Laserextensometrie Lokale Dehnungsregelung

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Laserextensometrie Lokale Dehnungsregelung

Grundlagen

Das Kennwertniveau von Kunststoffen hängt wesentlich von der Prüfgeschwindigkeit und der Prüftemperatur ab, welches sich durch die Kriech- und Relaxationsneigung in den viskoelastischen Eigenschaften dieser Werkstoffe 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 (siehe Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen, nicht konstant sind. Dies wirkt sich 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. Bestimmt man im konventionellen Zugversuch das lokale Dehnungsverhalten an einem Kunststoff mit ausgeprägter Streckspannung (Bild 1) mittels Laserextensometrie, dann ergibt sich die rote Spannungs-Dehnungs-Kurve. Bis zum Auftreten der Streckgrenze (gestrichelte Linie in Bild 1) verhalten sich die lokalen Dehnraten infolge des Bildmaßstabs quasihomogen. Mit der makroskopisch sichtbaren Streckspannung splitten sich die lokalen Dehnraten auf. Die Reflektoren, die im Bereich der Einschnürfront liegen, weisen dann eine wesentlich höhere lokale Dehngeschwindigkeit auf, während die außerhalb positionierten Zonen sinkende Dehnraten und teilweise negative (Kontraktion) Dehngeschwindigkeiten zeigen. Dieser Effekt ist in dem Verhalten des Prüfkörpers entsprechend eines Federmodells mit einer Gesamtsteifigkeit EA₀, aber lokalen Unterschieden der Steifigkeit (siehe: Probennachgiebigkeit) infolge des inneren Zustandes (Eigenspannungen und Orientierungen) begründet.

Bild 1:

Ermittlung des lokalen Dehnungsverhaltens im konventionellen Zugversuch an Polyamid 6 bei einer nominellen Dehnrate von 0,1 %/min

Das belegt unter ingenieurtechnischen Gesichtspunkten, dass eine Dehnungsregelung nur bis zum Auftreten der Streckgrenze sinnvoll ist.

Lokales Dehnungsverhalten im konventionellen Zugversuch mit Laserextensometer

Betrachtet man das resultierende lokale Dehnungsverhalten eines Polyamidwerkstoffs mit 10 M.-% Kurzglasfasern im konventionellen Zugversuch mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5 mm/min dann ergibt sich die lokale Dehnungsverteilung entsprechend Bild 2.

Bild 2:

Ermittlung des lokalen Dehnungsverhaltens im konventionellen Zugversuch mit konstanter Traversengeschwindigkeit von 5 mm/min an PA6+10 M.-% GF

Es wird hier ersichtlich, dass die lokale Dehnungsverteilung von der Glasfaserorientierung im Prüfkörper dominiert wird. Aufgrund des rechtsseitigen Angusses befindet sich die Position mit der geringsten Orientierung (siehe: Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen) auf der linken Seite des Diagramms, was durch die höheren Dehnungen angezeigt wird. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass eine sehr inhomogene Dehnungsverteilung, verursacht durch die variierende Dehnrate, innerhalb des Reflektorbereichs auftritt. Der konventionelle Zugversuch weist deshalb im Vergleich mit dehnungsgeregelten Versuchen (siehe: Zugversuch Regelung) die höchsten statistischen Streuungen auf.

Integraler dehnungsgeregelter Zugversuch mit Laserextensometer

Verwendet man den integralen dehngeregelten Zugversuch, dann ist ein externer Ansatzdehnungsaufnehmer erforderlich, der sich außerhalb der Reflektoren befindet. Alternativ kann die Regelung auch zwischen dem ersten und letzen Reflektor vorgenommen werden, wobei dann allerdings eine hard- und softwaretechnische Einbindung des Laserextensometers in die Elektronik der Universalprüfmaschine erforderlich ist (Bild 3).

