Warum Bauteilfeuchte und Matrixfeuchte nicht identisch sind
Ein Bauteil aus glasfaserverstärktem Polyamid soll auf 1,5 % Feuchte konditioniert werden. Der Zielwert ist definiert, die Gewichtszunahme wird kontrolliert und nach Erreichen des Wertes gilt der Prozess als abgeschlossen.
Doch worauf beziehen sich diese 1,5 % eigentlich?
Auf das gesamte Bauteil einschließlich der Glasfasern? Oder ausschließlich auf die Polyamidmatrix, in der die Feuchtigkeit aufgenommen wird und ihre wesentliche Wirkung entfaltet?
Diese Unterscheidung ist für die fachgerechte Bewertung eines Konditionierungsprozesses entscheidend. Denn bei glasfaserverstärkten Polyamiden sind die Feuchte des gesamten Bauteils und die rechnerische Feuchte der Polymermatrix nicht identisch.
Ein Feuchtewert ist nur dann eindeutig, wenn auch seine Bezugsbasis klar definiert ist.
1,5 % Feuchte – bezogen worauf?
Ein PA-GF30-Bauteil besteht vereinfacht aus:
70 % Polyamidmatrix
und
30 % Glasfasern
Die Glasfasern tragen zum Gesamtgewicht des Bauteils bei. Die für die Konditionierung relevante Feuchtigkeitsaufnahme findet dagegen im Wesentlichen in der Polyamidmatrix statt.
Deshalb kann ein Bauteil eine Gesamtfeuchte von 1,5 % aufweisen, während der rechnerische Feuchtegehalt der Polyamidmatrix deutlich höher liegt.
Warum Glasfasern die Bewertung verändern
Die Glasfasern erhöhen die trockene Gesamtmasse des Bauteils, ohne in vergleichbarem Umfang Feuchtigkeit aufzunehmen.
Genau daraus entsteht der Unterschied zwischen Bauteilfeuchte und Matrixfeuchte.
Bauteilfeuchte und Matrixfeuchte unterscheiden
Bauteilfeuchte
Rechnerische Matrixfeuchte
Die Bauteilfeuchte beschreibt die aufgenommene Wassermasse bezogen auf die gesamte trockene Ausgangsmasse des Bauteils.
Zu dieser Ausgangsmasse gehören:
- die Polyamidmatrix,
- die Glasfasern,
- Additive und weitere Bestandteile.
Bauteilfeuchte = aufgenommene Wassermasse ÷ trockene Gesamtmasse × 100
Bei einer gravimetrischen Kontrolle wird diese Größe über die Gewichtszunahme des gesamten Bauteils bestimmt.
Die rechnerische Matrixfeuchte beschreibt die aufgenommene Wassermasse bezogen ausschließlich auf die trockene Masse der Polyamidmatrix.
Matrixfeuchte = aufgenommene Wassermasse ÷ trockene Masse der Polyamidmatrix × 100
Der Zusatz „rechnerisch“ ist wichtig:
Die Feuchte der Matrix wird bei einer gewöhnlichen Wägung nicht separat gemessen. Sie wird aus der gesamten Gewichtszunahme und dem bekannten Matrixanteil abgeleitet.
Gemessen wird die Gewichtszunahme des gesamten Bauteils. Die Feuchte der Polyamidmatrix wird daraus rechnerisch abgeleitet.
Rechenbeispiel: PA-GF30
Betrachten wir ein vereinfachtes PA-GF30-Bauteil mit einer trockenen Gesamtmasse von 1.000 Gramm.
Nach der Konditionierung wiegt das Bauteil 1.015 Gramm.
Es hat somit 15 Gramm Wasser aufgenommen.
