ASTM D695 Druckversuch Composites und Kunststoff
Die Norm ASTM D695 beschreibt den Druckversuch zur Bestimmung mechanischen Kennwerte wie E-Modul und Festigkeit für unverstärkte und verstärkte Kunststoffe nach dem End-Loading Compression Prinzip (stirnseitige Krafteinleitung). Die Krafteinleitung erfolgt allein über die Endflächen des Probekörpers. ASTM D695 kann für Faserverbundwerkstoffe mit einer Steifigkeit von bis zu 41 GPa verwendet werden, was z.B. glasfaserverstärkte Gewebe Composites mit einschließt.
Der nachstehende Text beschränkt sich auf den ASTM D695 Versuchsaufbau mit Stützvorrichtung für hochmodulige und verstärkte Kunststoffe mit einer Laminatdicke von < 3.2mm. Es werden außerdem die aus der ASTM D695 weiterentwickelten End-Loading Compression Versuche DIN EN 2850 Verfahren B, Boeing BSS 7260 Typ III & IV (Modified ASTM D695) sowie SACMA SRM-1R-94 beschrieben. Letztere ermöglichen auch Druckversuche an unidirektional (UD) Karbonfaser-verstärkten Laminaten mit entsprechend hohen Steifigkeiten und Festigkeiten.
Weitere, häufig für endlosfaserverstärkte Composites verwendete genormte Druckversuche ohne Einschränkung bezüglich der Laminatsteifigkeit sind ISO 14126 Methode 1 und ASTM D3410 (Shear Loading Compression) sowie ISO 14126 Methode 2 und ASTM D6641 (Combined Loading Compression).
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ASTM D695: Ziel und Kennwerte
Mit dem Druckversuch nach ASTM D695 mit Druckstütze und insbesondere mit den aus ASTM D695 weiterentwickelten Varianten (EN 2850 Verfahren B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 Typ III & IV) des Versuchsaufbaus können folgende charakteristische Ergebnisse und Kennwerte für faserverstärkte Kunststoffe ermittelt werden:
- Druckspannung: Druckkraft bezogen auf den Anfangsquerschnitt des Probekörpers
- Stauchung: Änderung der Messlänge bezogen auf die Anfangsmesslänge in Lastrichtung (nur bei Verwendung eines geeigneten Dehnungsmesssystems, siehe unten)
- Druckmodul: Steigung der Spannungs-Stauchungs-Kurve in einem festgelegten Dehnungsintervall im elastischen Bereich. Auch als Elastizitätsmodul oder kurz E-Modul bezeichnet
- Druckfestigkeit: Maximalwert der im Druckversuch ermittelten Druckspannung
Wichtige Hinweise zur Ergebnisermittlung
ASTM D695 sieht für unverstärkte und verstärkte Kunststoffe mit einer Dicke von < 3.2 mm eine taillierte Probekörpergeometrie vor, mit welcher in einem Versuch Druckmodul (bei Verwendung eines geeigneten Dehnungsmesssystems) und Druckfestigkeit ermittelt werden kann. Hierfür muss zusätzlich eine Stützvorrichtung verwendet werden.
Taillierte Probekörper sind jedoch nicht geeignet für UD Composites. Die aus der ASTM D695 weiterentwickelten Varianten (EN 2850 Verfahren B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 Typ III & IV) verwenden daher stets zwei verschiedene rechteckige gerade Probekörper:
- Ein Probekörper ohne Aufleimer zur Bestimmung des Druckmoduls. Dieser Probekörper darf nicht zur Bestimmung der Druckfestigkeit verwendet werden, da stets vorzeitiges Versagen an den Endflächen, bei einer geringeren Druckspannung als der Druckfestigkeit des zu prüfenden Materials, eintritt.
- Ein Probekörper mit applizierten Aufleimern zur Bestimmung der Druckfestigkeit. Der Versuch ist gültig wenn die Probe innerhalb der freien Probenlänge versagt. Dieser Probekörper eignet sich wiederrum nicht zur Bestimmung des Druckmoduls, da die Applikation von Dehnmessstreifen in der freien Probenlänge (ca. 5mm) kaum möglich ist.
