Lexikon der Kunststoffprüfung - Benutzerbeiträge [de]

Thermographie

2021-06-02T09:07:56Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Thermographie
__FORCETOC__
==Thermographie==

Das Messverfahren der Thermographie ist ein [[Zerstörungsfreie_Prüfung_(ZfP)|zerstörungsfreies Prüfverfahren]] in der [[Werkstoffprüfung|Werkstoff-]] und [[Bauteilprüfung]]. Es beruht auf der Wärmestrahlung, genauer auf der Messung der Intensität elektro-magnetischer Wellen im Infrarot-Bereich. Typische Anwendungen sind in der Bauindustrie, im Flugzeugbau und in der Maschinenüberwachung zu finden. Dabei wird dieses Messverfahren zur Qualitätsüberwachung eingesetzt. In der [[Kunststoffdiagnostik]] wird die Thermographie unter Einbeziehung experimenteller Methoden der [[Bruchmechanik]] zur Quantifizierung des Schädigungsbeginns eingesetzt, indem z. B. eine in-situ Kopplung von bruchmechanischen Experimenten mit zerstörungsfreien Methoden, vorgenommen wird. Eine in der Polymer Service GmbH Merseburg eingesetzte hybride Methode ist [[Hybride_Methoden,_Beispiele|die Kopplung von Schallemission und Thermographie mit dem Zugversuch an einem statisch beanspruchten CT-Prüfkörper oder Vielzweckprüfkörper]].

==Allgemeines==

Dieses Prüfverfahren wird je nach Anregung unterteilt in die passive und aktive Thermographie. Bei der passiven Thermographie ist das Prüfobjekt gleichzeitig der Wärmestrahler. Die aktive Thermographie nutzt eine externe Wärmequelle zur Aufwärmung des Prüfobjektes, welches die absorbierte Wärme in alle Richtungen abstrahlt. Die vom Prüfobjekt ausgehende Infrarotstrahlung wird vom Messgerät, der Wärmebildkamera, registriert. Die Detektoren in der Kamera reagieren dabei auf den Wellenlängenbereich des Infrarotspektrums. Die Intensitätswerte werden anschließend über einen Bildschirm in Grauwert- oder Falschfarbendarstellung angezeigt. Dies ist anhand eines Wärmebildes in '''Bild 1''' dargestellt [1]. Hierbei wurde ein gekerbter PA 6-Vielzweckprüfkörper im [[Zugversuch]] mit einer Zugspannung belastet. Nach einer [[Kalibrieren|Kalibrierung]] lassen sich den einzelnen Bildpixeln Temperaturen zuordnen. Dafür ist in '''Bild 1''' auf der rechten Seite eine Farbskala angegeben.

[[Datei:ThermoelastischerEffekt.jpg|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Thermo-elastischer Effekt bei kurzzeitiger Zugbelastung von glasfaserverstärktem PA 6 [1]
|}

Im Falle des Beispieles aus '''Bild 1''' lassen sich Aussagen zur Temperaturverteilung auf der [[Oberfläche]] des [[Prüfkörper|Prüfkörpers]] unter einem bestimmten Belastungsregime machen. Sie lässt Rückschlüsse auf die innere Reibung zu, die mit der [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen|Dynamisch-Mechanischen Analyse (DMA)]] genau bestimmt werden kann.

==Physikalische Grundlagen==

Die Wärmebildkameras registrieren die elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Bereich. Dieser Bereich umfasst die Wellenlängen von 780 nm bis 1 mm. Die Kameras verfügen über ein Feld von Detektoren (Fotozellen), die für diese Wellenlängen empfindlich sind.
Betrachtet man durch eine Wärmekamera verschiedene Gegenstände in einem [[Normklimate|klimatisierten Raum]], registriert die Wärmebildkamera trotzdem Wärmequellen unterschiedlicher Strahlungsamplituden. Der Grund liegt darin, dass die Gegenstände aus verschiedenen Materialien bestehen und Oberflächeneigenschaften besitzen, die stark voneinander abweichen können.

==Reflexion, Transmission und Absorption von Wärmestrahlung==

Die Wärmestrahlung wird durch den Wärmestrom <math>\scriptstyle\dot{Q}</math> beschrieben, der von den Wärmequellen ausgeht. Trifft ein Wärmestrom (Wärmestrahl) auf einen Gegenstand, so gelten prinzipiell die Gesetze der geometrischen Optik ('''Bild 2''').

[[Datei:TermographieReflexionUndAbsorption.png|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schematische Darstellung der Wärmestrahlung an einer Platte
|}

Trifft ein Wärmestrom <math>\scriptstyle\dot{Q}_0</math> auf einen Körper, wird ein Teil reflektiert <math>\scriptstyle\dot{Q}_R</math>, ein anderer transmittiert <math>\scriptstyle\dot{Q}</math> und ein weiterer vom Körper absorbiert (<math>\scriptstyle\dot{Q}_A</math>). Damit ergibt sich (vgl. '''Bild 2''')
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_0 = \dot{Q}_R + \dot{Q}_T + \dot{Q}_A.</math>
|(1)
|}

Die Anteile bzw. die einzelnen Strahlungskoeffizienten auf der rechten Seite von Gl. (1) ergeben sich aus der Division beider Seiten durch den auftreffenden Wärmestrom auf den Körper <math>\scriptstyle\dot{Q}_0</math>:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\ 1 = \rho(\lambda) + \tau(\lambda) + \alpha(\lambda).</math>
|(2)
|}

Hierbei ist aber zu beachten, dass die Wärmeströme auf der rechten Seite von Gl. (1) im Allgemeinen von der Wellenlänge – und vom Material – abhängen und damit auch die Koeffizienten in Gl. (2).

==Emission von Wärmestrahlung==

Die aus der Umgebung absorbierte Wärmestrahlung erhöht die innere Energie des Körpers. Er gibt sie aber auch wieder an die Umgebung ab. Das ist der Inhalt des KIRCHHOFF’schen Strahlungsgesetzes: die absorbierte Wärmestrahlung ist gleich der emittierten Wärmestrahlung, was in Gl. (3) durch den Absorptionskoeffizienten (Absorptionsgrad) <math>\alpha</math> und den Emissionskoeffizienten (Emissionsgrad) <math>\epsilon</math> ausgedrückt ist:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\ \epsilon(\lambda,T) = \alpha(\lambda,T).</math>
|(3)
|}

Das ist auch der Grund, weshalb die Wärmebildkamera die Gegenstände in einem Raum mit unterschiedlichen Grau- oder Farbwerten darstellt, weil jeder Körper in Abhängigkeit von seiner inneren Energie, seinem Material und seiner Oberflächeneigenschaften einen spezifischen Emissionskoeffi-zienten besitzt.

==Prinzip der Thermographie==

Nach dem STEFAN-BOLTZMANN'schen Gesetz ist der Wärmefluss <math>\scriptstyle\dot{Q}_K</math> von einem Körper der Fläche A der vierten Potenz der Temperatur proportional:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_K = \sigma \epsilon A T_K^4.</math>
|(4)
|}

Hierbei ist σ die STEFAN-BOLTZMANN’sche Strahlungskonstante (<math>\scriptstyle\sigma = 5,6705 \cdot 10^{-8} \frac{W}{m^2K^4}</math>), ε Emissionskoeffizient, A die emittierende Oberfläche des Körpers und <math>\scriptstyle T_K</math> seine Temperatur (in K). Gleichzeitig absorbiert dieser Körper einen Wärmefluss <math>\scriptstyle\dot{Q_A}</math> aus der Umgebung, der die Summe aller Wärmeflüsse von den in der Nähe befindlichen Körpern darstellt:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_A = \sigma \alpha A T_U^4.</math>
|(5)
|}

Wegen Gl. (3) können die beiden Gleichungen (4) und (5) unter Berücksichtigung von Gl. (3) zu-sammengefasst werden. Damit ist der von einem Körper ausgehende Wärmefluss, der von einer Wärmebildkamera empfangen werden kann:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_{K-A} = \sigma \epsilon A (T_K^4 - T_U^4).</math>
|(6)
|}

Er ist gleich der abgestrahlten Leistung, die z. B. von einem [[Prüfkörper]] ausgeht, der im Falle einer periodischen mechanischen Belastung ausgesetzt ist (vgl. Bild 1). Das entsprechende Spannungs-Dehnungs-Diagramm besitzt eine Hysterese, wobei die von beiden Kurven eingeschlossene Fläche jene Wärmeverluste darstellen, die durch die innere Reibung in dem Prüfkörper erzeugt wurden. Die innere Reibung wird bei Kunststoffen durch den Imaginärteil des komplexen [[Elastizitätsmodul|Elastizitätsmoduls]] beschrieben: <math>\scriptstyle E = E^\prime + iE^{\prime\prime}</math>. Der Imaginärteil ist näherungsweise <math>\scriptstyle\eta E</math>, wobei <math>\scriptstyle\eta</math> den viskoelastischen Verlustfaktor (siehe [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen|Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen]]) darstellt [3]. Die durch die innere Reibung verrichtete Verlustarbeit ist demzufolge <math>\scriptstyle\Delta W=\pi\epsilon^2 \eta E</math>, wobei <math>\scriptstyle\epsilon</math> die Dehnung ist (die Doppelbezeichnung von Emissionskoeffizient und Dehnung wegen der Verwendung in der Literatur wurde hier beibehalten, aber unterschiedlich formatiert). Daraus ergibt sich die erzeugte Wärmeleistung mit <math>\scriptstyle\omega</math> als die Kreisfrequenz, mit der der Prüfkörper periodisch belastet wird:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\ P = \frac{1}{2}\omega\epsilon^2\eta E.</math>
|(7)
|}

Die Wärmeleistung in Gl. (7) ist aber nichts anderes als der Wärmefluss in Gl. (6), der die Wärmebildkamera erreicht.

==Anwendung in der [[Werkstoffprüfung]]==
===Passive Thermographie===

Diese Form der thermographischen Messmethode wird verwendet, wenn der untersuchte Körper eine eigene Wärmequelle besitzt bzw. als solche fungiert. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn ein Spritzgussprüfkörper das Werkzeug verlässt und sich abkühlt. Mit Hilfe der geometrischen Daten können durch die Wärmebildkamera die örtlich verschiedenen Abkühlfunktionen beobachtet und Unregelmäßigkeiten – im Vergleich zu einem Referenzkörper – sofort erkannt werden. Ein Beispiel ist in '''Bild 3''' schematisch dargestellt.

[[Datei:TermographiePassiveThermographie.png|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px" |Zur Funktionsweise der passiven Thermographie
|}

Der erwärmte Prüfkörper strahlt Infrarotwellen in die Umgebung ab, wobei er sich abkühlt. Wegen der unterschiedlichen Wärmeleitung von Delaminationen und Einschlüssen ergeben sich an diesen Stellen höhere Intensitäten der infraroten Strahlung.
Auch bei Fügeprozessen wie dem Ultraschall- oder dem Rührreibschweißen kann die Qualität mit einer Wärmebildkamera überwacht werden [4, 5].

===Aktive Thermographie===

Die aktive Thermographie verwendet eine externe Wärmequelle, wobei diese oft im Pulsbetrieb funktioniert. Damit kann ein stehendes Bild des Prüfkörpers abgebildet und so die Auflösung wesentlich verbessert werden [6]. Als Beispiel ist dazu in '''Bild 4''' der Messaufbau der Impulsthermographie dargestellt [7]. Die Blitzlampe erzeugt einen kurzen Wärmeimpuls, der zunächst die Oberfläche des Prüfkörpers aufwärmt, wonach die Wärme entsprechend der [[Wärmeleitfähigkeit]] des Werkstoffes den gesamten Prüfkörper durchdringt. An hinreichend glatten Grenzflächen (z. B. an der Rückwand) wird die Infrarot-Strahlung reflektiert und gelangt so wieder an die [[Oberfläche]] des Prüfkörpers, wo die Strahlung wieder austritt und von der Infrarotkamera registriert wird. Damit kann die Abkühlkurve für jeden Pixel aufgenommen und mit Hilfe der Fouriertransformation (siehe auch [[Frequenzanalyse]]) weiter untersucht werden.

[[Datei:Schematischer Messaufbau bei der Impulsthermographie.jpg|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px" |Schematischer Messaufbau bei der Impulsthermographie [7]
|}

In Erweiterung dieses Verfahrens wird eine Blitzlampe mit ausgehender Blitzfolge verwendet und mit einer festgelegten Frequenz der aufeinanderfolgenden Lichtblitze geeigneter Intensität eingestellt, womit gesichert ist, dass die Infrarotkamera, entsprechend getaktet, im optimalen Arbeitsbereich Bilder mit hohem Kontrast und hoher Auflösung erzeugen kann. Dieses erweiterte Verfahren ist unter dem Namen Lockin-Thermographie etabliert [7]. Im Ergebnis wird nicht nur die Intensität (Wärmeflussbild), sondern auch das Phasenbild durch die Fouriertransformation ausgewertet.
Ein Beispiel aus der Luftfahrt ist in dem '''Bild 5''' dargestellt.

[[Datei:Lock-in Thermografie Luftfahrt.png|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 5''':
|width="600px" |Thermographische Prüfung am kohlefaserverstärkten Seitenleitwerk
|}

Aufgrund der besonders schlechten Wärmeleitung an Defekten, die auf eine ungenügende Verklebung hinweisen, können im Vergleich mit den Konstruktionszeichnungen (Mapping-Verfahren) die fehlerbehafteten Stellen lokalisiert werden [8]. Eine spezielle Anwendung dieses Prüfverfahrens ist die Thermische Tomographie, wobei eine Tiefenprofilaufnahme durch die frequenzabhängige Reichweite ermöglicht wird [9].
Dieses leistungsfähige Verfahren der Lockin-Thermographie erlaubt die Inspektion großflächiger Strukturen im Flugzeugbau innerhalb von nur wenigen Minuten und wird seit Jahren in der Luftfahrtindustrie eingesetzt.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Bierögel,_Christian|Bierögel, C.]]: Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 524–525 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|Kuchling, H.: Taschenbuch der Physik. 21. aktualisierte Auflage, Hanser Verlag (2014) (ISBN 978-3-446-44218-4)
|-valign="top"
|[3]
|Solodov, I. et al.: Highly-efficient and Noncontact Vibro-thermography via Local Defect Resonance. Quantitative InfraRed Thermography Journal, 12,1 (2015) p. 98–111
|-valign="top"
|[4]
|Aderhold, J.: Passive Online-Thermographie. [https://www.vision.fraunhofer.de/de/technologien-anwendungen/technologien/waermefluss-thermographie/passiv-online.html Fraunhofer-Allianz Vision]. (Zugriff: 18.01.2021)
|-valign="top"
|[5]
|Kryukov, I. u. a.: Passive Thermografie als zerstörungsfreies online-Prüfverfahren im Rühr-reibschweißprozess. Thermographie-Kolloquium, DGZfP e.V. (2015)
|-valign="top"
|[6]
|Sultan, R. A. u. a.: Delamination Detection By Thermography. International Journal of Enginee-ring Research and Applications 3, 1 (2013)
|-valign="top"
|[7]
|Busse, G.: Zerstörungsfreie Prüfung mit dynamischem Wärmetransport. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 506–508 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[8]
|Wu, D., Salerno, A., Malter, U., Aoki, R., Kochendörfer, R.; Kächele, P. K., Woithe, K., Pfister, K., Busse, G.: Inspection of Aircraft Structural Components using Lockin-thermography. In: Balageas, D.; Busse, G.; Carlomagno, G. M. (Eds.): Quantitative InfraRed Thermography. QIRT 96, Stuttgart, Edizione ETS, Pisa (1997) 251–256
|-valign="top"
|[9]
|Wu, D., Karpen, W., Busse, G.: Measurement of Fibre Orientation with Thermal Waves. Res. Nondestr. Eval. 11 (1999) 179–197
|-valign="top"
|}

[[Kategorie:Kunststoffe]]

Vielzweckprüfkörper

2021-06-02T09:05:50Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Vielzweckprüfkörper
__FORCETOC__
==Ausgewählte Prüfkörperformen==
Der in der [[Kunststoffprüfung]] verwendete Vielzweckprüfkörper ist in der DIN EN ISO 3167 genormt [1].

Angaben zu Kunststoffprüfkörpern sind in den verschiedenen Normen zu den Prüfverfahren, z. B. DIN EN ISO 527-2 [2] und zur Herstellung, z. B. durch Spritzgießen in den Teilnormen zur DIN EN ISO 294 [3] zu finden. In der DIN EN ISO 20753 [4], die schrittweise die DIN EN ISO 3167 ersetzen soll, werden die Bezeichnungen und Maße der zur Erfassung vergleichbarer Daten verwendeten Prüfkörper und auch anderer häufig verwendeter Prüfkörper zur besseren Übersicht in einem Dokument zusammengefasst.

Das '''Bild 1''' zeigt die in der DIN EN ISO 527 [2] festgelegten Abmessungen für die Vielzweckprüfkörper Typ A und Typ B sowie weitere zulässige Prüfkörperformen.

[[Datei:vielzweckpruefkoerper1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Vielzweckprüfkörper 1A und andere Prüfkörper für den [[Zugversuch]].
|}

Eine charakteristische Abmessung für die Vielzweckprüfkörper ist die Länge l1, die im Fall des Vielzweckprüfkörpers Typ A die Herstellung von Dreipunktbiegeprüfkörpern oder [[SENB-Prüfkörper|SENB]] – (Single-Edge-Notched Bend) Prüfkörpern der Abmessungen

* Breite W = 10 mm (= b1),
* Dicke B = 4 mm (= h),
* Länge L = 80 mm (= l1),

erlaubt. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens ist, dass dann sowohl im [[Zugversuch]] als auch im [[Biegeversuch]] oder dem [[Schlagbiegeversuch|Schlagbiege-]] oder [[Kerbschlagbiegeversuch]] ein identischer innerer Zustand der Prüfkörper vorliegt (Vielzweckprüfkörper).

Für die Durchführung von Zugversuchen ist auch die Verwendung von proportional verkleinerten [[Prüfkörper]]n zulässig, was dann erforderlich ist, wenn nur sehr kleine Mengen Material zur Verfügung stehen bzw. die Entnahme aus [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] zur [[Bauteilprüfung|Bauteilcharakterisierung]] erforderlich ist. 
Die Schulterstabform ergibt sich aus der Notwendigkeit einer ausreichenden [[Prüfkörpereinspannung|Klemmbarkeit]] in den Einspannvorrichtungen der [[Materialprüfmaschine|Festigkeitsprüfanlage]] und der Erzeugung eines homogenen [[einachsiger Spannungszustand|uniaxialen Spannungszustandes]] in hinreichender Entfernung von den Einspannungen.

==Durchführung verschiedener Prüfungen==

Unabhängig von der Art des direkten Formgebungsverfahrens (zumeist das Spritzgießen) stellt der Vielzweckprüfkörper Typ 1A nach DIN EN ISO 3167 den bevorzugten [[Prüfkörper]] für thermoplastische [[Formmasse]]n dar. Neben dem [[Zugversuch]] kann der planparallele Mittelteil dieses Prüfkörpers für die unterschiedlichsten mechanischen, elektrischen oder thermischen Prüfungen verwendet werden ('''Bild 2'''). Der Vorteil ist darin begründet, dass in diesen Versuchen ein einheitlicher Bezugszustand bezüglich [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Orientierung und Eigenspannungen]] (innerer Zustand) sowie eine identische Dicke und Breite (äußerer Zustand) vorliegt. Bei der Notwendigkeit der Herausarbeitung von Prüfkörpern aus Form- oder Bauteilen besteht zumeist nicht die Möglichkeit der Entnahme von 170 mm langen Prüfkörpern. In diesem Fall können proportional verkleinerte [[Prüfkörper]] präpariert werden, wobei hier zu beachten ist, dass die [[Prüfgeschwindigkeit]] und die [[Dehnmessstreifen|Dehnmesstechnik]] maßstabsgerecht angepasst werden müssen.

[[Datei:vielzweckpruefkoerper2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Vielzweckprüfkörper nach DIN EN ISO 3167 und daraus herstellbare Prüfkörper zur Durchführung verschiedener Prüfungen (die Dicke B ist in allen Fällen 4 mm) [5]
|}

==Begriffsvielfalt==

Neben dem Vielzweckprüfkörper, umgangssprachlich auch gern als '''Campus-Zugstab''' oder '''ISO-Normstab''' bezeichnet, existieren noch zahlreiche weitere [[Prüfkörper]] für mechanische und [[Bruchmechanik|bruchmechanische]] Prüfungen, für die Durchführung von [[Ermüdung]]sversuchen und z. B. auch spezielle Prüfkörper für neue Herstellungstechnologien wie das [[Lasersinterverfahren|Lasersintern]].

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|DIN EN ISO 3167 (2014-11): Kunststoffe – Vielzweckprüfkörper
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 527-2 (2012-06): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 2: Prüfbedingungen für Form- und Extrusionsmassen
|-valign="top"
|[3]
|DIN EN ISO 294 Kunststoffe – Spritzgießen von Probekörpern aus Thermoplasten
*Teil 1 (2017-09): Allgemeine Grundlagen und Herstellung von Vielzweckprüfkörpern und Stäben
*Teil 2 (2019-03): Kleine Zugstäbe
*Teil 3 (2020-11): Kleine Platten
*Teil 4 (2019-04): Bestimmung der Verarbeitungsgeschwindigkeit
*Teil 5 (2018-03): Herstellung von Standardprobekörpern zur Ermittlung der Anisotropie
|-valign="top"
|[4]
|IN EN ISO 20753 (2019-02): Kunststoffe – Probekörper
|-valign="top"
|[5]
|[[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]]: Herstellung von Prüfkörpern. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 24, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|}

[[Kategorie:Druckversuch]]
[[Kategorie:Prüfkörper]]
[[Kategorie:Zugversuch]]

Essential Work of Fracture (EWF)-Konzept

2021-05-07T09:17:11Z

Posch:

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Essential Work of Fracture (EWF)-Konzept
__FORCETOC__
==Grundannahme==

Das Essential Work of Fracture (EWF)-Konzept wurde erstmals 1968 von Broberg [1] erwähnt und in der Folgezeit auch weiterentwickelt [2, 3].

Das Konzept geht von der Annahme aus, dass eine Vielzahl von Werkstoffen, insbesondere [[Kunststoffe]] und deren Modifikationen in der Lage sind, Kräfte auch bei großen [[Deformation]]en übertragen zu können. Es geht davon aus, dass der inelastische Bereich an der Spitze eines [[Riss]]es in einen inneren Bereich, wo der eigentliche Bruchprozess ([[Bruchprozesszone|Prozesszone]]) stattfindet und in einen äußeren Bereich, in dem die Energiedissipation durch [[Deformation#plastische Deformation|plastische Deformation]] erfolgt (siehe auch [[Plastische Zone]]) unterteilt werden kann.

Das EWF-Konzept ist in ein Konzept der Post Yield Fracture Mechanic (PYFM), das vorrangig unter den Bedingungen des [[Ebener Spannungszustand|Ebenen Spannungszustandes]] angewendet wird.