Schritt 1: Bauteilfeuchte berechnen
Schritt 2: Matrixfeuchte bestimmen
15 g Wasser ÷ 1.000 g trockene Gesamtmasse × 100
Ergebnis:
1,50 % Bauteilfeuchte
Die aufgenommenen 15 Gramm Wasser werden nun ausschließlich auf die 700 Gramm schwere Polyamidmatrix bezogen:
15 g Wasser ÷ 700 g trockene Polyamidmatrix × 100
Ergebnis:
2,14 % rechnerische Matrixfeuchte
Ergebnis:
| Betrachtete Bezugsmasse | Feuchtegehalt |
|---|---|
|
Gesamtes PA-GF30-Bauteil |
1,50% |
|
Polyamidmatrix |
2,14% |
Beide Werte sind rechnerisch korrekt. Sie beziehen sich lediglich auf unterschiedliche Massen.
Herstellerdaten zeigen den Einfluss des Glasfaseranteils
Der grundsätzliche Zusammenhang lässt sich auch anhand technischer Werkstoffdaten erkennen. BASF nennt für ausgewählte PA6-Werkstoffe bei 23 °C und 50 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit folgende Gleichgewichtsfeuchten:
| Werkstoffbeispiel | Verstärkung | Gleichgewichtsfeuchte |
|---|---|---|
|
Ultramid B3S |
unverstärkt |
2,6-3,4% |
|
Ultramid B3EG6 |
30% Glasfasern |
1,9-2,3% |
|
Ultramid B3WG10 |
50% Glasfasern |
1,3-1,7% |
Mit steigendem Glasfaseranteil sinkt in diesen Beispielen die auf das gesamte Compound bezogene Feuchtigkeitsaufnahme. Die Werte dürfen nicht pauschal auf andere Compounds übertragen werden, veranschaulichen jedoch deutlich den Einfluss des nicht wasseraufnehmenden Verstärkungsanteils.
Auch für andere kommerzielle PA6-GF30-Compounds werden Feuchtigkeitsaufnahmen unter definierten Normbedingungen ausdrücklich auf das jeweilige Gesamtcompound bezogen angegeben. Beispielsweise nennt DOMO für verschiedene PA6-GF30-Typen Gleichgewichtsfeuchten von etwa 2,2 bis 2,4 Prozent bei 23 °C und 50 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit.
Bestehende Zielwerte nicht reduzieren!
Aus dem Rechenbeispiel folgt nicht, dass ein bestehender Zielwert von 1,5 Prozent bei PA-GF30 grundsätzlich auf 1,05 Prozent gesenkt werden darf.
Ist eine Vorgabe ausdrücklich als Bauteil- oder Compoundfeuchte definiert und durch Werkstoffdaten, Kundenanforderungen oder Bauteilprüfungen abgesichert, ist genau diese Vorgabe maßgeblich.
Der notwendige Feuchtezustand hängt unter anderem ab von:
- dem konkreten PA-Typ und Compound,
- dem Glasfaser- und Additivanteil,
- der Bauteilgeometrie und Wandstärke,
- den geforderten mechanischen Eigenschaften,
- den maßlichen Anforderungen,
- den späteren Einsatzbedingungen,
- der Feuchteverteilung im Bauteil.
Die Berechnung dient deshalb nicht dazu, geprüfte Spezifikationen zu ersetzen. Sie hilft dabei, die Bedeutung und Herkunft bestehender Prozentwerte richtig zu hinterfragen.
Wo in der Praxis Fehlinterpretationen entstehen
Unklare Bezugsbasis
Die Vorgabe lautet lediglich „1,5 Prozent Feuchte“. Ob sich der Wert auf das gesamte Compound oder die Polymermatrix bezieht, ist nicht dokumentiert.
Übertragung von unverstärktem PA
Ein Zielwert für unverstärktes Polyamid wird unverändert auf ein glasfaserverstärktes Compound übertragen.
Gleicher Zielwert für unterschiedliche GF-Anteile
PA-GF15, PA-GF30 und PA-GF50 werden anhand derselben prozentualen Gewichtszunahme bewertet, obwohl ihr Matrixanteil unterschiedlich groß ist.
Gewichtszzunahme wird mit Gleichverteilung gleichgesetzt
Das erreichte Gesamtgewicht zeigt, wie viel Wasser das Bauteil aufgenommen hat. Es belegt jedoch nicht automatisch, dass die Feuchtigkeit bereits gleichmäßig bis in den Bauteilkern vorgedrungen ist.
