Einfluss von Wasser auf Bauteilfestigkeit

Ziel und Hintergrund, Maximilian Wimmer, 20.06.2025

Die Untersuchung der Wasseraufnahme dient der Analyse, inwiefern sich Feuchtigkeit auf das Materialverhalten der gedruckten Bauteile auswirkt. Dabei werden die Bauteile über eine längere Periode in Wasser gelegt. Im Anschluss werden potenzielle Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit und Bruchverhalten, geprüft. Zusätzlich wird dokumentiert, ob es zu optischen oder geometrischen Veränderungen, in Form von Aufquellen oder Schichtablösungen kommt.

Versuchsaufbau und Versuchsablauf

Versuchsaufbau

Zur Untersuchung des Einflusses von Wasser wurden insgesamt neun Probekörper verwendet, aufgeteilt in drei Gruppen:

• 3 flach gedruckte Zugproben
• 3 hochkant gedruckte Zugproben
• 3 Schlagbiegeproben

Die Proben wurden vor dem Einlegen in Wasser vermessen (Länge, Breite, Höhe) und gewogen, um potenzielle Veränderungen in Geometrie oder Masse im Nachgang identifizieren zu können.

Versuchsablauf

Die Bauteile wurden für etwa elf Tage vollständig in ein Wasserbad eingelegt. Der Versuch wurde unter Raumtemperatur durchgeführt. Am Abend vor der mechanischen Prüfung wurden die Bauteile aus dem Wasser entnommen und an der Luft getrocknet. Die Zugproben wurden zuerst in Wasser eingelegt. Die Schlagbiegeproben folgten zeitlich versetzt, da ein Wechsel der Prüfaufbauten im Labor mit einem höheren organisatorischen Aufwand verbunden war. Um dennoch vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wurden die Schlagbiegeproben denselben Bedingungen unterzogen.

Dokumentation und Beobachtungen

Nach dem Wasserlagerungszeitraum wurden die Proben erneut visuell inspiziert und exakt vermessen. Dabei zeigten sich keine sichtbaren Verformungen oder optischen Auffälligkeiten. Auch die Messdaten hinsichtlich Länge, Breite, Höhe und Gewicht zeigten keine signifikanten Abweichungen im Vergleich zu den vorher dokumentierten Werten.

Dieses vorläufige Ergebnis deutet darauf hin, dass GreenTEC Pro in Bezug auf Wasseraufnahme eine eher hohe Resistenz aufweist.

Laborversuche

Zugversuche

Die Zugproben wurden zuerst untersucht. Ebenso wurde aus Zeitmanagment entschieden nur eine Probe in Z-Richtung zu testen, da diese wie bei den Versuchen ohne Einflüsse keine wahren Daten liefern werden, sondern nur als Vergleich dienen werden. Die Daten der Prüfungen finden sich in [Bild 1] sowie die Spannungs-Dehnungsdiagramme in [Bild 2] und [Bild 3].

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  Bild 1: Zugversuchdaten, Wasseraufnahme

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  Bild 2: Spannungs-Dehnungsdiagramm der Flachgedruckten Zugstäbe

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  Bild 3: Spannungs-Dehnungsdiagramm der Hochkanntgedruckten Zugstäbe

Eine genauere Gegenüberstellung der Daten findet sich in [Tabelle 1]:

Parameter	Ohne Einfluss	Nach Wasseraufnahme	Veränderung	Veränderung bei PET als Vergleich
E-Modull Et (MPa)	~3829	~3417	↓ ca. 12 %	↓ ca. 25 %
Streckgrenze σy (MPa)	~40,5	~36,5	↓ ca. 10 %	↓ 10-30 %
Streckdehnung εy (%)	~2,02	~2,05	≈ Gleich	/
Bruchspannung σb (MPa)	~32	~26,1	↓ ca. 18 %	↓ ca. 10 %
Technische Bruchdehnung εtb (%)	3–4	3–4	≈ Gleich	/

Die Wasserlagerung hat zu einem geringen Abfall der Steifigkeit (E-Modul) und Festigkeit (Streck- und Bruchspannung) geführt. Die Bruchdehnung blieb hingegen praktisch unverändert. Das deutet darauf hin, dass der Werkstoff nach Wassereinfluss etwas weicher und weniger belastbar, aber nicht spröder wird. Das gleiche zeigt sich bei den Bauteilen in Z-Richtung, in diesem Fall eine Verringerung im E-Modul und der Bruchspannung. Als grobe Orientierung sind in der Tabelle auch PET-Daten aufgeführt: Insbesondere beim Elastizitätsmodul und der Streckgrenze zeigt sich, dass GreenTEC Pro unter Wasserbelastung deutlich weniger nachgibt als PET. Diese Vergleichswerte sollten jedoch mit Vorsicht interpretiert werden, da die mechanischen Kennwerte von PET stark von Temperatur und Konditionierungszustand abhängen und daher in der Literatur erheblich schwanken.

Schlagbiegeproben

Der Schlagbiegeversuch wurde, abgesehen einer zweiwöchigen Verzögerung, unter denselben Bedingungen durchgeführt wie der Zugversuch.

Bild 4: Schlagbiegeversuchdaten, Wasseraufnahme

Gleich wie bei den unbehandelten Proben kam es erneut zu einem Scharnierbruch, die Kerbe wurde also nicht vollständig durchtrennt. Die gemessenen Kennwerte decken sie mit den Ergebnissen der Referenzserie. Die Kerbschlagzähigkeit lag ohne Einfluss bei rund 9,95 kJ/m² und nach eineinhalb Wochen Wasserlagerung bei etwa 9,9 kJ/m². Damit zeigt sich, ähnlich wie bei den Zugversuchen, maximal eine leichte Verringerung der Steifigkeit, aber keine signifikante Änderung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs.

Fazit

Die Schlagbiegeversuche unterstützen die Ergebnisse der Zugversuche und zeigen, dass GreenTEC Pro bei längerer Wasseraussetzung geringfügige Einbußen bei Festigkeit und Steifigkeit erleidet, dabei aber keine starke Sprödigkeit oder strukturelle Instabilität auftritt. Die Wasseraufnahme scheint sich damit nur begrenzt negativ auf die mechanischen Eigenschaften auszuwirken ein grundsätzlich positives Ergebnis im Hinblick auf Anwendungen mit erhöhter Luftfeuchtigkeit oder Wasserkontakt. Damit bestätig sich, dass GreenTEC Pro weiterhin ein geeigneter und zuverlässiger Kunststoff für Bauteile bleibt, die regelmäßig mit Wasser in Berührung kommen.