Aus Schaden wird man klug

Fehler an oder gar Versagen von Kunststoffbauteilen können verschiedene Quellen haben: Fehler bei Konstruk­tion und Werkstoffauswahl: Häufig ist die Hauptursache die an Metallen orientierte Ausbildung der Konstruk­teure. Daher unterschätzen sie die Besonderheiten des Gebrauchsverhaltens von Kunststoffen: Viele Kunststoffe sind kerbempfindlich, neigen zum Kriechen, können im Gebrach relativ starke Maß- und Eigenschaftsschwankungen durch Temperatur- oder Medieneinwirkung erfahren, können altern. Zudem ist eine Anforderung wie „heißwasserbeständig“ unpräzise. Man muss sogleich fragen: Wie „heiß“, was für ein „Wasser“ und was bedeutet „beständig“? Daher sollte immer ein konkretes Prüfverfahren mit quantitativen Zielwerten spezifiziert werden.

Außerdem unterscheiden Konstrukteure die verschiedenen Varianten eines Polymers oftmals nicht hinreichend. Beispiel Polypropylen (PP): Es gibt Homo-, Block- und Random-Copolymere, Varianten mit unterschiedlicher Taktizität und Kristallinität, nukleierte Varianten etc., die sich alle in ihren Eigenschaften unterscheiden. Daher können sich nominell gleiche Polymere in ihren Fließeigenschaften erheblich unterscheiden. Wählt man aus fertigungstechnischen Gründen ein sehr leicht fließendes Material, sind damit eventuell Einbußen in anderen Eigenschaften verbunden, zum Beispiel der Schlagzähigkeit. Außerdem enthält fast jeder handelsübliche Kunststoff Additive und Füllstoffe, die neben den beabsichtigten Wirkungen auch unerwünschte Nebenwirkungen haben können.

Fehler bei der Bauteilherstellung

Die Verarbeitung beeinflusst die Festigkeit und Zähigkeit. Hat der Konstrukteur dieses bei der Bauteilauslegung hinreichend berücksichtigt, muss jetzt darauf geachtet werden, dass die Verarbeitungsparameter innerhalb bestimmter Grenzen bleiben.

Andererseits muss sich der Verarbeiter gelegentlich mit schwankenden Verarbeitungseigenschaften der Rohstoffe herumschlagen. Diese Schwankungen werden dann oft durch Änderungen der Maschineneinstellungen kompensiert, was natürlich wieder die Bauteileigenschaften (zum Beispiel Eigenspannungen) beeinflusst.
Überbeanspruchung im Gebrauch ist ebenfalls eine potenzielle Versagensquelle. Es können verschiedenen Arten von Überbeanspruchung und Kombinationen davon auftreten:

Mechanische Überbeanspruchung, die sich eher mikroskopisch als thermo­analytisch feststellen lässt. Eine thermische Überbeanspruchung kann zu reversiblem Eigenschaftsabbau führen, aber auch zu irreversibler Schädigung der Makromoleküle durch Kettenabbau und Oxidation. Chemische oder physikalische Umgebungseinflüsse können ebenfalls reversible Eigenschaftsänderungen hervorrufen oder zum irreversiblen Molekülabbau führen.

Eine häufig übersehene Fehlerquelle sind die Transport- und Lagerungsbedingungen zwischen den einzelnen Elementarprozessen. Dabei können auch hier thermische oder chemische Beanspruchungen zu Materialveränderungen führen; zum Beispiel Ausgasungen aus einer benachbarten Palette.

All das kann also schief gelaufen sein, wenn einBauteil seine Aufgabe nicht erfüllt oder frühzeitig ausfällt. Das Kunststoff-Kompetenzzentrum (KUK) der Fachhochschule Lübeck versucht mit verschiedenen Methoden, die Schadensursache zu ermitteln.

Die Wärme gibt Aufschluss

Neben den klassischen Verfahren wie visuelle Begutachtung, (rasterelektronen-)mikroskopische Begutachtung sowie Überprüfung der Dimensionierungsverfahren finden bei der Schadensanalyse an Kunststoffen besonders die thermoanalytischen Verfahren Verwendung. Dazu gehört die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC). Das Prinzip der DSC [4-6] ist recht einfach: Wenige mg der Probe werden in ein kleines Aluminium-Pfännchen gelegt und langsam aufgeheizt. Finden in der Probe endo- oder exotherme Vorgänge statt, ändert sich die Temperaturkurve der Probe. Während der ersten Aufheizung beeinflussen eingefrorene Verarbeitungseffekte die DSC-Kurve; dieser Teil der Kurve lässt also Rückschlüsse auf Verarbeitungsfehler zu. Die zweite Aufheizphase enthält dann nur noch die materialtypischen Vorgänge, die sich durch Schädigung verändern. Die dazwischen liegende Abkühlphase gibt Aufschluss über die Vorgänge, die bei der Abkühlung eines Bauteils im Werkzeug stattfinden.

