Die Welt der Materialprüfungen: faserverstärkte Kunststoffe

Mit Dehnungsmessstreifen Materialkennwerte ermitteln

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Werkstoffprüfungen zur Ermittlung bestimmter Materialkennwerte geben Aufschluss darüber, ob neu entwickelte Bauteile künftigen Beanspruchungen standhalten werden. Zudem liefern sie für bestimmte Anwendungen und Branchen nötige Qualitätsnachweise.

Grasse Zur Composite Testing betreibt ein akkreditiertes Materialprüflabor und hat sich auf die Prüfung faserverstärkter Kunststoffe insbesondere für die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, die Chemieindustrie und die Rotorblattindustrie spezialisiert. Da faserverstärkte Kunststoffe hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen, eignen sie sich sehr gut für den Leichtbaubereich. Überwiegend werden bei Grasse Zur zerstörende Prüfungen durchgeführt, d. h. ein Probekörper wird in einer Universalprüfmaschine per Zug-, Schub-, Druck- oder Biegeprüfung zerstörend geprüft, um Materialkennwerte zu ermitteln.

DMS erfassen Veränderungen des Probekörpers

Ein zentrales Hilfsmittel, um die Veränderungen des Probekörpers bei Belastungen zu erfassen, sind Dehnungsmessstreifen (DMS) des Mess-Spezialisten Althen. Sie ermitteln die Dehnung direkt an der Oberfläche des Probekörpers und sind für die Materialkennwertermittlung von faserverstärkten Kunststoffen durch verschiedene DIN-Normen vorgeschrieben.

Ein Dehnungsmessstreifen ist ein mäandrierender Metallleiter – in der Regel aus Konstantan oder Karma –, der auf einem dünnen Träger (z. B. Polyimid) geätzt ist. Er wird vornehmlich mit spezifischen Klebern auf dem Probekörper aufgebracht. Ein DMS fungiert als elektrischer Leiter, der durch Stauchung oder Dehnung eine elektrische Widerstandsänderung zeigt, die wiederum eine Spannungsänderung indiziert und damit in ein elektrisches Signal überführt wird. Das entsprechende Messgerät kann sowohl die Spannungsänderung in Millivolt pro Volt ausgeben als auch direkt die tatsächliche Dehnung des DMS in µm pro m anzeigen.

Größere DMS für ein gutes Messergebnis

Die DMS sollten jeweils so groß wie möglich sein, d. h. eine Messgitterlänge von ca. 10 mm aufweisen, um eine gute Mittelung über die Zugprobe zu erreichen. Ungünstig ist es bei einem Faserverbundstoff, wenn der DMS nur ein Faserbündel abdeckt, anstatt über mehrere Faserbündel hinweg zu messen. Dies verfälscht das Messergebnis

Die Dehnungsmessstreifen werden dann in Längs- und in Querrichtung auf den Probekörper aufgeklebt, je nach Prüfungsanliegen: Hauptsächlich werden Linear-DMS genutzt, die einen einachsigen Spannungszustand messen. Es gibt jedoch auch DMS für zweiachsige (0/90-Grad-DMS oder T-Rosette) und dreiachsige Spannungszustände (0/45/90-Grad-Rosette). Um dem Nutzer die Anbringung der DMS zu erleichtern, bietet Althen die 0/90- und die 0/45/90-Variante bereits fertig an. Der Vorteil: Es muss nur ein einziger Dehnungsmessstreifen mit entsprechender DMS-Gitteranzahl aufgeklebt werden, der bereits die einzelnen DMS-Gitter optimal angeordnet hat.

Akkurater Klebevorgang

Aufgebracht werden DMS bei Grasse Zur in der Regel mit einem schnell trocknenden Cyanacrylat- oder Sekundenkleber des Typs CN, den Althen ebenfalls anbietet – es sollte stets ein vom Hersteller empfohlener Kleber gewählt werden. Die Klebeschicht muss sehr dünn aufgetragen werden, sonst würde die Messung nicht am Bauteil, sondern etwas oberhalb davon erfolgen. Auch Einschlüsse durch Luftblasen oder Staubkörner dürfen nicht entstehen, da sie ebenfalls das Messergebnis verfälschen können.

Wichtig ist, das Bauteil vor dem Klebevorgang zu präparieren, damit Kleber und DMS gut halten. Beim Faserverbundwerkstoff wird eine gewisse Rauigkeit an der Oberfläche zum optimalen Halt benötigt. Die Fasern des Verbundwerkstoffs dürfen jedoch durch Schleifen oder Anrauen nicht verletzt werden, sonst wird die Prüfung verfälscht. Hier ist viel Erfahrung des Mitarbeiters gefragt, damit er beim Anrauen die Fasern nicht beschädigt.

Kennwerte Festigkeit und Steifigkeit

Für zwei Kennwerte muss der DMS während der Prüfung gut und sicher halten: die Ermittlung der Festigkeit und die Ermittlung der Steifigkeit eines Probekörpers. Die Festigkeit beschreibt, bei welcher maximalen Kraft der Werkstoff zerstört wird. Hierzu wird die Kraft mit der Fläche ins Verhältnis gesetzt. Die maximale Kraft auf diese Fläche bezogen, ist die Festigkeit; diese Kenngröße wird am Ende des Prüfvorgangs ermittelt, im Moment des Zerreißens.

Die Steifigkeit zeigt, wie viel Kraft aufgewendet werden muss, um einen Probekörper zu verformen. Die Steifigkeit wiederum wird gleich zu Beginn der Prüfung festgestellt, während sich das Werkstoffverhalten noch im linear-elastischen Bereich befindet. An diesem Punkt könnte der Probekörper beim Einstellen des Zugvorgangs in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Eine weitere Kenngröße ist die Bruchdehnung. Um sie zu ermitteln, ist eine gute Verklebung erforderlich.

DMS von Althen mit integrierten Kabelanschlüssen

Ein Mehrwert der von Althen vertriebenen Dehnungsmesstreifen ist die optional bereits integrierte Verkabelung, die für den Kunden eine deutliche Zeitersparnis bei der Applizierung bedeutet, wie Dr. Fabian Grasse bestätigt: „Der DMS ist direkt aufzukleben und anzuschließen, ohne Lötvorgang o. Ä. und ist damit nach der Klebung sofort einsatzbereit. Das ist für uns ein enormer Zeitvorteil gegenüber DMS, die gelötet werden müssen.“

Genaueste Kennwertermittlung dank DMS

Die Überprüfung von Werkstoffen hinsichtlich ihrer Materialkennwerte ist komplex und oft sicherheitsrelevant. Akkreditierte Experten wie Grasse Zur setzen mit Dehnungsmessstreifen von Messspezialist Althen auf eine Technik, die beispielsweise gegenüber Laser- oder Video-Extensometern das zwar anspruchsvollere, aber auch wesentlich genauere Verfahren ist, um Dehnungen zu ermitteln. Dr. Fabian Grasse: „Unser Ziel ist das Messen von exakten Dehnungsgrößen – die Dehnungsmessstreifen der Firma Althen sind seit Gründung unseres Prüflabors die Grundlage dafür.“

Wenn Sie Interesse an der ausführlichen Version des Anwenderberichts samt Bildmaterial haben, wenden Sie sich gerne an: Wassenberg Public Relations für Industrie & Technologie GmbH, Michaela Wassenberg: info@wassenberg-pr.de, 0911/5983980.