==Die spezifische Brucharbeit==

Die gesamte Brucharbeit (Gesamtarbeit; Total Work of Fracture), die notwendig ist, um einen gekerbten [[Prüfkörper]] zum [[Bruch]] zu führen, setzt sich entsprechend der beiden Zonen vor der Rissspitze aus den zwei Komponenten We und Wp zusammen.

We wird als die wesentliche Brucharbeit (Essential Work of Fracture) bezeichnet und beschreibt das [[Rissausbreitung|Risswachstum]] und die Schaffung neuer Oberflächen (siehe: [[Bruchfläche]]).
Wp wird als die Nicht-wesentliche Brucharbeit (Non-Essential Work of Fracture) benannt, welche die Energiedissipation infolge der [[Deformation#Plastische Deformation|plastischen Deformationen]] in der [[Bruchprozesszone]] beinhaltet.

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | Wf = We + Wp
|(1)
|}

Bezogen auf den Ausgangsquerschnitt (Produkt aus Ligament Länge l und Prüfkörperdicke B) erhält man die folgende Gleichung

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | Wf = wf lB = we lB + β wp l2 B
|(2)
|}

worin β der Formfaktor der [[Plastische Zone|plastischen Zone]] ist. Wird die Gleichung durch den Prüfkörperquerschnitt dividiert, führt das zur spezifischen Brucharbeit

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | wf = we + β wpl.
|(3)
|}

Die Essential Work of Fracture we ist ein Maß für den Widerstand gegenüber [[Rissinitiierung]]. Das Produkt wp und dem Formfaktor der plastischen Zone β ist ein Maß für den Widerstand gegenüber stabiler [[Rissausbreitung]] [4, 5].

Eine kritische Analyse zur Anwendbarkeit des EWF-Konzeptes für duktile [[Kunststoffe]] unter den Bedingungen des [[Ebener Spannungszustand|Ebenen Dehnungszustandes]] bei quasistatischer und schlagartiger [[Prüfgeschwindigkeit|Beanspruchungsgeschwindigkeit]] in Dreipunktbiegeanordnung ([[SENB-Prüfkörper]]n) und Zugprüfanordnung ([[SENT-Prüfkörper|SENT-]], [[DENT-Prüfkörper|DENT]]-Prüfkörper) wurde von Kotter in [6] vorgestellt.

==Anwendungsbeispiele==
===Abhängigkeit der spezifischen Brucharbeit von der Ligamentlänge für einen PE-Rohrwerkstoff===

In [7] zeigt Langer die Anwendung des EWF-Konzeptes für einen Rohrwerkstoff aus Polyethylen ([[Kurzzeichen]]: PE).
Für die Untersuchungen wurden zweiseitig gekerbte [[DENT-Prüfkörper|DENT (Double-Edge-Notched Tension)-Prüfkörper]] der Geometrie 10 x 1,5 mm2 und Ligamentlängen von 2, 4, 6 sowie 8 mm verwendet. Die Untersuchungen wurden jeweils bei Raumtemperatur und 80 °C bei einer [[Prüfgeschwindigkeit|Beanspruchungsgeschwindigkeit]] von 500 mm/min durchgeführt. In '''Bild 1''' ist am Beispiel des Rohrwerkstoffes die in Abhängigkeit von der Ligamentlänge ermittelte Brucharbeit dargestellt.

[[Datei:EWF1.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Anwendung des EWF-Konzepts: Abhängigkeit der spezifischen Brucharbeit wf von der Ligamentlänge l und Bestimmung von we und βwp am Beispiel eines PE-Rohrwerkstoffs [7]
|}

===Abhängigkeit der spezifischen Brucharbeit von der Ligamentlänge für einen isotaktischen PP-Werkstoff===

In [9] zeigt Karger-Kocsis mit Hilfe des EWF-Konzeptes die Unterschiede im Zähigkeitsverhalten von α- und von β-nukleiertem isotaktischen Polypropylen (siehe '''Bild 2''').

[[Datei:EWF2.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Spezifische Brucharbeit in Abhängigkeit von der Ligamentlänge für α- und β-nukleiertes isotaktisches Polypropylen [9]
|}

===Bewertung der künstlichen Alterung einer Biopolymerfolie mit dem EWF-Konzept===

In [10] zeigt Monami die Sensitivität der EWF-Methode zum Nachweis von alterungsbedingten Änderungen der [[Zähigkeit]]seigenschaften von biologisch abbaubaren Mulchfolien, deren Funktionalität durch ein kontrolliertes Alterungsverhalten erzielt wird. Für die [[quasistatische Prüfverfahren|quasistatischen]] Untersuchungen wurden zweiseitig gekerbte [[DENT-Prüfkörper|DENT]] (Double-Edge-Notched Tension)-Prüfkörper mit einer Geometrie von 100 mm Länge, 25 mm Breite und einer Ligamentlänge von 3 mm, 6 mm, 9 mm, 12 mm, 15 mm und 18 mm verwendet. Die [[Prüfgeschwindigkeit]] betrug 10 mm/min. Die Folien hatten eine Dicke von 15 µm und wurden einer künstlichen [[Alterung]] in Wasser und in Luft unterzogen. Die Entnahme der [[Prüfkörper]] erfolgte jeweils in Maschinenrichtung. In '''Bild 3''' ist am Beispiel einer konventionell verfügbaren Biopolymerfolie mit dem Handelsnamen Mater-Bi®, einem Stärkeblend auf der Basis von Maisstärke, die prozentuale Änderung der [[Bruchmechanische_Prüfung|bruchmechanischen Kennwerte]] Wesentliche (we) und Nicht-Wesentliche (Wp bzw. βwp) Brucharbeit bezogen auf die Ausgangskennwerte dargestellt.

[[Datei:EWF3.jpg|375px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Änderungen der Wesentlichen (we) und Nicht-Wesentlichen (βwp) Brucharbeit der Mulchfolie in Wasser und Luft bei jeweils 80 °C
|}

Die Nicht-Wesentliche Brucharbeit zeigt nach 24 h eine starke Zunahme, bei weiterer künstlicher Alterung in Luft bleibt dieser Kennwert im untersuchten Zeitraum nahezu konstant, nimmt für in Wasser gelagerte Folien mit zunehmender Alterungsdauer jedoch ab. Die Wesentliche Brucharbeit der Biopolymerfolie nimmt sowohl für die in Wasser als auch in Luft gelagerten Folien bereits nach 24 h deutlich ab und bleibt mit zunehmender Alterungsdauer nahezu konstant. Bei dem Versagen der gealterten Folie nimmt die in der [[Bruchprozesszone|Bruchzone]] dissipierte Energie zur Bildung von neuen [[Bruchfläche]]n ab, welche von we beschrieben wird, während mehr Arbeit in der äußeren [[plastische Zone|plastischen Zone]] verbraucht wird, beschrieben von βwp. Somit kann durch die Anwendung der EWF-Methode nicht nur die Änderung der mechanischen Eigenschaften durch die künstliche Alterung in Wasser bzw. Luft nachgewiesen werden, sondern auch die Änderung der Bruchmechanismen durch eine Verschiebung der Energieaufnahme von der Bildung neuer [[Oberfläche]]n hin zu einem Verbrauch der Arbeit in der äußeren [[Plastische Zone|plastischen Zone]]. Die Ergebnisse zeigen die Sensitivität der EWF-Methode zum Nachweis von alterungsbedingten Eigenschaftsänderungen [10].

In zahlreichen Veröffentlichungen wird an verschiedenen Kunststoffen die erfolgreiche Anwendung des EWF-Konzeptes zur Bewertung der [[Zähigkeit]] von [[Prüfkörper]]n mit geringer Dicke oder an Folien (unter Bedingungen des [[Ebener Spannungszustand|Ebenen Spannungszustandes (ESZ)]]) [8‒14] gezeigt.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Broberg, K. B.: Critical Review of some Theories in Fracture Mechanics. International Journal of Fracture Mechanics 4 (1968) 11‒19
|-valign="top"
|[2]
|Broberg, K. B.: Crack Growth Criteria and Non-linear Fracture Mechanics. Journal of Mechanics and Physics of Solids 19 (1971) 407‒418
|-valign="top"
|[3]
|Broberg, K. B.: On Stable Crack Growth. Journal of Mechanics and Physics of Solids 23 (1975) 215‒237
|-valign="top"
|[4]
|Mai, Y.-W.; Cotterell, B.: On the Essential Work of Ductile Fracture in Polymers. International Journal of Fracture 32 (1986) 105‒125
|-valign="top"
|[5]
|Mai, Y. M., Powell, P.: Essential Work of Fracture and J-integral Measurements for Ductile Polymers. Journal of Polymers Science: Part B: Polymer Physics 29 (1991) 758‒793
|-valign="top"
|[6]
|Kotter, I.: Morphologie-Zähigkeits-Korrelationen von EPR-modifizierten Polypropylenwerkstoffen. Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Dissertation, 2003, ISBN: 978-3-898206440, Mensch & Buch Verlag Berlin, 2003 (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-11)
|-valign="top"
|[7]
|Langer, B., Berthold, A., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], Enderle, H.-F.: Mechanische Kurzzeitprüfung zur Bewertung des Verhaltens von PE-Rohrwerkstoffen beim langsamen Risswachstum. Materialprüfung 54 (2012) 9, S. 580‒585
|-valign="top"
|[8]
|Mouzakis, D. E.: Application of the Essential Work of Fracture Method for Ductile Polymer Systems. Mensch & Buch Verlag, Berlin, 1999
|-valign="top"
|[9]
|Karger-Kocsis, J.: How Does „Phase Transformation Toughening“ Work in Semicrystalline Polymers?. Polymer Engineering and Science 36 (1996) 203‒210
|-valign="top"
|[10]
|Monami, A., Langer, B., Grellmann, W.: Moderne Methoden der Kunststoffprüfung zur Werkstoffentwicklung und Bauteilprüfung. Werkstoffprüfung 2016, Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis 1. und 2.12. 2016, Neu-Ulm, Tagungsband S.
|-valign="top"
|[11]
|Karger-Kocsis, J.: For what a Kind of Polymer is the Toughness Assessment by the Essential Work Concept Straightforward?. Polymer Bulletin 37 (1996) 119‒126
|-valign="top"
|[12]
|Marchal, Y., Oldenhove, B., Daoust, D., Legras, R., Delannay, F.: Characterization of the Fracture Toughness of Rubber-toughened Polypropylene thin Plates. Polymer Engineering and Science 38 (1998) 2063‒2071
|-valign="top"
|[13]
|Ferrer-Balas, D., Maspoch, M. L., Martinez, A. B., Santana, O. O.: On the Essential Work of Fracture Method: Energy Partitioning of the Fracture Process in iPP Films. Polymer Bulletin 42 (1999) 101‒108
|-valign="top"
|[14]
|Maspoch, M. L., Ferrer, D., Gordillo, A., Santana, O. O., Martinez, A. B.: Effect of the Specimen Dimensions and the Test Speed on the Fracture Toughness of iPP by the Essential Work of Fracture Method. Journal of Applied Polymer Science 73 (1999) 177‒187
|}

Normhinweis: ISO/CD 23524.2 "Plastics – Determination of fracture toughness of films and thing sheets: the essential work of fracture"

[[Kategorie:Bruchmechanik]]
[[Kategorie:Folienprüfung]]

Lexikon der Kunststoffprüfung

2021-02-23T10:45:52Z

Posch:

<big>Lexikon Kunststoffprüfung und Diagnostik</big>

[[Datei:Deckblatt_Kunststoffpruefung.jpg||300px]]
 Version 11.0

'''Herausgeber'''

[[Grellmann,_Wolfgang|Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Grellmann]] 
[[Bierögel, Christian|Prof. Dr.-Ing. Christian Bierögel]] 
Prof. Dr.-Ing. habil. Katrin Reincke 

'''Autoren und Mitarbeiter'''

Prof. Dr.-Ing. Ines Kotter 
Dr.-Ing. Ralf Lach 
Prof. Dr.-Ing. Beate Langer 
Dr.-Ing. Andrea Monami 
Dipl.-Ing. Andreas Oluschinski 
Dr.-Ing. Katja Oßwald 
Dr.-Ing. Marcus Schoßig 
Dipl.-Phys. Christian Sirch 

Die wissenschaftliche Basis für das Wiki "Lexikon der Kunststoffprüfung" bilden die in der Merseburger Schule (siehe auch [[AMK-Büchersammlung]]) publizierten Lehr- und Fachbücher zur Kunststoffprüfung und Diagnostik sowie zur technischen Bruchmechanik von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen mit polymerer Matrix. Dazu zählen unter anderem:
 
'''Kunststoffprüfung '''
 
[[Grellmann,_Wolfgang|Wolfgang Grellmann]] und [[Seidler,_Sabine|Sabine Seidler]] (Hrsg.) 
1. Auflage 2005 
Carl Hanser Verlag, München Wien 
ISBN 3-446-22086-0 
 
2. Auflage 2011 
Carl Hanser Verlag, München 
ISBN 978-3-446-42722-8 
 
3. Auflage 2015 
Carl Hanser Verlag, München 
ISBN 978-3-446-44350-1 

 
Unter Mitarbeit von 
Volker Altstädt, Monika Bauer, Christian Bierögel, Gert Busse, Klaus Friedrich, Henrick Höninger, Thomas Lüpke, Bernd Michel, [[Radusch,_Hans-Joachim|Hans-Joachim Radusch]], Falko Ramsteiner, Andreas Schönhals, Jörg Trempler

Weitere im Springer-Verlag erschienene Fachbücher zu Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen sind:
{|
|-valign="top"
|1.
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): '''Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen'''. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998), (ISBN 3-540-63671-4; e-Book: ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)
|-valign="top"
|2.
|Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): '''Deformation and Fracture Behaviour of Polymers'''. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2001) (ISBN 978-3540412472; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 7)
|-valign="top"
|3.
|Grellmann, W., Reincke, K.: '''Technical Material Diagnostics – Fracture Mechanics of Filled Elastomer Blends'''. In: Grellmann, W., Heinrich, G., Kaliske, M., Klüppel, M., Schneider, K., Vilgis, T. (Eds.): Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2013), (ISBN 978-3-642-37909-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 14)
|-valign="top"
|4.
|Grellmann, W., Seidler, S.: '''Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers'''. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014), (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
|-valign="top"
|5.
|Grellmann, W., Langer, B. (Eds.): '''Deformation and Fracture Behavior of Polymer Materials'''. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017), (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)
|}

'''Coautoren des Lexikons'''

[[Datei:FELMI_ZFE.PNG| 100px |thumb |[http://www.felmi-zfe.tugraz.at/ FELMI-ZFE]]]

1. Die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Zentrum Ingenieurwissenschaften, Professur Werkstoffdiagnostik/Werkstoffprüfung (Leiter '''[[Grellmann,_Wolfgang|Prof. em. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Grellmann]]''') und die Technische Universität Graz, Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI) zusammen mit dem Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) Graz (Leiter Prof. Dr. Ferdinand Hofer, siehe: [http://www.felmi-zfe.at www.felmi-zfe.at]) verbindet eine langjährige Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Morphologie und Mikromechanik von Kunststoffen. 
Die nachfolgenden Begriffe wurden von '''Dr. Armin Zankel''', FELMI-ZFE Graz bearbeitet:
<ul>
<li>[[Energiedispersive Röntgenspektroskopie|Energiedispersive Röntgenspektroskopie – EDX]]</li>
<li>[[in-situ-Ultramikrotomie]]</li>
<li>[[Mikrotomie]]</li>
<li>[[Rasterelektronenmikroskopie]]</li>
<li>[[Umgebungs-REM|Umgebungs-REM (ESEM)]]</li></ul>

2. Die Herausgeber des "Lexikons der Kunststoffprüfung" haben '''[[Michler,_Goerg_Hannes|Prof. em. Dr. rer. nat. habil. Goerg H. Michler]]''', Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Physik, Professur "Allgemeine Werkstoffwissenschaften" gebeten, auf Grund seiner anerkannten Fachkompetenz auf dem Gebiet der Morphologie und Mikromechanik von Kunststoffen, einige Begriffe zu erläutern. 
Prof. Dr. Michler ist nach seiner Emeritierung Ehrenvorsitzender im [http://www.ipw-merseburg.de Institut für Polymerwerkstoffe e.V.], An-Institut an der Hochschule Merseburg und gleichzeitig Vorsitzender der [http://bethge-stiftung.de Heinz-Bethge-Stiftung] in Halle.

Die nachfolgenden Begriffe wurde von Prof. Dr. Michler bearbeitet:
* [[Elektronenmikroskopie]]
* [[Transmissionselektronenmikroskopie]]
* [[Ultramikrotomie]]

3. Die nachfolgenden Begriffe wurden von '''[[Radusch,_Hans-Joachim|Prof. em. Dr.-Ing. habil. Hans-Joachim Radusch]]''', Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Zentrum für Ingenieurwissenschaften, Professur "Kunststofftechnik" bearbeitet:

* [[Dehnviskosität]]
* [[Kapillarrheometer]]
* [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächen- und Grenzflächenspannung]]
* [[Rieselfähigkeit]]
* [[Rotationsrheometer]]
* [[Schmelze-Massefließrate]]
* [[Schmelze-Volumenfließrate]]
* [[Schüttgutdichte]]
* [[Schüttwinkel]]
* [[Rheometrie|Viskosimetrie]]

Für Literaturzitate des Lexikons ist zu verwenden: 
* Grellmann, W., Bierögel, C., Reincke, K. (Hrsg.) Wiki "'''Lexikon Kunststoffprüfung und Diagnostik'''" 2021, Version 11, http://wiki.polymerservice-merseburg.de

Lexikon der Kunststoffprüfung

2021-02-23T10:45:10Z

Posch:

<big>Lexikon Kunststoffprüfung und Diagnostik</big>

[[Datei:Deckblatt_Kunststoffpruefung.jpg||300px]]
 Version 11.0

'''Herausgeber'''

[[Grellmann,_Wolfgang|Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Grellmann]] 
[[Bierögel, Christian|Prof. Dr.-Ing. Christian Bierögel]] 
Prof. Dr.-Ing. habil. Katrin Reincke 

'''Autoren und Mitarbeiter'''

Prof. Dr.-Ing. Ines Kotter 
Dr.-Ing. Ralf Lach 
Prof. Dr.-Ing. Beate Langer 
Dr.-Ing. Andrea Monami 
Dipl.-Ing. Andreas Oluschinski 
Dr.-Ing. Katja Oßwald 
Dr.-Ing. Marcus Schoßig 
Dipl.-Phys. Christian Sirch 

Die wissenschaftliche Basis für das Wiki "Lexikon der Kunststoffprüfung" bilden die in der Merseburger Schule (siehe auch [[AMK-Büchersammlung]]) publizierten Lehr- und Fachbücher zur Kunststoffprüfung und Diagnostik sowie zur technischen Bruchmechanik von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen mit polymerer Matrix. Dazu zählen unter anderem:
 
'''Kunststoffprüfung '''
 
[[Grellmann,_Wolfgang|Wolfgang Grellmann]] und [[Seidler,_Sabine|Sabine Seidler]] (Hrsg.) 
1. Auflage 2005 
Carl Hanser Verlag, München Wien 
ISBN 3-446-22086-0 
 
2. Auflage 2011 
Carl Hanser Verlag, München 
ISBN 978-3-446-42722-8 
 
3. Auflage 2015 
Carl Hanser Verlag, München 
ISBN 978-3-446-44350-1 

 
Unter Mitarbeit von 
Volker Altstädt, Monika Bauer, Christian Bierögel, Gert Busse, Klaus Friedrich, Henrick Höninger, Thomas Lüpke, Bernd Michel, [[Radusch,_Hans-Joachim|Hans-Joachim Radusch]], Falko Ramsteiner, Andreas Schönhals, Jörg Trempler

Weitere im Springer-Verlag erschienene Fachbücher zu Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen sind:
{|
|-valign="top"
|1.
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): '''Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen'''. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998), (ISBN 3-540-63671-4; e-Book: ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)
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|2.
|Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): '''Deformation and Fracture Behaviour of Polymers'''. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2001) (ISBN 978-3540412472; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 7)
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|3.
|Grellmann, W., Reincke, K.: '''Technical Material Diagnostics – Fracture Mechanics of Filled Elastomer Blends'''. In: Grellmann, W., Heinrich, G., Kaliske, M., Klüppel, M., Schneider, K., Vilgis, T. (Eds.): Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2013), (ISBN 978-3-642-37909-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 14)
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|4.
|Grellmann, W., Seidler, S.: '''Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers'''. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014), (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
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|Grellmann, W., Langer, B. (Eds.): '''Deformation and Fracture Behavior of Polymer Materials'''. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017), (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)
|}

'''Coautoren des Lexikons'''

[[Datei:FELMI_ZFE.PNG| 100px |thumb |[http://www.felmi-zfe.tugraz.at/ FELMI-ZFE]]]

1. Die Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Zentrum Ingenieurwissenschaften, Professur Werkstoffdiagnostik/Werkstoffprüfung (Leiter '''[[Grellmann,_Wolfgang|Prof. em. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Grellmann]]''') und die Technische Universität Graz, Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI) zusammen mit dem Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) Graz (Leiter Prof. Dr. Ferdinand Hofer, siehe: [http://www.felmi-zfe.at www.felmi-zfe.at]) verbindet eine langjährige Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Morphologie und Mikromechanik von Kunststoffen. 
Die nachfolgenden Begriffe wurden von '''Dr. Armin Zankel''', FELMI-ZFE Graz bearbeitet:
<ul>
<li>[[Energiedispersive Röntgenspektroskopie|Energiedispersive Röntgenspektroskopie – EDX]]</li>
<li>[[in-situ-Ultramikrotomie]]</li>
<li>[[Mikrotomie]]</li>
<li>[[Rasterelektronenmikroskopie]]</li>
<li>[[Umgebungs-REM|Umgebungs-REM (ESEM)]]</li></ul>

2. Die Herausgeber des "Lexikons der Kunststoffprüfung" haben '''[[Michler,_Goerg_Hannes|Prof. em. Dr. rer. nat. habil. Goerg H. Michler]]''', Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Physik, Professur "Allgemeine Werkstoffwissenschaften" gebeten, auf Grund seiner anerkannten Fachkompetenz auf dem Gebiet der Morphologie und Mikromechanik von Kunststoffen, einige Begriffe zu erläutern. 
Prof. Dr. Michler ist nach seiner Emeritierung Ehrenvorsitzender im [http://www.ipw-merseburg.de Institut für Polymerwerkstoffe e.V.], An-Institut an der Hochschule Merseburg und gleichzeitig Vorsitzender der [http://bethge-stiftung.de Heinz-Bethge-Stiftung] in Halle.

Die nachfolgenden Begriffe wurde von Prof. Dr. Michler bearbeitet:
* [[Elektronenmikroskopie]]
* [[Transmissionselektronenmikroskopie]]
* [[Ultramikrotomie]]

3. Die nachfolgenden Begriffe wurden von '''[[Radusch,_Hans-Joachim|Prof. em. Dr.-Ing. habil. Hans-Joachim Radusch]]''', Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Zentrum für Ingenieurwissenschaften, Professur "Kunststofftechnik" bearbeitet:

* [[Dehnviskosität]]
* [[Kapillarrheometer]]
* [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächen- und Grenzflächenspannung]]
* [[Rieselfähigkeit]]
* [[Rotationsrheometer]]
* [[Schmelze-Massefließrate]]
* [[Schmelze-Volumenfließrate]]
* [[Schüttgutdichte]]
* [[Schüttwinkel]]
* [[Rheometrie|Viskosimetrie]]

Für Literaturzitate des Lexikons ist zu verwenden: 
* Grellmann, W., Bierögel, C., Reincke, K. (Hrsg.) Wiki "'''Lexikon Kunststoffprüfung und Diagnostik'''" 2020, Version 11, http://wiki.polymerservice-merseburg.de

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2021-02-23T10:44:58Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
<big>'''Polymer Service GmbH Merseburg'''</big>

Herzlich willkommen beim Wiki "[[Lexikon der Kunststoffprüfung]]" der [http://www.polymerservice-merseburg.de Polymer Service GmbH Merseburg] ([[PSM]])!

[[Datei:Deckblatt_Kunststoffpruefung.jpg|thumb|250px|Deckblatt zum [[Lexikon der Kunststoffprüfung]]]]
 Online-Version 11 (Februar 2021)

== A ==
[[A-Bild-Technik]] 
[[ABBE-Refraktometer]] 
[[Abrieb Elastomere]] 
[[Absorption Licht]] 
[[Absorption Schallwellen]] 
Abstumpfung der Rissspitze (siehe [[Stretchzone]], [[in-situ-Zugversuch im ESEM mit SEA]] und [[Rissöffnung]]) 
[[Adhäsive Energiefreisetzungsrate]] 
[[Akkreditierung und Zertifizierung]] 
[[Akustische Eigenschaften]] 
[[Akustische Emission]] 
[[Alpha-Rockwellhärte]] 
[[Alterung]] 
[[Alterung von Elastomeren]] 
[[Altstädt, Volker]] 
Anisotrope Deformation (siehe [[Deformation#Anisotrope Deformation|Deformation]]) 
[[Anisotropie]] 
Ansetzdehnaufnehmer (siehe [[Zugversuch#Zugversuch.2C_Wegmesstechnik|Zugversuch, Wegmesstechnik]]) 
Anstiegzeit der elektronischen Messkette (siehe [[IKBV Experimentelle Bedingungen]]) 
[[Antriebe für Materialprüfmaschinen]] 
[[Äquivalentenergiekonzept – Anwendungsgrenzen]] 
[[Äquivalentenergiekonzept – Grundlagen]] 
Arc-Shaped-Prüfkörper (siehe [[C-förmiger Prüfkörper]]) 
[[Arcan-Prüfkörper]] 
Atmosphärisches Rasterelektronenmikroskop (siehe [[Umgebungs-REM]]) 
[[Auflagerabstand]] 
[[Auflösung Laserextensometer-Gerätesysteme]] 
[[Auflösung Materialprüfmaschine]] 
[[Auflösungsvermögen Mikroskop]] 
Aufprallgeschwindigkeit (siehe [[Prüfgeschwindigkeit]]) 
Aufschlaggeschwindigkeit (siehe [[Prüfgeschwindigkeit]]) 
[[Aufschlagimpuls]] 
Auftreffgeschwindigkeit (siehe [[Prüfgeschwindigkeit]]) 
Ausdehnungskoeffizient (siehe [[Thermischer Ausdehnungskoeffizient]]) 
[[Ausgangsrisslänge]] 
[[Aushärtung]] 
[[Auswertemethode nach Begley und Landes]] 
[[Auswertemethode nach Kanazawa]] 
[[Auswertemethode nach Merkle und Corten]] 
[[Auswertemethode nach Rice, Paris und Merkle]] 
[[Auswertemethode nach Sumpter und Turner]] 

== B ==
[[B-Bild-Technik]] 
[[Bakelit]] 
BARENBLATT'sche Rissmodell (siehe [[Rissmodell nach BARENBLATT]]) 
[[Barcol-Härte]] 
[[Barriere-Kunststoffe]] 
[[Bauteilprüfung]] 
[[Bauteilversagen]] 
[[Beanspruchung]] 
Beanspruchungsgeschwindigkeit (siehe [[Prüfgeschwindigkeit]]) 
Beidseitig gekerbter Prüfkörper (siehe [[DENT-Prüfkörper]]) 
Bell-Test (Telefon-Test) (siehe [[Biegestreifenverfahren]]) 
[[Beständigkeitsuntersuchungen von Elastomeren]] 
[[Biegebeanspruchung]] 
[[Biegefestigkeit]] 
[[Biegemodul]] 
Biegeprüfkörper (siehe [[SENB-Prüfkörper]]) 
Biegesteifigkeit (siehe [[Steifigkeit]] und [[Biegeversuch Nachgiebigkeit]]) 
[[Biegestreifenverfahren]] 
[[Biegeversuch]] 
[[Biegeversuch Einflüsse]] 
[[Biegeversuch Fließspannung]] 
[[Biegeversuch Nachgiebigkeit]] 
[[Biegeversuch Prüfeinflüsse]] 
[[Biegeversuch Prüfkörperentnahme]] 
[[Biegeversuch Prüfkörperformen]] 
[[Biegeversuch Schubspannung]] 
[[Biegeversuch und Lichtmikroskopie]] 
[[Biegeversuch und Schallemissionsanalyse]] 
[[Bierögel, Christian]] 
[[Bildgebende Ultraschallprüfung]] 
[[Bindenaht]] 
[[Bio-Kunststoffe]] 
[[Blumenauer, Horst]] 
[[BOLTZMANN'sches Superpositionsprinzip]] 
Brechung (Refraktion) (siehe [[Ultraschalldoppelbrechung]]) 
[[Brechung Licht]] 
[[Brechung Schallwellen]] 
Brechungsgesetz (siehe [[Brechung Licht]] und [[Brechung Schallwellen]]) 
Brechungsindex (siehe [[Brechzahl]]) 
[[Brechzahl]] 
Brechzahlbestimmung (siehe [[ABBE-Refraktometer]]) 
[[Bruch]] 
[[Brucharten]] 
Bruchdehnung (siehe [[Zugfestigkeit]]) 
Bruchenergie (siehe [[Bruchentstehung]]) 
[[Bruchentstehung]] 
[[Bruchfläche]] 
[[Bruchmechanik]] 
Bruchmechanikprüfkörper (siehe [[Prüfkörper für bruchmechanische Prüfungen]]) 
[[Bruchmechanische Prüfung]] 
Bruchmerkmale (siehe [[Brucharten]]) 
[[Bruchmodell faserverstärkte Kunststoffe]] 
[[Bruchmoden]] 
[[Bruchparabeln]] 
[[Bruchprozesszone]] 
[[Bruchsicherheitskriterium]] 
[[Bruchspiegel]] 
Bruchursachen (siehe [[Bruchentstehung]]) 
[[Bruchverhalten]] 
[[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen]] 
Bruchzähigkeit (siehe [[Bruchmechanik]]) 
[[BUCHHOLZ-Härte]] 
[[Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung]] (BAM) 

== C ==
[[Campus®]] 
Campus Zugstab (siehe [[Vielzweckprüfkörper]]) 
[[C-Bild-Technik]] 
[[C-förmiger Prüfkörper]] 
[[Charpy]] 
[[Charpy, Georges]] 
[[CIELAB-Farbraum]] 
Clingtest (siehe [[Peel-Clingtest]]) 
[[CLS-Prüfkörper]] (Crack-Lap Shear)-Prüfkörper 
[[Compliance Methode]] 
Composite-Prüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Composite-Prüfköpfe]]) 
[[Compression After Impact (CAI)-Test]] 
Constraint-Faktor (siehe [[J-Integral-Konzept]] und [[Zähigkeit Temperaturabhängigkeit]]) 
COUETTE-Typ-Rheometer (siehe [[Rotationsrheometer]]) 
[[Crack Tip Opening Displacement-Konzept]] (CTOD-Konzept) 
Crashbeanspruchung (siehe [[Hochgeschwindigkeitszugversuch]] und [[Schlagbeanspruchung Hochgeschwindigkeitsprüfung]]) 
[[Crazing]] 
[[Cresentprüfkörper]] 
[[CT-Prüfkörper]] (Compact Tension)-Prüfkörper 
CTI-Wert (Comparative Tracking Index) (siehe [[Kriechstromfestigkeit]]) 
[[CTS-Prüfkörper]] (Compact-Tension Shear)-Prüfkörper 
Curie-Temperatur (siehe [[Piezokeramik]] und [[Piezokeramischer Schwinger]]) 

== D ==
[[D-Bild-Technik]] 
Dart-Drop-Test (siehe [[Durchstoßversuch]]) 
[[Dauerfestigkeit]] 
[[Dauerschwingversuch]] 
[[DCB-Prüfkörper]] (Double-Cantilever Beam)-Prüfkörper 
[[De Mattia Test]] 
Defektdichte (siehe [[Zugversuch Ereignisbezogene Interpretation]]) 
Defektoskopie (siehe [[Hybride Methoden, Beispiele]], [[Plastographie]] und [[Transmission Schallwellen]]) 
[[Deformation]] 
[[Deformationsgeschwindigkeit]] 
[[Deformationsmechanismen]] 
[[Deformationsverhalten von Humanknorpel]] 
Dehngeschwindigkeit (siehe [[Dehnrate Grundlagen]] und [[Dehnrate Applikationen]]) 
[[Dehnmessstreifen]] 
[[Dehnrate Applikationen]] 
[[Dehnrate Grundlagen]] 
Dehnungsgeschwindigkeit (siehe [[Dehnrate Grundlagen]]) 
[[Dehnviskosität]] 
[[DENT-Prüfkörper]] (Double-Edge-Notched Tension-Prüfkörper) 
[[Dichte]] 
[[Dielektrische Eigenschaften]] 
Dielektrizitätszahl (siehe [[Dielektrische Eigenschaften]]) 
[[Dielektrischer Verlustfaktor]] 
[[Differential Scanning Calorimetry]] (DSC) 
Disk-Shaped CT-Prüfkörper (siehe [[RCT-Prüfkörper]]) 
[[Dispersion]] 
Dissipationszone (siehe [[Bruchprozesszone]]) 
Doppelseitig gekerbter Prüfkörper (siehe [[DENT-Prüfkörper]]) 
Dow-Säbel-Test (siehe [[Biegestreifenverfahren]]) 
Dreiachsiger Spannungszustand (siehe [[Mehrachsiger Spannungszustand]]) 
Dreipunktbiegeprüfkörper (siehe [[SENB-Prüfkörper]]) 
Dreipunktbiegeprüfung (siehe [[Biegeversuch]]) 
Druck- und Knicksteifigkeit (siehe [[Steifigkeit]]) 
[[Druckfestigkeit]] 
Druckkriechkurven (siehe [[Kriechverhalten Zeitstanddruckversuch]]) 
[[Druckprüfanordnung]] 
[[Druckversuch]] 
[[Druckversuch Nachgiebigkeit]] 
DUGDALE'sche Rissmodell (siehe [[Rissmodell nach DUGDALE]]) 
[[Durchgangswiderstand]] 
Durchschallungsanordnung (siehe [[Ultraschall-Durchschallungs-Technik]]) 
Durchschlagfestigkeit (siehe [[Elektrische Durchschlagfestigkeit]]) 
[[Durchstoßversuch]] 
Durchstoßversuch, instrumentierter (siehe [[Instrumentierter Durchstoßversuch]]) 
[[Duroplaste]] 
[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Biegebeanspruchung]] 
[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen]] (siehe auch [[Elastizitätsmodul]]) 
[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Torsionsbeanspruchung]] 
[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Zugbeanspruchung]] 
Dynamische Differenz-Thermoanalyse (DSC) (siehe [[Differential Scanning Calorimetry]]) 
Dynamische Differenzkalorimetrie (siehe [[Differential Scanning Calorimetry]]) 
Dynamische Temperaturmodulierte Differenzkalometrie (siehe [[Temperaturmodulierte Dynamische Differenzkalometrie]] TM-DSC) 
Dynstat (siehe [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Dynstat|Schlagbiegeversuch nach Dynstat]] und [[Kerbschlagbiegeversuch#Kerbschlagbiegeversuch_nach_Dynstat|Kerbschlagbiegeversuch nach Dynstat]])

== E ==
[[Ebener Spannungszustand|Ebener Spannungs- und Dehnungszustand]] 
[[Effektive Risslänge]] 
[[Ehrenstein, Gottfried W.]] 
[[Eichen]] 
Eigenspannung (siehe [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen]]) 
[[Einachsiger Spannungszustand]] 
Eindringkörper (Härteprüfung) (siehe [[Indenter]]) 
[[Eindringmodul]] 
Eindringtiefenmessung (siehe [[Instrumentierte Härtemessung, Eindringtiefenmessung mit modifiziertem Tastfuß]]) 
[[Eindruckbruchmechanik]] 
Eindruckwiderstand nach Buchholz (siehe [[BUCHHOLZ-Härte]]) 
[[Einfallstelle]] 
[[Einfrierzeit]] 
Einschnürdehnung (siehe [[Zugversuch Gleichmaßdehnung]]) 
Einseitig gekerbter Zugprüfkörper (siehe [[SENT-Prüfkörper]]) 
Einspannklemmen (siehe [[Prüfkörpereinspannung]]) 
Eintauchverfahren (siehe [[Dichte#Dichtebestimmung|Dichte]]) 
Einzelschwinger-Senkrecht-Prüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe]]) 
Elastische Deformation (siehe [[Deformation#Elastische Deformation|Deformation]]) 
[[Elastizität]] 
[[Elastizitätsmodul]] 
[[Elastizitätsmodul Beispiele Kennwertermittlung]] 
[[Elastizitätsmodul Ultraschallmessungen]] 
[[Elastomere]] 
[[Elastomere Dispersion Füllstoffe]] 
[[Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie]] (ESPI) 
[[Elektrische Durchschlagfestigkeit]] 
[[Elektrische Leitfähigkeit]] 
Elektromechanischer Antrieb (siehe [[Antriebe für Materialprüfmaschinen#Elektromechanischer Antrieb|Antriebe für Materialprüfmaschinen]]) 
[[Elektro-Mechanischer Kraftaufnehmer]] 
Elektronenbeugung (siehe [[Transmissionselektronenmikroskopie]]) 
[[Elektronenmikroskopie]] (EM) 
[[ELS-Prüfkörper]] (End-Loaded Split)-Prüfkörper 
Emission (siehe [[Akustische Emission]]) 
[[Energiebilanz IKBV]] 
[[Energiedispersive Röntgenspektroskopie]] (EDX) 
[[Energieelastizität]] 
[[Energiefreisetzungsrate]] 
[[ENF-Prüfkörper]] (End-Notched Flexure)-Prüfkörper 
[[4 ENF-Prüfkörper]] (4 End-Notched Flexure)-Prüfkörper 
[[Entflammbarkeit]] 
[[Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik]] 
[[Entropieelastizität]] 
[[Ermüdung]] 
Ermüdungsprüfkörper (siehe [[Prüfkörper für Ermüdungsversuche]]) 
[[Ermüdungsrissausbreitung Elastomere]] 
[[Erweitertes CTOD-Konzept]] 
ESEM (siehe [[Umgebungs-REM]]) 
[[Essential Work of Fracture (EWF)-Konzept]] 
Exfolierung (siehe [[Schichtsilikatverstärkte Polymere]]) 

== F ==

[[F-Bild-Technik]] 
[[Fäden, Zipfel und Folien]] 
Fallbolzenversuch (siehe [[Durchstoßversuch]]) 
Fallhammerverfahren (siehe [[Durchstoßversuch]]) 
Fallhammerversuch (siehe [[Durchstoßversuch]]) 
[[Farbabstand]] 
[[Farbe]] 
[[Farbeindringprüfung von Lasersinterbauteilen]] 
Farberscheinung (siehe [[Farbe]]) 
[[Farbmessung]] 
[[Farbmetrik]] 
Farbreiz (siehe [[Farbe]]) 
[[Faser-Matrix-Haftung]] 
[[Faseragglomeration]] 
[[Faserorientierung]] 
Fasergehalt (siehe [[Veraschungsmethode]]) 
[[Faserverstärkte Kunststoffe]] 
[[Fehler]] 
[[Fehlergrenze]] 
[[Festigkeit]] (siehe auch [[Zugfestigkeit]] und [[elektrische Festigkeit]]) 
[[Fixed-Arm-Peeltest]] 
Fließbruchmechanik (siehe [[Bruchmechanik#Fließbruchmechanik|Bruchmechanik]]) 
Fließlinien (siehe [[Einachsiger Spannungszustand]] und [[Plastographie]]) 
Fließspannung (siehe [[Streckspannung]]) 
Fließzonen (siehe [[Scherbandbildung]] und [[Biegeversuch Fließspannung]]) 
Flüssigkeitspygnometer (siehe [[Dichte#Dichtebestimmung|Dichte]]) 
[[Förderliche Vergrößerung Mikroskop]] 
[[Folienprüfung]] 
Formbeständigkeit (siehe [[Wärmeformbeständigkeit]]) 
[[Formmasse]] 
[[Formmasseprüfung]] 
Formteil (siehe [[Formmasse]]) 
Fourier-Transformation (siehe [[Frequenzanalyse]]) 
[[Fraktographie]] 
Free-falling Dart Test (siehe [[Durchstoßversuch]]) 
[[Frequenzanalyse]] 
[[Frequenzgangkontrolle]] 
[[FRMM-Prüfkörper]] (Fixed-Mode Mixed Mode)-Prüfkörper 
[[FTIR-Spektroskopie]] (Fourier-Transformations-Infrarotspekroskopie) 
[[Full Notch Creep Test (FNCT)]] 
Funktionspolymere (Smart Polymers) (siehe [[Smart Materials]]) 

== G ==
[[Gasblasen]] 
[[Genauigkeitsklasse]] 
[[Geometriefunktion]] 
[[Geometriekriterium]] 
[[Geschwindigkeit]] 
Gewaltbruch (siehe [[Brucharten]], [[Bauteilversagen]] und [[Fraktographie]]) 
[[Glanz]] 
[[Glanzmessung]] 
Glasfasergehalt (siehe [[Veraschungsmethode]]) 
[[Glasfaserlängenverteilung Auflösung der Matrix]] 
[[Glasfaserlängenverteilung Veraschung]] 
[[Glasfaserorientierung]] 
[[Glastemperatur]] 
Gleichmaßdehnung (siehe [[Zugversuch Gleichmaßdehnung]]) 
[[Glühdrahtprüfung]] 
[[Goodyear, Charles Nelson]] 
[[Grellmann, Wolfgang]] 
Grenzfläche (siehe [[Phasengrenzfläche]]) 
Grenzflächenenergie (siehe [[Oberflächenenergie]]) 
Grenzflächenspannung (siehe [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung]]) 
[[Griffith, Alan Arnold]] – Bruchmechanikpionier 
[[GRIFFITH´s Theorie]] 
[[GRIFFITH-Kriterium]] 
GRIFFITH'sche Rissmodell (siehe [[Rissmodell nach GRIFFITH]]) 
[[Gummielastizität]] 

== H ==

Haftung Glasfaser (siehe [[Faser-Matrix-Haftung]]) 
[[Härte]] 
Härteprüfung (siehe [[Härte]]) 
Härteumwertung (siehe [[Härte#Härteumwertung|Härte]]) 
[[HDT-Prüfung]] (Heat-Distortion-Temperature-Prüfung) 
Heißsiegelverfahren (siehe [[Siegelnaht]]) 
[[Hersteller von Materialprüfmaschinen]] 
[[HERTZ´sche Pressung]] 
[[Heterogenität]] 
[[HF-Bild]] 
Hochdruckkapillarrheometer (siehe [[Kapillarrheometer]]) 
[[Hochgeschwindigkeitszugversuch]] 
[[HOOKE´sche Gesetz]] 
Hybridantrieb für Materialprüfmaschinen (siehe [[Antriebe_für_Materialprüfmaschinen#Hybridantrieb|Antriebe für Materialprüfmaschinen]]) 
[[Hybride Methoden]] der Kunststoffdiagnostik 
[[Hybride Methoden, Beispiele]] 

== I ==
IKBV (siehe [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch]]) 
[[IKBV Einfluss Hammergeschwindigkeit]] 
[[IKBV Energie-Methode]] 
[[IKBV Erweiterte Stopp-Block-Methode]] 
[[IKBV Experimentelle Bedingungen]] 
[[IKBV Grenzen bruchmechanischer Bewertung]] 
[[IKBV Nichtlineares Werkstoffverhalten]] 
[[IKBV Probenlängenmethode]] 
[[IKBV Stopp-Block-Methode]] 
[[IKBV Stützweitenmethode]] 
[[IKBV Typen von Schlagkraft-Durchbiegungs-Diagrammen]] 
[[IKBV mit SEA]] 
IKZV (siehe [[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch]]) 
[[Implantatprüfung]] 
in-situ-Mikroskopie (siehe [[Transmissionselektronenmikroskopie]]) 
in-situ-Peeltest (siehe [[Peelvorgang]]) 
in-sit-R-Kurven Methode (siehe [[Biegeversuch und Lichtmikroskopie]]) 
[[in-situ-Ultramikrotomie]] 
[[in-situ-Zugversuch im ESEM mit SEA]] 
[[in-situ-Zugversuch im NMR]] 
[[Indenter]] 
Informationsgehalt bruchmechanischer Werkstoffkenngrößen (siehe [[Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik]]) 
Infrarotspektroskopie (siehe [[FTIR|FTIR-Spektroskopie]]) 
Innendruckfestigkeit (siehe [[Kriechverhalten Zeitstandinnendruckversuch]]) 
Innendruckversuch (siehe [[Kriechverhalten Zeitstandinnendruckversuch]]) 
Instabiler Riss (siehe [[Rissausbreitung]]) 
[[Instrumentierte Härtemessung, Eindringtiefenmessung mit modifiziertem Tastfuß]] 
[[Instrumentierte Härtemessung, Kriechen]] 
[[Instrumentierte Härtemessung, Relaxation]] 
[[Instrumentierte Härtemessung mit Temperierung]] 
[[Instrumentierte Härteprüfung – Methode Kenngrößen]] 
[[Instrumentierte Kratzprüfung]] 
[[Instrumentierter Durchstoßversuch]] 
Instrumentierter Fallbolzenversuch (siehe [[Instrumentierter Durchstoßversuch]] und [[Schlagbeanspruchung Fallbolzensystem]]) 
[[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch]] 
[[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch]] 
[[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch, Beispiele]] 
[[Instrumentierung]] 
Interkalierte Struktur (siehe [[Schichtsilikatverstärkte Polymere]]) 
[[Interlaminare Scherfestigkeit]] 
Interlaminarer Rissverlauf (siehe [[Peelvorgang]]) 
[[IRHD-Härte]] 
ISO-Normstab (siehe [[Vielzweckprüfkörper]]) 
[[Isolationswiderstand]] 
Izod (siehe [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch nach Izod|Schlagbiegeversuch]]) 

