7.5 Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen
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Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Additively manufactured test specimens made of polyamide 12 (PA 12) by Laser Sintering as well as of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) by Fused Layer Modelling, were characterised with active thermography directly after manufacturing and after artificial weathering. For this, two different excitation methods (flash and pulse heating) were used and compared, regarding their suitability for the detection of constructed and imprinted defects inside the test specimens. To increase the quality of the thermograms, data processing methods like thermal signal reconstruction (TSR) and Fourier Transformation after TSR were applied. To further investigate the long-term stability of the additively manufactured test specimens towards environmental stress, like UV radiation, heat, humidity, water contact and frost with active thermography, an artificial weathering test over 2000 hours (~3 months) was applied to the specimens. The monitoring of the changes in the optical properties of the weathered plastics was supplemented by spectral reflectance and UV/VIS spectroscopy.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem KunststoffSpritzguss hergestellt wurden.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Es wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS und mittels Laser Sintering (LS) Probekörper aus PA 12 hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem Kunststoff-Spritzguss hergestellt wurden.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
High-density polyethylene becomes optically transparent during tensile drawing when previously saturated with diesel fuel. This unusual phenomenon is investigated as it might allow conclusions with respect to the material behavior. Microscopy, differential scanning calorimetry, density measurements are applied together with two scanning X-ray scattering techniques: wide angle X-ray scattering (WAXS) and X-ray refraction, able to extract the spatially resolved crystal orientation and internal surface, respectively. The sorbed diesel softens the material and significantly alters the yielding characteristics. Although the crystallinity among stretched regions is similar, a virgin reference sample exhibits strain whitening during stretching, while the diesel-saturated sample becomes transparent. The WAXS results reveal a pronounced fiber texture in the tensile direction in the stretched region and an isotropic orientation in the unstretched region. This texture implies the formation of fibrils in the stretched region, while spherulites remain intact in the unstretched parts of the specimens. X-ray refraction reveals a preferred orientation of internal surfaces along the tensile direction in the stretched region of virgin samples, while the sample stretched in the diesel-saturated state shows no internal surfaces at all. Besides from stretching saturated samples, optical transparency is also obtained from sorbing samples in diesel after stretching.
For the purpose of increasing payload and reduce freight cost, lightweight composite tank containers used for Transportation have been progressively developed during the last years. Compared to conventionally produced cylindrical steel tanks, the fiber-reinforced solutions allow greater flexibility in the tank design. Despite a number of further material-related benefits of fiber-reinforced composites as non-conductive and non-magnetic behavior as well as corrosion resistance and high strength, the optimization of their thermal degradation properties during combustion is still a challenge. To improve the fire performance of lightweight composite containers, special intumescent fire protection coatings can be applied onto the outside tank surface. This paper presents fire tests on glass-fiber-reinforced plastic transport tanks with complex geometries sheltered with different surface-applied fire protection systems. To evaluate the fire resistance of the tank structures, a fiber optic monitoring system was developed. This system is based on distributed temperature measurements using high-Resolution optical backscatter reflectometry and pointwise reference measurements using fiber Bragg gratings. Thereby, all the fiber optic sensors were directly integrated in the composite layer structure of the tanks. The focus of the presented work is on the demonstration of capability of fiber optic monitoring system in such high-temperature application. Moreover, the fiber optic measurements provide new insights into the efficiency of intumescent coating applied for fire protection of fiber-reinforced plastic transport tanks.
Compressed natural gas (CNG) is a widely used automotive fuel in a variety of countries. In case of a vehicle fire where the safety device also malfunctions, a failure of the CNG automotive cylinder could occur. Such a cylinder failure is associated with severe hazards for the surrounding environment. Firstly, a comprehensive analysis is given below, summarizing various accidents involving CNG automotive cylinders and their consequences. In an extensive experimental program, 21 CNG automotive cylinders with no safety device were tested. Of the 21, burst tests were carried out on 5 Type III and 5 Type IV cylinders. Furthermore, fire tests with 8 Type III and 3 Type IV cylinders were conducted. Apart from cylinder pressure, inner temperature and cylinder mantle temperature, the periphery consequences, such as nearfield blast pressure and fragmentation are documented. The maximum measured overpressure due to a Type III cylinder failure was p = 0.41 bar. Each traceable fragment was georeferenced. All-in-all, fragment throw distances of d > 300 m could be observed. As one key result, it can be stated that the tested Type IV CNG cylinders showed less critical failure behavior then the Type III cylinders under fire impingement.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und
Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.
In case of a vehicle fire, an installed LPG (liquefied petroleum gas) tank with a malfunctioning safety device poses severe hazards. To investigate the consequences in case of tank failure, we conducted 16 tests with toroidal shaped LPG vehicle tanks. Three tanks were used for a Hydraulic Burst Test under standard conditions. Another three tanks were equipped with a statutory safety device and were subjected to a gasoline pool fire. The safety device prevented tank failure, as intended. To generate a statistically valid dataset on tank failure, ten tanks without safety devices were exposed to a gasoline pool fire. Five tanks were filled to a level of 20 %; the re-maining five were filled to a level of 100 %. In order to gain information on the heating process, three tem-perature readings at the tank surface, and three nearby flame temperatures were recorded. At distances of l = (7; 9; 11) m to the tank, the overpressure of the shock wave induced by the tank failure and the unsteady tem-peratures were measured. All ten tanks failed within a time of t < 5 min in a BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Seven of these resulted directly in a catastrophic failure. The other three resulted in partial failure followed by catastrophic failure. A near field overpressure at a distance of l = 7 m of up to p = 0.27 bar was measured. All ten tests showed massive fragmentation of the tank mantle. In total, 50 fragments were found. These 50 fragments make-up 88.6 % of the original tank mass. Each fragment was georeferenced and weighed. Fragment throwing distances of l > 250 m occurred. For the tanks with a fill level of 20 %, the average number of fragments was twice as high as it was for the tanks that were filled completely.
Different imaging techniques were employed to monitor Full Notch Creep Test (FNCT) experiments addressing environmental stress cracking in more detail. The FNCT is a well-established test method to assess slow crack growth and environmental stress cracking of polymer materials, especially polyethylene. The standard test procedure, as specified in ISO 16770, provides a simple comparative measure of the resistance to crack growth of a certain material based on the overall time to failure when loaded with a well-defined mechanical stress and immersed in a liquid medium promoting crack propagation.
Destructive techniques which require a direct view on the free fracture surface, such as light microscopy and laser scanning microscopy, are compared to non-destructive techniques, i.e. scanning acoustic microscopy and xray micro computed tomography. All methods allow the determination of an effective crack length. Based on a series of FNCT specimens progressively damaged for varied Durations under standard test conditions, the estimation of crack propagation rates is also enabled. Despite systematic deviations related to the respective Imaging techniques, this nevertheless provides a valuable tool for the detailed evaluation of the FNCT and its further development.
Additively manufactured test specimens made of polyamide 12 (PA 12) by Laser Sintering (LS) as well as of acrylnitril-butadien-styrol (ABS) by Fused Layer Modeling (FLM), were tested with active thermography. For this, two different excitation methods (flash and impulse excitation) were used and compared, regarding the suitability for the detection of constructed and imprinted defects. To increase the quality of the thermograms, data processing methods like thermal signal reconstruction (TSR) and Fourier-Transformation were applied. Furthermore, the long-term stability of the probes towards environmental stress, like UV-radiation, heat, water contact and frost is being investigated in the presented project with artificial weathering tests.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden. Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.