Zusammenfassung:

Ziel dieser Studie ist es, die Frage nach den relevanten Auswirkungen des MuCell-Prozesses auf die Aufpralleigenschaften eines langglasfaserverstärkten Formteils wie eines Türmoduls zu beantworten. Die gewählte Prüftechnik zur Ermittlung dieser Auswirkungen ist der mehrachsige Aufpralltest.

Mehrachsige Schlagfestigkeitsprüfungen von Celstran PP GF40-04, das als massive Platten spritzgegossen wurde, und solchen, deren Gewicht mit dem MuCell-Verfahren um 10 % reduziert wurde, zeigen, dass die von beiden Prüflingen absorbierten Spitzenlasten gleich sind. Die mit dem MuCell-Verfahren hergestellten Teile weisen eine geringere Energieaufnahme auf, da die Proben im Vergleich zu den massiven Teilen eine geringere Durchbiegung aufweisen.

Die Tatsache, dass die Spitzenlasten bis zum Versagen gleich sind, weist darauf hin, dass ein massives Bauteildesign, das einer Reihe statischer Lasten im Einsatz standhält, mit einer Gewichtsreduzierung von 10 % oder weniger in ein MuCell-Teil umgewandelt werden kann und auf die gleiche Weise funktioniert wie das massive Design. Es wird außerdem erwartet, dass im Falle eines Aufprallereignisses sowohl die massiven als auch die MuCell-Komponenten versagen würden, wobei die MuCell-Komponente etwa 20 % weniger Energie absorbiert.

Diskussion:

Bei der mehrachsigen Schlagprüfung (ASTM D3763) handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine Platte von einem 3-Zoll-Ring gestützt wird und ein Pfeil mit einem Durchmesser von ½ Zoll mit einer bestimmten Kraft durch die Platte getrieben wird. Die Ausgabe bzw. das Ergebnis ist ein Diagramm der angewandten Last im Vergleich zur Zeitkurve, wobei die angegebenen Werte die Durchbiegung bei Spitzenlast, Spitzenlast, Energie bei Spitzenlast und die gesamte absorbierte Energie sind. Der Test wird immer bis zum Versagen durchgeführt und das Versagen wird als duktil oder spröde eingestuft.

Mehrachsige Aufprallprüfungen kann man sich als die Fähigkeit des Polymers (und aller hinzugefügten Füllstoffe) vorstellen, sich über einen extrem kurzen Zeitraum zu entspannen oder zu fließen, bevor es bricht. Der Grad der Sprödigkeit eines Polymers hängt mit der Menge der Spannungsentspannung zusammen, die in einem sehr kleinen Bereich direkt unter dem Aufprallpfeil stattfindet. Diese Mikrobereichsbewegung oder -strömung wird stark von Unvollkommenheiten und Mikrohohlräumen beeinflusst, einschließlich der Schnittstellen zwischen Polymeren und Füllstoffen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des mehrachsigen Aufpralltests wird die Last nicht so über die Testprobe verteilt wie bei Tests mit niedriger Geschwindigkeit, wie z. B. Zug- und Biegetests. Daher ist die Aufprallprüfung für ganze Teile enger mit einer Kombination aus Zug- und Biegeeigenschaften verbunden, da das Ereignis typischerweise über eine große Oberfläche verteilt ist und die Übertragung von Lasten auf Befestigungspunkte umfasst. Aus diesem Grund ist die Teileprüfung immer die bevorzugte Methode zum Vergleich von Massivteilen mit MuCell-Teilen.

Die Tests wurden mit 2.25 mm dicken 5 x 5 Zoll großen Platten durchgeführt, die mit 40 % Langglasfaser-PP als Feststoff und einer Dichtereduzierung von 10 % im MuCell-Verfahren hergestellt wurden. Eine zweite Variable, die für die Tests eingeführt wurde, war der Pfeildurchmesser, der Standardpfeil mit 0.5 Zoll Durchmesser und ein Pfeil mit 1 Zoll Durchmesser.

