CAI Test: Compression After Impact
Der Compression After Impact Test ist ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Restdruckfestigkeit eines Laminats nach Impactschädigung. Durch den CAI Test lassen sich Rückschlüsse über die Schadenstoleranz eines Composite Mehrschichtverbundes ziehen.
Die Normen ASTM D7136 und ASTM D7137 beschreiben die Vorschädigung durch ein Fallwerk bzw. den Druckversuch zur Messung der Schadensbeständigkeit an Composites. Die CAI-Prüfung wird auch in weiteren Normen wie beispielsweise ISO 18352, Airbus AITM1-0010 oder Boeing BSS 7260 type II beschrieben.
Ziel des CAI Tests Normen Vorschädigung der Prüfplatten CAI Druckversuch Downloads
Ziel des Compression After Impact Tests
Im Compression After Impact (CAI) Test wird die Restdruckfestigkeit eines Laminats nach zuvor erfolgter Impactschädigung bestimmt. Hierfür wird der aus einem multidirektionalen Laminat hergestellte Probekörper zunächst mit einer in der jeweiligen Prüfnorm festgelegten Impactenergie vorgeschädigt.
Mit Hilfe der Schlagversuche und der Bestimmung der Restdruckfestigkeit im anschließenden statischen Druckversuch, kann die Schadenstoleranz eines Faserverbundlaminats gegenüber möglichen Impactschäden bewertet werden. Für in der Luftfahrt eingesetzte Composite-Strukturen können Impactschäden z.B. durch Tool-Drop während der Wartung, Steinschlag bei Start- und Landung oder durch Kollision mit Ground Support Fahrzeugen entstehen.
Da der Schaden auf der Impactseite oft nur schwer zu erkennen ist, spricht man auch von „barely visible impact damage“, während sich „im“ Laminat und auf der gegenüberliegenden Seite teils massive Schäden mit signifikanten Matrixrissen und Delaminationen ergeben können.
Der CAI Test kann dabei in 3 Phasen unterteilt werden:
- Die Einbringung der Impactschädigung unter Verwendung eines geeigneten Fallwerks und der in der verwendeten Norm festgelegten Impactenergie.
- Bewertung und Dokumentation des Impactschadens durch Messung der Verformung an der Impactstelle und zusätzlich Bestimmung der Schädigung „im“ Laminat unter Verwendung einer geeigneten zerstörungsfreien Prüfmethode, z.B. mittels Ultraschall (C-Scan).
Anmerkung: Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) mittels C-Scan ist nicht Gegenstand des ZwickRoell Portfolios. Hier sei auf andere Anbieter verwiesen. - Bestimmung der statischen Restdruckfestigkeit unter Verwendung einer geeigneten statischen Material-Prüfmaschine und CAI Prüfvorrichtung.
Nach welchen Normen werden CAI Tests durchgeführt?
Übliche für den Compression After Impact Test verwendete Normen sind
- ASTM D7136: Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event
- ASTM D7137: Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates
- ISO 18352: Ermittlung der Compression-After-Impact-Eigenschaften bei spezifischer Aufprallenergie
- AITM1-0010: Airbus Test Method for determination of Compression Strength After Impact
- Boeing BSS 7260, Type II: Untersuchung der Druckfestigkeit von Verbundwerkstoff-Laminaten nach Schlageinwirkung
ASTM D7136 beschreibt dabei den Impactversuch und die danach durchzuführende Bewertung und Dokumentation des Impactschadens. ASTM D7137 beschreibt den statischen Druckversuch zur Bestimmung der Restdruckfestigkeit des geschädigten Laminats.
Alle anderen oben genannten Normen beschreiben alle 3 Phasen der Versuchsdurchführung, wobei die Prozedur zur Bestimmung der inneren Schädigung mittels ZfP nicht detailliert beschrieben wird.
Durchführung des CAI Tests: Vorschädigung der Probe
Im instrumentierten Fallwerk HIT230F oder HIT600F wird der Probekörper unter Verwendung einer in den Normen festgelegten Klemmvorrichtung und Impactenergie vorgeschädigt. Je nach verwendeter Norm können sich die Abmessungen der Einspannvorrichtung sowie die Klemmposition dabei geringfügig unterscheiden.
Zur einfachen Bedienung werden die Proben außerhalb des Fallwerks aufgespannt und dann in die Prüfposition geschoben. Wichtig für den Impactversuch ist die Verwendung eines Fallwerks mit einem Anti-Rebound System, um den ersten Impactschaden nicht durch wiederholten Impact der Probe mit dem Impaktor zu maskieren. Die Verwendung eines instrumentierten Fallwerks ermöglicht außerdem die einfache Bestimmung der Kraft-Kurve, der Impactgeschwindigkeit und der in der Probe absorbierten Impactenergie.
Passende Prüfmaschinen für die Vorschädigung der Prüfplatten
Das instrumentierte Fallwerk HIT230F mit einer einstellbaren Fallhöhe bis 1 Meter, der integrierten Geschwindigkeitsmessung am Aufschlagpunkt, Anti-Rebound Vorrichtung, den für den Impactversuch passenden Impaktor (Durchmesser 16 mm) und den vorhandenen und sehr leicht wechselbaren Gewichten zur Einstellung unterschiedlicher Impactenergien, ist exakt auf die Anforderungen zur Vorschädigung von CAI Probekörpern abgestimmt.
