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Wer sich unter der Motorhaube eines Fahrzeugs umsieht, der findet dort alles. Elektronik gibt es darin, Röhren, Kabel, Leitungen, Mikrochips mit Software, Zahnräder, Schrauben und Schläuche und noch vieles mehr. Man könnte sagen, dort werden sämtliche Kategorien an Werkstoffen eingesetzt, die der Markt so hergibt.

So, oder so ähnlich funktioniert das bei vielen Produkten. Sie enthalten Kunststoffe, Metalle, Holz was auch immer. Manche von ihnen sind fest, manche von ihnen sind elastisch. Immer wieder werden sie zum Teil an sensiblen Stellen eingesetzt. Also an Stellen in einem Produkt, die zu hohem Anteil darüber entscheiden, ob etwas funktioniert und ob die Sicherheit bei der Nutzung gegeben ist. Wie stellt man in der Praxis sicher, ob sie ihren Aufgaben gerecht werden? Um diese Frage zu beantworten haben wir uns das IRHD Verfahren zur Härteprüfung genauer angeschaut. Anhand der Kategorie der Kunststoffe und Elastomere erläutern wir, wie eine Messung mit Hilfe von IRHD durchgeführt wird.

Härte messen bei Kunststoffen und Elastomeren – warum ist das wichtig?

Wir haben Kunststoffe und Elastomere ausgesucht, weil diesen Werkstoffen in den letzten Jahrzehnten immer mehr Bedeutung zugekommen ist. Sie ersetzen an vielen kritischen Stellen Metalle. Davon werden Konsumenten teilweise beunruhigt. Sind sie es doch gewohnt, dass nur Metalle Produkte zuverlässig und stabil halten. Doch dem ist nicht so. An vielen Stellen sind solche Stoffe viel sinnvoller, weil sie weniger anfällig sind für Umwelteinflüsse. Weder rosten sie, noch reagieren sie mit Chemikalien aus der Luft oder dem Regenwasser usw. Zudem sind sie sehr leicht und günstig. Wichtig ist es nur, sie in Sachen Härte und Stabilität zu testen, so dass die Verlässlichkeit auf Dauer gegeben ist.

Hierfür wurde das IRHD Verfahren entwickelt. IRHD ist die Abkürzung für „International Rubber Hardness Degree“. Der Name sagt es schon, Rubber bedeutet Gummi. Aber es ist eben nicht nur für Gummi brauchbar, sondern Kunststoffe allgemein. Darunter finden sich welche, die zwar ihre Form verändern, nach der Druckbelastung aber in ihre ursprüngliche Struktur zurückkehren. Sie nennt man Elastomere. Ein Beispiel dafür wäre Reifen-Gummi vom Auto. An sich ein flexibler Stoff, der nach einer erhöhten Belastung zum Glück wieder sein ursprüngliches Aussehen wieder annimmt. Ansonsten würde er unbrauchbar.

Wie läuft die Härteprüfung von Gummi und Kunststoff ab?

IRHD ist die Abkürzung für ein Prüfverfahren. Dieses wurde anhand von Normen in seiner Methodik standardisiert. In Deutschland ist es die DIN 53505, in der sich die Beschreibungen wiederfinden. DIN steht für Deutsche Industrie-Norm. Wird ein solcher Standard für ganz Europa festgeschrieben, dann lautet die Bezeichnung DIN EN – für Europa-Norm. Wenn dann noch ein ISO im Namen steht, dann heißt es, dass die Vorschriften sogar weltweit angenommen wurden. Die ISO ist die „International Organization for Standardization“ und sie kümmert sich um international gültige Normierungen. Wenn Sie also Abkürzungen wie ISO, DIN ISO oder DIN EN ISO sehen, dann können Sie als Ingenieur davon ausgehen, dass sich ein Verfahren in allen Ländern der Welt nutzen lässt, um zum Beispiel eine Zulassung von neuen Produkten zu erwirken.

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IRHD soll also die Härte von Gummi oder Kunststoffen erkunden. Das Verfahren läuft immer gleich ab. Es gibt ein Gerät, welches eine Art kleine Tischplatte besitzt. An einer vertikalen Schiene befindet sich eine Halterung, an deren unterem Ende eine Kugel angebracht ist. Diese Kugel hat eine bestimmte Größe und ein bestimmtes Gewicht. Sie wird auch als Eindringkörper bezeichnet. Wie groß dieser ist, das ist in den Regeln für die Härteprüfung genau beschrieben. Es gibt folgende Kategorien:

  • N – Messung bei Normalprüfung
  • H – Prüfung bei hoher Härte
  • L – Prüfung bei niedriger Härte
  • M – Messung der Mikrohärte

Bei allen diesen Methodiken wird der Eindringkörper von oben auf das Material herabgelassen. Nun wird gemessen, wie weit dieser einsickert. Es wirkt dabei nur das Eigengewicht als Kraft. Je weniger die Kugel in die Oberfläche eindringt, desto höher die Härte bzw. der Härtewert.

