Composite Schubprüfungen
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 EN ISO 20337 (vormals DIN SPEC 4885) eine von uns zusammen mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) maßgeblich entwickelte innovative Methode an. Mit dieser lassen sich wesentlich höhere Gleitungen und damit höhere Festigkeiten prüfen als bisher.
- Prüfverfahren für orthotrope FKV (GFK, CFK,...) zur Bestimmung der Schubeigenschaften (Schubeigenschaften innerhalb der Lagenebene)
- Probekörpergeometrie 250 mm x 25 mm x 2 mm mit Faserorientierung in +/-45°-Richtung
- Applikation einer angepassten DMS-Rosette in 0°/90°-Orientierung
- Bestimmung der Schubfestigkeit, Schubsteifigkeit und Schubspannungs-Dehnungs-Kurve
Nach DIN EN ISO 14129 (bzw. ASTM D3518) werden im sogenannten Zug-Schubversuch Schubkennwerte an Flachprobekörpern mit einer Faserorientierung in +/-45°-Richtung ermittelt. Der Probekörper ist von seinem Laminataufbau idealerweise symmetrisch und ausgeglichen und besteht aus einem Gewebe bzw. einem Biaxial-Gelege. Die Kennwertermittlung erfolgt quasi-statisch als Zugversuch. Das Prüfverfahren besitzt gegenüber anderen Verfahren folgende Nachteile:
- Der Versuch ist nicht unbedenklich auf die Bestimmung der Bruch-Festigkeit für Materialien mit hoher Schubdehnung anwendbar, da das Verfahren auf Schubverformungen < 5 % begrenzt ist.
- Der resultierende Spannungszustand im Probekörper ist mehrachsig. In der Einzelschicht des Probekörpers liegen sowohl Normal- 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 nach DIN EN ISO 14129 ist daher prinzipbedingt nicht fehlerfrei möglich.
- Die freien (nicht eingespannten) Ränder des Probekörpers führen zu Lastumlagerungseffekten.
- Es ist von einer inhomogenen Belastungssituation über die Breite des Probekörpers auszugehen.
Der Vorteil des Prüfverfahrens gegenüber anderen Verfahren zur Schubkennwertermittlung liegt in der Einfachheit der Versuchsdurchführung. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Zugversuch, der durch die Faserorientierung in +/-45°-Richtung für die Bestimmung der Schubkennwerte modifiziert wurde.
- Prüfverfahren für anisotrope und orthotrope FKV (GFK, CFK,...) und isotrope Kunststoffe (Reinharz, Klebharz, Kunststoff,...) zur Bestimmung der Schubeigenschaften (Schubeigenschaften innerhalb der Lagenebene)
- Prüfung mittels Schubrahmen-Schubvorrichtung (z.B. GZ S-100 / S-100 HT)
- Probekörpergeometrie 165 mm x 165 mm x 2...4 mm, ggf. mit Faserorientierung in 0°- bzw. 0°/90°-Richtung bzw. multi-direktionalem Aufbau
- Applikation von zwei angepassten DMS in 45°-Orientierung
- Bestimmung der Schubfestigkeit, Schubsteifigkeit und Schubspannungs-Dehnungs-Kurve
- Zulassung nach DNVGL-Richtlinie ST-0376 („Rotor Blades for Wind Turbines“) für die Zertifizierung von Rotorblättern von Windenergieanlagen
Der Schubrahmen-Schubversuch nach DIN EN ISO 20337 / 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 Probekörperdicken liegen im Bereich 2...4 mm.Der Materialaufwand und die Anforderungen an die Prüfapparatur sind höher als bei anderen Schubprüfverfahren, es bestehen jedoch signifikante Vorteile dieses Prüfverfahrens:
- Die Bestimmung der Schubeigenschaften kann sowohl im linearen als auch im nicht-linearen Last-Verformungs-Bereich bei Schubdehnungen (Gleitungen) > 5 % erfolgen. Damit ist eine Ermittlung der maximalen Schubfestigkeit in diesem Dehnungsbereich möglich, was mit keinem anderen Schubprüfverfahren möglich ist.
- Aufgrund der flächigen Einspannung des Probekörpers existieren keine freien Ränder, so daß keine Lastumlagerungseffekte auftreten.
- Die Prüfergebnisse weisen sehr geringe Standardabweichungen auf (üblicherweise < 3 %). Damit ist das Verfahren auch für Parameterstudien oder eine produktionsbegleitende Qualitätssicherung (z.B. Wareneingangskontrolle) 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 des Probekörpers zu beobachten ist.
- Prüfverfahren für orthotrope FKV (GFK, CFK,...) zur Bestimmung der Schubeigenschaften (Schubeigenschaften innerhalb der Lagenebene)
- Probekörpergeometrie 250 mm x 25 mm x 2,5 mm mit Faserorientierung in +/-45°-Richtung
- Applikation einer angepassten DMS-Rosette in 0°/90°-Orientierung
- Bestimmung der Schubfestigkeit, Schubsteifigkeit und Schubspannungs-Dehnungs-Kurve
Nach ASTM D3518 (bzw. DIN EN ISO 14129) werden im sogenannten Zug-Schubversuch Schubkennwerte an Flachprobekörpern mit einer Faserorientierung in +/-45°-Richtung ermittelt. Der Probekörper ist von seinem Laminataufbau idealerweise symmetrisch und ausgeglichen und besteht aus einem Gewebe bzw. einem Biaxial-Gelege. Die Kennwertermittlung erfolgt quasi-statisch als Zugversuch. Das Prüfverfahren besitzt gegenüber anderen Verfahren folgende Nachteile:
- Der Versuch ist nicht unbedenklich auf die Bestimmung der Bruch-Festigkeit für Materialien mit hoher Schubdehnung anwendbar, da das Verfahren auf Schubverformungen < 5 % begrenzt ist.