== J ==
[[J-Integral Auswertemethoden]] (Überblick) 
[[J-Integral-Konzept]] 
[[JTJ-Konzept]] 
[[Justieren]] 

== K ==
[[Kalibrieren]] 
[[Kapillarrheometer]] 
Kaltverstreckung (siehe [[Zugversuch#Zugversuch.2C_W.C3.A4rmet.C3.B6nung|Zugversuch, Wärmetönung]]) 
[[Kausch, Hans-Henning]] 
Kautschukelastizität (siehe [[Gummielastizität]]) 
Kenngröße (siehe [[Werkstoffkenngröße]]) 
Kennwert (siehe [[Werkstoffkennwert]]) 
[[Keramographie]] 
[[Kerb]] 
Kerbaufweitung (siehe [[Rissöffnung]]) 
[[Kerbeinbringung]] 
[[Kerbempfindlichkeit]] 
[[Kerbgeometrie]] 
[[Kerbschlagbiegeversuch]] 
Kerbschlagbiegeversuch, instrumentierter (siehe ([[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch]]) 
Kerbschlagzähigkeit (siehe [[Kerbschlagbiegeversuch]]) 
[[Kerbschlagzugversuch]] 
Kerbschlagzugversuch, instrumentierter (siehe ([[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch]]) 
Kerbwirkung (siehe [[Kerbempfindlichkeit]]) 
[[Kernresonanzspektroskopie]] 
[[Klangprüfung]] 
[[Klappenauslenkungstest]] 
Klappenauslenkungstest, Stimmprothese (siehe [[Klappenauslenkungstest#Klappenauslenkungstest, Stimmprothese |Klappenauslenkungstest]]) 
[[KNOOP-Härte]] 
[[Kompaktzugprüfkörper]] 
Konditionierung (siehe [[Prüfklima]]) 
Kontaktmechanik (siehe [[HERTZ´sche Pressung]]) 
Kontaktwinkelmessung (siehe [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung]]) 
[[Kontinuumsmechanik]] 
[[Konventionelle Härteprüfung]] 
Konventioneller Schlagzugversuch (siehe [[Schlagzugversuch]]) 
[[Korrespondenzprinzip]] 
Kraftmessdose (siehe [[Elektro-Mechanischer Kraftaufnehmer]] und [[Piezoelektrischer Kraftaufnehmer]]) 
Kraftmesstechnik (siehe [[Zugversuch#Zugversuch, Kraftmesstechnik|Zugversuch]]) 
[[Kratzbeständigkeit]] 
Kratzfestigkeit (siehe [[Kratzbeständigkeit]]) 
[[Kriechen Kunststoffe]] 
Kriechmodul (siehe [[Kriechverhalten Ermittlung]]) 
[[Kriechverhalten Ermittlung]] 
[[Kriechverhalten Rückfederungsversuch]] 
[[Kriechverhalten Zeitstandbiegeversuch]] 
[[Kriechverhalten Zeitstanddruckversuch]] 
[[Kriechverhalten Zeitstandinnendruckversuch]] 
[[Kriechverhalten Zeitstandzugversuch]] 
[[Kriechstromfestigkeit]] 
[[Kriechwegbildung]] 
[[Kristallinität]] 
Kristallinitätsgrad (siehe [[Kristallinität]]) 
Kritische Rissöffnungsverschiebung (siehe [[Erweitertes CTOD-Konzept]]) 
Kryo-Ultramikrotomie (siehe [[Ultramikrotomie]]) 
[[Kugeldruckhärte]] 
[[Kugel- oder Stifteindrückverfahren]] 
Kugeleindrückverfahren (siehe [[Kugel- oder Stifteindrückverfahren]]) 
[[Kunststoffbauteil]], Dimensionierung 
[[Kunststoffdiagnostik]] 
[[Kunststoffe]] 
[[Kunststoffprüfung]] 
Kurzbiegeprüfkörper (siehe [[Interlaminare Scherfestigkeit]]) 
[[Kurzfaserverstärkte Verbundwerkstoffe]] 
[[Kurzzeichen]] Kunststoffe 

== L ==
LAMBERT'sche Strahlungsgesetz (siehe [[Reflexion Licht]]) 
LAMBERT-BEER'sche Schwächungsgesetz (siehe [[Absorption Licht]]) 
[[Langsames Risswachstum]] 
[[Laser-Doppel-Scanner]] 
[[Laser-Doppler-Scanner]] 
[[Laser-Heterogenität der Dehnungsverteilung]] 
[[Laser-Längs-Quer-Scanner]] 
[[Laser-Multi-Scanner]] 
[[Laser-Parallel-Scanner]] 
[[Laser-Quer-Einheit]] 
Laser-Speckle-Shearing-Interferometrie (siehe [[Shearographie]]) 
[[Laser-TMA-Scanner]] 
[[Laser-Winkel-Scanner]] 
[[Laserextensometrie]] 
[[Laserextensometrie Lokale Dehnungsregelung]] 
[[Lasersinterverfahren]] 
[[Lastrahmen]] 
Lichtabsorption (siehe [[Absorption Licht]]) 
Lichtreflexion (siehe [[Reflexion Licht]]) 
Linear-elastische Bruchmechanik (siehe [[Bruchmechanik#Linear-elastische Bruchmechanik|Bruchmechanik]]) 
Linear-elastische Bruchmechanik mit Kleinbereichsfließen (siehe [[Bruchmechanik#Linear-elastische Bruchmechanik mit Kleinbereichsfließen|Bruchmechanik]]) 
[[Linear-viskoelastisches Verhalten]] 
Linearer Ausdehnungskoeffizient (siehe [[Thermomechanische Analyse]]) 
[[Lochbildung Folie]] 
[[Lochbildung Kunststoffe]] 
Longitudinalwellen-Prüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe]]) 
Low-Vacuum-Rasterelektronenmikroskop (siehe [[Umgebungs-REM]]) 
Luftfeuchtigkeit (siehe [[Normklimate]]) 
[[Luftultraschall]] 
[[Luftultraschall Gerätetechnik]] 

== M ==
[[Makrodispersionsgrad Elastomere]] 
Makroskopische Bruchmerkmale (siehe [[Brucharten]] und [[Fraktographie]]) 
[[Martens, Adolf]] 
[[Maschinennachgiebigkeit]] 
[[Materialographie]] 
[[Materialprüfmaschine]] 
[[MAXWELL-Modell]] 
[[Mehrachsiger Spannungszustand]] 
[[Mehrfachbruch UD-Tapes]] 
[[Menges, Georg]] 
[[Messabweichung]] 
[[Messen]] 
[[Messgenauigkeit]] 
[[Messgröße]] 
[[Messmittelüberwachung]] 
[[Messunsicherheit]] 
[[Messwert]] 
[[Messwertgenauigkeit]] 
[[Metallographie]] 
MFR (siehe [[Schmelze-Massefließrate]]) 
[[Michler, Goerg Hannes]] 
Mikro-IRHD (siehe [[IRHD-Härte]]) 
Mikrohärte (siehe [[Härte]]) 
[[Mikroporen]] 
[[Mikroprüftechnik]] 
Mikroriss (siehe [[Riss]]) 
[[Mikroschädigungsgrenze]] 
Mikroskopische Bruchmerkmale (siehe [[Brucharten]]) 
[[Mikroskopische Struktur]] 
[[Mikrotomie]] 
[[Mikrozugprüfung]] 
[[MMB-Prüfkörper]] (Mixed-Mode Bend)-Prüfkörper 
[[Mobile Härtemessung]] 
[[Mohs, Carl Friedrich Christian]] 
MOHS'sche Härteskala (siehe [[Ritzhärte]] und [[Mohs, Carl Friedrich Christian]]) 
Morphologie (siehe [[Mikroskopische Struktur]]) 
[[MPK-Norm]] 
[[MPK-Prozedur MPK-AE]] 
[[MPK-Prozedur MPK-IFV]] 
[[MPK-Prozedur MPK-IKBV]] 
[[MPK-Prozedur MPK-IKBV englisch]] 
[[MPK-Prozedur MPK-IKZV]] 
[[MPK-Prozedur MPK-IKZV englisch]] 
MVR (siehe [[Schmelze-Volumenfließrate]]) 

== N ==
Nachgiebigkeit (siehe [[Zugversuch Nachgiebigkeit]] und [[Probennachgiebigkeit]]) 
Nanocomposite (siehe [[Schichtsilikatverstärkte Polymere]]) 
[[Nano-Eindringprüfung]] 
NEWTON'sche Fluide (siehe [[Scherviskosität]]) 
Nichtlinear-Viskoelastisches Werkstoffverhalten (siehe [[Elastizität]]) 
Niederdruckkapillarrheometer (siehe [[Kapillarrheometer]]) 
Normalprüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe]]) 
[[Normklimate]] 
NMR-Spektroskopie (siehe [[Kernresonanzspektroskopie]]) 

== O ==
[[Oberfläche]] 
[[Oberflächenenergie]] 
[[Oberflächenprüftechnik]] 
[[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung]] 
[[Oberflächentechnik]] 
[[Oberflächenwiderstand]] 
[[Objekt-Rasterverfahren]] 
Orientierung (siehe [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen]]) 

== P ==
Partikelgefüllte Kunststoffe (siehe [[Teilchengefüllte Kunststoffe]]) 
[[Peel-Clingtest]] 
[[Peel-Clingtest erweitert]] 
[[Peel-Clingtest zyklisch]] 
[[Peelkraft]] 
[[Peelkraft-Bruchweg-Diagramm]] 
Peelkurve (siehe [[Peelkraft-Bruchweg-Diagramm]]) 
[[Peeltest]] 
[[Peelverhalten – Modellierung]] 
[[Peelvorgang]] 
[[Peelwinkel]] 
[[Pennsylvania Edge Notch Tensile (PENT) Test]] 
[[Permeation]] 
Permitivität (siehe [[Dielektrische Eigenschaften]]) 
Phasen- und Gruppengeschwindigkeit (siehe [[Schallgeschwindigkeit]]) 
[[Phasengrenzfläche]] 
Phasenmessende Deflektometrie (PMD (siehe [[Raster-Reflexionsverfahren]]) 
Physikalische Rissinitiierung (siehe [[Stretchzone]] und [[Rissinitiierung]]) 
Piezoelektrischer Effekt (siehe [[Piezoelektrischer Kraftaufnehmer]] und [[Piezokeramik]]) 
[[Piezoelektrischer Kraftaufnehmer]] 
[[Piezokeramik]] 
[[Piezokeramischer Schwinger]] 
[[Plastic-Hinge-Modell]] (Türangelmodell) 
Plastische Deformation (siehe [[Deformation#Plastische Deformation|Deformation]]) 
[[Plastische Zone]] 
[[Plastographie]] 
[[Poissonzahl]] 
[[Polarisationsoptische Untersuchung]] 
Poldi Härteprüfung (siehe [[Mobile Härtemessung]]) 
Polydispersität (PDI) (siehe [[Glasfaserlängenverteilung Auflösung der Matrix]]) 
[[Polymer]] 
[[Polymerblends]] 
[[Probennachgiebigkeit]] 
Produktfehler (siehe [[Fehler]]) 
[[Prothesendurchzugstest]] 
Prothesendurchzugstest, Stimmprothese (siehe [[Prothesendurchzugstest#Prothesendurchzugstest, Stimmprothese|Prothesendurchzugstest]]) 
[[Prüfen]] 
[[Prüfgeschwindigkeit]] 
[[Prüfklima]] 
[[Prüfkörper]] 
[[Prüfkörper für bruchmechanische Prüfungen]] 
[[Prüfkörper für Ermüdungsversuche]] 
[[Prüfkörper für Lasersintern]] 
[[Prüfkörpereinspannung]] 
Prüfkörpernachgiebigkeit (siehe [[Probennachgiebigkeit]]) 
Prüfkörpervorbereitung (siehe [[Prüfklima]]) 
Prüfmaschinenhersteller (siehe [[Hersteller von Materialprüfmaschinen]]) 
[[Prüfung von Kunststoffverpackungen]] 
[[Prüfung von Verbundwerkstoffen]] 
[[Prüfung von Verbundwerkstoffen – Anforderungen an Materialprüfmaschinen]] 
PTI-Wert (Proof Tracking Index) (siehe [[Kriechstromfestigkeit]]) 
[[Pure Shear-Prüfkörper]] 
[[Push-Out-Test]]

== Q ==
Quasistatische Kurzzeitversuche (siehe [[Elastizitätsmodul]]) 
[[Quasistatische Prüfverfahren]] 
Quellung (siehe [[Wasseraufnahme]]) 
Querkontraktion (siehe [[Poissonzahl]]) 

== R ==
[[Radusch, Hans-Joachim]] 
[[Rampen, Schollen und Stufen]] 
[[Randfaserdehnung]] 
[[Raster-Reflexionsverfahren]] 
[[Rasterelektronenmikroskopie]] (REM) 
[[Rasterkraftmikroskopie]] 
Rastlinien (siehe [[Brucharten]], [[Fraktographie]] und [[Wellen und Rastlinien]]) 
[[RCT-Prüfkörper]] (Round Compact Tension-Prüfkörper) 
[[RDE-Prüfkörper]] (Reduced-Dynamic Effects)-Prüfkörper 
[[Reflexion Licht]] 
[[Reflexion Schallwellen]] 
Refraktion (siehe [[Brechung Licht]]) 
Registrierende Mikrohärte (siehe [[Instrumentierte Härteprüfung – Methode Kenngrößen]]) 
[[Registrierende Mikrohärte mit AFM]] 
[[Registrierender Haftversuch]] 
[[Reibungskraft]] 
[[Reißmodul]] 
Relative Dielektrizitätskonstante (siehe [[Dielektrische Eigenschaften]]) 
[[Relaxation Kunststoffe]] 
[[Relaxationsverhalten Ermittlung]] 
[[Remission Licht]] 
Reptation-Modell (siehe [[Siegelnaht]]) 
[[Resonanzanalyse]] (akustische) 
Restdruckfestigkeit (siehe [[Compression After Impact (CAI)-Test]]) 
Restfestigkeit (siehe [[Biegestreifenverfahren]]) 
Retardation (siehe [[Kriechen Kunststoffe]]) 
[[Rheometrie]] 
[[Rieselfähigkeit]] 
[[Ringversuch]] 
[[Riss]] 
Rissabstumpfung (siehe [[Bruchmechanik]] und [[Risswiderstandskurve]]) 
[[Rissausbreitung]] 
Rissausbreitungsenergie (siehe auch [[Rissverzögerungsenergie]]) 
Rissbildung (siehe [[Bruchentstehung]]) 
Rissbruchkriterium (siehe [[Bruchsicherheitskriterium]]) 
[[Rissinitiierung]] 
[[Rissmodelle]] 
[[Rissmodell nach BARENBLATT]] 
[[Rissmodell nach DUGDALE]] 
[[Rissmodell nach GRIFFITH]] 
[[Rissmodell nach IRWIN und Mc CLINTOCK]] 
[[Rissöffnung]] 
[[Rissöffnungsmoden]] 
Rissöffnungsverschiebung (siehe [[Erweitertes CTOD-Konzept]]) 
Rissöffnungsverschiebungsgeschwindigkeit (siehe [[Erkenntnisniveauebenen der Bruchmechanik]]) 
[[Rissverzögerungsenergie]] 
Risswachstum (siehe [[Rissausbreitung]]) 
[[Risswachstum Spannungsrisskorrosion]] 
Risswachstumsgeschwindigkeit (siehe [[Ermüdungsrissausbreitung Elastomere]]) 
Risswachstumskurve Elastomere (siehe [[Ermüdungsrissausbreitung Elastomere]]) 
[[Risswiderstandskurve]] (Risswiderstands (R-) Kurven-Konzept) 
[[Risswiderstandskurve – Beispiele]] 
[[Risswiderstandskurve – Elastomere quasistatisch]] 
[[Risswiderstandskurve – Experimentelle Methoden]] 
[[Risszähigkeit]] 
[[Ritzhärte]] 
[[Ritztest]] 
[[ROCKWELL-Härte]] 
Rollring-Prüfkörper (siehe [[Rollringtest]]) 
[[Rollringtest]] 
Röntgenbeugung (siehe [[Kristallinität]]) 
Rotationsfaktor (siehe [[Plastic-Hinge Modell]]) 
[[Rotationsrheometer]] 
Round Robin Test (siehe [[Ringversuch]]) 
Rückfederungsversuch (siehe [[Kriechverhalten Rückfederungsversuch]]) 
Rund-Kompakt-Prüfkörper (siehe [[RCT-Prüfkörper]]) 
[[Rundprobe]] 

== S ==
[[SCB-Prüfkörper]] (Split-Cantilever Beam)-Prüfkörper 
[[Schadensanalyse]], Grundlagen 
[[Schadensanalyse_VDI_Richtlinie_3822|Schadensanalyse an Kunststoffprodukten, VDI-Richtlinie 3822]] 
Schädigungsmechanismen (siehe [[Deformationsmechanismen]]) 
Schädigungszone (siehe [[Bruchfläche]]) 
Schalldämpfung und Schalldämpfungskoeffizient (siehe [[Akustische Eigenschaften]]) 
[[Schalldruck]] 
[[Schallemission]] 
[[Schallemission Experimentelle Bedingungen]] 
[[Schallemissionsanalyse]] 
[[Schallemissionsprüfung]] (SEP) 
[[Schallgeschwindigkeit]] 
[[Schallleistung]] 
[[Scherbandbildung]] 
Scherbruch (siehe [[Brucharten]]) 
[[Scherviskosität]] 
[[Schichtsilikatverstärkte Polymere]] 
[[Schlagbeanspruchung Fallbolzensystem]] 
[[Schlagbeanspruchung Kunststoffe]] 
[[Schlagbeanspruchung Hochgeschwindigkeitsprüfung]] 
[[Schlagbeanspruchung Pendelschlagwerk]] 
[[Schlagbiegeversuch]] 
[[Schlagzugversuch]] 
[[Schlankheitsgrad]] 
[[Schmelze-Massefließrate]] (MFR) 
[[Schmelze-Volumenfließrate]] (MVR) 
Schmelzindex (siehe [[Schmelze-Massefließrate]] und [[Schmelze-Volumenfließrate]]) 
Schnellzerreißversuch (siehe [[Hochgeschwindigkeitszugversuch]]) 
[[Schrumpfung]] 
[[Schrumpfversuch]] 
[[Schubmodul]] 
Schubspannung (siehe [[Biegeversuch Schubspannung]]) 
Schubsteifigkeit (siehe [[Steifigkeit]]) 
[[Schüttgutdichte]] 
[[Schüttwinkel]] 
Schwamm- und Schaumstrukturen (siehe [[Lochbildung Kunststoffe]]) 
Schweißnahtgüte (siehe [[Heterogenität|Heterogenität der Dehnungsverteilung]]) 
[[Schwindung]] 
[[Schwingungsbruch]] 
[[Schwingungsinduzierter Kriechbruch]] 
SEARLE-Typ-Rheometer (siehe [[Rotationsrheometer]]) 
[[Seidler, Sabine]] 
Seitenkerben (siehe [[Kerb]]) 
[[SENB-Prüfkörper]] (Single-Edge-Notched Bend)-Prüfkörper 
Sende(S)-Empfangs(E)-Prüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe]]) 
[[SENT-Prüfkörper]] (Single-Edge-Notched Tension)-Prüfkörper 
Servohydraulischer Antrieb (siehe [[Antriebe für Materialprüfmaschinen#Servohydraulischer Antrieb|Antriebe für Materialprüfmaschinen]]) 
[[Servohydraulische Prüfmaschine]] 
[[Shearographie]] 
[[SHORE-Härte]] – Grundlagen 
[[SHORE-Härte – Werkstoffentwicklung Elastomere]] 
[[Shore, Albert Ferdinand]] 
Short Beam Test (siehe [[Interlaminare Scherfestigkeit]]) 
[[Sichtprüfung]] 
[[Siegelnaht]] 
[[Smart Materials]] 
SNEDDON-WILLIAMS-Gleichungen (siehe [[Rissmodell nach GRIFFITH]]) 
Sonografie (siehe [[Ultraschallprüfung]]) 
Spannungs-Dehnungs-Diagramm (siehe [[Zugversuch#Zugversuch, Spannungs-Dehungs-Diagramm|Zugversuch]]) 
Spannungsintensitätsfaktor (siehe [[Bruchmechanik]]) 
Spannungskonzentration (siehe [[Bruchmechanik]]) 
Spannungsrelaxation (siehe [[Relaxation Kunststoffe]]) 
[[Spannungsrissbeständigkeit]] 
Spannungsrissbildung (siehe [[Spannungsrissbeständigkeit]]) 
[[Spannungsrisskorrosion]] 
Spannungrisskorrosion – Bruchmechanik (siehe [[Risswachstum Spannungsrisskorrosion]]) 
[[Speckle-Messtechnik]] 
Speckle-Pattern-Interferometrie (siehe [[Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie]] (ESPI)) 
Speckle-Pattern-Photographie (siehe [[Speckle-Messtechnik]]) 
Spezifische Wärme (siehe [[Differential Scanning Calorimetry|Differential Scanning Calorimetry (DSC)]] und [[Wärmeleitfähigkeit]]) 
Spezifischer Oberflächenwiderstand (siehe [[Oberflächenwiderstand]]) 
[[Sphärolithische Struktur]] 
Sprödbruch (siehe [[Brucharten]]) 
[[Sprödbruchfördernde Faktoren]] 
[[Spröd-Zäh-Übergang]] 
[[Spröd-Zäh-Übergangstemperatur]] 
Sprungabstand (siehe [[Ultraschall-Winkel-Prüfköpfe]]) 
[[Squirter-Technik]] 
Stationäres plastisches Fließen (siehe [[Zugversuch Ereignisbezogene Interpretation]]) 
[[Stauchhärte]] 
[[Steifigkeit]] (siehe auch [[Maschinennachgiebigkeit]] und [[Probennachgiebigkeit]]) 
[[Stepped Isothermal Methode, Makroeindringprüfung]] 
[[Stepped Isothermal Methode, Zugbeanspruchung]] 
Stifteindrückverfahren (siehe [[Kugel- oder Stifteindrückverfahren]]) 
Stoßwellen-Prüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Stoßwellen-Prüfköpfe]]) 
[[Strain Hardening Test (SHT)]] 
Streckgrenze (siehe [[Streckspannung]]) 
[[Streckspannung]] 
[[Stretchzone]] 
Stützweite (siehe [[Auflagerabstand]]) 

