Mess- und Prüfgeräte

Fasern im Test

Die Messungen der Werkstoffeigenschaften von langfaser- verstärkten Verbundwerkstoffen sind aufgrund der Faserorientierung sehr komplex. Besonders schwierig ist der Druckversuch. Hier muss die Druckumformung bis zum Versagen des Werkstoffs möglichst ohne Ausknickung in einen ebenen Probekörper eingeleitet werden. Eine effiziente Lösung dieser Herausforderung ist die im folgenden Beitrag beschriebene hydraulische Druckeinrichtung.

Nach einer Vorschädigung des Prüfkörpers mit einem Fallwerk wird dieser bis zum Versagen auf Druck belastet. Die Normen unterscheiden hier zwischen geführten und gespannten Halten im Werkzeug.

Die Prüfung von langfaserverstärkten Verbundwerkstoffen wird in Europa und Nordamerika stark durch die Flugzeugindustrie vorangetrieben. Mit der Zunahme des Prüfaufkommens steigt aber auch der Druck zur Rationalisierung der Probenvorbereitung und der Prüfmethodik. Leider sind heute in vielen Prüflaboren immer noch schwer bedienbare Prüfwerkzeuge und aufwendige Methoden der Dehnungsmessung üblich. Nun lassen sich Druck- und Biegeeigenschaften auch nicht einfach anhand von Zugeigenschaften vorhersagen sondern müssen extra abgeprüft werden. Im Bereich der Schereigenschaften haben sich mehrere Prüfverfahren herausgebildet, mit denen Eigenschaften in unterschiedlichen Scherrichtungen charakterisiert werden können. Das Rissverhalten spielt eine signifikante Rolle und das Verhalten der Composites nach einer Schädigung kann von elementarem Interesse sein. Lebensdaueruntersuchungen sind im Bereich der Luftfahrt und des Windkraftwerksbaus unerlässlich. Hinzu kommt, dass die einzelnen Eigenschaften bei der üblichen Betriebstemperatur und -feuchte bekannt sein müssen. Das sind bei außen liegenden Flugzeugkomponenten in der Regel -55°C, aber wenn es um abgasnahe Bauteile geht können auch Temperaturen von +250°C und mehr interessant sein. Die größte Anzahl Prüfarten wird heute in der ASTM beschrieben. Neben den klassischen Prüfmethoden wie Zug, Druck oder Biege, werden im Bereich der Composites sehr spezifische Prüfungen angewandt. Ein Beispiel ist das Compression-After-Impact (CAI) Verfahren. Hier wird das Verhalten der Composites nach Schädigung untersucht, z.B. durch Vogel- oder Steinschlag. Prüfplatten werden dazu mit einer vorher festgelegten Energie durch Schlag geschädigt. Das hierfür geeignete Prüfmittel ist ein Fallwerk, das bei einer Fallhöhe größer 0,5 m einstellbare Energien zwischen 10 J und ca. 100 J erzeugt. Die Instrumentierung des Fallwerks erlaubt dabei eine genauere Überwachung des Schädigungsvorgangs. Zusätzlich kann die Aufnahme des Schlagvorgangs mit einer Hochgeschwindigkeitskamera von Interesse sein. Die so vorbereiteten Prüfplatten werden dann mit Hilfe einer statischen Prüfmaschine und eines genormten Werkzeugs bis zum Versagen belastet Die Verringerung der Druckfestigkeit gegenüber einer unbeschädigten Prüfplatte ist das ermittelte Maß für die Schädigung.

