Ein Leitfaden zu Prüftechniken für Verbundwerkstoffe

von Alan Thomas, Marketing, ZwickRoell UK

Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien können fortschrittliche Verbundwerkstoffe Vorteile wie ein verbessertes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine verbesserte Haltbarkeit der Komponenten bieten. Bevor diese Materialien jedoch in den Herstellungsprozess eingeführt werden, müssen sie gründlich getestet und ihre Leistung validiert werden.

Die vollständige Charakterisierung der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen für den Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen erfordert die Durchführung einer Reihe mechanischer Tests. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften sind Zug-, Druck- und Scherversuche erforderlich.

In der Qualifizierung und Materialentwicklung werden andere Tests verwendet, um komplexere Eigenschaften zu bestimmen, wie z. B. Spannung/Druck im offenen Loch, interlaminare Bruchzähigkeit, Kompression nach Aufprall und Ermüdung. Tests müssen über einen Temperaturbereich an Proben durchgeführt werden, die möglicherweise unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie hoher Luftfeuchtigkeit oder Eintauchen in Flüssigkeiten konditioniert wurden.

Das Testen von Verbundwerkstoffen für Luft- und Raumfahrtanwendungen stellt einen der anspruchsvollsten Testbereiche dar. Laboratorien, die Verbundstoffprüfungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen durchführen, stehen vor großen Herausforderungen, darunter: Sicherstellen, dass die Prüfungen in Übereinstimmung mit der breiten Palette von Standards durchgeführt werden; Sie sind in der Lage, die genaue Ausrichtung von Spannzeugen und Vorrichtungen zu demonstrieren und die Fähigkeit, Prüfvorrichtungen effizient zu wechseln, um ein breites Spektrum an Tests abzudecken und die richtige Testumgebung sicherzustellen.

Verbundtestverfahren wurden von verschiedenen Organisationen standardisiert. Die wichtigsten internationalen Prüfnormen für Verbundwerkstoffe sind die von ASTM, ISO und CEN veröffentlichten Normen.

Zusätzlich zu den international anerkannten Standards gibt es allgemein gebräuchliche „interne“ Standards der Hersteller, darunter solche von Airbus und Boeing. In vielen Fällen sind die in verschiedenen Normen beschriebenen Prüfmethoden grundsätzlich gleich, es gibt jedoch einige erhebliche Unterschiede bei den Proben- und Vorrichtungsabmessungen.

Darüber hinaus definieren Prüfstellen wie Nadcap weitere Leistungskriterien, beispielsweise die Ausrichtung der Prüfgeräte.

Die Zugprüfung in der Ebene von einfachen Verbundlaminaten ist wahrscheinlich die gebräuchlichste Prüfung, aber Zugprüfungen werden auch an harzimprägnierten Faserbündeln, durchgehenden Proben und Abschnitten von Sandwich-Kernmaterialien durchgeführt.

Zugproben sind parallelseitig mit verklebten Laschen versehen, um zu verhindern, dass die Spannbacken das Material beschädigen und zu vorzeitigem Versagen führen. Zu den Greifanordnungen gehören manuelle und hydraulische Keilspannzeuge. Für anspruchsvolle Tests in der Luft- und Raumfahrt werden hydraulische Keilspannzeuglösungen aufgrund ihrer Steuerbarkeit und Wiederholbarkeit im Allgemeinen bevorzugt.

Allerdings können gut konstruierte mechanische Keilspannzeuge auch eine gute Ausrichtung ermöglichen. Bei hydraulischen Greifanordnungen für Tests außerhalb der Umgebungstemperatur sind die hydraulischen Komponenten aus Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgründen häufig außerhalb der Temperaturkammer angeordnet.

Bei der Prüfung von Verbundwerkstoffen ist eine genaue Ausrichtung der Spannvorrichtungen und der Probe äußerst wichtig, da die anisotropen Eigenschaften wie Modul und Festigkeit des Materials je nach Richtung der ausgeübten Spannung unterschiedlich sind und häufig spröder Natur sind. Einstellbare Ausrichtungsvorrichtungen stellen sicher, dass die Prüfsysteme die Ausrichtungskriterien erfüllen, die für eine zuverlässige Prüfung von Verbundwerkstoffen erforderlich sind und von bestimmten, von der Luft- und Raumfahrtindustrie anerkannten Prüfprogrammen wie Nadcap gefordert werden.

Ausrichtungsvorrichtungen müssen eine Einstellung sowohl der Konzentrizität als auch der Winkligkeit ermöglichen, während der Maschinenlaststrang unter Last steht. Die weithin akzeptierte Methode zur Überprüfung der Ausrichtung unter Last ist die Verwendung einer mit Dehnungsmessstreifen gemessenen Ausrichtungsprobe. Die Abmessungen der Ausrichtungsprobe sollten den zu prüfenden Proben so nahe wie möglich kommen und die Ausrichtungsprobe wird mit Gruppen von Dehnungsmessstreifen ausgestattet.

