Die Härteprüfung von Kunststoffen ist wichtig, um deren mechanischen Eigenschaften und Einsatzfähigkeit zu bewerten. Doch die Wahl der richtigen Prüfmethode ist komplex: während Shore A und Shore D für weiche bis mittelfeste Materialien geeignet sind, kommen bei härteren Kunststoffen eher Rockwell- oder Kugeleindruck-Härteprüfung in Betracht. Um diese Wahl zu verstehen, werden die gängigen Prüfmethoden erläutert und ihre Anwendungsbereiche verglichen. So ist der Anwender bestens gerüstet, um die Härte von Kunststoffen präzise und zuverlässig zu bestimmen – unabhängig davon, ob es sich um flexible Elastomere oder hochfeste technische Kunststoffe handelt.
1 Härteprüfung von Kunststoffen – Ziel und Methodenwahl
Die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen sind entscheidend für ihre Eignung und Leistungsfähigkeit in verschiedenen Anwendungsbereichen – von der Automobil- und Elektroindustrie bis hin zur Medizintechnik. Eine der wichtigsten Kenngrößen zur Beurteilung dieser Eigenschaften ist die Härte. Doch was genau sagt die Härte eines Kunststoffs aus – und warum ist ihre präzise Bestimmung so wichtig?
1.1 Warum Härteprüfung von Kunststoffen wichtig ist
Die Härte eines Kunststoffs beschreibt den Widerstand, den das Material einer mechanischen Verformung entgegensetzt, sei es durch Eindringen, Kratzen oder Druckbelastung. Dieser Wert liefert wertvolle Informationen über die Verschleißfestigkeit, Formbeständigkeit und Belastbarkeit eines Materials. Ein Kunststoff, der unter einer bestimmten Belastung zu weich ist, kann im Einsatz vorzeitig versagen, während ein zu spröder Werkstoff unter Schlag- oder Stoßbelastung brechen kann. Die Härteprüfung dient daher nicht nur der Qualitätssicherung und Materialprüfung, sondern auch der Werkstoffentwicklung. Hersteller und Ingenieure nutzen die Ergebnisse der Härteprüfung, um die Werkstoffauswahl zu optimieren, Fertigungsprozesse anzupassen und die Produktlebensdauer zu verlängern.
1.2 Herausforderung bei Kunststoffen
Im Gegensatz zu Metallen weisen Kunststoffe eine größere Materialvielfalt auf. Sie können weich und flexibel (z. B. Elastomere) oder hart und spröde (z. B. Duroplaste) sein. Zudem reagieren Kunststoffe empfindlicher auf äußere Einflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit und Alterung, was die Härtemessung von Kunststoff erschwert. Die Wahl der richtigen Prüfmethode ist daher entscheidend, um verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
1.3 Ziel der Härteprüfung von Kunststoff
Das Ziel der Härteprüfung von Kunststoffen besteht darin, die mechanische Widerstandsfähigkeit des Materials unter definierten Bedingungen zu bestimmen. Daraus lassen sich wichtige Erkenntnisse für die Verarbeitung, die Belastbarkeit und die Gebrauchseigenschaften ableiten.
1.4 Auswahl des richtigen Prüfverfahrens
Je nach Materialtyp und Anwendungsbereich kommen unterschiedliche Härteprüfmethoden zum Einsatz. Die bekanntesten Verfahren für Kunststoffe sind die Shore-Härteprüfung, die Rockwell-Härteprüfung und die Kugeleindruck-Härteprüfung. Während die Shore-Härteprüfung vor allem bei weichen und elastischen Kunststoffen angewendet wird, eignet sich die Rockwell-Methode besser für härtere thermoplastische Materialien und weiche Verbundmaterialien.
1.5 Übersicht über gängige Härteprüfverfahren
Die für die Härteprüfung von Kunststoffen in Betracht kommenden Methoden sind im internationalen Regelwerk beschrieben:
- Kugeleindruck-Härteprüfung: ISO 2039-1:2001
- Rockwell-Härteprüfung: ISO 2039-2:1987 (Skalen: R, L, M, E)
- Shore A: ISO 48-4:2018, ISO 868:2003
- Shore D: ISO 48-4:2018, ISO 868:2003
- Shore OO: ASTM D2240-15:2021
- Micro Shore A: Bareiss Norm
- IRHD M: ISO 48-2:2018
- IRHD M (Hysteresemessung)
- Micro Shore D: Bareiss Norm
- Bleistift-Härteprüfung: ISO 15184:2020
- Buchholz-Härteprüfung: ISO 2815:2003
Im Folgenden werden die wichtigsten Prüfmethoden im Detail vorgestellt und ihre spezifischen Anwendungsbereiche erläutert, um die richtige Methode für die jeweilige Kunststoffprüfung zu finden und präzise Ergebnisse zu erzielen.
