In diesem Aufsatz wird die Anwendung eines automatischen Messsystems zur Ermittlung der Eigenspannungen nach dem Bohrlochverfahren beschrieben. Für das automatische Messsystem Restan MTS 3000 wurde geeignetes Zubehör entwickelt, das im Wesentlichen aus einem mit sehr niedriger Drehzahl laufenden Elektromotor und einem elektronischen Steuerungssystem besteht.

1. Einleitung

Im Lauf der letzten fünfzig Jahre hat die Kunststoffindustrie eine erstaunliche Entwicklung zurückgelegt und die Stahlindustrie auch bei technischen Anwendungen überflügelt. Dies hat dazu geführt, dass neue, synthetische Stoffe die klassischen Werkstoffe nach und nach ersetzen und Strukturen, ergonomische Formen und Produktionsprozesse von Grund auf neu überdacht werden.

Der Grund, warum sich die Nutzung dieser Werkstoffe in so weiten Bereichen durchgesetzt hat, liegt im Wesentlichen daran, dass sie billig und leicht zu verarbeiten sind und die gewünschten mechanischen Eigenschaften nach Bedarf gestaltet werden können. Dies erfordert eine immer genauere und gründliche mechanische Charakterisierung, und in diesem Zusammenhang hat sich die Notwendigkeit ergeben, den Wert der Eigenspannungen, die in diesen Werkstoffen durch spanende Bearbeitung hervorgerufen werden, zu kennen und zu untersuchen.

Auch Faktoren wie der Fluss der Polymerschmelze, die Druckverteilung, ein ungleichmäßiges Temperaturfeld und die Dichteverteilung führen alle zu Eigenspannungen bei Polymer-Spritzgussteilen. Diese Beanspruchungen wirken sich auf die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffteile aus und können zusätzlich zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Maßinstabilität und der Bildung von Spannungsrissen aufgrund von Umgebungseinflüssen auch die endgültige Form verändern und die Lebenserwartung des Produkts erheblich verkürzen. Eigenspannungen treten in Kunststoffen zwar häufig auf, ihre Größenordnung ist jedoch schwer vorherzusagen, da sie von einer Vielzahl unterschiedlicher Variablen abhängt, u. a. der Gestaltung der Form sowie Material- und Verarbeitungsparametern. Umso wichtiger ist es, über eine zuverlässige Technik zur Bewertung der in Kunststoffkomponenten auftretenden mechanischen Spannungen zu verfügen.

Das Bohrlochverfahren mit Dehnungsmessstreifen (DMS) ermöglicht die Messung der Eigenspannung in einer breiten Palette von Kunststoff-Formteilen. Es bietet den Vorteil, dass Messungen auf einer kleineren Fläche durchgeführt werden können. Eine spezielle DMS-Rosette wird auf die Oberfläche der Probe geklebt, danach wird ein Loch exakt durch die Mitte der Rosette gebohrt. Die an der Oberfläche gemessenen Dehnungen entsprechen den während des Bohrvorgangs relaxierten Spannungen. Mit Hilfe der gemessenen Dehnungen und geeigneten Modellen (z. B. ASTM E837) ist es möglich, die Spannungen entlang der beiden Hauptachsen und ihre Richtung zu berechnen.

2. Messsystem

Abbildung 1: a) Angepasstes System MTS 3000 zum Messen von Eigenspannungen in Kunststoffen
b) Speziell entwickeltes Bohrwerkzeug
c) Bohrer mit 2 Schneidkanten

Der mechanische Aufbau des Bohrsystems wird in Abbildung 1a gezeigt. Es basiert auf dem kombinierten System Restan - MTS 3000, das von SINT Technology entwickelt wurde und in Zusammenarbeit mit HBM vermarktet wird. Abbildung 1b zeigt das speziell entwickelte Bohrwerkzeug, mit dem Löcher mit weniger als 200 U/min gebohrt werden können.

Diese Drehzahl minimiert die lokale Erwärmung und die Entstehung von Eigenspannungen in dem zu analysierenden Werkstoff. Das Schneidwerkzeug ist in Abbildung 1c zu sehen. Es handelt sich um einen Spiralbohrer mit 1,6 mm Durchmesser und zwei Schneidkanten senkrecht zur Vorschubrichtung, der bei geringer Vorschubgeschwindigkeit Bohrungen mit ebenem Boden herstellt.

