Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFZur Reduzierung des Fahrzeuggewichtes und des Kraftstoffverbrauchs werden im Automobil zunehmend Kunststoffkomponenten verbaut, unter anderem auch im Motorraum. Neben Motorabdeckungen, Kabeln oder Kabelverbindungen werden auch lasttragende Teile aus Metall, wie z.B. die Motorhalterung, durch Kunststoffteile ersetzt. Da hierfür eine hohe Temperaturbeständigkeit erforderlich ist, hat sich für solche Anwendungen Polyamid 6.6 (mit Glasfaseranteil) etabliert. Da es sich hierbei praktisch um eine Außenanwendung handelt, sind die Polyamidbauteile neben der erhöhten Temperatur auch unterschiedlichen Luftfeuchten ausgesetzt, was bei Polyamid bekanntermaßen zu hydrolytisch bedingter Schädigung führt. Der Einfluss der Umgebungsfeuchte und des resultierenden Wassergehaltes in den Kunststoffteilen wurde bisher aber weder in Prüfverfahren zur Lebensdauerbestimmung von Kunststoffen noch in den Modellen zur Lebensdauervorhersage ausreichend berücksichtigt.
Lebensdauervorhersage von Kunststoffen im Motorraum
Methodik zur Berücksichtigung der Umgebungsfeuchte
Es wurden beschleunigte Alterungsversuche an PA 6.6 mit 50 M-% Glasfaseranteil bei Temperaturen von 120 °C, 130 °C und 140 °C bei relativen Luftfeuchten von 0.2%, 2%, 10%, 30% und 100% durchgeführt. Versuche am gleichen Material wurden im Rahmen eines vorangegangenen Industrieprojektes 1 bei relativen Feuchten von <0.001% (trocken) bei Temperaturen von 170°C, 180 °C, 190 °C und 200°C durchgeführt. Zu verschiedenen Alterungszeitpunkten wurden Proben entnommen, die dann mit mechanischen Testmethoden (Zugprüfung, Shore-Härte), thermischer Analyse (DSC, TGA) und molekularen bzw. spektroskopischen Verfahren (GPC, FTIR) untersucht wurden.
Zur Auswertung wurden ausgewählte Eigenschaften über der Alterungszeit aufgetragen. Wenn sich die Kurvenverläufe für die unterschiedlichen Alterungsbedingungen ähneln, kann das sogenannte Masterkurvenverfahren angewendet werden1: die Kurven werden auf der logarithmischen Alterungszeitachse so verschoben, dass sie sich bestmöglich überlappen (siehe Abb. 1). Bei ausschließlich thermischer Alterung werden die dabei verwendeten Verschiebungsfaktoren in einem Arrhenius-Diagramm aufgetragen, aus dem man die Aktivierungsenergie entnehmen kann. Im vorliegenden Forschungsprojekt kam als weiterer Parameter die relative Feuchte hinzu, so dass sich eine Kurvenschar an Arrhenius-Linien ergab (siehe Abb. 2).
Ergebnisse
Im Rahmen der Messfehler konnten keine Unterschiede der Aktivierungsenergien bei unterschiedlichen Feuchten festgestellt werden. Jedoch war die Alterungsrate bei unterschiedlichen Feuchten (bei gegebener Temperatur) recht unterschiedlich (bis zu einem Faktor 200 zwischen trockener Alterung und Alterung bei hoher Luftfeuchtigkeit). Für diese feuchteabhängigen Vorfaktoren sind verschiedene Modelle (Exponentialmodell, Eyring, Lawson, Peck) literaturbekannt, die jedoch zur Beschreibung der feuchteabhängigen Korrosion von Metallen entwickelt wurden. Hiervon bildet das Peck-Model noch am ehesten den Kurvenverlauf über der Feuchte für das untersuchte Polyamid 6.6 ab (siehe Abb. 3).
Die Masterkurve, die Aktivierungsenergie sowie die feuchteabhängigen Vorfaktoren bilden die Grundlage, um die zu erwartende Eigenschaftsänderung des Materials für beliebige Verläufe der Umgebungsbedingungen („Wetter“) und Temperaturen im Motorraum zu simulieren. Alternativ kann ein beliebiger Verlauf der Umgebungsbedingungen in eine äquivalente Alterungszeit bei erhöhter Temperatur und Feuchte umgerechnet werden. Abb 4. zeigt die für die jeweiligen klimatischen Randbedingungen (Y-Achse) äquivalente Alterungszeit, bezogen auf die Referenzbedingung 170 °C / 0 %rF. Die Farben im Diagramm entsprechenden unterschiedlichen Fahrsituationen, die jedoch aus Gründen der Geheimhaltung nicht aufgeschlüsselt werden können. Die Länge der Balken entspricht der notwenigen Dauer der Ofenalterung unter trockenen Bedingungungen bei 170 °C.
Diese Methodik ermöglicht die Auslegung beschleunigter Alterungsexperimente im Labor und für belastbare Berechnungen der Lebensdauer von Kunststoffbauteilen unter Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit.
Förderung
Die Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des IGF-Vorhabens 01IF22119N der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.V.“ (FGK) in Kooperation mit der Forschungsvereinigung „Antriebstechnik e.V.“ (FVA), das im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung. Auch für die Unterstützung der FGK und der FVA sei gedankt.
Laufzeit: 01.01.2022 – 30.06.2025
Literatur:
1 D. Lellinger, I. Alig, H. Oehler, K. Rode, F. Malz, L. Herkenrath, J. Y. Youn, „Accelerated thermal aging of thermoplastic materials for the motor compartment: Characterization, degradation model and lifetime prediction”, Edited by Christopher C. White, Mark E. Nichols, James E. Pickett, “Service Life Prediction of Polymers and Coatings, Enhanced Methods”, Chapter 8, p.116 -160, Elsevier 2020 (ISBN 978-0-12-818367-0).