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Schlagprüfungen an Kunststoffen

Schlagprüfungen werden zur Bestimmung des Materialverhaltens bei höheren Verformungsgeschwindigkeiten eingesetzt. Zur Charakterisierung des Verhaltens von Kunststoffen gegenüber Schlagbeanspruchungen kommen Pendelschlagwerke, Fallwerke und Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen zum Einsatz.

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Prüfsysteme zur Durchführung von Schlagprüfungen im Vergleich

Prüfsysteme zur Durchführung von Schlagprüfungen im Vergleich

Instrumentierte Fallwerke
Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen
Klassische Fallwerke
Klassische Pendelschlagwerke
Instrumentierte Pendelschlagwerke
Instrumentierte Fallwerke HIT230F für die Schlagprüfung an Kunststoffen

Instrumentierte Fallwerke

  • Instrumentierte Fallwerke verfügen über einen Kraftsensor, eine Lichtschranke zur exakten Geschwindigkeitsbestimmung und eine schnelle Messwerterfassung.
  • So können komplette Kraft-Weg-Diagramme, zum Beispiel im Durchstoßversuch, aufgezeichnet werden.
  • Aus diesen Diagrammen können sowohl charakteristische Kraftpunkte, wie auch die aufgenommene Schlagenergie berechnet werden. 
Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschine HTM5020

Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen

  • Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen erzeugen mit ihrem hydraulischen Antrieb Prüfgeschwindigkeiten bis zu 20 m/s.
  • Sie sind immer instrumentiert ausgeführt und werden variabel für Schnellzerreißversuche, Durchstoß- und Biegeversuche unter hohen Dehngeschwindigkeiten eingesetzt.
  • Sie decken die Verfahren der Pendelschlagwerke und der instrumentierten Fallwerke ab. Ein großer Vorteil dieses Maschinentyps liegt im großen Energieüberschuss, der - zusammen mit einer speziellen Regelung - nahezu konstante Geschwindigkeiten während des Prüfvorgangs ermöglicht. 

Klassische Fallwerke

  • Klassische Fallwerke arbeiten mit einer linearen Fallbewegung.
  • Eine Masse mit einem Auftreffkörper wird aus einer meist definierten Höhe ausgelöst. 
  • Da nach dem Durchschlagen des Probekörpers keine weitere Messung erfolgt, werden diese einfachen Fallwerke für Gut/Schlecht-Analysen, im Laststeigerungsverfahren (Staircase method) oder im Umfangsverfahren (Around the clock method) eingesetzt.
HIT Pendelschlagwerke zur Bestimmung der Schlagzähigkeit bzw. Kerbschlagzähigkeit

Klassische Pendelschlagwerke

  • Klassische Pendelschlagwerke bestimmen die von einem genormten Prüfkörper bis zum Bruch aufgenommene Schlagarbeit durch Messung der Steighöhe des Pendelhammers nach dem Schlag.
  • Das Ergebnis ist eine Schlagzähigkeit oder Kerbschlagzähigkeit, die flächenbezogen, z. B. in kJ/m², angegeben wird.
  • In der Rohrprüfung werden Pendelschlagwerke auch für einfache Gut/Schlecht-Beurteilungen des Probenbruches eingesetzt, ohne quantitative Darstellung des Prüfergebnisses.
Instrumentiertes Pendelschlagwerk - Schlagzugprüfaufbau am Bock

Instrumentierte Pendelschlagwerke

  • Instrumentierte Pendelschlagwerke sind mit einem Kraftsensor und einer schnellen Messwerterfassung ausgestattet, die bis zu 4 Millionen Kraft- und Zeitwerte pro Sekunde erfasst.
  • So können neben den Energiewerten der Schlagarbeit weitere Daten, zum Beispiel der Kraft- und Durchbiegungsverlauf oder bruchmechanische Kennwerte, erfasst werden.  

Schlagprüfungen mit Pendelschlagwerken

Man unterscheidet 4 genormte Verfahren:

  • Charpy Prüfung (ISO 179-1, ASTM D 6110)
  • Instrumentierte Charpy-Prüfung (ISO 179-2)
  • Izod Prüfung (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508) sowie  "Unnotched cantilever beam impact" (ASTM D 4812)
  • Schlagzugversuche (ISO 8256 und ASTM D 1822)
  • Dynstat Schlagbiegeversuch (DIN 53435)

Unterschiede ISO und ASTM bei der Schlagprüfung:

Jeder Pendelhammer darf nach ISO in einem Bereich von 10 % bis 80 % seines nominellen Arbeitsvermögens eingesetzt werden. In der ASTM ist die Ausnutzung bis 85 % erlaubt.

