Dehnungsmessstreifen

Annina Schopen,

Materialprüfung an faserverstärkten Kunststoffen

Bei einer Werkstoffprüfung werden Eigenschaften und Strukturen eines Materials in Form von Kenngrößen ermittelt. Solche Prüfungen liefern zum Beispiel geforderte Qualitätsnachweise für bestimmte Anwendungen und Branchen. Außerdem lässt sich abschätzen, ob ein neuentwickeltes Bauteil den künftigen Beanspruchungen standhalten wird. Bei der Prüfung mittels Dehnungsmessstreifen ist die korrekte Verklebung maßgebend für das Prüfergebnis.

Ermittlung der Schubeigenschaften beim Schubversuch nach ASTM D7078 an einer Rail-Shear-Prüfvorrichtung mit einem V-förmig gekerbten Probekörper. Es wird eine DMS-Rosette Typ TML mit einer Messgitterlänge von 10 mm verwendet. Bilder: © Grasse Zur Ingenieurgesellschaft

Grasse Zur Composite Testing betreibt ein akkreditiertes Materialprüflabor und hat sich auf die Prüfung faserverstärkter Kunststoffe vor allem für die Automobilindustrie, Luft- und

Raumfahrt, die Chemieindustrie sowie Rotorblattindustrie spezialisiert. Werkstoffprüfungen sind das Kerngeschäft des Berliner Unternehmens. Außerdem entwickelt Grasse Zur Prüfvorrichtungen  – zum einen für die eigenen Prozesse, zum anderen für Kunden, die eigene Labore betreiben.

Faserverstärkte Kunststoffe eignen sich dank ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten für Leichtbauanwendungen. Üblicherweise werden sie für flächige Strukturen eingesetzt. Die meisten Prüfungen werden bei Grasse Zur zerstörend durchgeführt  – das heißt, dass Kundenunternehmen das zu prüfende Material in Form eines ausgehärteten Laminats an Grasse Zur liefern. Hieraus wird ein Probekörper gefertigt, der in einer Universalprüfmaschine per Zug-, Schub-, Druck- oder Biegeprüfung zerstörend geprüft wird, um spezifische Materialkennwerte zu ermitteln.

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Dehnungsmessstreifen erfassen Veränderungen des Probekörpers

Zentrale Hilfsmittel zur Erfassung von Veränderungen eines Probekörpers unter Last sind Dehnungsmessstreifen (DMS), zum Beispiel DMS des Mess-Spezialisten Althen. Diese Streifen ermitteln die Dehnung direkt an der Oberfläche des Probekörpers und sind für die Materialkennwertermittlung von faserverstärkten Kunststoffen durch verschiedene DIN-Normen vorgeschrieben.

Ein Dehnungsmessstreifen ist ein mäandrierender Metallleiter – meistens aus Konstantan oder Karma –, der auf einen dünnen Träger, beispielsweise aus Polyimid, geätzt ist. Der DMS wird mit spezifischen Klebern auf den Probekörper aufgebracht. Ein DMS fungiert als elektrischer Leiter, der durch Stauchung oder Dehnung eine elektrische Widerstandsänderung zeigt, die wiederum eine Spannungsänderung indiziert und damit in ein elektrisches Signal überführt wird. Das entsprechende Messgerät kann sowohl die Spannungsänderung in Millivolt pro Volt ausgeben als auch direkt die tatsächliche Dehnung des DMS in Mikrometer pro Meter anzeigen. „Da Faserverbundwerkstoffe schlechte Wärmeleiter sind, sollte ein DMS aus dem hochohmigeren Bereich gewählt werden (mindestens 350 Ohm), insbesondere bei Langzeitmessungen“, empfiehlt Udo Könsgen, Technische Beratung für DMS und Vertrieb bei Althen Mess- und Sensortechnik. „Die Wärmeentwicklung könnte zu Fehlern beim Messergebnis führen. Bei Grasse Zur handelt es sich jedoch um sehr kurze Prüfungen, bis der Probekörper reißt und der DMS zerstört wird, sodass diese kleinen Messfehler zu vernachlässigen sind und auch DMS mit 120  Ohm ausreichend sind.“