Es bleibt dabei nicht unbedingt bei nur einer Messung. Häufig werden verschiedene Gewichte und verschiedene Größen der Eindringkörper untersucht. Aus den vielen Messwerten ergibt sich ein Diagramm dafür, wie stabil ein Material ist und welche Verformung dieser bei welcher Belastung erleben würde. Aus den Messdaten ergibt sich dann ein Graf im Koordinatensystem. Dieser ist in der Regel nicht linear, sondern lässt sich nur durch eine hoch komplexe Formel ausdrücken. Wer diese ermittelt, der kann dann allgemeingültige Werte für diesen einen Werkstoff ermitteln. Also voraussagen, wie viel dieser unter welchem Druck nachgeben wird.

Auf diese Weise ist IRHD zu einer anerkannten Prüfmethode geworden. Es lässt sich verwenden, um weiche Elastomere und zugleich harte Kunststoffmaterialien auf ihre Stabilität hin zu prüfen. Nutzer können somit darauf vertrauen, dass Produkte sicher sind, wenn es sich eine Firma handelt, die auf hohem Niveau Qualität anbietet.

Was ist Shore im Bereich IRHD?

Um sich das Leben einfacher zu machen, haben die Ingenieure sich eine Art Skala überlegt, mit der sie schnell und einfach zum Ausdruck bringen können, wie hart oder wie weich eine Materialart sein soll. In diesem Fall hat man sich auf die Bezeichnung Shore geeinigt. Mann sieht dann Bezeichnungen wie: 50 Shore oder 70 Shore. Beziehungsweise sieht man auch nicht selten Shore A und dann in Verbindung mit Zahlen: 50 Shore A oder 70 Shore A. Was bedeutet es?

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In dieser Maßeinheit verstecken sich zwei Größen. Die Zahlen geben immer den Härtegrad an. Der beginnt normalerweise bei um die 25 und geht bis 100. Die Buchstaben wiederum geben die Materialart an. A zum Beispiel ist der Buchstabe für Gummierzeugnisse. D wiederum für deutlich härtere Kunststofferzeugnisse. Hier ein Beispiel dafür, wie eine Tabelle zu lesen ist:

25 – 35 Shore A – Gummibänder
70 – 80 Shore A –  Schuhsohlen, Absätze, Ledergürtel, Hydraulische O-Ringe, Mouse-Pads
100 Shore A – Ebonit-Gummi

Und hier zum Vergleich die D-Skala:
50 Shore D – Reifen von LKW
60 Shore D – Golfball

Wer sich diese Daten ansieht, dem wird schnell klar, dass eine solche Einteilung relativ einfach zu lesen und in der industriellen Praxis zu nutzen ist. Wenn zum Beispiel der Produktdesigner ein Zahnrad aus Plastik an einer Stelle einsetzen möchte, dann muss er den Kollegen im Einkauf und in der Produktion den exakten Wert angeben. Zum Beispiel: 93 Shore D. Dabei würde es sich quasi um das härtest mögliche Material für dieses eine Zahnrad handeln. Es gibt also genaue Messwerte, anhand derer der Entwickler weiß, dass sie die Belastungen aushalten.

Fazit: IRHD-Härte

Käufer von Produkten jeglicher Art sollten wissen, dass jedes Produktionsmaterial ganz genau klassifiziert werden kann hinsichtlich seiner Stabilität, Tragkraft der Haltbarkeit. Sie werden anhand von sehr exakten Untersuchungsmethoden eingeteilt, so dass langfristig nicht der Zufall darüber entscheidet, ob sie halten. Ihre Eigenschaften sind bereits vor der Nutzung absehbar.

In den Laboren nutzen die Experten dafür modernste Technik, mit denen sie ganz genau feststellen können, welches Teil welchen Anforderungen gerecht sein wird. Die Sicherheit ist auf diese Weise gewährleistet – sofern die Ingenieure auf ihrem Gebiet die notwendigen Kompetenzen besitzen.