Anzeige

Spezifische Prüfmethoden

Hohe Zugfestigkeiten und empfindliches Biegeverhalten sind typische Eigenschaften eines unidirektional gelegten Kohlefaserverbundes (CFK). Daraus entstehen zwei wesentliche Anforderungen für den Zugversuch. Die Krafteinleitung in den Probekörper muss großflächig erfolgen, was über Krafteinleitungselemente, sogenannte Aufleimer, erreicht wird und der Zug muss exakt axial ausgerichtet sein. Probenhalter, die nach dem Keil- oder Keil-Schraub Prinzip arbeiten sind hierfür üblich. Die exakte Ausrichtung kann im einfachen Fall mit Hilfe eines mit drei Dehnungsmesstreifen (DMS) applizierten Probekörpers durch Vergleich der gemessenen Probendehnung kontrolliert werden. Zur weitergehenden Überprüfung, z.B. im Rahmen einer Nadcap Zertifizierung, werden spezielle Hilfsmittel eingesetzt mit denen Winkel- und Achsfehler in allen Richtungen nachgewiesen werden können. Aufgrund der vielen unterschiedlichen Prüfarten sind Umrüstungsarbeiten an der Material-Prüfmaschine häufig. Um den Arbeitsaufwand gering zu halten, werden die Prüfmaschinen mit zwei Arbeitsräumen ausgestattet. Zum Beispiel im oberen Arbeitsraum die Zugprobenhalter, mit denen die Zugversuche, Scherung in Lagenebene (IPS) und die Lochleibungsversuche ohne Umrüstungsaufwand durchgeführt werden. Der untere Arbeitsraum steht dann für ein weiteres Werkzeug zur Verfügung, das kann zum Beispiel eine Druckeinrichtung sein. Weitere Werkzeuge für Drei- und Vierpunkt Biegeversuche, Interlaminare Scherfestigkeit (ILS) oder den V-Kerb Scherversuch nach dem Iosipescu-Verfahren werden komfortabel über Einschübe angeschlossen, die anstelle der Keilbacken in die Zugprobenhalter eingesetzt sind. So funktioniert die Umrüstung sehr schnell und hat den Vorteil, dass die eingestellte axiale Ausrichtung der Probenhalter zueinander bei der Umrüstung nicht verlorengeht. Eine besondere Herausforderung stellt der Druckversuch dar. Er ist quasi die Königsklasse unter den Prüfmethoden, da mit diesem Versuch nicht nur die Festigkeit der Faser, sondern die Eigenschaften des gesamten Verbunds gemessen werden. Die Herausforderung besteht darin, eine Druckverformung bis zum Versagen des Werkstoffs möglichst ohne Ausknickung, also biegefrei in einen flachen ebenen Probekörper einzuleiten. Um dies zu erreichen wurden verschiedene Methoden entwickelt.

Stirnseitige Krafteinleitung

Das Verfahren der stirnseitigen Krafteinleitung wurde aus dem Druckversuch an Kunststoffen nach ASTM D 695 entwickelt. Der Probekörper wird während des Druckvorgangs zwischen zwei angelegten Stützelementen geführt, die ein Ausknicken verhindern sollen. Boeing entwickelte die Methode weiter und sorgte für eine rechtwinklige Stellung der Führungselemente zur Druckfläche. Zwei Prüfreihen sind jeweils notwendig: Zur Bestimmung des Druckmoduls werden Probekörper ohne Aufleimer verwendet um sicherzustellen, dass der Verbund im Messbereich exakt axial belastet wird. Zur Messung der Druckfestigkeit werden Probekörper mit Aufleimern eingesetzt um eine vorzeitige Zerstörung des Verbundes an den Krafteinleitungsstellen zu vermeiden. Bei der Klemmung des Probekörpers (Schubeinleitung) erfolgt die Krafteinleitung ähnlich wie im Zugversuch über Spannklemmen. So können Druckmodul und Druckfestigkeit in einem einzigen Prüfablauf ermittelt werden. Das Verfahren erfordert allerdings eine Überwachung der Biegung, die im Bereich zwischen 10% und 90% der Gesamtstauchung einen Wert von 5% oder 10% - je nach Norm - nicht übersteigen darf. Im Bereich der Druckvorrichtungen gibt es eine Reihe nennenswerte Entwicklungsschritte. Frühe ASTM Normen beschrieben die sogenannte "Celanese"-Druckeinrichtung. Sie bestand aus kegelförmigen Backenaufnahmen, die in einem Rohr geführt wurden und nach dem Keilspannprinzip mit zunehmender Druckkraft eine ansteigende Spannkraft aufbauten. Das Problem dieser frühen Vorrichtung lag in ihrer exakten Festlegung auf die Probendicke. Schon geringe Abweichungen führten zu einer linienförmigen Auflage der Kegel, die dann leicht zum Abkippen neigten. Eine Weiterentwicklung der Spanneinrichtung liegt in der DIN 65380 und der prEN 2850 vor. Hier wurden die kegelförmigen Spannelemente durch Keile ersetzt, was das Problem des Abkippens löst. In der ASTM wurde die Celanese-Druckeinrichtung durch die IITRI-Druckeinrichtung ersetzt. Sie verwendet ebenfalls Flachkeile, stellt aber auch die Art der Führung auf eine Zweisäulen-Führung um, die eine erhöhte Verdrehsicherheit bietet. Die Probekörper werden in einer speziellen Ausrichtstation zunächst mit den Spannkeilen verbunden und dann in den Spannkopfkörper eingesetzt. Alle vorgenannten Prüfwerkzeuge sind relativ bedienerunfreundlich und der Probekörper schwer für die Dehnungsmessung zugänglich. Die Keile müssen sehr sauber und gleichmäßig geschmiert gehalten werden um eine gute axiale Kraftübertragung zu gewährleisten. Die Anzahl der Fehlversuche, bei denen eine übermäßige Biegung im Probekörper auftritt, ist relativ hoch. Entsprechend aufwendig und teuer gestaltet sich die Prüfung. Eine Lösung des Problems stellt die hydraulische Druckeinrichtung HCCF (Hydraulic Composites Compression Fixture) dar, die ausschließlich von der Firma Zwick unter Ausnutzung eines Patents der IMA Dresden vermarktet wird. Anstelle der Keile der IITRI-Einrichtung tritt eine parallel schließende hydraulische Einspannung mit exakt zueinander ausgerichteten Flachbacken. Dies hat gleich mehrere Vorteile: Die Zugänglichkeit des eingespannten Probekörpers bleibt sehr gut, der Einspannvorgang wird stark vereinfacht und während der Prüfung entfallen die Keilbewegungen, die eine unliebsam verstärkende Wirkung aller auftretenden Biegemomente haben. Weiterhin kann die HCCF auch für die "combined loading" Prüfmethode eingesetzt werden, die in der ASTM D 6641 beschrieben ist.

Bedienerfreundliche Software

Während die Prüfwerkzeuge den Kontakt zwischen Probekörper und Prüfeinrichtung herstellen, ist die Software das Bindeglied zum Bediener. Sie stellt die Prüfabläufe, die Auswertung, die Datenspeicherung und die Protokollierung zur Verfügung. Mit vorgefertigten Standard-Prüfvorschriften kann der Bediener von komplizierten Einstellaufgaben entlastet werden und die exakte Wiederholbarkeit der Prüfungen wird sichergestellt. Neben der Darstellung der Kurvengrafiken und Ergebnisse ermöglicht die Prüfsoftware testXpert II auch typische Kontrollfunktionen für Schiefzug und Biegung. Mit Zunahme der Prüfhäufigkeit und der Anforderungen an die Wiederholbarkeit von Prüfungen tritt die Frage nach der vollen Automatisierbarkeit in den Vordergrund. Ein Automat legt die Probekörper immer exakt gleich ein und sorgt damit für sehr gleichmäßige Prüfbedingungen. Außerdem können Routineprüfungen außerhalb der üblichen Arbeitszeiten des Labors verlegt werden, was einen echten Kapazitätsgewinn darstellt. Hexcel war weltweit der erste Composites Hersteller, der vollautomatisierte Prüfsysteme eingesetzt hat. Zwischenzeitlich sind branchenweit weitere Anlagen erfolgreich im Einsatz und führen Zugprüfungen an Filamentsträngen und an Flachprobekörpern durch, messen die Scherung in Lagenebene (IPS) und die Scherung durch Überlappung. Auch die Biegeeigenschaften im Dreipunkt- und im Vierpunkt-Verfahren und die interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) im vollautomatischen Ablauf bei Raumtemperatur oder in einer Temperierkam¬mer können bestimmt werden. Hier ist bereits der Schritt von der Einzelprüfung im Forschungslabor in die Mengenprüfung mit industrieller Praxis vollzogen. Helmut Fahrenholz, Zwick / St

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Verschraubungen

Geschickt kombinieren

lassen sich unterschiedliche Verschraubungstypen mit dem 24°-Konus von Schwer. Dazu zählen etwa Dichtkegelverschraubungen, Schneidringverschraubungen sowie Schweisskegel und Verschraubungen mit einem 24°-Konus (inklusive Armaturen und...

mehr...

Pumpe

Mächtig Druck entfalten

gehört zur Aufgabe der Dreiplunger-Pumpe P3-10 von Uraca. Die Triplexpumpe ist ausgelegt für Reinigungsanwendungen (Kanalreinigung), den Einsatz in Feuerlöschanlagen oder bei der Druckprüfung. Sie wird angeboten als Heißwasserausführung (bis 100 °C)...

mehr...

Pressure Controller

Eine lange Lebensdauer

einfach bedienbar und funktionell – das sind die wichtigsten Merkmale des neuen Pressure Controllers SCPSD von SensoControl. Bei einem dauerhaften Druck sind gerade im Bereich der Werkzeugmaschinen exakte Ergebnisse sehr wichtig.

mehr...

Prüfadapter

Adapter für Funktionsprüfungen

Der Adapter vom Typ TW17 aus dem Hause Weh ist ausgelegt für die Funktions- und Druckprüfung an Bauteilen mit Innengewinden von bis zu 350 bar. Er ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich – manuell mit Handhebel, mit manueller...

mehr...
Anzeige

Material-Prüfmaschinen

Strahlende Proben

Der sichere Betrieb von Atomkraftwerken und atomaren Endlagern ist weltweit ein wichtiges Forschungsthema. Um ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleisten zu können, müssen die verwendeten Materialien unter realitätsnahen Bedingungen geprüft werden.

mehr...
Anzeige

3D-Lasersensoren

Embedded-3D-Bildverarbeitung

Vision Components bietet 3D-Lasersensoren mit integrierter Elektronik an. Die Embedded-Vision-Systeme der Baureihe VCnano3D-Z nutzen ein Zynq-SoC von Xilinx, das einen Dual-Core-ARM-Prozessor mit einem FPGA zur die Berechnung der Punktewolke...

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite