Einfluss der Alterung von CN-Klebstoff auf Großdehnungsmessungen

Cyanacrylatklebstoffe wie die CN-Produktreihe von TML ermöglichen eine schnelle und vergleichsweise einfache Applikation von Dehnungsmessstreifen. Bei Messungen im üblichen elastischen Dehnungsbereich sind sie für viele kurzfristige Anwendungen gut geeignet.

Bei sehr großen beziehungsweise plastischen Dehnungen spielt jedoch die Zeit zwischen Applikation und Messung eine wichtige Rolle. Die maximal zuverlässig übertragbare Dehnung einer CN-Verklebung kann mit zunehmender Alterung abnehmen. Dieser Effekt ist besonders bei sogenannten Post-Yield-DMS relevant, die für Dehnungen oberhalb der elastischen Werkstoffgrenze eingesetzt werden.

Normale Dehnung und Großdehnung unterscheiden

Bei gewöhnlichen DMS-Messungen werden meist elastische Dehnungen erfasst. Das Bauteil kehrt nach der Entlastung weitgehend in seine ursprüngliche Form zurück. Die Dehnung liegt dabei typischerweise deutlich unter einem Prozent. Post-Yield-DMS werden dagegen für wesentlich größere Dehnungen eingesetzt, bei denen der Werkstoff bereits plastisch verformt wird. Je nach DMS-Serie können Dehnungen von mehreren Prozent bis in den zweistelligen Prozentbereich erfasst werden.

Diese Messungen stellen deutlich höhere Anforderungen an:

• das Messgitter, 
• den Träger, 
• den Klebstoff, 
• die Oberflächenvorbereitung, 
• die Gleichmäßigkeit der Klebefuge. 

Eine Verklebung, die für eine normale elastische Messung vollkommen ausreichend ist, muss deshalb nicht automatisch für eine Großdehnungsmessung geeignet sein.

Warum nimmt die übertragbare Dehnungsgrenze mit der Zeit ab?

Nach der Aushärtung verändert sich eine Cyanacrylatverklebung weiter. Feuchtigkeit, Temperatur, Alterung und Umgebungsbedingungen können ihre mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Mit zunehmender Zeit kann die Verklebung spröder werden oder ihre Fähigkeit verlieren, sehr große Verformungen gleichmäßig zu übertragen. Bei hohen Dehnungen kann es dann früher zu einer lokalen Ablösung, zu Rissen in der Klebefuge oder zu einem Ausfall des DMS kommen.

Die zeitliche Veränderung betrifft vor allem die maximal übertragbare Dehnung. Für Messungen im üblichen elastischen Bereich ist sie häufig deutlich weniger kritisch als für plastische Großdehnungsmessungen.

Veränderung von CN-Klebstoff im Laufe der Zeit

TML hat die zeitliche Veränderung von CN-Verklebungen unter verschiedenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen untersucht. Dabei wurden unter anderem Post-Yield-DMS verwendet. Die Ergebnisse zeigen grundsätzlich, dass die maximal erreichbare Dehnung von der Zeit nach der Applikation und von den Umgebungsbedingungen abhängen kann. Höhere Temperatur oder Feuchtigkeit können die Alterung der Klebeverbindung zusätzlich beeinflussen.

Zu den wichtigen Einflüssen gehören:

• verwendeter DMS und Messgitterlänge, 
• Klebstofftyp,  
• Werkstoff des Prüfkörpers, 
• Oberflächenvorbereitung,  
• Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit, 
• Lagerdauer,  
• Belastungsgeschwindigkeit,  
• Definition der Dehnungsgrenze, 
• Anzahl der geprüften Proben. 

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für die Ergebnisse der von TML durchgeführten Tests mit dem DMS-Modell YFLA-5. Die Ergebnisse zeigen zwar deutliche Unterschiede aufgrund der Expositionsbedingungen der Probekörper (Temperatur und Feuchtigkeit), aber auch, dass die Dehnungsgrenzen für die Klebung der DMS mit der Zeit abnehmen. Während dies bei gewöhnlichen Dehnungsmessungen kein Problem darstellt, empfiehlt es sich bei der Messung großer Dehnungen, diese ein oder zwei Tage nach der Installation zu beenden. Wenn der Dehnungsmessstreifen nach der Installation über einen längeren Zeitraum verbleiben soll, sollte ein spezieller Klebstoff verwendet werden (beispielsweise CN-Y).

Wann ist CN-Y sinnvoll?

CN-Y ist ein spezieller Cyanacrylatklebstoff von TML für bestimmte Post-Yield-DMS. Er wurde für Anwendungen entwickelt, bei denen eine Großdehnungsmessung nicht unmittelbar nach der Applikation, sondern erst nach mehreren Tagen erfolgen soll.

Der Klebstoff ist insbesondere für dafür freigegebene TML-DMS der Serien YEF, YF und YHF vorgesehen. Im Vergleich zu gewöhnlichem CN soll die altersbedingte Verschlechterung der maximalen Dehnungsübertragung reduziert werden.

CN-Y ist jedoch kein universeller Langzeitklebstoff. Seine Stärke liegt in der zeitversetzten Messung großer plastischer Dehnungen mit den dafür vorgesehenen DMS. Für allgemeine Langzeitmessungen im elastischen Bereich, hohe Temperaturen oder dauerhafte Feuchtigkeit können andere Klebstoffsysteme geeigneter sein.

Messbeginn, Aushärtung und Alterung sind nicht dasselbe

Bei der Bewertung eines Klebstoffs müssen mehrere Zeitangaben unterschieden werden.

Die Anpresszeit beschreibt, wie lange der DMS während der ersten Fixierung unter Druck gehalten werden muss. Der früheste Messbeginn gibt an, wann eine erste Messung grundsätzlich möglich ist. Die vollständige Aushärtung beschreibt die weitere Entwicklung der Klebeverbindung.

Davon zu unterscheiden ist die Alterung nach der Applikation. Sie beschreibt, wie sich die Eigenschaften der fertigen Klebeverbindung über Tage, Wochen oder Monate verändern.

Ein Klebstoff kann also schon kurz nach der Applikation messbereit sein, ohne deshalb automatisch für lange Messzeiten, hohe Temperaturen oder sehr große Dehnungen geeignet zu sein.

Bedeutung einer dünnen und gleichmäßigen Klebstoffschicht

Die Klebstoffschicht muss die Dehnung des Bauteils möglichst verlustarm auf den DMS übertragen. Dazu sollte sie gemäß den Herstellerangaben dünn und gleichmäßig ausgeführt werden.

Eine zu dicke oder ungleichmäßige Klebefuge kann:

• die Dehnungsübertragung beeinträchtigen, 
• Kriechen und Hysterese erhöhen, 
• lokale Spannungskonzentrationen erzeugen, 
• Lufteinschlüsse begünstigen, 
• das thermische Verhalten der Messstelle verändern. 

Entscheidend ist nicht, dass der DMS wenige Mikrometer näher oder weiter von der Bauteiloberfläche entfernt liegt. Maßgeblich ist vielmehr die mechanische Qualität und Gleichmäßigkeit der Dehnungsübertragung.

Einfluss der Applikationsqualität

Die erreichbare Dehnungsgrenze hängt nicht allein vom Klebstofftyp ab. Auch die Vorbereitung und Ausführung der Klebestelle sind entscheidend. Die Oberfläche muss frei von Fett, Oxiden, Feuchtigkeit und Staub sein. Der DMS muss genau positioniert und in der vorgesehenen Richtung ausgerichtet werden. Der Anpressdruck sollte gleichmäßig sein und die vorgegebene Zeit eingehalten werden.

Für die Positionierung kann ein geeignetes transparentes Installationsband verwendet werden. Dieses hält den DMS an der vorgesehenen Stelle und kann als Scharnier dienen, während der Klebstoff aufgebracht wird. Bereits kleine Fehler in der Klebefuge können die maximal übertragbare Dehnung deutlich reduzieren.

Staub, Luftblasen und lokale Fehlstellen

Unter dem DMS dürfen sich keine Staubpartikel, Fasern oder Lufteinschlüsse befinden. Solche Fehlstellen unterbrechen die gleichmäßige Dehnungsübertragung. Dadurch können lokale Spannungsspitzen im Träger oder Messgitter entstehen. Mögliche Folgen sind:

• Messabweichungen,  
• lokale Ablösung, 
• reduzierte Ermüdungsfestigkeit, 
• vorzeitiger Bruch des Messgitters. 

Bei Großdehnungsmessungen sind solche Fehlstellen besonders kritisch. Sie dürfen auch bei kurzen Prüfungen nicht als vernachlässigbar angesehen werden.

Wann ist ein anderer Klebstoff erforderlich?

CN-Klebstoffe eignen sich vor allem für kontrollierte, eher kurzfristige Anwendungen. Bei erhöhten Temperaturen, hoher Feuchtigkeit, langen Messzeiten oder besonders hohen Anforderungen an Stabilität und Genauigkeit kann ein anderes Klebstoffsystem erforderlich sein.

Je nach Anwendung kommen beispielsweise Epoxid-, Polyester- oder Phenolharzklebstoffe infrage. Die Auswahl richtet sich nach:

• DMS-Serie,  
• Bauteilwerkstoff,  
• Temperaturbereich,  
• Messdauer,  
• maximaler Dehnung, 
• statischer oder dynamischer Belastung, 
• verfügbarer Aushärtetechnik, 
• Schutzsystem.  

Ein Epoxidharzklebstoff ist nicht automatisch für jede Langzeit- oder Hochtemperaturmessung geeignet. Ebenso ist Polyesterharz nicht pauschal die beste Lösung bei Feuchtigkeit. Entscheidend ist immer die Freigabe des DMS-Herstellers für die konkrete Kombination.

Warmhärtende Klebstoffe

Einige Klebstoffe benötigen einen definierten Aushärteprozess bei erhöhter Temperatur. Dabei müssen Temperatur, Dauer und Anpressdruck genau eingehalten werden.

Während des Erwärmens kann sich die Viskosität des Klebstoffs verändern. Das Verhalten ist jedoch produktspezifisch. Es darf nicht allgemein angenommen werden, dass sich jeder warmhärtende Klebstoff im Ofen automatisch optimal verteilt. Zu starkes Fließen kann die Klebefuge sogar verschlechtern. Auch Vorhärtung, Nachhärtung und kontrollierte Abkühlung können Teil des vorgeschriebenen Prozesses sein. Alle Parameter müssen deshalb dem Datenblatt des konkreten Klebstoffs entnommen werden.

Schutz vor Feuchtigkeit

Cyanacrylatverklebungen und elektrische Anschlussstellen müssen bei Feuchtigkeit oder längerem Einsatz ausreichend geschützt werden. Die Schutzbeschichtung sollte nicht nur den DMS selbst, sondern auch Lötstützpunkte, Anschlussdrähte und Kabelübergänge abdecken. Eindringende Feuchtigkeit kann den Isolationswiderstand zwischen Messkreis und Bauteil reduzieren.

Mögliche Folgen sind:

• Leckströme,  
• Nullpunktdrift,  
• Rauschen,  
• instabile Messwerte, 
• Korrosion an Anschlussstellen. 

Die Schutzbeschichtung muss zum Temperaturbereich, zur Messdauer, zur mechanischen Belastung und zur Umgebung passen.

Unterschied zwischen Lagerfähigkeit und Lebensdauer der Verklebung

Die Lagerfähigkeit des ungeöffneten Klebstoffs darf nicht mit der Lebensdauer einer applizierten Messstelle verwechselt werden.

Bei der Lagerung des Klebstoffs sind unter anderem zu beachten:

• Lagertemperatur,  
• Schutz vor Feuchtigkeit, 
• Schutz vor Licht, 
• Haltbarkeitsdatum,  
• Zustand nach dem Öffnen. 

Die Lebensdauer der fertigen Verklebung hängt dagegen von Bauteil, Klebstoff, DMS, Belastung, Temperatur, Feuchtigkeit und Schutzsystem ab. Eine lange Lagerfähigkeit des Klebstoffs bedeutet daher nicht automatisch eine lange Nutzungsdauer der applizierten Messstelle.

Einmalige und wiederholte Großdehnung

Post-Yield-DMS sind häufig für eine einmalige oder begrenzte plastische Dehnung ausgelegt. Sie eignen sich nicht automatisch für wiederholte Lastwechsel mit hohen Dehnungsamplituden.

Zwischen folgenden Anwendungen muss unterschieden werden:

• einmalige plastische Dehnung, 
• wiederholte Großdehnung, 
• dynamische Ermüdungsmessung, 
• statische Langzeitmessung. 

Ein DMS, der 20 Prozent Dehnung einmalig erfassen kann, muss diese Dehnung nicht über viele Lastzyklen wiederholbar messen können. Die zulässige Zahl der Belastungen und der nutzbare Dehnungsbereich müssen deshalb für DMS und Klebstoff gemeinsam geprüft werden.

Alternative: Anschweißbare DMS

Eine Alternative zur Klebeapplikation sind schweißbare DMS. Bei diesen ist das Messgitter werkseitig in eine schweißgeeignete Baugruppe mit metallischem Träger integriert.

Der Träger wird mit einer Reihe kleiner Punktschweißungen auf einem geeigneten metallischen Bauteil befestigt. Das Verfahren kann eine schnelle und robuste Installation ermöglichen, insbesondere wenn ein Klebstoff aufgrund von Temperatur, Feuchtigkeit oder Montagebedingungen ungeeignet ist.

Schweißbare DMS sind jedoch nicht grundsätzlich genauer oder langlebiger als qualifiziert verklebte DMS. Sie setzen einen geeigneten schweißbaren Untergrund, spezielles Werkzeug und eine für die Anwendung freigegebene DMS-Ausführung voraus.

Für sehr große plastische Dehnungen muss außerdem geprüft werden, ob die schweißbare Baugruppe und die Punktschweißungen den Verformungen folgen können.

Welche Angaben müssen für die Auswahl bekannt sein?

Vor der Auswahl des Klebstoffs sollten mindestens folgende Fragen beantwortet sein:

1. Welcher DMS wird verwendet? 
2. Wie hoch ist die maximale Dehnung? 
3. Handelt es sich um elastische oder plastische Dehnung? 
4. Wird die Dehnung einmalig oder wiederholt aufgebracht? 
5. Wie viel Zeit liegt zwischen Applikation und Messung? 
6. Wie lange dauert die Messung? 
7. Welche Temperatur und Feuchtigkeit treten auf? 
8. Welcher Bauteilwerkstoff liegt vor? 
9. Ist eine Ofenhärtung möglich? 
10. Welche Schutzbeschichtung ist vorgesehen? 

Erst aus diesen Angaben lässt sich eine belastbare Klebstoffempfehlung ableiten.

Häufige Fehler

Ein typischer Fehler ist, CN-Y pauschal als Langzeitklebstoff zu betrachten. Tatsächlich wurde er für zeitversetzte Großdehnungsmessungen mit bestimmten Post-Yield-DMS entwickelt.

Ebenso problematisch ist die Annahme, ein schnell messbereiter Klebstoff sei automatisch vollständig ausgehärtet und langfristig stabil. Auch eine zu dicke Klebefuge, mangelhafte Oberflächenvorbereitung oder fehlender Feuchtigkeitsschutz können das Ergebnis erheblich beeinflussen.

Ein weiterer Fehler besteht darin, Temperatur- oder Zeitgrenzen ohne Beachtung der konkreten DMS-Serie zu übernehmen. Die zulässigen Werte gelten immer für ein definiertes System und nicht für Cyanacrylatklebstoffe im Allgemeinen.

Fazit

CN-Klebstoff eignet sich für viele kurzfristige DMS-Anwendungen und kann auch bei dafür freigegebenen Post-Yield-DMS verwendet werden. Bei sehr großen plastischen Dehnungen kann die maximal übertragbare Dehnung der Klebeverbindung jedoch mit zunehmender Zeit nach der Applikation abnehmen.

Soll die Großdehnungsmessung erst mehrere Tage später durchgeführt werden, kann CN-Y für die dafür vorgesehenen DMS eine geeignete Alternative sein. CN-Y ist jedoch kein allgemeiner Langzeitklebstoff.

Für zuverlässige Ergebnisse müssen Klebstoff, DMS, Bauteilwerkstoff, Dehnungsbereich, Messdauer, Temperatur, Feuchtigkeit und Schutzsystem gemeinsam betrachtet werden. Ebenso entscheidend sind eine saubere Oberfläche, eine dünne und gleichmäßige Klebefuge sowie ein kontrollierter Aushärteprozess.

Die Kernaussage lautet deshalb: Nicht allein der Klebstoffname entscheidet über die Qualität der Messung, sondern das vollständig abgestimmte und fachgerecht applizierte DMS-System.