Von Kunststoffen für medizinische Geräte bis hin zu Gummi für Reifen – die von uns verwendeten Materialien müssen immer höheren Anforderungen genügen. Produkthersteller und Verbraucher:innen erwarten von ihren Materialien, dass sie gut aussehen, gut funktionieren, wenig kosten und gleichzeitig umweltfreundlich sind. Um all diese Erwartungen zu erfüllen, ist ein tiefes Verständnis des Materialverhaltens von der molekularen Ebene bis hin zu den realen mechanischen Eigenschaften erforderlich. Da es viele Faktoren gibt, die die Eigenschaften von Materialien beeinflussen, sind präzise Messinstrumente und -methoden erforderlich, um sicherzustellen, dass die Materialien die hohen Erwartungen unserer Welt erfüllen. Eine wichtige Mess- und Analysemethode zur Bewertung der Eigenschaften von Materialien in verschiedenen Entwicklungs- und Produktionsstadien ist die dynamisch-mechanische Analyse (DMA).

Bei der DMA handelt es sich im Grunde um die Messung der viskoelastischen Eigenschaften eines Materials, die in der Regel in Form von Speichermodul, Verlustmodul und Tan-Delta quantifiziert werden.¹ DMA-Messungen werden durchgeführt, indem man Kräfte und Verformungen auf ein Material ausübt und diese zusammen mit den Auswirkungen anderer Faktoren wie Temperatur, Zeit und Frequenz analysiert.

Das gebräuchlichste Werkzeug zur Durchführung von DMA-Messungen sind hoch integrierte „DMA-Instrumente“ Dies sind Tischgeräte, die extrem präzise Kräfte und Verschiebungen für Messungen an relativ kleinen Proben aufbringen können. Diese Kraft- und Verschiebungsmessungen werden zusammen mit Temperaturprofilen verwendet, um thermische Ereignisse wie den Glasübergang, das Schmelzen, die Kristallisation, das Aushärten und die Alterung zu charakterisieren.

TA Instruments ist mit seinen Flaggschiffen DMA 850 und RSA-G2 weltweit führend bei dynamisch-mechanischen Analysatoren. Mit diesen Geräten lässt sich eine Vielzahl von Tests durchführen, bei denen selbst die kleinsten Veränderungen der Eigenschaften äußerst präzise gemessen werden können.

Diese Abbildung zeigt einen Vergleich zwischen drei PET-Proben, die mit dem DMA in Zug untersucht wurden: eine mit einer gleichmäßigen Klebeschicht, die gut funktioniert, eine mit einer ungleichmäßigen Schicht, die schlecht funktioniert, und eine, die unbeschichtet ist. Bei der „guten“ Probe ist für tan δ bei ca. 40 °C ein deutlich ausgeprägtes Peakmaximum, Anzeichen für einen durch den Klebstoff bedingten thermischen Übergang, zu erkennen, während die „schlechte“ Probe ein viel niedrigeres Peakmaximum aufweist. Die Kenntnis der Eigenschaften von guten und schlechten Proben ermöglicht eine Qualitätskontrolle des Beschichtungsprozesses und des Endprodukts. Diese feinen Übergänge erfordern ein hohes Maß an Sensibilität und Präzision.

Da die Entwicklung von Materialien und Produkten immer weiter voranschreitet, benötigen Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen zusätzliche Prüfmöglichkeiten für größere Proben und höhere Kräfte. Dieser Bedarf lässt sich aus einer Reihe von Gründen ableiten:

• Materialien, die nicht miniaturisiert werden können (z. B. 3D-Drucke oder Verbundwerkstoffe)
• Proben mit hoher Steifigkeit, die mehr Kraft zur Verformung erfordern
• Reale Bedingungen, die Verformungen außerhalb des linearen viskoelastischen Regimes (LVR) erfordern
• Komplexe Geometrien, die Komponenten der realen Welt darstellen

