Untersuchung und Simulation des Einflusses ... - Neue Verpackung

ELASTOMERE UND KUNSTSTOFFE
ELASTOMERS AND PLASTICS
schen Risswachstumsbeständigkeit weit
überlegen waren.
Konsequenterweise ergaben bruchmechanische
Berechnungen zur Vorhersage der
Lebensdauer bzw. Ermüdung der Laborprüfkörper
auf Basis der Risswachstumskennwerte
eine fehlerhafte Reihung der Werkstoffe.
Damit stellt sich die Frage nach der
Zuverlässigkeit von Annahmen über die
charakteristischen Fehlstellen in den verwendeten
Werkstoffen, da die Fehlstellengröße
Ausgangspunkt der Berechnungen
ist und eine Umkehrung der Reihung eintreten
kann, wenn in den Werkstoffen unterschiedliche
Fehlstellengrößen vorliegen. Ein
erstes Ziel dieser Untersuchung ist es, definierte
Fehlstellen mit systematisch variierter
Größe in den Werkstoffen zu erzeugen
und deren Auswirkungen auf die Ermüdungsbeständigkeit
und die dynamische
Risswachstumsbeständigkeit zu charakterisieren.
Dabei werden Glaskugeln unterschiedlichen
Durchmessers als Modellfehlstellen
eingesetzt. Ein zweites Ziel ist es,
startend mit bekannter Fehlstellengröße
und ermittelten Kennwerten des dynamischen
Risswachstums bruchmechanische
Berechnungen der Ermüdung bzw. Lebensdauer
von Laborprüfkörpern mit experimentellen
Daten zu vergleichen.
&1
Materialien und Methoden
Für die Untersuchung wurde ein bereits früher
verwendeter EPDM-Werkstoff [3 – 8]
eingesetzt. Die Kautschukmischungen bestanden
aus einem handelsüblichen EPDM
(Buna EP G5450), einem beschleunigten
Schwefelvernetzungssystem, 70 phr Ruß
N550, 40 phr Ruß N772 und 70 phr Weichmacher.
Dieser Referenzmischung mit natürlichen
Fehlstellen wurden Glaskugeln
bekannter Größe in einer Konzentration
von 10 phr beigemischt. Außer der Referenz-
oder Basismischung wurden vier Mischungen
mit Glaskugeln von 203 lm,
119 lm, 71 lm und 35 lm hergestellt
(Abb. 1). Es wurde überprüft, dass diese
massiven Kugeln während des Einmischens
nicht beschädigt werden.
Die Ermüdungsuntersuchungen wurden an
Hantelprüfkörpern mit einer freien Einspannlänge
von 25 mm und einem Durchmesser
von 15 mm in Zug durchgeführt
(siehe Abraham et. al. [4]). Dabei wurde
ein servohydraulisches Testsystem MTS
831.50 benutzt. Die Untersuchungen erfolgten
bei 1 Hz Sinus unter Kraftkontrolle bei
Raumtemperatur. In Einstufenversuchen
mit Null Unterlast wurden die Prüfkörper
bis zum Komplettausfall zyklisch belastet,
wobei kontinuierlich die dynamischen Eigenschaften
wie Steifigkeit und Verlustfaktor
sowie komplette Hysteresezyklen aufgezeichnet
wurden. Pro Laststufe und Werkstoff
wurden mindestens drei Prüfkörper
untersucht.
Dynamische Risswachstumsuntersuchungen
sind an einseitig eingeschnittenen
Streifenprüfkörpern
von
60 mm 15 mm 1,5 mm in Zug durchgeführt
worden (single edge notched,
SEN). Einschnitte von ca. 1,5 mm Länge
wurden mit einer Rasierklinge vorgenommen.
Die Tests erfolgten mit einem „Tear-
Fatigue-Analyser“ System Bayer der Fa.
Coesfeld [9]. Dabei handelt es sich um ein
servohydraulisches Testsystem, in dem 10
Prüfkörper simultan untersucht werden
können, wobei über 10 Kraftmesseinrichtungen
die Unterlast geregelt und individuelle
Weg-Zeit-Verläufe aufgezeichnet werden
können. Mit Hilfe einer Kamera mit
nachgeschalteter Bildauswertung wird das
Risswachstum unter dynamischer Belastung
aufgezeichnet. Die Tests wurden bei
Raumtemperatur mit Verformungspulsen
von 50 ms bei einer Frequenz von 10 Hz
und einer Minimalkraft von 2 N durchge-
&1 Lichtmikroskopische Aufnahmen von Glaskugeln mit unterschiedlichem Durchmesser.
führt. Es wurden vier unterschiedliche Verformungsamplituden
gefahren, zur Sicherung
einer ausreichenden Statistik sind
mindestens 3 Prüfkörper pro Amplitude untersucht
worden. Die Datenaufzeichnung
liefert Spannungen, Verformungen, Energien
sowie die Risskonturlänge in Abhängigkeit
der Lastspielzahl. Damit stehen
alle Daten zur Bestimmung bruchmechanischer
Kennwerte (z.B. Tearing Energy, Risswachstumsgeschwindigkeit)
zur Verfügung.
Ergebnisse der
Ermüdungsuntersuchungen
Abb. 2 zeigt die Lastspielzahl bis zum Ausfall
bei variierter Maximalspannung für den
EPDM-Referenzwerkstoff sowie die Werkstoffe
mit Glaskugeln unterschiedlicher
Größe. Eingetragen sind jeweils die Mittelwerte
der Lebensdauern von mindestens
drei Hantelprüfkörpern. Wie zu vermuten,
zeigt das Referenzsystem ohne Glaskugeln
(*) die höchste Lebensdauer bzw. die geringste
Ermüdungstendenz, der Werkstoff
mit 203 lm Glaskugeln (~) erträgt im Vergleich
hierzu nur etwa 1/10 der Lastspielzahl.
Werden Glaskugeln von 35 lm (&) eingemischt,
liegt die Lebensdauer erwartungsgemäß
relativ nahe an dem Referenzwerkstoff.
Die Werkstoffe mit 71 lm und
119 lm (~) reihen sich dazwischen ein
und besitzen eine ähnlich reduzierte Lebensdauer.
Sehr aufschlussreich ist der Überblick der
Einzelergebnisse der Prüfkörper der Abb. 3.
Man erkennt, dass der Referenzwerkstoff
unter allen Testbedingungen die größte
Spannbreite bzw. Streuung der Lastspielzahlen
besitzt. Bei Zugabe der Kugeln von
35 lm reduziert sich die mittlere Lastspielzahl,
die Spannbreite Streuung nimmt ab.
Offenbar werden die „Langläufer“ durch Zugabe
der Modellfehlstellen weggekappt.
Dies setzt sich bei Zugabe immer größerer
Glaskugeln sukzessive fort. Bei 203 lm Glaskugeldurchmesser
ist die Spannbreite sehr
gering, gleichzeitig hat man den Eindruck,
dass die Ausgleichsgerade dieses Werkstoffs
in etwa die Untergrenze der „Kurzläufer“
des Referenzwerkstoffs ohne Glaskugeln bildet.
Unter Kenntnis der Tatsache, dass Ruß
in EPDM problematisch zu dispergieren ist,
könnten diese Beobachtungen folgendermaßen
erklärt werden: In dem Referenzwerkstoff
liegen Fehlstellen in Form von Rußagglomeraten
vor, die überwiegend kleiner
als 35 lm sind und damit die Langläufer erlauben.
Die Glaskugeln entfalten dann ihre
Fehlstellenwirkung, wenn zu wenig große
Rußagglomerate in einem Prüfkörper ent-
596 KGK November 2005