Neue Untersuchungsmöglichkeiten zur umfassenden Härtecharakterisierung von Kunststoffen

Mit der zunehmenden Miniaturisierung von Formteilen und der Verbreitung von Dünnwandspritzgusserzeugnissen können Formteileigenschaften durch klassische Prüfverfahren nicht mehr oder nur mit größeren Einschränkungen abgebildet werden. Das gilt auch für die Härtecharakterisierung. Eine neue Möglichkeit ist die registrierende Kleinlasthärteprüfung. Sie schließt die Lücke zwischen der klassischen und der Nano-Härteprüfung und liefert umfassende Werkstoffinformationen.

Entwicklung eines neuen Kleinlasthärteprüfsystems

Bei der Herstellung von Mikroformteilen im Spritzgussverfahren werden Werkstoffkennwerte benötigt, die eine sichere Beurteilung der Formteileigenschaften ermöglichen.

Dazu wurde im Rahmen eines durch den Freistaat Sachsen geförderten Verbundprojektes ein Versuchsaufbau für das Kleinlast-Prüfverfahren im Kraftbereich bis 100 N entwickelt und umfangreich getestet. Verbundpartnern hierfür sind Hegewald & Peschke Mess- und Prüftechnik GmbH (Nossen) und Asmec GmbH (Radeberg), am KuZ in Leipzig wurde dazu der kunststoffspezifische Teil bearbeitet.

Das Kleinlasthärteprüfsystem nach ISO 14577-2 (ISO 14577-1:2002) weist folgende Merkmale auf

• Der Prüfvorgang kann kraft- oder eindringtiefengeregelt erfolgen.
• Während des gesamten Prüfzyklus werden die Prüfkraft F und die entsprechenden Eindringtiefen als Echtzeitdaten aufgezeichnet.

Technischen Daten “Kleinlasthärteprüfsystem Inspect micro S500N“

• Software: Lab Master (Hegewald & Peschke GmbH); Ident Analyzer
  (ASMEC GmbH)
• Lastprüfbereich 1 bis 100 N
• Eindringtiefen: einige μm bis einige 0,1 mm
• Integrierter Sensor für Deformationskorrekturen im Bereich des Probenträgers
• Nachgiebigkeitskorrektur bei der Berechnung der Kennwerte
• Eindringkörper: Vickers- Pyramide

  

Schematische Darstellung Eindringvorgang, links Vickers-Pyramide während und nach der Entlastung, rechts Kraft-Eindringtiefen-Kurve

Versuchsaufbau registrierendes Kleinlasthärte-Prüfverfahren

Messungen an unterschiedlichen Werkstoffen und Prüfkörpern

Im Rahmen des Untersuchungsprogramms wurden Messungen an Proben unterschiedlicher Werkstoffe durchgeführt. Nachstehende Tabelle zeigt die untersuchten Werkstoffe, weist auf unterschiedliche Probekörper hin und benennt die ermittelten Messgrößen.

Platte (100 x 100 x 1,4) mm, Mikroplatte (8 x 8 x 0,65) mm

Elastische Härtekennwerte an Polyamidplatten

Die Bilder (siehe unten) zeigen beispielhaft einige Ergebnisse, die an Polyamidplatten 100 x 100 x 1,4 mm3 gewonnen wurden. Die Prüfgrößen NIT und der elastische Eindringmodul sind in Abhängigkeit von der Prüfkraft für die untersuchten Proben im angußnahen und -fernen Bereich dargestellt. Beide Kenngrößen verändern sich mit zunehmenden Prüfkräften (zunehmenden Eindringtiefen) deutlich und können so zur Untersuchung von Randschichten (Oberflächeneigenschaften) genutzt werden. Für höhere Prüfkräfte ab 40 N (Eindringtiefen ab 130 µm) verändern sich der elastische Anteil der Eindringarbeit NIT und der elastische Eindringmodul E nur noch unwesentlich. Vergleiche zeigen, dass der elastische Eindringmodul E gut mit den E-Modul des klassischen Zug-Modul nach DIN EN ISO 527 korreliert.

Sensibles Verfahren für Mikroprüfkörper

An Mikroplatten wurden vergleichende Messungen in Abhängigkeit vom Messort und den Spritzgießbedingungen durchgeführt. Im Ergebnis der Auswertungen stellt sich das entwickelte Verfahren der instrumentierten Kleinasthärteprüfung als ein sehr sensibles Verfahren zur Charakterisierung der Härte und anderer werkstofftechnischer Kennwerte aus einem Tiefenbereich von ca. 20 bis 200 μm dar. Der Einfluss der Spritzgießbedingen lässt sich deutlich und auch ortsaufgelöst nachweisen.

Die erzielten neuen Erkenntnisse bezüglich der Anwendung der registrierenden Kleinlasthärte betreffen wichtige Aspekte zur Methodik der Prüfung von Mikroformteilen. So können die Auswirkungen größen- und herstellungsbedingter Effekte auf das Bauteilverhalten wissenschaftlich tiefer durchdrungen werden. Dadurch sind wesentliche Beiträge zur Optimierung der Verarbeitungsbedingungen mit Mikrospritzgießmaschinen, der Entwicklung der Bauteilqualität und der Erhöhung der Bauteilsicherheit möglich.

Neben Mikroformteilen können grundsätzlich Formteile beliebiger Größe untersucht werden. Hierzu müssen den Formteilen geeignete Prüfkörper entnommen werden, wie das auch für andere Verfahren üblich ist.