Erkenntnisgewinn

Nachdem die BASF mit dem Ultrasim Fatigue Tester (links) einen Prüfkörper für die Ermittlung von Ermüdungsphänomenen an hoch belasteten Kunststoffbauteilen vorgestellt hat, stellt sie nun den Ultrasim Weld Tester (rechts) vor. Er besteht ebenfalls aus Ultramid und soll in Zukunft dabei helfen, die Betriebsfestigkeit von Schweißnähten unter verschiedensten Langzeit-Belastungen zu bestimmen und mit dem Simulationsinstrument Ultrasim vorherzusagen

Für hochbelastbare technische Kunststoffe existieren keine systematischen Untersuchungen an wirklichkeitsnahen Bauteilen, Ziel sind deshalb Wöhlerkurven von geschweißten Kunststoffkörpern, die den Einfluss von Temperatur, verschiedenen Medien und Druckpulsationen wiedergeben

Systematische Kurz- und Langzeituntersuchungen zur Belastbarkeit von Schweißungen bei unterschiedlichen Parametern sind möglich. Zu den betrachteten Einflussgrößen zählt die Vibrationsrichtung beim Vibrationsschweißen, der Fügedruck und die Amplitude des Schweißvorgangs sowie Glasfasergehalt und -orientierung an der Schweißnaht. Hinzu kommen die Größen Temperatur, Feuchtigkeit, Spannungskonzentration und Belastungsart.

Über umfangreiche Kenntnisse zum mechanischen und chemischen Verhalten ihrer Materialklasse verfügt die Kunststoffindustrie. Zyklische Langzeitbelastung ist jedoch ein bisher nahezu unerforschtes Gebiet. Auf die Frage, wie lang ein Motorlager, Ansaugmodul oder Ölfilter unter pulsierender Druckbelastung oder in Anwesenheit von Öl bei wechselnden Temperaturen durchhält, gibt es kaum Antworten. Eine Voraussetzung für die Erarbeitung dieses Wissens 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 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 erfüllt viele Anforderungen: Er weist ein kleines Volumen und definierte Versagensmodi an definierten Positionen auf, hält zyklische Belastungsdrücke von 30 bar aus und zeigt in 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, das bevorzugt für geschweißte Bauteile Verwendung findet. Auch hier kann eine der hoch belastbaren CR-Varianten eingesetzt werden, die sich mit dem BASF-Simulationsinstrument „Ulrasim" genau beschreiben lässt.

Herstellung des neuartigen Schweiß-Probekörpers

Der 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 Schweißnahtgeometrie 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 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. Hinzu kommen all die Größen, die bereits beim Ultrasim Fatigue Tester Einfluss auf die Belastbarkeit hatten: Temperatur, Feuchtigkeit, Spannungskonzentration und Belastungsart. Denn bekannt ist: 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 optimaler Schweißparameter. Mit diesem Wissen werden dann optimal geschweißte Probekörper gefertigt. In einer zweiten Stufe wollen die Bauteil- experten die Betriebsfestigkeit, also die Langzeitbeständigkeit der Schweißnähte der 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 ist gezielt asymmetrisch konzipiert und verfügt damit über eine vordefinierte Schwachstelle. So kann man sich bei der Auslegung von Schweißungen auch der hohen Vorhersagegenauig-keit des Computerprogrammpakets Ultrasim bedienen. Die Flexibilität des Werkzeuges gestattet es zudem, 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. Damit 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 Kenntnisse kommen beiden Seiten zu gute. Denn ein wohlverstandener Probekörper lässt sich schnell an kundenspezifische Parametersätze anpassen.

In einem so variablen Schweißkörpersystem lässt sich dann 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 sind deshalb Wöhlerkurven von geschweißten Kunststoffkörpern, die den Einfluss von Temperatur, von verschiedenen Medien und Druckpulsationen wieder geben.

Mit der Verbindung von Schweißnaht- und Betriebsfestigkeitsuntersuchungen stößt die BASF in neue Dimensionen vor. Der patentierte, sehr variable Probekörper 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 Mate- rialgruppen konzentrieren.

BASF; Telefon: 0621 60-43348; E-Mail: sabine.phillip@basf.com