Zu den Standardtests an Materialien zählen Zug-, Druck- und Biegeprüfungen. Speziell bei Kunststoffen geht es darüber hinaus auch um die thermische Belastbarkeit und um das Fließverhalten direkt nach der Polymerisation. Meist werden Untersuchungen an Kunststoffen noch durch Schlagprüfungen ergänzt, die das Verhalten unter schnellen Belastungen bei wechselnder Temperatur widerspiegeln. Diese Tests mit entsprechenden Prüfmaschinen und -geräten gehören zum täglichen Prozess in einem Kunststofflabor.

Ein typisches Labor ist das Leeuwenborgh Institut in Limburg in den Niederlanden. Es liegt mitten in einem Industriepark, umgeben von großen Polymerherstellern wie Sabic und Lanxess, in denen die Schüler und Studenten schon teilweise mitarbeiten. Um die Qualität eines hohen Ausbildungsstandards im Bereich Polymertechnik zu garantieren, hat sich das Institut für eine vollständige Ausrüstung des Labors mit Prüfgeräten der Firma Zwick entschieden. Auch das Unternehmen Estyrenics, ein Kunststoffhersteller in Ägypten, hat sein Prüflabor der neuen Produktionsstätte in Alexandria komplett mit Prüfgeräten des Herstellers ausgestattet und profitiert so von dessen Kompetenz.

Ein wichtiges Maß für integrierte Kunststoffkomponenten ist die sogenannte Wärmeformbeständigkeit, da es aufgrund ihres viskoelastischen Verhaltens keine obere Grenztemperatur angegeben werden kann. Zur Bestimmung dieses Parameters stehen zwei genormte Methoden zur Verfügung: die Messung der Formbeständigkeitstemperatur nach ISO 75 Heat Deflection Temperature (HDT) und die Messung der Vicat-Erweichungstemperatur Vicat Softening Temperature nach ISO 306 (VST). Mit diesen Verfahren wird die Temperatur bestimmt, bei der die genau definierte Durchbiegung einer Probe unter einer Normlast beziehungsweise die Eindringtiefe von einem Millimeter eines nadelförmigen Körpers erreicht wird. Bei den HDT/Vicat-Standardgeräten erfolgen das Absenken der Probenkörper und das Auflegen des Prüfgewichts manuell.

Prüfung der thermischen Belastbarkeit

Insgesamt stehen den Mitarbeitern im Kunststofflabor bis zu sechs Messstationen zur Verfügung. Bei Bedarf ist auch die Messung des Zeitstandverhaltens unter einer Biegebeanspruchung möglich. Eine optional erhältliche Rückkühlung des Öls als Wärmeträgerflüssigkeit ermöglicht einen hohen Prüfdurchsatz. Wird hingegen eine automatisierte Prüfung gefordert, kann der Anwender die HDT/Vicat-Allroundgeräte einsetzen, die einen automatischen Prüfablauf bieten und deutlich höhere Ansprüche in Forschung und Entwicklung erfüllen. Die Prüfungen der Formbeständigkeitstemperatur erfolgen nach ISO 75 Teil 1 bis 3 und ASTM D 648 Methode A und B, die der Erweichungstemperatur nach ISO 306 und ASTM D 1525. Geht es allein um die Bestimmung der Vicat-Erweichungstemperatur, ist auch eine ölfreie Messung möglich. Die vom Prüfgerätespezialisten entwickelten Vicat-Dry-Geräte mit Heizblock bieten mit ihrem ölfreien Messprinzip ein Arbeiten ohne Geruchsbelästigung. Die Rückkühlung erfolgt über Druckluft oder Wasser. Je nach Anforderung stehen Gerätevarianten mit zwei oder sechs Messstationen zur Verfügung.

Neue Prüfsoftware in der Materialprüfung

Die Steuerung des Versuchs und die Erfassung der Daten erfolgt über die einheitliche Prüfsoftware Testxpert II. Diese komfortable und umfassende Lösung war einer der Hauptgründe, weshalb sich die genannten Unternehmen für den Prüfgerätespezialisten entschieden haben. Sie ist benutzerfreundlich, kostengünstig, sicher und steht für eine Software-Generation in der Materialprüfung, die auf der Microsoft-Windows-Plattform aufsetzt und mit modernen Software-Technologien entwickelt wurde. Alle im Labor eingesetzten Maschinen und Geräte können mit dieser intuitiven Software bedient werden, was auch die Einarbeitungszeit der Studenten und Schüler erleichtert. Darüber hinaus arbeiten mehrere Kooperationspartner des Leeuwenborgh Instituts mit Zwick-Prüfmaschinen, sodass sich die Einarbeitungszeit in der Qualitätssicherung deutlich reduziert.

