ISO 178 | 3-Punkt Biegeversuch Kunststoff
Der 3-Punkt Biegeversuch nach ISO 178 wird zur Bestimmung der Biegeeigenschaften von härtbaren und thermoplastischen Kunststoffen verwendet. Die wesentlichen Ergebnisse dieses Versuchs sind das Biegemodul, das aus der Anfangssteigung im Spannungs-Dehnungs Diagramm berechnet wird, die Biegefestigkeit und die Biegedehnung beim Versagen des Probekörpers. Für dehnbare Kunststoffe wird üblicherweise die Biegespannung bei einer definierten Durchbiegung bestimmt.
Der Prüfaufbau im 3-Punkt Biegeversuch nach ISO 178 besteht aus zwei parallelen Auflagern und einer zentrisch angeordneten Biegefinne, zwischen denen ein Standard-Probekörper im Bereich kleiner Biegewinkel verformt wird. Durch eine geeignete Messung der Biegekräfte und der Durchbiegung werden die Randfaserspannung und –dehnung des Probekörpers ermittelt, aus denen die einzelnen Prüfergebnisse als Einpunktkennwerte berechnet werden.
Ein weiteres standardisiertes Verfahren zur Charakterisierung der Biegeeigenschaften von Kunststoffen wird in der Norm ASTM D790 beschrieben.
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Ziel und Kennwerte des 3 Punkt-Biegeversuchs ISO 178
Die 3 Punkt-Biegeversuche, die in ISO 178 und in ASTM D790 beschrieben sind, stellen klassische standardisierte Charakterisierungsmethoden für steife und halbsteife Kunststoffe dar. Die dabei ermittelten Biegeeigenschaften sind für Konstrukteure, Ingenieure und Hersteller von großer Bedeutung, um sicherzustellen, dass der verwendete Kunststoff den Anforderungen der beabsichtigten Anwendung gerecht wird.
Typische Prüfergebnisse sind:
- Biegemodul und Biegefestigkeit: Das Biegemodul ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials und gibt an, wie gut es Biegebelastungen widerstehen kann. Die Biegefestigkeit gibt Aufschluss über die maximale Belastung, die das Material in Biegung aufnehmen kann, bevor es bricht.
- Spannung bei 3,5 % Dehnung
- Spannungen und Dehnungen am Streckpunkt und bei Probenbruch
Durchführung des 3 Punkt Biegeversuch nach ISO 178
- Während des 3 Punkt Biegeversuchs nach ISO 178 wird eine Kunststoffprobe in Form eines Balkens oder einer Platte zwischen zwei Auflagen platziert.
- Anschließend wird eine Kraft senkrecht auf die Oberseite der Probe in der Mitte zwischen den Auflagen ausgeübt.
- Die Kraft und die Verformung der Probe werden gemessen, um das Biegemodul und die Biegefestigkeit zu bestimmen. Die Biegedehnung wird mit dem makroXtens Extensometer gemessen.
Probenform & Abmessungen nach ISO 178
Gemäß ISO 178 werden für die Formmassencharakterisierung die Probekörper für den 3 Punkt Biegeversuch aus dem mittleren Teil des Vielzweck-Probekörpers nach ISO 20753 entnommen. So wird das Polymer im gleichen Verarbeitungszustand wie im Zugversuch geprüft.
L Einspannlänge
l1 Länge des engen parallelen Teils/Innendurchmesser
l3 Gesamtlänge / Außendurchmesser
b2 Probenbreite im Schulterbereich
b1 Probenbreite im Messlängenbereich
h Probendicke
| Norm | Typ | Bemerkung | l3 mm | l1 mm | b2 mm | b1 mm | h mm | L mm | Form |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ISO 20753 | A1 | Vielzweckprobekörper durch Spritzgießen | ≥150 | 80±2 | 20±0,2 | 10±0,2 | 4,0±0,2 | 115±1 | Schulterprobe |
| ISO 178 | - | mittlerer Teil des Vielzweckprobekörpers | - | ≥80 | - | 10±0,2 | 4 (bevorzugt) | - | Stabprobe |
Anforderungen an den 3-Punkt-Biegeversuch
- Die Berechnung der Biegespannungen und -dehnungen erfolgt in der Regel unter der Annahme kleiner Durchbiegungen und unter Vernachlässigung etwaiger Reibung an den Auflagern. Aus diesem Grund wird das Verfahren durch die Normen auf eine Biegedehnung von 3,5 % begrenzt, was einer Durchbiegung von 6 mm beim ISO-Probekörper mit einer Höhe von 4 mm entspricht. Der anzunehmende Berechnungsfehler der Normen liegt in diesem Bereich noch unter 1 % des Messwerts.
- Die Messung der Probendimensionen erfordert beim Biegeversuch ganz besondere Sorgfalt. Da die Probendicke quadratisch in die Berechnung der Biegespannung eingeht, folgt auch der Messfehler einer quadratischen Funktion. Ein Messfehler von nur 0,1 mm bei der Probenhöhe von nominell 4,0 mm erzeugt bereits einen Fehler bei der Biegespannung von rund 5 %.
- Die Messung der Durchbiegung erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen Zielsetzung des Prüflabors. Je nach Zielsetzung und damit Komplexität der Prüfung werden in der ISO 178 verschiedene Arten der Durchbiegungsmessung vorgeschrieben:
| Art der Prüfung | I | II | III | IV |
|---|---|---|---|---|
| Geforderte Zielsetzung der Prüfung | nur Spannung / Festigkeit | Spannung / Festigkeit / Dehnungen größer 1% | Spannung / Festigkeit / Dehnungen / wiederholbarer und präziser Modulwert | Spannung / Festigkeit / Dehnungen / richtiger und präziser und damit genauer Modulwert |
| Art der Durchbiegungs- messung | keine Messung erforderlich | über Traversenweg | über Traversenweg mit Nachgiebigkeitskorrektur | direkte Messung mittels Durchbiegungsmesseinrichtung |
- Im einfachsten Fall (Art I) ist nur eine maximale Kraft oder Spannung zu bestimmen, so dass keine Durchbiegungsmessung erforderlich ist.
