Lebensdauer von Thermoplasten Datenbank für sichere Kunststoffauslegung

Das Fraunhofer LBF stellt eine Schwingfestigkeits-datenbank für Thermoplaste bereit. Mit über 11.000 Versuchsproben und rund 1.300 Wöhlerkurven lässt sich die Lebensdauer dynamisch belasteter Bauteile prognostizieren. Dadurch sinken Entwicklungszeiten und Erprobungsrisiken in der Serienvorbereitung.

Technische Kunststoffe übernehmen in der Praxis zunehmend tragende Funktionen unter komplexen mechanischen und thermischen Bedingungen. Für die präzise Bauteilauslegung und Werkstoffauswahl bildet das Werkstoffverhalten unter Wechselbelastung die zentrale Stellschraube. 

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt bündelt hierzu Versuchsdaten aus mehr als drei Jahrzehnten in einer spezifischen Schwingfestigkeitsdatenbank für Thermoplaste. Baugruppenentwickler und Verarbeiter erhalten damit eine datenbasierte Grundlage, um die Betriebsfestigkeit hochbelasteter Komponenten bereits in einer frühen Entwicklungsphase verlässlich abzusichern.

1.300 experimentell ermittelte Wöhlerkurven

Das Datensystem umfasst die Auswertung von mehr als 11.000 untersuchten Kunststoffproben sowie rund 1.300 experimentell ermittelten Wöhlerkurven. Die Erfassung berücksichtigt spezifische Thermoplaste, unterschiedliche Additivierung, Konditionierungszustände sowie geometrische Kerbwirkungen, Umgebungstemperaturen und Mittelspannungen.

„Die Daten zeigen, wann diese Faktoren die ertragbare Schwingfestigkeit deutlich verändern und auf welche äußeren Belastungen besonders geachtet werden muss“, erklärt Dr. Dominik Spancken, Senior Wissenschaftler am Fraunhofer LBF. Durch die systematische Abbildung material- und prozessbedingter Einflussgrößen verringert sich der experimentelle Validierungsaufwand im Serienanlauf deutlich.

Auf Basis des Datenbestands entwickelt das Forschungsinstitut mathematische Auswertealgorithmen sowie einen Wöhlerliniengenerator kontinuierlich weiter. Das digitale Werkzeug berechnet aus vorhandenen Kennwerten spezifische Wöhlerlinien für variierende Parameter wie Faserorientierung, Kerben oder Betriebstemperaturen. „Das hilft Unternehmen, Evaluationen gezielter zu planen und kritische Einflüsse wie Medienkontakt, Alterung oder reale Lastkollektive stärker zu berücksichtigen“, erläutert Spancken. Die rechnerische Vorausschau reduziert die Anzahl notwendiger Bauteilversuche, ohne die Zuverlässigkeit der Sicherheitsnachweise zu beeinträchtigen.

Praxisvalidierung an komplexen Funktionsbauteilen

Die praktische Anwendbarkeit der Datenbank demonstriert das Institut am Beispiel eines Geräteträgers für den Türöffnungsmechanismus in einer Geschirrspülmaschine. Die Komponente muss über eine geforderte Lebensdauer von 18 Jahren rund 100.000 Belastungszyklen bei einer Temperatur von 50 °C schadensfrei überstehen.

Das Fraunhofer LBF analysierte die Wechselwirkungen aus Faserorientierung, Kerbwirkung, Mittelspannung und Einsatztemperatur für die Anwendung und leitete daraus die spezifischen Wöhlerkurven ab. Nachfolgende physikalische Bauteilversuche bestätigten die rechnerische Prognose mit hoher Genauigkeit.

Potenziale für Leichtbau und Second-Life-Konzepte

Über die klassische Erstauslegung hinaus erweitert das Fraunhofer LBF die Datenbank um neuartige Lebensdauermodelle zur Ermittlung der Restlebensdauer genutzter Baugruppen. Diese Berechnungsverfahren ermöglichen präzise Bewertungen bezüglich der Reparaturfähigkeit, der Wiederverwendung in Second-Life-Anwendungen sowie einer gezielten Massenreduktion im Leichtbau. Verarbeitende Betriebe und Systemlieferanten können somit Risiken in der Produktentwicklung früher identifizieren, Versuchsaufläufe reduzieren und Serienanläufe beschleunigt realisieren.