== T ==
[[T-Peeltest]] 
[[TABOR-Beziehung]] 
[[TDCB-Prüfkörper]] 
Tearing-Modul (siehe [[Reißmodul]]) 
Technische Rissinitiierung (siehe [[Rissinitiierung]]) 
[[Teilchengefüllte Kunststoffe]] 
[[Temperaturmodulierte Dynamische Differenzkalometrie]] (TM DSC) 
[[Thermische Dehnungs-Analyse]] (TDA) 
[[Thermische Leitfähigkeit]] 
[[Thermische Spannungs-Analyse]] (TSA) 
[[Thermischer Ausdehnungskoeffizient]] 
Thermisches Versagen (siehe [[Dauerschwingversuch]]) 
[[Thermoelastischer Effekt]] 
[[Thermographie]] 
[[Thermogravimetrische Analyse]] (TGA) 
[[Thermomechanische Analyse]] (TMA) 
[[Thermoplaste]] 
[[Tiefenschärfe Mikroskop]] 
Titrationsverfahren (siehe [[Dichte]]) 
Torsionssteifigkeit (siehe [[Steifigkeit]]) 
Totalreflexion (siehe [[ABBE-Refraktometer]]) 
Trägheitskraft (siehe [[Aufschlagimpuls]]) 
Translaminarer Rissverlauf (siehe [[Peelvorgang]]) 
[[Transmission Licht]] 
[[Transmission Schallwellen]] 
[[Transmissionselektronenmikroskopie]] (TEM) 
[[Trapezprüfkörper]] 
[[Traversengeschwindigkeit]] 
Traversenwegmessung (siehe [[Zugversuch]], [[Druckversuch]] und [[Biegemodul]]) 
[[Trousersprüfkörper]] 
Tribologische Beanspruchung (siehe [[Beanspruchung]]) 
Türangelmodell (siehe [[Plastic-Hinge-Modell]]) 

== U ==
UCI-Härte (siehe [[Ultrasonic Contact Impedance (UCI)-Härte]]) 
UD-Tapes Zugbeanspruchung (siehe [[Mehrfachbruch UD-Tapes]]) 
[[Ultramikrotomie]] 
[[Ultrasonic Contact Impedance (UCI)-Härte]] 
[[Ultraschall-Composite-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Direktankopplung]] 
[[Ultraschall-Durchschallungs-Technik]] 
[[Ultraschall-Geführte-Wellen]] 
[[Ultraschall-Gruppenstrahler-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Impuls-Echo-Technik]] 
[[Ultraschall-Laufzeit-Beugungsverfahren (TOFD)]] 
[[Ultraschall-Laufzeitverfahren]] 
[[Ultraschall-Laser-Anregung]] 
[[Ultraschall-Modulation]] 
[[Ultraschall-Normal-Prüfköpfe]] 
Ultraschall-Phased-Array-Prüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Gruppenstrahler-Prüfköpfe]]) 
[[Ultraschall-Plattenwellen-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Schweißnahtprüfung]] 
[[Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Stoßwellen-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Tauchbad-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschall-Tauchbad-Technik]] 
[[Ultraschall-Wanddickenmessung]] 
[[Ultraschall-Winkel-Prüfköpfe]] 
[[Ultraschalldoppelbrechung]] 
[[Ultraschallprüfung]] 
Ultraschallprüfung, bildgebende (siehe [[Bildgebende Ultraschallprüfung]]) 
[[Umgebungs-REM]] (ESEM) 
[[Universalhärte]] 
Universalprüfmaschine (siehe [[Materialprüfmaschine]]) 

== V ==
[[Vakuolen]] 
Verarbeitungsschwindung (siehe [[Schwindung]]) 
[[Veraschungsmethode]] 
Verbundwerkstoffe (siehe [[Prüfung von Verbundwerkstoffen]]) 
Verformung (siehe [[Deformation]]) 
Verformungsbruch (siehe [[Brucharten]]) 
[[Verformungsgeschwindigkeit]] 
[[Vernetzung Elastomere]] 
Vernetzungsdichte (siehe [[Entropieelastizität]]) 
Verpackungsprüfung (siehe [[Prüfung von Kunststoffverpackungen]]) 
Versagen (siehe [[Bruch]]) 
Verzug (siehe [[Schwindung]]) 
[[Vicat-Erweichungstemperatur]] 
[[Vickers-Härte]] 
Vickersdiamant (siehe [[Indenter]]) 
[[Videoextensometrie]] 
[[Vielzweckprüfkörper]] 
Vierpunktbiegeprüfung (siehe [[Biegeversuch]]) 
[[Viskoelastisches Werkstoffverhalten]] 
Viskoelastizität (siehe [[Linear-viskoelastisches Verhalten]] und [[Viskoelastisches Werkstoffverhalten]]) 
Viskose Deformation (siehe [[Deformation#Viskose Deformation|Deformation]]) 
Viskosimetrie (siehe [[Rheometrie]]) 
[[Viskosität]] 
[[VOIGT-KELVIN-Modell]] 
Volumendilatometrie (siehe [[Zugversuch Ereignisbezogene Interpretation]]) 
[[Vulkanisation]] 

== W ==
Wärmeausdehnungskoeffizient (siehe [[Thermischer Ausdehnungskoeffizient]]) 
[[Wärmeformbeständigkeit]] 
[[Wärmeformbeständigkeitstemperatur]] 
[[Wärmeleitfähigkeit]] 
Wärmeleitungsgleichung (siehe [[Wärmeleitfähigkeit]]) 
Wärmetönung (siehe [[Zugversuch#Zugversuch, Wärmetönung|Zugversuch]]) 
[[Wasseraufnahme]] 
Wavelet-Transformation (siehe [[Frequenzanalyse]]) 
Wegmesstechnik (siehe [[Zugversuch#Zugversuch, Wegmesstechnik|Zugversuch]]) 
Weißbruch (siehe [[Brucharten]] und [[Spröd-Zäh-Übergangstemperatur]]) 
[[Weiterreißversuch]] 
Wellenausbreitung (siehe [[Ultraschallprüfung]]) 
[[Wellen und Rastlinien]] 
[[Werkstoffkenngröße]] 
[[Werkstoffkennwert]] 
[[Werkstoffprüfung]] 
WHEATSTONE'sche Brückenschaltung (siehe [[Dehnmessstreifen]] und [[IKBV mit SEA]]) 
Widerlager (siehe [[Auflagerabstand]]) 
Williams, Landel und Ferry (WLF)-Gleichung (siehe [[Zeit-Temperatur-Verschiebungsgesetz]]) 
[[winIKBV]] 
Winkelprüfköpfe (siehe [[Ultraschall-Winkel-Prüfköpfe]]) 
[[Winkelprüfkörper]] 

== X, Y, Z ==
Zähbruch (siehe [[Brucharten]]) 
[[Zähigkeit]] 
[[Zähigkeit Temperaturabhängigkeit]] 
[[Zeit-Temperatur-Verschiebungsgesetz]] 
[[Zeitstandbiegeversuch]] 
[[Zeitstanddruckversuch]] 
Zeitstandinnendruck-Schaubild (siehe [[Kriechverhalten Zeitstandinnendruckversuch]]) 
[[Zeitstandprüfung – Anforderungen an Prüfanlagen]] 
[[Zeitstandzugversuch]] 
[[Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung]] 
[[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)]] 
Zipfelbildung (siehe [[Rampen, Schollen und Stufen]]) 
[[Zugfestigkeit]] 
Zugprüfkörper (siehe [[Vielzweckprüfkörper]]) 
Zugsteifigkeit (siehe [[Steifigkeit]]) 
[[Zugversuch]] 
[[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen]] 
[[Zugversuch Einflüsse]] 
[[Zugversuch Ereignisbezogene Interpretation]] 
[[Zugversuch Gleichmaßdehnung]] 
[[Zugversuch Nachgiebigkeit]] 
[[Zugversuch Regelung]] 
[[Zugversuch Überlagerung Kriechen Relaxation]] 
[[Zugversuch und Schallemissionsanalyse]] 
[[Zugversuch Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm]] 

== Kategorien ==

[[:Kategorie:Gastbeiträge|Gastbeiträge]]

[[:Kategorie:Akustische_Prüfverfahren_Ultraschall|Akustische Prüfverfahren/Ultraschall]] 
[[:Kategorie:Alterung|Alterung]] 
[[:Kategorie:Biegeversuch|Biegeversuch]] 
[[:Kategorie:Bruchmechanik|Bruchmechanik]] 
[[:Kategorie:Deformation|Deformation]] 
[[:Kategorie:Druckversuch|Druckversuch]] 
[[:Kategorie:Elastomere|Elastomere]] 
[[:Kategorie:Elektrische und dielektrische Prüfung|Elektrische und dielektrische Prüfung]] 
[[:Kategorie:Ermüdung|Ermüdung]] 
[[:Kategorie:Farbe und Glanz|Farbe und Glanz]] 
[[:Kategorie:Folienprüfung|Folienprüfung]] 
[[:Kategorie:Geschwindigkeit|Geschwindigkeit]] 
[[:Kategorie:Härte|Härte]] 
[[:Kategorie:Hybride Methoden|Hybride Methoden]] 
[[:Kategorie:Implantatprüfung|Implantatprüfung]] 
[[:Kategorie:Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch]] 
[[:Kategorie:Kriechverhalten Kunststoffe|Kriechverhalten Kunststoffe]] 
[[:Kategorie:Kunststoffe|Kunststoffe]] 
[[:Kategorie:Laserextensometrie|Laserextensometrie]] 
[[:Kategorie:Licht|Licht]] 
[[:Kategorie:Mess- und Prüftechnik|Mess- und Prüftechnik]] (Messdatenerfassung) 
[[:Kategorie:Morphologie und Mikromechanik|Morphologie und Mikromechanik]] 
[[:Kategorie:Oberflächenprüftechnik|Oberflächenprüftechnik]] 
[[:Kategorie:Optische Feldmessverfahren|Optische Feldmessverfahren]] 
[[:Kategorie:Peeltest|Peeltest]] 
[[:Kategorie:Prüfkörper|Prüfkörper]] 
[[:Kategorie:Prüfkörper- und Probenherstellung|Prüfkörper- und Probenherstellung]] 
[[:Kategorie:Schadensanalyse Bauteilversagen|Schadensanalyse/Bauteilversagen]] 
[[:Kategorie:Schlagversuche|Schlagversuche]] 
[[:Kategorie:Spannungsrissbeständigkeit|Spannungsrissbeständigkeit]] 
[[:Kategorie:Thermoanalytische Methoden|Thermoanalytische Methoden]] 
[[:Kategorie:Verarbeitungsrelevante Eigenschaften|Verarbeitungsrelevante Eigenschaften]] 
[[:Kategorie:Werkstoffwissenschaftler Polymerwissenschaftler|Werkstoffwissenschaftler/Polymerwissenschaftler]] 
[[:Kategorie:Wissenschaftsdisziplinen|Wissenschaftsdisziplinen]] 
[[:Kategorie:Zugversuch|Zugversuch]]

Lasersinterverfahren

2021-01-25T13:00:45Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Lasersinterverfahren
__FORCETOC__
== Verfahrensaufbau und Wirkungsweise ==

Das Lasersintern ist ein Prozess, bei dem ein als Werkzeug genutzter Laser einen pulverförmigen Werkstoff versintert. Die vorgeheizten Pulverpartikel werden dabei an der [[Oberfläche]] durch den Laser selektiv erwärmt, so dass diese Partikel partiell aufschmelzen und miteinander versintern. Der prinzipielle Aufbau der Lasersinteranlagen ist – abgesehen von geringfügigen hersteller- und systemseitigen Unterschieden – prinzipiell ähnlich ('''Bild 1''') [1, 3].

{| border="0"
|[[Datei:Lasersinterverfahren_1.jpg]]
|
{| border=0
|-valign="top"
|width="25px"|1 –
|Baufeld
|-valign="top"
|2 –
|Materialvorratsbehälter
|-valign="top"
|3 –
|Überflussbehälter
|-valign="top"
|4 –
|Bauplattform
|-valign="top"
|5 –
|Laserfenster
|}
|}
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Vereinfachte Darstellung einer Lasersinteranlage [2]
|}

Das Baufeld (1), das so genannte "Part Bed", befindet sich zentral in der Lasersintermaschine. Unterhalb des Baufeldes liegt eine absenkbare und beheizte Bauplattform (4), auch "Part Piston" genannt. Die Mantelflächen des Bauraums sind ebenfalls beheizt und gegenüber der Umgebung wärmeisoliert. Über dem Baufeld befinden sich eine Spiegel-Linsen-Optik und der Laser, beide sind durch ein auch "IR Window" genanntes Fenster aus IR-transparentem Glas (5) vom Bauraum getrennt. Dies ist notwendig, um ein Verschmutzen der hochsensiblen Optik zu verhindern. Ein System aus Heizern, welche ringförmig zwischen dem Laserfenster und der Bauplattform lokalisiert sind, dient dem Aufheizen des Pulvers auf Prozesstemperatur. Einige Lasersinteranlagen haben zur Vorwärmung des Pulvers zusätzliche Heizer, die links und rechts neben dem Bauraum angebracht sind. Mit dieser Anordnung können während des Lasersinterprozesses scharfe Bauteilkanten besser realisiert werden. Ein, auf einer horizontalen Achse über dem Bauraum gelagerter Wischer ermöglicht den Pulverauftrag. Dieser Wischer ist bei der Firma 3D-Systems als gegenläufige Walze, bei der Firma EOS als Rakel ausgeführt. Es gibt zwei Arten der Pulverbereitstellung. Bei der Vanguard-Baureihe und den Vorgängermodellen der Firma DTM wird vor dem Bauprozess das Polymerpulver in die sich links und rechts vom Bauraum befindlichen Materialvorratsbehälter (2), so genannte "Feeds", gefüllt. Diese werden dann im Prozess vor den (hier als Rollersystem ausgeführt) Wischer nach oben gefahren. Die Systeme von EOS und die Sinterstation sPRO140/230 besitzen Materialvorratsbehälter über dem Wischer, welche während des Prozesses mit Pulver nachgefüllt werden können. Neben den Feeds bzw. der Baukammer befinden sich die Überflussbehälter (3), welche auch als "Overflows" bezeichnet werden. Diese fangen überschüssiges Pulver auf, das das Wischersystem vor sich herschiebt. 
Die Maschine wird hauptsächlich über einen PC bedient. Dieser ist auch für die Steuerung der Spiegel-Linsen-Optik zuständig.

== Datenaufbereitung – Positionierung ==

Der Prozess beginnt mit der Übernahme der CAD-Daten im STL-Format auf den Rechner der Lasersinteranlage. Die sich entsprechend den Daten ergebenden Lasersinterbauteile werden nun in einem virtuellen Bauraum angeordnet. Dabei können die Bauteile so ineinander verschachtelt positioniert werden, so dass das verfügbare Volumen des realen Bauraums optimal ausgenutzt wird. Mögliche Kollisionspunkte kann die Software vor Baubeginn ermitteln. Für möglichst maßhaltige Bauteile sind gewisse Erfahrungswerte einzuhalten, die sehr spezifisch und geometrieabhängig sind und somit nicht verallgemeinert werden können. Allgemein bekannt ist jedoch, dass die Temperatur innerhalb des Baufeldes nahezu ortsunabhängig konstant ist, jedoch am Rand und insbesondere den Ecken abnimmt. Platziert man Teile zu nahe an die Begrenzungen des Bauraums, kommt es aufgrund des dort vorhandenen Temperaturgradienten zu einem starken Verzug und einem Verlust der [[Festigkeit]]. Daher sollte der Abstand aller Teile im Bauraum von der Bauraumbegrenzung laut Herstellerangaben ca. 25 mm sein. 
Die Ausrichtung der Bauteile im Bauraum sollte so erfolgen, dass die pro Lasersinterebene notwendige Belichtungszeit keinen großen Schwankungen unterworfen ist. Eine von Ebene zu Ebene stark zu- oder abnehmende Belichtungszeit führt, da der Prozess temperaturgeführt gefahren wird, zu einer Störung des Baufeldtemperaturgleichgewichts. Schwachstellen im [[Bauteilprüfung|Bauteil]] wären die unmittelbare Folge. 
Zu Baubeginn sollte eine Wärmebarriere erzeugt werden. Dies sind flache großflächige Geometrien, die einerseits infolge der Belichtung mit dem Laser Wärme aufnehmen, andererseits – aus ihrer Funktion als Wärme- bzw. Kälteschild heraus – ein Aufrollen der unteren Schichten der Bauteile, dem so genannten "Curl", verhindern. Sie dienen ebenfalls dazu, dass der Laser auf Betriebstemperatur vorgewärmt wird. 
Beim Lasersintern sind im Gegensatz zum Laserschmelzen von Metallen oder der Stereolithographie keine Stützkonstruktionen notwendig. Einerseits stützt das das Bauteil umgebende Pulver die Konstruktion, andererseits sind die [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Eigenspannungen]] in einer Schicht zu gering, als dass es nach dem Bau der Wärmebarriere zum Aufrollen einer Schicht kommen kann. 
Sind alle Bauteilgeometrien (siehe auch: [[Kunststoffbauteil|Kunststoffbauteil, Dimensionierung]]) implementiert, können noch Bau- und Teileparameter festgelegt werden. In der Praxis bezieht man sich auf einen festen, nur halbjährlich überprüften Parametersatz. Zu den Parametern (Stellgrößen) gehören unter anderem Laserleistung, Strahlversatz, Baufeldtemperatur und maßliche Einstellungen, wie die Schwindungskompensation und die Strahlkorrektur. 
Softwareintern werden alle Volumendaten der Bauteile in Scheiben von einer Schichtdicke von typischerweise 0,08 – 0,15 mm geschnitten und dem Prozess bereitgestellt.

== Prozessablauf ==

Bei der Verarbeitung von [[Kunststoffe]]n wird die Prozesskammer mit einem Schutzgas, meist Stickstoff, geflutet. Der Sauerstoffgehalt beträgt weniger als 6 %, um eine Oxidation des [[Polymer]]s zu verhindern. Während des gesamten Lasersinterprozesses strömt kontinuierlich Schutzgas über das Laserfenster. Das in die Maschine eingeleitete Gas verhindert ein Kondensieren der während des Prozesses freigesetzten Monomere am etwas kälteren Glas. Es dient auch dazu, einen Überdruck in der Kammer zu erzeugen und verhindert dadurch das Einströmen kalter und sauerstoffreicher Luft. Mit wirksamer Schutzatmosphäre beginnen die Heizer die Anlage auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Die Bauplattform senkt sich nun um eine Schichtdicke ab. Danach trägt der Wischer eine (neue) Schicht Pulver auf. Dieser Prozess (Bauplattformabsenkung und Pulverschichtauftragung) wiederholt sich bis zu einem Baufortschritt von ca. 10 mm, wobei das Pulverbett langsam auf Temperaturen von ca. 8 – 10 K unterhalb der Schmelztemperatur des [[Polymer]]s erwärmt wird. Bei PA12 beträgt diese Baufeldtemperatur ca. 175 °C. Nachdem die Aufwärmphase beendet ist, beginnt die Bauphase.

[[Datei:Lasersinterverfahren_Sintervorgang_korr.jpg|600px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schematische Darstellung des Sintervorgangs [2]
|}

Ist der Pulverauftrag beendet, rastert der Laser die Konturen der ersten Bauteilschicht (d. h. die in der Lasersinterebene sich befindlichen Bauteilkoordinaten) vektorenweise in X- bzw. Y-Richtung ab (engl.: "Fill") (Bild 2). Am Ende eines Vektors verschiebt sich die Position des Lasers um den Srahlversatz hR senkrecht zur Vektorenrichtung und der Laserstrahl fährt den Vektor entgegengesetzt zum vorherigen Vektor zurück, bis der komplette Ausschnitt des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] belichtet ist. Da das Spiegelsystem beschleunigt werden muss, ist es notwendig die Laserleistung zu Beginn und Ende des Vektors zu verringern. Ansonsten würde aufgrund der geringeren Rastergeschwindigkeit es zu einer Erhöhung der Energiedichte führen und damit zum Aufschmelzen des umliegenden Materials sowie zu einer Verbreiterung der Vektorenden. Diese Leistungskorrektur ist somit notwendig, um die Verbreiterung des Sinterbereichs an den Vektorenden zu minimieren. Um ein Versintern zweier Vektoren untereinander zu gewährleisten, ist der Strahlversatz immer kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls im Fokus dL. Dabei wird der Durchmesser des Laserstrahls als der doppelte Abstand zwischen dem Intensitätsmaximum und dem Punkt, bei dem die Intensität des Strahls auf das 1/e2-fache abgefallen ist, definiert. Nach Fertigstellung der Füllvektoren werden die Randzonen konturführend nochmals belichtet, um möglichst glatte Außenbereiche zu erzeugen (engl.: "Outline"). Ist eine Schicht vollständig belichtet, senkt sich die Bauplattform um eine weitere Schicht der Dicke dS ab. Der Wischer bringt eine neue Schicht Pulver auf und die nächste Schicht wird belichtet. Für die Schichtanbindung in Z-Richtung muss die Laserleistung so groß sein, dass der Einbrand zL größer ist als die Schichtdicke dS. 
Nach Beendigung des eigentlichen Bauprozess erfolgt noch das Auflegen von ca. 2 mm Pulver, um einer zu raschen Abkühlung und einen damit verbundenen Verzug der Bauteile vorzubeugen. 
Der so entstandene Pulverkuchen (engl.: "Part Cake"), muss nach der Bauphase abkühlen. Die Abkühlphase kann je nach Material und Höhe des Baujobs mehrere Stunden bis Tage beanspruchen. Als Faustregel gilt, dass die Prozessdauer gleich der Abkühlzeit sein sollte. 
Nachdem der Pulverkuchen eine Temperatur von weniger als 50 °C erreicht hat, können die Teile entnommen werden. Mit dem Pinsel werden die Teile grob gereinigt und anschließend mittels Sandstrahl und Druckluft nachbehandelt, so dass sich kein loses Pulver mehr auf der [[Oberfläche]] des [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Bauteils]] befindet. 
Die fertigen [[Bauteilprüfung|Bauteile]] können anschließend noch weiter bearbeitet werden, indem sie z. B. geschliffen, gefärbt oder lackiert werden.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Grießbach, S., Lach, R., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Einsatz des Lasersinterns für Kleinserienfertigung hochfester Kunststoffbauteile/ Small Series Production of High-stength Plastic Parts. Kunststoffe 5 (2008) S. 29–32 und Kunststoff International 5 (2008) 11–14
|-valign="top"
|[2]
|Grießbach, S.: Korrelation zwischen Materialzusammensetzung, Herstellungsbedingungen und Eigenschaftsprofil von lasergesinterten Polyamid-Werkstoffen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Verlag Wissenschaftliche Scripten, Auerbach (2012), (ISBN 978-3-942267-53-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-24)
|-valign="top"
|[3]
|Grießbach, V., Buschner, N.: Rapid Manufacturing & Polymerwerkstoffe – Handbuch zur Charakterisierung der Produkteigenschaften, Erzdruck GmbH, Marienberg (2021) (ISBN 978-3-942267-53-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G–122)
|}

[[Kategorie:Prüfkörper-_und_Probenherstellung]]

Lasersinterverfahren

2021-01-25T12:59:28Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Lasersinterverfahren
__FORCETOC__
== Verfahrensaufbau und Wirkungsweise ==

Das Lasersintern ist ein Prozess, bei dem ein als Werkzeug genutzter Laser einen pulverförmigen Werkstoff versintert. Die vorgeheizten Pulverpartikel werden dabei an der [[Oberfläche]] durch den Laser selektiv erwärmt, so dass diese Partikel partiell aufschmelzen und miteinander versintern. Der prinzipielle Aufbau der Lasersinteranlagen ist – abgesehen von geringfügigen hersteller- und systemseitigen Unterschieden – prinzipiell ähnlich ('''Bild 1''') [1, 3].

