Einfluss von Temperatur auf Bauteilfestigkeit - Versionsgeschichte

Maximilian Wimmer: /* Thermisches Aufheizen */

2025-06-20T18:49:28Z

Thermisches Aufheizen

← Nächstältere Version		Version vom 20. Juni 2025, 20:49 Uhr
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	Die einmalige Aufheizung der Proben auf 135 °C, führt zu einer drastischen Änderung des Werkstoffverhaltens. Das Elastizitätsmodul bricht ~~von zuvor rund 3 800 MPa auf Werte um 70 MPa~~ ein, die Bruchspannung sinkt parallel um ca. 89% des ursprünglichen Wertes. Auch die Bruchdehnung zeigt eine erhebliche Änderung von rund 2640%.		Die einmalige Aufheizung der Proben auf 135 °C, führt zu einer drastischen Änderung des Werkstoffverhaltens. Das Elastizitätsmodul bricht drastisch ein, die Bruchspannung sinkt parallel um ca. 89% des ursprünglichen Wertes. Auch die Bruchdehnung zeigt eine erhebliche Änderung von rund 2640%.

	Das Material verliert damit nahezu seine gesamte Steifigkeit und Festigkeit, verhält sich aber hoch-duktil. Die Prüfkörper lassen sich über große Längen strecken, ohne sofort zu reißen.		Das Material verliert damit nahezu seine gesamte Steifigkeit und Festigkeit, verhält sich aber hoch-duktil. Die Prüfkörper lassen sich über große Längen strecken, ohne sofort zu reißen.

Maximilian Wimmer: /* Dokumentation und Beobachtungen */

2025-06-20T18:42:55Z

Dokumentation und Beobachtungen

← Nächstältere Version		Version vom 20. Juni 2025, 20:42 Uhr
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	'''Wiederholte thermische Zyklen'''		'''Wiederholte thermische Zyklen'''

	Bereits während der ersten Zyklen aus Aufheizen und Abkühlen bildeten sich auf den Bauteiloberflächen ~~feine, weiße Ablagerungen~~. ~~Dabei handelt es sich um Kalkflecken:~~ Das Kochwasser war nicht entmineralisiert, sodass sich ~~gelöste Calcium- und Magnesiumsalze~~ beim Verdampfen ~~ausfällten~~. Die Ausprägung ist kein Hinweis auf eine besondere Kalkanfälligkeit des Kunststoffs, sondern ein übliches Phänomen in hartem Leitungswasser.		Bereits während der ersten Zyklen aus Aufheizen und Abkühlen bildeten sich auf den Bauteiloberflächen Kalkflecken. Das Kochwasser war nicht entmineralisiert, sodass sich Salze beim Verdampfen anhaften. Die Ausprägung ist kein Hinweis auf eine besondere Kalkanfälligkeit des Kunststoffs, sondern ein übliches Phänomen in hartem Leitungswasser.

	Deutlich auffälliger waren die geometrischen Veränderungen. Die hochkant gedruckten Zugproben verlängerten sich nach 20 Zyklen um etwa 1,5 – 2 cm und zeigten eine leichte Durchbiegung, die zuvor nicht vorhanden war [Bild 1].		Deutlich auffälliger waren die geometrischen Veränderungen. Die hochkant gedruckten Zugproben verlängerten sich nach 20 Zyklen um etwa 1,5 – 2 cm und zeigten eine leichte Durchbiegung, die zuvor nicht vorhanden war [Bild 1].

