Einfluss von Temperatur auf Bauteilfestigkeit

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.

Versuchsaufbau und Versuchsablauf

Versuchsaufbau

Zur Untersuchung des Einflusses von Temperatur waren insgesamt neun Probekörper pro Versuch geplant, aufgeteilt in drei Gruppen:

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

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

Versuchsablauf

Um die thermische Belastbarkeit der 3D-gedruckten Bauteile realitätsnah abzuschätzen, wurden zwei unterschiedliche Versuchsszenarien durchgeführt.

Wiederholte thermische Zyklen

Zunächst wurden zyklische Temperaturwechsel simuliert, wie sie während dem Nutzungsverlauf in einer Kaffeemaschine auftreten. Die Proben wurden zwanzigmal hintereinander für jeweils fünf Minuten in kochendem Wasser (≈ 100 °C) gehalten und anschließend etwa zehn Minuten an Umgebungsluft langsam, um keinen Thermoshock zu verursachen, abgekühlt. Dieser Langzeit-Zyklus dient dazu, potentielle strukturelle Veränderungen, wie Layer-Delamination oder einen graduellen Verlust der Steifigkeit, frühzeitig zu erkennen.

Thermisches Aufheizen

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.

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

Dokumentation und Beobachtungen

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.

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].

Bild 1: Zugversuchprobe Vergleich Wiederholte thermische Zyklen und unbehandelt

Umgekehrt schrumpften die flach gedruckten Zugproben sowie die Schlagbiegeproben geringfügig, ihre Länge verringerte sich um etwa 0,5 cm. Diese entgegengesetzte Richtungsausdehnung lässt sich aufgrund der Schichtorientierung erklären. Hochkant gedruckte Proben sind in Z-Richtung weniger dicht gepackt und können sich bei Erweichung unter Eigengewicht strecken, während flach gedruckte Proben vor allem innenliegende Druckspannungen abbauen und deshalb etwas zusammenschrumpfen. Das Gesamtgewicht blieb bei allen Proben unverändert, womit kaum Feuchteaufnahme oder Materialverlust stattfand. Die beobachteten Längenänderungen lassen sich also auf einen Thermischen Einfluss zurückverfolgen.

Thermisches Aufheizen

Während der Aufwärmung im Ofen bei 135 °C erweichte GreenTEC Pro so stark, dass die Proben mit höchster Vorsicht entnommen werden mussten. Ein halten des Kunststoffes in der Mitte der Zugprobe führte sofort zu sichtbaren Verbiegungen an den enden des Bauteils. Die hochkant gedruckten Zugstäbe waren besonders empfindlich. Alle drei brachen beim Herausnehmen unter ihrem eigenen Gewicht, bevor sie die Prüfmaschine erreichten. Diese Beobachtung zeigt bereits, dass der Werkstoff oberhalb der HDT-Temperatur zwar nicht schmilzt, aber nahezu jede strukturelle Steifigkeit verliert und ohne äußere Stabilisierung seine Form nicht mehr halten kann.

Laborversuche

Wiederholte thermische Zyklen

Zugversuche

Die flachgedruckten Zugproben wurden zuerst untersucht. Die Daten der Prüfungen finden sich in [Bild 2] sowie die Spannungs-Dehnungsdiagramme in [Bild 3] und [Bild 4].

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  Bild 2: Zugversuchdaten, wiederholte thermische Zyklen

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  Bild 3: Spannungs-Dehnungsdiagramm der Flachgedruckten Zugstäbe

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  Bild 4: Spannungs-Dehnungsdiagramm der Hochkanntgedruckten Zugstäbe

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

Parameter	Ohne Einfluss	Nach Lösung	Veränderung
E-Modull Et (MPa)	~3829	~2547	↓ ca. 33,5 %
Streckgrenze σy (MPa)	~40,5	~29,3	↓ ca. 28 %
Bruchspannung σb (MPa)	~32	~28	↓ ca. 12,5 %
Technische Bruchdehnung εtb (%)	3,3	2	↓ ca. 40 %