Schubversuch

 

Zur Ermittlung der Schubfestigkeit sind verschiedene Verfahren etabliert. Diese unterscheiden sich in der Art der Krafteinleitung (als Druckkraft über die Probekörperkante oder als Reibungskraft über die Klemmbackensysteme) bzw. in der Geometrie der Probekörper (ungekerbt, gekerbt, miniaturisiert). Außerdem lassen sich der etablierte Zugversuch durch Faserorientierung in +/-45°-Richtung zum Schubversuch umfunktionieren sowie aus der Biegeprüfung Aussagen über die Schubfestigkeit ermitteln. Allen etablierten Verfahren ist gemein, dass sich aus ihnen nur für geringe Schubdeformationen (<5%) und somit geringe Scherkräften belastbare Ergebnisse gewinnen lassen.

Die zuverlässige Charakterisierung von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen gewinnt jedoch immer mehr an Bedeutung. Wir haben uns auf diesem Gebiet spezialisiert und bieten Ihnen neben den etablierten Prüfverfahren mit der Schubprüfung nach DIN SPEC 4885 eine von uns mit der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung maßgeblich entwickelte innovative Methode an. Mit dieser lassen sich wesentlich höhere Gleitungen und damit höhere Festigkeiten prüfen als bisher.

Schubprüfung an Flachprobekörpern nach DIN SPEC 4885:2014-01

  • Referenz-Prüfverfahren zur Bestimmung der Schubeigenschaften von FVK
  • Endlos-, kurz- und langfaserverstärkte Kunststoffe
  • Ermittlung des Schubmoduls und der Schubfestigkeit auch für Schubverformungen von 5% und mehr
  • Faserorientierung: 0° bzw. 90° bzw. 0°/90°
  • Probekörpergeometrie: 165mm x 165mm x 2…4mm
  • Aufdoppler: nicht notwendig
  • Dehnungsmessstreifen: 2 Stück je Probekörper in 45°-Orientierung
  • zugelassen im DNV GL Standard „Rotor Blades for Wind Turbines“ (DNVGL-ST-0376) für die Auslegung von Rotorblättern von Windenergieanlagen

Der Schubversuch nach DIN SPEC 4885 wird mittels Schubrahmen durchgeführt. Das Verfahren ist anwendbar auf Laminate, die aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Matrix bestehen und Faserorientierungen in 0°- bzw. 0°/90°-Richtung aufweisen. Die Probekörper mit quadratischer Grundform sind symmetrisch und ausgeglichen um die Mittelebene aufgebaut. Typische Prokörperdicken liegen im Bereich zwischen 2 … 4 mm.Der Materialaufwand und die Anforderungen an die Testapparatur sind hier höher als bei den etablierten Tests nach DIN und ASTM. Demgegenüber stehen jedoch deutliche Vorteile dieser Prüfmethode:

  • Die Bestimmung der Schubeigenschaften kann sowohl im linearen als auch im nicht-linearen Last-Verformungs-Bereich bei Schubdehnungen (Gleitungen) über 5% erfolgen. Damit ist erstmals auch die Ermittlung der maximalen Schubfestigkeit in diesem Bereich möglich.
  • Aufgrund der allseitigen Einspannung des Probekörpers existieren keine freien Ränder, so dass keine Lastumlagerungseffekte auftreten können.
  • Die Ergebnisse des Verfahrens zeigen dadurch eine sehr geringe Streuung, typischerweise im Bereich <3%. Damit ist das Verfahren beispielsweise für Parameterstudien oder auch für die Qualitätskontrolle geeignet.
  • In der Einzelschicht des Probekörpers liegen ausschließlich reine Schubspannungen vor. Die Beanspruchung ist relativ homogen über den Probekörper verteilt. Das Schubspannungsmaximum liegt im Probekörperzentrum, so dass dort in der Regel das Versagen der Probe zu beobachten ist.

Für den Schubversuch nach DIN SPEC 4885 haben wir das Schubprüfsystem GZ-S80 entwickelt. Mit der hydraulischen Einspannung des Probekörpers ist ein Probenwechsel sehr einfach und schnell realisierbar. Die Versuchsdurchführung dauert dadurch nur wenige Minuten, was das Verfahren auch im industriellen Umfeld für Serienprüfungen einsetzbar macht.

Im neu überarbeiteten DNV GL Standard „Rotor Blades for Wind Turbines“ (DNVGL-ST-0376) ist das Schubprüfverfahren mittels Schubrahmen nach DIN SPEC 4885 als Prüfverfahren zugelassen.

Schubprüfung an gekerbten Flachprobekörpern mittels Iosipescu-Schubvorrichtung nach ASTM D 5379-12

  • Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Schubeigenschaften von FVK
  • Für Laminate aus thermo- oder duroplastischen Matrixsystemen mit UD-Gelege bzw. -Gewebe
  • Prüfung multidirektionaler Faserorientierungen möglich
  • Faserorientierung: 0° bzw. 90° bzw. 0°/90°
  • Probekörpergeometrie: 76mm x 20mm x 2…10mm
  • Aufdoppler: nicht notwendig
  • Dehnungsmessstreifen: 2 bzw. 4 Stück je Probekörper in +/-45°-Richtung

Das Prinzip des Iosipescu-Versuchs nach ASTM D 5379 besteht in einer unsymmetrisch belasteten Vierpunktbiegeprobe. Die Probe wird von einer Vorrichtung gehalten, die aus zwei relativ zueinander beweglichen Profilen besteht. Die Lasten werden über vier Bereiche in die Probe eingeleitet. Eine Kerbung der Probe legt den Ort des Versagens fest. Die Werkstoffbelastung im Probekörper ist eine Querkraft- Schubspannung.Das Verfahren nach Iosipescu weist aus Sicht der Werkstoffcharakterisierung allerdings einige Unzulänglichkeiten bei der Bestimmung der Schubeigenschaften auf:

  • Das Verfahren ist für kleine Material-Verformungen bestimmt. Große Verformungen führen zu Lastumlagerungen in Faserrichtung bei horizontal orientierten Fasern.
  • Die Schubspannungen in der Probenmitte weichen deutlich von der mittleren Schubspannung ab (bei längsorientierten Fasern ca. 20%, bei senkrechter Orientierung ca. 10% geringere Schubspannungen). Es liegt daher keine homogene Schubspannungsverteilung im Probekörperquerschnitt vor.
  • Die Fertigung der Kerbung der Probe verursacht infolge einer dadurch variierenden Spannungssituation im Bereich der Kerbe ein Versagen der Probe bei unterschiedlichen Lasten.
  • Im Lasteinleitungsbereich kann die Druckfestigkeit des Werkstoffes überschritten werden, was zu Zerdrücken der Probenkante führt.
Dem steht als großer Vorteil gegenüber, dass das Iosipescu-Verfahren sehr einfach und flexibel ist. Mit nur einer Methode können ein- und mehrachsig orientierte Laminate mit beliebiger Faserorientierung unter geringem Aufwand geprüft werden.

Schubprüfung an gekerbten Flachprobekörpern mittels Rail Shear Versuch nach ASTM D 7078-12

  • Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Schubeigenschaften von FVK
  • Für Laminate aus thermo- oder duroplastischen Matrixsystemen mit UD-Gelege bzw. -Gewebe
  • Prüfung multidirektionaler Faserorientierungen möglich
  • Faserorientierung: 0° bzw. 90° bzw. 0°/90°
  • Probekörpergeometrie: 76mm x 56mm x 2…10mm
  • Aufdoppler: nicht notwendig
  • Dehnungsmessstreifen: 2 bzw. 4 Stück je Probekörper in +/-45°-Richtung

Der Rail Shear Versuch nach ASTM D 7078 und ASTM D 4255 verwendet einen Probekörper, der beidseitig neben einem schmalen, hohen Prüfbereich zwischen zwei gegenüberliegenden Vorrichtungshälften per Klemmbacken eingespannt wird. Eine Zugkraft, die in entgegenwirkender Richtung auf die beiden Hälften aufgebracht wird, verursacht im Probekörper eine Schubbeanspruchung.Das Verfahren weist neben seinen positiven Eigenschaften einige  Einschränkungen für die Ermittlung der Schubeigenschaften an faserverstärkten Kunststoffen auf:

  • Das Verfahren ist für kleine Material-Verformungen bestimmt. Große Verformungen führen zu Lastumlagerungen in Faserrichtung bei horizontal orientierten Fasern.
  • Der Schubspannungszustand im Probekörper ist nicht vollständig homogen und verläuft parabolisch über der Probenhöhe.
  • Probekörper aus mehrachsig verstärkten Laminaten bzw. unidirektionale Probekörper mit einer Faserorientierung parallel zur Lastrichtung weisen Fasern auf, die nicht eingespannt sind.  Dies führt bei der Bestimmung der Schubfestigkeiten zu unerwünschten Einflüssen.
  • Im Verfahren nach ASTM D 7078 mit gekerbtem Probenkörper ergibt sich ein kritischer und stark von der Fertigung der Probe abhängiger Spannungszustand.
  • Bei Verwendung des Verfahrens nach ASTM D 4255 muss der Probekörper mit mehreren Bohrungen zur Einspannung versehen werden. Dies ist unerwünscht, da Spannungskonzentrationen im Bereich der Bohrungen auftreten.
Allerdings besticht das Verfahren durch seine geringe Komplexität und die Verwendung einfacher, flacher Probekörper.

Schubprüfung an Flachprobekörpern nach DIN EN ISO 14129:1998-02 (“Schub-Zug-Versuch”)

  • Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der Schubeigenschaften von FVK
  • Für Laminate aus thermo- oder duroplastischen Matrixsystemen mit UD-Gelege bzw. -Gewebe
  • Faserorientierung: +/- 45°
  • Probekörpergeometrie: 250mm x 25mm x 2mm
  • Aufdoppler: 50mm x 25mm x 2mm (+/-45°-Faserorientierung)
  • Dehnungsmessstreifen: 2 Stück je Probekörper in 0°/90°-Orientierung

Nach DIN EN ISO 14129 bzw. ASTM D 3518, dem sogenannten „Schub-Zugversuch“, werden Schubkennwerte an Flachproben mit einer ±45°-Orientierung der Fasern durchgeführt. Der Probekörper ist von seinem Laminataufbau symmetrisch und ausgeglichen. Die Kennwertermittlung erfolgt statisch als Zugversuch.Bereits in der Norm wird jedoch schon auf die Schwierigkeiten dieses Verfahrens hingewiesen:

  • “Der Versuch ist [...] nicht unbedenklich auf die Bestimmung der Bruch-Festigkeit für Materialien mit hoher Schubdehnung anwendbar…“ (das Verfahren ist auf Schubverformungen <5% begrenzt)
  • Der resultierende Spannungszustand im Probekörper ist mehrachsig. In der Einzelschicht der Probe liegen sowohl Normalspannungen als auch Schubspannungen vor. Die fasersenkrechten Spannungen erzeugen dabei eine zusätzliche ZFB-Beanspruchung im Laminat und damit eine Beeinflussung der Schubkennwerte. Die Ermittlung der Schubfestigkeit ist daher prinzipbedingt nicht fehlerfrei möglich.
  • Die freien (nicht eingespannten) Ränder des Probekörpers führen zu Lastumlagerungseffekten.
  • Es ist von einer inhomogenen Belastungssituation über die Probenbreite auszugehen.
Allerdings besticht das Verfahren durch die Einfachheit der Versuchsdurchführung. Es handelt sich im Wesentlichen um den etablierten Zugversuch, der durch eine geschickte Faserorientierung für die Messung von Schubkennwerten modifiziert wurde.

Interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) im Kurzbiegeverfahren (SBS) nach DIN EN 2563 und 2377, DIN EN ISO 14130 und ASTM D 2344

  • Standard-Prüfverfahren zur Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit von FKV
  • Für Laminate aus thermo- oder duroplastischen Matrixsystemen mit UD-Gelege bzw. -Gewebe
  • Probekörpergeometrie: 20mm x 10mm x 2mm
  • Radius Druckfinne: 5mm
  • Radius Auflager: 2mm
  • Messbarer Temperaturbereich: 20…280°C

Dynamische Werkstoffprüfung

Das Ermüdungsverhalten faserverstärkter Werkstoffe (FVW) ist für die Lebensdauervorhersagen von Bauteilen und Strukturen von großer Bedeutung. Das Verhalten von FVW unter dynamischer Belastung unterscheidet sich dabei stark vom Verhalten isotroper Materialien wie beispielsweise metallischer Werkstoffe. Bei FVW erfolgt die Ermüdung im Wesentlichen durch die Entstehung, das Wachstum und die Ausbreitung einer Vielzahl von Einzelrissen. Die Schädigungsentwicklung ist stark vom Aufbau des Laminats, von der Matrix und von den verwendeten Fasern abhängig. Der Schädigungsablauf ist daher sehr materialspezifisch, erfolgt aber typischerweise in folgenden Phasen:

  • Entstehung von Querrissen in Laminatschichten außerhalb der Belastungsrichtung
  • Entstehung von Längsrissen entlang lasttragender Fasern
  • Delaminationen entlang von Probenkanten
  • Delaminationen im Probeninneren aufgrund von Quer- und Längsrissen
  • Bruch lasttragender Fasern aufgrund des Ausknickens von Fasern
  • Faser-Matrix-Ablösungen aufgrund von Schubbeanspruchungen
  • Komplettes Versagen der Probe / des Bauteils

Wir testen FVW mit unserer Zugvorrichtung unter Zug-Druck- (R=-1), Zug-Schwell- (R=0) oder Druck-Schwell-Beanspruchung (R=-∞). Dabei wird über die Faserausrichtung die Belastungsart definiert: Faserlängs- oder Faserquerorientierung führt zu Zug- bzw. Druckbelastung, eine +/-45°-Orientierung führt zu Schub. Zur Vermeidung vorzeitigen Faserausknickens kann eine Knickstütze GZ-BS32 verwendet werden.

Mit unserer 3-/4-Punkt Wechselbiegevorrichtung charakterisieren wir die dynamischen Biegeeigenschaften von FVW, wobei auch hier über die Faserausrichtung zusätzlich Aussagen zu den Zug- und Druckeigenschaften der Materialien gewonnen werden können.

Das Ermüdungsverhalten wird dabei an Werkstoffen Ihrer Wahl wie beispielsweise mit GFK und CFK endlosfaser- oder langfaserverstärkte Kunststoffe mit duro- oder thermoplastischer Matrix untersucht. Wir führen Betriebsfestigkeitsuntersuchungen durch und erstellen Wöhlerlinien von Ihrer Materialkonfiguration.

Trennmittelprüfung

Bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen spielt die Entformbarkeit aus der Kavität eine entscheidende Rolle. Dazu werden die Werkzeuginnenseiten sorgfältig mit Trennmitteln präpariert. In der automatisierten Fertigung ist diese Vorgehensweise jedoch unbrauchbar. Hier kommen integrierte Trennmittel zum Einsatz, die in das Thermoplast compoundiert bzw. dem Duroplastsystem hinzugefügt wurden. Für die Bestimmung der Resthaftkraft dieser Trennmittel haben wir das Prüfsystem GZ RA-20entwickelt.

Zwischen zwei heizbaren planparallelen Flächen aus Werkzeugstahl wird das zu prüfende Trennmittel-Kunststoffgemisch aufgebracht. Temperatureinstellung und Verweildauer richten sich nach Ihren Prozessdaten bzw. können im Rahmen einer Testserie gefunden werden. Anschließend fahren die Flächen mit definierter Geschwindigkeit auseinander, wobei die durch das Polymer erzeugte Adhäsionskraft gemessen wird.