Maximilian Wimmer: /* Versuchsablauf */

2025-06-20T18:35:33Z

Versuchsablauf

← Nächstältere Version		Version vom 20. Juni 2025, 20:35 Uhr
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	Im zweiten Teilversuch wurde die Festigkeit des Materials direkt bei erhöhter Temperatur untersucht. Laut Datenblatt liegen die relevanten Kennwerte bei HDT/B ≈ 115 °C, VICAT A ≈ 160 °C und einer Schmelztemperatur von 180–200 °C. Da 3D-gedruckte Proben erfahrungsgemäß empfindlicher reagieren als Spritzgussteile, wurde eine Prüf-Temperatur von 135 °C gewählt. Dieser Wert liegt deutlich über der HDT/B-Grenze, bleibt aber unterhalb von VICAT A und spiegelt gleichzeitig die maximalen Betriebsbedingungen eines Kaffeemaschinen-Boilers (≈ 130 °C) wider.		Im zweiten Teilversuch wurde die Festigkeit des Materials direkt bei erhöhter Temperatur untersucht. Laut Datenblatt liegen die relevanten Kennwerte bei HDT/B ≈ 115 °C, VICAT A ≈ 160 °C und einer Schmelztemperatur von 180–200 °C. Da 3D-gedruckte Proben erfahrungsgemäß empfindlicher reagieren als Spritzgussteile, wurde eine Prüf-Temperatur von 135 °C gewählt. Dieser Wert liegt deutlich über der HDT/B-Grenze, bleibt aber unterhalb von VICAT A und spiegelt gleichzeitig die maximalen Betriebsbedingungen eines Kaffeemaschinen-Boilers (≈ 130 °C) wider.

	Die aufgewärmten Proben wurden unmittelbar nach dem ~~Temperieren~~ geprüft, um ein reales Aufheiz-/Abkühlprofil des Werkstoffs abzubilden. Dank eines längeren Labor-Slots konnten Zug- und Schlagbiegeversuche am selben Tag durchgeführt werden, sodass mögliche Alterungseffekte zwischen ~~Temperierung~~ und mechanischer Prüfung ausgeschlossen sind.		Die aufgewärmten Proben wurden unmittelbar nach dem entnehmen aus dem Ofen geprüft, um ein reales Aufheiz-/Abkühlprofil des Werkstoffs abzubilden. Dank eines längeren Labor-Slots konnten Zug- und Schlagbiegeversuche am selben Tag durchgeführt werden, sodass mögliche Alterungseffekte zwischen Erhitzen und mechanischer Prüfung ausgeschlossen sind.

	Mit diesen beiden Versuchsreihen lassen sich sowohl langzeitige thermische Einflüsse als auch unmittelbare Hochtemperatur-Belastungen beurteilen.		Mit diesen beiden Versuchsreihen lassen sich sowohl langzeitige thermische Einflüsse als auch unmittelbare Hochtemperatur-Belastungen beurteilen.

Maximilian Wimmer: /* Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025 */

2025-06-20T18:33:21Z

Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025

← Nächstältere Version		Version vom 20. Juni 2025, 20:33 Uhr
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	== Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025 ==		== Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 20.06.2025 ==
	Da Bauteile in Kaffeemaschinen typischerweise erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, wird in diesem Arbeitspaket die Temperaturbeständigkeit des verwendeten Materials untersucht. Zunächst erfolgt eine Thermische Festigkeitsprüfung über eine Erhitzung des Bauteils und eine anschließende Mechanische Prüfung. Ebenso wird geprüft, ob wiederholte thermische Zyklen (Erhitzen und Abkühlen) strukturelle Veränderungen oder Stabilitätsverluste hervorrufen. Geplant ist hierfür eine kombinierte Prüfung mit Wasseraufnahme, durch ein heiße Wasserbad, um möglichst realitätsnahe Belastungen zu simulieren.		Da Bauteile in Kaffeemaschinen typischerweise erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, wird in diesem Arbeitspaket die Temperaturbeständigkeit des verwendeten Materials untersucht. Zunächst erfolgt eine Thermische Festigkeitsprüfung über eine Erhitzung des Bauteils und eine anschließende Mechanische Prüfung. Ebenso wird geprüft, ob wiederholte thermische Zyklen (Erhitzen und Abkühlen) strukturelle Veränderungen oder Stabilitätsverluste hervorrufen. Geplant ist hierfür eine kombinierte Prüfung mit Wasseraufnahme, durch ein heiße Wasserbad, um möglichst realitätsnahe Belastungen zu simulieren.

