Composite Prüfung

Im Composite Zugversuch werden die elastischen Kennwerte Zugmodul und Poissonzahl sowie die Zugfestfestigkeit in den Hauptmaterialrichtungen faserverstärkter Kunststoffe ermittelt.

• Die gängigsten Prüfverfahren für Zugversuche an Composites sind ISO 527-4 & ISO 527-5, ASTM D3039 sowie EN 2561 und EN 2597.
• Die Airbus Werksnorm AITM1-0007 beinhaltet die Prüfbedingungen für sowohl Zugversuche an ungekerbten multidirektionalen Laminaten sowie für Kerbzugversuche zur Bestimmung der Open Hole Tension (OHT) und Filled Hole Tension (FHT) Zugfestigkeit. Open Hole und Filled Hole Zugversuche werden vor allem für Luftfahrtanwendungen zur Bestimmung von Abminderungsfaktoren für multidirektionale Laminate unter Zugbelastung mit offenem oder geschlossenem Loch durchgeführt. Weitere genormte Prüfverfahren zur Bestimmung der Open Hole und Filled Hole Zugfestigkeit sind ASTM D5766 und ASTM D6742.

Im Composite Druckversuch wird der Druckmodul und die Druckfestigkeit in den Hauptmaterialrichtungen faserverstärkter Kunststoffe ermittelt. Da die Druckfestigkeit in der Faserrichtung des Laminats oft niedriger ist als die Zugfestigkeit, und die Versagensmoden eines FVK Laminats unter Zug- und Druckbelastung sehr unterschiedlich sind, spielt der Druckversuch für die Prüfung von Composites eine wichtige Rolle.

Es stehen eine Vielzahl von Prüfmethoden und Prüfnormen für Druckversuche an Composites zur Verfügung, wobei zwischen drei Prinzipien der Lasteinleitung unterschieden wird:

• Druckversuch mit stirnseitiger Krafteinleitung nach ASTM D695, DIN EN 2850 Type B und Boeing BSS 7260 Type III und IV
• Druckversuch mit Krafteinleitung über Schub (Shear Loading) nach ASTM D3410, ISO 14126 Verfahren 1, DIN EN 2850 Type A und Airbus AITM1-0008 Probentyp A
• Druckversuch mit kombinierter Krafteinleitung (Combined Loading) nach ASTM D6641, ISO 14126 Verfahren 2, und Airbus AITM1-0008 Probentyp A

Neben den oben genannten Prüfverfahren zur Ermittlung der Druckkennwerte von ungekerbten Laminaten gibt es genormte Composite Kerbdruckversuche zur Bestimmung der Open Hole Compression (OHC) nach ASTM D6484 und Filled Hole Compression (FHC) nach ASTM D6742.
Zusammen mit den Druckkennwerten des ungekerbten Laminats, können dann entsprechende Abminderungsfaktoren für multidirektionale Laminate unter Druckbelastung ermittelt werden. Kerbdruckversuche sind auch in den Industrie-Normen Airbus AITM1-0008 Probentype B, D und C sowie in Boeing BSS 7260 Type I beschrieben.

Im Composite Schubversuch werden die In-Plane Schubkennwerte faserverstärkter Kunststoffe wie Schubmodul und Schubfestigkeit ermittelt. Bei FVK Werkstoffen mit unterschiedlichen Kennwerten in den Hauptmaterialrichtungen muss der Schubmodul stets mit eigenen Schubversuchen ermittelt und kann nicht, wie z.B. bei isotropen Werkstoffen, aus anderen elastischen Kennwerten berechnet werden.

Zur Bestimmung der Schubkennwerte und des Schubverhaltens haben sich 3 verschiedene Prüfverfahren etabliert:

• Zugversuch mit ±45° Laminat nach ISO 14129, ASTM D3518 und Airbus AITM1-0002
• V-Notched Beam (Iosipescu) Schubversuch nach ASTM D5379
• V-Notched Rail Schubversuch nach ASTM D7078

Für den Zugversuch mit ±45° Laminat (In plane shear test) kann der gleiche Prüfaufbau wie für Zugversuche verwendet werden. Die Erfassung der Querdehnung, zusätzlich zur Längsdehnung, ist für die Berechnung der Schubdehnung jedoch zwingend erforderlich.

Für den Iosipesu und den V-Notched Rail Schubversuch werden gekerbte Probekörper und entsprechende Prüfvorrichtungen benötigt. Auch hier ist die biaxiale Dehnungsmessung erforderlich. Oft werden biaxiale Dehnmessstreifen (DMS) verwendet. Alternativ kann die Dehnung mittels Digital Image Correlation (DIC) gemessen werden.
Mit den V-Kerb Schubversuchen können auch Out-of-Plane Schubkennwerte ermittelt werden, wenn entsprechend dicke Laminate zur Verfügung stehen.

Durch den vergleichsweise einfachen Versuchsaufbau, Probekörpergeometrie und -fertigung sowie Versuchsdurchführung werden Composite Biegeversuche häufig in der Qualitätssicherung oder für schnelle Materialvergleiche verwendet. Es wird dabei zwischen 3- und 4-Punkt Biegeversuchen unterschieden. Gängige genormte Prüfverfahren für Biegeversuche von faserverstärkten Kunststoffen sind:

• 3- und 4-Punkt Biegeversuch nach ISO 14125 und ASTM D7264
• 3-Punkt Biegeversuch nach EN 2562, EN 2746 und ASTM D790
• 4-Punkt Biegeversuch nach ASTM D6272

Bei ausreichender Steifigkeit des gesamten Prüfaufbaus, oder wenn die Nachgiebigkeit im Prüfaufbau in der Prüfsoftware ermittelt und korrigiert werden kann, ist im 3-Punkt Biegeversuch die Verwendung des Maschinenwegs der Prüfmaschine oft zulässig.
Für den 4-Punkt Biegeversuch ist hingegen die Messung der Durchbiegung in der Probenmitte mit einem geeigneten Wegmesssystem erforderlich.