- Der resultierende Spannungszustand im Probekörper ist mehrachsig. In der Einzelschicht des Probekörpers liegen sowohl Normal- 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 nach ASTM D3518 ist daher prinzipbedingt nicht fehlerfrei möglich.
- Die freien (nicht eingespannten) Ränder des Probekörpers führen zu Lastumlagerungseffekten.
- Es ist von einer inhomogenen Belastungssituation über die Breite des Probekörpers auszugehen.
Der Vorteil des Prüfverfahrens gegenüber anderen Verfahren zur Schubkennwertermittlung liegt in der Einfachheit der Versuchsdurchführung. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Zugversuch, der durch die Faserorientierung in +/-45°-Richtung für die Bestimmung der Schubkennwerte modifiziert wurde.
- Prüfverfahren für anisotrope und orthotrope FKV (GFK, CFK,...) und isotrope Kunststoffe (Reinharz, Klebharz, Kunststoff,...) zur Bestimmung der Schubeigenschaften (Schubeigenschaften innerhalb der Lagenebene)
- Prüfung mittels Iosipescu-Schubvorrichtung (z.B. GZ IS-20)
- Probekörpergeometrie 76 mm x 19 mm x 2 mm, ggf. mit Faserorientierung in 0°- bzw. 90°- bzw. 0°/90°-Richtung bzw. multi-direktionalem Aufbau
- Applikation einer angepassten DMS-Rosette in +/-45°-Orientierung
- Bestimmung der Schubfestigkeit, Schubsteifigkeit und Schubspannungs-Dehnungs-Kurve
Nach ASTM D5379 werden im sogenannten Iosipescu-Schubversuch Schubkennwerte an unsymmetrisch belasteten Vierpunkt-Biegeprobekörpern ermittelt. Der Probekörper wird von einer Iosipescu-Vorrichtung geklemmt, die aus zwei relativ zueinander beweglichen Profilen besteht. Die Lasten werden über vier Bereiche in den Probekörper geleitet. Eine V-Kerbung des Probekörpers legt den Ort des Versagens fest. Die Werkstoffbeanspruchung im Probekörper stellt eine Querkraft- Schubspannung dar. Das Prüfverfahren besitzt gegenüber anderen Verfahren folgende Nachteile.
- Der Versuch ist nicht unbedenklich auf die Bestimmung der Bruch-Festigkeit für Materialien mit hoher Schubdehnung anwendbar, da das Verfahren auf Schubverformungen < 5 % begrenzt ist.
- Das Verfahren ist für kleine Materialverformungen bestimmt. Große Verformungen führen zu Lastumlagerungen in Faserrichtung bei horizontal orientierten Fasern (Faserorientierung in 90°-Richtung).
- Die Schubspannungen in der Mitte des Probekörpers weichen deutlich von der mittleren Schubspannung ab. Die Abweichung beträgt bei Faserorientierung in 90°-Richtung ca. 20 % und bei Faserorientierung in 0°-Richtung ca. 10 %. Es liegt daher keine homogene Schubspannungsverteilung im Probekörperquerschnitt vor.
- Die Fertigung der V-Kerbung des Probekörpers verursacht infolge einer variierenden Spannungssituation im Bereich der Kerbe ein Versagen des Probekörpers bei unterschiedlichen Lasten.
- Im Lasteinleitungsbereich kann die Druckfestigkeit des Werkstoffes überschritten werden, was unter Umständen zu einem Zerdrücken der Kante des Probekörpers führt.
Der Vorteil des Prüfverfahrens gegenüber anderen Verfahren zur Schubkennwertermittlung liegt in der Einfachheit und Flexibilität der Versuchsdurchführung. Mit nur einer Prüfmethode können ein- und mehrachsig orientierte Laminate mit beliebiger Faserorientierung mit geringem Aufwand geprüft werden.
- Prüfverfahren für anisotrope und orthotrope FKV (GFK, CFK,...) zur Bestimmung der Schubeigenschaften (Schubeigenschaften innerhalb der Lagenebene)
- Prüfung mittels Rail-Shear-Schubvorrichtung (z.B. GZ RS-50 / RS-50 H)
- Probekörpergeometrie 76 mm x 56 mm x 2 mm, ggf. mit Faserorientierung in 0°- bzw. 0°/90°-Richtung
- Applikation einer angepassten DMS-Rosette in +/-45°-Orientierung
- Bestimmung der Schubfestigkeit, Schubsteifigkeit und Schubspannungs-Dehnungs-Kurve
Der Rail-Shear-Versuch nach ASTM D7078 (bzw. ASTM D4255) verwendet einen Probekörper, der beidseitig zwischen zwei gegenüberliegenden Vorrichtungshälften über Klemmbacken eingespannt wird. Die über die Universalprüfmaschine erzeugte Zugkraft bewirkt über die Vorrichtung eine Schubbeanspruchung im Probekörper. Das Prüfverfahren besitzt gegenüber anderen Verfahren folgende Nachteile:
- 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 Breite des Probekörpers.
- Durch die V-Kerbung ergibt sich im Probekörper ein kritischer und stark von der Fertigung abhängiger Spannungszustand.
Der Vorteil des Prüfverfahrens gegenüber anderen Verfahren zur Schubkennwertermittlung liegt in der Einfachheit der Versuchsdurchführung.