DE102016207158B3 - Method and device for mechanical pressure testing of composites in the laminate thickness direction - Google Patents

Method and device for mechanical pressure testing of composites in the laminate thickness direction Download PDF

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckprüfung von Prüfkörpern aus Verbundwerkstoffen mit Gewebeverstärkung oder anderen Verstärkungsstrukturen aus textilen Flächengebilden. Das Verfahren und die Vorrichtung, insbesondere der Druckstempel, sind für sehr harte Prüfkörper geeignet, deren E-Modul in der Größenordnung dessen des Stempelmaterials liegt. Kennzeichnend für das Verfahren ist, dass eine Auswahl des Stempelmaterials so erfolgt, das dass E-Modul des Materials des Druckstempels das E-Modul des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckkraftrichtung um nicht mehr als 100 % übersteigt. Darüber hinaus wird der Stempel in seiner Form vorteilhaft verjüngt bzw. tailliert, um Spannungen im Randbereich des Prüfkörpers zu verringern.The present invention relates to a method and a device for pressure testing of test specimens made of composite materials with fabric reinforcement or other reinforcing structures made of textile fabrics. The method and the device, in particular the plunger, are suitable for very hard test specimens whose modulus of elasticity is on the order of that of the stamp material. Characteristic of the method is that a selection of the stamp material is carried out so that the modulus of elasticity of the material of the plunger exceeds the modulus of elasticity of the specimen in the transverse direction to the compression direction by not more than 100%. In addition, the stamp is advantageously tapered or waisted in shape to reduce stresses in the edge region of the specimen.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für die mechanische Werkstoffprüfung zur Bestimmung der Druckkennwerte von Werkstoffen bei einachsiger Druckbeanspruchung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Druckbeanspruchung von Werkstoffen mit Gewebeverstärkung oder anderen Verstärkungsstrukturen aus textilen Flächengebilden und der Druckbeanspruchung senkrecht zur Ebene der textilen Einzellagen. Weiterhin ist eine zur Werkstoffprüfung mittels Druckbeanspruchung besonders geeignete Stempelform dargestellt.The present invention is an apparatus for mechanical material testing for determining the pressure characteristics of materials in uniaxial compressive stress. In particular, the invention relates to a device for compressive stress of materials with fabric reinforcement or other reinforcing structures made of textile fabrics and the compressive stress perpendicular to the plane of the textile individual layers. Furthermore, a particularly suitable for material testing by compressive stress stamp shape is shown.

Typische Druckkennwerte, wie z.B. der E-Modul, die Druckfestigkeit und die Bruchdehnung, sind definierte mechanische Werkstoffkenngrößen, die zur Ermittlung des mechanischen Werkstoffverhaltens dienen.Typical pressure characteristics, such as the modulus of elasticity, compressive strength and elongation at break are defined mechanical material parameters which serve to determine the mechanical behavior of the material.

Häufig genutzte Vorrichtungen zur einachsigen Druckprüfung sehen einen Stempel vor, der den zwischen Stempel und Tisch eingespannten Prüfkörper in einer Richtung senkrecht zum Tisch mechanisch belastet. Als typische Konstruktion sei hier die in der DE 1 903 042 A1 beschriebene Vorrichtung genannt, die der Prüfung von Betonkörpern dient.Commonly used uniaxial pressure testing devices provide a punch that mechanically loads the test piece clamped between the punch and table in a direction perpendicular to the table. As a typical construction here is the in the DE 1 903 042 A1 called device called, which serves the examination of concrete bodies.

Gegenstand der DE 10 2011 110 915 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung der Druckprüfung an einem plattenförmigen Prüfkörper aus Faserverbundwerkstoff. Der Druckeintrag soll an der Stirnseite des plattenförmigen Prüfkörpers erfolgen. Zur Halterung wird der Prüfkörper in einen U-förmigen Rahmen eingespannt, der den Prüfkörper dreiseitig einschließt. Der Druckstempel setzt auf einer besonders vorbereiteten Krafteinleitungsfläche des Prüfkörpers auf. Der Druckstempel ist dabei weder in Form noch Abmessung dem Prüfkörper angepasst.Subject of the DE 10 2011 110 915 A1 is a method for performing the pressure test on a plate-shaped test specimen made of fiber composite material. The pressure entry should be made on the front side of the plate-shaped test specimen. To hold the specimen is clamped in a U-shaped frame, which encloses the specimen on three sides. The plunger is based on a specially prepared force introduction surface of the specimen. The plunger is adjusted neither in shape nor size of the specimen.

In der DE 10 2010 052 815 A1 wird vorgeschlagen, plattenförmige Prüfkörper auf der Vorder- und der Rückseite abzustützen, um ein Abknicken bei Druckbelastung auf die Stirnseite zu vermeiden. Dazu kommen Stützelemente zum Einsatz, die in der Art von Rollen ausgeführt sind, die sich auf beiden Seiten des Prüfkörpers gegenüberstehen. In the DE 10 2010 052 815 A1 It is proposed to support plate-shaped test specimens on the front and the back in order to avoid kinking under pressure on the front side. For this purpose support elements are used, which are designed in the manner of rollers, which face each other on both sides of the test piece.