Historisch übernommene Vorgaben
Ein Zielwert wird seit Jahren verwendet, obwohl seine ursprüngliche Herleitung nicht mehr bekannt ist und er nie anhand der tatsächlich benötigten Bauteileigenschaften überprüft wurde.
Potenziale für Zeit, Energie und Kosten
Wurde ein Zielwert ohne eindeutige Bezugsbasis festgelegt oder von einem anderen Werkstoff übernommen, kann der Konditionierungsprozess länger laufen als technisch notwendig.
Eine fachlich abgesicherte Neubewertung kann deshalb Potenziale eröffnen für:
Konditionierungszeit bedarfsgerecht festlegen
Energieverbrauch reduzieren
Anlagenkapazität erhöhen
Prozesskosten senken
Das Ziel darf dabei nicht lauten, möglichst wenig Feuchtigkeit in das Bauteil einzubringen.
Der technisch richtige Zielzustand ist erreicht, wenn die erforderlichen Bauteileigenschaften reproduzierbar vorliegen – ohne den Prozess unnötig zu verlängern.
Wie lange ein Polyamidbauteil bis zum gewünschten Zustand konditioniert werden muss, hängt unter anderem vom Werkstoff, von der Wandstärke, von der Temperatur und vom eingesetzten Verfahren ab. Mehr dazu erfahren Sie in unserem Fachbeitrag „Wie lange muss Polyamid konditioniert werden?“
So sollten Zielwerte überprüft werden
Bevor eine bestehende Feuchtevorgabe verändert wird, sollten folgende Fragen beantwortet werden:
- Ist das konkrete Compound eindeutig bekannt?
- Wie hoch ist der tatsächliche Glasfaser- und Additivanteil?
- Bezieht sich der Zielwert auf das Bauteil oder auf die Polymermatrix?
- Aus welcher Quelle stammt die Vorgabe?
- Ist das Messverfahren eindeutig dokumentiert?
- Zu welchem Zeitpunkt wird das Bauteil gewogen?
- Welche mechanischen und maßlichen Eigenschaften müssen erreicht werden?
- Wurden unterschiedliche Feuchtestufen miteinander verglichen?
- Ist die Feuchtigkeit im gesamten Funktionsbereich ausreichend verteilt?
- Wie wird der Zustand nach Konditionierung, Lagerung und Transport erhalten?
Besonders aussagekräftig sind abgestufte Konditionierungsversuche. Dabei werden Bauteile auf unterschiedliche
Feuchtestufen gebracht und anschließend anhand ihrer tatsächlich relevanten Eigenschaften geprüft.
So lässt sich feststellen, welcher Zielbereich technisch notwendig ist – und ob ein bestehender Prozess möglicherweise unnötig lange läuft.
Eine eindeutige Vorgabe braucht mehr als einen Prozentwert
Eine belastbare Konditionierungsspezifikation sollte nicht lediglich „Ziel-Feuchte: 1,5 Prozent“ enthalten.
Sinnvoll sind mindestens folgende Angaben:
| Angabe | Beispiel |
|---|---|
|
Werkstoff |
Konkrete Handelsbezeichnung |
|
Bauteil |
Artikelnummer und Geometrie |
|
Zielwert |
1,2 % Bauteilfeuchte |
|
Bezugsbasis |
Trockene Gesamtmasse |
|
Toleranz |
beispielsweise ± 0,3 Prozentpunkte |
|
Messmethode |
definierter gravimetrischer Ablauf |
|
Prüfzeitpunkt |
nach festgelegter Ausgleichszeit |
|
Eigenschaftsnachweis |
Funktions-, Schlag- oder Maßprüfung |
Damit ist sichergestellt, dass Produktion, Qualitätssicherung, Kunde und Lieferant denselben Wert auch tatsächlich gleich interpretieren.
Der Zielwert und das Verfahren gehören zusammen
Ein korrekt definierter Zielwert führt nur dann zu einem reproduzierbaren Ergebnis, wenn auch der Konditionierungsprozess beherrscht wird.