Maximilian Wimmer: /* Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025 */

2025-06-20T18:33:13Z

Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025

← Nächstältere Version		Version vom 20. Juni 2025, 20:33 Uhr
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	== Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025 ==		== Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 19.06.2025 ==
	Da Bauteile in Kaffeemaschinen typischerweise erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, wird in diesem Arbeitspaket die Temperaturbeständigkeit des verwendeten Materials untersucht. Zunächst erfolgt ~~ein Test der Wärmeformbeständigkeit~~ über eine ~~schrittweise~~ Erhitzung ~~bis zur Verformung~~. ~~Ergänzend~~ wird geprüft, ob wiederholte thermische Zyklen (Erhitzen und Abkühlen) strukturelle Veränderungen oder Stabilitätsverluste hervorrufen. Geplant ist ~~zudem~~ eine kombinierte Prüfung mit Wasseraufnahme, ~~z. B.~~ durch heiße ~~Wasserbäder~~, um möglichst realitätsnahe ~~Belastungsszenarien abzubilden~~.		Da Bauteile in Kaffeemaschinen typischerweise erhöhten Temperaturen ausgesetzt sind, wird in diesem Arbeitspaket die Temperaturbeständigkeit des verwendeten Materials untersucht. Zunächst erfolgt eine Thermische Festigkeitsprüfung über eine Erhitzung des Bauteils und eine anschließende Mechanische Prüfung. Ebenso wird geprüft, ob wiederholte thermische Zyklen (Erhitzen und Abkühlen) strukturelle Veränderungen oder Stabilitätsverluste hervorrufen. Geplant ist hierfür eine kombinierte Prüfung mit Wasseraufnahme, durch ein heiße Wasserbad, um möglichst realitätsnahe Belastungen zu simulieren.

	__TOC__		__TOC__

Maximilian Wimmer: /* Zugversuche */

2025-06-19T14:47:05Z

Zugversuche

← Nächstältere Version		Version vom 19. Juni 2025, 16:47 Uhr
Zeile 63:		Zeile 63:
	Eine genauere Gegenüberstellung der Daten findet sich in [Tabelle 1]:		Eine genauere Gegenüberstellung der Daten findet sich in [Tabelle 1]:
	{\| class="wikitable"		{\| class="wikitable"
	! Parameter !! Ohne Einfluss !! Nach ~~thermischen~~ Zyklen !! Veränderung		! Parameter !! Ohne Einfluss !! Nach therm. Zyklen !! Veränderung
	\|-		\|-
	\| E-Modull E<sub>t</sub> (MPa) \|\| ~3829 \|\| ~2547 \|\| ↓ ca. 33,5 %		\| E-Modull E<sub>t</sub> (MPa) \|\| ~3829 \|\| ~2547 \|\| ↓ ca. 33,5 %

Maximilian Wimmer: /* Thermisches Aufheizen */

2025-06-19T14:46:46Z

Thermisches Aufheizen

← Nächstältere Version		Version vom 19. Juni 2025, 16:46 Uhr
Zeile 107:		Zeile 107:
	Eine genauere Gegenüberstellung der Daten findet sich in [Tabelle 1]:		Eine genauere Gegenüberstellung der Daten findet sich in [Tabelle 1]:
	{\| class="wikitable"		{\| class="wikitable"
	! Parameter !! Ohne Einfluss !! Nach ~~Lösung~~ !! Veränderung		! Parameter !! Ohne Einfluss !! Nach Erhitzung !! Veränderung
	\|-		\|-
	\| E-Modull E<sub>t</sub> (MPa) \|\| ~3829 \|\| ~67,5 \|\| ↓ ca. 98 %		\| E-Modull E<sub>t</sub> (MPa) \|\| ~3829 \|\| ~67,5 \|\| ↓ ca. 98 %

Maximilian Wimmer: /* Schlagbiegeversuche */

2025-06-19T14:45:21Z

Schlagbiegeversuche

← Nächstältere Version		Version vom 19. Juni 2025, 16:45 Uhr
Zeile 127:		Zeile 127:

	[[Datei:Schlagbiegeversuch ThermischeErhitzung Daten.png\|mini\|500px\|zentriert\| Bild 8: Schlagbiegeversuchdaten, Thermische Erhitzung]]		[[Datei:Schlagbiegeversuch ThermischeErhitzung Daten.png\|mini\|500px\|zentriert\| Bild 8: Schlagbiegeversuchdaten, Thermische Erhitzung]]

			Nach dem Ofendurchlauf zeigten die Schlagbiegeproben ein vollkommen anderes Verhalten als in allen vorherigen Schlagbiegeprüfreihen. Der 5-J-Hammer schlug die Proben von der Prüfstation ohne jegliche Veränderung am Bauteil zu bewirken. Da der Hammer keinen Bruch verursacht und lediglich die Proben nach hinten schleudert, entwertete der Computer jeden Prüfversuch als Fehlversuch.

