Qualitätsstandards prüfen

Rohre aus thermoplastischen Kunststoffen wie Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid sind leicht und verfügen über eine hohe Korrosionsbeständigkeit sowie Beständigkeit gegenüber Chemikalien. Sie werden unter anderem in der Automobil­industrie, im Schiffbau und im Abwasser­bereich eingesetzt und müssen enormen Belastungen standhalten. Entsprechend groß ist die Anzahl nationaler und internationaler Normen sowie vorgeschriebener Prüfungen. Die Messverfahren der Rohrhersteller betreffen die Qualitätssicherung des Rohmaterials, beispielsweise die Charakterisierung des Fließverhaltens bei der Wareneingangs­kontrolle und umfassende Prüfungen des fertigen Rohrs. Dazu gehört neben dem Bestimmen der Ringsteifigkeit und -flexibilität, Zugversuchen und Schlagprüfungen auch die Empfindlichkeit auf langsames Risswachstum, eine der häufigsten Ausfallursachen bei Rohren. Für die genannten Untersuchungen bietet das Unternehmen Zwick, Ulm, Prüfmaschinen für effiziente, präzise und reproduzierbare ­Analysen an. Das Angebotsspektrum umfasst manuell zu bedienenden Varianten und  Geräten mit automatischem Prüfablauf.

Fließverhalten automatisch bestimmen

Bestimmen des Fließverhaltens mit einem Schmelzindex-Prüfgerät (Bildquelle; Zwick)

Aus dem Fließverhalten lässt sich auf den Polymerisations­grad schließen, der für die Härte und Festigkeit der Kunststoffe wichtig ist. Das Fließverhalten eines Thermoplasts lässt sich über den Schmelzfluss­index bestimmen. Man unterscheidet dabei zwischen Massefließrate (MFR) und Volumenfließrate (MVR), die unter definierten Temperaturen und Belastungen zu ermitteln sind. Die Schmelzflussindex-Messung kommt primär bei Produktions- und Wareneingangskontrollen sowie bei der Schadensanalyse zum Einsatz.
Das Schmelzindex-Prüfgerät Aflow von Zwick arbeitet anstelle der üblichen Gewichtsstücke mit einer Kraftregelung, die eine stufenlose Einstellung der Prüflasten bis 50 kg regelt. Das verringert Bedienereinflüsse und erzeugt reproduzierbare Messergebnisse. Geht es um Polymere mit unbekanntem MFR, stellt das Aflow mittels der Kennfeldsteuerung die relevanten Prüfparameter ein. Während bei klassischen Geräten die Gewichtsaufbringung oft mit einer stoßartigen Belastung verbunden ist, wird diese beim Prüfgerät aufgrund des elektromechanischen Antriebs reduziert. Damit erfolgt auch die Steuerung von Mehrstufenversuchen stoßarm.

Schmelzindex manuell oder pneumatisch bestimmen

Prüfmaschine mit Temperierkammerfür Versuche bis +250 °C (Bildquelle: Zwick)

Im Vergleich dazu arbeitet das Schmelzindex-Prüfgerät Mflow nach klassischem Verfahren mit aufgelegten Gewichten. Je nach Ausbaustufe erfolgt das Auflegen der Gewichte manuell oder pneumatisch. Zudem lässt sich das Prüfgerät mit einer Weg­messung ausstatten. Dieses bestimmt ebenfalls den MVR-Wert und passt die Prüfparameter im Rahmen der Normvorgaben an. Gesteuert wird das Mflow über die Geräteelektronik oder von einem PC aus. Die Prüfsoftware Test-Xpert II unterstützt Anwender bei der Steuerung der Fließprüfgeräte.
Die Untersuchung des Risswachstums ist notwendig, weil es bereits bei niedrigen Spannungen stattfindet. Außerdem sind Rohre aus Polyethylen wie PE 80, PE 100 oder dem verbesserten PE 100-RC (Resistance to crack) unterschiedlich empfindlich. Um den Mechanismus zu charakterisieren, werden meist Werkstoffprüfungen wie der Full Notch Creep Test (FNCT) und der Notched Constant Tensile Load Test (NCTL) eingesetzt. Um diese lang andauernden Untersuchungen zu beschleunigen, war es bislang üblich, die Prüfung mit scharfer Anfangskerbe, erhöhter Temperatur sowie beschleunigenden Tensiden durchzuführen.

Risswachstum in kurzer Zeit prüfen

Die Prüfverfahren nach ISO 18488 (Determination of Strain Hardening Modulus in relation to slow crack growth) und ISO 18489 (Determination of resistance to slow crack growth under cyclic loading – Cracked Round Bar (CRB)) ermöglichen eine Abschätzung des Risswachstums nach kurzer Prüfdauer und ohne Flüssigkeiten. Für die Anwender bedeutet das einen reduzierten Aufwand und schnell verfügbare Messergebnisse, die jedoch eine entsprechende Hard- und Software Ausstattung voraussetzen. Mit der elektromechanischen Materialprüfmaschinenserie Allround Line bietet Zwick die Geräte zum Bestimmen des Strain Hardening Modulus.

Kunststoffe schnell analysieren

Prüfmaschine mit Linearantrieb für dynamische Untersuchungen (Bildquelle: Zwick)

Die Materialprüfmaschinen sind je nach Typ erhältlich für Kräfte von 5 bis 250 kN, Raumhöhen von 1.030 bis 2.560 mm und Geschwindigkeiten von 0,00005 bis 3.000 mm/min. Die hohe Prüfgeschwindigkeit ist unabhängig von der Prüfkraft und lässt sich ohne Einschränkungen nutzen. Zur weiteren Ausstattung gehören eine Temperierkammer, die eine Zugbewegung der Klemmen von mindestens 360 mm ermöglicht, ein mechanisches oder optisches Längenänderungs-Messsystem wie den Video-Xtens sowie parallel spannende Probenhalter.
Zur Prüfung nach ISO 18488 wird ein kleiner Stab mit breiter Schulter unter Zug beansprucht. Ab einer bestimmten Zugspannung ist das Verhältnis zwischen Spannung (Kraft/Querschnitt) und Dehnung aber nicht mehr linear, da sich die Querschnittsfläche durch die Einschnürung verringert und die Spannung auf den wahren Wert ansteigt. Eine Möglichkeit, die Zugprüfung trotzdem für eine präzise Auswertung zu nutzen, bietet die Berechnung über das Neo-Hookesche Stoffgesetz, das die elastische Verformung von Festkörpern beschreibt. Das Resultat korreliert beispielsweise für ­PE mit anderen Prüfmethoden – und das bei verkürzter Prüfzeit. Die Auswertung erfolgt ebenfalls mit der Software Test-Xpert II.

Zyklische Beanspruchung

Weitere Informationen zur Rissbeständigkeit bei der Bestimmung der Dauer­Festigkeitswerte und der Lebensdauervorhersage nach ISO 18489 erhalten Anwender durch eine zyklische Beanspruchung mittels einer elektrodynamischen oder servohydraulischen Prüfmaschine. Zwick hat zu diesem Zweck die Linear Testing Maschine (LTM) entwickelt. Dabei handelt es sich um eine dynamische Prüfmaschinenreihe, deren Antrieb auf der Linear­motortechnologie basiert. Sie lassen sich aufgrund der hohen Geschwindigkeiten für dynamische Ermüdungsprüfungen und statische Werkstoffprüfungen einsetzen.

Halle/Stand 11/G40