Größere DMS für ein gutes Messergebnis

Schubversuch nach DIN EN ISO 14129 mit Flachprobekörpern in einer servohydraulischen Prüfmaschine von MTS, bei dem eine DMS-Rosette Typ TML FCAB-10-11-1LJB-F mit einer Messgitterlänge von 10 mm verwendet wird. Für den Versuch wird keine Prüfvorrichtung benötigt, es genügt ein übliches Spannsystem. © Grasse Zur Ingenieurgesellschaft

Für ein bestmögliches Messergebnis wählt Grasse Zur möglichst große DMS aus – groß bedeutet konkret eine Messgitterlänge von 10 Millimeter; kleine DMS haben eine Messgitterlänge von rund zwei Millimeter. Die DMS sollten deshalb jeweils so groß wie möglich sein, um eine gute Mittelung über die Zugprobe zu erreichen. Ungünstig ist es bei einem Faserverbundstoff, wenn der DMS nur ein Faserbündel abdeckt, statt über mehrere Faserbündel hinweg zu messen. Dies verfälscht das Messergebnis. Limitierend auf die Größe des DMS wirken sich die Abmessungen des jeweiligen Probekörpers aus – üblicherweise 100 bis 250 Millimeter lang und 10 bis 25 Millimeter breit.

Rosette mit drei Gittern für drei Achsen

Die DMS werden in Längs- und in Querrichtung auf den Probekörper aufgeklebt, je nach Prüfungsanliegen: Hauptsächlich werden Linear-DMS genutzt, die einen einachsigen Spannungszustand messen. Bei einem zweiachsigen Spannungszustand, wenn Kräfte sowohl in Zugrichtung der Zugprobe als auch rechts und links um 90 Grad versetzt angreifen, kommt ein 0/90-Grad-DMS, auch T-Rosette genannt, zum Einsatz. Wenn die Hauptdehnungsrichtung unbekannt ist, also unklar ist, wo die Kräfte angreifen, wird eine dreiachsige 0/45/90-Grad-Rosette mit drei Gittern genutzt. „Theoretisch lassen sich alle Messungen mit einzelnen Linearstreifen bewerkstelligen, die der Anwender selbst in die richtige Anordnung bringt“, so Udo Könsgen. „Um es dem Nutzer jedoch zu erleichtern, bietet Althen die 0/90- und die 0/45/90-Variante bereits fertig an. Der Vorteil: Es muss nur ein einziger Dehnungsmessstreifen mit entsprechender DMS-Gitteranzahl aufgeklebt werden, der bereits die einzelnen DMS-Gitter optimal angeordnet hat.“

Akkurater Klebevorgang ist ausschlagegebend

Aufgebracht werden DMS bei Grasse Zur meist mit einem schnelltrocknenden Cyanacrylat- oder Sekundenkleber des Typs CN, den Althen ebenfalls anbietet – es sollte stets ein vom Hersteller empfohlener Kleber gewählt werden. Bei einer Kurzzeitmessung ohne Umwelteinflüsse oder höhere Temperaturen – es sind Messungen bis 120 Grad Celsius möglich – ist ein Sekundenkleber ausreichend. Die Klebeschicht muss sehr dünn aufgetragen werden, sonst würde die Messung nicht am Bauteil stattfinden, sondern etwas oberhalb davon. Auch Einschlüsse durch Luftblasen oder Staubkörner dürfen nicht entstehen, da sie ebenfalls das Messergebnis verfälschen können.

Bei höheren Prüftemperaturen greift Grasse Zur auf einen Epoxidharzkleber von Althen zurück, der etwas aufwendiger in der Anwendung ist, da er zunächst angerührt werden muss und der DMS später unter einem vorgeschriebenen Anpressdruck länger aushärtet.

