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Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Kunststoffen bei hohen Dehnraten am Beispiel von PP
(2006) Keuerleber, Martin; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung des E-Moduls bei hohen Dehnraten und hierfür ein kos-tengünstiges Prüfverfahren mit hoher Messqualität und Reproduzierbarkeit zu entwickeln. Dazu werden zwei verschiedene Ansätze untersuch. Direkte Bestimmung des E-Moduls aus uni-axialen Zugversuchen: Bei der direkten Bestimmung des E-Moduls wird dieser manuell bzw. automatisiert aus Spannungs-Dehnungs-Kurven von Zugversuchen ermittelt. Uni-axiale Zugversuche wurden bei verschiedenen Geschwindigkeiten (0,0001 m/s bis 8 m/s) und Temperaturen (-10 °C bis 40 °C) durchgeführt. Dazu wurde eine neue Versuchsvorrichtung für Schnell-zerreißversuche (Geschwindigkeit > 0,001 m/s) entwickelt und gebaut sowie eine Versuchsdurchführung und –auswertung erarbeitet. Einflussfaktoren auf die Versuchsergebnisse wurden untersucht, insbesondere die Messung des Prellschlags mittels Beschleunigungssensoren und die Dehnungsberechnung mit der reduzierten Einspannlänge nach DIN 53455. Die manuelle Auswertung des E-Moduls im linearelastischen Bereich (Bereich mit konstanter Steigung) ist personenabhängig und nicht reproduzierbar. Durch eine Optimierung konnte sie als Referenz für das automatisierte Auswerteverfahren verwendet werden. Indirekte Bestimmung des E-Moduls aus Schub- und Kompressionsversuchen: Bei der indirekten Bestimmung wird der E-Modul mit Hilfe der FEM-Software MARC® berechnet. In der Software wurde ein allgemeines viskoelastisches Maxwell-Modell über eine User-Subroutine implementiert und die Parameter der Maxwell-Elemente aus Schub- und Kompressionsversuchen bestimmt. Die Schubmodule wurden frequenz- und temperaturabhängig gemessen, daraus eine Mas-terkurve erzeugt und diese in ihr Relaxationsspektrum und die Verschiebefaktoren aTS zerlegt. Für die Anpassung der Verschiebefaktoren wurde ein neuer empirischer Ansatz über eine Arkustangens-Funktion erarbeitet, da WLF- und Arrhenius-Funktionen nicht anwendbar waren. Eine Versuchsvorrichtung wurde entwickelt und gebaut, um den Kompressionsmodul aus Relaxations-Isothermen zu gewinnen. Entsprechend den Schubversuchen wurde eine Masterkurve erzeugt und für die Anpassung der Verschiebefaktoren ein Ansatz mittels Arkustangens-Funktion verwendet. Die Verschiebefaktoren aTK aus den Kompressions-versuchen unterscheiden sich von denen aus den Schubversuchen. Für Geschwindigkeiten größer 0,3 m/s sind die mit der Simulation ermittelten E-Module um bis zu 20 % kleiner gegenüber dem manuellen Verfahren. Dies ist einerseits auf das nichtlineare Materialverhalten von iPP und andererseits auf die nicht vorhandene Volu-menkonstanz zurück zu führen. Somit gewinnen die automatisierten Auswerteverfahren zur direkten Bestimmung des E-Moduls an Bedeutung. Es wurde ein neuer Ansatz gefunden, der dem Einlaufverhalten der Spannungs-Dehnungs-Kurven aus den Schnellzerreißversuchen gerecht wird. Die untere Grenze des Auswerteintervalls repräsentiert den Wendepunkt der Kurve, der mittels Differen-zenquotienten berechnet wird. Die Größe des Auswerteintervalls ist konstant und wurde em-pirisch ermittelt, damit ist auch die obere Grenze des Intervalls definiert. Die Abweichung zum manuellen Auswerteverfahren ist im Allgemeinen kleiner 10 %. Die Übertragbarkeit des Auswerteverfahrens wurde an einem Airbag-Cover-Material und an einem Langglasfaser verstärkten PP-Material (PP-LGF) überprüft. Für das steifere Material (PP-LGF) war die Übertragbarkeit gegeben, da die Intervallgröße passend war. Für das weni-ger steife Material (Airbag-Cover-Material) musste die Intervallgröße angepasst und vergrößert werden. Eine allgemeine Anwendbarkeit auf beliebige Materialien bei angepasster Inter-vallgröße ist gegeben.