Ein grundsätzlicher Unterschied zwischen ISO und ASTM besteht in der Auswahl der Pendelgröße. Nach ISO muss der jeweils größtmögliche Pendelhammer eingesetzt werden, wobei die Überdeckungen zwischen den Pendelstufen oft sehr gering sind. Diese Forderung beruht auf der Überlegung, dass der Geschwindigkeitsabfall beim Durchschlagen der Probe möglichst gering gehalten werden soll. In der ASTM hat der Standard-Pendelhammer ein Nennarbeitsvermögen von 2.7 Joule und alle weiteren Größen ergeben sich durch Verdoppelung. Hier soll der jeweils kleinste Pendelhammer im Bereich zur Prüfung gewählt werden.

Prüfverfahren mit Pendelschlagwerken im Vergleich

Schlagbiegeversuch nach Charpy (ISO 179-1, ASTM D 6110)

Im Rahmen der Norm für Einpunktkennwerte ISO 10350-1 ist Charpy nach ISO 179-1 die bevorzugte Prüfmethode. Dabei wird die Prüfung vorzugsweise an ungekerbten Probekörper im schmalseitigen Schlag (1eU) geprüft. Sofern der Probekörper in dieser Konfiguration nicht bricht, wird die Prüfung mit gekerbten Probekörpern durchgeführt. Die Prüfergebnisse sind dabei nicht direkt vergleichbar. Falls mit gekerbten Probekörpern immer noch kein Probenbruch zu erreichen ist, wird die Schlagzugmethode angewandt.

Vorteile der Charpy Schlagprüfung:

  • Die Charpy-Prüfung hat gegenüber Izod einen breiteren Anwendungsbereich und ist besser geeignet für Prüfungen von Werkstoffen, die interlaminare Scherbrüche oder Oberflächeneffekte aufweisen.
  • Weiterhin bietet die Charpy-Methode Vorteile in der Versuchsführung für die Prüfung bei niedrigen Temperaturen. Da die Probenauflager weiter von der Kerbe entfernt sind, wird eine schnelle Wärmeübertragung auf die kritischen Bereiche des Probekörpers vermieden.

Instrumentierter Charpy Schlagbiegeversuch (ISO 179-2)

Durch Aufzeichnung des Kraft-Zeit-Verlaufs kann durch doppelte Integration bei qualitativ hochwertiger Messtechnik ein Kraft-Weg-Diagramm mit hervorragender Genauigkeit erzielt werden. Die so gewonnenen Daten sind in unterschiedlicher Weise nutzbar:

  • Zusätzliche Kennwerte, die ein besseres Verständnis des Materialverhaltens ermöglichen
  • Bruchmechanische Kennwerte
  • Automatische, bedienerunabhängige Bestimmung der Bruchart anhand des Kurvenverlaufs im Kraft-Weg-Diagramm

Die Messwertkurven zeigen immer charakteristische Schwingungen. Dabei handelt es sich um Schwingungen des Probekörpers, deren Frequenz in einem definierten funktionellen Zusammenhang mit der Probengeometrie, den Abmessungen sowie dem Modulwert des Polymers steht.

Ein weiterer großer Vorteil der Instrumentierung ist der große Messbereich. Anders als bei den konventionellen Pendelschlagwerken werden keine Energien, sondern Kräfte gemessen. Da die Messelektronik exakte Messungen schon ab 1/100 der Nennkraft erlaubt, wird das untere Ende der messbaren Schlagenergie in der Regel durch die Versuchsdauer und durch die Eigenfrequenz der Messelemente bestimmt. Aus diesem Grund ist es möglich, den gesamten in der ISO 179-2 beschriebenen Messbereich mit zwei instrumentierten Pendelhammern abzudecken: Ein instrumentiertes 5 J Pendel für Auftreffgeschwindigkeiten von 2,9 m/s und ein 50 J Pendel für die Auftreffgeschwindigkeit 3,5 m/s. In Anlehnung an dieses Verfahren werden auch Prüfungen nach dem Izod-Verfahren und Schlagzugprüfungen instrumentiert.