Fließeigenschaften präzise ermitteln

Ein weiterer zentraler Parameter in der Qualitätssicherung ist die Fließeigenschaft der Kunststoffschmelze direkt nach der Polymerisation. Sie ist ein wichtiges Maß für die Gleichmäßigkeit im Prozess – Chargenkontrolle – und weitere Verarbeitungsschritte wie das Spritzgießen und das Extrudieren. Die Messgrößen der Fließeigenschaft sind die Schmelze-Volumenfließrate (MVR) und die Schmelze- Massefließrate (MFR), die unter genau definierten Temperaturen und Belastungen ermittelt werden. Je nach Verarbeitungsstufe und Probendurchsatz stellen diese unterschiedliche Anforderungen an das Fließprüfgerät.

Zur Bestimmung dieser Parameter wird sowohl im Leeuwenborgh Institut als auch bei Estyrenics das vom Prüfgerätespezialisten entwickelte Fließprüfgerät Mflow eingesetzt. Es ist modular aufgebaut und lässt sich durch einen Kolbenwegaufnehmer für die Bestimmung der MVR und für eine automatische, kennfeldabhängige Parametrierung erweitern. So entsteht eine Lösung, die Messfehler automatisch minimiert. Außerdem sorgt er für die exakte Messung des Kolbenwegs. Darüber hinaus ist eine Blasenerkennung integriert, die Gaseinschlüsse in der Kunststoffschmelze erkennt und nicht in die Berechnung der Volumenfließrate übernimmt. Das Fließprüfgerät Mflow ist in seiner Basisversion ausgelegt für MFR-Prüfungen nach Methode A und ausbaubar für MVR-Prüfungen nach Methode B entsprechend den Normen ISO 1133, ASTM D 1238 und D 3364 sowie JIS K 7210.

Schlagprüfung mit hoher Reproduzierbarkeit

Im Leeuwenborgh Institut und im Prüflabor von Estyrenics werden auch Prüfgeräte für Zug-, Druck- und Biegeversuche sowie Pendelschlagwerke eingesetzt. Bei diesen Schlagprüfungen auf Basis des Charpy- oder Izod-Verfahrens ist die Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse ein wichtiger Aspekt. Die vom Prüfgerätespezialisten entwickelte Reihe der HIT-Pendelschlagwerke sind für ein Arbeitsvermögen von bis zu 50 Joule konzipiert. Sie erkennen automatisch das benutzte Pendel und ermitteln die Messwerte immer im richtigen Bereich und entsprechend der benutzten Norm. Durch den Einsatz von Carbon-Doppelstangen am Pendel wird im Vergleich zu anderen Materialien eine hohe Steifigkeit in Schlagrichtung und eine hohe Konzentration der Masse im Schlagpunkt erreicht. Zur genauen Messung des Steigwinkels ist ein hochauflösender Winkelgeber integriert. Die Anbindung an Labordatensysteme erfolgt über eine RS232-Schnittstelle und der PC-Anschluss mit Plug-and-play über eine USB-Schnittstelle.

Für statische Materialprüfungen mit Zug-, Druck- und Biegeversuchen hat der Prüfgerätespezialist unterschiedliche Baureihen entwickelt, um für jede Anwendung eine Prüfmaschine mit einem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis anbieten zu können. So stehen den Mitarbeitern bei Estyrenics zur Durchführung von Zugversuchen, beispielsweise nach ISO 527, und Biegeversuchen, beispielsweise nach ISO 178, zwei Tischprüfmaschinen der Proline-Reihe zur Verfügung. Sie sind für Kräfte von 5 kN bis 100 kN konzipiert und ermöglichen durch die präzise Führung und den verschleißarmen Kugelgewindetrieb ein reproduzierbares und sicheres Arbeiten im Zug- und Druckbetrieb.

Während die Proline-Reihe hauptsächlich für die standardisierte Prüfung entwickelt wurde, erfüllt die im Leeuwenborgh Institut eingesetzte Allround-Line-Reihe deutlich höhere Anforderungen. Durch die Kombination einer wartungsfreien, digital angesteuerten AC-Antriebstechnik und eines Motorfeedback-Systems werden auch bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr gute Gleichlaufwerte erreicht. Ergänzt wird die Ausstattung im Leeuwenborgh Institut durch eine automatische Kerbfräse ZNO, ein Rockwell-Härteprüfgerät 4150 AK sowie ein analoges Shore-Härteprüfgerät. Diese wurden ebenfalls beim Prüfgerätespezialisten entwickelt und haben sich seit Jahren in vielen Anwendungen der Kunststoffprüfung bewährt.

 

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Über den Autor

Wolfgang Mörsch ist Marketingleiter bei Zwick, Ulm. wolfgang.moersch@zwick.de