Bild 3:

Kopplung eines Laserextensometers mit einer Universalprüfmaschine zur Realisierung dehnungsgeregelter Zugversuche

Während des Zugversuchs ermittelt das Laserextensometer die lokalen Dehnungen im überwachten Prüfkörperbereich und berechnet die für die Regelung verwendeten Dehnungssignale. Das kann die integrale Dehnung sein oder irgendeine beliebige lokale Dehnung sowie das Minimum oder Maximum der lokalen Dehnungsverteilung. Dieser Dehnungswert wird über einen Digital-Analog-Wandler (DAC) dem Rechner der Prüfmaschine als Ist-Wert zur Verfügung gestellt. Anhand eines Vergleichs von Soll- und Ist-Wert wird im geschlossenen Regelkreis (closed loop circuit) über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) die Traversengeschwindigkeit zur Minimierung der Sollwertabweichung nachgeregelt. Die PID-Regler-Einstellung hängen dabei von der gewählten Dehnrate sowie dem Elastizitätsmodul des untersuchten Werkstoffes ab. Das Ergebnis der Untersuchung des lokalen Dehnungsverhaltens im integral geregelten Zugversuch ist in Bild 4 dargestellt.

Bild 4:

Ermittlung des lokalen Dehnungsverhaltens im integral dehnungsgeregelten Zugversuch an PA6+10 M.-% GF

Zu erkennen ist eine deutlich Verbesserung der Homogenität der Dehnungsverteilung im Vergleich zum konventionellen Zugversuch (Bild 2), was durch die konstante Dehnrate im Regelbereich hervorgerufen wird. Innerhalb dieses Bereichs widerspiegeln die Unterschiede der lokalen Dehnung ebenfalls die Orientierungsverhältnisse im Prüfkörper, allerdings seitenverkehrt, da der Prüfkörper anders in den Einspannklemmen befestigt wurde. Zu erkennen ist auch, dass der geregelte Versuch eine erhöhte Versuchszeit bis zum Bruch benötigt und eine kleinere Bruchdehnung aufweist, was durch die verbesserten Kriechbedingungen in diesem Versuch bedingt ist.

Lokaler dehnungsgeregelter Zugversuch mit Laserextensometer

Das Bild 5 zeigt das Resultat einer lokalen Dehnungsregelung an dem identischen Werkstoff, wobei die normative Dehnrate wie bei der integralen Regelung der nominellen Dehngeschwindigkeit im konventionellen Zugversuch angepasst wurde.

Bild 5:

Ergebnisse des nach dem lokalen Maximum dehnungsgeregelten Zugversuchs an PA6+10 M.-% GF

Von dem Laserextensometer wird das jeweilige lokale Dehnungsmaximum unabhängig vom Ort des Auftretens gesucht und als Ist-Wert der Regelung benutzt. Obwohl makroskopisch keine Einschnürung zu beobachten ist, scheint das Dehnungsverhalten einem Kunststoff mit Streckspannung zu entsprechen. Ursache ist die Begrenzung der Dehnrate im Bereich der Reflektoren, welche die Kriech- und Relaxationsbedingungen im Versuch optimiert und quasi den mittleren Prüfkörperbereich aus dem Querschnitt herauszieht. Dies ist auch anhand der deutlich verlängerten Versuchsdauer zu erkennen. Für die Simulation des realen Bauteilversagens, wo die Belastung integral erfolgt, aber das Versagen an einer Schwachstelle lokal begrenzt ist, liefert dieser Zugversuch wertvolle Aussagen.

Literaturhinweise

• Grellmann, W., Bierögel, C.: Laserextensometrie anwenden. Einsatzmöglichkeiten und Beispiele aus der Kunststoffprüfung Materialprüfung 40 (1998) 11–12, 452–459
• Bierögel, C.: Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage S. 534−539, ISBN 978-3-446-44350-1 E-Book-ISBN: 978-3-446-44390-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18
• Bierögel, C., Fahnert, T., Grellmann, W.: Deformation Behaviour of Reinforced Polyamide Materials Evaluated by Laser Extensometry and Acoustic Emission Analysis. Strain Measurement in the 21^st Century, Lancaster (UK) 5.–6. September 2001, Proceedings (2001) 56–59
• Bierögel, C., Fahnert, T., Lach, R., Grellmann, W.: Bewertung von Kunststoffschweißnähten mittels laseroptischer Dehnmesstechniken. In: Frenz, H., Wehrstedt, A. (Eds.): Kennwertermittlung für die Praxis. Tagungsband Werkstoffprüfung 2002, Wiley VCH, Weinheim (2003) 334–339
• Bierögel, C., Grellmann, W., Fahnert, T., Lach, R.: Material Parameters for Evaluation of Polymer Welds using Laser Extensometry. Polymer Testing 25 (2006) 1024–1037