Auch in der Prüfung von Verbundmaterialien spielt die Druckprüfung, insbesondere zur Dimensionierung von Bauteilen mit kritischer Beanspruchung in Laminatdickenrichtung, also senkrecht zur Textil- oder Gewebe-Einzellage, eine große Rolle.Also in the testing of composite materials plays the pressure test, especially for dimensioning of components with critical stress in the laminate thickness direction, ie perpendicular to the textile or fabric single layer, a major role.

Vorrichtungen zur Druckprüfung von faserverstärkten Kunststoffverbunden in Laminatdickenrichtung sind bekannt. Der Aufbau entspricht den Konstruktionen, die aus der allgemeinen Werkstoffprüfung bekannt sind (Pressvorrichtung mit Prüfkörper zwischen einem Stempel und einem Tisch). Meist erfolgt die Druckkrafteinleitung in den Prüfkörper mit einer einfachen, nicht näher spezifizierten Stahlplatte. Die Steifigkeitsunterschiede zwischen der Druckplatte und dem Prüfkörper führen zu einer Dehnungsbehinderung im Prüfkörper, wodurch ungewollt versagenskritische Spannungskonzentrationen im Prüfkörper auftreten können. Als Maßnahme zur Verringerung der Dehnungsbehinderung wird meist die Verbesserung der Reibung zwischen Druckplatte und Prüfkörper vorgeschlagen. Devices for pressure testing of fiber-reinforced plastic composites in the laminate thickness direction are known. The structure corresponds to the constructions known from general material testing (pressing device with test piece between a punch and a table). Usually, the introduction of pressure into the test specimen is done with a simple, unspecified steel plate. The stiffness differences between the pressure plate and the specimen lead to a Dehnungsbehinderung in the test specimen, which can occur unintentionally failure critical stress concentrations in the specimen. As a measure to reduce the Dehnungsbehinderung is usually proposed to improve the friction between the pressure plate and the test specimen.

Derartige Maßnahmen sind bspw. in der US 2002/0023507 A1 vorgesehen, die den Einsatz von Materialien mit geringen Reibungskoeffizienten, wie von Fluoropolymeren, oder die Nutzung von reibungsreduzierenden Mitteln, wie Ölen, an den Kontaktflächen von Druckplatte und Prüfkörper vorschlägt. Such measures are, for example, in the US 2002/0023507 A1 which proposes the use of materials with low coefficients of friction, such as fluoropolymers, or the use of friction reducing agents, such as oils, at the contact surfaces of printing plate and test specimen.

Es bleibt allerdings offen, ob die Maßnahmen zur Reibungsverringerung zwischen Druckplatte und Prüfkörper tatsächlich auch bei sehr hohen Druckspannungen wirksam sind. Weiterhin haben Druckprüfungen an hochfesten faserverstärkten Werkstoffen in Laminatdickenrichtung gezeigt, dass Randeffekte an den Prüfkörperkanten kritisch sind und zu einem vorzeitigen Versagen des Prüfköpers führen können.However, it remains unclear whether the measures to reduce the friction between the pressure plate and the test specimen are actually effective even at very high compressive stresses. Furthermore, pressure tests on high-strength fiber-reinforced materials in the laminate thickness direction have shown that edge effects on the test specimen edges are critical and can lead to premature failure of the test specimen.

Insbesondere bei Prüfkörpern, deren Steifigkeit nicht im Bereich der Steifigkeit der Materialien liegt, die für den Druckstempel oder den Tisch genutzt werden, ist aufgrund der Verformung von Stempel oder Tisch mit hohen Spannungen im Randbereich der Prüfkörper zu rechnen.Particularly in the case of test specimens whose rigidity does not lie within the range of the stiffness of the materials used for the pressure die or the table, high stresses in the edge region of the test specimen are to be expected due to the deformation of the die or table.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Werkstoffprüfung zur einachsigen Druckprüfung in Laminatdickenrichtung von gewebe- und textilverstärkten Werkstoffen großer Festigkeit vorzuschlagen, bei der die Druckkrafteinleitung in den Prüfkörper derart realisiert wird, dass zwischen Prüfkörper und Druckstempel möglichst geringe Dehnungsbehinderungen und daraus resultierend im Prüfkörper geringe Spannungskonzentrationen auftreten und somit insgesamt die Qualität der ermittelten Druckkennwerte verbessert wird. Das Prüfverfahren bzw. die dazu genutzte Vorrichtung soll insbesondere für Prüfkörper geeignet sein, deren Steifigkeit in der Größenordnung der Steifigkeit der Materialien liegt, die den Druck auf den Prüfkörper vermitteln, also von Stempel bzw. Tisch.The object of the present invention is to propose a material test for uniaxial pressure testing in the laminate thickness direction of fabric- and textile-reinforced materials of high strength, in which the pressure force is introduced into the test specimen such that between the test specimen and plunger as low as possible Dehnungsbehinderungen and resulting in the test specimen low stress concentrations occur and thus overall the quality of the determined pressure characteristics is improved. The test method or the apparatus used therefor should be suitable in particular for test specimens whose rigidity is in the order of magnitude of the rigidity of the materials which impart the pressure to the test specimen, ie of the stamp or table.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein Stempel, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, wird in Anspruch 3 offenbart. Die Verwendung des Stempels zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 8 und die Verwendung des Stempels in einer Vorrichtung zur Druckprüfung ist in Anspruch 9 beschrieben. Vorteilhafte Verfahrensweisen bzw. Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.According to the invention the object is achieved by a method according to claim 1. A stamp which is suitable for carrying out the method is disclosed in claim 3. The use of the stamp for carrying out the method is in claim 8 and the use of the stamp in one Apparatus for pressure testing is described in claim 9. Advantageous procedures and embodiments are disclosed in the dependent claims.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Druckstempel, die im Prüfverfahren genutzt werden, hinsichtlich Material und Geometrie an die Prüfkörpermaterialsteifigkeit, die Prüfkörpergeometrie und -abmessungen angepasst sind. The object is achieved according to the invention by the pressure stamps, which are used in the test method, with respect to material and geometry to the Prüfkörpermaterialsteifigkeit, the Prüfkörpergeometrie and dimensions are adjusted.

