Druckprüfanordnung

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Druckprüfanordnung

Messtechnische Voraussetzungen

Für die exakte Durchführung des Druckversuches zur Beurteilung des Werkstoffverhaltens bei uniaxialer Druckbelastung sind eine Reihe messtechnischer Voraussetzungen zu beachten [1].
Die Prüfanordnung erscheint einerseits relativ einfach und unkompliziert zu sein, andererseits zeigt die Prüfpraxis, dass die erzielten Ergebnisse häufig fehlerbehaftet sind, größere messtechnisch bedingte Standardabweichungen auftreten können und hinsichtlich der Absolutwerte falsch sein können [2].
Für die exakte und normengerechte Durchführung des Druckversuches bieten die Hersteller von Materialprüfmaschinen bewegliche Druckplatten an, die z. B. in der Ausführungsvariante der Fa. Instron kugelgelagert sind (Bild 1) [3].

Bild 1:

Druckprüfanordnung mit kugelgelagerten Druckplatten [3]

Die beweglichen Druckplatten können oben oder unten montiert werden und verfügen über einen Zentrierteller, der über Federn eine exakte Position in der Lastlinie einstellt. Da die Reibung der Lagerung einen hohen Einfluss ausübt, werden diese Varianten der Druckprüfanordung zumeist nur für Werkstoffe mit einer hohen Druckfestigkeit (Metalle und Beton), aber hinreichenden Duktilität eingesetzt, da hohe Zentrierungskräfte erforderlich sind. Im Fall von spröden bzw. nicht duktilen Werkstoffen, wie Keramiken oder Hochleistungsverbunden, mit sehr geringen Dehnungen werden spezielle Druckprüfeinrichtungen eingesetzt. Da diese Werkstoffe sensibel auf Zusatzbeanspruchungen (Biegung, Torsion oder Scherung) reagieren, werden spezielle Prüfmaschinen (siehe: Prüfung von Verbundwerkstoffen – Anforderungen an Materialprüfmaschinen) mit mechanischen Zentriereinrichtungen in x-, y- und z-Richtung und online-Anzeige von Fehlern in der Lastlinie verwendet [4]. Betroffen sind hier z. B. Druckprüfungen im Shear-loading oder Combined-loading Verfahren und der Compression After Impact (CAI) Test.
Bei den thermoplastischen Kunststoffen werden derartige Druckprüfanordnungen zumeist nicht eingesetzt, da die erforderlichen Kräfte zur Zentrierung der Prüfeinrichtung bei diesen Werkstoffen nicht erreicht werden. Hier werden in der Regel starr fixierte Druckplatten verwendet, die mit Zentrierhilfen (konzentrische Ringe auf den Tellern) ausgestattet sind. In diesem Fall ist der Betreiber der Prüfeinrichtung für die Kalibrierung der exakten planparallelen Ausrichtung der Druckteller in der Lastlinie selbst verantwortlich bzw. diese Aufgabe wird von einer zertifizierten Prüfeinrichtung übernommen, da ansonsten bei den Druckprüfungen Spannungskonzentrationen (siehe: Bruchmechanik) auftreten können, die zum vorzeitigen Versagen (siehe: Bruch) führen können.

Ein Problem besteht desweiteren in der Zentrierung des Prüfkörpers, da eine außermittige Position auf dem Druckteller bzw. ein Versatz der Prüfkörperposition relativ zur Lastlinie der Kraftmesskette zur Einleitung eines Biegemomentes führt und damit das Messergebnis beeinflusst.

