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Druckversuche und Kerbdruckversuche (OHC, FHC)

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  • Branchenbrosch├╝re: Composites PDF 7 MB

Ziel der Pr├╝fung

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 h├Ąrtbaren oder aus thermoplastischen Kunststoffen durchgef├╝hrt.

Neben den Pr├╝fungen an ungesch├Ądigten Laminaten kommen Verfahren zur Charakterisierung des Einflusses einer Sch├Ądigung 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 Pr├╝fungen durchf├╝hrt und an die Pr├╝ftechnik selbst. Bei der Krafteinleitung in das Laminat m├╝ssen sowohl Schubspannungsspitzen, als auch Biegedehnungen vermieden werden um die tats├Ąchlichen Eigenschaften des Werkstoffs charakterisieren zu k├Ânnen.

Verschiedene Pr├╝fmethoden wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt, die jeweils bestimmte St├Ąrken aufweisen.

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 Pr├╝faufbau, der als Werkzeug lediglich eine exakt senkrecht positionierte Knickst├╝tze erfordert. 

Der Probek├Ârper wird bei diesem Verfahren zwischen zwei Druckplatten in L├Ąngsrichtung belastet. Eine Ausknickst├╝tze verhindert ein fr├╝hzeitiges Materialversagen durch Biegung.

Die Pr├╝fung besteht aus zwei Teilen:

  • Zur Messung des Druckmoduls wird ein Probek├Ârper ohne Aufleimer verwendet. Die Dehnung wird mit DMS bestimmt.
  • Zur Messung der Druckfestigkeit wird der Probek├Ârper mit Aufleimern verst├Ąrkt um ein fr├╝hzeitiges 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 Versuchsf├╝hrung gut reproduzierbare Druckmodulwerte erzielt, w├Ąhrend die Ermittlung der Druckfestigkeiten oft gr├Â├čeren Streuungen unterliegt.

Messung des Druckmoduls: 

Im Bereich geringer Probendehnungen k├Ânnen reproduzierbare Druckmodulwerte ermittelt werden, w├Ąhrend bei gr├Â├čeren Dehnungen ein Aufsplei├čen des Probek├Ârpers im Bereich der Krafteinleitungsstellen der Pr├╝fmethodik Grenzen setzt.

Durch das Aufbringen von Aufleimern wird der Probek├Ârper im an den stirnseitigen Krafteinleitungsstellen verst├Ąrkt. Der Bruch findet dadurch im Bereich der gew├╝nschten Me├čstrecke statt. Erste Delaminationen sind finden bereits vor dem vollst├Ąndigen Versagen des Pr├╝fk├Ârpers statt und sind im Diagramm sichtbar. Dieses Verfahren erfordert eine sehr exakte Bearbeitung der Stirnfl├Ąchen der Probek├Ârper. 

Druckversuch unter Belastung durch Schubeinleitung (Shear Loading compression)

Bei diesem Verfahren wird die Druckkraft durch Einspannung des Probek├Ârpers, also ├╝ber einen Reibschluss eingeleitet. Bei einem ausreichend langem Probek├Ârper wird im Bereich der Me├čstrecke eine homogene Spannungsverteilung erzielt.

  • Ein Vorteil liegt in der guten axialen F├╝hrung des Probek├Ârpers w├Ąhrend der Pr├╝fung, sowie dem Wegfall der stirnseitigen Krafteinleitung und der damit verbundenen Notwendigkeit der Bearbeitung der Stirnfl├Ąchen. 
  • Das Verfahren wurde bereits in den 1980er Jahren in ASTM D 3410 als Celanese-Pr├╝fvorrichtung mit kegelf├Ârmigen Spannelementen genormt und in verschiedenen Normen weiterentwickelt. 
  • In der Celanese-Vorrichtung f├╝hrten jedoch Schwankungen in den Probendicken zu einer unerw├╝nschten Linienauflage der Spannelemente. DIN 65375 und prEN 2850 bieten modifizierte Celanese-Vorrichtungen an, die mit gef├╝hrten Flachkeilen das Problem der Probendicke l├Âsen.

Vorrichtung mit S├Ąulenf├╝hrung, entwickelt vom IITRI USA

  • Das IITRI in den USA entwickelte eine ├Ąhnlich wirkende Vorrichtung mit S├Ąulenf├╝hrung, die heute in der ASTM die alte Celanese-Druckvorrichtung ersetzt. Diese Vorrichtung arbeitet ÔÇô wie das Vorg├Ąngermodell - mit dem Keilspannprinzip.
  • Die Keilbacken werden au├čerhalb der Druckvorrichtung zun├Ąchst auf dem Probek├Ârper ausgerichtet und dann in die Druckvorrichtung eingesetzt.
  • Der Spanndruck wird w├Ąhrend der Pr├╝fung ├╝ber die wirkende L├Ąngskraft durch Keilwirkung erzeugt. Dadurch kommt es zu Bewegungen der Keile, die zu Biegungen im Probek├Ârper f├╝hren k├Ânnen.
     