Eine weitere Methode ist die Thermogravimetrische Analyse mit FTIR-Kopplung (TGA-FTIR) [7]. Dazu benötigen die Wissenschaftler eine Mikrowaage in einem Ofen. Letzterer kann mit verschiedenen Gasen (zumeist Stickstoff oder Luft) durchströmt sein. Wenige mg der Probensubstanz werden mit einem Tiegel auf die Mikrowaage gegeben und langsam aufgeheizt. Das ruft Vorgänge wie Verdampfung, Zersetzung oder Oxidation hervor. Das Probengewicht ändert sich dabei, was die Waage registriert. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise leichtflüchtige Anteile wie Weichmacher quantitativ bestimmen. Nichtbrennbare anorganische Substanzen bleiben als Restmasse übrig, ebenso lassen sich metallische Anteile und Kreide als Füllstoff quantifizieren. Zusätzlich können die ausgasenden Substanzen durch einen Schlauch in ein Infrarot-Spektrometer geleitet werden. Mit diesem lassen sich Gase identifizieren. Zusätzlich lässt sich das gekoppelte Infrarotspektrometer auch für einfache Infrarotanalysen des unbehandelten Probenmaterials nutzen (Reflek­tion oder Transmission).

Die Thermomechanische Analyse (TMA) oder auch Dilatometer benötigt eine kleine Probe des Bauteils, das in eine sehr empfindliche Höhenmess­einrichtung eingespannt und mit wenigen mN belastet wird. Nun erhöht der Versuchsleiter die Temperatur sukzessive, wodurch sich die Probe ausdehn, was die Höhenmesseinrichtung erfasst. Daraus lässt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient berechnen. Für die Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) [8] wird eine Probe in einem kleinen Ofen langsam erwärmt und dabei mit geringer Amplitude schwingend belastet. Gemessen werden hier der Elastzitäts-Modul sowie die Dämpfung als Funktion der Temperatur.

Der Teufel steckt im Detail

Mit diesen Methoden versucht das KUK der Fachhochschule Lübeck den Fehlerursachen auf die Spur zu kommen. Wie in dem Fall eines frühzeitig defekten Schnapphakens. Dieser verlangt keine großen Kräfte zum Öffnen. Der Nutzer biegt den Haken daher bis an den Anschlag durch. Der Anschlag sollte das Durchbiegen daher so begrenzen, dass auf der zugbeanspruchten Außenseite keine Risse auftreten. Im vorliegenden Schadensfall hat der Konstrukteur aber keine solche Überlegungen vorgenommen.

Eigene Berechnungen des KUK zeigten, dass die Randfaserdehnung das für den Werkstoff zulässige Maß überschreitet. Jetzt wurde eine weitere Methode der Schadensanalyse angewandt: Der Nachstellversuch. Bereits bei einmaliger Betätigung entstanden die in der Ausschnittvergrößerung sichtbaren Mikrorisse (Weißbruch). Ergebnis der Detektiv­arbeit: Die Bauteildimensionierung berücksichtigt die werkstoffspezifischen Eigenschaften unzureichend.
Komplexer war der folgende Kon-struktionsfehler, bei dem die Projektverantwortlichen einen ungeeigneten Werkstoff auswählten. Dabei handelt es sich um eine Gummimembran aus einem Ventil, das einem aggressiven Gas ausgesetzt ist.

Als Material wurde Fluorkautschuk FKM gewählt, weil dieser beständig ist gegen das Gas. „Beständig“ heißt allerdings nicht „undurchlässig“. Das Medium konnte also die Membran durchdringen, ohne sie zunächst zu schädigen, traf dann auf das Verstärkungsgewebe. Eine IR-Analyse zeigte, dass es sich hierbei um Aramidfasern handelt. Diese sind jedoch unbeständig gegen das Medium und wurden folglich zerstört. Dabei entstanden Amide und Amine, die wiederum das FKM angriffen. Als Beweis zeigte eine IR-Analyse große Mengen an Aminen und Amiden, die im Ausgangsmaterial ursprünglich nicht vorhanden waren.

Ein weiteres Beispiel zeigt das unterschiedliche Verarbeitungsverhalten durch übliche Chargenschwankungen eines Rohstoffs: Ein Bauteil besteht aus PP-Rezyklat. Bei einer Charge tauchten plötzlich orangenhautartige Verwerfungen der Oberfläche auf. Zunächst vermutete der Verarbeiter, dass die beanstandete Charge eine zu hohe Viskosität habe. Daher hat er je ein Gut- und ein Schlechtbauteil gemahlen und den Fließindex MVR gemessen. Dabei stellte der Verarbeiter keinen signifikanten Unterschied fest. Eine DSC-Analyse zeigte dagegen: Das reklamierte Material zeigte die erwarteten PP- und PE-typischen Schmelzpeaks, zusätzlich jedoch auch einen kleinen Schmelzpeak bei 178 °C. Offenbar waren kleine Mengen an Verunreinigungen enthalten, wahrscheinlich PA12. Die Abkühlkurve zeigte, dass diese Verunreinigungen bereits bei 153 °C kristallisieren. Das liegt knapp 50 °C über dem Basismaterial. Diese Verunreinigungen kristallisieren also an der gekühlten Werkzeugwand aus und die Scherung der Schmelze schiebt sie wie ein Tischtuch zusammen, wobei sich die Wellenstrukturen bilden. Die Fließindex-Messung konnte diesen Fehler nicht entdecken. Denn die Düse des MVR-Geräts ist bei PP 230 °C heiß, sodass die Verunreinigung noch nicht kristallisierte.

Einen Fehler im Verarbeitungsprozess belegt dagegen das nächste Beispiel. Ein 5 m langes Rohr aus PEEK wurde im Extrusionsverfahren hergestellt. Einige dieser Rohre verkürzten sich im Gebrauch plötzlich um 5 mm, weshalb sie an den Enden undicht waren. Eine TMA-Messung gab hier näheren Aufschluss: Die Wärmeausdehnungskurve des PEEK war so, wie sie sein soll: Bei ca. 150 °C wird die Kurve etwas steiler, da hier die Glasübergangs­temperatur TG überschritten wird. ­Allerdings wurde diese Kurve erst im 2. Heizzyklus gemessen, nachdem das PEEK einmal bis 250 °C aufgewärmt und wieder abgekühlt wurde. Durch diesen ersten Heizzyklus werden die Verarbeitungseffekte getilgt und das Verhalten des Materials im thermodynamischen Gleichgewicht wird sichtbar. Der erste Heizzyklus ist dagegen noch von der Verarbeitung beeinflusst. Bei Überschreitung von TG schrumpft das Rohr um 0,1 Prozent, also bei 5 m Länge um 5 mm. Der Grund: Durch die Verarbeitung werden Molekülorientierungen erzeugt und durch zu rasche Abkühlung eingefroren. Bei TG werden die Moleküle wieder so beweglich, dass sie in den thermodynamisch günstigeren relaxierten Zustand übergehen. Auf Basis dieser Analyse wurde der Verarbeitungsprozess so umgestellt, dass dieser keine Orientierungen mehr einfror.

Literatur

[1] VDI 3822, Blatt 2.1.1. ff, 2010/2011
[2] S. Pongratz, G. W. Ehrenstein, Systematische Schadensanalyse an Kunststoffbauteilen, Kunststoffe 6 (2006), S. 87-91
[3] S. Pongratz, K. Marchetti, Systematische Schadensanalyse an Elastomeren, Kunststoffe 11 (2007), S. 44-49
[4] G. W. Ehrenstein, G. Riedel, P. Trawiel, Praxis der Thermischen Analyse von Kunststoffen, Hanser Verlag, München, 2003
[5] A. Frick, C. Stern, DSC-Prüfung in der Anwendung, Hanser Verlag, München, 2006
[6] EN ISO 11357-1, Kunststoffe – Dynamische Differenz-Thermoanalyse (DSC) – Teil 1: Allgemeine Grundlagen
[7] DIN EN ISO 11358, Kunststoffe – Thermogravimetrie (TG) von Polymeren – Allgemeine Grundlagen
[8] DIN EN ISO 6721, Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften
[9] Ph. Vanspeybroeck, A. Dewilde, Determination of the Degree of Gelation of PVC-U using a DSC, PVC Technology Conference, Loughborough (2003)