Da die Krafteinleitung stets ausschließlich über die Endflächen der Probe erfolgt, ist in allen Fällen eine sehr exakte Bearbeitung der Probenendflächen zwingend notwendig.
Versuchsdurchführung und Prüfmittel ASTM D695
Wie wird der Druckversuch nach ASTM D695 und der aus ASTM D695 weiterentwickelten Varianten EN 2850 Verfahren B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260 Typ III & IV durchgeführt und welche Prüfmittel sind dafür erforderlich?
End-Loading Compression Prüfvorrichtung
ASTM D695 sieht für die Prüfung von Materialien mit einer Dicke < 3.2 mm eine Stützvorrichtung für den Probekörper vor. Der so gestützte Probekörper wird dann in eine geeignete Druckvorrichtung platziert (in ASTM D695 auch als Subpress oder Compression Tool bezeichnet).
Bei den für Advanced Composites aus der ASTM D695 weiterentwickelten Varianten (EN 2850 Verfahren B, SACMA SRM-1R-94, Boeing BSS 7260) ist diese Stützvorrichtung fest mit einer entsprechenden Druckvorrichtung verbunden, so dass ein Verkanten oder Ausknicken der Probe mit Stützvorrichtung ausgeschlossen ist.
- Diese weiterentwickelte End-Loading Compression Vorrichtung wird in der Prüfnorm Boeing BSS 7260 auch als Modified ASTM D695 Vorrichtung bezeichnet.
- Auch die Prüfnormen DIN EN 2850 Verfahren B und SACMA SRM-1R-94 verwenden dieses Prinzip, mit jeweils kleineren Unterschieden bei den Abmessungen der Stützvorrichtung und der Probekörper.
- Es gilt zu beachten, dass die Länge der Stützvorrichtung nach DIN EN 2850 Verfahren B mit 70 mm definiert ist, während die Stützvorrichtung in alle anderen Prüfnormen (ASTM D695, Boeing BSS 7260 Type III & IV, SACMA SRM-1R-94) eine Länge von 73 mm hat. Für DIN EN 2850 Verfahren B muss daher eine eigene Prüfvorrichtung verwendet werden.
In jedem Fall trägt die Stützvorrichtung nicht zur Kraftübertragung in die Probe bei. Reibung zwischen Probe und Stützvorrichtung wird durch ein entsprechendes Design der Kontaktflächen minimiert. In ASTM D695 ist eine „handfeste“ Befestigung der Stützvorrichtung am Probenkörper ausreichend. In allen weiterentwickelten End-Loading Prüfverfahren wird ein geringes Anzugsmoment oder eine Anpresskraft für die Befestigungsschrauben definiert.
ZwickRoell Prüfvorrichtung für den End-Loading Compression Versuch nach ASTM D695 und Varianten:
- Der ZwickRoell Prüfaufbau für den End-Loading Compression Versuch besteht aus einer zwischen zwei Druckplatten platzierten Druckvorrichtung. Führungselemente an der Druckvorrichtung sorgen stets für eine exakte Zentrierung des Probekörpers in der Lastachse. Wegen der hohen Druckfestigkeit von teils weit über 1000 MPa, insbesondere bei Druckversuchen für UD Karbonfaser-verstärkten Composites in Faserrichtung, müssen entsprechend gehärtete Druckplatten verwendet werden.
- ZwickRoell Prüfvorrichtungen für End-Loading Compression können in einem Temperaturbereich von -80°C bis +300°C eingesetzt werden.
Prüfmaschinen für ASTM D695
- Bei Verwendung der nominellen Probengeometrie können für UD karbonfaserverstärkte Composites im End-Loading Compression Versuch durch die stetige Weiterentwicklung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Fasern und Matrix heute Maximalkräfte bis ca. 50kN erreicht werden. Da in der Regel neben Druckversuchen auch Zugversuche durchgeführt werden, bei denen die Maximalkräfte noch höher sind, wird die Verwendung einer statischen Prüfmaschine mit einer Kapazität bis 100kN oder 250kN empfohlen.