			Die Aufgeheizten Prüfkörper speicherten die Schlagenergie elastisch, ohne das es zu einem Plastischem Bruch kommt. Das Ergebnis bestätigt die Beobachtungen aus dem Zugversuch, bei etwa 135 °C verliert GreenTEC Pro seine Steifigkeit fast vollständig und verhält sich gummiartig. Unter solchen Bedingungen trägt das Material keine strukturelle Last mehr, sondern wirkt lediglich als federnder Körper.

			==== Fazit ====

			Die Tests belegen eindeutig, dass GreenTEC Pro bei einer einmaligen Erwärmung auf 135 °C seine mechanische Tragfähigkeit verliert. Unter dieser Temperatur verhält sich das Material gummiartig: Es verformt sich stark, speichert Schlagenergie elastisch und liefert im Zugversuch kaum noch Festigkeitswerte. Damit ist der Kunststoff in diesem Temperaturbereich konstruktiv nicht mehr einsetzbar.

			Zu berücksichtigen ist jedoch, dass im Boiler der Kaffeemaschine nicht nur hohe Temperaturen, sondern zugleich Drücke von etwa 1300 – 1500 mbar anliegen. Die Prüfkörper wurden ausschließlich temperaturbelastet und anschließend Mechanische geprüft, eine Druckbelastung bei dieser Temperatur fand nicht statt. Das reale Zusammenspiel von Temperatur mit Druck könnte daher zu abweichenden Resultaten führen. Trotzdem zeigt der Versuch, dass GreenTEC Pro bei Temperaturen von 135 °C keinerlei strukturelle Sicherheit mehr bietet und in druckbelasteten Bereichen konsequent unterhalb dieser Temperaturgrenze eingesetzt werden sollte.

Maximilian Wimmer: /* Schlagbiegeversuche */

2025-06-19T14:30:04Z

Schlagbiegeversuche

← Nächstältere Version		Version vom 19. Juni 2025, 16:30 Uhr
Zeile 126:		Zeile 126:
	Die Schlagbiegeversuche wurden unter den gleichen Konditionen wie die Zugversuche durchgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen finden sich in [Bild 8].		Die Schlagbiegeversuche wurden unter den gleichen Konditionen wie die Zugversuche durchgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen finden sich in [Bild 8].

	[[Datei:Schlagbiegeversuch ThermischeErhitzung Daten.png\|mini\|500px\|zentriert\| Bild 5: Schlagbiegeversuchdaten, ~~Wiederholte thermische Zyklen~~]]		[[Datei:Schlagbiegeversuch ThermischeErhitzung Daten.png\|mini\|500px\|zentriert\| Bild 8: Schlagbiegeversuchdaten, Thermische Erhitzung]]

Maximilian Wimmer: /* Schlagbiegeversuche */

2025-06-19T14:29:36Z

Schlagbiegeversuche

← Nächstältere Version		Version vom 19. Juni 2025, 16:29 Uhr
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	Die Schlagbiegeversuche wurden unter den gleichen Konditionen wie die Zugversuche durchgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen finden sich in [Bild 8].		Die Schlagbiegeversuche wurden unter den gleichen Konditionen wie die Zugversuche durchgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen finden sich in [Bild 8].

	[[Datei:Schlagbiegeversuch ThermischeErhitzung Daten.png\|mini]]		[[Datei:Schlagbiegeversuch ThermischeErhitzung Daten.png\|mini\|500px\|zentriert\| Bild 5: Schlagbiegeversuchdaten, Wiederholte thermische Zyklen]]