Zur Anzeige der Biege-, Konzentrizitäts- und Winkligkeitsfehler steht eine speziell entwickelte Software zur Verfügung. Die Software identifiziert die erforderlichen Anpassungen und zeigt die Auswirkungen der Anpassungen an, was eine schnelle und genaue Einrichtung der Testmaschine ermöglicht.

Bei der Verwendung ausgerichteter Prüfmaschinenhalterungen wird empfohlen, diese dauerhaft an Ort und Stelle zu belassen und bei Bedarf Prüfvorrichtungen einschließlich Druckplatten und Biegevorrichtungen mithilfe spezieller Adapter an den Halterungen zu montieren.

Die Dehnungsmessung für die Zugprüfung von Verbundwerkstoffen wird normalerweise entweder mit einem Dehnungsmesser oder einem geklebten Dehnungsmessstreifen durchgeführt. Im Allgemeinen wird die Verwendung eines Dehnungsmessers bevorzugt, da das Anbringen von Dehnungsmessstreifen mit zusätzlichem Arbeits-, Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist. In beiden Situationen wird empfohlen, einen durchschnittlichen Dehnungswert zu verwenden, der auf Messungen auf beiden Seiten der Testprobe basiert, um Fehler zu korrigieren, die durch eine etwaige Biegung der Probe verursacht werden.

Methoden zur Prüfung der Kompression von Verbundwerkstoffen müssen eine Möglichkeit bieten, eine Druckkraft auf das Material auszuüben und gleichzeitig ein Knicken des Materials zu verhindern. Die meisten Verbundwerkstoffe werden in Form von Laminatplatten hergestellt und daher liegt das zu prüfende Material in Form einer relativ dünnen und flachen rechteckigen Probe vor.

Es gibt verschiedene Methoden zum Einbringen einer Drucklast in einen Prüfkörper, darunter die Endbelastung, bei der die Last auf das Ende des Prüfkörpers eingeleitet wird; Scherbelastung, bei der die Last in die breiten Flächen des Prüfkörpers eingeleitet wird, und kombinierte Belastung, die eine Kombination aus Scher- und Endbelastung umfasst. Zwei Methoden zur Verhinderung eines Knickens eines Probekörpers sind typischerweise die Verwendung eines Probekörpers mit einer kurzen, nicht unterstützten Messlänge und die Verwendung einer seitlichen Stützung entlang der Länge des Probekörpers.

Alle Kompressionsvorrichtungen müssen eine gute axiale Ausrichtung und eine hohe seitliche Steifigkeit aufweisen, um eine genaue Ausrichtung unter den seitlichen Belastungen, die durch einen Kompressionstest erzeugt werden können, zu gewährleisten und aufrechtzuerhalten. Die Biegung hat einen erheblichen Einfluss auf die Testergebnisse und die meisten Drucktestmethoden enthalten einen Wert für die maximal zulässige Biegung der Testprobe.

Bei Verbundlaminaten ist die Schadenstoleranz ein wichtiges Anliegen. Der Drucktest nach dem Aufprall stellt ein Maß für die Schadenstoleranz dar und der Test wird normalerweise an einer rechteckigen Laminatplatte durchgeführt. Der Test besteht aus zwei separaten Teilen; Zunächst wird das Paneel am Umfang festgeklemmt und dann mithilfe einer Fallgewichtsprüfmaschine einem kontrollierten Aufprall in der Mitte des Paneels ausgesetzt.

Das betroffene Paneel wird dann in einer speziellen Vorrichtung positioniert und einer seitlichen Druckbelastung ausgesetzt, bis es versagt. Die Bruchlast gibt einen Hinweis auf die Restfestigkeit des Paneels nach dem Aufprallschaden.

Typischerweise ist die häufigste Testumgebung für Verbundwerkstoffe eine Temperatur, die im Allgemeinen zwischen -80 °C und 250 °C liegt. Häufig werden Prüflinge vor der Prüfung in unterschiedlichen Umgebungen vorkonditioniert. Die Vorkonditionierung erfolgt häufig unter feuchten Bedingungen, es kommt aber auch die Einwirkung von Flüssigkeiten zum Einsatz.

Tests, zu denen auch Zugtests an vorkonditionierten Verbundwerkstoffen gehören, können im Allgemeinen in einer Umgebung mit kontrollierter Temperatur durchgeführt werden. Klimakammern, die für Tests bei niedrigen und hohen Temperaturen konzipiert sind, sind im Allgemeinen mit erzwungener Konvektion zum Heizen und einem Flüssigstickstoff-Injektionssystem zum Kühlen ausgestattet.

Die mechanische Prüfung von Verbundwerkstoffen ist ein komplexes Thema, das eine Reihe von Prüfkonfigurationen, eine große Auswahl international anerkannter Prüfnormen und häufig die Notwendigkeit von Prüfungen in einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungen umfasst. Die Verfügbarkeit gut aufeinander abgestimmter Prüfmaschinen und Greifanordnungen, Dehnungsmesser mit fortschrittlicher Technologie, austauschbarer Prüfvorrichtungen und intuitiver Prüfsoftware erleichtert die von Forschung und Entwicklung geforderten mechanischen Prüfanforderungen sowie die routinemäßige Qualitätssicherung.