Temperatur, Feuchteangebot, Bauteilanordnung, Beladung, Wandstärke und Prozessdauer beeinflussen sowohl die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme als auch die Feuchteverteilung im Bauteil.
Welche Unterschiede zwischen verschiedenen Verfahren bestehen, erläutern wir im Beitrag „Dampfkonditionierung vs. Wasserbad“. Die wichtigsten Vorteile einer kontrollierten Dampfkonditionierung haben wir außerdem im Artikel „4 Vorteile der Dampfkonditionierung“ zusammengefasst.
Fazit:
Bei glasfaserverstärkten Polyamiden sind Bauteilfeuchte und Matrixfeuchte nicht identisch.
Die Glasfasern tragen zur trockenen Gesamtmasse des Bauteils bei, während die Feuchtigkeit in der Polyamidmatrix aufgenommen wird. Eine Bauteilfeuchte von 1,5 Prozent kann deshalb – abhängig vom Verstärkungsanteil – einer deutlich höheren rechnerischen Matrixfeuchte entsprechen.
Daraus folgt nicht, dass bestehende Zielwerte pauschal reduziert werden dürfen. Entscheidend ist, worauf sich ein Prozentwert bezieht, wie er entstanden ist und welche Bauteileigenschaften damit erreicht werden sollen.
Werden unklare oder historisch übernommene Zielwerte systematisch überprüft, können sich jedoch relevante Potenziale ergeben:
- kürzere Konditionierungszeiten,
- geringerer Energieeinsatz,
- höhere Anlagenkapazität,
- niedrigere Prozesskosten,
- eindeutigere Qualitätsvorgaben.
Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht nur:
Wie viel Feuchtigkeit hat das Bauteil aufgenommen?
Sondern ebenso:
Worauf bezieht sich dieser Wert – und welche Eigenschaften sollen damit erreicht werden?
Häufig gestellte Fragen
Nehmen Glasfasern bei der Konditionierung Wasser auf?
Die für die Konditionierung relevante Feuchtigkeitsaufnahme findet in der Polyamidmatrix statt. Die Glasfasern tragen zur Masse des Compounds bei, ohne sich wesentlich an der Wasseraufnahme zu beteiligen.
Was bedeuten 1,5 Prozent Feuchte bei PA-GF30?
Das hängt von der Bezugsbasis ab. Sind 1,5 Prozent auf die trockene Gesamtmasse des Bauteils bezogen, ergibt sich im vereinfachten PA-GF30-Beispiel eine rechnerische Matrixfeuchte von rund 2,14 Prozent.
Kann die Ziel-Feuchte bei PA-GF30 einfach reduziert werden?
Nein. Eine Anpassung darf erst erfolgen, wenn die Bezugsbasis des bisherigen Zielwertes geklärt ist und durch Versuche nachgewiesen wurde, dass die geforderten Bauteileigenschaften auch bei einem niedrigeren Wert zuverlässig erreicht werden.
Wird durch das Wiegen die Matrixfeuchte direkt gemessen?
Nein. Die Wägung erfasst zunächst die Gewichtszunahme des gesamten Bauteils. Die Matrixfeuchte kann daraus unter Verwendung des bekannten Matrixanteils rechnerisch abgeleitet werden.
Ist die Feuchtigkeit nach der Konditionierung sofort gleichmäßig verteilt?
Nicht zwangsläufig. Besonders bei dickwandigen Bauteilen kann die Gesamtgewichtszunahme bereits erreicht sein, während zwischen Oberfläche und Bauteilkern noch ein Feuchtegradient besteht.
Gelten für PA6-GF30 und PA66-GF30 dieselben Zielwerte?
Nein. Der notwendige Zielzustand ist vom konkreten Polyamidtyp, Compound, Verstärkungsanteil, Bauteil und den geforderten Eigenschaften abhängig. Herstellerwerte und geprüfte Bauteilspezifikationen müssen deshalb immer werkstoffbezogen bewertet werden.