Die Anpassung der Druckstempel an die Prüfkörpersteifigkeit erfolgt erfindungsgemäß, indem bei der Auswahl des Druckstempelmaterials ein Material bevorzugt wird, dessen E-Modul in etwa dem E-Modul des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckkraftrichtung entspricht. Das E-Modul des Materials des Druckstempels übersteigt das E-Modul des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckkraftrichtung bevorzugt um nicht mehr als 100%, besonders bevorzugt um nicht mehr als 50% und ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als 20%.The adjustment of the plunger to the Prüfkörpersteifigkeit is carried out according to the invention by a material is preferred in the selection of the plunger material whose modulus corresponds approximately to the modulus of elasticity of the test specimen in the transverse direction to the compression force direction. The modulus of elasticity of the material of the plunger preferably does not exceed the modulus of elasticity of the test specimen in the transverse direction to the direction of compression by more than 100%, more preferably not more than 50% and most preferably not more than 20%.

Die Anpassung der Druckstempelgeometrie erfolgt erfindungsgemäß, indem sich der Druckstempelquerschnitt mit zunehmendem Abstand zur Prüfkörperkontaktfläche reduziert. Es entsteht somit eine Geometrie, die eine Verjüngung des Stempels mit zunehmendem Abstand zur Prüfkörperoberfläche realisiert. Dies erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform in der Art einer Taillierung, d.h. der Querschnitt nimmt bis zu einer vorgegebenen Stempelhöhe ab und danach, nach einem optionalen Abschnitt konstanten Querschnitts, wieder zu. Eine Ebene, die durch die Ebene des geringsten Stempelquerschnitts gelegt wird, verläuft dabei parallel zur Oberfläche des Prüfkörpers, auf der der Stempel aufsitzt. The adaptation of the pressure die geometry is carried out according to the invention by reducing the pressure die cross section with increasing distance to the test body contact surface. This results in a geometry that realizes a taper of the stamp with increasing distance to the specimen surface. This is done in a preferred embodiment in the manner of a sidecut, i. the cross-section decreases up to a predetermined punch height and then, after an optional section of constant cross-section, to again. A plane that is laid through the plane of the smallest stamp cross-section, runs parallel to the surface of the specimen on which the stamp is seated.

Durch die Verjüngung bzw. Taillierung des Druckstempels wird vorteilhaft eine geringfügige Nachgiebigkeit des Druckstempels im Bereich der Kanten der Kontaktfläche zum Prüfkörper ermöglicht, wodurch geringere Spannungskonzentrationen an den Prüfkörperkanten auftreten und realistische Druckfestigkeiten durch einen homogeneren Spannungszustand ermittelt werden können. Die geringe Nachgiebigkeit im Bereich der Kanten der Kontaktfläche zum Prüfkörper verlässt jedoch nicht den Bereich der elastischen Verformung. Der tatsächliche Wert der Taillierung bzw. Verjüngung wird mit mathematischen Simulationen, vorzugsweise Finite-Elemente-Verfahren (FEM) in Abhängigkeit vom Prüfkörpermaterial und dessen zu erwartenden Eigenschaften bestimmt.The taper or waist of the plunger advantageously allows a slight compliance of the plunger in the region of the edges of the contact surface to the specimen, whereby lower stress concentrations occur at the Prüfkörperkanten and realistic compressive strengths can be determined by a more homogeneous stress state. However, the low compliance in the area of the edges of the contact surface to the test specimen does not leave the range of elastic deformation. The actual value of the waisting or tapering is determined by mathematical simulations, preferably finite element methods (FEM), depending on the specimen material and its expected properties.

Bevorzugt kommen zwei identische Druckstempel zum Einsatz, zwischen denen der Prüfkörper der Druckkraft ausgesetzt wird. Vorzugsweise sind die Stempel und der dazwischenliegende Prüfkörper vertikal angeordnet, so dass der untere Stempel als Tisch und der obere als Druckstempel wirken. Es können jedoch auch beide Stempel gegeneinander bewegt werden.Preferably, two identical plunger are used, between which the specimen is exposed to the pressure force. Preferably, the punches and the intermediate test piece are arranged vertically so that the lower punch acts as a table and the upper as a pressure punch. However, both punches can be moved against each other.

Die Prüfkörper sind bevorzugt von gedrungener Gestalt in Form eines Quaders oder eines Zylinders, mit oder ohne Taillierung, ausgeführt. Die Krafteinleitung erfolgt über die Stirnflächen des Prüfkörpers. Eine seitliche Führung der Prüfkörper ist nicht erforderlich. Instabilität der gedrungenen Prüfkörper tritt üblicherweise nicht auf. Die textile Verstärkung im Prüfkörper ist dabei parallel zu den beiden sich ebenfalls parallel gegenüberliegenden Krafteinleitungsflächen des Prüfkörpers angeordnet. Unter einer Krafteinleitungsfläche ist die Fläche zu verstehen, an der Druckstempel und Prüfkörper in direktem Kontakt zueinander stehen und über die die Kraft vom Druckstempel auf den Prüfkörper übertragen wird. Bevorzugt steht bei der hier genutzten einachsigen Druckprüfung der Vektor der Druckkraft senkrecht auf der Krafteinleitungsfläche des Prüfkörpers. Die textile Verstärkung kann ein- oder mehrlagig sein. Bei quader- oder würfelförmigen Prüfkörpern verlaufen die Fasern der textilen Verstärkung vorzugsweise parallel zu zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Prüfkörpers (Die druckbeaufschlagten Flächen werden hierbei als Deck- bzw. Grundfläche angesehen.).The test specimens are preferably of squat shape in the form of a cuboid or a cylinder, with or without sidecut executed. The force is applied via the end faces of the test specimen. A lateral guidance of the test specimen is not required. Instability of the squared specimens usually does not occur. The textile reinforcement in the test piece is arranged parallel to the two likewise parallel opposing force introduction surfaces of the test piece. A force introduction surface is to be understood as meaning the surface on which pressure pistons and test bodies are in direct contact with one another and via which the force is transferred from the pressure ram to the test body. In the uniaxial pressure test used here, the vector of the compressive force is preferably perpendicular to the force introduction surface of the test specimen. The textile reinforcement can be one or more layers. In the case of cuboid or cube-shaped test specimens, the fibers of the textile reinforcement preferably run parallel to two opposite side walls of the test specimen (the pressurized surfaces are hereby regarded as cover or base surface).

Spezielle Maßnahmen zur Verbesserung der Reibung sind nicht vorgesehen, dennoch sollen die Krafteinleitungsflächen der Druckstempel eine möglichst geringe Oberflächenrauheit aufweisen, um mögliche Reibeinflüsse zu reduzieren. Dies wird bspw. durch eine Feinpolitur der Krafteinleitungsflächen der Druckstempel oder durch den Auftrag von Öl erreicht.Special measures to improve the friction are not provided, yet the force introduction surfaces of the plunger should have the lowest possible surface roughness to reduce possible Reibeinflüsse. This is achieved, for example, by a fine polishing of the force introduction surfaces of the plunger or by the application of oil.

Für beide Ausführungsformen der Druckstempel gilt, dass die Druckstempelfläche zum Prüfkörper gleich groß oder nur geringfügig größer als die Krafteinleitungsfläche des Prüfkörpers ist. Bevorzugt übersteigt die Druckstempelfläche die Krafteinleitungsfläche nicht um mehr als 15%, besonders bevorzugt nicht um mehr als 10% und ganz besonders bevorzugt nicht um mehr als 5%. Keinesfalls soll die Druckstempelfläche kleiner als die Krafteinleitungsfläche sein. Die Geometrie der Druckstempelfläche entspricht bevorzugt in etwa der Geometrie der Krafteinleitungsfläche des Prüfkörpers. Dies trifft für beide Stempel, sowohl den als Tisch wirkenden, als auch den als Druckstempel wirkenden Stempel zu.For both embodiments of the plunger applies that the plunger surface is equal to the test specimen or only slightly larger than the force introduction surface of the specimen. The pressure-stamping surface preferably does not exceed the force introduction surface by more than 15%, more preferably not more than 10% and most preferably not more than 5%. Under no circumstances should the pressure plunger area be smaller than the force introduction surface. The geometry of the pressure stamp surface preferably corresponds approximately to the geometry of the force introduction surface of the test specimen. This is true for both stamps, both acting as a table, as well as acting as a plunger stamp.

Mittels eines Druckstempeladapters ist es möglich, unterschiedliche Druckstempel, angepasst an den Prüfkörper, zu verwenden. Vorzugsweise weist der Druckstempeladapter zumindest teilweise konische Innenflächen zur Aufnahme der Druckstempel auf, die in ihrer Form korrespondierende Außenflächen aufweisen. Auf diese Weise werden die Druckstempel beim Einsetzen in die Druckstempeladapter zentriert und können entlang ihrer Längsachse verdreht werden, so dass sie eine korrespondierende Ausrichtung zur Krafteinleitungsfläche des Druckkörpers erhalten können. Die mittige Ausrichtung des Prüfkörpers in Bezug auf die Druckstempel erfolgt vorzugsweise über eine geeignete Ausrichthilfe.By means of a plunger adapter, it is possible to use different plunger adapted to the specimen. Preferably, the plunger adapter at least partially conical inner surfaces for receiving the plunger, having in their form corresponding outer surfaces. In this way, the plunger when inserted into the Plunger adapter centered and can be rotated along its longitudinal axis, so that they can receive a corresponding orientation to the force introduction surface of the pressure hull. The central alignment of the specimen with respect to the plunger is preferably carried out via a suitable alignment aid.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine Abschätzung der zu erwartenden Druckfestigkeit des Probekörpers vorgenommen wird. Dies erfolgt bevorzugt mittels mathematischer Verfahren (finite Elemente-Berechnungen) oder aufgrund von Vorversuchen mit identischen Probekörpern oder aufgrund der Auswertung vorhergehender Messreihen mit ähnlichen Probekörpern. Es können auch zwei bzw. alle drei der genannten Abschätzungsverfahren genutzt werden.The inventive method provides that an estimate of the expected compressive strength of the specimen is made. This is preferably done by means of mathematical methods (finite element calculations) or on the basis of preliminary tests with identical test specimens or on the basis of the evaluation of previous test series with similar test specimens. Two or all three of the mentioned estimation methods can also be used.

Anschließend erfolgt die Auswahl eines geeigneten Stempelpaares. Kriterien sind dabei:

  • – dass das E-Modul des Druckstempelmaterials in etwa dem E-Modul des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckkraftrichtung entspricht,
  • – die Taillierung bzw. Verjüngung des Stempels so gewählt wird, dass keine Überbeanspruchung (Wegplatzen von Material) im Kantenbereich des Prüfkörpers zu erwarten ist,
  • – die Druckstempelflächen sowohl in Abmessung als auch in Form weitgehend den korrespondierenden Krafteinleitungsflächen des Probekörpers entsprechen.
Subsequently, the selection of a suitable pair of stamps takes place. Criteria are:
  • That the modulus of elasticity of the pressure stamp material corresponds approximately to the modulus of elasticity of the test specimen in the transverse direction to the direction of the pressure force,
  • - The sidecut or taper of the punch is chosen so that no overuse (Wegplatzen of material) is expected in the edge region of the specimen,
  • - The pressure stamp surfaces both in dimension and in shape largely correspond to the corresponding force introduction surfaces of the specimen.

Anschließend erfolgen die Messungen. Dabei wird ein Stempel als Druckstempel und ein zweiter, diesem gegenüberstehend, als Tisch genutzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können beide Druckstempel beweglich sein und gegeneinander bewegt werden, um den Probekörper der Druckbeanspruchung auszusetzen. Die eigentliche Druckmessung erfolgt mit Verfahren aus dem Stand der Technik.Subsequently, the measurements are made. Here, a stamp is used as a plunger and a second, this opposite, as a table. In a further preferred embodiment, both pressure stamps can be movable and moved relative to one another in order to expose the test specimen to the compressive stress. The actual pressure measurement is carried out using methods from the prior art.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ein Säulengestell vor, das mindestens eine, bevorzugt zwei, drei oder vier Führungssäulen aufweist.The device for carrying out the method according to the invention provides a column frame which has at least one, preferably two, three or four guide columns.

Die Druckkrafteinleitung in das Säulengestell erfolgt über ein Kugelgelenk durch eine angeschlossene Werkstoffprüfmaschine. Das Kugelgelenk soll eine momenten- und torsionsfreie Krafteinleitung von der Werkstoffprüfmaschine in das Säulengestell der Druckprüfvorrichtung gewährleisten. Die aufgebrachte Druckkraft wird während des Druckversuchs mittels einer geeigneten Messvorrichtung aus dem Stand der Technik, bevorzugt einer Kraftmessdose, aufgezeichnet.The introduction of pressure into the column frame takes place via a ball joint through a connected Werkstoffprüfmaschine. The ball joint is intended to ensure torque and torsion-free introduction of force from the material testing machine into the column frame of the pressure testing device. The applied compressive force is recorded during the pressure test by means of a suitable measuring device of the prior art, preferably a load cell.

Vorteilhaft wird durch eine Verbesserung der Druckkrafteinleitung in den Prüfkörper durch die Auswahl eines geeigneten Druckstempelmaterials eine daraus resultierende Verringerung der Querdehnungsbehinderung im Prüfkörper im Bereich der Krafteinleitung erreicht.Advantageously, by reducing the introduction of pressure into the test specimen by selecting a suitable pressure stamping material, a resulting reduction in the transverse expansion hindrance in the test specimen in the region of the introduction of force is achieved.

Eine vorteilhafte Verringerung kritischer Spannungskonzentrationen im Kantenbereich der Prüfkörper wird durch die Druckkrafteinleitung über Druckstempel mit verändertem Querschnitt über die Stempelhöhe erreicht.An advantageous reduction of critical stress concentrations in the edge region of the test specimens is achieved by the introduction of pressure via pressure stamps with a modified cross section over the die height.

Aufgrund der Austauschbarkeit der Stempel in der Druckprüfvorrichtung können verschiedene Prüfkörpergeometrien geprüft werden. Bevorzugt sind zylindrische oder quaderförmige, besonders bevorzugt, würfelförmige Prüfkörper.Due to the interchangeability of the punches in the pressure tester different Prüfkörpergeometrien be tested. Preference is given to cylindrical or cuboid, particularly preferably, cube-shaped test specimens.

1 zeigt den Grundaufbau der Druckprüfvorrichtung in einer schematischen Darstellung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird über das dargestellte Kugelgelenk 9 mit einer Druckkraft beaufschlagt, welche vorzugsweise mittels einer Universalprüfmaschine aufgebracht wird. Das Kugelgelenk 9 ist dabei auf einer Platte eines Säulengestells 6 angeflanscht und leitet über dieses die Druckkraft an den ebenfalls angeflanschten Stempeladapter 4 weiter. Über den Stempeladapter 4 wird die Belastung an den in diesem Stempeladapter 4 gefassten Druckstempel 2 übertragen. Die Druckstempel 2 und 3 stehen in direktem Kontakt mit dem Prüfkörper 1 und übertragen die Prüfkraft auf den Prüfkörper 1. Der Probekörper 1 ist über einen weiteren Druckstempel 3, den unteren Stempeladapter 5 sowie die untere Platte des Säulengestells 7 gelagert bzw. mit der Universalprüfmaschine verbunden. Die Stempeladapter 4 und 5 erlauben ein Verdrehen der Druckstempel 2 und 3 zueinander und stellen die präzise Ausrichtung dieser zueinander sicher. 1 shows the basic structure of the pressure testing device in a schematic representation. The device according to the invention is via the illustrated ball joint 9 subjected to a compressive force, which is preferably applied by means of a universal testing machine. The ball joint 9 is on a plate of a pillar frame 6 flanged and passes over this the pressure force on the likewise flanged stamp adapter 4 further. About the stamp adapter 4 The load on the in this stamp adapter 4 recorded plunger 2 transfer. The printing stamp 2 and 3 are in direct contact with the specimen 1 and transfer the test force to the test specimen 1 , The test piece 1 is about another printing stamp 3 , the lower punch adapter 5 and the lower plate of the column frame 7 stored or connected to the Universalprüfmaschine. The stamp adapters 4 and 5 allow a rotation of the plunger 2 and 3 to each other and ensure the precise alignment of each other.

Die Oberflächenrauheit, das Material, sowie die geometrische Gestalt der Druckstempel 2 und 3 werden auf den zu prüfenden Werkstoff des Prüfkörpers 1 angepasst. Mögliche Querkräfte werden von der oberen Platte des Säulengestells 6 über die Führungssäulen 8 direkt auf die untere Platte des Säulengestells 7 übertragen und stellen somit eine uniaxiale Belastung des Prüfkörpers sicher.The surface roughness, the material, as well as the geometric shape of the plunger 2 and 3 be applied to the test material of the test specimen 1 customized. Possible lateral forces are from the upper plate of the column frame 6 over the guide columns 8th directly on the lower plate of the column frame 7 transferred and thus ensure a uniaxial load on the specimen.

2 zeigt eine frontale Schnittansicht der erfindungsgemäßen Druckprüfvorrichtung mit zwei geometrisch unterschiedlichen Druckstempelvarianten a) und b). Die in 2a dargestellten Druckstempel 2 und 3 sind tailliert bei quadratischer Grundfläche, wohingegen die in 2b dargestellten Druckstempel 2 und 3 quaderförmig, mit ebenen Außenkanten ausgeführt sind. Durch die taillierte Druckstempelgeometrie in 2a wird eine erfindungsgemäße, werkstoffangepasste Abminderung der Druckstempelsteifigkeit auf geometrischem Wege erzielt. Darüber hinaus kann bei 2b eine erfindungsgemäße, werkstoffangepasste Abminderung der Druckstempelsteifigkeit durch Variation des Druckstempelmaterials, beispielsweise durch Verwendung von Titanlegierungen, angepasst werden. Weiter wird der Aufbau der Stempeladapter 4 und 5 detailliert sichtbar, bei denen der eigentliche Druckstempel 2 bzw. 3 über eine Hülse mit kegeliger lnnenfläche über ein Gewinde auf eine Basis gepresst wird. Dieser Aufbau der Stempeladapter 4 und 5 stellt die exakte Positionierung in Lastpfadrichtung sicher und erlaubt eine rotatorische Ausrichtung der Druckstempel 2 und 3 zueinander. 2 shows a frontal sectional view of the pressure testing device according to the invention with two geometrically different plunger variants a) and b). In the 2a illustrated plunger 2 and 3 are waisted with a square base, whereas the in 2 B illustrated plunger 2 and 3 cuboid, with flat outer edges are executed. Due to the fitted pressure stamp geometry in 2a an inventive, material-adapted reduction of the pressure stamp stiffness is achieved by geometric means. In addition, at 2 B an inventive, material-adapted reduction of the plunger stiffness can be adjusted by varying the plunger material, for example by using titanium alloys. Next is the construction of the stamp adapter 4 and 5 Visible in detail, where the actual printing stamp 2 respectively. 3 is pressed over a sleeve with a conical inner surface via a thread on a base. This construction of the stamp adapter 4 and 5 ensures the exact positioning in the load path direction and allows a rotational alignment of the plunger 2 and 3 to each other.

Ausführungsbeispielembodiment

Der Prüfkörper ist würfelförmig, mit einer Kantenlänge von jeweils 10 mm. Er besteht aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (E-Modul in Faserrichtung: 88 GPa; Druckfestigkeit in Laminatdickenrichtung ca. 1000 MPa). Die Kohlenstofffaserverstärkung besteht aus einem Gewebe mit Atlasbindung aus 6K-Rovings (T800-Kohlenstofffaser) und einem Flächengewicht von etwa 285 g/m2. Im Prüfkörper sind insgesamt 38 Gewebeeinzellagen enthalten, so dass sich ein Gesamtfaservolumenanteil im Prüfkörper von etwa 60 % ergibt. Die Kunststoffmatrix besteht aus einem Epoxidharz.The test piece is cube-shaped, with an edge length of 10 mm each. It consists of carbon-fiber-reinforced plastic (modulus of elasticity in the fiber direction: 88 GPa, compressive strength in the laminate thickness direction about 1000 MPa). The carbon fiber reinforcement consists of an Atlas weave of 6K rovings (T800 carbon fiber) and a basis weight of about 285 g / m 2 . The test specimen contains a total of 38 tissue cell layers, so that a total fiber volume fraction in the specimen of about 60% results. The plastic matrix consists of an epoxy resin.

Die Dickenrichtung der Kohlenstofffaserverstärkung entspricht der Normale zur Kontaktfläche des Druckstempels 2, 3.The thickness direction of the carbon fiber reinforcement corresponds to the normal to the contact surface of the plunger 2 . 3 ,

Es werden Druckprüfungen mit zwei Druckstempelpaaren 2, 3 durchgeführt, wobei die Druckstempel jedes Paares identisch sind. Die Krafteinleitungsflächen 10 jedes Druckstempels 2, 3 der beiden Druckstempelpaare weisen Abmessungen von 10,4 mm × 10,4 mm auf. Jeder Druckstempel 2, 3 weist somit einen umlaufenden Überstand von 0,2 mm auf.There will be pressure tests with two pairs of pressure stamps 2 . 3 performed, wherein the plunger of each pair are identical. The force introduction surfaces 10 every printing stamp 2 . 3 the two pairs of plunger have dimensions of 10.4 mm × 10.4 mm. Every printing stamp 2 . 3 thus has a circumferential projection of 0.2 mm.

Das erste Stempelpaar 2, 3 besteht aus zwei geraden Druckstempel 2, 3 aus Titan beta C (E-Modul: 106 GPa; Streckgrenze: 1260 MPa) ohne Taillierung oder Verjüngung.The first stamp pair 2 . 3 consists of two straight pressure stamps 2 . 3 made of titanium beta C (modulus of elasticity: 106 GPa, yield strength: 1260 MPa) without sidecut or rejuvenation.

Das zweite Paar 2, 3 besteht aus zwei taillierten Druckstempeln 2, 3 aus wärmebehandeltem Stahl X2NiCoMo (E-Modul: 193 GPa; Streckgrenze: 1815 MPa). Die Taillierung besteht in einer Querschnittsabnahme, durch die die Seitenwand des Druckstempels 2, 3 sich in einem Winkel von 10° bis in eine Höhe von 4,5 mm verjüngt. Die Querschnittsabnahme beginnt in einer Höhe von 0,35 mm oberhalb der Krafteinleitungsfläche 10. Nach der Querschnittsabnahme folgt ein Abschnitt konstanten Querschnittes, bevor der Druckstempel 2, 3 ab einer Höhe von 7 mm wieder im Querschnitt zunimmt.The second pair 2 . 3 consists of two fitted punches 2 . 3 made of heat-treated steel X2NiCoMo (modulus of elasticity: 193 GPa, yield strength: 1815 MPa). The sidecut consists of a cross-section, through which the side wall of the plunger 2 . 3 tapers at an angle of 10 ° to a height of 4.5 mm. The cross-section decrease begins at a height of 0.35 mm above the force introduction surface 10 , After the cross-section decrease follows a section of constant cross-section before the plunger 2 . 3 increases again in cross section from a height of 7 mm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Prüfkörper specimen
22
Druckstempel, oben Pressure stamp, above
33
Druckstempel, unten Pressure stamp, below
44
Stempeladapter, oben Stamp adapter, above
55
Stempeladapter, unten Stamp adapter, bottom
66
Platte des Säulengestells, oben Plate of pillar rack, above
77
Platte des Säulengestells, unten Plate of pillar rack, below
88th
Führungssäule des Säulengestells Guide column of the column frame
99
Kugelgelenk ball joint
1010
Krafteinleitungsflächen Force application surfaces
1111
Halterung des Druckstempeladapters Mount the plunger adapter

Claims (9)