Die Ergebnisse der beiden Pfeilgeometrien waren wie erwartet, der größere Pfeildurchmesser führte zu höheren Last- und Energiewerten. Dies liegt daran, dass der Aufprall über eine größere Fläche verteilt ist und auch daran, dass der Abstand zwischen dem Stützring (ein 75-mm-Ring) und dem Außendurchmesser des Pfeils kleiner ist, was zu einer steiferen Unterstützung führt. Die Trends für die massiven Teile beim Übergang von einem 0.5-Zoll-Pfeil zu einem 1-Zoll-Pfeil und die mit dem MuCell-Verfahren mit zunehmendem Pfeildurchmesser hergestellten Teile waren ähnlich, die Durchbiegung bei Spitzenlast nahm um etwa 20 % zu, die Energie bei Spitzenlast nahm um etwa 32 % zu und die gesamte absorbierte Energie nahm um 10 % zu. Der Anstieg der Spitzenlast beim Übergang von einem 0.5-Zoll-Stützring zu einem 1-Zoll-Stützring war bei den massiven Teilen größer als bei den MuCell-Teilen (22 % bzw. 14 %).

Tabelle 1: Dart-Geometrie – Festkörperteile

Tabelle 2: Dartgeometrie – Schaumstoffteile

Der zweite Vergleich betrifft die festen Proben und die MuCell-Proben. Bei Verwendung sowohl des ½-Zoll- als auch des 1-Zoll-Pfeils war die Gesamtenergie für die MuCell-Proben etwa 20 % niedriger als für die festen Proben. Die durchschnittliche Belastung für die festen und die MuCell-Proben war jedoch etwa gleich. Der Unterschied in der Gesamtenergie resultierte aus der Tatsache, dass die durchschnittliche Auslenkung bei den festen Proben etwa 30 % höher war als bei den MuCell-Proben.  

Tabelle 3: Massiv vs. Schaum bei 0.5" Dart

Tabelle 4: Massiv vs. Schaumstoff bei 1-Zoll-Pfeil

Diese Ergebnisse zeigen, dass ein mit dem MuCell-Verfahren unter Verwendung von LGF PP hergestelltes Teil denselben Belastungen standhalten sollte (keine Änderung der Spitzenbelastungen) wie die feste Probe. Wenn jedoch die Spitzenbelastungen überschritten werden, versagt das MuCell-Teil mit geringerer Durchbiegung. Darüber hinaus gelten diese Beziehungen unabhängig von der Geometrie des Pfeils konstant.

Übertragen auf die Leistung des Teils wird erwartet, dass ein massives Teil, das für eine bestimmte Belastung ausgelegt ist, eine ähnliche Leistung erbringt, wenn es in ein MuCell-Teil umgewandelt wird. Bei einer Türverkleidung würde dies bedeuten, dass eine massive Türverkleidung, die im MuCell-Verfahren umgewandelt wurde, die erforderlichen Komponenten genauso gut tragen sollte wie das massive Äquivalent. Wenn das Teil jedoch einer Belastung ausgesetzt wird, die die Leistungsfähigkeit des Materials übersteigt, typischerweise einer Belastung, die bei normaler Verwendung nicht auftritt, versagt das MuCell-Teil bei einer geringeren Verformung, während das massive Teil mehr Energie absorbiert und sich weiter verformt, bevor es zum Totalversagen kommt.  

Abbildung 1:

Fazit:

Es wird erwartet, dass ein massives Teil, das im Gebrauch einer Reihe statischer Belastungen standhalten soll, mit einer Gewichtsreduzierung von 10 % oder weniger in ein MuCell-Teil umgewandelt werden kann und auf die gleiche Weise funktioniert wie das massive Design. Es wird auch erwartet, dass im Falle eines Aufprallereignisses sowohl die massiven als auch die MuCell-Komponenten versagen würden. Während die MuCell-Komponente während des Aufprallereignisses etwa 20 % weniger Energie absorbieren würde, wäre dies angesichts der typischen umgebenden Metallstruktur nicht signifikant.