Zugversuche an Kunststoffen bei niedrigen, erhöhten oder hohen Dehnraten
Die Messung von Spannungs-Dehnungskurven im Zugversuch an Kunststoff unter hohen Dehnraten liefert Daten für die Crash-Simulation, zum Beispiel im Fahrzeugbau.
Ziel & Normen Anforderungen an die Prüfung / Prüfmittel Prüfsysteme Kunststoff-Broschüre
Normen und Ziele von Schnellzugversuchen SAE J2749, ISO 18989, ISO 18872, VDA Empfehlung 287
Die Messung von Spannungs-Dehnungskurven unter hohen Dehnraten liefert Designdaten für die Crash-simulation, zum Beispiel im Fahrzeugbau. Eine internationale Norm für variable Dehnungsraten, die statische und Schnell-Zugversuche abdeckt, ist derzeit in Arbeit.
- SAE J 2749 definiert die Prüfung und Anforderungen an die Prüfmittel in allgemeiner Form
- ISO 18989 ist ein Entwurf einer Prüfnorm zur Festlegung eines Verfahrens für Zugversuche mit variablen Dehnungsgeschwindigkeiten im Bereich von statisch bis mehr als 150 s-1. Dieses Projekt basiert auf:
- VDA 287, eine Empfehlung des Verbands der Automobilindustrie (VDA).
- ISO 22183 definiert Gütekriterien für das dynamische Verhalten der Kraftmessung und ermöglicht damit eine einheitliche Bewertung von Messkurven hinsichtlich ihrer Qualität
- ISO 18872 ist ein eher theoretischer Ansatz mit allgemeinen Definitionen und einem Verfahren zur Extrapolation von Ergebnissen zu höheren Dehnraten. Die Norm findet nur wenig Anwendung.
Die Messung des Zugverhaltens unter hohen Dehnraten erfolgt an festgelegten Probekörpern und unter bekannten Konditionierungsbedingungen bei Abzugsgeschwindigkeiten, die von der statischen Prüfung bis etwa 5 m/s reichen. So werden am Probekörper Typ 3 nach ISO 8256 Dehnraten von bis zu 200 1/s erzielt.
Anforderungen an die Prüfung
Für diese Prüfungen kommen üblicherweise hydraulische Schnellzerreißmaschinen, auch Hochgeschwindigkeitsprüfmaschinen genannt, zum Einsatz, bei denen ein Prüfkolben mittels in Akkumulatoren gespeicherter hydraulischer Energie kurzzeitig auf die geforderte Prüfgeschwindigkeit beschleunigt wird. Dieser Maschinentyp ermöglicht Messungen sowohl bei niedrigen, wie auch bei hohen Geschwindigkeiten.
Prüfungen im Geschwindigkeitsbereich über ca. 1,5 m/s können auch auf Fallwerken für Prüfungen an Kunststoffen durchgeführt werden. Hier ist der Versuchsaufbau ähnlich wie im Schlagzugversuch, bei dem der Probekörper einseitig fest eingespannt ist und auf der gegenüber liegenden Seite ein Querjoch angebracht wird, das die Bewegung des Fallkörpers in den Probekörper überträgt. Prüfungen bei geringeren Geschwindigkeiten sind aufgrund der dafür erforderlichen geringen Fallhöhen und sehr großen Fallmassen mit einem Fallwerk nicht sinnvoll durchführbar.
Wesentlich für die Aussagekraft der Prüfung ist der Einsatz eines geeigneten Extensometers bzw. Wegmesssystems, das sowohl die Geschwindigkeit der ziehenden Klemme oder des Querjochs, als auch die Verformung des Probekörpers hochauflösend und mit ausreichender Geschwindigkeit bestimmen kann. Zu diesem Zweck werden üblicherweise schnelle Kamerasysteme mit 2D DIC Auswertung verwendet.
Die Kraftmessung erfolgt über ein steifes und massearmes Messsystem, das neben einer guten Messgenauigkeit und einer mehr als 200 kHz schnellen Messwerterfassung über eine möglichst große mechanische Eigenfrequenz verfügen muss. Die Periodendauer dieser Eigenschwingung muss mindestens um einen Faktor 8 bis 10 geringer sein als die Messdauer bis zum relevanten zu messenden Ereignis der Prüfung.
Theoretisch soll die Bewegung der ziehenden Klemme ohne zeitliche Verzögerung von Null auf die gewünschte Abzugsgeschwindigkeit beschleunigt werden und dann konstant bleiben. Um diesem Ideal möglichst nahe zu kommen, wird zwischen Prüfkolben und Probenhalter ein zusätzliches massearmes Element verwendet, das als Vorlaufgestänge (lost motion bar) bezeichnet wird. Dieses Element, zusammen mit dem angeschlossenen Probenhalter, bestimmt den dynamischen Verlauf des Verformungsvorgangs und ist deshalb von herausragender Bedeutung für die Zuordnung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms zur erforderlichen dritten Achse, der Dehngeschwindigkeit (strain rate).
Die Prüfungen werden meistens im Normalklima nach ISO 291 durchgeführt. Sofern das Schnellzugverhalten von Kunststoffen in einem breiten Temperaturbereich untersucht werden soll, stehen Temperierkammern zur Verfügung, die in den Prüfraum der Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine eingebaut werden.
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