Das instrumentierte Fallwerk HIT600F ist ebenso für die Einbringung der Vorschädigung im CAI Versuch geeignet, kann jedoch durch Einstellung eines höheren Fallwegs sowie einer optional nachrüstbaren Beschleunigungsvorrichtung auch höhere Geschwindigkeiten und Impaktenergien erreichen. Es eignet sich daher auch für die Durchführung von multiaxialen Durchstoßversuchen an Kunststoffproben.
Durchführung des CAI Tests: statischer Druckversuch
Nach erfolgter Vorschädigung der Probe im Impactversuch am Fallwerk sowie der Bewertung des Impactschadens durch Messung der Verformung an der Impactstelle und Bestimmung des Ausmaßes der Schädigung im Inneren des Laminats durch zerstörungsfreie Prüfung, kann der eigentliche statische Druckversuch zur Bestimmung des CAI Restdruckfestigkeit erfolgen.
Hierfür wird der vorgeschädigte Probekörper in eine spezielle CAI Druckvorrichtung installiert. Da sich die Randbedingung der Probenklemmung in den CAI Prüfnormen unterscheiden, kommen zwei unterschiedliche CAI Druckvorrichtungen zum Einsatz.
- Für ASTM D7137 und Boeing BSS 7260 Type II wird der Probekörper an allen vier Seiten geführt, jedoch nicht gespannt
- Für ISO 18352 und Airbus AITM1-0010 wird die Probe oben und unten gespannt und an den Seiten durch einen Linien-Kontakt geführt
CAI-Druckvorrichtung (Compression After Impact)
Die CAI Vorrichtung wird zwischen zwei Druckplatten in die Material-Prüfmaschine positioniert. Im CAI Versuch wir der Probekörper dann unter Druck bis zum Versagen belastet. Der Compression After Impact Test ist gültig wenn der Probekörper im Bereich des zentral eingebrachten Impaktschadens versagt. Versagen an oder nahe der oberen oder unteren Klemmung sind nicht zulässig.
Vorteile:
- Einfaches Wechseln des Probekörpers durch einfaches Handling der CAI Vorrichtung
- Einsatz in einem großen Temperaturbereich von -70 °C bis +300 °C
- Erhöhte Seitensteifigkeit durch Stützstege verhindern ein seitliches Aufbiegen der Vorrichtung, insbesondere bei Verwendung unkonventioneller Laminataufbauten
- Auswechselbare Hartmetalleinlagen an den oberen und unteren Kontaktflächen mit der Probe minimieren den Verschleiß der stark belasteten Krafteinleitungsflächen
CAI Druckversuch nach ASTM D7137
Beim CAI-Druckversuch wird eine vorgeschädigte Composite-Probe in einer speziellen Druckvorrichtung bis 600 kN geprüft. Der Compression After Impact Test wird mit einer Material-Prüfmaschine Z600E im Temperaturbereich von -60 °C bis +350 °C durchgeführt.
Passende Prüfmaschinen für den CAI Druckversuch
Im Compression After Impact Test können durch die Verwendung eines verhältnismäßig großen Probekörpers mit den Abmessungen 100 mm x 150 mm x 5 mm (Breite x Länge x Dicke) leicht Kräfte von über 100 kN entstehen. Dies ist auch abhängig von der Art des geprüften Composite Materials (z.B. CFK oder GFK), des verwendeten Typs der Faserverstärkung (z.B. UD, Gelege oder Gewebe) oder Verwendung anderer Laminataufbauten und Laminatdicken als die in den o.g. Prüfnormen definierten nominellen Laminataufbauten und Laminatdicken.
CAI Druckversuche sollten daher an einer statischen Material-Prüfmaschine mit einer Nennlast von 150 kN bis 250 kN durchgeführt werden. Für den CAI Test mit sehr dicken Laminaten können auch verstärkte CAI Vorrichtungen und statische Material-Prüfmaschinen mit einer höheren Nennlast von bis zu 600 kN eingesetzt werden.
Zur Überprüfung der exakten Ausrichtung des Versuchsaufbaus und zur Überprüfung der Maßhaltigkeit der CAI Druckvorrichtung müssen je nach verwendeter CAI Prüfnorm bei jedem Versuch, bei der Einrichtung des Versuchsaufbaus oder in festgelegten Intervallen, Probekörper mit beidseitig applizierten Dehnmessstreifen (DMS) verwendet werden (insgesamt 4 Stück pro Probe). Die Einbindung der DMS-Signale in die Prüfmaschine kann dabei entweder mit vorkonfektionierten DMS-Boxen oder unter Verwendung eines geeigneten Universalmessverstärkers erfolgen.
Weitere Prüfungen an Composites
Wir suchen und finden für jede Ihrer Anforderung die optimale Prüflösung.
Nehmen Sie direkt Kontakt mit unseren Branchenexperten auf.
Wir beraten Sie gerne!
FAQ
Durch einen Schlagversuch wird eine Vorschädigung der Composite Probe erzeugt. Im anschließenden statischen Druckversuch wird die Restdruckfestigkeit bestimmt. Dadurch kann die Schadenstoleranz eines Faserverbundlaminats gegenüber möglichen Impactschäden bewertet werden.
Compression after Impact (auch CAI-Test) imitiert Schädigungen des Composite-Materials, wie sie zum Beispiel bei Flugzeugen oder Fahrzeugen durch Steinschlag, Vogelschlag oder durch Unfälle auftreten können. Der im Versuch ermittelte Kennwert nennt man Restdruckfestigkeit.
Für den CAI Test werden ein Fallwerk für die Vorschädigung der Probe sowie eine statische Material-Pürfmaschine für den statischen Druckversuch benötigt.