Schlagbiegeversuch nach Izod (ISO 180, ASTM D256, ASTM D4508, ASTM D4812)

  • Im Rahmen der ASTM Normen ist es üblich, nach dem Izod-Prüfverfahren zu arbeiten, das in ASTM D256 festgelegt ist. Dabei wird immer mit gekerbten Probekörpern geprüft.
  • Eine seltener angewandte Methode ist die in ASTM D4812 beschriebene "Unnotched cantilever beam impact", die dem Izod-Verfahren ähnlich ist, aber mit ungekerbten Probekörpern durchgeführt wird.
  • Sofern nur kleine Probekörper hergestellt werden können, kann die "Chip-impact" Methode nach ASTM D4508 verwendet werden, die ein Pendant zum Dynstat-Schlagbiegeversuch darstellt.

Dynstat Schlagbiegeversuch (DIN 53435)

  • Einige deutsche Automobilhersteller wenden zur Prüfung von kleinen Probekörpern das Dynstat Schlagbiegeverfahren an. Der Vorteil des Verfahrens liegt in der Verwendung sehr kleiner Probekörper, die auch aus relativ kleinen Bauteilen entnommen werden können.
  • Dieses Verfahren ist ausschließlich in der DIN beschrieben.

Durchstoßversuch an Prüfplatten

In der Formmassencharakterisierung ist der Durchstoßversuch von besonderem Interesse. Die Versuchsart stellt einen mehrachsigen Spannungszustand an einer dünnen Platte dar, der mit hoher Dehnrate eingebracht wird. Das Ergebnis: En Kraft-Zeit- oder ein Kraft-Weg-Diagramm, sowie Einpunktkennwerte, die neben der maximalen  Kraft auch die Durchbiegung an charakteristischen Punkten des Diagramms beschreiben.

Genormt ist der Durchstoßversuch an Platten in ISO 6603-2 sowie in ASTM D 3763. Eine Variante der Norm für die Prüfung von Folien ist die ISO 7765-2.

Die Prüfungen werden mit einer Fallhöhe von 1 m durchgeführt, was einer Auftreffgeschwindigkeit von 4,43 m/s entspricht. Die potentielle Energie des Fallkörpers muss mindestens 2,73 mal größer als die vom Probekörper aufgenommene Durchstoßarbeit sein. So wird die Normforderung nach Begrenzung des Geschwindigkeitsabfalls um maximal 20 % der Auftreffgeschwindigkeit eingehalten.

Besonders bei zähen Polymeren wie Polycarbonat, entsteht an der Spitze des Durchstoßkörpers Reibung, die zu einer deutlichen Verfälschung des Prüfergebnisses führen würde. Aus diesem Grund legen die Normen fest, dass der Durchstoßkörper leicht geschmiert werden muss.

Zur Prüfung bei niedrigen Temperaturen müssen die Prüfplatten hinreichend lange an der Prüftemperatur konditioniert werden. Dazu können je nach Prüftemperatur handelsübliche Kühlboxen verwendet werden, die nahe am Prüfgerät stehen sollten. Zur Prüfung werden die Probekörper aus der Box entnommen, ins Fallwerk eingelegt und innerhalb weniger Sekunden geprüft.

Die Fallwerke der Baureihe HIT 230F sind so konstruiert, dass der Probentisch frei zugänglich ist. Bei Betätigung der Zweihand-Auslösung schließt sich die Klemmung und verdeckt alle beweglichen Massen. So entsteht kein Risiko für den Bediener und die Prüfung kann sekundenschnell durchgeführt werden. Gegenüber Geräteausführungen mit eingebauten Temperierkammern zeichnet sich die Bauweise des HIT 230F durch ihren hohen Probendurchsatz im Durchstoßversuch und einfachste Bedienung aus.

Schlagprüfungen mit Hochgeschwindigkeits-prüfmaschinen

Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen HTM sind in der Kunststoffprüfung sehr universell einsetzbar, da sie sowohl einen sehr großen Prüfgeschwindigkeits- und Kraftbereich abdecken als auch sehr flexibel im Zug- und Druckbereich eingesetzt werden. Der Einbau vonTemperierkammern erlaubt Prüfungen in einem breiten Temperaturbereich.

Prüfverfahren mit Hochgeschwindigkeitsprüfmaschinen im Vergleich:

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