Messaufbau zur gleichzeitigen Messung der Spannungsrelaxation bei sechs verschiedenen Temperaturen.
Bildquelle: Fraunhofer LBF/Raapke

Messaufbau zur gleichzeitigen Messung der Spannungsrelaxation bei sechs verschiedenen Temperaturen.
Bildquelle: Fraunhofer LBF/Raapke

Die Eigenschaften von gummiähnlichen Kunststoffen ändern sich durch Temperatur- und Krafteinwirkung im Verlauf ihrer Nutzung. Für die Produktentwicklung, etwa von Fahrzeugreifen und Förderbändern an Supermarktkassen, ist es deshalb wichtig, Aussagen über die Lebensdauer dieser Elastomere unter bestimmten Einflüssen treffen zu können. Wesentlich dabei ist die Bestimmung der Aktivierungsenergie der thermischen Alterung, die mithilfe der Spannungsrelaxationsmethode einfach und kostengünstig möglich ist. Bislang dauern die Messungen je nach gewählter Temperatur jedoch mehrere Wochen bis Monate. Um das Verfahren zu beschleunigen, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF einen mehrkanaligen Prüfstand für die Spannungsrelaxation von Elastomeren entwickelt. Damit ist es möglich, die Aktivierungsenergie unter sechs verschiedenen Temperaturen gleichzeitig zu testen und neben der Effizienz auch die Qualität der Lebensdauervorhersage zu verbessern.

Gleichzeitige Messung bei sechs verschiedenen Temperaturen

Die Methode der Spannungsrelaxation eignet sich besonders zur Vorhersage der Lebensdauer von Elastomeren. Dabei wird das Material unter erhöhter Temperatur um einen gewissen Betrag gedehnt, üblicherweise um zehn Prozent. Anschließend wird diese Dehnung aufrechterhalten und die Zugspannung des Materials kontinuierlich gemessen. Es lässt sich erkennen, dass die Spannung im Zeitverlauf immer weiter abnimmt, es kommt also zur Relaxation der Spannung. Ursache dafür sind Alterungsvorgänge in der Probe: physikalische und chemische Vernetzungspunkte werden abgebaut, Polymerketten durchtrennt. Diese Messungen zur Alterung von Elastomeren sind mit dem neu entwickelten Prüfstand des Fraunhofer-Instituts LBF deutlich effizienter als bislang möglich.
Der mehrkanalige Messplatz besteht aus sechs Prüfkammern, die sich unabhängig voneinander einstellen lassen. Die Darmstädter Forscher können in jeder der Kammern Proben mit einer konstanten Temperatur und einer bestimmten Wegauslenkung untersuchen. Ein Kraftsensor zeichnet die stetig sinkende Zugkraft über die gesamte Prüfdauer auf. Diese parallele Messung der Alterungsvorgänge ermöglicht eine Zeitersparnis von mehreren Wochen gegenüber einkanaligen Prüfständen.

Algorithmus zur Bestimmung der Aktivierungsenergie

Wie hoch die Aktivierungsenergie ist, lässt sich mithilfe eines Auswertealgorithmus bestimmen. Diesen haben die LBF-Forscher auf Basis der sogenannten Masterkurvenkonstruktion entwickelt. Dabei werden die Einzelkurven der unterschiedlichen Temperaturen mit passenden Verschiebungsfaktoren zu einer Masterkurve zusammengesetzt. Durch die Auftragung und Anpassung der logarithmierten Verschiebungsfaktoren in einem Arrhenius-Diagramm können die Wissenschaftler die Aktivierungsenergie bestimmen.
Mit der Methode lassen sich zu jeder beliebigen Temperatur die Verschiebungsfaktoren errechnen und dazu passende Kraft-Zeit-Kurven vorhersagen. Dies erlaubt eine Abschätzung der Lebensdauer der Materialien. Es zeigt sich, dass die Aktivierungsenergie der Spannungsrelaxation mit der aus sehr aufwändigen zyklischen Ermüdungsexperimenten übereinstimmt. »Mit dieser Methode verringert sich der Messaufwand und verkürzt sich die Materialentwicklung deutlich«, betont Dr. Dirk Lellinger aus dem LBF-Forscherteam.