- Werden hingegen ausschließlich glasfaserverstärkte Composites geprüft, ist eine 50kN Prüfmaschine ausreichend.
Modulares Composite Prüfsystem
Größere Prüflabore mit entsprechend hohem Prüfaufkommen setzen für die sehr vielfältigen Composites Prüfmethoden unterschiedliche Prüfmaschinen ein und können so den Umbauaufwand minimieren. Die einzelnen Prüfmaschinen können dabei auf den Kraftbereich verschiedener Versuchsarten angepasst werden. Wenn das Prüfaufkommen nicht so hoch oder so regelmäßig ist, dass sich die Investition in mehrere Prüfmaschinen lohnt, ist es vorteilhaft, eine einzige Prüfmaschine so auszustatten, dass möglichst viele Prüfverfahren mit dem geringstmöglichen Umbauaufwand durchgeführt werden können.
Hierfür hat ZwickRoell ein modulares Konzept entwickelt, erhältlich als statische 100kN oder 250kN Prüfmaschine, mit der 21 Prüfmethoden und ca. 120 Prüfnormen (ISO, EN, ASTM, sowie Airbus AITM und Boeing BSS) abgedeckt sind und welches eine umfangreiche Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen bei Raumtemperatur oder bei Versuchen mit niedrigen oder erhöhten Temperaturen von -80°C bis +360°C ermöglicht
Zuverlässige End-Loading Compression Versuche dank Prüfsoftware testXpert
Unsere Prüfsoftware testXpert unterstützt effizientes Prüfen und zuverlässige Prüfergebnisse nach ASTM D695 und den aus ASTM D695 weiterentwickelten Varianten des End-Loading Druckversuchs:
- Sparen Sie sich das Studieren der Normen: Garantierte Normerfüllung durch Standard-Prüfvorschriften - darin sind alle Kennwerte und Parameter der ASTM D695 und DIN EN 2850 bereits hinterlegt.
- Maximale Prüfeffizienz schaffen Sie sich durch die Anbindung von Peripheriegeräten: Wenn die Probendimensionen von der Bügelmessschraube direkt an die Prüfsoftware geschickt werden, spart dies Zeit und Eingabefehler werden ausgeschlossen.
- Überprüfen und steuern Sie die Temperatur in der Kammer ebenfalls über die Software. Setzen Sie Temperaturrampen und sehen Sie nachvollziehbar auch im Nachhinein die eingehaltenen Werte.
Dehnungsmessung nach ASTM D695 und Varianten
Geeignete Methoden zur Dehnungsmessung für den End-Loading Compression Versuch nach ASTM D695 sind mittig auf die Probenfläche platzierte Dehnmessstreifen (DMS) oder Ansetzaufnehmer, welche die Stauchung an der Probenkante messen. Bei der Verwendung von DMS müssen die Elemente der Stützvorrichtung in der Mitte eine passende Aussparung haben, um nicht in Kontakt mit dem DMS-Messgitter und den DMS-Kabeln zu kommen.
Aufgrund der exakt mittigen Positionierung des Probekörpers in der Lastachse und Aussparungen im Korpus der ZwickRoell End-Loading Compression Prüfvorrichtung, ist die Verwendung des beidseitig an den Probenkanten messenden automatischen Fühlerarm-Extensometers makroXtens ebenfalls möglich.
Eine Dehnungsmessung erfolgt bei den aus der ASTM D695 weiterentwickelten Varianten des End-Loading Compression Versuchs nur für den Probekörper welcher für die Druckmodulmessung vorgesehen ist. Die entsprechenden Prüfnormen verwenden dabei teils unterschiedliche Angaben zur maximalen Stauchung im Versuch und für den Bereich in dem der E-Modul ermittelt werden soll
- DIN EN 2850 Verfahren B: Druckbelastung bis mindestens 0,5 % (5000 µe) Stauchung; E-Modul Bestimmung zwischen 0.1 % und 0.5 % (bevorzugte Methode, sofern nicht anderweitig festgelegt)
- Boeing BSS 7260: Druckbelastung bis mindestens 3000 µe Stauchung; E-Modul Bestimmung zwischen 1000 und 3000 µe.