Hydraulische Druckvorrichtung HCCF, IMA Dresden

  • IMA Dresden entwickelte und patentierte die hydraulische Druckvorrichtung HCCF.
  • Dieses Druckwerkzeug verf├╝gt ├╝ber eine sehr gute Zug├Ąnglichkeit, vereinfachtes Handling und feststehende Backen die auch w├Ąhrend des Pr├╝fvorgangs exakt zueinander ausgerichtet bleiben.
  • Die parallel wirkenden hydraulischen Probenhalter sind im Gegensatz zu den Keilprinzipien stick-slip frei. Der Einsatz eines Clip-on L├Ąngen├Ąnderungsaufnehmers ist m├Âglich.
     

Druckversuche mit kombinierter Krafteinleitung (Combined Loading Compression)

Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zur Pr├╝fung von Faserverbundwerkstoffen unter h├Âheren Lasten, wie sie bei gr├Â├čeren Probenquerschnitten auftreten. Ein Teil der Druckkraft wird ├╝ber die Probeneinspannung, der Rest an den Probenenden eingeleitet. Die L├Ąnge des Probek├Ârpers wird genau auf die L├Ąnge der Spannbacken abgestimmt und ist gr├Â├čer 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 Pr├╝fwerkzeug das aus vier durch F├╝hrungss├Ąulen miteinander verbundenen Elementen besteht. Die Spannkraft wird ├╝ber 8 Schrauben erzeugt, die mit einem Drehmomentenschl├╝ssel angezogen werden. Die Pr├╝fvorrichtung mit eingebautem Probek├Ârper wird zur Pr├╝fung zwischen zwei Druckplatten in der Pr├╝fmaschine 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 g├╝ltige Bruchbilder erzielt werden, wenn Spannungsspitzen am ├ťbergang zwischen freier Einspannl├Ąnge und den Spannfl├Ąchen durch die konstruktive Auslegung der Spannbacken vermieden werden. In der Airbus-Norm wird dies als ÔÇ×soft load introductionÔÇť beschrieben. 
  • Die von IMA-Dresden entwickelte und patentierte die hydraulische Druckvorrichtung HCCF erf├╝llt die Anforderungen der ASTM D 6641. Die Spannkraftaufbringung erfolgt bei diesem Druckwerkzeug hydraulisch und kann ├╝ber den Druck eingestellt werden.
  • F├╝r Labore, die regelm├Ą├čig Druckversuche durchf├╝hren, steht die sehr gute Zug├Ąnglichkeit von vorn, das vereinfachte Handling und die guten Reinigungsm├Âglichkeiten im Vordergrund.
  • Die Pr├╝fvorrichtung HCCF die erf├╝llt Anforderungen der AITM 1.0008. Sie wurde diesbez├╝glich von Airbus in Bremen ├╝berpr├╝ft und freigegeben.

Kerbdruckversuch (OHC), gebolzte Kerbdruckversuche (FHC)

  • Kerbdruckversuch:
    Dieser Versuch charakterisiert den Einfluss einer Bohrung auf die Druckfestigkeit eines Laminats. Das Ergebnis wird ├╝blicherweise als Kerbfaktor dargestellt, der das Verh├Ąltnis vom gesch├Ądigten zu ungesch├Ądigten Probek├Ârper angibt. Nach Airbus AITM 1.0008 wird dieser Versuch mit den Pr├╝fvorrichtungen des Druckversuchs durchgef├╝hrt. ASTM- und Boeing Normen verwenden einen 300 mm langen Probek├Ârper, der mit Hilfe einer St├╝tzvorrichtung in einen hydraulischen Parallel-Probenhalter einzuspannen ist.
  • Druckversuch an gebolzten Laminaten:
    Bei diesem Versuch wird der gleiche Probek├Ârper wie beim Kerbzugversuch verwendet und das Loch mit einer Schraubverbindung geschlossen.

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Extensometer

Extensometer sind Messger├Ąte, die in der Materialpr├╝fung zum Messen von L├Ąngen bzw. Dehnungen an Materialproben eingesetzt werden. Die Messung der L├Ąngen├Ąnderung ist eine Kernkompetenz von ZwickRoell. Die Produktpalette umfasst Extensometer mit unterschiedlichen Aufl├Âsungen, Messprinzipien und Messwegen wie auch ber├╝hrendes und ber├╝hrungsloses Messen.
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