DE102013113768A1

DE102013113768A1 - Probe, Adapter und Verfahren zur Prüfung der Delamination-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE102013113768A1
Application number: DE102013113768.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Frede; Ortwin Hahn
Original assignee: LWFTRANSFER & CO KG GmbH
Current assignee: LWF TRANSFER GMBH & CO. KG, DE
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: DE102013113768B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Probe und ein Verfahren zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes in einer Prüfmaschine, wobei aus dem Faserverbundwerkstoff eine Form als Probe mit zwei Schenkeln und dazwischen befindlichen gekrümmten Boden gefertigt ist, bei der die Schenkel der Probe mit Adaptern einer Prüfmaschine verbindbar sind. Das Verfahren sieht vor, dass die Probe mittels eines Adapters unter einem definierten Prüfwinkel in der Belastungsrichtung der Prüfmaschine befestigt wird, wobei die Belastungsrichtung durch den gekrümmten Boden der Probe führt und mit einem definierten Kraftverlauf in der Belastungsrichtung ein Spannungsverlauf in der Probe erzeugt und der Beginn einer Delamination des Faserverbundwerkstoffes registriert wird.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Probe, einen Adapter und ein Verfahren zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes in einer Prüfmaschine.
Faserverbundwerkstoffe werden in zunehmendem Maße für die Herstellung von Produkten, insbesondere im Automobilbau, verwendet, da solche Produkte bei einer großen Festigkeit ein geringeres Gewicht als Stahl aufweisen. Ein Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) ist ein Werkstoff, bestehend aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix. Die Matrix umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden, laminiert sind. Durch die geeignete Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff entsteht ein Konstruktionswerkstoff, der hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweist. Dies macht sie zu geeigneten Werkstoffen in Leichtbauanwendungen. FKV wird verwendet, wenn hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeit gefordert sind, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau oder für Sportgeräte.
Wenn nun die Kräfte, die an den Werkstoff angreifen, groß werden, können sich die gebundenen Fasern von der Matrix lösen und eine Delamination initiieren. Dadurch verliert der Werkstoff einen großen Teil seiner Festigkeit und Steifigkeit. Zur Beurteilung des Faserverbundwerkstoffes ist es sinnvoll, den Beginn einer Delamination mit einer Probe unter definierten Bedingungen in einer Prüfmaschine überprüfen zu können.
Von der American Society for Testing and Materials (ASTM) ist eine Probenform und ein Testadapter unter der Bezeichnung ASTM D6415 vorgestellt worden, mit dem die Belastung von gebogenen Proben von Faserverbundwerkstoffen untersucht werden können. Die Probe wird auf einen Stempel gelegt und dabei nicht fixiert. Bei dem dort vorgesehenen Testverfahren wird nur die Belastung als reine Radialspannung in Dickenrichtung der Probe untersucht. Lastfälle aus überlagerten Radial- und Schubspannungen können nicht untersucht werden.
In der Norm EN ISO 14130 ist als Probe ein flacher Streifen des Faserverbundwerkstoffes beschrieben, der auf zwei Auflagern abgelegt wird und dann mittig mit einer Druckfinne belast wird. Die Belastung erfolgt damit nur in einer Richtung, nämlich zwischen den Auflagern. Auch ist nach dieser Norm keine Fixierung der Probe in der Prüfvorrichtung vorgesehen. Es wird auch nur eine scheinbare interlaminare Scherfestigkeit geprüft.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Prüfungsverfahren für die Delaminationsfestigkeit eines Fasermaterials mittels aus dem Material gewonnener Proben anzugeben, bei dem die Probe definiert in der Prüfvorrichtung gehalten ist. Da die Festigkeitseigenschaften des Faserverbundwerkstoffes richtungsabhängig sind, sollten diese auch unter definierten Prüfwinkeln untersucht werden.
Diese Aufgabe wird mit der Probe nach Anspruch 1, einem Adapter nach Anspruch 4 und dem Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Probe zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes ist in einer Form mit zwei Schenkeln und dazwischen befindlichen gekrümmten Boden gefertigt, bei der die Schenkel der Probe mit Adaptern einer Prüfmaschine verbindbar sind. Über die Schenkel wird die definierte Fixierung in der Prüfmaschine erreicht. In dem gekrümmten Boden wird dann unter Belastung ein Beginn der Delamination beobachtet und registriert. Als vorteilhaft hat sich eine U-Form als Probe herausgestellt. Es könnte aber auch eine V-Form mit nicht parallelen Schenkeln sein.
Die Fixierung der Probe an einer Prüfmaschine erfolgt über Löcher in den Schenkeln, über die die Probe an Adaptern mit definierten Befestigungsstegen angeschraubt wird.
Der Adapter zur Prüfung der Probe in einer Prüfmaschine ist aus einem Oberteil und einem Unterteil mit jeweils einem Befestigungssteg gebildet, an dem ein Schenkel der Probe unter einem definierten Prüfwinkel zu einer Belastungsrichtung der Prüfmaschine befestigbar ist. Die Prüfmaschine bringt ihre Kraft mittels der Adapter in die Probe ein. Die Lasteinleitung in die Probe erfolgt flächig an den Befestigungsstegen. Dadurch werden keine Spannungsspitzen an der Befestigung erzeugt.
Die Befestigung der Probe an den Befestigungsstegen des Adapters erfolgt vorzugsweise über eine Schraubverbindung. Diese erlaubt eine definierte und sichere Fixierung der Probe auch bei großen Belastungskräften. Die Probe kann auch einfach und schnell gewechselt werden.
Von dem Adapter sind drei Varianten vorgesehen, die sich in dem Prüfwinkel der Befestigungsstege unterscheiden. Die Prüfwinkel betragen dabei 0°, 45° oder 90°.
Das Verfahren zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes mittels einer Probe aus dem Faserverbundwerkstoff in einer Prüfmaschine sieht vor, dass

