Mechanische Prüfungen werden eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit von Kunststoffmaterialien unter bestimmten Belastungsarten zu bewerten. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die Eigenschaften des Probenmaterials zu ermitteln und mögliche Schwachstellen zu identifizieren, bevor Produkte auf den Markt gebracht oder Kunststoffkomponenten an weiterverarbeitende Hersteller verkauft werden.
Spezifischere Gründe für die Durchführung eines umfassenden Satzes mechanischer Tests sind:
Sicherstellung der Einhaltung nationaler und internationaler Normen sowie der Sicherheits- und Qualitätsanforderungen der Kunden.
Prüfung neuer Chargen, um zu verifizieren, dass ihre Qualität mit früheren Chargen vergleichbar ist.
Bewertung der Qualität von Kunststoff-Rohstoffen eines neuen Lieferanten.
Bestimmung, ob die Leistung von einem neuartigen biobasierten Material mit der von herkömmlichen Kunststoffen vergleichbar ist.
Wie wird die mechanische Prüfung durchgeführt?
Mechanische Prüfungen können entweder grundlegend oder imitativ sein. Grundlegende Prüfungen werden an einem standardisierten Kunststoffstück und nicht am fertigen Produkt durchgeführt. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich verschiedener Materialien oder Chargen desselben Materials, was grundlegende Prüfungen für F&E- und QS-Maßnahmen unverzichtbar macht.
Beim imitativen Prüfen wird ein fertiges Kunststoffprodukt einer bestimmten Art von mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Ziel ist es, die Leistung des Materials unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen möglichst realitätsnah zu simulieren und zu bewerten. Geeignete Proben für imitatives Prüfen sind unter anderem Kunststoffrohre und -behälter. Die Bewertung der mechanischen Haltbarkeit bei vorhersehbarem Gebrauch ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Spielzeugsicherheitsprüfung, da leicht zerbrechliche Kunststoffspielzeuge Erstickungsgefahren und Verletzungsrisiken verursachen können.
In den meisten Fällen erfolgen die mechanischen Tests mit statischer Belastung über einen relativ kurzen Zeitraum. Wenn jedoch die Langzeitperformance des Materials oder Produkts untersucht werden muss, werden zyklische Tests empfohlen. Bei zyklischen Tests werden Lasten wiederholt aufgebracht, entfernt und erneut aufgebracht, um zu bestimmen, wie gut das Material Belastungen über einen längeren Zeitraum standhält.
Prüfnormen
Mechanische Prüfnormen werden von verschiedenen internationalen und nationalen Normungsgremien veröffentlicht, darunter ISO, ASTM und DIN. Die für Kunststoffe geltenden Normen sind größtenteils branchenspezifisch – und praktisch unzählig, da polymerbasierte Werkstoffe so weit verbreitet sind. In einigen Fällen können für ähnliche Produkte innerhalb einer einzigen Branche sogar unterschiedliche Normen gelten. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Automobilindustrie, in der jeder Hersteller eigene Prüfanforderungen für Kunststoffbauteile hat.
Wenn Kunststoffrohstoffe und Zwischenprodukte anstelle von Fertigartikeln geprüft werden, werden die anwendbaren Normen auf Grundlage des Materialtyps und der zu prüfenden Eigenschaft bestimmt.
Welche Eigenschaften können durch mechanische Prüfung bewertet werden?
Die Wahl der Eigenschaften und Prüfmethoden hängt von der Zusammensetzung und dem vorgesehenen Verwendungszweck des Kunststoffmaterials ab. So werden beispielsweise an Verpackungsfolien und spritzgegossenen Kunststoffkappen unterschiedliche mechanische Tests durchgeführt. Einige der am häufigsten geprüften Eigenschaften werden im Folgenden beschrieben.
Zugeigenschaften
Der Zugversuch wird verwendet, um das Verhalten von Kunststoffen unter kontrollierter Zugbelastung zu bestimmen. Dabei wird ein normierter Prüfkörper in eine Prüfmaschine (in der Regel eine Universalprüfmaschine) eingespannt und mit konstanter Geschwindigkeit gezogen, bis er bricht oder die maximale Dehnung erreicht ist. Die Verformung des Materials wird in Relation zur aufgebrachten Kraft gemessen, um Zugfestigkeit, Streckgrenze, Zugmodul und weitere Zugeigenschaften zu ermitteln.
Für verschiedene Kunststoffmaterialien, einschließlich Folien und spritzgegossenen Kunststoffen, existieren standardisierte Zugversuche. Kunststofffolien können gemäß dem ISO 527-3-Standard geprüft werden, während spritz- und extrusionsgegossene Kunststoffe in der Regel nach ISO 527-2 geprüft werden.