- SACMA SRM-1R-94: Druckbelastung bis 5000 µe; E-Modul Bestimmung zwischen 1000 und 3000 µe; Verwendung von beidseitig applizierten DMS zur Überwachung einer überlagerten Biegebelastung empfohlen; bei einer Abweichung zwischen beiden DMS-Signalen von größer 10 % ist der Versuch ungültig und sollte wiederholt werden.
Wie oben beschrieben ist die Dehnungsmessung für den Probekörper mit applizierten Aufleimern zur Ermittlung der Druckfestigkeit auf Grund der sehr geringen freien Messlänge in diesen Prüfnormen nicht vorgesehen.
Bei dem in ASTM D695 für Probendicken von kleiner 3.2 mm verwendeten taillierten Probekörper, welcher sowohl für die E-Modul und Druckfestigkeits-Bestimmung verwendet wird, eignet sich ebenfalls ein an den Probenkanten messender Ansetzaufnehmer.
Haben Sie Fragen zum Composite End Loading Druckversuch nach ASTM D695 oder Interesse an unseren Prüfvorrichtungen?
Unser Branchenexperte berät Sie gerne!
Probekörper und Abmessungen
- L = Probenlänge
- l = freie Probenlänge (bei Probe mit applizierten Aufleimern für Festigkeitsbestimmung)
- b = Probenbreite
- h = Laminatdicke
- H = Gesamtdicke der Probe (Laminatdicke plus Aufleimer)
| Norm | Probentyp | Schematische Darstellung (nicht maßstäblich) | Verwendung und Hinweise |
|---|---|---|---|
| ASTM D695 | Tailliert, für Probendicken kleiner 3,2 mm |  | Unverstärkte und verstärkte Kunststoffe mit einer Steifigkeit bis 41 GPa (z.B. auch GFK Gewebe Composites) |
DIN EN 2850 Verfahren B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B1 Type III Compression Strength Specimen |  | UD* und Gewebe Composites (GFK, CFK)
|
DIN EN 2850 Verfahren B Boeing BSS 7260 SACMA SRM-1R-94 | B2 Type IV Compression Modulus Specimen |  |
Häufig gestellte Fragen zum ASTM D695 Druckversuch
Die ASTM D695 beschreibt den Druckversuch zur Bestimmung mechanischer Kennwerte wie E-Modul und Festigkeit für starre Kunststoffe nach dem End-Loading Compression Prinzip (stirnseitige Krafteinleitung), bei dem die Krafteinleitung allein über die Endflächen des Probekörpers erfolgt. Die ASTM D695 kann für Composites mit einer Steifigkeit von bis zu 41 GPa verwendet werden, was z.B. glasfaserverstärkte Gewebe Composites mit einschließt. Für hochmodulige und verstärkte Kunststoffe mit einer Laminatdicke von < 3.2mm wird eine Stützvorrichtung benötigt.
Die Norm ASTM D695 beschreibt den Druckversuch zur Bestimmung mechanischer Kennwerte wie E-Modul und Festigkeit für starre Kunststoffe. Die ASTM D695-15 bezieht sich auf das Veröffentlichungsjahr 2015, wurde jedoch bereits aktualisiert und ersetzt durch die ASTM D695-23 bzw. ASTM D695:2023.
ASTM D695 sieht für unverstärkte und verstärkte Kunststoffe mit einer Dicke von < 3,2 mm eine taillierte Probekörpergeometrie mit einer Länge L=79,4 mm, einer Breite B=19 mm vor, mit welcher in einem Versuch Druckmodul (bei Verwendung eines geeigneten Dehnungsmesssystems) und Druckfestigkeit ermittelt werden kann. Taillierte Probekörper sind jedoch nicht geeignet für UD Composites. Die aus der ASTM D695 weiterentwickelten Varianten verwenden daher stets zwei verschiedene rechteckige gerade Probekörper: Ein Probekörper ohne Aufleimer zur Bestimmung des Druckmoduls und ein Probekörper mit applizierten Aufleimern zur Bestimmung der Druckfestigkeit.