Das Bohrsystem wird über das elektronische Steuerungssystem und die Software zur Steuerung des Bohrvorgangs mit Strom versorgt und automatisch gesteuert, sodass der Bohrvorgang vollautomatisch ablaufen kann. Die gesamte Messvorrichtung kann per Fernsteuerung betrieben werden. Diese Option ist deshalb empfehlenswert, weil so äußere Einflüsse durch den Bediener während des Messprozesses minimiert werden können.

Abbildung 2 zeigt eine DMS-Rosette mit drei Elementen und Anschlusskabel, die besonders gut für die Versuche geeignet ist, da sie nicht nur die Installation beschleunigt, sondern weil auch keine Wärme durch das Löten von Drähten erzeugt wird. Um die im Prüfkörper herrschenden Eigenspannungen zu ermitteln, werden zunächst die Spannungswerte mit den Gittern des DMS gemessen, das auf die Oberfläche der Komponente geklebt wurde.

Die erfassten Daten wurden in dem konkreten Fall mit einer Spezialversion der Software EVAL verarbeitet, die von SINT Technology srl speziell für die Verarbeitung von mechanischen Spannungen in Kunststoffen entwickelt worden war. Diese Version wendet zu Anfang eine optimiere Polynominterpolation der gemessenen Dehnungen an.
Die Dehnungsmessungen werden nach den Bestimmungen der Norm ASTM E837 verarbeitet.

Abbildung 2 - Rosette: HBM K-RY61-1.5/120R-3 mit Anschlusskabel

3. Versuchsdurchführung

Die wesentlichen Arbeitsschritte, die bei der Anwendung des Bohrlochverfahrens auf Kunststoffe auszuführen sind, werden nachfolgend beschrieben.

  • Die Oberfläche mit einem geeigneten Reinigungsmittel reinigen, um ggf. vorhandenen Schmutz zu entfernen, der ein gutes Anhaften der DMS auf der Oberfläche des Polymers verhindern könnte.
  • Die DMS mit einem Klebstoff, der die Eigenschaften des Polymers nicht verändert, auf der Oberfläche des Polymers befestigen. Ein Cyanacrylatkleber ist für viele Anwendungen geeignet.
  • Möglichst DMS-Rosetten mit Anschlusskabeln verwenden. Sie vermeiden, dass die beim Löten entstehende Wärme die Verteilung der Eigenspannungen im Polymer beeinflussen kann. Sollte dies nicht möglich sein, empfiehlt es sich, einen geeigneten Träger zu verwenden und die Lötdauer möglichst kurz zu halten.
  • Die Bohrvorrichtung an der Probe befestigen und darauf achten, dass die Bohrachse senkrecht zur Oberfläche steht.
  • Unter Zuhilfenahme eines optischen Mikroskops das Fadenkreuz so ausrichten, dass es exakt in der Mitte der Rosette liegt.
  • Das Mikroskop gegen das Bohrwerkzeug austauschen und präzise durch die Mitte der Rosette bohren.
  • Ein leitendes Klebeband mit einer festgelegten Dicke auf dem DMS anbringen und dabei darauf achten, dass nicht alle Bezugsmarkierungen abgedeckt werden.
  • Das Bohrwerkzeug so weit vorschieben, bis es die Oberfläche des leitenden Klebebands berührt. Den Bohrer wieder starten und so weit vorschieben, bis es durch das leitende Klebeband und das Trägermaterial der Rosette schneidet. Dieser Punkt entspricht der Bohrtiefe „null“.
  • Wenn sich der Bohrer auf der Oberfläche befindet, die Messwerte von jedem DMS aufzeichnen, dabei genügend lange warten, damit sich das Signal stabilisieren kann (Verzögerungszeit).
  • Im automatischen System Vorschubgeschwindigkeit, maximale Tiefe, Anzahl der Bohrschritte und Verzögerungszeit einstellen. Löcher werden üblicherweise in Schritten von ca. 0,05 mm Tiefe gebohrt. Dies entspricht den Vorgaben der Norm ASTM E837.
  • Die drei DMS-Messwerte und die Bohrtiefe werden für jeden Bohrschritt aufgezeichnet.
  • Die Bohrvorrichtung wieder gegen das Mikroskop tauschen und Durchmesser und Exzentrizität der Bohrung messen, dabei vier Translationsbewegungen auf zwei zueinander senkrechten Achsen ausführen.

3.1 Oberflächenvorbereitung und Kleben

Die chemische Affinität jedes Kunststoffmaterials zu den bei der Applikation verwendeten Lösungsmitteln und Klebstoffen muss analysiert und berücksichtigt werden. Ungeeignete Haftmittel können die DMS-Applikation erschweren oder sogar die zu analysierende Komponente schädigen. Zum Reinigen der Oberfläche wird ein mechanisches Oberflächenbehandlungsverfahren empfohlen.

Lediglich als Beispiel werden in Tabelle 1 die Anforderungen an das korrekte Applizieren eines DMS auf einem Kunststoff angegeben.

Tabelle 1. Vorbereitung der DMS-Applikation auf einigen Kunststoffen.

3.2 Bestimmen der Kontakttiefe (Nulleinstellung)

Das Ermitteln der Anfangstiefe ist ein entscheidender Aspekt für die korrekte Messung der Eigenspannung nach dem Bohrlochverfahren.

In Metallwerkstoffen wird dieser Punkt anhand des elektrischen Kontakts ermittelt. Das System MTS 3000 bringt das Bohrwerkzeug vollautomatisch zum Stillstand, wenn der Bohrer die Oberfläche der Komponente erreicht, nachdem er durch den Polyamidträger der DMS-Rosette geschnitten hat.

Allerdings kann der Nullpunkt bei Kunststoffen nicht einfach anhand des elektrischen Kontakts ermittelt werden, da diese Materialien Nichtleiter sind. Es gibt jedoch Methoden, mit denen der Nullpunkt dennoch bestimmt werden kann.

Im Wesentlichen bieten sich zwei Vorgehensweisen an:

  • Manuelles Bestimmen der Tiefe „null“, indem der Bohrer gestoppt wird, sobald er Kunststoffspäne erzeugt (Abbildung 3, links); oder
  • Verwenden eines speziellen Aluminium-Klebebands, sodass die „Null“-Tiefe automatisch ermittelt wird. Sobald der Nullpunkt ermittelt ist, muss das System um einen Abstand verschoben werden, der gleich der Summe aus der Dicke der DMS-Rosette und dem Spezial-Aluminiumband ist  (Abbildung 3, rechts).
Abbildung 3: Techniken zum Bestimmen der Anfangsbohrtiefe

4. Ermitteln der Betriebsparameter - was es zu beachten gilt

Das Messen von Eigenspannungen in Kunststoffen nach dem Bohrlochverfahren unterscheidet sich in vielen Aspekten deutlich von der Anwendung dieses Verfahrens bei Metallwerkstoffen. Bei Kunststoffen ist der Elastizitätsmodul kleiner, das heißt die gemessenen Dehnungen sind bei gleicher Belastung deutlich höher, und der Werkstoff reagiert empfindlicher auf den Vorgang des Materialabtrags. Schnittdrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Verzögerungszeit beim Erfassen der Dehnungswerte müssen in geeigneter Weise ausgewählt werden.

4.1 Rotationsgeschwindigkeit beim Bohren

Die Drehzahl, mit der gebohrt wird, ist zweifellos einer der Parameter, die den größten Einfluss auf die Messung der Eigenspannungen in Kunststoffen nach dem Bohrlochverfahren haben. High-Speed-Drilling mit einer Druckluftturbine, was üblicherweise die Technik der Wahl beim Messen der Eigenspannungen in Metallwerkstoffen ist, ist hier nicht geeignet, da die erzeugte Wärme den Kunststoff zum Schmelzen bringt und die Temperatur in den Bereichen, in denen die DMS appliziert sind, sehr stark erhöht.

Als Beispiel zeigt Abbildung 4a ein Loch, das mit einem High-Speed-Drilling-System mit Druckluftturbine in einen Kunststoff gebohrt wurde: Das Schmelzen des Kunststoffs an den Rändern des Lochs ist deutlich zu sehen. Das Absenken des Luftdrucks und die dadurch bewirkte Verlangsamung der Druckluftturbine kann diesen Effekt nur abschwächen, reicht aber sicherlich nicht aus, um ihn ganz zu vermeiden.

Die Schnittdrehzahl muss deshalb sehr niedrig sein. Abbildung 4b zeigt die Qualität eines Lochs, das mit einem Low-Speed-Drilling-System (Drehzahl unter 200 U/min) gebohrt wurde, welches speziell zum Messen der Eigenspannungen in Kunststoffen entwickelt wurde.

Abbildung 4: a) Mit einer Druckluftturbine bei einem Druck von 4 bar gebohrtes Loch
b) Mit einem Elektromotor bei niedriger Drehzahl gebohrtes Loch
c) DMS während des Bohrvorgangs

4.2 Vorschubgeschwindigkeit

Da Kunststoffe sehr empfindlich auf mechanische Spannungen reagieren, wurde die optimale Vorschubgeschwindigkeit in mehreren Bohrversuchen ermittelt.

Die Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass das Bohrwerkzeug langsamer vorgeschoben werden muss, um die Zeit der Instabilität nach dem Bohren zu verkürzen. Die Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit bedeutet auch, dass die Messung der Eigenspannungen länger dauert. Zwischen diesen beiden Aspekten muss ein geeigneter Kompromiss gefunden werden, um die optimale Geschwindigkeit beim Bohren von Löchern in Kunststoffen zu ermitteln.

Tabelle 2 zeigt die zum Bohren benötigte Zeit und die mittlere Stabilisierungszeit für jede analysierte Vorschubgeschwindigkeit: Der beste Kompromiss wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,1 mm/min erreicht.

Tabelle 2. Benötigte Zeit zum Messen von Eigenspannungen in Kunststoffen

4.3 Wahl der Verzögerungszeit

Die Verzögerungszeiten dienen dazu, die Dehnungsmesswerte zu erfassen, wenn die Probe nach dem Bohren des Lochs in einen thermischen und mechanischen Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Die Versuche haben gezeigt, dass das thermische Gleichgewicht, das durch den Bohrvorgang gestört war, innerhalb einer Verzögerung von sehr wenigen Sekunden wieder hergestellt ist.

Um die Zeit zu bewerten, die zur Wiederherstellung des mechanischen Gleichgewichts der Komponente benötigt wird, mussten Versuche durchgeführt werden, mit denen der Dehnungsverlauf über die gesamte Phase des Bohrvorgangs in dem Kunststoff gemessen werden konnte.

Mit einem QuantumX Messverstärker und der Datenerfassungssoftware catman von HBM war es möglich, den Verlauf der Dehnungen zu bestimmen, die während des gesamten Bohrvorgangs gemessen wurden: Die in Abbildung 5 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass das System während des Bohrprozesses mechanisch instabil ist und dass ca. 90 Sekunden gewartet werden muss, bevor das System in einen stabilen Zustand zurückkehrt. Mit einer ausreichenden Verzögerungszeit können die üblichen Dehnung-Tiefe-Kurven für jedes DMS-Gitter beobachtet werden. Die Kurven beziehen sich auf Versuche mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm/min.

Die gleichen experimentellen Versuche wurden auch beim Bohren von Metallwerkstoffen wiederholt (Stahl und Aluminium: Die Ergebnisse haben das Verhalten des Systems bestätigt, jedoch mit einer kürzeren Stabilisierungszeit von 3 bis 5 Sekunden). In Abbildung 6 und 7 sind im Detail die Dehnungsverläufe in einem Metallwerkstoff (Stahl) bzw. in einem Kunststoff (Polycarbonat) zu sehen.

Abbildung 5: Links die Erfassung der Dehnungen bezogen auf die Zeit. Rechts die Dehnungen bezogen auf die Bohrtiefe.

4.4 Überprüfung der Temperaturänderung an der Kunststoffkomponente

Nachdem der Aufbau der Bohrvorrichtung abgeschlossen war, wurde die Temperatur an der Kunststoffkomponente (Polycarbonat) während des Bohrvorgangs gemessen. Dann wurde ein 2 mm tiefes Loch gebohrt, wobei die Temperaturen an der Probe mit einem Thermoelement (Typ K) erfasst wurden, das im gleichen Abstand zum Bohrloch wie die DMS-Gitter exakt gegenüber von Gitter 2 (oder B) installiert wurde.

