Ga naar de inhoud van de pagina

Tests op composieten

Composieten bestaan uit twee of meer materialen die met elkaar verbonden zijn. Deze combinatie van materialen zorgt voor heel speciale materiaaleigenschappen, zoals stijfheid of sterkte in bepaalde richtingen met een minimaal gewicht. Zo worden deuren geopend naar nieuwe toepassingen.

Vezelversterkte composieten worden toegepast in vele verschillende producten, waardoor ook het belang van het testen van composieten groter wordt. Vliegtuigen zoals de A380 of de A350 van Airbus, of de Boeing 787 zijn actuele voorbeelden het gebied van de burgerluchtvaart waarin een hoog percentage koolstofvezelversterkte composieten worden gebruikt. Het chassis van de BMW I3 en I9 is volledig uit koolstofvezelversterkte kunststoffen (CFK) gemaakt, en is zo licht dat het door twee mensen gedragen kan worden. In racewagens zijn vezelversterkte composieten al geruime tijd de norm. Ook in de bladen van grote windturbines worden verschillende types composieten gebruikt. Unidirectionele vezelversterkte composieten absorberen de centrifugale krachten. Het buitenvlak is gemaakt uit multidirectionele vezelversterkte composieten. De overkoepelende structuur is ontworpen als een kerncomposiet. Daarnaast worden composieten ook toegepast in medische technologie, bv. als prothesen, of in de bouw als veelzijdige grondstoffen voor bruggen en gevels.

Een interessant onderwerp in de lucht- en ruimtevaart is de opslag van vloeibaar waterstof bij cryogene temperaturen. Het doel van de materiaaltest is karakteristieke te identificeren en nieuwe inzichten te verkrijgen in het gedrag van het materiaal bij zeer lage temperaturen.

Testen van composieten Types composieten Vereisten aan het testen van composieten Modulair testsysteem Klantenprojecten Brochure composieten Cryogeen testen van composieten

Video: Introductie tot het testen van composieten

Opname van een webinar Introductie tot het testen van composieten:
Leer meer over de fundamentele testmethoden en de gebruikte testapparatuur voor materiaaltests op composieten in kwaliteitscontrole en ontwerp van composietstructuren:

  • Toepassingen van composietmaterialen (vanaf 3:28)
  • Trektests en uitlijning (vanaf 15:32)
  • Druktests (vanaf 20:25)
  • Afschuiftests (vanaf 31:07)
  • Buigtests (vanaf 37:58)
  • ILSS / interlaminaire afschuifsterkte (vanaf 42:21)
  • Statische testmachines en testwerktuigen (vanaf 45:26)
  • Meting van verlenging en doorbuiging (vanaf 49:40)

Download pdf

Andere interessante webinars over composieten

Trektests op composieten

Trektests op composieten worden gebruikt voor het bepalen van de trekmodulus en de poissonverhouding, maar ook de treksterkte in de hoofdrichtingen van vezelversterkte kunststoffen.

  • De meest courante normen voor trektests op composieten zijn ISO 527-4 & ISO 527-5, ASTM D3039, EN 2561 en EN 2597.
  • De fabrieksnorm Airbus AITM 1-0007 bevat de testvereisten voor zowel trektests op ongekerfde multidirectionele laminaten als gekerfde trektests voor de bepaling van de treksterkte via de open hole tension (OHT) en filled hole tension (FHT) testmethoden. Open hole En filled hole trektests worden vooral uitgevoerd in lucht- en ruimtevaarttoepassingen voor het bepalen van de reductie in sterkte van multidirectionele laminaten onder trekbelasting met open of gevulde boringen. Andere genormeerde testmethoden voor de open hole en filled hole treksterkte zijn ASTM D5766 en ASTM D6742.
Trektest op composieten
ISO 527-4, ISO 527-5
naar Trektest op composieten
Trektest op composieten
ASTM D3039
naar Trektest op composieten

Druktests en gekerfde druktests op composieten

Druktests op composieten worden gebruikt voor het bepalen van de drukmodulus en druksterkte in de hoofdrichtingen van vezelversterkte kunststoffen. De druktest speelt een belangrijke rol bij het testen van composieten aangezien de druksterkte in de richting van de vezels in het laminaat vaak kleiner is dan de treksterkte, en de faalmodi van een vezelversterkt laminaat duidelijk anders zijn onder trekbelasting als onder drukbelasting.