Biegeeigenschaften
Die Biegeeigenschaften von Kunststoffen werden ermittelt, indem die Kraft gemessen wird, die erforderlich ist, um das Material dauerhaft zu verbiegen und zu brechen. Die Biegeprüfung ähnelt der Zugprüfung, ist jedoch einfacher durchzuführen, da kein schulterstabförmiger Prüfkörper benötigt wird.
Biegeversuche werden in der Regel mit einem Universalprüfgerät nach der Dreipunkt-Biegemethode durchgeführt, aber auch Einfacheinspann- und Vierpunkt-Biegemethoden sind verfügbar. Die Biegeeigenschaften von Kunststoffen können gemäß dem ISO 178-Standard geprüft werden.
Kompressionseigenschaften
Beim Druckversuch wird ein genormter Prüfkörper oder ein fertiges Kunststoffprodukt einer Drucklast ausgesetzt. Die Verformung des Materials wird in Relation zur aufgebrachten Last berechnet, um Druckeigenschaften wie Druckfestigkeit und Druckmodul zu bestimmen. Die Norm ISO 604 gilt für Druckversuche an steifen und halbsteifen Kunststoffen.
Schlagzähigkeitseigenschaften
Die Schlagprüfung misst die von einem Werkstoff während des Bruchs absorbierte Energie und liefert Informationen über seine Zähigkeit. Bei festen Kunststoffen wird die Prüfung in der Regel durch das Aufschlagen eines Hammers auf den Prüfkörper durchgeführt (Charpy- oder Izod-Schlagprüfungen). Bei Folien wird ein typischer Schlagversuch mit der Fallbolzenmethode durchgeführt.
Reißeigenschaften von Kunststofffolien
Um die Reißfestigkeit von Kunststofffolien zu bestimmen, wird meist der Reißtest für Hosen verwendet. Bei diesem Test wird ein Probenstreifen aus der Mitte herausgeschnitten und in zwei Richtungen gezogen, während die zum Zerreißen der Probe erforderliche Energie gemessen wird.
Bewertung der thermischen Eigenschaften von Kunststoffen
Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen reagieren äußerst empfindlich auf Temperaturveränderungen. Die oben beschriebenen Tests werden meist bei Raumtemperatur durchgeführt, können jedoch angepasst werden, um das Materialverhalten bei erhöhten oder niedrigen Temperaturen zu prüfen. Darüber hinaus gibt es Analysen, die speziell dafür konzipiert sind, die thermischen Eigenschaften von Kunststoffen zu untersuchen.
HDT und Vicat-Erweichung
Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) ist die Temperatur, bei der sich ein genormter Prüfkörper unter einer standardisierten Last von 0,455 MPa oder 1,82 MPa um 0,025 mm durchbiegt. Je höher diese Temperatur ist, desto besser ist der Kunststoff für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen geeignet.
Das Prinzip des Vicat-Erweichungspunkts ähnelt dem des HDT-Verfahrens, jedoch unterscheidet sich der Versuchsaufbau geringfügig. Der Vicat-Erweichungspunkt ist die Temperatur, bei der eine 1 mm2 große Prüfnadel unter einer Belastung von entweder 10 N oder 50 N 1 mm tief in das Probenmaterial eindringt. Während die HDT-Prüfung ausschließlich für formstabile Kunststoffe geeignet ist, kann der Vicat-Test auch an Kunststofffolien durchgeführt werden, indem diese auf eine Dicke von 3 mm gestapelt werden.
Dynamisch-mechanische Analyse
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine weitere Methode zur Beurteilung der thermischen Eigenschaften von Kunststoffen. Die DMA liefert auch Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften des Materials, Übergangstemperaturen und vieles mehr. Aufgrund der Komplexität der Methode und des Aufwands bei der Interpretation der Ergebnisse werden bei einfachen mechanischen Prüfungen und Charakterisierungen in der Regel andere Verfahren bevorzugt.
Bei Measurlabs bieten wir mechanische Prüfdienstleistungen nach verschiedenen internationalen und nationalen Normen an, darunter ISO, EN, ASTM und DIN. Nicht normierte Prüfoptionen sind auf Anfrage ebenfalls verfügbar. Wenn Sie den Prüfbedarf Ihres Unternehmens mit einem unserer Experten besprechen möchten, zögern Sie nicht, uns über das untenstehende Formular zu kontaktieren.
Bitte beachten Sie, dass wir standardmäßige mechanische Tests derzeit nur für große Probenchargen (≥10 Proben pro Lieferung) anbieten. Weiterführende Dienstleistungen, einschließlich thermischer und elektrischer Tests, sind auch für kleinere Chargen verfügbar.