{| border="0"
|[[Datei:Lasersinterverfahren_1.jpg]]
|
{| border=0
|-valign="top"
|width="25px"|1 –
|Baufeld
|-valign="top"
|2 –
|Materialvorratsbehälter
|-valign="top"
|3 –
|Überflussbehälter
|-valign="top"
|4 –
|Bauplattform
|-valign="top"
|5 –
|Laserfenster
|}
|}
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Vereinfachte Darstellung einer Lasersinteranlage [2]
|}

Das Baufeld (1), das so genannte "Part Bed", befindet sich zentral in der Lasersintermaschine. Unterhalb des Baufeldes liegt eine absenkbare und beheizte Bauplattform (4), auch "Part Piston" genannt. Die Mantelflächen des Bauraums sind ebenfalls beheizt und gegenüber der Umgebung wärmeisoliert. Über dem Baufeld befinden sich eine Spiegel-Linsen-Optik und der Laser, beide sind durch ein auch "IR Window" genanntes Fenster aus IR-transparentem Glas (5) vom Bauraum getrennt. Dies ist notwendig, um ein Verschmutzen der hochsensiblen Optik zu verhindern. Ein System aus Heizern, welche ringförmig zwischen dem Laserfenster und der Bauplattform lokalisiert sind, dient dem Aufheizen des Pulvers auf Prozesstemperatur. Einige Lasersinteranlagen haben zur Vorwärmung des Pulvers zusätzliche Heizer, die links und rechts neben dem Bauraum angebracht sind. Mit dieser Anordnung können während des Lasersinterprozesses scharfe Bauteilkanten besser realisiert werden. Ein, auf einer horizontalen Achse über dem Bauraum gelagerter Wischer ermöglicht den Pulverauftrag. Dieser Wischer ist bei der Firma 3D-Systems als gegenläufige Walze, bei der Firma EOS als Rakel ausgeführt. Es gibt zwei Arten der Pulverbereitstellung. Bei der Vanguard-Baureihe und den Vorgängermodellen der Firma DTM wird vor dem Bauprozess das Polymerpulver in die sich links und rechts vom Bauraum befindlichen Materialvorratsbehälter (2), so genannte "Feeds", gefüllt. Diese werden dann im Prozess vor den (hier als Rollersystem ausgeführt) Wischer nach oben gefahren. Die Systeme von EOS und die Sinterstation sPRO140/230 besitzen Materialvorratsbehälter über dem Wischer, welche während des Prozesses mit Pulver nachgefüllt werden können. Neben den Feeds bzw. der Baukammer befinden sich die Überflussbehälter (3), welche auch als "Overflows" bezeichnet werden. Diese fangen überschüssiges Pulver auf, das das Wischersystem vor sich herschiebt. 
Die Maschine wird hauptsächlich über einen PC bedient. Dieser ist auch für die Steuerung der Spiegel-Linsen-Optik zuständig.

== Datenaufbereitung – Positionierung ==

Der Prozess beginnt mit der Übernahme der CAD-Daten im STL-Format auf den Rechner der Lasersinteranlage. Die sich entsprechend den Daten ergebenden Lasersinterbauteile werden nun in einem virtuellen Bauraum angeordnet. Dabei können die Bauteile so ineinander verschachtelt positioniert werden, so dass das verfügbare Volumen des realen Bauraums optimal ausgenutzt wird. Mögliche Kollisionspunkte kann die Software vor Baubeginn ermitteln. Für möglichst maßhaltige Bauteile sind gewisse Erfahrungswerte einzuhalten, die sehr spezifisch und geometrieabhängig sind und somit nicht verallgemeinert werden können. Allgemein bekannt ist jedoch, dass die Temperatur innerhalb des Baufeldes nahezu ortsunabhängig konstant ist, jedoch am Rand und insbesondere den Ecken abnimmt. Platziert man Teile zu nahe an die Begrenzungen des Bauraums, kommt es aufgrund des dort vorhandenen Temperaturgradienten zu einem starken Verzug und einem Verlust der [[Festigkeit]]. Daher sollte der Abstand aller Teile im Bauraum von der Bauraumbegrenzung laut Herstellerangaben ca. 25 mm sein. 
Die Ausrichtung der Bauteile im Bauraum sollte so erfolgen, dass die pro Lasersinterebene notwendige Belichtungszeit keinen großen Schwankungen unterworfen ist. Eine von Ebene zu Ebene stark zu- oder abnehmende Belichtungszeit führt, da der Prozess temperaturgeführt gefahren wird, zu einer Störung des Baufeldtemperaturgleichgewichts. Schwachstellen im [[Bauteilprüfung|Bauteil]] wären die unmittelbare Folge. 
Zu Baubeginn sollte eine Wärmebarriere erzeugt werden. Dies sind flache großflächige Geometrien, die einerseits infolge der Belichtung mit dem Laser Wärme aufnehmen, andererseits – aus ihrer Funktion als Wärme- bzw. Kälteschild heraus – ein Aufrollen der unteren Schichten der Bauteile, dem so genannten "Curl", verhindern. Sie dienen ebenfalls dazu, dass der Laser auf Betriebstemperatur vorgewärmt wird. 
Beim Lasersintern sind im Gegensatz zum Laserschmelzen von Metallen oder der Stereolithographie keine Stützkonstruktionen notwendig. Einerseits stützt das das Bauteil umgebende Pulver die Konstruktion, andererseits sind die [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Eigenspannungen]] in einer Schicht zu gering, als dass es nach dem Bau der Wärmebarriere zum Aufrollen einer Schicht kommen kann. 
Sind alle Bauteilgeometrien (siehe auch: [[Kunststoffbauteil|Kunststoffbauteil, Dimensionierung]]) implementiert, können noch Bau- und Teileparameter festgelegt werden. In der Praxis bezieht man sich auf einen festen, nur halbjährlich überprüften Parametersatz. Zu den Parametern (Stellgrößen) gehören unter anderem Laserleistung, Strahlversatz, Baufeldtemperatur und maßliche Einstellungen, wie die Schwindungskompensation und die Strahlkorrektur. 
Softwareintern werden alle Volumendaten der Bauteile in Scheiben von einer Schichtdicke von typischerweise 0,08 – 0,15 mm geschnitten und dem Prozess bereitgestellt.

== Prozessablauf ==

Bei der Verarbeitung von [[Kunststoffe]]n wird die Prozesskammer mit einem Schutzgas, meist Stickstoff, geflutet. Der Sauerstoffgehalt beträgt weniger als 6 %, um eine Oxidation des [[Polymer]]s zu verhindern. Während des gesamten Lasersinterprozesses strömt kontinuierlich Schutzgas über das Laserfenster. Das in die Maschine eingeleitete Gas verhindert ein Kondensieren der während des Prozesses freigesetzten Monomere am etwas kälteren Glas. Es dient auch dazu, einen Überdruck in der Kammer zu erzeugen und verhindert dadurch das Einströmen kalter und sauerstoffreicher Luft. Mit wirksamer Schutzatmosphäre beginnen die Heizer die Anlage auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Die Bauplattform senkt sich nun um eine Schichtdicke ab. Danach trägt der Wischer eine (neue) Schicht Pulver auf. Dieser Prozess (Bauplattformabsenkung und Pulverschichtauftragung) wiederholt sich bis zu einem Baufortschritt von ca. 10 mm, wobei das Pulverbett langsam auf Temperaturen von ca. 8 – 10 K unterhalb der Schmelztemperatur des [[Polymer]]s erwärmt wird. Bei PA12 beträgt diese Baufeldtemperatur ca. 175 °C. Nachdem die Aufwärmphase beendet ist, beginnt die Bauphase.

[[Datei:Lasersinterverfahren_Sintervorgang_korr.jpg|600px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schematische Darstellung des Sintervorgangs [2]
|}

Ist der Pulverauftrag beendet, rastert der Laser die Konturen der ersten Bauteilschicht (d. h. die in der Lasersinterebene sich befindlichen Bauteilkoordinaten) vektorenweise in X- bzw. Y-Richtung ab (engl.: "Fill") (Bild 2). Am Ende eines Vektors verschiebt sich die Position des Lasers um den Srahlversatz hR senkrecht zur Vektorenrichtung und der Laserstrahl fährt den Vektor entgegengesetzt zum vorherigen Vektor zurück, bis der komplette Ausschnitt des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] belichtet ist. Da das Spiegelsystem beschleunigt werden muss, ist es notwendig die Laserleistung zu Beginn und Ende des Vektors zu verringern. Ansonsten würde aufgrund der geringeren Rastergeschwindigkeit es zu einer Erhöhung der Energiedichte führen und damit zum Aufschmelzen des umliegenden Materials sowie zu einer Verbreiterung der Vektorenden. Diese Leistungskorrektur ist somit notwendig, um die Verbreiterung des Sinterbereichs an den Vektorenden zu minimieren. Um ein Versintern zweier Vektoren untereinander zu gewährleisten, ist der Strahlversatz immer kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls im Fokus dL. Dabei wird der Durchmesser des Laserstrahls als der doppelte Abstand zwischen dem Intensitätsmaximum und dem Punkt, bei dem die Intensität des Strahls auf das 1/e2-fache abgefallen ist, definiert. Nach Fertigstellung der Füllvektoren werden die Randzonen konturführend nochmals belichtet, um möglichst glatte Außenbereiche zu erzeugen (engl.: "Outline"). Ist eine Schicht vollständig belichtet, senkt sich die Bauplattform um eine weitere Schicht der Dicke dS ab. Der Wischer bringt eine neue Schicht Pulver auf und die nächste Schicht wird belichtet. Für die Schichtanbindung in Z-Richtung muss die Laserleistung so groß sein, dass der Einbrand zL größer ist als die Schichtdicke dS. 
Nach Beendigung des eigentlichen Bauprozess erfolgt noch das Auflegen von ca. 2 mm Pulver, um einer zu raschen Abkühlung und einen damit verbundenen Verzug der Bauteile vorzubeugen. 
Der so entstandene Pulverkuchen (engl.: "Part Cake"), muss nach der Bauphase abkühlen. Die Abkühlphase kann je nach Material und Höhe des Baujobs mehrere Stunden bis Tage beanspruchen. Als Faustregel gilt, dass die Prozessdauer gleich der Abkühlzeit sein sollte. 
Nachdem der Pulverkuchen eine Temperatur von weniger als 50 °C erreicht hat, können die Teile entnommen werden. Mit dem Pinsel werden die Teile grob gereinigt und anschließend mittels Sandstrahl und Druckluft nachbehandelt, so dass sich kein loses Pulver mehr auf der [[Oberfläche]] des [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Bauteils]] befindet. 
Die fertigen [[Bauteilprüfung|Bauteile]] können anschließend noch weiter bearbeitet werden, indem sie z. B. geschliffen, gefärbt oder lackiert werden.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Grießbach, S., Lach, R., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Einsatz des Lasersinterns für Kleinserienfertigung hochfester Kunststoffbauteile/ Small Series Production of High-stength Plastic Parts. Kunststoffe 5 (2008) S. 29–32 und Kunststoff International 5 (2008) 11–14
|-valign="top"
|[2]
|Grießbach, S.: Korrelation zwischen Materialzusammensetzung, Herstellungsbedingungen und Eigenschaftsprofil von lasergesinterten Polyamid-Werkstoffen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Verlag Wissenschaftliche Scripten, Auerbach (2012), (ISBN 978-3-942267-53-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-24)
|-valign="top"
|[3]
|Grießbach, V., Buschner, N.: Rapid Manufacturing & Polymerwerkstoffe – Handbuch zur Charakterisierung der Produkteigenschaften, Erzdruck GmbH, Marienberg (2021) (ISBN 978-3-942267-53-3; siehe AMK Büchersammlung unter G–122)
|}

[[Kategorie:Prüfkörper-_und_Probenherstellung]]

CLS-Prüfkörper

2021-01-25T12:59:03Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
CLS-Prüfkörper
__FORCETOC__
Die angelsächsische Abkürzung CLS steht für "'''C'''rack-'''L'''ap '''S'''hear".

==Allgemeines==

Der CLS-Prüfkörper wurde ursprünglich für die Untersuchungen des scherdominierten Versagens an Klebverbindungen konzipiert.

==Prüfkörperform [1, 2]==

[[Datei:cls.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Crack-Lap Shear (CLS)-Prüfkörper
|}

Diese Prüfkörperform mit einer "freien Scherlage" wurde in die Literatur von Wilkins [1] und Valisetty [2] eingeführt (siehe '''Bild 1'''). Der CLS-Prüfkörper hat keine alleinige [[Bruchmoden|Modus II]]-Belastung an der [[Riss]]spitze. Die unausgeglichene Konfiguration des CLS-Prüfkörpers führt zu einer Normalspannung (Modus I). Daraus resultiert, dass man diesen Prüfkörper als Mixed-Mode Prüfkörper bezeichnet.

Eine geometrisch nichtlineare Finite Elemente Analyse von Law und Wilkins [3] zeigte, dass die Modus II-Komponente mit der Belastung variiert. Die Änderung des Mode II-Anteils sind jedoch gering im Vergleich zu den voraussichtlichen Schwankungen in der kritischen Kraft. Für ein typisches Kohlenstofffaser/Epoxidharz-System mit Schichtaufbau ist z. B. der [[Bruchmoden|Modus]] II-Anteil etwa 70 %.

==Bestimmungsgleichung für die Energiefreisetzungsrate==

Von [[Altstädt,_Volker|Altstädt]] wird in [4] ein CLS-Prüfkörper beschrieben, wo nur die Einspannungslage beansprucht wird ('''Bild 2''').

[[Datei:cls_tc4.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |CLS-Prüfkörper nach ESIS TC 4
|}

Da an der [[Riss]]spitze keine alleinige Mode II-Beanspruchung vorhanden ist, handelt es sich um eine [[Bruchmoden|Mixed-Mode Beanspruchung]]. Um einen natürlichen Anfangsriss (siehe auch: [[Ausgangsrisslänge]]) zu erhalten, wird der Riss zunächst geöffnet und bis zu einer bestimmten Länge verlängert. Die [[Traversengeschwindigkeit]] beträgt vorzugsweise 0,5 mm/min, wobei nur die Einspannungslage beansprucht wird, die freie Scherlage wird nicht beansprucht. Zwischen Be- und Entlastung wird die Risslänge zur Bestimmung der Nachgiebigkeit erfasst. Auf Grundlage einer Festigkeitsanalyse können die [[Zugversuch Nachgiebigkeit|Nachgiebigkeit]] C und die [[Energiefreisetzungsrate]] G für EDZ bestimmt werden:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>C=\frac{L}{B \cdot E \cdot d_1}+\frac{a \left(d_1-d_2\right)}{B \cdot E \cdot d_1 \cdot d_2}</math>
|}

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>G_{I/IIc}=\frac{F^2 \cdot \left(d_1-d_2\right)}{2 \cdot B^2 \cdot E \cdot d_1 \cdot d_2}</math>
|}

mit:
{|
|-
|a
|width="15px" |
|[[Ausgangsrisslänge]]
|-
|d1
|
|Dicke der Einspannungslage
|-
|d2
|
|Dicke der freien Scherlage
|}

Eine umfangreiche Zusammenstellung von geeigneten Prüfkörpern für [[Bruchmechanische Prüfung|bruchmechanische Untersuchungen]] an [[Kunststoffe]]n und [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffen]] ist in [[Prüfkörper für bruchmechanische Prüfungen]] enthalten.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Wilkins, D. J., Eisenmann, R. A., Camin, R. A., Margolis, W. S., Benson, R. A.: ASTM STP 775 (1982), Short Fiber Reinforced Composite Materials
|-valign="top"
|[2]
|Valisetty, R. R., Chamis, C. C.: ASTM STP 972 (1988) 41–72, Composite Materials: Testing and Design. Editor: Whitcomb, J. D. (ISBN 0-8031-0980-6; ISBN 13: 978-0-8031-0980-3)
|-valign="top"
|[3]
|Law G. E., Wilkinson, D. J.: Delamination Failure Criteria for Composite Structures, Final Report NAV-GD-0053 (15. Mai 1984)
|-valign="top"
|[4]
|[[Altstädt,_Volker|Altstädt, V.]]: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 586/587 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]
[[Kategorie:Prüfkörper]]

Ritzhärte

2021-01-25T12:58:39Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Ritzhärte
__FORCETOC__
==Prüfverfahren zur Ritzhärteprüfung==
Die Methoden zur Bestimmung einer „Ritzhärte“ oder auch „Kratzhärte“ gehören zu den Sonderverfahren der [[Härteprüfung]] von [[Kunststoffe]]n. 
Die Ritzhärte ist ein bedeutsames Qualitätskriterium für Lackschichten, Kunststoffbeschichtungen und optisch anspruchsvolle [[Oberfläche]]n in der Flugzeug- und Automobilindustrie, aber auch in der Hausgerätetechnik. 
Die Richtlinie VDI/VDE 2616 [1] enthält unter diesem Anwendungsaspekt mehr als 30 Sonderverfahren, von denen 13 in die Gruppe der Ritzhärteprüfverfahren eingeordnet wurden. In der neueren Ausgabe der VDI/VDE 2616 [2] werden die Ritzhärteverfahren nicht mehr aufgeführt.

Eine besondere Verbreitung besitzen die Ritzhärteprüfverfahren, die nach dem Furchungs- oder Ritzprinzip die Eindringtiefe einer Nadel oder Kugel bei einer Translationsbewegung visuell oder über die Messung von Kraft und Eindringtiefe kontinuierlich erfassen. Dabei wird die Prüfkraft konstant gehalten oder stufenweise variiert. Prüfverfahren mit anschließender visueller Bewertung sind z. B. die Ritzhärteprüfung mit dem ERICHSEN-Prüfstab und das Gitterschnittverfahren. Eine kontinuierlich Eindringtiefenerfassung erfolgt über spezielle Zusatzgeräte in [[Materialprüfmaschine]]n oder externen Prüfgeräten (Scratch-Indenter-Tester) [3]. Der generelle Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass sie keine genormten Härtewerte liefern.

In der Richtlinie VDI/VDE 2616 [1] werden die nachfolgend aufgeführten zwei Ritzhärtemethoden angegeben:

==Ritzhärteprüfverfahren A mit Translationsbewegung==

1. Kratzhärte nach Peters
* Kratzen mit dem Daumennagel
* Prüfung von Anstrichen

2. Bleistift-Ritzmethode
* Ritzen des Anstriches unter definierter Kraft mit Bleistiften verschiedener Härten bis zum deutlichen Ritz
* Laborprüfung an beschichteten Musterplatten

3. Ritzhärteprüfer nach Rossman
* Ritzen mit einer Stahlkugel unter definierter Kraft
* Laborprüfung an beschichteten Musterplatten

4. Ritzhärteprüfer nach Clemen
* Ritzen mit einer Nadel bzw. einem Stichel unter definierter Kraft (zehn Stufen)
* Erichsen Typ 239

5. Ritz-Härteprüfer nach Sikkens
* Ritzen mit definierten Sticheln bei definierter Kraft und Zuggeschwindigkeit
* DIN EN ISO 1518: Beschichtungsstoffe – Bestimmung der [[Kratzbeständigkeit]] [4]

6. Bleistift-Verfahren von Wolff-Wilborn
* Ritzen mit Bleistiften verschiedener Härte unter konstanter Kraft
* Möbel und Fahrzeuglackierungen
* Erichsen Typ 291

7. Bleistift-Verfahren
* Ritzen mit Bleistiften „KOH-I-NOR“ verschiedener Härten
* Coil-Coating-Industry

8. Bleistift-Verfahren
* Ritzen mit Bleistiften
* Flugzeugbeschichtungen

9. Härteprüfstab
* Ziehen einer Hartmetallkugel unter definierter veränderlicher Kraft
* Lacke und Beschichtungen
* Erichsen Typ 318

==Weitere Ritzverfahren (Rubrik B)==

10. Schmissbeständigkeitsprüfer nach Oesterle
* Ziehen einer feststehenden Rundscheibe unter definierter veränderter Kraft
* Lacke und Beschichtungen
* Erichsen Typ 435

11. Härteprüfung DUR-O-Test
* Ritzen mit einer kugelförmigen Spitze unter variabler Kraft
* Anstriche, Lackierungen, Kunststoffüberzüge
* Byk-Mallinckrodt Nr. 581

12. Ritzhärteprüfung nach van Laar
* Ritzen mit einem Hartmetallstichel mit einem Durchmesser von 0,5 mm
* Erichsen Typ 413

13. Ritzen nach Bosch
* Ritzen mit einem Härtemetallstichel mit einem Durchmesser von 0,75 mm
* Erichsen Typ 413

==Härteskala nach MOHS==

Eines der ältesten Härteprüfverfahren ist die Härteskala nach [[Mohs, Carl Friedrich Christian|MOHS]]. Sie beruht auf dem Grundsatz, dass das härtere Material das weichere Material ritzt. Als Referenzmaterialien werden verschiedene Mineralien eingesetzt (Härteskala siehe auch [[Mohs, Carl Friedrich Christian]])

Das nachfolgende '''Bild 1''' zeigt den Zusammenhang zwischen MOHS- und [[Vickers-Härte]], der die starke Nichtlinearität der Mohs-Härteskala verdeutlicht [3, 5]. 
Die MOHS’sche Härteskala wird zwar allgemein von Mineralogen benutzt, aber sie eignet sich nicht für andere Materialien als Minerale, weil die Härtedifferenzierung, wie auch das nachfolgende '''Bild 1''' zeigt, im allgemeinen zu gering ist.

[[Datei:Ritzhärte.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Zusammenhang zwischen MOHS- und Vickers-Härte [5]; Vickers-Härtewerte für Kunststoffe nach VDI/VDE 2616 (grüner Bereich)
|}

Trägt man die in der VDI/VDE Richtlinie [1] angegebenen Vickers-Härtewerte von 10 bis 580 N/mm2 für [[Thermoplaste]] und [[Faserverstärkte Kunststoffe|faserverstärkte Verbundwerkstoffe]] mit [[Duroplaste|duroplastischer]] Matrix in das '''Bild 1''' schematisch ein, so erkennt man, dass die Werte in dem ausgeprägt nichtlinearen Bereich liegen. Basis für den funktionellen Zusammenhang sind die in der Tabelle angegebenen [[Vickers-Härte]]werte.