– die Probe mittels eines Adapters unter einem definierten Prüfwinkel in der Belastungsrichtung der Prüfmaschine befestigt wird,
– die Belastungsrichtung durch den gekrümmten Boden der Probe führt und
– mit einem definierten Kraftverlauf in der Belastungsrichtung ein Spannungsverlauf in der Probe erzeugt wird, wobei
– der Beginn einer Delamination des Faserverbundwerkstoffes registriert wird.

Die Prüfwinkel der Adapter betragen vorzugsweise 0°, 45° oder 90°. Mit einem solchen Verfahren können Belastungen mit überlagerter Radial- und Schubspannung erzeugt werden. Es sind also realistische Lastfälle für unterschiedliche Bauteile damit überprüfbar.
Während der Prüfung werden in der Prüfmaschine Fahrwege und Kräfte an der Probe gemessen und daraus wird ein Kraft-Weg-Diagramm erstellt. Die Messung kann beispielsweise mit dem System GOM-Aramis erfolgen. Anhand eines solchen Diagramms kann mit dem Abfall der registrierten Kraft der Beginn der Delamination bestimmt werden. Weiterhin ist durch eine optische Beobachtung des Faserverbundes auch der Beginn der Delamination festzustellen. Bei einer Schädigung der Struktur ergibt sich eine veränderte Reflexion des Lichtes an der Belastungsfläche.
In den Figuren ist das Verfahren mit seinen Komponenten dargestellt. Es zeigen:
1 eine Probe in perspektivischer Anasicht;
2 eine Probe im Querschnitt;
3 einen Adapter für eine 45°-Prüfung;
4 einen Adapter für eine 90°-Prüfung;
5 einen Adapter für eine 0°-Prüfung;
6 ein Spannungsmuster;
7 ein Kraft-Weg-Diagramm.
Die 1 und 2 zeigen eine Probe 1 in U-Form in perspektivischer Ansicht und im Querschnitt. Sie besitzt die beiden Schenkeln 2, die über den gekrümmten Boden 3 verbunden sind. In den Schenkeln 2 befinden sich die Befestigungslöcher 4, über die die Probe 1 an einem Adapter befestigt wird.
In 3 ist ein Adapter für eine Prüfung unter 45° in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Probe 1 ist mit ihren Schenkeln 2 an den Befestigungsflächen 6 des unteren Adapterteils 7 und des oberen Adapterteils 8 befestigt. Die beiden Adapterteile 7 und 8 sind über die Adaptereinspannungen 9 mit der Prüfmaschine verbunden, die die Kraft F aufbringt. Die Kraft F bewirkt Verformungen des gekrümmten Bodens 3 der Probe 1, die beobachtet und registriert werden können.
In den 4 und 5 sind Adapter für eine Prüfung unter 90° und 0° im Querschnitt dargestellt. Die Probe 1 ist mit ihren Schenkeln 2 an den beiden Befestigungsflächen 6 des unteren Adapterteils 7 und des oberen Adapterteils 8 befestigt. Die beiden Adapterteile 7 und 8 sind über die Adaptereinspannungen 9 mit der Prüfmaschine verbunden. Die Spannflächen zwischen den Schenkeln der Probe 1 und den Befestigungsflächen 6 sind gleich groß, so dass ein symmetrischer Krafteintrag in den Boden 3 der Probe 1 erfolgt.
In einer Prüfung gemäß 5 ergibt sich eine komplexe Belastung der Probe 1, die häufigen realen Belastungssituationen entspricht.
In der 6 ist der gekrümmte Boden 3 einer Probe 1 unter Belastung dargestellt. In seinem Querschnitt kann mit einer 3D-Kamera ein Spannungsmuster mit einem Anstrengungsbereich A beobachtet werden. Der Bereich D zeigt den Beginn der Delamination.
In der 7 ist die Auswertung einer Prüfung in einer Prüfmaschine mittels eines Kraft-Weg-Diagramms an einer exemplarischen Probe unter zwei Prüfwinkeln dargestellt. Die Kraft steigt mit dem Weg linear an. Bei einer Probe unter 45° beginnt hier die Delamination bei einem Weg von etwa 2,6 mm und einer Kraft von etwa 5,25 kN. Bei einer Probe unter 90° beginnt die Delamination bei einem Weg von etwa 3,2 mm und einer Kraft von etwa 5,5 kN.
Bezugszeichenliste

1: Probe
2: Probenschenkel
3: Probenkrümmung
4: Befestigungsloch
5: Schraube
6: Befestigungsfläche
7: Adapterteil unten
8: Adapterteil oben
9: Adaptereinspannung
A: Anstrengungsbereich
D: Beginn der Delamination

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM D6415 [0004]
Norm EN ISO 14130 [0005]

Claims

Probe zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Faserverbundwerkstoff eine Form als Probe mit zwei Schenkeln und dazwischen befindlichen gekrümmten Boden gefertigt ist, bei der die Schenkel der Probe mit Adaptern einer Prüfmaschine verbindbar sind.
Probe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form eine U-Form ist.
Probe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel Löcher besitzen, über die sie an Adaptern einer Prüfmaschine festschraubbar sind.
Adapter zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes mit einer Probe nach Anspruch 1 in einer Prüfmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter aus einem Oberteil und einem Unterteil mit jeweils einem Befestigungssteg gebildet ist, an dem ein Schenkel der Probe unter einem definierten Prüfwinkel zu einer Belastungsrichtung der Prüfmaschine befestigbar ist.
Adapter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung über eine Schraubverbindung erfolgt.
Adapter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfwinkel 0°, 45° oder 90° beträgt.
Verfahren zur Prüfung einer Delaminations-Initiierung eines Faserverbundwerkstoffes mittels einer Probe aus dem Faserverbundwerkstoff in einer Prüfmaschine nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, bei dem – die Probe mittels eines Adapters unter einem definierten Prüfwinkel in der Belastungsrichtung der Prüfmaschine befestigt wird, – die Belastungsrichtung durch den gekrümmten Boden der Probe führt und – mit einem definierten Kraftverlauf in der Belastungsrichtung ein Spannungsverlauf in der Probe erzeugt wird, wobei – der Beginn einer Delamination des Faserverbundwerkstoffes registriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfwinkel 0°, 45° oder 90° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Prüfung Fahrwege und Kräfte an der Probe gemessen werden und daraus ein Kraft-Weg-Diagramm erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Prüfung Verformungen an der Probe gemessen und ausgewertet werden.