- Wenn nur Durchbiegungen zu bestimmen sind, die zu einer Randfaserdehnung größer 1% führen (Art II), also zum Beispiel die 3,5% Biegegrenze, dann ist eine einfache Messung über den Traversenwegaufnehmer der Prüfmaschine ausreichend.
- Die in der Norm definierte Art III beschreibt den Fall einer Qualitätssicherung oder einer F&E Aufgabe mit Biegemodulmessung, die nur dem internen Vergleich oder einer Toleranzüberwachung dient, es also nicht so sehr auf die Richtigkeit, sondern auf eine gute Wiederholbarkeit der Messung ankommt. In diesem Fall kann zur Vereinfachung des Prüfaufbaus mit dem Traversenwegaufnehmer der Prüfmaschine und einer Nachgiebigkeitskorrektur gearbeitet werden.
- Wenn präzise und richtige Prüfergebnisse nach Art IV erzielt werden sollen, die auch einen Vergleich mit anderen Prüflaboren standhalten, dann ist der Einsatz einer direkten Durchbiegungsmessung in der Genauigkeitsklasse 1 nach ISO 9513 zwingend erforderlich.
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3 Punkt Biegevorrichtung für ISO 178
Ein wesentliches Merkmal professionell ausgeführter Biegeeinrichtungen ist neben der Maßhaltigkeit deren exakte Ausrichtbarkeit. Die Auflager müssen zueinander, wie auch gegenüber dem Biegestempel sehr genau ausgerichtet werden. Winkelfehler lassen im Spannungs-Dehnungsdiagramm einen sogenannten „Kurvenfuß“ entstehen, der möglicherweise die Modulbestimmung erheblich verfälscht. Einstellbare Auflager und durchdachte Lehren erleichtern diese Aufgabe erheblich. Probenanschläge an den Auflagern erleichtern die exakte Positionierung der Probekörper.
3-Punkt Biegevorrichtung mit Abstandslehre nach ISO 178:
- Mit der Biegevorrichtung von ZwickRoell können Prüfungen bis zu Maximalkräften von 20kN durchgeführt werden. Die maximale Durchbiegung beträgt dabei 36 mm.
- Mit der Abstandslehre zur Einstellung des Auflagerabstandes und der Probenanschläge kann die Biegevorrichtung für Prüfungen nach ISO 178 und auch ASTM D790 normgerecht eingestellt werden.
- Entsprechend der ISO 178 für den 3 Punkt Biegeversuch beträgt der Auflagerabstand 64 mm bei Auflager- und Stempel-Radien von 5 mm und einer Auflagerbreite von 40 mm.
- Die Auflager können im Abstand zueinander und zum Biegestempel zentriert, sowie in Auflageachse sehr genau ausgerichtet werden.
- Die Probenanschläge der Biegevorrichtung können mit Hilfe der Abstandslehre entsprechend der Probenbreiten 10 mm (ISO 178) und 12,7 mm (ASTM D790) komfortabel eingestellt und positioniert werden.
ISO 178 - ZwickRoell Lösungen zur Durchbiegungsmessung
Die Ergebnisse der 3 Punkt Biegeprüfung nach ISO 178 zeigen insbesondere das Werkstoffverhalten nahe der Oberfläche des Prüfkörpers. Im Vergleich zur Zugprüfung sind die zu messenden Durchbiegungen etwa viermal größer als die Längenänderungen im Zugversuch.
- Bezugnehmend auf die Anforderungen an die Durchbiegungsmessung gemäß Prüfung Art III können ZwickRoell Prüfmaschinen die Verformung des Lastrahmens, des Kraftsensors und des Biegewerkzeugs mit Hilfe der Prüfsoftware testXpert kompensieren. Dies ermöglicht die hinreichend genaue Messung über den Traversenwegaufnehmer der Prüfmaschine. Besonders für QS-Zwecke wird dadurch die Bedienung der Prüfmaschine vereinfacht.
- Wenn eine hohe Vergleichspräzision gefordert ist wie in Prüfung Art IV gemäß ISO 178, dann empfiehlt sich der Einsatz eines Extensometers, das die Durchbiegung lastfrei unter dem Probekörper ermöglicht. ZwickRoell bietet entsprechende Fühlerarme für die Biegeprüfung, die einfach in den automatischen Längenänderungsaufnehmer makroXtens oder multiXtens anstelle der Zugfühler eingesetzt werden.
Lastrahmen für den 3-Punkt Biegeversuch nach ISO 178
Zur Durchführung des 3 Punkt Biegeversuchs nach ISO 178 können unsere Universalprüfmaschinen zwickiLine, ProLine und AllroundLine eingesetzt werden.
Automatisierter 3-Punkt Biegeversuch nach ISO 178
Besonders bei einem großen Probenaufkommen wird das Personal stark gebunden. Ein Prüfsystem für die automatisierte Prüfung von Kunststoffen entlastet qualifiziertes Laborpersonal von Routinetätigkeiten. Daraus resultierend stehen die Mitarbeiter für komplexere Aufgaben wie Interpretation der gewonnenen Daten, Auswertungen, Bewertung neuer Materialien oder Forschungstätigkeiten zur Verfügung.
Speziell für die automatiserte Durchführung von 3-Punkt Biegeversuchen nach ISO 178 können unsere automatisierten Prüfsysteme roboTest N, roboTest L und roboTest R eingesetzt werden.
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