Die Zahl und der Anteil von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen wachsen seit Jahren stetig. Bislang fehlte es an zuverlässigen werkstoffspezifischen Prüfverfahren und Bemessungskonzepten, die Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer von Kunststoffkomponenten ermöglichen. Im Rahmen eines BMBF-Wing-Projektes wird hierzu unter der Leitung der Robert Bosch GmbH an neuen Werkstofftechnologien gearbeitet. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt entwickeln derzeit eine Simulationsmethode, die die Ermüdung und Alterung von Kunststoffbauteilen unter unterschiedlichen Umwelteinflüssen zuverlässig abschätzt.


An bauteilähnlichen Proben aus thermoplastischen Werkstoffen haben die Wissenschaftler das Werkstoffverhalten in Abhängigkeit von Material, Geometrie, Fertigungs- und Umwelteinflüssen (Temperatur, Benzin, Öl) in Labortests untersucht. Diese Parameter sind entscheidend für die Festigkeit, Belastbarkeit und Lebensdauer der Materialien.

Die Wirkungszusammenhänge der Parameter auf die Ermüdung der Werkstoffe können anschließend in einer numerischen Bauteilsimulation abgebildet werden.

»Wir analysieren zunächst die Schwingfestigkeit von in einem Benzinbad liegenden Kunststoffproben und leiten zyklische Belastungen ein«, sagt Andreas Büter, Abteilungsleiter am LBF. »Je nach dem bei welcher Belastung die Proben ermüden beziehungsweise brechen, lässt sich die Schwingfestigkeit, also die Abhängigkeit von eingebrachter zyklischer Last zur maximal zulässigen Anzahl an Schwingungen berechnen.« Mit den Ergebnissen ermitteln die Forscher ein Diagramm, auch Wöhlerlinie genannt, mit der sie statistische Aussagen zur Lebensdauer eines Bauteils treffen können.

Wie beispielsweise der Kraftstoffverteiler etwa Motorschwingungen bei gleichzeitigem Kontakt mit Benzin übersteht, simulieren sie basierend auf den Ergebnissen über ein numerisches Bauteilmodell. »Wir berechnen, welche Spannung und Dehnung im Material bei verschiedenen Belastungen auftritt«, sagt Büter. »Über Experimente wissen wir, welche Spannungen das Material unbeschadet übersteht und bei welchen Dehnungen es beschädigt wird. So können wir die Lebensdauer von Kunststoffkomponenten zuverlässig bewerten«.

Ziel der werkstoffspezifisch angepassten Simulationsmodelle ist es - ähnlich wie bei metallischen Komponenten - die Alterung und die Auswirkungen verschiedener Umwelteinflüsse auf Kunststoffbauteile bereits im Entwicklungsprozess berücksichtigen zu können. Damit sollen künftig kosten- und zeitintensive Form- und Bauteiländerungen reduziert werden.