Der Versuch zur Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit (Interlaminar Shear Strength – ILSS Test) ist einer der am häufigsten durchgeführten statischen Versuche für faserverstärkte Kunststoffe und wird häufig in der Qualitätssicherung eingesetzt. Es wird nur ein recht kleiner Probekörper benötigt, die Versuchsdurchführung ist schnell und einfach und für die Auswertung ist nur die im Versuch ermittelte Maximalkraft relevant.

Etablierte Prüfnormen für den ILSS Test sind ISO 14130, EN 2377, EN 2563 und ASTM D2344.

Alle 4 Normen beschreiben einen rechteckigen Probekörper, verwenden aber teils unterschiedliche Abmessungen für Länge, Breite und Dicke der Probe. In ASTM D2344 wird zusätzlich ein gekrümmter Probekörper beschrieben, wie er z.B. aus einem Druckbehälter oder einer Rohrwandung entnommen werden kann. 

Die für den ILSS Test verwendete Prüfvorrichtung muss in der Lage sein die in den  Prüfnormen geforderten sehr kleinen Toleranzvorgaben im Versuchsaufbau einzuhalten.

Die kritische Energiefreisetzungsrate und Energiefreisetzungsrate bei stetigem Risswachstum wird mit Hilfe von bruchmechanischen Prüfmethoden ermittelt, um das Delaminationsverhalten von Composite Laminaten zu verstehen. Für die Herstellung der Probekörper wird ein Laminat benötigt, bei dem durch eine sehr dünne und nicht haftende Kunststofffolie (oft werden Teflonfolien verwendet) ein künstlicher Anriss in der Mittelebene des Laminats erzeugt wird.

Es werden vor allem Prüfverfahren mit Risswachstum durch Zugbelastung normal zur Rissfläche (Mode I) und Prüfverfahren mit Risswachstum durch Schubbelastung im Laminatquerschnitt (Mode II) durchgeführt. Zur Kalibrierung von numerischen Methoden für die Berechnung der Rissausbreitung in einem Laminat gibt es zusätzlich ein Prüfverfahren für Mixed Mode I+II Belastung:

• Mode I als Double Cantilever Beam (DCB) Test nach ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM1-0005 und Boeing BSS 7273
• Mode II als End-Notched Flexure (ENF) Test nach ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM1-0006 und Boeing BSS 7273
• Mode II als Calibrated End-Loaded Split (C-ELS) Test nach ISO 15114
• Mixed Mode I+II als Mixed-Mode Bending (MMB) Test nach ASTM D6671

Der Compression After Impact (CAI) Test ist ein Prüfverfahren um die Restdruckfestigkeit eines Laminats nach einer Impaktschädigung zu bestimmen. Dabei wird der zu prüfende Probekörper mit in der jeweiligen Prüfnorm festgelegten Impactenergien vorgeschädigt. Dieses Verfahren ermöglicht es, Rückschlüsse über die Schadenstoleranz eines Composite Laminats zu ziehen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauteilen vor allem in potentiell Impactbelasteten Composite Strukturen in der Luftfahrt zu gewährleisten.

Für den CAI Test haben sich folgende genormte Prüfverfahren etabliert: ASTM D7136 und ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM1-0010 und Boeing BSS 7260 type II.

Zusätzlich zu den mechanischen Kennwerten von faserverstärkten Kunststoff-Laminaten selbst, werden für die Auslegung und Design von Composite Strukturen auch Versuche zur Bestimmung der Festigkeit von Verbindungen benötigt.

Die hierfür verwendeten genormten Prüfverfahren lassen sich grob in drei Bereiche unterteilen:

• Festigkeit von Klebverbindungen (Lap Shear Test) nach ASTM D5868, EN 6060 und Airbus AITM1-0019
• Festigkeit von geschraubten oder gebolzten Verbindungen und Lochleibungsversuche mit Belastung in der Laminatebene nach ASTM D5961, ASTM D7248, EN 6037, ISO 12815, Airbus AITM1-0009, AITM1-0065 und AITM1-0067
• Bolzen- und Niet-Auszugsversuche (Pull-through) mit Belastung normal zur Laminatebene nach ASTM D7332 und Airbus AITM1-0066

Zur Bestimmung des Ermüdungsverhaltens von Composite Laminaten und zur Ableitung von Wöhlerkurven werden vor allem dynamisch zyklische Prüfungen unter Zugschwellbelastung durchgeführt. Hierfür genormte dynamische Prüfungen an Composites sind ASTM D3479 und ISO 13003. ISO 13003 beschreibt zusätzlich den Composite Fatigue Versuch unter dynamisch zyklischer Biegebelastung.

Weitere genormte dynamische Composite Prüfverfahren sind:

• Open Hole Tension und Open Hole Compression Fatigue nach ASTM D7615
• Interlaminares Risswachstum unter Mode I Fatigue Belastung nach ASTM D6115
• Fatigue von geschraubten Verbindungen und dynamische Lochleibungsversuche nach ASTM D6873 und Airbus AITM1-0074
• Airbus AITM1-0075 enthält zusammenfassende Angaben zur Durchführung von ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, Pull-Through, CAI und Lap-Shear Fatigue Versuchen.