygroskopischen Kunststoffen zu Feuchtigkeitsaufnahme und einer daraus resultierenden Volumenvergößerung, welche als Quellung bezeichnet wird. Sowohl Alterungsprozesse, wie z.B. eine Verringerung der Faser-Matrix-Haftung, als auch Quellung führen im Allgemeinen zur Änderung der anisotropen Eigenschaften des Werkstoffs, was für die Bauteilauslegung zusätzlich berücksichtigt werden muss. Im Zuge dieser Arbeit wird ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid mit 50 Gew. % Faseranteil hinsichtlich Feuchtigkeitsaufnahme, anisotroper Quellung, Alterung und daraus resultierender Festigkeitsreduktion charakterisiert. Der Medieneinfluss auf die Festigkeit kann dabei durch quasistatische Zugversuche und einstufige Wöhlerversuche in Abhängigkeit der Faserorientierung dargestellt werden. Hierzu werden Zugprüfkörper aus einer spritzgegossenen Platte gefräst und bei 80 °C und 120 °C in reinem Wasser und Kühlflüssigkeit, einem 1:1-Gemisch aus Ethylenglykol und Wasser, bis zu 1500 Stunden ausgelagert. Parallel zum experimentellen Teil der Arbeit wird zur Abschätzung der durch die Feuchtigkeitsaufnahme entstehenden Quellspannungen im Bauteil sowie des entstehenden Verzugs eine Simulationskette aufgebaut. Mit dieser kann, ausgehend von der Spritzgusssimulation hin zur anisotropen FE-Strukturanalyse, der Diffusionsprozess der Feuchtigkeit und die daraus resultierende Spannungsverteilung in Anlehnung an eine thermische FE-Rechnung simuliert werden. Diese Daten können anschließend zur Analyse des Quellverzuges von komplexen Bauteilen herangezogen werden. Die Versuche zeigten, dass eine Wasseraufnahme von bis zu 4,1 % zu einer Abnahme der statischen Festigkeitswerte von bis zu 55 % führt. An den in Kühlflüssigkeit bei erhöhten Temperaturen ausgelagerten Proben konnte eine weitaus drastischere Reduktion der Festigkeit um bis zu 85 % dokumentiert werden. Die zyklischen Versuche zeigten eine medienunabhängige, deutliche Abnahme der Schwingfestigkeit um bis zu 82 % sowohl bei Auslagerung in Wasser als auch im Glykol-Wasser-Gemisch.

KW - kurzglasfaserverstärktes Polyamid

KW - Schwingfestigkeit

KW - Quellung

KW - Medieneinfluss

KW - Wasseraufnahme

KW - glass fibre reinforced polyamide

KW - fatigue

KW - swelling

KW - media influence

KW - water absorption

M3 - Diplomarbeit

ER -