Er bestaan vele verschillende testmethoden en testnormen voor druktests op composieten, waartussen een onderscheid gemaakt wordt op basis van de drie belastingsprincipes:

  • End loading druktest volgens ASTM D695, DIN EN 2850 type B en Boeing BSS 7260 type III en IV
  • Druktest shear loading volgens ASTM D3410, ISO 14126 Methode 1, DIN EN 2850 type A en Airbus AITM 1-0008 sample type A
  • Druktest met gecombineerde belasting volgens ASTM D6641, ISO 14126 Methode 2, en Airbus AITM 1.0008 sample type A

Naast de hierboven vermelde testmethoden voor bepaling van de drukwaarden van ongekerfde laminaten, bestaan er genormeerde gekerfde druktests op composieten voor het bepalen van de open hole druksterkte (OHC) volgens ASTM D6484 en filled hole druksterkte (FHC) volgens ASTM D6742.
In combinatie met de drukeigenschappen van ongekerfde laminaten, kunnen de juiste reductiefactoren bepaald worden voor multidirectionele laminaten onder drukbelasting. Gekerfde druktests worden verder beschreven in de industrienormen Airbus AITM 1.0008 sample types B, D en C, en in Boeing BSS 7260 type I.

End loading druktest
ASTM D695, DIN EN 2850 Type B of Boeing BSS 7260 Type III en IV
End loading druktest: voor het testen van continue vezelversterkte composieten
naar End loading druktest
Druktest met shear loading
ISO 14126 Methode 1, ASTM D3410 of DIN EN 2850 Type A
Shear loading druktest: voor unidirectionele composieten met lage sterkte in de vezelrichting, en voor druktests op weefsels en multidirectionele laminaten.
naar Druktest met shear loading
Druktest met combined loading
ISO 14126 (Methode 2), ASTM D6641, Airbus AITM 1.0008
Combined loading druktest: Testen van composiet druksamples met grotere doorsneden en druktests op unidirectionele koolstofvelzelversterkte laminaten met hoge sterkte
naar Druktest met combined loading
Open hole druktest, filled hole druktest, gekerfde druktest
ASTM D6484, ASTM D6742, Boeing BSS 7260 type I, AITM1-0008
Bepaling van de invloed van een gat op de druksterkte van een laminaat.
naar Open hole druktest, filled hole druktest, gekerfde druktest

Afschuiftests op composieten

Afschuiftests op composieten worden gebruikt om de afschuifkarakteristieken van vezelversterkte kunststoffen in het vlak te bepalen, zoals de afschuifmodulus en de afschuifsterkte. Bij materialen met verschillende eigenschappen in de hoofdrichtingen van het materiaal, moet de afschuifmodulus steeds bepaald worden met afzonderlijke afschuiftests. In tegenstelling tot bijvoorbeeld isotropische materialen kan deze niet berekend worden uit andere elastische karakteristieke waarden.

Voor de bepaling van de afschuifeigenschappen en het afschuifgedrag werden drie verschillende testmethoden ontwikkeld:

Voor de trektest met een ±45° laminaat (in-plane shear test) wordt dezelfde testopstelling gebruikt als voor trektests. Voor de berekening van de afschuifrek is het echter noodzakelijk de transverse rek te meten naast de axiale rek.

Voor de Iosipescu en de v-notch rail shear test zijn gekerfde samples en passende testwerktuigen nodig. Ook hier is een biaxiale rekmeting nodig. Vaak worden biaxiale rekstrookjes gebruikt. Alternatief kan de rek gemeten worden met digitale beeldcorrelatie (DIC).
De v-notched shear test kan ook gebruikt worden voor het bepalen van afschuifwaarden buiten het vlak als laminaten met voldoende dikte beschikbaar zijn.

IPS test (in-plane shear)
kan opgewekt en gemeten worden in een trek- of druktest onder ±45° ten opzichte van de vezelrichting.
naar IPS test (in-plane shear)
V-kerf Afschuiftests
worden gebruikt voor het bepalen van afschuifeigenschappen in het vlak.
naar V-kerf Afschuiftests

Buigtests op composieten

Dankzij de relatief eenvoudige testopstelling, samplegeometrie, bewerkingen en uitvoering van de test, worden buigtests op composieten vaak gebruikt bij kwaliteitscontrole voor een snelle vergelijking van materialen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen 3- en 4-punts buigtests. Courante genormeerde testmethoden voor buigtests op vezelversterkte kunststoffen zijn:

Als de testopstelling voldoende stijf is, of als de doorbuiging van de testopstelling gemeten en gecorrigeerd kan worden in de testsoftware, is het bij de 3-punts buigtest vaak toegelaten de machineverplaatsing te gebruiken.
Bij de 4-punts buigtest is het nodig de doorbuiging te meten in het midden van het sample met een geschikt verplaatsingsmeetsysteem.