Häufig werden die bei diesen Krafttests gewonnenen Daten direkt für die Konstruktion und Überprüfung des Materials oder Produkts im Endzustand verwendet. Da die Versuche und Prüfmuster den realen Bedingungen immer ähnlicher werden, können die Probengrößen und Kräfte relativ hoch werden, mit angewandten Kräften von mehr als 10.000 N und dynamischen Verschiebungen von 10 mm oder mehr. DMA-Tests mit hohem Kraftaufwand unterscheiden sich stark von herkömmlichen DMA-Tests, da sie oft durchgeführt werden, um spezifische Informationen zu erhalten. Diese Prüfungen umfassen oftmals nur die für die Endanwendung zutreffenden Prüfgrößen, auch ohne Temperatureinflüsse! Einige Kund:innen verwenden beispielsweise DMA mit hoher Kraft bei Raumtemperatur als Qualitätskontrolle für einen Schwingungsisolator oder andere fertige Komponenten.

Da die Durchführung dieser Art von DMA-Prüfungen in der Regel zu einem späteren Zeitpunkt im Entwicklungszyklus erfolgt, werden sie in der Regel in Verbindung mit anderen Festigkeits- und Ermüdungsprüfungen durchgeführt. Materialfestigkeit, Ermüdungslebensdauer und DMA-Eigenschaften müssen alle zusammen berücksichtigt werden, wenn Materialien und Designs auf dem Weg zum Endprodukt iteriert werden.

Diese Tabelle zeigt einen Temperaturverlauf bei Asphaltschindeln, einem Verbundstoff aus Glas, Teer und Zuschlagstoffen, der aufgrund der inhomogenen Beschaffenheit des Materials nicht verkleinert werden kann, ohne die Eigenschaften zu verändern.

Diese Tabelle zeigt eine Bewertung des Payne-Effekts bei gefülltem Gummi. Die Füllstoff-Füllstoff-Wechselwirkungen brechen bei höheren Dehnungen zusammen, was zu einer Verringerung des Moduls führt. Das Verständnis dieses Effekts ist entscheidend, wenn Materialien außerhalb des LVR verwendet werden.

Die Produktfamilie von TA Instruments für die mechanische Prüfung bietet ein breites Spektrum an leistungsstarken Funktionen für Materialfestigkeit, Ermüdung und DMA in einem einzigen Gerät. Das DMA 3200 ist ein speziell konfiguriertes Gerät der Electroforce 3200-Reihe für höchste DMA-Leistung, das jedoch alle Funktionen für Materialfestigkeit und Ermüdungstests beibehält. Die gesamte Produktlinie der Lastrahmen, vom ElectroForce 3200 (Kapazität: bis zu 500 N) bis hin zum Electroforce 3550 (Kapazität: bis zu 15kN), kann für DMA-Tests konfiguriert werden, wobei die erstklassige Materialfestigkeit und Ermüdungsfähigkeit, für die ElectroForce bekannt ist, erhalten bleibt. Damit steht den Anwender:innen ein vielseitiges Werkzeug zur Verfügung, mit dem sie ihre Produkte präzise und zeitsparend entwerfen, testen und verfeinern können. Die spezialisierte Software für DMA- und Ermüdungstests bietet dem Benutzer erstklassige Möglichkeiten für eine Vielzahl von Testtypen, um Vielseitigkeit ohne Kompromisse zu bieten.

TA bietet das breiteste Angebot an Instrumenten für DMA-, Festigkeits- und Ermüdungsprüfungen auf dem Markt. Diese breite Produktpalette ermöglicht es den Kunden, ihren Testbedarf von der Materialentwicklung bis hin zur Prüfung und Verifizierung des Endprodukts mit einem gemeinsamen Partner und in der Regel mit einem einzigen Gerät zu erfüllen.

Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um zu erfahren, wie die DMA-, Festigkeits- und Ermüdungsprüfgeräte von TA Instruments konfiguriert werden können, um die Prüfmöglichkeiten Ihres Labors zu erweitern.