{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle''': Mineralien der Härteskala nach [[Mohs, Carl Friedrich Christian|MOHS]]
!! style="width: 100px; background:#DCDCDC" | Mohs-Härte
!! style="width: 180px; background:#DCDCDC" | Mineral
!! style="width: 100px; background:#DCDCDC" | Härte HV
|-
| 1
| Talk
| 2,4
|-
| 2
| Gips
| 36
|-
| 3
| Kalkspat
| 110
|-
| 4
| Flussspat
| 190
|-
| 5
| Apatit
| 540
|-
| 6
| Feldspat (Orthoklas)
| 800
|-
| 7
| Quarz
| 1120
|-
| 8
| Topas
| 1430
|-
| 9
| Korund
| 2000
|-
| 10
| Diamant
| (10000)
|}

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|VDI/VDE 2616 (2000-04) Blatt 2: Härteprüfung an Kunststoffen und Elastomeren
|-valign="top"
|[2]
|VDI/VDE 2616 (2014-07) Blatt 2: Härteprüfung an Kunststoffen und Elastomeren
|-valign="top"
|[3]
|Hermann, K. (Hrsg.): Härteprüfung an Metallen und Kunststoffen. Expert Verlag, Renningen (2007) (ISBN 978-3-8169-2550-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter C 31)
|-valign="top"
|[4]
|DIN EN ISO 1518: Beschichtungsstoffe – Bestimmung der Kratzbeständigkeit. Teil 1 (2019-10): Verfahren mit konstanter Last Teil 2 (2019-10): Verfahren mit kontinuierlich ansteigender Last
|-valign="top"
|[5]
|Bladzewski, S., Mikozewski, S.: Pomiary Twardosci Metali, Wydawnictova Naukowo-Technicze, Warszawa (1981) S. 3
|}

[[Kategorie:Härte]]
[[Kategorie:Oberflächenprüftechnik]]

Biegemodul

2021-01-25T12:58:14Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Biegemodul
__FORCETOC__
==Bestimmungsmethoden==

Der Biegemodul Ef wird zumeist im [[Biegeversuch#Die_Methode_der_Dreipunktbiegepr.C3.BCfung|Dreipunkt]]- oder [[Biegeversuch#Die_Methode_der_Vierpunktbiegepr.C3.BCfung|Vierpunktbiegeversuch]] bei [[Quasistatische Prüfverfahren|quasistatischer Beanspruchung]] [1–3] an [[Kunststoffe]]n bzw. [[Kurzfaserverstärkte Verbundwerkstoffe|kurzfaserverstärkten]] oder gefüllten [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Kunststoffverbunden]] bestimmt. Der Versuch an steifen und halbsteifen Kunststoffen, d. h. [[Thermoplaste|thermoplastischen]] [[Formmasse]]n oder Extrudier- und Gussmassen, wird entsprechend der Norm DIN EN ISO 178 [2] im Dreipunktbiegeversuch durchgeführt. Für [[Faserverstärkte Kunststoffe|faserverstärkte Kunststoffe]] kann der Dreipunkt- oder Vierpunktbiegeversuch (Verfahren A oder B) nach der DIN EN ISO 14125 [3] genutzt werden. Der Biegemodul kann allerdings auch bei dynamischer Belastung als komplexer Modul ermittelt werden (siehe: [[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Biegebeanspruchung]]).

==Definition des Biegemoduls==

Die Ermittlung des [[Elastizitätsmodul]]s bei einer [[Quasistatische Prüfverfahren|quasistatischen]] [[Biegebeanspruchung]] unterscheidet sich in der [[Kunststoffprüfung]] prinzipiell nicht von anderen mechanischen [[Beanspruchung]]en, wie z. B. im [[Zugversuch]] oder [[Druckversuch]]. Der E-Modul wird im linear elastischen und [[linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischen]] Deformationsbereich als Sekantenmodul zwischen 0,05 und 0,25 % [[Randfaserdehnung]] ermittelt (siehe auch: [[Elastizitätsmodul Beispiele Kennwertermittlung]]), wobei die [[Prüfgeschwindigkeit]] identisch mit der des eigentlichen [[Biegeversuch]]s sein kann ('''Bild 1'''). In Analogie zum Zugversuch können für die Bestimmung des E-Moduls und der Biegeeigenschaften jedoch auch unterschiedliche Prüfgeschwindigkeiten verwendet werden, wobei der Umschaltpunkt der Prüfgeschwindigkeiten dann oberhalb von 0,25 % Randfaserdehnung liegen muss. Die allgemeine Berechnung der Biegemoduls Ef wird nach der Gl. (1) vorgenommen, allerdings sind im konkreten messtechnischen Fall die geometrischen Bedingungen und der Messort zu beachten.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{\sigma_{f2}-\sigma_{f1}}{\varepsilon_{f2}-\varepsilon_{f1}}=\frac{\Delta \sigma_{f}}{\Delta \varepsilon_{f}}=\frac{\Delta \sigma_{f}}{0,002}</math>
|width="50px"|(1)
|}

[[Datei:Biegemodul-1.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Ermittlung des Sekantenmoduls im Drei- und Vierpunktbiegeversuch
|}

==Messtechnische Ermittlung des Biegemoduls==

Zur Ermittlung des Biegemoduls Ef werden in der quasistatischen [[Kunststoffprüfung]] bei Biegebeanspruchung der [[Biegeversuch#Die_Methode_der_Dreipunktbiegepr.C3.BCfung|Dreipunkt]]- oder [[Biegeversuch#Die_Methode_der_Vierpunktbiegepr.C3.BCfung|Vierpunktbiegeversuch]] unter Nutzung einer [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschine]] angewandt. Bei Anwendung der Norm DIN EN ISO 178 ist nur der Dreipunktbiegeversuch vorgesehen, wobei hier in der Regel die Messung der Mittendurchbiegung angewandt wird. Im Fall des Biegeversuch kann die Traversenwegmessung ('''Bild 2a''') zur Bestimmung der Mittendurchbiegung (Gl. 2) benutzt werden, wogegen bei der Ermittlung des Biegemoduls ein mittig positionierter Dehnmessfühler verwendet werden muss ('''Bild 2b'''). In dieser Gleichung ist Iy das minimale axiale Flächenträgheitsmoment (siehe [[Biegeversuch]]) des prismatischen Prüfkörpers.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>s=\frac{F\cdot L^{3}}{48\cdot E_{f}\cdot I_{y}}</math>
|width="50px"|(2)
|}

Da der Bezugspunkt der Durchbiegungsmessung sowohl bei der Traversenwegmessung (siehe auch: [[Zugversuch]] und [[Druckversuch]]) oder bei Anwendung eines Mittensensors identisch ist (Widerlager der Biegefinnen), ist die Berechnungsgleichung (3) für beide messtechnischen Fälle gleich.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{F\cdot L^{3}}{s\cdot4b\cdot h^{3}}</math>
|width="50px"|(3)
|}

[[Datei:Biegemodul-2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Ermittlung des Biegemoduls im Dreipunktbiegeversuch: (a) mittels Traversenwegmessung und (b) mit einem Dehnmessfühler
|}

Der Vorteil des Dehnmessfühlers ist in der Tatsache begründet, dass das Eindringen der Biegefinne in die [[Oberfläche]] des [[Prüfkörper]]s nicht erfasst wird, wodurch der Biegemodul im Vergleich zur Traversenwegmessung etwas größer ist (bis ca. 10 %). Von der [https://www.zwick.de/ Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm], als auch [http://www.instron.de/de-de Instron Deutschland GmbH, Pfungstadt], werden derartige Biegefühler kommerziell angeboten ('''Bild 3'''). In Verbindung mit dem Aufnehmer Multisens der Fa. ZwickRoell werden zusätzlich zu den Dehnmessfühlern für Zugversuche (siehe: [[Zugversuch#Zugversuch,_Wegmesstechnik|Zugversuch, Wegmesstechnik]]) auch Adapter zur Nutzung für [[Druckversuch]]e als auch für [[Biegeversuch]]e angeboten. Der mittige Fühler kann dabei für die Messung des Druckmoduls, aber auch für die Erfassung der Mittendurchbiegung zur Bestimmung des Biegemoduls im Drei- und Vierpunktbiegeversuch verwendet werden (siehe '''Bild 2b'''). Soll das Eindringen der Widerlager im Biegeversuch nicht im Messsignal erfasst werden, dann können alternativ sogenannte Gabelfühler angewandt werden, die ein Differenzmesssignal zwischen den Gabeln und dem Mittelfühler erzeugen. Aufgrund dessen, dass dieses Messsignal wesentlich kleiner als z. B. der Traversenweg ist, müssen hier hochauflösende Messtechniken benutzt werden ('''Bild 4''').

[[Datei:Biegemodul-3.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Dehnmessfühler für die Mittendurchbiegung (a) Deflectometer W-E401-H der [http://www.instron.de/de-de Fa. Instron Deutschland GmbH, Pfungstadt], und (b) Biegesensor BTC-EXOMFL.H01 der [https://www.zwick.de/ Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm]
|}

[[Datei:Biegemodul-4.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px"|Anwendung von (a) Gabelfühlern im Dreipunktbiegeversuch und (b) Gabelfühler für den Multisens-Aufnehmer der [https://www.zwick.de/ Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm]
|}

Die Mittendurchbiegung hängt hierbei von den geometrischen Abmessungen des Gabelfühlers ab und berechnet sich nach Gl. (4). Die Berechnung des Biegemoduls unter Verwendung von Gabelfühlern, die oft nicht in der Prüfsoftware des [[Hersteller von Materialprüfmaschinen|Prüfmaschinenherstellers]] enthalten ist, kann nach Gl. (5) mittels externer Software programmiert und ausgewertet werden.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>s=\frac{F\cdot L_{G}^{2}}{96\cdot E_{f}\cdot I_{y}}\cdot(3L-L_{G})</math>
|width="50px"|(4)
|}

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{F\cdot L_{G}^{2}(3L-L_{G})}{s\cdot 8b\cdot h^{3}}</math>
|width="50px"|(5)
|}

Bei der Ermittlung des Biegemoduls im Vierpunktbiegeversuch existieren verschiedene messtechnische Varianten, die unterschiedliche Ansprüche an die Messtechnik stellen. Die einfachsten Möglichkeiten bieten auch hier die Nutzung des Traversenwegs ('''Bild 5a''') und die Messung der Mittendurchbiegung in Analogie zum Dreipunktbiegeversuch ('''Bild 5b''').

[[Datei:Biegemodul-5.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 5''':
|width="600px"|Anwendung von (a) Mittendurchbiegung im Vierpunktbiegeversuch und (b) Traversenwegmessung
|}hertz

Aus der Mittendurchbiegung s ('''Bild 5a''') erhält man im Fall der Vierpunktbiegung aus der Relativbewegung zwischen der Widerlagern (siehe: [[Auflagerabstand]]) und einem mittig angebrachten Dehnmessfühler den Biegemodul nach der Gl. (6).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{F\cdot L_{A}}{s\cdot 4b\cdot h^{3}}\left [ 4L_{A}(3L_{F}+2L_{A})+3L_{F}^{2} \right ]</math>
|width="50px"|(6)
|}

Mit dem Traversenweg s ('''Bild 5b''') ergibt sich im Fall der Vierpunktbiegung der Biegemodul als Wegdifferenz zwischen dem festen Biegebalken und den Widerlagern entsprechend Gl. (7).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{F\cdot L_{A}^{2}}{s\cdot b\cdot h^{3}}\left ( 3L_{F}+2L_{A} \right )</math>
|width="50px"|(7)
|}

[[Datei:Biegemodul-6.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 6''':
|width="600px"|Anwendung von (a) Gabelfühlern im Dreipunktbiegeversuch und (b) Gabelfühler Multisens der Fa. ZwickRoell
|}

Der Biegemodul wird hier aus dem Differenzweg s zwischen der Mitte des Bezugs- oder Biegebalkens und der Traversenbewegung nach '''Bild 6a''' mit Gl. (8) berechnet, wodurch Einflüsse auf die Durchbiegung infolge der [[HERTZ´sche Pressung|HERTZ’schen Pressung]] und des Eindringens an den Widerlagern vermieden werden.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{3F\cdot L_{F}^{2}\cdot L_{A}}{s\cdot 4b\cdot h^{3}}</math>
|width="50px"|(8)
|}

Der Relativweg s zwischen der Mitte des Bezugsbalkensystems oder lose aufliegenden Gabelfühlern und der Mitte des [[Prüfkörper]]s innerhalb des Biegebalkens ergibt den Biegemodul nach '''Bild 6b''' und Gl. (9). Mit einem derartigen Messsystem können Einflüsse auf die Durchbiegung infolge Pressung an den Widerlagern und dem Prüfstempel vermieden werden, wofür allerdings ein hoch auflösendes Messsystem erforderlich ist.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>E_{f}=\frac{3F\cdot L_{B}^{2}\cdot L_{A}}{s\cdot 4b\cdot h^{3}}</math>
|width="50px"|(9)
|}

==Kennwerte des Dreipunktbiegeversuchs==

Eine umfassende Literaturanalyse zu Biegemoduli und [[Biegefestigkeit]]en für zahlreiche [[Kunststoffe]] ist in [4] enthalten, von denen für ausgewählte Werkstoffe die [[Kennwert]]e in der '''Tabelle 1''' dargestellt sind. Aufgrund der Bedeutung der Werkstoffe wurden nur unverstärkte und mit 30 M.-% Füll- oder Verstärkungsgehalt versehene Kunststoffe in dieser Aufstellung berücksichtigt, wobei diese in der Regel mittels Traversenwegmessung und bei Raumtemperatur bestimmt wurden.

{|border="1px" style="border-collapse:collapse; text-align:center"
|+ '''Tabelle 1''': Kennwerte des [[Biegeversuch]]s von technischen [[Kunststoffe]]n nach [4]
!! style="width: 125px; background:#DCDCDC"|Werkstoffgruppe
!! style="width: 225px; background:#DCDCDC"|Modifikation
!! style="width: 125px; background:#DCDCDC"|Ef (MPa)
!! style="width: 125px; background:#DCDCDC"|σfM (MPa)
|-
|'''ABS'''
|
|1373 – 3792
|47,1 – 95,1
|-
|
|style="text-align:left"|ABS + 30 M.-% GF
|6067 – 9400
|86,9 – 162
|-
|
|style="text-align:left"|ABS + 30 M.-% CF
|16547
|179
|-
|
|style="text-align:left"|ABS / PBT + 30 M.-% GF
|8205 – 10100
|147 – 186
|-
|
|style="text-align:left"|ABS / PC + 30 M.-% GF
|7505 – 8136
|137 – 167
|-
|'''ASA'''
|style="text-align:left"|
|1344 – 3000
|38,6 – 84,8
|-
|'''PA 11'''
|style="text-align:left"|PA 11
|300 – 1241
|51,7 – 75,8
|-
|'''PA 12'''
|style="text-align:left"|
|345 – 2068
|20,0 – 98,6
|-
|
|style="text-align:left"|PA 12 + 30 M.-% GF
|5516 – 7100
|150 – 185
|-
|'''PA 612'''
|style="text-align:left"|
|1724 – 2758
|82,7 – 96,5
|-
|'''PA 6'''
|style="text-align:left"|PA 6 (normfeucht)
|380 – 1400
|75,8 – 127
|-
|
|style="text-align:left"|PA 6 + 30 M.-% GF (normfeucht)
|2600 – 5600
|192 – 200
|-
|
|style="text-align:left"|PA 6 + 30 M.-% GB (normfeucht)
|1400 – 4482
|100 – 138
|-
|
|style="text-align:left"|PA 6 + 30 M.-% MF (normfeucht)
|4000 – 5396
|98,1 – 124
|-
|
|style="text-align:left"|PA 6 + 30 M.-% CF (normfeucht)
|14000 – 17237
|310
|-
|'''PAEK'''
|style="text-align:left"|
|17000
|130
|-
|'''PBI'''
|style="text-align:left"|
|6500
|220
|-
|'''PBT'''
|style="text-align:left"|
|1900 – 2760
|62,1 – 101
|-
|
|style="text-align:left"|PBT + 30 M.-% GF
|6343 – 11500
|150 – 225
|-
|
|style="text-align:left"|PBT + 30 M.-% MF
|3500 – 4500
|90,0 – 110
|-
|'''PC'''
|style="text-align:left"|
|1889 – 2786
|71,7 – 114
|-
|
|style="text-align:left"|PC + 30 M.-% GF
|6180 – 8900
|147 – 220
|-
|
|style="text-align:left"|PC + 30 M.-% CF
|15900 – 16200
|207 – 241
|-
|'''PE-HD'''
|style="text-align:left"|
|689 – 1655
|25,5 – 32,4
|-
|'''PE-LD'''
|style="text-align:left"|
|69,0 – 621
|7,0 – 15,2
|-
|'''PE-LLD'''
|style="text-align:left"|
|207 – 827
| -
|-
|'''PE-MD'''
|style="text-align:left"|
|345 – 900
| -
|-
|'''PE-UHMW'''
|style="text-align:left"|
|276 – 923
|41,4
|-
|'''PEEK'''
|style="text-align:left"|
|2758 – 4300
|103 – 170
|-
|
|style="text-align:left"|PEEK + 30 M.-% GF
|8963 – 12000
|221 – 261
|-
|'''PEI'''
|style="text-align:left"|
|2900 – 3447
|89,6 – 165
|-
|'''PEK'''
|style="text-align:left"|
|4200 - 6205
|207
|-
|'''PET'''
|style="text-align:left"|
|1090 – 2758
|79,3 – 82,7
|-
|
|style="text-align:left"|PET + 30 M.-% GF
|6965 – 11928
|123 – 240
|-
|'''PMMA'''
|style="text-align:left"|
|1200 – 3654
|46,2 – 121
|-
|
|style="text-align:left"|PMMA + 30 M.-% GF
|6481
|106
|-
|'''POM'''
|style="text-align:left"|
|1471 – 3150
|52,0 – 95,1
|-
|
|style="text-align:left"|POM + 30 M.-% GF
|6890 – 9000
|121
|-
|
|style="text-align:left"|POM + 30 M.-% GB
|1900 – 3170
|62,1
|-
|'''PP'''
|style="text-align:left"|
|1500 – 2462
| -
|-
|
|style="text-align:left"|PP + 30 M.-% GF
|4975 – 7001
|136 – 157
|-
|
|style="text-align:left"|PP + 30 M.-% T
|2340 – 3900
|38,6 – 55,2
|-
|
|style="text-align:left"|PP + 30 M.-% MF
|2300 – 3700
|40,2 – 54,9
|-
|
|style="text-align:left"|PP + 30 M.-% GB
|1290 – 1600
| -
|-
|
|style="text-align:left"|PP + 30 M.-% CaCO3
|1896 – 2800
|32,4 – 45,0
|-
|'''PS'''
|style="text-align:left"|
|1724 – 3447
|37,9 – 75,8
|-
|'''PVC'''
|style="text-align:left"|
|1810 – 3378
|33,0 – 93,1
|-
|
|style="text-align:left"|PVC + 30 M.-% GF
|7930 – 9310
|145 – 159
|-
|'''PVDF'''
|style="text-align:left"|
|413 – 3309
|48,3 – 94,1
|-
|
|style="text-align:left"|PVDF + 30 M.-% GF
|6300
|85,0
|-
|'''SAN'''
|style="text-align:left"|
|3447 – 3792
|103 – 135
|-
|'''TPC'''
|style="text-align:left"|
|196 – 3330
|66,2 – 71,7
|-
|'''TPO'''
|style="text-align:left"|
|83,0 – 1569
|15,2 – 43,4
|-
|'''TPU'''
|style="text-align:left"|
|345 – 750
|9,0 – 14,5
|-
|
|style="text-align:left"|TPU + 30 M.-% GF
|2175
|15,2
|-
|'''TPZ'''
|style="text-align:left"|
|689
|6,2
|}

{|
|- valign="top"
|width="450px" style="text-align:center"|GF: Glasfasern, GB: Glaskugeln, MF: Mineralfasern, MX: nicht spezifizierte Mineralfüllung, GX: nicht spezifizierte Glasfüllung
|}

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]]: Biegeversuch an Kunststoffen. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 147–158 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 178 (2020-03): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
|-valign="top"
|[3]
|DIN EN ISO 14125 (2011-05): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
|-valign="top"
|[4]
|Bierögel, C., Grellmann, W.: Bend Loading. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer-Verlag, Berlin (2014) S. 164–191, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
|}

[[Kategorie:Biegeversuch]]

Rissöffnungsmoden

2021-01-25T12:57:46Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Rissöffnungsmoden

siehe auch [[Bruchmoden]]
__FORCETOC__
==Allgemeines==
Die Begriffe "Rissöffnungsmoden" und "Rissöffnungsarten" werden in der Literatur zur [[Bruchmechanik]] in gleicher Bedeutung verwendet.
Die [[Bruchmechanik]] geht davon aus, dass der [[Bruch]] eines [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Bauteils]] und damit des Werkstoffes infolge der Ausbreitung von Anrissen auftritt. Sie untersucht die Bedingungen für die Ausbreitung von [[Riss]]en und gestattet es, zwischen der äußeren [[Beanspruchung]], d. h. der am [[Kunststoffbauteil|Bauteil]] oder [[Prüfkörper]] wirkenden Nennspannung, der Größe und Form der Anrisse sowie dem Widerstand des Werkstoffes gegen [[Rissausbreitung]] quantitative Zusammenhänge herzustellen [1].

==Arten der Rissöffnung==

Ein [[Riss]] in einem Werkstück unterliegt in praxi meistens recht komplizierten Spannungsfeldern, die sich durch die Überlagerung von drei einfachen charakteristischen Beanspruchungsarten (Modi) darstellen lassen (siehe auch: [[Bruchmoden]]).

Entsprechend der möglichen Relativbewegung der Rissoberflächen unterscheidet man in Abhängigkeit von der äußeren [[Beanspruchung]] zwischen
{|
|• Mode I:
|einfache Rissöffnung; symmetrisches Abheben der Rissufer,
|-
|• Mode II:
|Längsscherung; Abgleiten der Rissoberflächen in der Rissebene
|-
|und
|
|-
|• Mode III:
|Querscherung; Verschiebung der Rissoberflächen quer zur Rissrichtung,
|-
|}
wobei diese Rissöffnungsarten sich am Beispiel eines Randrisses in einer Scheibe schematisch darstellen lassen:

[[Datei:rissoeffnungsmoden.jpg|600px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild''':
|width="600px" |Schematische Darstellung der drei prinzipiell möglichen Rissöffnungsarten
|}

==Praktische Bedeutung==

Der Rissöffnungsmode I hat in der Praxis die größte Bedeutung [2]. Er ist u. a. wirksam bei Bauteilen mit Innen- bzw. Oberflächenrissen, die auf [[Zugversuch|Zug]] oder [[Biegebeanspruchung|Biegung]] beansprucht werden, sowie bei Rissen in unter Innendruck stehenden Bauteilen (siehe: [[Bauteilversagen]]). Die Moden II und III treten z. B. bei Scher- oder Torsionsbeanspruchungen auf. Mode II und eine gemischte Beanspruchung (Mixed Mode) haben für Faser-Verbundwerkstoffe (FVW) eine größere praktische Bedeutung erlangt. Die Mode III-Prüfungen sind in der Praxis von einer geringern Bedeutung. 
Basierend auf der Beschreibung der im Bild dargestellten [[Bruchmoden]] wurden spezielle [[Prüfkörper_für_bruchmechanische_Prüfungen|Bruchmechanikprüfkörper]] entwickelt, die für die Ermittlung geometrieunabhängiger [[Kennwert]]e herangezogen werden.