Buigtests
ISO 14125, ASTM D7264
Buigtests op composieten (3-punts en 4-punts buigtests) worden uitgevoerd voor het makkelijk bepalen van belangrijke mechanische eigenschappen.
naar Buigtests
3-Punts buigtest ASTM D790
De norm ASTM D790 beschrijft 3-punts buigtests op stijve en semistijve kunststoffen, en vezelversterkte composieten met lange vezels.
naar 3-Punts buigtest ASTM D790

Interlaminaire afschuifsterkte (ILSS)

De test voor het bepalen van de interlaminaire afschuifsterkte (ILSS) behoort tot de meest courant uitgevoerde statische tests op vezelversterkte kunststoffen en wordt vaak gebruikt voor kwaliteitscontrole. Het aantal benodigde samples is relatief klein, de test is snel en makkelijk uit te voeren, en enkel de maximale kracht tijdens de test is relevant voor de evaluatie.

Gekende testnormen voor de ILSS test zijn ISO 14130, EN 2377, EN 2563 en ASTM D2344.

Alle vier normen beschrijven een rechthoekig sample, maar kunnen gebruik maken van verschillende afmetingen voor de lengte, breedte en dikte van het sample. ASTM D2344 beschrijft bovendien een gebogen sample, zoals bijvoorbeeld uit een drukvat of buiswand.

De testopstelling voor de ILSS test moet voldoen aan de zeer lage toleranties uit de testnormen.

Interlaminaire afschuifsterkte ILSS
ASTM D2344, ISO 14130, EN 2377, EN 2563
beschrijft de afschuifsterkte tussen laminaatvlakken van composieten en wordt bepaald met de short beam shear test.
naar Interlaminaire afschuifsterkte ILSS

Tests voor de bepaling van de interlaminaire energie-afgiftesnelheden

De kritische energie-afgiftesnelheid en energie-afgiftesnelheid tijdens stabiele scheurgroei worden bepaald met breukmechanische testmethoden en dienen om het delaminatiegedrag van composietlaminaten te begrijpen. Er moet een laminaat geproduceerd worden waarin een kunstmatige scheur werd aangebracht in het middenvlak van het laminaat met een zeer dunne niet-klevende kunststoffilm (vaak wordt Teflon film gebruikt).

Testmethoden voor scheurgroei via trekbelasting loodrecht op de scheur (Mode I) en testmethoden met scheurgroei via afschuifbelasting in de doorsnede van het laminaat (Mode II) zijn het meest courant. Voor de ijking van numerische methoden voor de berekening van scheurgroei in een laminaat, bestaat een bijkomende methode met gemengde belasting mode I + II:

  • Mode I als double cantilever beam (DCB) test volgens ISO 15024, EN 6033, ASTM D5528, Airbus AITM 1-0005 en Boeing BSS 7273
  • Mode II als end-notched flexure (ENF) test volgens ASTM D7905, EN 6034, Airbus AITM 1-0006 en Boeing BSS 7273
  • Mode II als calibrated end-loaded split (C-ELS) test volgens ISO 15114
  • Gemengde mode I+II als mixed-mode bending (MMB) test volgens ASTM D6671
Energie-afgiftesnelheid (G)
Energie-afgiftesnelheden maken deel uit van de breukmechanische eigenschappen en worden gewoonlijk bepaald in Mode I en Mode II.
naar Energie-afgiftesnelheid (G)

Compression After Impact (CAI) test

De compression After Impact (CAI) test is een testmethode om de blijvende druksterkte van een laminaat na beschadiging te bepalen. Het sample wordt vooraf beschadigd met een in de norm vastgelegde impactenergie. Met deze methode kunnen conclusies getrokken worden over de schadetolerantie van een composietlaminaat om de veiligheid en betrouwbaarheid van onderdelen te verzekeren, met name voor composietstructuren in lucht- en ruimtevaart die blootgesteld worden aan impactbelasting.

Voor de CAI test werden volgende testmethoden ontwikkeld: ASTM D7136 en ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1-0010 en Boeing BSS 7260 type II.

Compression After Impact CAI
ASTM D7136, ASTM D7137, ISO 18352, Airbus AITM 1.0010, Boeing BSS 7260 type II
Deze test wordt gebruikt voor het karakteriseren van schade die ontstaat bij voertuigen of vliegtuigen nadat deze geraakt worden door stenen of vogels, of na een ongeval.
naar Compression After Impact CAI

Draagkracht en sterkte van verbindingen

Naast de mechanische eigenschappen van de vezelversterkte kunststoflaminaten zelf, wordt ook de sterkte van verbindingen getest voor samenstelling en ontwerp van structuren uit composiet.

De genormeerde testmethoden voor deze tests kunnen ruwweg in drie soorten onderverdeeld worden:

Afschuiving door overlap
ASTM D5868, EN 6060, Airbus AITM 1-0019
Afschuiftests worden gebruikt voor het vergelijken van adhesie in laminaten.
naar Afschuiving door overlap

Vermoeiingstests op composieten

Om het vermoeiingsgedrag van composietlaminaten te bepalen en S-N curven op te stellen, worden meestal dynamische cyclische tests met pulserende trekbelasting gebruikt. Passende genormeerde dynamische tests op composieten zijn ASTM D3479 en ISO 13003. ISO 13003 beschrijft ook een vermoeiingstests op composieten met dynamische cyclische buigbelasting.

Andere genormeerde dynamische testmethoden voor composieten zijn:

  • Open hole trek- en open hole drukvermoeiing volgens ASTM D7615
  • Interlaminaire scheurgroei onder mode I vermoeiingsbelasting volgens ASTM D6115
  • Vermoeiing van boutverbindingen en dynamische draakrachttests volgens ASTM D6873 en Airbus AITM 1-0074
  • Airbus AITM 1-0075 bevat samenvattende informatie over de uitvoering van ILSS, ILTS, OHT & OHC, FHT & FHC, pull-through, CAI en lap-shear vermoeiingstests.
Dynamische cyclische testmethoden
worden gebruikt voor het bepalen van de levensduur van samples, structuren en onderdelen.
naar Dynamische cyclische testmethoden

Modulair testsysteem voor vezelversterkte composieten

Grote testlabs met grote aantallen samples gebruiken voor de verschillende testmethoden meerdere grote testmachines en moeten daardoor minder ombouwen. De genormeerde tests kunnen grofweg in de volgende krachtbereiken verdeeld worden:

  • Krachten tot 1 kN: buigtests, energie-vrijgavesnelheid, trektests op enkelvoudige filamenten
  • Krachten tot 10 kN: afschuiftests, bv. IPS, ILSS en V-notch, trektests op filamentstrengen, UD 90° trektests, trektests in dikterichting
  • Krachten tot 100 kN UD 0° trektests, MD trektests bij kleinere laminaatdikten, druktests volgens ISO, ASTM en EN normen, gekerfde druktests, lagerdruktests
  • Krachten groter dan 100 kN: trek- en druktests volgens Airbus normen met passende laminaatdikten, Compression After Impact

Bij kleinere hoeveelheden samples is de investering in meerdere testmachines niet zo rendabel, en is het voordelig één testmachine zo uit te rusten dat zo veel mogelijk testmethodes uitgevoerd kunnen worden met zo weinig mogelijk ombouwwerk.

Om te beantwoorden aan deze verschillende noden, heeft ZwickRoell een modulair testmachineconcept ontwikkeld voor elektromechanische en servohydraulische testmachines. Het voordeel van dit modulair systeem ligt voor de hand: alle werktuigen, rekmeters, software en eventueel de veiligheidsdeur of temperatuurkast zijn modulair en op elkaar afgestemd. Doordat alle onderdelen ook achteraf toegevoegd kunnen worden, is het systeem klaar voor de toekomst.

Bent u op zoek naar de optimale oplossing voor elk van uw vereisten? Contacteer dan onze sectorexperten.

Contacteer onze industrie-experts.

We bespreken met plezier uw noden.

Contacteer ons

Naam Type Grootte Download
  • Industriebrochure: Composieten PDF 7 MB
  • Presentatie: Introductie tot het testen van composieten PDF 2 MB

Interessante projecten bij klanten

Top