Anforderungen an die Prüfkörpergeometrie

Das wesentliche Problem der Druckprüfung ist jedoch in der Prüfkörperherstellung begründet. Ist bei der Prüfkörperpräparation die Planparallelität aber nicht die Rechtwinkligkeit (Bild 2a) gewährleistet, dann tritt zusätzlich zur Druckspannung eine Biegekomponente auf, die das Festigkeits- und Verformungsverhalten signifikant beeinflusst [2]. Sind beide Forderungen nicht erfüllt (Bild 2b), dann besteht nur partieller Kontakt des Prüfkörpers zum Druckteller. Da die Kontaktfläche A nicht bekannt ist, sich mit zunehmende Dauer des Druckversuchs verändert und die Spannungsberechnung unter Nutzung der Gesamtfläche A₀ erfolgt, werden die Festigkeitswerte generell zu gering sein. Dieser Effekt hat natürlich auch Auswirkungen für die Berechnung des Elastizitätsmoduls, da die Position des Ansetzdehnungsaufnehmers einen wesentlichen Einfluss ausübt.

Bild 2:

Einfluss fehlerhafter Prüfkörpergeometrie auf den Druckversuch

In der rechtsseitigen Position des Prüfkörpers (Bild 2b) tritt eine starkes Anlaufverhalten auf, gefolgt von einer zunehmenden Stauchung (Bild 2c). Die Modulberechnung liefert aber falsche Kennwerte, da die Spannung aufgrund der fehlerhaften Fläche nicht richtig berechnet wird. Wird der Aufnehmer auf der linken Seite des Prüfkörpers befestigt, dann wird aufgrund der Biegebeanspruchung eine Zug-Dehnung gemessen. Das führt dazu, dass entweder kein Modulwert berechnet wird oder unsinnige Werte ausgegeben werden.

Reibung und Prüfkörperpositionierung

Ein weiteres Problem ist die Reibung zwischen der Stirnfläche der Prüfkörper und den Drucktellern in Verbindung mit der HERTZ´schen Pressung an der Position der Krafteinleitung (Bild 3). Die führt zu einer behinderten Querdehnung im Kontaktbereich, die sich bei spröden Prüfkörpern nur geringfügig auswirkt, bei duktilen Werkstoffen aber eine mittige Ausbauchung verursacht.

Bild 3:

Einfluss von Oberflächenrauigkeiten auf den Druckversuch

Zur Verringerung der Reibung können Fette oder Öle auf die Stirnflächen aufgebracht werden, was aber in jedem Fall im Protokoll vermerkt werden muss. Diese Maßnahmen helfen nicht, wenn die Rauigkeiten der Stirnflächen zu groß sind (Bild 3a) und die Kontaktfläche undefiniert ist. In diesem Fall tritt ein ausgeprägtes Anlaufverhalten auf und die gemessenen E-Moduli ergeben zu geringe Werte. Dieser Effekt wird bei duktilen Werkstoffen zwar mit zunehmender Stauchung geringer, erschwert aber die Auswertung erheblich.
Dieses Problem kann unter Zuhilfenahme eines kalthärtenden Harzes (Einbettmittel) mit geringer Topfzeit vermieden werden, indem es auf die Stirnseiten der Prüfkörper aufgebracht wird und zwischen den Drucktellern positioniert wird. Anschließend wird eine kleine Vorlast aufgebracht, wodurch das überflüssige Harz verdrängt wird. Nach Ablauf der Topfzeit kann dann der Versuch durchgeführt werden (Bild 3b). Das verzögert die Versuchsdurchführung etwas und muss ebenfalls im Protokoll vermerkt werden, aber die Resultate der Druckprüfung werden deutlich verbessert.

Literaturhinweise

[1]	Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2]	Voronko, Y.: Mechanische Eigenschaften von Kunststoffen im Biege- und Druckversuch. Studienarbeit, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (2009) (siehe AMK-Büchersammlung unter B 3-152)
[3]	http://www.instron.de/de-de/testing-solutions/by-material/plastics/compression/iso-604 http://www.instron.de/de-de/products/testing-accessories/grips/compression-platens-anvils-spherical-seating (06.07.2017)
[4]	https://www.zwick.de/composites/zugversuch-druckversuch-biegeversuch/compression-after-impact-cai https://www.zwick.de/kunststoff/polymerschaeume/stauchhaerte-iso-3386 (06.07.2017)
[5]	DIN EN ISO 604 (2003-12): Kunststoffe – Bestimmung der Druckeigenschaften
[6]	ASTM D 695 (2015): Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics