Composite Prüfvorrichtungen

Referenz-Prüfvorrichtungen

Grasse Zur Composite Testing bietet eine Vielzahl von Prüfvorrichtungen für die mechanische Kennwertermittlung von faserverstärkten Kunststoffen an. Die Prüfvorrichtungen werden in Universalprüfmaschinen (z.B. Zwick, MTS, Instron,…) entsprechend der jeweiligen Prüfnorm zur Durchführung von quasi-statischen und zyklischen Prüfungen eingesetzt. Durch den Betrieb des nach DIN EN ISO 17025 akkreditierten Materialprüflabors besitzt Grasse Zur Composite Testing das Know-How im Umgang mit Prüfvorrichtungen, um beste Prüfergebnisse bei optimierter Ergonomie zu erzielen. Als Mitglied von DIN gestaltet Grasse Zur Composite Testing aktiv neue Normen und überarbeitet bestehende Prüfverfahren. Außerdem werden im Kundenauftrag individuelle Prüfvorrichtungen wie z.B. in Zusammenarbeit mit BMW die Trennmittelprüfvorrichtung entwickelt, mit denen sich spezielle Anwendungen durchführen lassen.

Anwendung

Die Prüfvorrichtungen zeichnen sich durch optimierte Einspannbedingungen und Ausrichtmöglichkeiten der Probekörper (Alignment) sowie eine leichtere Bedienung aus. Aus diesem Grund werden bessere Materialkennwerte bei erhöhter Reproduzierbarkeit der Materialkennwerte erreicht. Darüber hinaus werden neue Prüfverfahren aus der Forschung und Industrie wie z.B. die Schubkennwertermittlung mittels Schubrahmen aus der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in die industrielle Praxis überführt und in den entsprechenden Gremien genormt, z.B. als DIN EN ISO 20337.

Das Schubprüfsystem GZ S-100 / GZ S-100 HT ist eine innovative Prüfvorrichtung für die Bestimmung der Schubfestigkeit und der Schubsteifigkeit von faserverstärkten Kunststoffen auf Basis eines Schubrahmens (picture frame). Die Schubkennwertermittlung mittels Schubrahmen stellt das Referenz-Verfahren zur Ermittlung der Schubkennwerte dar, ist nach DIN EN ISO 20337 (vormals DIN SPEC 4885) genormt und besitzt die Zulassung des DNVGL für die Zertifizierung von Rotorblättern für Windenergieanlagen (DNVGL ST-0376).

Das Schubrahmen-Schubprüfsystem ermöglicht eine sehr präzise Bestimmung der Schubkennwerte von faserverstärkten Kunststoffen (Schubfestigkeit, Schubsteifigkeit und max. Schubdehnung). Das Prüfverfahren stellt eine signifikant verbesserte Prüfmethode im Vergleich zu allen anderen Schubprüfverfahren (z.B. DIN EN ISO 14129, ASTM D7078 oder ASTM D5379) dar, da ein reiner Schubspannungszustand im Probekörper vorliegt. Aus diesem Grund werden wesentlich höhere Materialkennwerte bei gleichzeitig geringeren Standardabweichungen erreicht.

Der quadratische Probekörper wird hydraulisch im Schubrahmen eingespannt. Zur Bestimmung der Schubdehnung werden Dehnungsmeßstreifen verwendet, Aufdoppler sind nicht notwendig. Durch die geteilte Bauweise ist ein einfacher und schneller Wechsel der Probekörper innerhalb weniger Minuten möglich. Der größte Vorteil des Prüfverfahrens gegenüber anderen Schubprüfverfahren ist die nicht vorhandene Beschränkung auf max. Schubdehnungen von fünf Prozent, wodurch erheblich höhere Schubfestigkeiten erreicht werden. Das Verfahren ist an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entstanden und wissenschaftlich validiert.

Die Rail Shear Schubvorrichtung GZ RS-50 / GZ RS-50 H für Probekörper mit V-förmigen Kerben ist für die quasi-statische Charakterisierung der Schubeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen geeignet. Die Prüfvorrichtung wird für die Prüfung an kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischen oder duroplastischen Grundmassen eingesetzt und kommt für unidirektionale Lagen und/oder Gewebe sowie Mehrschicht-Verbunde (Sandwich-Laminate) zum Einsatz.

Die Prüfvorrichtung GZ RS-50 bzw. GZ RS-50 H zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Vorrichtungen durch ein wesentlich verbessertes Handling aus. Seitliche Führungen verhindern ein Herausrutschen und Verkippen der Klemmbacken während des Probekörperwechsels. Vordefinierte Markierungen ermöglichen präzise Einstellungen für verschiedene Probekörperdicken. Mittels Positionierungen wird die Ausrichtung der beiden Vorrichtungshälften zueinander erleichtert. Die präzise Positionierung des Probekörpers in der Prüfvorrichtung erfolgt mit einem zweiachsigen Führungssystem.

Bei der hydraulischen Variante GZ RS-50 H erfolgt die Einspannung des Probekörpers über ein hydraulisches Klemmbackensystem. Während des Prüfvorgangs reguliert das hydraulische System die Spannkraft nach. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Probekörper auch bei abnehmender Dicke aufgrund von Lastumlagerungseffekten und Schubverzug zuverlässig eingespannt bleibt und auch minimales Herausrutschen verhindert wird. Außerdem gewährleistet die Hydraulik eine gleichmäßig verteilte Klemmkraft.

Für die Durchführung von Schubversuchen nach ASTM D5379 wird eine Iosipescu-Schubvorrichtung verwendet, die in allen gängigen Universalprüfmaschinen eingesetzt werden kann. Diese Schubvorrichtung ist für die statische Charakterisierung der Schubeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen geeignet. Der Iosipescu-Schubversuch wird mittels einer unsymmetrisch belasteten Vierpunktbiegeprobe durchgeführt. Der Probekörper wird dabei in der Iosipescu-Vorrichtung eingespannt und über zwei relativ zueinander bewegliche Profile belastet. Die Lasten werden über vier Bereiche in die Probe eingeleitet. Eine V-förmige Kerbe im Probekörper legt den Ort des Versagens fest. Die Werkstoffbelastung im Probekörper stellt eine Querkraft-Schubspannung dar.

Ein großer Vorteil des Iosipescu-Schubversuchs gegenüber anderen Verfahren wie der Schub-Zugversuch nach DIN EN ISO 14129, der Rail-Shear-Schubversuch nach ASTM D7078 oder der Schubrahmen-Schubversuch nach DIN EN ISO 20337 ist die einfache Versuchsdurchführung. Mit dieser Prüfmethode können ein- und mehrachsig orientierte Laminate mit beliebiger Faserorientierung bei geringem Aufwand geprüft werden. Aufgrund der kleinen Probekörpergeometrie und der Kerbe werden jedoch in der Regel geringere Schubkennwerte (Schubsteifigkeit und Schubfestigkeit) ermittelt.

Die Celanese-Druckvorrichtung GZ C-20 ist für die quasi-statische Charakterisierung der Druckeigenschaften von Composites nach verschiedenen Normen geeignet. Die Prüfvorrichtung wird für die Prüfung an kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischen oder duroplastischen Grundmassen eingesetzt und kommt für unidirektionale Lagen bzw. Gewebe zum Einsatz. Darüber hinaus können auch isotrope Werkstoffe wir Reinharz- oder Klebharz-Materialien mit dieser Prüfvorrichtung untersucht werden.

Die Druckvorrichtung ist für die Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen erforderlich, um ein Ausknicken des Probekörpers zu verhindern. Bei einer Länge des Probekörpers von 110 mm beträgt die freie Prüflänge nur 10 mm. In der Mitte des Probekörpers werden beidseitig Dehnungsmeßstreifen appliziert, um die Druckdehnung und das Ausknicken bestimmen zu können. Die Prüfvorrichtung besteht aus Klemmkeilen, welche nach dem selbstverstärkenden Prinzip die Axialkraft der Prüfmaschine in eine Querkraft zur Klemmung des Probekörpers umlenkt.

Die IITRI-Druckvorrichtung GZ IT-50 ist für die quasi-statische Charakterisierung der Druckeigenschaften von Composites geeignet. Die Prüfvorrichtung wird für die Prüfung an kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischen oder duroplastischen Grundmassen eingesetzt und kommt für unidirektionale Lagen und/oder Gewebe sowie Mehrschicht-Verbunde (Sandwich-Laminate) zum Einsatz. Darüber hinaus können auch isotrope Werkstoffe wie Reinharz- oder Klebharz-Materialien mit dieser Vorrichtung untersucht werden. Die Druckvorrichtung ist für die Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen erforderlich, um ein Ausknicken des Probekörpers zu verhindern. Gegenüber der Celanese-Druckvorrichtung GZ C-20 besitzt die IITRI-Vorrichtung den Vorteil, daß sowohl eine Prüfung nach ASTM D3410 als auch nach DIN EN ISO 14126 möglich ist.

Das bedeutet, daß Probekörper mit einer Länge von 110…160 mm und einer Breite von 6…25 mm geprüft werden können. Entsprechend den Normen ist die Verwendung von Aufdopplern nicht zwingend erforderlich, jedoch zu empfehlen, um einen zu großen Spannungssprung zwischen dem Einklemmbereich und der freien Prüffläche und demzufolge sogenannte Klemmbrüche zu vermeiden. In der Mitte des Probekörpers werden beidseitig Dehnungsmeßstreifen appliziert, um die Drucksteifigkeit, die Bruchdehnung und das Ausknicken bestimmen zu können. Die Prüfvorrichtung besteht aus Klemmkeilen, welche nach dem selbstverstärkenden Prinzip die Axialkraft der Prüfmaschine in eine Querkraft zur Klemmung des Probekörpers umlenkt.

Für die Ermittlung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit (ILSS) wird eine ILSS-Biegevorrichtung verwendet. Die Prüfvorrichtung wird für die Prüfung nach verschiedenen Normen an kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischen oder duroplastischen Grundmassen eingesetzt und kommt für unidirektionale Lagen bzw. Gewebe zum Einsatz. Darüber hinaus können auch isotrope Werkstoffe wir Reinharz- oder Klebharz-Materialien mit dieser Prüfvorrichtung untersucht werden.

Das Kurzbiegeprüfverfahren stellt eine Modifizierung der 3-Punkt-Biegeprüfung dar. Der Auflageabstand ist im Verhältnis zur Probekörperdicke gering, wodurch der Probekörper auf Scherung belastet wird. Die in den entsprechenden Normen angegebenen Probekörper unterscheiden sich in der Länge, der Dicke und dem Auflagerabstand. Der Probekörper ist ein kurzer Balken aus einer thermo- oder duroplastischen Matrix mit einer Faserverstärkung in 0°- bzw. 0°/90°-Richtung. Mit scheinbarer interlaminarer Scherfestigkeit bezeichnet die Norm „die in der halben Dicke des Probekörpers vorliegende maximale Scherspannung im Augenblick des ersten Versagens“.

Die innovative Biegevorrichtung GZ B-20 ermöglicht die Durchführung aller gängigen Biegeversuche an faserverstärkten Kunststoffen mit nur einer einzigen Prüfvorrichtung. Alle hierfür notwendigen Auflagerabstände sind mit dieser Biegevorrichtung flexibel einstellbar. Das Prinzip der Biegeprüfung besteht in der Verwendung einer zweiteiligen Biegevorrichtung, in der der Probekörper als Biegebalken zwischen zwei äußeren Auflagern eingespannt und über ein inneres Auflager (3-Punkt-Biegung) bzw. zwei innere Auflager (4-Punkt-Biegung) belastet wird. Für die Biegeprüfung an faserverstärkten Kunststoffen werden meist die Verfahren nach DIN EN ISO 14125, DIN EN ISO 178 und ASTM D790 herangezogen. Dafür kann eine 3-Punkt- oder 4-Punkt-Belastung im Biegeversuch realisiert werden.

Mittels der verschiedenen Prüfverfahren für Composites werden die Biegefestigkeit und der Biegemodul unter einer Biegebeanspruchung der Probekörper bei definierten Prüfbedingungen ermittelt. Die Prüfung erfolgt bei konstanter Geschwindigkeit bis zu einer vorgegebenen Verformung oder bis zum Versagen des Probekörpers. Als Ergebnis werden die Biegespannung, der Biegemodul und die Bruchdehnung ermittelt.

Für die Durchführung von Dauerschwing- und Lastkollektivuntersuchungen (Fatigue-Tests) wird bei Auftreten von Druckbeanspruchungen eine Knickstütze verwendet. Diese Knickstütze ist für die zyklische Charakterisierung der Zug-, Druck- und Schubeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen geeignet und kann in allen gängigen servohydraulischen Universalprüfmaschinen bzw. Elektropulsern eingesetzt werden. Die Prüfvorrichtung wird für die Prüfung an kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischen oder duroplastischen Grundmassen eingesetzt und kommt für unidirektionale Lagen und/oder Gewebe sowie Mehrschicht-Verbunde (Sandwich-Laminate) zum Einsatz.

Die Dauerschwingprüfung wird nach RHV-Richtlinie des Luftfahrtbundesamtes oder vergleichbaren Normen durchgeführt. Der Probekörper wird dabei in der Knickstütze eingespannt. Die präzise Ausrichtung des Probekörpers erfolgt außerhalb der Prüfmaschine, über eine Klemmung wird ein Verrutschen während der Einspannung in der Prüfmaschine verhindert. Durch den V-förmigen Schlitz in der Knickstütze können die zyklischen Versuche auch für Faserorientierungen in +/-45°-Richtung zur Schubkennwertermittlung durchgeführt werden, bei denen eine hohe Energiedissipation auftritt. Bei einer Faserorientierung des Probekörpers in +/-45°-Richtung werden die zyklischen Schubeigenschaften in Ein- oder Mehrstufenversuchen ermittelt, bei einer Faserorientierung von 0°-, 90°- oder 0/90°-Richtung die entsprechenden zyklischen Zug-Druck-Eigenschaften.

Die Wechselbiegevorrichtung ist für die statische und zyklische Charakterisierung der Biegeeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen geeignet. Die Prüfvorrichtung wird für die Prüfung an kurz-, lang- und endlosfaserverstärkten Kunststoffen mit thermoplastischen oder duroplastischen Grundmassen eingesetzt und kommt für unidirektionale Lagen und/oder Gewebe sowie Mehrschicht-Verbunde (Sandwich-Laminate) zum Einsatz.

Die Wechselbiegevorrichtung ist für 3-Punkt und 4-Punkt-Biegeprüfungen geeignet und kann sowohl für quasi-statische als auch für zyklische Untersuchungen verwendet werden.

Bei der Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen hat die Entformbarkeit aus der Kavität entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Bauteils. Zur Entformung werden die Werkzeuginnenseiten sorgfältig mit Trennmitteln präpariert. In der automatisierten Fertigung kommen integrierte Trennmittel zum Einsatz, die in das Thermoplast compoundiert bzw. dem Duroplastsystem hinzugefügt werden.

Für die Bestimmung der Resthaftkraft von Trennmitteln wurde gemeinsam mit dem Automobilhersteller BMW die Prüfvorrichtung GZ RA-20 entwickelt. Die Prüfvorrichtung ist für den Einsatz in Universalprüfmaschinen geeignet. Dabei wird zwischen zwei heizbaren planparallelen Flächen aus hochlegiertem Werkzeugstahl das zu prüfende Trennmittel-Kunststoffgemisch aufgebracht. Die Temperatureinstellung und Verweildauer richten sich nach den Prozessdaten des Anwenders oder können im Rahmen einer Prüfserie ermittelt bzw. optimiert werden. Während des Versuchs bewegen sich die Prüfflächen mit einer definierten Geschwindigkeit auseinander, wobei die durch das Polymer erzeugte Rest-Adhäsionskraft gemessen wird.

Die Prüfvorrichtung eignet sich neben der Charakterisierung von Trennmitteln auch für die reproduzierbare Herstellung von sog. Pucks, die für weitere thermoanalytische oder optische Untersuchungen verwendet werden. Darüber hinaus ist der Einbau von Ultraschallsensoren der US-Plus®-Technologie möglich, um den Aushärtevorgang online beobachten zu können.

Das Permeationswerkzeug GZ P-10 wird zur Bestimmung der Wasserdampf-Permeabilität verwendet. Es kommt zusammen mit einem Klimaschrank zum Einsatz. Im Zusammenhang mit faserverstärkten Kunststoffen ermöglicht die Wasserdampf-Permeabilität eine Aussage über das Durchlässigkeitsvermögen dieser Werkstoffe.

Die Prüfung ist insbesondere dann erforderlich, wenn der Werkstoff mit Wasser in Berührung kommt.

Die Split-Disk-Prüfvorrichtung GZ SD-80 wird für die quasi-statische und zyklische Prüfung nach ASTM D2290 verwendet. Dabei wird die Ringzugfestigkeit von Ringen, Rohren und Rohrabschnitten aus Kunststoffen und faserverstärkten Kunststoffen (gewickelte Rohre) bestimmt. Die Prüfungen werden an Probekörpern über die gesamte Breite oder an Probekörpern mit einem reduzierten Querschnitt zur Verringerung des Randeinflusses bei einem definierten Versagensort durchgeführt. Die Prüfvorrichtung zeichnet sich durch eine sehr hohe Steifigkeit und durch ein einfaches Handling aus.

Für die Prüfung mit der Split-Disk-Prüfvorrichtung GZ SD-80 werden die Gabelköpfe, die an alle gängigen Universalprüfmaschinen adaptiert werden können, installiert. Anschließend werden die gelenkig gelagerten Scheiben über Bolzen an die Gabelköpfe befestigt. Während der Prüfung richten sich die Scheiben aus, so daß der ringförmige Probekörper nahezu vollumfänglich an den Scheiben anliegt und ein reproduzierbares Werkstoffversagen eintritt. Zur Ermittlung der Ringzugsteifigkeit und der Bruchdehnung können bei Bedarf Dehnungsmeßstreifen appliziert werden. Die Scheiben sind für Ringdurchmesser im Bereich 50…250 mm lieferbar. Die Prüfvorrichtung ist auch für den Einsatz in Klimakammern ausgelegt.

Die DMS-Anschlussbox GZ DMS-2/3 kommt bei der Verwendung von Universalprüfmaschinen zum Einsatz. Sie dienst dazu, den Dehnungsmeßstreifen (DMS) des Probekörpers mit der Prüfmaschine zu verbinden. Dafür ist eine sogenannte Wheatstonesche Messbrücke erforderlich, um die kleinen ohmschen Widerstandsänderungen zu erfassen, die bei Dehnungen des Probekörpers lokal im Dehnungsmeßstreifen auftreten. In der Universalprüfmaschine werden diese Widerstandsänderungen in Dehnungen umgerechnet.

Die DMS-Anschlussbox GZ DMS-2/3 zeichnet sich durch ein universelles und sehr bedienungsfreundliches Design aus. Sie besteht aus zwei bzw. drei langlebigen Anschlußklemmen für den Anschluss der Dehnungsmeßstreifen in 2-Leiter- bzw. 3-Leiter-Technik, die eine sichere Kontaktierung der DMS-Leiter garantieren. Das Kabel zur Prüfmaschine wird über eine Amphenol-Buchse an die DMS-Anschlussbox angeschlossen. Für die Wheatstonesche Messbrücke kommen hochwertige und selektierte Ergänzungswiderstände zum Einsatz. Die DMS-Anschlussbox wird über Magnetfüße in die Nähe des Probekörpers am Rahmen der Universalprüfmaschine befestigt.

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Tarik Randelhoff, B.Sc.
Entwicklungsingenieur
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