2 Härteprüfung Shore
Die Härteprüfung nach dem Amerikaner Albert L. Shore dient zur Bestimmung der Härte von elastomeren und plastischen Werkstoffen. Das Shore-Härteprüfverfahren nach ISO 48-4:2018 und ASTM D2240 ist ein genormtes Verfahren. Bei diesem Härteprüfverfahren wird der jeweilige Prüfkörper (gehärteter Stahlstift (Kegelstumpf, Kegelspitze) oder gehärtete Stahlkugel) mit einer definierten Federkraft in den zu prüfenden Werkstoff gedrückt und anschließend die resultierende Eindringtiefe gemessen (Abb. 1). Die Shore-
Härte wird auf einer Skala von 0 bis 100 angegeben. Ein Wert von 0 bedeutet, dass der Prüfkörper die maximale Eindringtiefe von 2,5 mm erreicht, was auf ein sehr weiches Material hinweist. Ein Wert von 100 bedeutet, dass der Prüfkörper kaum oder gar nicht eindringt, was bei einem sehr harten Material der Fall ist.
Abb. 1: Härteprüfung an einem O-Ring
Die gebräuchlichsten Verfahren der Härteprüfung nach Shore A, D und OO sind für die Härteprüfung an Platten mit einer Mindestdicke von 6 mm zugelassen. Die Härteprüfung an dünnen Teilen und Fertigteilen erfolgt nach den Verfahren Micro Shore A und Micro Shore D (Tab. 1).
2.1 Messung mittels Durometer
Ein Durometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der Shore. Es misst die Eindringtiefe eines standardisierten Prüfkörpers (meist eine Nadel oder ein Kegelstumpf) in das Material unter einer definierten Kraft. Beim Einsatz eines Durometers sollten die Skalen im Härtebereich von 20 bis 90 wie folgt angewendet werden:
- Shore A nach ISO 48-4:2018 (Abb. 2):
Thermoplastische Elastomere (TPE), Nitrilkautschuk (NBR), Polyurethan (PU), Niederdichtes Polyethylen (LDPE), Silikonkautschuk, Neopren - Shore D nach ISO 48-4:2018 (Abb. 3):
Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Hochdichtes Polyethylen (HDPE)2.2 Shore-Härte und Elastizitätsmodul
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| Abb. 2: Härteprüfung Shore A | Abb. 3: Härteprüfung Shore D |
Die Bestimmung des Elastizitätsmoduls (E) ist ein wichtiger Bestandteil der Werkstoffprüfung von Kunststoffen und Elastomeren, da er die Steifigkeit eines Materials beschreibt. Da der Elastizitätsmodul (Druck) nicht direkt aus der Shore A-Härte ableitbar ist, wird auf die Grundlagen der Kontaktmechanik zurückgegriffen. Die Boussinesq-Lösung bildet die Grundlage für die Berechnung der Verschiebung in z-Richtung bei Kontakt zwischen einem starren Stab (Prüfkörper) und einer elastischen Ebene (Probekörper) (Abb. 4).
Abb. 4: Verschiebung für Kontakt starrer Stab und elastischer Halbraum
Abb. 5: Zusammenhang von Druck-Elastizitätsmodul und Shore A-Härte
Die theoretische Beziehung zwischen Shore A-Härte und Elastizitätsmodul (Abb. 5) wird durch eine empirisch hergeleitete Funktion angepasst, die die nichtlineare Abhängigkeit zwischen Eindringtiefe und Shore-Härte sowie die Materialdämpfung berücksichtigt. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und kosteneffiziente Abschätzung des Elastizitätsmoduls, insbesondere wenn direkte Prüfverfahren aufgrund von Materialstruktur oder -dicke nicht möglich sind.
2.3 Probenanforderung für Shore-Härteprüfung
Die Härteprüfung ist nur an Platten, zum Beispiel an Prüfplatten (Abb. 6) mit einer Mindestdicke von 6 mm, zulässig. Falls die Proben dünner sind, können bis zu drei Proben gestapelt werden – dies kann jedoch die Messergebnisse beeinflussen. Vulkanisierte Proben dürfen frühestens 16 Stunden nach der Vernetzung geprüft werden, um sicherzustellen, dass der jeweilige Aushärtungsprozess vollständig abgeschlossen ist. Vor der Prüfung müssen die Proben außerdem für eine Stunde bei einer Temperatur von 23 ± 2 °C konditioniert werden, um einheitliche und vergleichbare Prüfbedingungen zu gewährleisten.
Abb. 6: Prüfplatten für Shore A und Shore D
2.4 Micro Shore A
Die Micro Shore A-Härteprüfung dient zur Messung der Härte von weichen Materialien, insbesondere von elastomeren Materialien wie Gummi, Silikon oder weichen Kunststoffen. Sie ist eine Variante der Shore-Härteprüfung, die speziell für dünne Materialien und kleine Proben optimiert wurde. Bei diesen ist eine Prüfung nach Shore A nicht oder nicht zuverlässig möglich. Denn die Härteprüfung nach Shore A eignet sich nur für die Bestimmung der Härte von Platten mit einer Mindestdicke von 6 mm. Daraus ergeben sich folgende Anwendungsbereiche:
- Prüfung dünner oder kleiner Proben: Proben mit geringer Dicke oder Abmessungen, bei denen eine Standard-Härteprüfung nicht funktioniert oder unzuverlässig wäre (z. B. O-Ringe, Dichtungen)
- Materialcharakterisierung: Bewertung der Weichheit oder Elastizität in Bezug auf den Härtegrad
- Qualitätskontrolle: Sicherstellung der Materialeigenschaften bei der Herstellung von elastischen Komponenten
2.5 Micro Shore D
Die Härteprüfung nach Micro Shore D dient zur Bestimmung der Härte von steiferen und härteren Kunststoffen, Elastomeren oder Polymeren, insbesondere wenn dünne Proben oder kleine Bauteile geprüft werden sollen. Dieses Verfahren ist eine spezielle Variante der Härteprüfung nach Shore D, die nicht für dünne Proben anwendbar ist. Die Mikro-Version wurde speziell für dünne und kleine Proben entwickelt. Denn die Härteprüfung nach Shore D ist nur für die Härtebestimmung an Platten mit einer Mindestdicke von 6 mm geeignet. Die Einsatzbereiche sind:
- Materialien: Verwendung für Materialien, die steifer und härter sind als die, die mit Micro Shore A geprüft werden können. Typische Materialien sind harte Kunststoffe (z. B. Polypropylen, Polycarbonat) und harte Elastomere
- Prüfung dünner Proben: Bauteile, bei denen eine Standard-Härteprüfung unzuverlässig wäre
3 Kugeleindruck-Härteprüfung
Die Härteprüfung nach ISO 2039-1:2001 dient zur Bestimmung der Kugeleindruckhärte von harten und steifen Kunststoffen mittels Kugeleindruck-Härteprüfung. Dieses Verfahren misst den Widerstand eines Kunststoffs gegen das Eindringen einer genormten Stahlkugel unter einer definierten Belastung. Das Verfahren eignet sich besonders für härtere Kunststoffe, da weichere Materialien größere Verformungen aufweisen, die weniger genau gemessen werden können. Im Vergleich zu anderen Härteprüfverfahren ist es weniger empfindlich gegenüber lokalen Materialinhomogenitäten.
Bei diesem Prüfverfahren wird eine Stahlkugel von 5 mm Durchmesser mit einer definierten Prüfkraft (49 N, 132 N, 358 N oder 961 N, je nach Härte des Materials) in die Materialoberfläche gedrückt und die bleibende Eindrucktiefe gemessen. Die Prüfkraft ist so zu wählen, dass die Eindringtiefe 0,15 mm bis 0,35 mm beträgt. Folgende Kunststoffe lassen sich damit charakterisieren:
- Harte Kunststoffe: Polycarbonat (PC), Polyamide (PA), Polypropylen (PP), Polyoxymethylen (POM)
- Technische Kunststoffe: Verbundwerkstoffe oder faserverstärkte Polymere
- Duroplaste: Epoxidharze, Melaminharze
3.1 Probenanforderung
Für die Kugeleindruck-Härteprüfung müssen die Probekörper bestimmte Anforderungen erfüllen, um präzise Ergebnisse zu gewährleisten. Der Probekörper sollte eine glatte, ebene Platte oder ein ebener Block mit einer Mindestgröße von 20 × 20 mm2 und parallelen Oberflächen sein, um eine gleichmäßige Krafteinwirkung sicherzustellen. Die empfohlene Mindestdicke beträgt 4 mm; bei geringerer Dicke können mehrere Probekörper gestapelt werden.
Sphärische Probekörper sind im Gegensatz zur Norm ISO 2039-2:1987 nicht prüfbar, weshalb eine plane Oberfläche erforderlich ist.
4 Rockwell-Härteprüfung
Die Härteprüfung nach ISO 2039-2:1987 dient zur Bestimmung der Rockwell-Härte von weichen bis mittelharten Kunststoffen. Das Verfahren verwendet eine Rockwell-Härteprüfmaschine und die entsprechenden Rockwell-Härteskalen (E, L, M und R). Es ist für Kunststoffe optimiert, die mit geringen Prüfkräften vermessen werden müssen.
Bei diesem Verfahren wird eine Kugel (Durchmesser: 3,175 mm, 6,35 mm oder 12,7 mm) unter einer definierten Prüflast (588,4 N oder 980,7 N) eingeführt und die bleibende Eindringtiefe direkt gemessen. Im Gegensatz zur Härteprüfung nach dem Kugeleindruckverfahren wird bei der Rockwell-Härteprüfung die Eindringtiefe bei einer definierten Vorlast sowie bei geringeren Prüflasten ermittelt. Im Idealfall sollten die gemessenen Rockwell-Härtewerte zwischen 50 und 115 liegen; Werte, die über diesem Bereich liegen, sind ungenau und die Bestimmung muss in der nächstliegenden Härteskala erfolgen. Für folgende Kunststoffarten eignet sich das Messverfahren:
- Thermoplaste: Dazu gehören Materialien wie Thermoplastische Elastomere (TPE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA)
- Weiche Verbundmaterialien
4.1 Probenanforderung
Für die Härteprüfung von Kunststoffen nach Rockwell muss der Probekörper bestimmte Anforderungen erfüllen, um präzise und reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Der Probekörper sollte eine ebene Platte mit einer Mindestdicke von 6 mm sein. Im Gegensatz zur Norm ISO 2039-1 können auch sphärische Probenkörper geprüft werden. In diesen Fällen wird der erzeugte Abdruck entsprechend umgewertet, um eine korrekte Härtebestimmung zu ermöglichen. Eine gleichmäßige Oberfläche und eine ausreichende Dicke sind dabei entscheidend, um eine zuverlässige und vergleichbare Messung sicherzustellen.
5 IRHD-Härteprüfung
Die Härteprüfung nach IRHD (International Rubber Hardness Degree) dient zur Messung der Härte von von weichen Kunststoffen und elastomeren Materialien. Sie basiert auf dem Eindringen eines kugelförmigen Prüfkörpers in das Material unter einer definierten Federkraft. Die IRHD-Härteprüfung eignet sich für dünne Materialien oder empfindliche Bauteile, bei denen die Shore-Härteprüfung nicht funktioniert. Sie ist besonders geeignet für weiche Elastomere, die bei anderen Methoden wie Shore A oder Shore D möglicherweise ungenaue Ergebnisse liefern. Die Technik ist in verschiedene Varianten aufgeteilt, die für unterschiedliche Kunststoffe herangezogen werden:
- IRHD N: Weichgummi, hochelastische Werkstoffe, plastisch verformbare Stoffe
- IRHD H: Härtere Materialien wie harte Kunststoffe, Thermoplaste, härtere Gummimaterialien
- IRHD L: Moos- und Zellgummi, Schaumgummi, Silikon
- IRHD M: Sehr dünne und kleine Gummiproben, elastomere Materialien (O-Ringe, Dichtungen)
- IRHD M (Hysteresemessung): Bestimmung Vernetzungsgrad und Vulkanisation von Elastomeren
5.1 IRHD M-Härteprüfung
Die Härteprüfung nach IRHD M (International Rubber Hardness Degree Micro) dient zur Messung der Härte von sehr dünnen und kleinen Gummiproben sowie elastomeren Materialien (Abb. 7). Sie wurde speziell für die Prüfung von Materialien wie Gummi und weicheren Kunststoffen entwickelt, deren Abmessungen oder Eigenschaften eine klassische Härteprüfung erschweren.
