Druckversuche und Kerbdruckversuche  (OHC, FHC) 

Kerbdruckversuch

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Ziel der Prüfung

Druckversuche dienen zur Charakterisierung verschiedener Druckeigenschaften, wie Druckmodul und Druckfestigkeit. Sie werden an Verbundwerkstoffen mit unidirektionellem Faseraufbau, in 0° Richtung oder in 90° Richtung, multidirektionellen Laminaten, Gelegen, oder Geweben und Matrixwerkstoffen aus härtbaren oder aus thermoplastischen Kunststoffen durchgeführt.

Neben den Prüfungen an ungeschädigten Laminaten kommen Verfahren zur Charakterisierung des Einflusses einer Schädigung in Form eines Lochs zum Einsatz. Kerbdruckversuche als Open Hole Compression (OHC), sowie als Filled Hole Compression (FHC) mit eingesetzter Schraube oder Bolzen bilden den Zustand einer geschraubten oder genieteten Verbindung in einer Faserverbundstruktur ab.

Die Druckversuche stellen sehr hohe Anforderungen an die Probenvorbereitung, an das Laborpersonal das die Prüfungen durchführt und an die Prüftechnik selbst. Bei der Krafteinleitung in das Laminat müssen sowohl Schubspannungsspitzen, als auch Biegedehnungen vermieden werden um die tatsächlichen Eigenschaften des Werkstoffs charakterisieren zu können.

Verschiedene Prüfmethoden wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt, die jeweils bestimmte Stärken aufweisen.

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Druckversuch mit stirnseitiger Krafteinleitung (End loading compression)

Dieses Verfahren basiert auf der ASTM D 695 und wurde in verschiedenen Normen weiterentwickelt.

Ein Vorteil ist der relativ einfache Prüfaufbau, der als Werkzeug lediglich eine exakt senkrecht positionierte Knickstütze erfordert. 

Der Probekörper wird bei diesem Verfahren zwischen zwei Druckplatten in Längsrichtung belastet. Eine Ausknickstütze verhindert ein frühzeitiges Materialversagen durch Biegung.

Die Prüfung besteht aus zwei Teilen:

  • Zur Messung des Druckmoduls wird ein Probekörper ohne Aufleimer verwendet. Die Dehnung wird mit DMS bestimmt.
  • Zur Messung der Druckfestigkeit wird der Probekörper mit Aufleimern verstärkt um ein frühzeitiges Versagen an den Krafteinleitungsstellen zu vermeiden.

Das Verfahren ist heute in der ISO, der ASTM, der EN, der DIN und in weiteren Normenreihen beschrieben. In der Regel werden bei korrekter Versuchsführung gut reproduzierbare Druckmodulwerte erzielt, während die Ermittlung der Druckfestigkeiten oft größeren Streuungen unterliegt.
Druckversuch mit stirnseitiger Krafteinleitung (End loading compression)
Druckversuch mit stirnseitiger Krafteinleitung (End loading compression)

Messung des Druckmoduls: Im Bereich geringer Probendehnungen können reproduzierbare Druckmodulwerte ermittelt werden, während bei größeren Dehnungen ein Aufspleißen des Probekörpers im Bereich der Krafteinleitungsstellen der Prüfmethodik Grenzen setzt.

Durch das Aufbringen von Aufleimern wird der Probekörper im an den stirnseitigen Krafteinleitungsstellen verstärkt. Der Bruch findet dadurch im Bereich der gewünschten Meßstrecke statt. Erste Delaminationen sind finden bereits vor dem vollständigen Versagen des Prüfkörpers statt und sind im Diagramm sichtbar. Dieses Verfahren erfordert eine sehr exakte Bearbeitung der Stirnflächen der Probekörper. 

Druckversuche mit kombinierter Krafteinleitung (Combined Loading Compression)

Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen unter höheren Lasten, wie sie bei größeren Probenquerschnitten auftreten. Ein Teil der Druckkraft wird über die Probeneinspannung, der Rest an den Probenenden eingeleitet. Die Länge des Probekörpers wird genau auf die Länge der Spannbacken abgestimmt und ist größer als bei einfachen End-loading Druckversuchen. An die Bearbeitung der stirnseitigen Probenenden bestehen wie im End-Loading Verfahren sehr hohe Anforderungen.

  • Die ASTM D 6641 und das Verfahren 2 nach ISO 14126 beschreiben ein mechanisches Prüfwerkzeug das aus vier durch Führungssäulen miteinander verbundenen Elementen besteht. Die Spannkraft wird über 8 Schrauben erzeugt, die mit einem Drehmomentenschlüssel angezogen werden. Die Prüfvorrichtung mit eingebautem Probekörper wird zur Prüfung zwischen zwei Druckplatten in der Prüfmaschine eingesetzt.
  • Eine Weiterentwicklung des Verfahrens wurde in der Airbus-Norm AITM 1.0008 Ausgabe 2010 vorgelegt, die sowohl Shear-loading als auch Combined-Loading beschreibt. Die Spann-kraftaufbringung ist als hydraulisches Parallelspannprinzip beschrieben. Studien zeigten, dass mehr gültige Bruchbilder erzielt werden, wenn Spannungsspitzen am Übergang zwischen freier Einspannlänge und den Spannflächen durch die konstruktive Auslegung der Spannbacken vermieden werden. In der Airbus-Norm wird dies als „soft load introduction“ beschrieben. 
  • Die von IMA-Dresden entwickelte und patentierte die hydraulische Druckvorrichtung HCCF erfüllt die Anforderungen der ASTM D 6641. Die Spannkraftaufbringung erfolgt bei diesem Druckwerkzeug hydraulisch und kann über den Druck eingestellt werden.
  • Für Labore, die regelmäßig Druckversuche durchführen, steht die sehr gute Zugänglichkeit von vorn, das vereinfachte Handling und die guten Reinigungsmöglichkeiten im Vordergrund.
  • Die Prüfvorrichtung HCCF die erfüllt Anforderungen der AITM 1.0008. Sie wurde diesbezüglich von Airbus in Bremen überprüft und freigegeben.
Vorrichtung HCCF für Druckversuche mit kombinierter Krafteinleitung (Combined Loading Compression)

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