Druckprüfung von faserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen

Auf den ersten Blick haben Snowboards, Autos, Windkrafträder, Zahnimplantate und Segelflugzeuge nicht viel gemeinsam. Sie alle jedoch sind Beispiele aus dem breiten Anwendungsfeld für faserverstärkte Verbundwerkstoffe, kurz FKVs (für Faser-Kunststoff-Verbund). Diese Mischwerkstoffe zeichnen sich durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus, sind dabei leicht und daher gut für Leichtbauanwendungen geeignet. Üblicherweise aus zwei Hauptkomponenten zusammengesetzt, bestimmt deren Wechselwirkung untereinander die besonderen Eigenschaften des Werkstoffs. Daraus resultieren einige Besonderheiten in Hinblick auf die Druckfestigkeit, die es zu beachten gilt. Zuverlässige Werkstoffprüfungen sind für eine sichere Verwendung von FKVs daher besonders wichtig, stellen für den Werkstoffprüfer in der Praxis jedoch oft eine große Herausforderung dar. Prüfvorrichtungen für Druckversuche von Zwick Roell vereinfachen und beschleunigen derartige Prüfungen und erleichtern den Werkstoffprüfern damit ihre Aufgabe.

Die üblicherweise aus Einzelschichten laminierten Verbundwerkstoffe sind empfindlich gegenüber Belastungen in Dickenrichtung (Stichwort Delamination) und in Faserrichtung ist die Druckfestigkeit insbesondere bei unidirektional verstärkten FKVs weit geringer als die Zugfestigkeit. Dies erfordert in der Folge besondere Druckprüfungen. Für die Lasteinleitung bei Druckprüfungen an faserverstärkten Verbundwerkstoffen gibt es drei Möglichkeiten: Beim „End Loading“ wird die Last über die Enden der Probe eingeleitet. Für die „Shear Loading“-Methode wird die Probe im oberen und unteren Bereich gehalten und geklemmt – vergleichbar mit der Probenhalterung bei einem Zugversuch – die Enden stehen dagegen frei. In der „Combined Loading“-Methode werden beide Verfahrensweisen kombiniert. Die spezifischen Anforderungen und damit die benötigten Prüfvorrichtungen hängen von den jeweils verwendeten Prüfnormen ab. Zwick Roell deckt mit einer universell verwendbaren „End Loading“-Druckprüfvorrichtung sowie der patentierten HCCF-Prüfvorrichtung (Hydraulic Composites Compression Fixture) alle gängigen Prüfnormen für Druckversuche ab. Die Druckprüfvorrichtungen des Herstellers sind einfach zu handhaben und bieten ausreichend Platz für die zur Bestimmung der Dehnung applizierten Dehnmessstreifen. Im Falle der HCCF ist ein spezielles doppelseitig messendes Clip-on-Extensometer verfügbar. Führungen und Anschläge unterstützen bei der korrekten Positionierung der Probe. Das benutzerfreundliche hydraulische Spannsystem der HCCF ermöglicht es darüber hinaus, eventuelle Dickenschwankungen im Klemmbereich der Druckprobe durch Einlegen von Ausgleichsfolien im Moment des Spannens zu kompensieren. Dies reduziert die Anzahl ungültiger Versuche und spart so Zeit und Material.

Für Prüfungen nach der „End Loading“-Methode steht eine Prüfvorrichtung zur Verfügung, die aufgrund unterschiedlicher Führungen sowohl zum Ermitteln des Druckmoduls als auch zum Bestimmen der Druckfestigkeit herangezogen werden kann. Durch Anschläge in Kombination mit den passenden Druckplatten ist jederzeit eine exakt mittige Platzierung der Proben in der Prüfmaschine möglich. Zur Bestimmung der Druckfestigkeit müssen Proben mit Aufleimern verwendet werden. Im Falle der „End Loading“-Methode vergrößern die Aufleimer die Lasteinleitungsfläche an den Probenenden. Die Druckspannungen in der aufleimerfreien Probenmitte sind dann größer und die Probe bricht in der darüber hinaus ungestützten Probenmitte. Soll nur der Druckmodul gemessen werden, sind keine Aufleimer nötig. Passende Führungen verhindern auch hier ein Ausknicken (Beulen) der Probe und Aussparungen in der Mitte der Führungen ermöglichen den Einsatz von Dehnmesssteifen. Die „End Loading“-Methode zeichnet sich durch den einfachen Aufbau und die leichte Bedienung der verwendeten Prüfvorrichtung aus. Zur Dehnungsmessung können entweder Dehnmessstreifen (DMS) oder automatische Fühlerarm-Extensometer verwendet werden. Eine sehr genaue Vorbereitung der Probenendflächen und Einhaltung der in den jeweiligen Prüfnormen geforderten Toleranzen ist jedoch eine zwingende Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung dieser Methode. Die „End Loading“-Druckprüfung für Faserverbundwerkstoffe ist in den folgenden Prüfnormen beschrieben: ISO 14126; ASTM D 695; DIN 65375; JIS K 7076; DIN EN 2850 type B; Boeing BSS 7260 und SACMA SRM 1R 94.

Die patentierte HCCF-Druckprüfvorrichtung vereint die Möglichkeit zur Prüfung nach dem „Shear Loading“ und dem „Combined Loading“-Prinzip. Reine Schubbeanspruchung ist bis zu Drucklasten von 40 kN möglich. Bei kombinierter Beanspruchung lassen sich 200 kN erreichen. Die HCCF eignet sich für Proben bis zu einer Breite von 35 mm. Gegenüber älteren Generationen von Druckprüfvorrichtungen (beispielsweise Celanese oder IITRI) besticht die HCCF vor allem durch den wesentlich einfacheren Einbau der Druckprobe und der daraus resultierenden Zeiteinsparung. Die Probe wird durch parallel schließende Hydraulikbacken geklemmt, die eine gleichmäßige Flächenpressung ermöglichen und sich während der Prüfung nicht bewegen. Durch die genaue Positionierung der Klemmbacken ist die Probe während der gesamten Prüfung exakt ausgerichtet. Damit ist eine klassische Fehlerquelle der Celanese und IITRI-Vorrichtung beseitigt, bei der es während der Prüfung zu einem Verrutschen der Klemmkeile kommen kann. Darüber hinaus entfällt bei der HCCF die bei Celanese und IITRI notwendige Vormontage von Probe und Klemmkeilen. Ein wesentlicher Vorteil der HCCF gegenüber anderen Composite-Druckvorrichtungen ist, dass anfängliche Ausrichtungsfehler, hervorgerufen durch Dickenschwankungen der Aufleimer oder Klebschicht, während des Spannens sichtbar werden und noch vor der Prüfung durch Einlegen von Ausgleichsfolien kompensiert werden können. Die HCCF verbleibt dabei in der Prüfmaschine und muss nicht für jeden Probenwechsel ausgebaut werden, wie es bei allen anderen Composite Druckprüfvorrichtungen der Fall ist. Die Zwick Roell HCCF-Druckprüfvorrichtung spart mit ihrer optimierten Konstruktion Zeit und Probenmaterial, vereinfacht das Handling und senkt die Anzahl ungültiger Versuche. Dadurch reduziert sich die Streuung der Prüfergebnisse, was eine höhere Genauigkeit ermöglicht. Da sich sowohl „Shear Loading“ als auch „Combined Loading“-Druckprüfungen durchführen lassen, ist die HCCF für eine große Zahl von Normen verwendbar: ISO 14126; ASTM D 3410; ASTM D 6641; JIS K 7076; DIN EN 2850 type A; AITM 10008; RAETR 88012 CRAG method 400; RAETR 88012 CRAG method 401.

Für die Dehnungsmessung und zur Kontrolle der Gültigkeit eines Druckversuchs werden in der Regel beidseitig applizierte lineare DMS verwendet. Problematisch ist der geringe Platz, der für die Anbringung der DMS auf der Probe zur Verfügung steht. Durch eine getrennte Auswertung beider DMS lässt sich der Grad einer überlagerten Biegebeanspruchung ermitteln. Die benötige Formel und erlaubten Grenzwerte sind in den jeweiligen Prüfnormen definiert. Die für einen gültigen Versuch benötigte Druckdehnung ergibt sich aus dem Mittel beider DMS-Signale. Die HCCF-Druckvorrichtung ermöglicht relativ freien Zugriff auf die Probe, sodass ein spezieller, beidseitig messender axialer Clip-On-Extensometer aus dem Hause Zwick Roell angesetzt werden kann. Bei einer Anfangsmesslänge von 10 mm verfügt er über einen Messweg von 1,5 mm. Der Extensometer eignet sich für Druckproben mit freier Messlänge ≥ 12.7 mm wie sie beispielsweise die Norm ASTM D6641 vorsieht. Er erspart die zeitaufwändige beidseitige Applikation der üblicherweise verwendeten linearen DMS und eignet sich auch für den Einsatz in Temperierkammern im Temperaturbereich von -50 bis 150 °C.

Quelle: zu Zwick Roell