Abb. 7: Härteprüfung nach IRHD M
Einsatzbereiche des Verfahrens sind:
- Prüfung dünner oder kleiner Proben: Proben mit geringer Dicke oder Abmessungen, bei denen eine Standard-Härteprüfung nicht funktioniert oder unzuverlässig wäre (z. B. O-Ringe, Dichtungen)
- Materialcharakterisierung: Bewertung von Elastomeren und weichen Kunststoffen, besonders in der Produktion und Qualitätssicherung
- Beschichtungen: Analyse der Härte dünner elastomerer Beschichtungen
5.2 IRHD M – Hysteresemessung
Durch die Bestimmung der Hysteresekurve (Abb. 8) bei der IRHD M-Prüfung können Rückschlüsse auf die Qualität beziehungsweise Vulkanisation des Materials gezogen werden. Wie bei der normalen IRHD M-Härteprüfung wird die Vorspannkraft für 5 s aufgebracht und damit ein Referenzpunkt festgelegt. Anschließend wird für die Messdauer von 99 s zusätzlich die Prüfkraft aufgebracht und die zusätzliche Eindringtiefe gemessen. Zur Ermittlung des Fließ- und Rückstellverhaltens wird die zusätzliche Eindringtiefe nun nach Wegnahme der Hauptprüfkraft 99 s kontinuierlich weiter gemessen. Die relative Eindringtiefe nach 99 s kann nun als Vergleichswert für das Rückstellverhalten des Materials und damit für die Qualität der Vernetzung beziehungsweise Vulkanisation angesehen werden.
Abb. 8: Hysteresemessung nach IRHD M
Die Hysterese von gut vulkanisierten Elastomeren zeigt eine Rückerholung (ablesbar am letzte Wert der Hysterese) von mindestens 98 %. Nur dann liegt eine ausreichende Temperung vor. In der Regel ergibt sich ≥ 99 %. Eine sehr schlechte Vulkanisierung erreicht dagegen nur noch 90 %. Eine gute Vulkanisierung entspricht einer hohen Rückstellkraft / Rückerholung und damit einer guten Dichtleistung beziehungsweise einer hohen Lebensdauer.
6 Bleistift-Härteprüfung
Die Bleistifthärteprüfung dient zur Bestimmung des Widerstands einer Beschichtungsoberfläche gegen das Eindringen oder Einkratzen mit einer Bleistiftspitze. Diese schnelle Prüfung ist geeignet, um die Härte von weichen Beschichtungen miteinander zu vergleichen. Sie wird verwendet, um relative Bewertungen für eine Reihe von beschichteten Blechen zu liefern, die deutliche Unterschiede in der Härte aufweisen. Die Bleistift-Härteprüfung wird gemäß ISO 15184:2020 oder ASTM 3363 durchgeführt, indem Bleistifte mit unterschiedlichen Härtegraden über die zu prüfende Probe geführt werden.
7 Buchholz-Härteprüfung
Die Buchholz-Härteprüfung nach der Norm ISO 2815:2003 dient zur Bestimmung der Eindruckfestigkeit von polymeren Beschichtungsstoffen (z. B. Lacken). Zur Bestimmung der Buchholz-Härte wird das Härteprüfgerät auf eine Oberfläche aufgesetzt. Der Eindringkörper, ein kreisförmiges Messer, hinterlässt dort einen Eindruck. Die Länge des Eindrucks wird anschließend mit einem Mikroskop gemessen und daraus die Schichthärte bestimmt.
8 Zusammenfassung
Die Härteprüfung von Kunststoffen liefert wichtige Erkenntnisse über die mechanischen Eigenschaften und die Einsatzfähigkeit von Materialien. Für weiche Kunststoffe und Elastomere sind die Shore-Härteprüfungen nach Shore A, D und OO geeignet, während härtere Kunststoffe besser mit der Rockwell- oder Kugeleindruck-Härteprüfung geprüft werden. Spezielle Verfahren wie die Micro Shore- und IRHD-Härteprüfung ermöglichen die Prüfung von kleinen oder dünnen Proben.
Die Wahl des passenden Prüfverfahrens ist wichtig, um verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Die richtige Probenvorbereitung und die Einhaltung der Prüfbedingungen sind dabei wesentliche Faktoren für die Genauigkeit der Ergebnisse. Mit der passenden Methode lassen sich die Materialeigenschaften präzise bewerten und die Qualität von Kunststoffen gezielt verbessern.
Kontakt
Steinbeis Transferzentrum Tribologie in Anwendung und Praxis, Prof. Dr.-Ing. Dietmar Schorr;
E-Mail: kontakt@steinbeis-analysezentrum.com
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