Wie definiert man Altern ?

Altern ist eine in der Regel unerwünschte Änderungen einer Systemeigenschaft,

die durch Alterungsprozesse eines oder mehrerer der Materialien aus denen das System besteht verursacht wird.

In der Materialwisschenschaft und Qualitätswesen spricht man über den Alterungsbegriff schärfer und redet vonMaterialversagen (engl.: “Failure”). Damit wird deutlich, dass nur unvorhergesehene, durch Alterungsprozesse verursachte negative Eigenschaftsänderungen gemeint sind. Altern kann jedes Material, egal in welchen Technischen System ein Bauteil verbaut worden ist. Spielzeuge sind genauso von betroffen wie Flugzeuge, Züge, etc.

Heut zu Tage  ist es jedoch möglich Alterungsprozesse zu simulieren und das Materialverhalten für einige Jahrzehnte voraus zu sagen. Hierfür gibt es einige Simualtoren, die das Sonnenlicht, Regen und div. Temperaturen  sowie mechan. Belastung  (zb. rüttel) abwechselnd durchspielen. Der Test dauert von wenigen Stunden bis einige Tage um eine Zukunftprognose von über 50 Jahren für das Material zuverlässig anfertigen zu können.

Wie kommt es zum Materialversagen?

Das Stichwort lautet KRIECHEN. Viele Materialien haben das bedürfniss in ihrem Grundzustand bei fast jeder Temperatur zu kriechen. Jedes Material hat ein andere Kriechart.

Jeder kennt das Phönomen bei Schrauben, trotz angezogener Mutter löst sich die Schraube mit der Zeit. Die Lösung ist einfach, da die Schraube unte konstanter Zugspannung steht krieht das Material wenn sie “kriecht” wird die Schraube  langsam   länger, damit verringert sich die Spannung – die Schraube löst sich.

Das Dehnungs – Zeit Diagramm veranschaulicht die ganze Problematik nocheinmal sehr gut:

Zusätzlich gibt es u.a. bei metallsichen Werkstoffen ein Korngrenzenkriechen. Bei Kunststoffe kriechen die Moleküle.

Weitere Alterungserscheinungen bei diversen Materialen sind u.a.:  Korrosion, Farbänderung,  etc.

Beim Füllen des Werkzeuges findet meist eine Molekül-Orientierung statt insbesondere durch Reibungseinflüsse.

Die ungeordnet liegende Moleküle strecken sich und orientieren sich in Fließrichtung aus beim Einspritzvorgang.

Insbesondere kommt es an der Formwand zu sehr starken Ausrichtungen  der Polymerschmelze. Durch das Erstarren der Schmelze in der Randschicht werden Orientierungen eingefroren beim schnellem Abkühlen, derartige Orientierungen führen zu ungleichmäßigen Schwindungen und ungleichmäßigen Eigenschaften des Formteils.

Die größten Desorientierungen lässt sich beim Spritzen in kalten Werkzeugen feststellen.  Stellen wir uns ein Spritzgussstab vor! In der Randschicht Rand werden die größten Orientierungen in Fließrichtung sein, die jedoch zur Stabmitte hin rasch abnimmt und mittig die normale regellose und verknäulte Lage wieder angenommen hat.

Materialabhängige Orientierung

Orientierungen bilden sich in der Schmelze selber sehr schnell zurück, diesen Vorgang wird  relaxieren genannt und benötigt beim Spritzgießen wenige Sekunden.  Jedoch findet das Abkühlen im Werkzeug sehr schnell statt, dass einige Abschnitte der Orientierung einfrieren. Einfluss auf die Menge der Orientierungen, haben Material, Massetemperatur, Dehn- und Scherströmung, Werkzeugtemperatur, Wanddicke der Spritzlinge und die Einspritzgeschwindigkeit.

Besondere bei Verwendung von teilkristalliner Thermoplaste wird es im Inneres des Formteilquerschnitts  zu einem weiteren Orientierungsmaximum kommen. Der Grund liegt darin, dass teilkristalline Thermoplaste eine sehr starke Volumenkontraktion beim Erstarren/Kristallisationsphase haben, worauf auch der hohen und lange Nachdruckbedarf benötigt wird um hier gegen Halten zu können.

Eine wesentliche geringe Volumenkontraktion haben Amorphe Kunststoffe und benötigen daher normalerweise einen niedrigeren sowie kürzeren Nachdruck. Bei zu langem Nachdruck ist es hier möglich, “unterkühlte” Schmelze durch die Anbindung zu pressen, was zu hohen inneren Spannungen in diesem Bereich führen kann. Ein Nachdrücken bis zum Erreichen des Siegelpunktes kann bei amorphen Kunststoffen erhöhte innere Spannungen und somit Spannungsrissgefahr bedeuten.

Spritzgeschwindigkeits- und Werkzeugtemperaturabhängige Orientierung

Hohe Einspritzgeschwindigkeit bedeutet hohe Zähigkeit und hohe Scherung der Formmasse. Je höher die Scherung bzw. die Füllgeschwindigkeit  ist um so größer ist Orientierung der Fadenmoleküle.

Hohe  Massetemperaturen wirken sich positiv auf das Füllverhalten aus, zum einen verringert sich die Zähigkeit, geringe Zähigkeiten ermöglicht hohe Füllgeschwindigkeit mit geringeren Formteilfehler.

Hohe Massetemperatur in Verbindung mit hoher Werkzeugwandtemperatur kann nach Abschluss des Füllvorganges wieder Rückbildung der Molekülorientierungen bewirken (Relaxation), und damit die negativen Auswirkungen der Orientierungen mindern.

Orientierungen können auch durch langsames Einspritzen verringert werden.

Allerdings ist die bessere Empfehlung laut Spritzguss-Experten, erst die Massetemperatur und Werkzeugwandtemperatur zu erhöhen um hohe Orientierungen zu verringern.

Nachweis von Orientierungen

Orientierung bedeutet Anisotropie der Eigenschaften. In Orientierungsrichtung liegt eine höhere Steifigkeit und Festigkeit, Wärmedehnung und Verarbeitungsschwindung vor.

Quelle: skz.de

Mit Hilfe der Polarisationsoptik kann man bei transparenten Werkstoffen die Orientierungen nachweisen, da orientierte Bereiche doppelbrechend sind.  Eine weitere Möglichkeit ist die Messung der Schrumpfung. Hierbei werden die Formteile bei erhöhter Temperatur gelagert, so dass die Orientierungen relaxieren und zu Deforamtionen führen. Deren Größe ist ein Maß für die eingefrorene Orientierungen.