ASTM E345 & DIN 50154 – Zugversuch an metallischen Folien

Ursprünglich wurde die DIN 50154 für Aluminiumfolien in der Verpackungsindustrie entwickelt. Dieser Bereich stellt bis heute einen wichtigen Haupteinsatz dar, da es bei Verpackungsfolien auf gleichbleibende Qualität, hohe Duktilität und mechanische Stabilität ankommt.
Heute wird die Norm in Kombination mit der ASTM E345 jedoch in deutlich erweiterten Anwendungsfeldern genutzt – für alle technischen metallischen Folien, von Aluminium über Kupfer, Titan bis hin zu Lithium-Metall. Damit ist der Zugversuch nach diesen Standards nicht nur für klassische Anwendungen interessant, sondern hat sich in den Schlüsseltechnologien für Elektromobilität und Wasserstoff etabliert:

• Verpackungsindustrie: Aluminiumfolien für Lebensmittel- und Pharmaverpackungen
• Batterieforschung und -produktion: In Lithium-Ionen-Batterien werden extrem dünne metallische Folien eingesetzt -Kupferfolien anodenseitig (ca. 4,5–12 µm) und Aluminiumfolien kathodenseitig (ca. 8–20 µm). Diese dienen als Stromableiter und Trägermaterial für aktive Schichten in Lithium-Ionen-Batterien. Der Zugversuch stellt sicher, dass die Materialien den Belastungen im Produktionsprozess und über die Lebensdauer der Batterie standhalten. Auch beschichtete Elektroden lassen sich normgerecht prüfen.
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• Wasserstoff- und Green-Energy-Technologie: Titanfolien in Bipolarplatten für Brennstoffzellen – hier entscheidet die Zugfestigkeit über Lebensdauer und Sicherheit der Komponenten.
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• Automotive-Testing: Prüfung von Lamellen in Autokühlern, wo dünne Folien und Bänder zuverlässig mechanische Belastungen aushalten müssen.

Auf europäischer Ebene wird aktuell an einer Weiterentwicklung der Normung (CEN, EN) gearbeitet, um die Prüfmethoden künftig noch besser an neue Materialien und Anwendungen anzupassen. Durch die aktive Mitarbeit bei der Weiterentwicklung von Normen, speziell für Batteriematerialien und in der Brennstoffzellen-Prüfung, wird sichergestellt, dass die ZwickRoell Prüflösungen auch zukünftig allen Anforderungen entsprechen.

Die dünnen metallischen Folien sind empfindlich und stellen erhöhte Anforderungen an das Prüfequipment. Das beginnt bei der Herstellung der Proben, über die Einspannung bis zur Prüfung der Proben:

• Prüfmaschine: Aufgrund der geringen Prüfkräfte, die beim Prüfen von Folien auftreten ist die einsäulige Universalprüfmaschine zwickiLine mit Prüfkräften bis 1kN bestens geeignet. Aufgrund der hochgenauen Kalibrierung unserer Kraftaufnehmer können auch ggf. vorhandene Prüfmaschinen höherer Lastrahmenkapazitäten bei voller Normkonformität nach ISO 7500-1 bzw. ASTM E4 (Klasse 1 oder besser) eingesetzt werden.
• Probenvorbereitung: Dünne metallische Folien sind extrem empfindlich gegenüber Knicken, Kerben und Dellen. Für eine saubere und kerbfreie Probenherstellung empfiehlt ZwickRoell unter anderem den Einsatz des Folienstreifenschneiders, der eine optimale und reproduzierbare Schnittqualität und Probendimensionen mit nur einem Schnitt sicherstellt.
• Handhabung & Einlegen der Probe: Um Bedienereinfluss und Schädigung der Probe zu minimieren und eine vertikale Ausrichtung sicherzustellen, kann insbesondere bei Proben unter 0,1 mm Dicke das Easy Insertion Tool den Anwender beim präzisen und spannungsfreien Einlegen der Probe unterstützen. Eine Ausrichtplatte sorgt für die korrekte Positionierung, bevor die Probe über eine Führung in den Halter eingeschoben wird.
• Probenklemmung und Kraftübertragung: Eine sichere Klemmung ohne Beschädigung und Rutschen der empfindlichen Folien gelingt bspw. mit pneumatischen Probenhaltern und gummierten Backeneinsätzen, die einen konstanten Schließdruck gewährleisten. Weiterhin sorgen wir mit einer großen Auswahl an Einsätzen und Probenhaltern für die perfekte Einrichtung der Maschine für jede Anwendung.
  Die automatische Kraft-Null-Regelung über die Software testXpert schützt die Probe zusätzlich vor ungewollter Vorbelastung beim Einspannen. Rutschen oder plastische Verformung der Probe in den Spannbacken würden dazu führen, dass falsche Werte der Bruchdehnung gemessen werden.
• Dehnungsmessung: Falls über die Zugfestigkeit R_m und die Bruchdehnung A₅₀ bzw. A₁₀₀ hinaus auch die Dehngrenze R_p0,2 bestimmt werden soll, ist die Dehnungsmessung mittels Extensometer erforderlich. Für hochpräzise Ergebnisse sowie für die anspruchsvolle E-Modulmessung empfiehlt sich das Video-Extensometer videoXtens biax, das berührungslos arbeitet und ganz ohne Probenmarkierung auskommt. Neben der Zeitersparnis durch den Wegfall der Probenmarkierung bieten berührungslose Extensometer hier ggü. den Ansetzaufnehmern/Fühleraufnehmern deutliche Vorteile, da hier mögliche Schädigungen der dünnen Proben durch die Schneiden sowie der Einfluss der Mitnahmekraft der Schneiden auf die Prüfergebnisse ausgeschlossen sind.
• Versuchsdurchführung: Die Normen ASTM E345 und DIN 50154 wurden aus der Normung für Zugversuche an Metall nach ASTM E8 und ISO 6892-1 abgeleitet und an die Prüfung dünner Folien angepasst, so dass in Bezug auf Versuchsdurchführung, Prüfparameter und Kennwerte in weiten Teilen auf diese Normen verwiesen wird.
• Datenerfassung und Auswertung:  Die Prüfsoftware testXpert führt den Anwender normkonform durch den gesamten Prüfablauf. Standardprüfvorschriften beinhalten bereits die relevanten Normvorgaben der ASTM E345 und DIN 50154. Zusätzlich erlaubt die Integration des videoXtens Extensometers eine 2D-DIC Analyse: Virtuelle Messlängen können gesetzt, Ausrichtungsqualität überprüft und Inhomogenitäten quantifiziert werden – ohne zusätzliche Hardware.