Es ist wichtig, vor jedem Klebevorgang das Bauteil zu präparieren, damit der Kleber und damit der DMS optimal halten. Beim Faserverbundwerkstoff wird eine gewisse Rauigkeit an der Oberfläche zum optimalen Halt benötigt. Problematisch ist allerdings, dass die Fasern des Verbundwerkstoffs durch Schleifen oder Anrauen nicht verletzt werden dürfen, weil dies sonst die Prüfung verfälscht. Hier sind viel Erfahrung und Fingerspitzengefühl des Mitarbeiters gefragt, damit er beim Anrauen die Fasern nicht beschädigt. Je harzreicher die Werkstoffe sind, desto unempfindlicher sind sie gegen Schleifverletzungen.

Kennwerte Festigkeit und Steifigkeit

Schubrahmen-Schubprobekörper für die Prüfung nach DIN EN ISO 20337. Es wird ein relativ großer Probekörper mittels Schubrahmen geprüft. Zum Einsatz kommen zwei Linear-DMS Typ TML FLAB-10-11-1LJB-F mit einer Messgitterlänge von 10 mm. © Grasse Zur Ingenieurgesellschaft

Für zwei Kennwerte muss der DMS während der Prüfung gut und sicher halten: die Ermittlung der Festigkeit und die Ermittlung der Steifigkeit eines Probekörpers. Die Festigkeit beschreibt, bei welcher maximalen Kraft der Werkstoff zerstört wird. Hierzu wird die Kraft mit der Fläche ins Verhältnis gesetzt. Die maximale Kraft auf diese Fläche bezogen ist die Festigkeit; diese Kenngröße wird am Ende des Prüfvorgangs ermittelt – genau im Moment des Zerreißens. Die Steifigkeit zeigt, wie viel Kraft aufgewendet werden muss, um einen Probekörper zu verformen. Die Steifigkeit wiederum wird gleich zu Beginn der Prüfung festgestellt, während sich das Werkstoffverhalten noch im linear-elastischen Bereich befindet. An diesem Punkt könnte der Probekörper beim Einstellen des Zugvorgangs in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Eine weitere Kenngröße erläutert Geschäftsführer Dr. Fabian Grasse: „Außerdem lässt sich mit dem DMS auch noch die Bruchdehnung feststellen.“ Wie weit also wurde der Probekörper in dem Moment gedehnt, in dem er versagte – also in jenem Moment, in dem die Festigkeit ermittelt wurde, beim Einwirken der maximalen Kraft. „Wenn der DMS nicht gut verklebt war, kann es sein, dass sich zwar die Steifigkeit zu Beginn und auch die Festigkeit am Ende messen lassen, nicht jedoch die Bruchdehnung, da der DMS in diesem Moment nicht mehr richtig geklebt hat.“

Mehrwert: integrierte Kabelanschlüsse am DMS

Ein Mehrwert der von Althen vertriebenen DMS ist die optional bereits integrierte Verkabelung, die für den Kunden eine deutliche Zeitersparnis bei der Applizierung bedeutet, wie Fabian Grasse bestätigt: „Der DMS ist direkt aufzukleben und anzuschließen, ohne Lötvorgang, und ist damit nach der Klebung sofort einsatzbereit. Das ist für uns ein enormer Zeitvorteil gegenüber DMS, die gelötet werden müssen.“

Fazit: DMS für genaueste Kennwertermittlung

Die Überprüfung von Werkstoffen hinsichtlich ihrer Materialkennwerte für bestimmte Anwendungszwecke ist komplex und sicherheitsrelevant. Sie gehört daher in die Hände von unabhängigen, akkreditierten Experten wie Grasse Zur, die kalibrierte Messtechnik einsetzen und regelmäßig auditiert werden. Mit Dehnungsmessstreifen von Messspezialist Althen setzt das Prüflabor auf eine Technik, die beispielsweise gegenüber Laser- oder Video-Extensometern das zwar anspruchsvollere, aber auch wesentlich genauere Verfahren ist, um Dehnungen zu ermitteln. Fabian Grasse: „Unser Ziel ist das Messen von exakten Dehnungsgrößen – die Dehnungsmessstreifen der Firma Althen sind seit Gründung unseres Prüflabors die Grundlage dafür.“ Ihr Fachwissen über das Prüfen von Werkstoffen mittels Dehnungsmessstreifen geben Althen und Grasse Zur auch in gemeinsamen Seminaren zu Theorie und Praxis weiter.

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