Verfahren zur Druckbeanspruchung von quader- oder zylinderförmigen Prüfkörpern aus Verbundwerkstoffen mit Gewebeverstärkung oder anderen Verstärkungsstrukturen aus textilen Flächengebilden, wobei das textile Flächengebilde ein- oder mehrlagig ist und im Wesentlichen parallel zu zwei gegenüberliegenden parallelen Krafteinleitungsflächen des Prüfkörpers verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die folgenden Schritte aufweist: – Abschätzung des zu erwartenden E-Moduls des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckbeanspruchung mittels mathematischer Verfahren und/oder aufgrund von Vorversuchen mit identischen Prüfkörpern und/oder aufgrund der Auswertung vorhergehender Messreihen mit ähnlichen Probekörpern, – Auswahl eines geeigneten Stempelpaares danach, dass: – der E-Modul des Materials des Druckstempels der E-Modul des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckkraftrichtung bevorzugt um nicht mehr als 100 % übersteigt, – eine Taillierung bzw. Verjüngung des Stempels so gewählt wird, dass im Randbereich der Krafteinleitungsfläche nach den Abschätzungsergebnissen eine Überbeanspruchung (Wegplatzen von Material) nicht zu erwarten ist, – die Druckstempelflächen nicht kleiner als die Krafteinleitungsflächen des Probekörpers sind und in ihrer Abmessung die Abmessung der Krafteinleitungsflächen des Prüfkörpers um nicht mehr als 15% übersteigen – die Form der Druckstempelflächen weitgehend den korrespondierenden Krafteinleitungsflächen des Prüfkörpers entsprechen. – Anordnen des Prüfkörpers zwischen dem Stempelpaar derart, dass die Verstärkungsstrukturen aus textilen Flächengebilden im Wesentlichen parallel zu den zwei gegenüberliegenden parallelen Krafteinleitungsflächen des Prüfkörpers verlaufen, – Durchführen der DruckbeanspruchungMethod for compressive stress of cuboid or cylindrical test specimens of composite materials with fabric reinforcement or other reinforcing structures made of textile fabrics, wherein the fabric is single or multi-layered and substantially parallel to two opposite parallel force introduction surfaces of the specimen, characterized in that the method at least the Having the following steps: - Estimation of the expected modulus of elasticity of the specimen in the transverse direction to compressive stress by means of mathematical methods and / or based on preliminary tests with identical specimens and / or based on the evaluation of previous series of measurements with similar specimens, - Selection of a suitable pair of dies after that : - the modulus of elasticity of the material of the plunger does not exceed the modulus of elasticity of the specimen in the transverse direction to the direction of compression by more than 100%, - a sidecut or V tapering of the punch is chosen so that in the edge region of the force introduction surface according to the estimation results overuse (Wegplatzen of material) is not expected, - the plunger surfaces are not smaller than the force introduction surfaces of the specimen and in their dimension of the force introduction surfaces of the specimen to not exceed more than 15% - the shape of the pressure stamp surfaces largely correspond to the corresponding force introduction surfaces of the test specimen. Arranging the test body between the pair of plungers in such a way that the reinforcing structures of textile fabrics run essentially parallel to the two opposite parallel force introduction surfaces of the test body, performing the compressive stress Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstempel vor der Druckbeanspruchung durch eine Feinpolitur oder durch das Auftragen von Öl eine möglichst geringe Oberflächenrauheit der Krafteinleitungsflächen erreichen. A method according to claim 1, characterized in that the plunger before the Pressure stress by fine polishing or by the application of oil to achieve the lowest possible surface roughness of the force introduction surfaces. Stempel für die Druckprüfung von Prüfkörpern aus Verbundwerkstoffen mit Gewebeverstärkung oder anderen Verstärkungsstrukturen aus textilen Flächengebilden, wobei das textile Flächengebilde ein- oder mehrlagig ist und im Wesentlichen parallel zu zwei parallelen Krafteinleitungsflächen des Prüfkörpers verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul des Stempelmaterials in etwa dem E-Modul des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckkraftrichtung entspricht.Stamp for pressure testing of test specimens made of composite materials with fabric reinforcement or other reinforcing structures made of textile fabrics, wherein the fabric is single or multi-layered and substantially parallel to two parallel force introduction surfaces of the test piece, characterized in that the modulus of elasticity of the stamp material approximately corresponds to the modulus of elasticity of the test specimen in the transverse direction to the compression force direction. Stempel für die Druckprüfung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Taillierung bzw. Verjüngung des Stempels aufgrund der Abschätzung der zu erwartenden E-Moduls des Prüfkörpers in Querrichtung zur Druckbeanspruchung so gewählt wird, dass im Randbereich der Krafteinleitungsfläche keine Überbeanspruchung (Wegplatzen von Material) des Materials des Prüfkörpers erfolgt.Stamp for the pressure test according to claim 3, characterized in that a sidecut or taper of the stamp due to the estimation of the expected modulus of elasticity of the specimen in the transverse direction to the compressive stress is chosen so that in the edge region of the force introduction surface no overuse (Wegplatzen of material) the material of the specimen takes place. Stempel für die Druckprüfung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstempelfläche sowohl in Abmessung als auch in Form weitgehend der korrespondierenden Krafteinleitungsfläche des Prüfkörpers entspricht.Stamp for the pressure test according to claim 3 or 4, characterized in that the pressure stamp surface largely corresponds both in dimension and in shape of the corresponding force introduction surface of the test specimen. Stempel für die Druckprüfung nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche der Stempel zum Prüfkörper zur Gewährleistung geringer Reibung modifiziert ist.Stamp for the pressure test according to one of claims 3 to 5, characterized in that the contact surface of the stamp is modified to test specimen to ensure low friction. Stempel für die Druckprüfung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung zur Gewährleistung geringer Reibung in einer Feinpolitur der Krafteinleitungsflächen der Stempel oder durch den Auftrag von Öl auf die Krafteinleitungsflächen besteht.Stamp for the pressure test according to claim 6, characterized in that the modification to ensure low friction in a fine polishing of the force introduction surfaces of the stamp or by the application of oil to the force introduction surfaces. Verwendung eines Stempels nach einem der Ansprüche 3 bis 7 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2.Use of a stamp according to one of claims 3 to 7 for carrying out the method according to one of claims 1 or 2. Verwendung mindestens eines Stempels nach einem der Ansprüche 3 bis 7 in einer Vorrichtung zur Druckprüfung, mit einem Säulengestell, aufweisend mindestens eine Führungssäule und zwei Platten, wobei eine Platte über ein Kugelgelenk mit einer Werkstoffprüfmaschine verbunden ist und zwischen den Platten des Säulengestells die Krafteinleitungselemente, bestehend aus Druckstempeladaptern und Stempeln, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempel lösbar in den Druckstempeladaptern einander gegenüberliegend angeordnet sind und ein oder beidseitig auf den zwischen den Stempeln platzierten Prüfkörper eine Druckkraft übertragen wird.Use of at least one stamp according to one of claims 3 to 7 in a pressure testing apparatus comprising a column frame comprising at least one guide column and two plates, one plate connected to a material testing machine via a ball joint and the force introduction elements between the plates of the column frame from plunger adapters and punches, are arranged, characterized in that the stamp are releasably arranged in the plunger adapters opposite each other and one or both sides of the placed between the punches specimen a compressive force is transmitted.
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