Aus Lexikon der Kunststoffprüfung
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Zugversuch Regelung

Einflussfaktoren

Das Kennwertniveau von Kunststoffen hängt in hohem Maße von der Prüfgeschwindigkeit und der -temperatur ab, welches sich mit der Kriech- und Relaxationsneigung in den viskoelastischen Eigenschaften äußert. Die Ursache ist in den Prüfbedingungen des konventionellen Zugversuch an Kunststoffen zu suchen, da hier die lokale und integrale Dehnrate infolge zahlreicher Einflussfaktoren, wie der Orientierung und dem inneren Eigenspannungszustand, nicht konstant sind. Dies wirkt sich auf das Deformationsverhalten und den Absolutwert der Kennwerte aus. Vermeidbar oder minimierbar sind diese unvermeidbaren Einflussfaktoren durch die Nutzung geregelter Zugversuche, die allerdings bei Kunststoffen im Gegensatz zur Prüfung metallischer Werkstoffe [1] nicht genormt sind. Dabei sind mit der Kraftregelung und der Dehnungsregelung zwei grundlegende Arten dieser geregelten Zugversuche bekannt.
Bei der konventionellen Versuchsdurchführung mit konstanter Traversengeschwindigkeit muss der primäre Regelkreis die Konstanz der Traversengeschwindigkeit vT unabhängig von der aufgebrachten Prüflast garantieren. Im Fall der Regelung der Kraft oder der Dehnung dient die Traversengeschwindigkeit als Regelgröße zur Erzeugung eines konstanten Kraftanstiegs dF/dt oder einer konstanten Dehnrate dε/dt innerhalb der Fühlerlänge des Dehnmesssensors. Damit ist die Geschwindigkeit der Prüfmaschine keine konstante Größe.

Kraftregelung

Im kraft- oder spannungsgeregelten Zugversuch ist der Vorgabe- oder Sollwert der Kraft- oder Spannungsanstieg pro Zeiteinheit dF/dt bzw. dσ/dt. Zur Ermittlung des Sollwerts wird ein konventioneller Zugversuch bis zu einem gewünschten Grenzwert (Bild 1) durchgeführt, der die Streckgrenze oder die Zugfestigkeit nicht überschreiten darf, da dann Instabilitäten im Regelkreis auftreten, die zum Abbruch des geregelten Versuchs führen.

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Bild 1: Ermittlung des Sollwerts der Kraftregelung im Zugversuch

Die Sekante vom Nullpunkt bis zum Grenzwert beschreibt durch ihren Anstieg den Sollwert dF/dt oder ΔF/Δt der Regelgröße und entspricht einer Rampenfunktion. Der geschlossene Regelkreis (Closed Loop) kann dabei mit einem analogen Funktionsgenerator (Bild 2a) oder einem digitalen softwaregestütztem Regelsystem (Bild 2b) realisiert werden. Der Istwert (Eingangsgröße) und der Sollwert können je nach verwendetem Sensor (Kraftmessdose oder Ansetzdehnungsaufnehmer (siehe: Zugversuch Wegmesstechnik)) die Kraft oder Spannung sowie die Verlängerung oder die Dehnung sein. Die PID-Regler-Einstellung hängen dabei von der gewählten Dehn- oder Spannungsrate sowie dem Elastizitätsmodul des untersuchten Werkstoffes ab. Insbesondere zu kleine P-Werte (Proportionalverstärkung) führen zur Nichteinhaltung der Zielwerte oder zu große P-Werte erzeugen Regelkreisinstabilitäten.

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Bild 2: Analoge (a) oder inkrementale (b) Kraft- oder Dehnungsregelung im Zugversuch

Dehnungsregelung

Im verlängerungs- oder dehnungsgeregelten Zugversuch ist der Vorgabe- oder Sollwert der Anstieg der Verlängerung- oder der Dehnungsanstieg pro Zeiteinheit dΔL/dt bzw. dε/dt. Zur Ermittlung des Sollwerts wird ein konventioneller Zugversuch bis zu einem festgelegtem Grenzwert (Bild 3) durchgeführt, der die Streckgrenze oder die Zugfestigkeit nicht überschreiten darf, da dann Instabilitäten auftreten können.

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Bild 3: Ermittlung des Sollwerts der Dehnungsregelung im Zugversuch

Die gemessene Verlängerung bzw. Dehnung des Sensors im Messintervall L0 ist nur im Gebiet der Gleichmaßdehnung als Regelgröße verwendbar, es sei denn es werden lokal auflösende optische Dehnmesstechniken verwendet. Die Sekante vom Nullpunkt bis zum Grenzwert beschreibt durch den Anstieg den Sollwert dΔL/dt oder Δε/Δt der Regelgröße und entspricht einer Rampenfunktion. Der geschlossene Regelkreis (Closed Loop) kann dabei mit einem analogen Funktionsgenerator (siehe Bild 2a) oder einem digitalen softwaregestütztem Regelsystem (siehe Bild 2b) realisiert werden.

Einfluss der Regelart auf die Spannungs-Dehnungs-Abhängigkeit

Ein Vergleich der Zugversuche mit und ohne Regelung zeigt, dass der kraft- oder spannungsgeregelte Versuch einen konstanten Kraft- oder Spannungsanstieg unabhängig von den sonstigen Prüfbedingungen erzwingt und somit für den untersuchten Kunststoff die härteste Bedingung hinsichtlich der Geschwindigkeitsabhängigkeit dieser Werkstoffe darstellt. Aufgrund der veränderlichen Prüfgeschwindigkeit im geprüften Volumen liegt der konventionelle Zugversuch im Eigenschaftsniveau zwischen den spannungs- und dehnungsgeregelten Versuchen (Bild 4).

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Bild 4: Vergleich der Zugversuche mit verschiedenen Regelarten für einen unverstärkten Polypropylen (Kurzzeichen: PP)-Werkstoff

Der dehnungsgeregelte Zugversuch berücksichtigt die Erfordernisse bezüglich des Relaxations- und Kriechverhalten am besten, weshalb hier das geringste Spannungsniveau, aber die höchsten Dehnungen im Versuch registriert werden. Im konkreten Beispiel ist das unterschiedliche Spannungs-Dehnungs-Verhalten für ein Polyamid 6 mit 20 M.-% Kurzglasfasern dargestellt (Bild 5). In Bild 5a ist das Deformationsverhalten im konventionellen Zugversuch mit konstanter Traversengeschwindigkeit bzw. nomineller Dehnrate von 1 %/min zu sehen. Die mit einem Ansetzdehnungsaufnehmer registrierte normative Dehngeschwindigkeit zeigt starke Veränderungen während des Zugversuchs und erreicht die geforderte Dehnrate nur zu einem Zeitpunkt bei ca. 2 % der Dehnung. Der Zugversuch mit integraler Regelung der normativen Dehnrate zeigt erwartungsgemäß im Messintervall eine Konstanz der normativen Dehnung (Bild 5b).

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Bild 5: Vergleich der Spannungs-Dehnungs-Diagramme und der normativen Dehnraten für PA6-GF 20 für a) den konventionellen und b) den dehnungsgeregelten Zugversuch

Aus Bild 5 wird ersichtlich, das im geregelten Versuch infolge der günstigeren Relaxationsbedingungen ein geringeres Spannungsniveau erreicht wird und durch das Kriechen während des Zugversuches eine größere Bruchdehnung auftritt. Diese Effekte sind auch mit einer geringen Streuung der Kennwerte des Zugversuches verbunden [2].


Literaturhinweise

[1] DIN EN ISO 6892-1 (2017-02): Metallische Werkstoffe – Zugversuch – Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur
[2] Bierögel, C.: Zugversuch an Kunststoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 117–137 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)