Abbildung 8 stellt die Temperatur bezogen auf die Bohrtiefe dar. Als Verzögerungszeit zwischen den Bohrschritten wurden zwanzig Sekunden eingestellt, und als Vorschubgeschwindigkeit für den Versuch wurden 0,2 mm/min gewählt (Standardgeschwindigkeit für Versuche an Metallwerkstoffen wie z. B. Stahl).

Die Ergebnisse zeigen, dass das Bohrwerkzeug keine übermäßige Erwärmung an den DMS-Gittern erzeugt. Die maximale Temperaturänderung, die aufgezeichnet wurde, liegt am Ende des Bohrschritts und beträgt weniger als 1 °C.

Zusätzlich ist während der Verzögerungszeit ein rasches Absinken der Komponententemperatur und die Rückkehr zur Anfangstemperatur zu beobachten. Tatsächlich kann man feststellen, dass die Temperatur nach 20 Sekunden wieder die Anfangswerte erreicht: Die gemessene maximale Abweichung gegenüber der Anfangstemperatur beträgt 0,24 °C.

Abbildung 6: Dehnungsverlauf beim Bohren in einem Metallwerkstoff.
Abbildung 7: Dehnungsverlauf beim Bohren in einem Kunststoff.
Abbildung 8: Links die gemessenen Temperaturverläufe. Rechts die für jedes Intervall gemessenen maximalen Temperaturänderungen.
Abbildung 9: Positionen der Messstellen bei den mit Polycarbonat durchgeführten Versuchen.
Abbildung 10: Bohrschritte während der mit Polycarbonat durchgeführten Versuche.

5. Versuchsaufbau und -ergebnisse

Der Versuch wurde mit einer Polycarbonat-Kunststoffkomponente aus einem elektrischen Haushaltsgerät durchgeführt. Für diesen Werkstoff wurden ein Young-Modul von 2650 MPa, eine Poissonzahl von 0,37 und eine Zugfestigkeit von 80 MPa berücksichtigt.

Für das automatische Messsystem wurden folgende Versuchsbedingungen gewählt:

  • Maximale Tiefe: 2 mm
  • Bohrschritt: 0,05 mm
  • Anzahl der Bohrschritte: 40
  • Verlauf der Bohrschritte: linear
  • Vorschubgeschwindigkeit: 0,1 mm/min
  • Verzögerungszeit: 90 s
  • DMS-Rosette: HBM K-RY61-1.5/120R-3 mit Anschlusskabeln, 3-Leiter-Technik
  • DMS-Verstärker HBM Spider 8.30

Es wurden drei Messstellen eingerichtet. Die Positionen sind in Abbildung 9 zu sehen, die zwei Bohrphasen in Abbildung 10.

Als Beispiel zeigt Abbildung 11 die erhaltenen Messergebnisse für die Eigenspannungen an Messstelle 1. Die Kurven zeigen die Dehnungsverläufe, die Hauptspannungen und den Winkel alpha, die alle gemäß den Bestimmungen der Norm ASTM E837 gemessen wurden. Ähnliche Ergebnisse wurden an den anderen Messstellen erzielt, sie werden hier jedoch nicht dargestellt, um diesen Aufsatz möglichst knapp zu halten.

 

 

 

Abbildung 11a. Dehnungen bezogen auf die Tiefe. Abbildung 11b. Gleichförmigkeitsprüfung (ASTM E837-08)
Abbildung 11c. Hauptspannungen und ideale Spannung bezogen auf die Tiefe.Abbildung 11d. Winkel alpha bezogen auf die Tiefe.

6. Schlussfolgerungen

Der Einsatz eines automatischen Systems zur Messung der Eigenspannungen in Kunststoffen hat sich als unerlässlich erwiesen, um zuverlässige Messungen an den analysierten Werkstoffen durchzuführen. Bohren von Hand oder High-Speed-Drilling-Verfahren ermöglichen dagegen keine zuverlässigen Messungen.

Für den Bohrvorgang und die Erfassung der Dehnungswerte bei der Anwendung des Bohrlochverfahrens auf Spritzguss-Kunststoffteile wurden die optimalen Parameter festgelegt. In Anbetracht der hohen Empfindlichkeit der DMS gegenüber externen Faktoren hat sich die Fernsteuerung des automatischen Bohr- und Datenerfassungssystems als äußert effektiv erwiesen.

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