Die Anwendung der [[Bruchmechanik]] zur Bewertung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen (FVW) setzt die Verfügbarkeit dieser [[Kennwert]]e voraus, deren Ermittlung mit der von Altstädt in [3] beschriebenen Vorgehensweise erfolgen kann (siehe: [[Prüfung von Verbundwerkstoffen]]).

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2011) 2. Auflage, S. 146, (ISBN 978-3-446-42722-8; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 12)
|-valign="top"
|[2]
|[[Blumenauer, Horst|Blumenauer, H.]], Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Stuttgart (1993) 3. Auflage, (ISBN 3-342-06659-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter E 29-3)
|-valign="top"
|[3]
|[[Altstädt,_Volker|Altstädt, V.]]: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2011) 2. Auflage, S. 656–658, (ISBN 978-3-446-42722-8; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 12)
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]

Ringversuch

2021-01-25T12:57:15Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Ringversuch

''auch Round Robin Test''

Ein Ringversuch oder Ringvergleich (engl.: Round Robin Test) ist eine vielfach angewendete Methode für einen externen Qualitätsvergleich der Durchführung von Messverfahren in häufig national akkreditierten Prüflaboratorien (siehe: [[Akkreditierung und Zertifizierung]]).
Grundsätzlich werden von einem Hersteller oder von einem beteiligten Prüflaboratorium gefertigte [[Prüfkörper]] nach identischen Verfahren und Auswerteprozeduren untersucht.
Der Vergleich der Ergebnisse erlaubt es, Aussagen über die [[Messgenauigkeit]] generell bzw. über die Messqualität der beteiligten Institute zu machen. Ringversuche werden zudem zur Validierung von Vorschriften für Messverfahren verwendet.

So müssen akkreditierte Prüflaboratorien gemäß der Norm DIN EN ISO/IEC 17025 oder im Rahmen staatlicher Zulassungsverfahren regelmäßig an Ringversuchen teilnehmen, um die Qualität ihrer Ergebnisse zu sichern und zu beweisen.

''Institute, die Ringversuche im Bereich der [[Kunststoffprüfung]] organisieren:''

* Kunststoff-Institut Lüdenscheid für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH, Karolinenstr. 8, 58507 Lüdenscheid
* Öfi – Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik, Franz-Grill-Str. 5, A-1030 Wien
* DRRR – Deutsches Referenzbüro für Ringversuche und Referenzmaterialien GmbH, Bodmanstraße 4, D-87435 Kempten
* IfEP – Institut für Eignungsprüfung, Daimlerstraße 8, 45770 Marl

Der Organisator eines Ringversuches stellt den sich beteiligenden Laboratorien die zu untersuchenden [[Prüfkörper]] und die Anleitung zur Versuchsdurchführung zur Verfügung. Er sammelt anschließend die Messdaten wieder ein und wertet sie statistisch aus. Die Teilnehmer, deren Anonymität gewahrt bleibt, werden über das Ergebnis informiert. Ringversuche eignen sich somit insbesondere, um eventuelle systematische [[Messabweichung]]en aufzuspüren oder eine schlechte Präzision im eigenen Labor zu vermeiden. Ringversuche sind für den Leiter eines akkreditierten Prüflabors ein geeignetes Element zum Qualitätsmanagement.

'''Literaturhinweise'''

* DIN EN ISO/IEC 17025 (2018–03): Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien
* DIN ISO 13528 (2020-09): Statistische Verfahren für Eignungsprüfungen durch Ringversuche
* DIN Taschenbuch 355 (2004-01): Statistik – Genauigkeit von Messungen – Ringversuche

Oberflächenenergie

2021-01-25T12:56:47Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Oberflächenenergie
__FORCETOC__
==Grundlagen==

Die Oberflächenenergie – oft auch als so genannte [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächenspannung]] bezeichnet, obwohl nicht von der Dimension Pascal – ist eine Materialeigenschaft. Im Allgemeinen wird als Oberflächenenergie die freie Energie von [[Oberfläche]]n bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunktes definiert.

Genau genommen müsste der Begriff „Oberflächenenergie“ allerdings grundsätzlich auf den Begriff „'''Grenzflächenenergie'''“ erweitert werden, wird doch die eigentliche Oberflächenenergie, also die freie Energie einer flüssigen oder festen Oberfläche gegen ein Vakuum, nur in sehr seltenen Fällen damit erfasst. Zumeist sind daher relative Energiewerte der [[Phasengrenzfläche|Grenzflächen]] von Flüssigkeiten zu anderen Flüssigkeiten bzw. Gasen/Dämpfen oder Grenzflächen von festen Stoffen zu anderen Stoffen, die als Feststoffe (innere Grenzflächen), Flüssigkeiten bzw. Gase/Dämpfe vorliegen, darunter zusammengefasst. Die Grenzflächenenergie ist deshalb keine Materialeigenschaft, sondern charakterisiert die Eigenschaft eines Stoffsystems und ist demzufolge also eine Systemeigenschaft.

Die Oberflächen- bzw. Grenzflächenenergie ist bei [[Kunststoffe]]n besonders bei Lacken und Farben, Beschichtungen sowie Klebstoffen von wesentlicher Bedeutung. Sie ist aber auch dann von großem Interesse, wenn es allgemein um die Benetzbarkeit bzw. Nichtbenetzbarkeit von Kunststoffoberflächen geht. Ein Beispiel aus der Kunststoffindustrie sind Polyethylen-Folien, die der Verpackung wasserhaltiger Lebensmittel dienen. Bei diesen Folien kann sich das aus dem Lebensmittel stammende Wasser an der Folieninnenseite in Form kleiner Tröpfchen niederschlagen, was als Fogging bezeichnet wird. Durch gezielte Veränderung der Oberflächenenergie kann dieser Effekt unterdrückt werden, wodurch die Transparenz der Folien erhalten bleibt.

Oft wird unter der spezifischen Grenzflächenenergie von Festkörpern der Betrag derjenigen Arbeit verstanden, der mindestens notwendig ist, neue Oberflächen (z. B. durch [[Rissausbreitung|Risswachstum]] und [[Bruch]]) zu schaffen. Auf dieser Grundlage basiert das [[GRIFFITH-Kriterium|Griffith-Kriterium]] der [[Bruchmechanik]]. Allerdings hat es sich gezeigt, dass diese bruchmechanisch ermittelten Werte (siehe: [[Bruchmechanische Prüfung]]) nur bei extrem spröden Werkstoffen (z. B. Si-Einkristallen) in der Größenordnung der mit anderen Verfahren ermittelten Werte liegen. Auch für spröde Kunststoffe und sehr tiefe Temperaturen (< –150 °C) sind die so ermittelten Werte, wie kritische J-Werte Jc, um ca. vier bis fünf Größenordnungen größer. Für [[Thermoplaste|thermoplastische]] Kunststoffe umfassen sie den Bereich einiger kJ/m2 (für amorphe Thermoplaste wie z. B. Polycarbonat ([[Kurzzeichen]]: PC), Polymethylmethacrylat ([[Kurzzeichen]]: PMMA) und Polystyren ([[Kurzzeichen]]: PS), ist Jc = 1,0…1,8 kJ/m2 [1, 2]). Diese Diskrepanz kann außer durch die in diesen Werkstoffen auch bei sehr tiefen Temperaturen auftretenden (mikro)plastischen [[Deformation|Deformationsprozesse]] (innere Energie) ebenfalls durch die Wärmetönung begründet werden, d. h. durch die Erzeugung von Wärme infolge innerer Reibungsvorgänge bei den mit der Erschaffung neuer Oberflächen (siehe: [[Bruchfläche]]) verbundenen Deformationsvorgängen. Der ideale Sprödbruch (siehe: [[Brucharten]]) ist dagegen ein athermischer Prozess.

==Messung der Oberflächenenergie==

Die Grenzflächenenergie einer Kunststoffoberfläche gegen ein flüssiges Medium (oft Wasser) und zumeist Luft wird mittels der Kontaktwinkelmessung (Methode des liegenden Tropfens) ermittelt ('''Bild 1'''). Dazu wird auf einer ebenen und zuvor gründlich gereinigten Kunststoffoberfläche ein wohl definierter Flüssigkeitstropfen abgesetzt. Mit einer speziellen experimentellen Vorrichtung kann dann der Kontaktwinkel computergesteuert bestimmt werden (für Details der experimentellen Vorgehensweise siehe z. B. [3]).

[[Datei:Oberflaechenenergie-1n.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Grenzflächenenergien am Dreiphasenkontakt: σs – Festkörperoberflächenenergie, σl – Flüssigkeitsoberflächenenergie, σls – Grenzflächenenergie, Θ – Rand- oder Kontaktwinkel
|}

Die Grenzflächenenergie wird durch die Gleichung (1) von Young [4] ermittelt, wobei der Einfluss des gasförmigen Mediums (wie Luft) vernachlässigt wird (daher werden σs und σl hier als Oberflächenenergie bezeichnet).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\sigma_{s}=\sigma_{ls}+\sigma_{l}\cdot \cos \Theta </math>
|width="50px"|(1)
|}

{|style="border-collapse:collapse"
|-
|rowspan="5" style="width:30px" valign="top"|mit:
|-
|style="width:20px"|σs
|style="width:20px"|–
|style="width:530px"|Festkörperoberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|σl
|–
|Flüssigkeitsoberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|σls
|–
|Grenzflächenenergie (mJ/m2)
|-
|Θ
|–
|Rand- oder Kontaktwinkel (Grad); die Benetzbarkeit nimmt mit zunehmendem Winkel ab
|}

Weiterhin kann durch Hinzuziehung von Gl. (1) die zur Ablösung eines Tropfens von einem Festkörper pro Fläche notwendige Arbeit W entsprechend der YOUNG-DUPRÉ-Gleichung (2) berechnet werden [5].

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=\sigma_{l}+\sigma_{s}-\sigma_{ls}=\sigma_{l}\cdot (1+\cos \Theta )</math>
|width="50px"|(2)
|}

Dabei wird berücksichtigt, dass zwei neue Grenzflächen (Flüssigkeit gegen Luft und Festkörper gegen Luft) entstehen, während die Grenzfläche flüssig/fest verschwindet.

Anderseits wurde von Girifalco und Good [6] gefunden, dass sich die Ablösearbeit W näherungsweise in Form des geometrischen Mittels der Oberflächenenergien von Flüssigkeit und Festkörper (σs und σl) mittels Gl. (3) ausdrücken lässt.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=2\sqrt{\sigma_{l}\cdot \sigma_{s}}</math>
|width="50px"|(3)
|}

Durch die Verwendung unterschiedlicher Referenz-Flüssigkeiten können mit dieser Methode auch der polare σlsp und der disperse Anteil σlsd der Grenzflächenenergie bestimmt werden. Hierbei sind die zur '''Grenzflächenenergie''' beitragenden polaren Wechselwirkungen die KEESOM-Wechselwirkung [7] zwischen zwei Dipolen und die DEBYE-Wechselwirkung [8] zwischen einem Dipol und einem polarisierbaren Molekül zu beachten. Der disperse Anteil der Wechselwirkung, der zur '''Grenzflächenenergie''' beiträgt, entsteht durch die Kräfte infolge der Londonsche Wechselwirkung [9] zwischen zwei polarisierbaren Molekülen. Alle drei Wechselwirkungen tragen zu den van-der-Waals-Kräften [10] bei.

Die beiden Wechselwirkungsarten (polar und dispers) tragen nun, da sie unabhängig voneinander sind, additiv zur Größe von W bei. Mit Gl. (3) ergibt sich somit die Gl. (4) (p und d stehen für polar und dispers):

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=2\left ( \sqrt{\sigma_{l}^{p} \cdot \sigma_{s}^{p}}+\sqrt{\sigma_{l}^{d}\cdot \sigma_{l}^{d}} \right )</math>
|width="50px"|(4)
|}

Diese Additivität gilt ebenfalls für die Oberflächenenergien von Flüssigkeit und Festkörper. Mit der nach Einsetzen von Gl. (4) in Gl. (2) und Umformung enthaltenen Beziehung (5)

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\frac{\left ( 1+\cos \Theta \right )\cdot \sigma _{l}}{2\sqrt{\sigma_{l}^{d}}}=\sqrt{\sigma_{s}^{d}}\cdot \sqrt{\frac{\sigma_{p}^{l}}{\sigma_{l}^{d}}}+\sqrt{\sigma_{s}^{d}}</math>
|width="50px"|(5)
|}

nach Owens, Wendt, Rabel und Kaelble (OWRK-Methode) [11–13] lässt sich nun die polare und disperse (und somit auch die gesamte) Oberflächenenergie eines Festkörpers ermitteln. Dazu wird mittels mehrerer Flüssigkeiten mit bekannter polarer und disperser Oberflächenenergie der Kontaktwinkel gemessen. Durch Auftragung von <math>\frac{\left ( 1+\cos \Theta \right )\cdot \sigma _{l}}{2\sqrt{\sigma_{l}^{d}}}</math> als Funktion von <math>\sqrt{\frac{\sigma_{p}^{l}}{\sigma_{l}^{d}}}</math> ergibt sich der polare Anteil der Festkörperoberflächenenergie als Anstieg der resultierenden Geraden und der disperse Anteil als Schnittpunkt mit der y-Achse.

Ein anderes für [[polymer]]e Werkstoffe angewandtes Verfahren zur Ermittlung des polaren und dispersen Anteils der Oberflächenenergie ist die Methode nach Wu [14] mittels Gl. (6).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=\frac{4\sigma_{l}^{p}\cdot \sigma_{s}^{p}}{\sigma_{l}^{p}+ \sigma_{s}^{p}}+\frac{4\sigma_{l}^{d}\cdot \sigma_{s}^{d}}{\sigma_{l}^{d}+ \sigma_{s}^{d}}</math>
|width="50px"|(6)
|}

[[Datei:Oberflaechenenergie-2.jpg|300px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Methode des hängenden Tropfens: R1, R2 – Hauptkrümmungsradien, h – vertikale Höhe des Tropfens
|}

Zur Ermittlung der Oberflächenenergie einer Kunststoffschmelze (oder Lösung) wird die Methode des hängenden Tropfens verwendet ('''Bild 2'''). Hierbei wird die Oberflächenenergie aus der Kontur eines hängenden Tropfens bestimmt, der mittels einer Spritze dosiert wird. Die Form des sich am unteren Ende der Dosiernadel bildenden Tropfens lässt sich (bei Vernachlässigung des Einflusses des umgebenden Gases) entsprechend der YOUNG-LAPLACE-Gleichung [4, 15] durch das Kräftegleichgewicht zwischen Schwerkraft und Oberflächenenergie mathematisch exakt nach Gl. (7) beschreiben (für Details der experimentellen Vorgehensweise siehe z. B. [3]):

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\sigma_{l}\cdot \left ( \frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}} \right )=\rho \cdot g\cdot h</math>
|width="50px"|(7)
|}

{|style="border-collapse:collapse"
|-
|rowspan="6" style="width:30px" valign="top"|mit:
|-
|style="width:40px"|σl
|style="width:20px"|–
|style="width:510px"|Flüssigkeitsoberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|R1, R2
|–
|Hauptkrümmungsradien (m)
|-
|ρ
|–
|Dichte der Flüssigkeit (g/m3)
|-
|g
|–
|Erdbeschleunigung (m/s2)
|-
|h
|–
|vertikale Höhe des Tropfens (m)
|}

==Oberflächenenergien für ausgewählte Polymerwerkstoffe==

In '''Tabelle 1''' sind für ausgewählte Polymerwerkstoffe die Werte der Oberflächenenergie zusammengefasst. Typischerweise liegen diese Werte im Bereich von etwa 20… 50 mJ/m2.

{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle 1''': Oberflächenenergie und deren disperser und polarer Anteil für ausgewählte Polymerwerkstoffe (siehe [3, 16] sowie Literatur in [16]).
!! style="width: 100px; background:#DCDCDC"|Werkstoff
!! style="width: 150px; background:#DCDCDC"|Disperser Anteil der Oberflächenenergie (mJ/m2)
!! style="width: 150px; background:#DCDCDC"|Polarer Anteil der Oberflächenenergie (mJ/m2)
!! style="width: 150px; background:#DCDCDC"|Gesamte Oberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|Epoxidharz
|style="text-align:center"|19,5
|style="text-align:center"|13,2
|style="text-align:center"|32,7
|-
|PA6
|style="text-align:center"|25,6...39,2
|style="text-align:center"|5,0...15,4
|style="text-align:center"|38,3...54,6
|-
|PAEK
|style="text-align:center"|36,0
|style="text-align:center"|3,8
|style="text-align:center"|39,8
|-
|PBT
|style="text-align:center"|39,4...41,8
|style="text-align:center"|3,3...9,4
|style="text-align:center"|43,8...48,8
|-
|PC
|style="text-align:center"|27,3...37,0
|style="text-align:center"|1,8...6,0
|style="text-align:center"|33,3...38,8
|-
|PE-HD
|style="text-align:center"|30,0...35,0
|style="text-align:center"|0,0...0,7
|style="text-align:center"|30,3...35,7
|-
|PE-LD
|style="text-align:center"|33,2...35,1
|style="text-align:center"|0,0
|style="text-align:center"|33,2...35,1
|-
|PES
|style="text-align:center"|42,1
|style="text-align:center"|5,1
|style="text-align:center"|47,2
|-
|PET
|style="text-align:center"|32,9...43,2
|style="text-align:center"|3,1...4,5
|style="text-align:center"|37,3...47,3
|-
|PFA
|style="text-align:center"|19,1
|style="text-align:center"|3,4
|style="text-align:center"|22,5
|-
|PMMA
|style="text-align:center"|25,7...44,2
|style="text-align:center"|4,3...14,6
|style="text-align:center"|40,2...51,3
|-
|POM
|style="text-align:center"|36,0...42,2
|style="text-align:center"|5,1...11,1
|style="text-align:center"|42,1...47,9
|-
|PP
|style="text-align:center"|25,8...42,1
|style="text-align:center"|0,3...1,3
|style="text-align:center"|31,2...42,4
|-
|PPE
|style="text-align:center"|42,7...44,7
|style="text-align:center"|2,1...3,2
|style="text-align:center"|45,9...46,8
|-
|PS
|style="text-align:center"|23,3...44,6
|style="text-align:center"|0,6...6,9
|style="text-align:center"|29,0...45,4
|-
|PSU
|style="text-align:center"|42,1
|style="text-align:center"|4,2
|style="text-align:center"|46,3
|-
|PTFE
|style="text-align:center"|18,5...18,6
|style="text-align:center"|0,0...0,5
|style="text-align:center"|18,5...19,1
|-
|PVB
|style="text-align:center"|36,0
|style="text-align:center"|4,7
|style="text-align:center"|40,7
|-
|PVC
|style="text-align:center"|26,0...40,0
|style="text-align:center"|1,5...12,7
|style="text-align:center"|37,3...51,7
|-
|SAN
|style="text-align:center"|27,1...42,1
|style="text-align:center"|2,7...7,7
|style="text-align:center"|31,1...47,2
|-
|TPU
|style="text-align:center"|35,2
|style="text-align:center"|3,8
|style="text-align:center"|39,0
|}

PA6 – Polyamid 6, PAEK – Polyaryletherketon, PBT – Polybutylenterephthalat, PC – Polycarbonat, PE-HD – Polyethylen hoher Dichte, PE-LD – Polyethylen niedriger Dichte, PES – Polyethersulfon, PET – Polyethylenterephthalat, PFA – PTFE-Copolymerisat, PMMA – Polymethylmethacrylat, POM – Polyoxymethylen, PP – Polypropylen, PPE – Polyphenylenether, PS – Polystyren, PSU – Polysulfon, PTFE – Polytetrafluorethylen, PVB – Polybutylvinylbutyrat, PVC – Polyvinylchlorid, SAN – Styren-Acrylnitril-Copolymer, TPU – Thermoplastisches Polyurethan.

Wenn der polare Anteil der Oberflächenenergie größer als 1 mJ/m2 ist, dann spricht man von polaren Kunststoffen, ist er kleiner, von unpolaren Kunststoffen [16].

Kunststoffe mit einer geringen Oberflächenenergie und/oder unpolare Kunststoffe, zu denen z. B. polyolefine Werkstoffen allgemein, wie Polyethylen ([[Kurzzeichen]]: PE) und Polypropylen ([[Kurzzeichen]]: PP), sowie Kunststoffe auf der Basis von Polytetrafluorethylen ([[Kurzzeichen]]: PTFE) gehören (vgl. '''Tabelle 1'''), werden für Antihaftbeschichtungen (PTFE und dessen Copolymerisate, wie Perfluor-Tetrafluorethylen (PFA)), in der Lebensmittelindustrie (besonders PE) sowie für Rohre und Behälter (PE und PP) eingesetzt. Aufgrund der geringen Oberflächenenergie bzw. des geringen polaren Anteils der Oberflächenenergie sind sie allerdings ohne spezielle Oberflächenvorbehandlung nur schwer bedruckbar.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Lach, R.: Korrelationen zwischen bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen und molekularen Relaxationsprozessen amorpher Polymere. VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 18: Mechanik/Bruchmechanik, Nr. 223, VDI-Verlag, Düsseldorf (1998) (ISBN 3-13-322318-x; siehe: [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-7)
|-valign="top"
|[2]
|Hartwig, G., Saatkamp, T.: Fracture Properties of Polymers at Cryogenic Temperatures. Advances in Cryogenic Engineering 40 (1994) 1121–1127
|-valign="top"
|[3]
|Kopczynska, A., Ehrenstein, G. W.: Oberflächenspannung von Kunststoffen. Messmethoden am LKT. Sonderdrucke am Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, siehe: [https://www.lkt.tf.fau.de/files/2017/06/Oberflaechenspannung.pdf https://www.lkt.tf.fau.de/files/2017/06/Oberflaechenspannung.pdf] (Zugriff am 21.02.2019)
|-valign="top"
|[4]
|Young, T.: An Essay on the Cohesion of Fluids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 95 (1805) 65–87
|-valign="top"
|[5]
|Dupré, A., Dupré, P.: Théorie Mécanique de la Chaleur. Gauthier-Villars, Paris (1869)
|-valign="top"
|[6]
|Girifalco, L. A., Good, R. J.: A Theory for the Estimation of Surface and Interfacial Energies. I. Derivation and application to interfacial tension. The Journal of Physical Chemistry 61 (1957) 904–909
|-valign="top"
|[7]
|Keesom, W. H.: The Second Virial Coefficient for Rigid Spherical Molecules whose Mutual Attraction is Equivalent to that of a Quadruplet Placed at its Center. Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 18 (1915) 636–646
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|[8]
|Debye, P.: Polare Molekeln. S. Hirzel Verlag, Leipzig (1929)
|-valign="top"
|[9]
|London, F.: The General Theory of Molecular Forces. Transactions of the Faraday Society 33 (1937) 8–26
|-valign="top"
|[10]
|van der Waals, J. D.: Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand. Dissertation, Universität Leiden (1873)
|-valign="top"
|[11]
|Kaelble, D. H.: Dispersion-polar Surface Tension Properties of Organic Solids. The Journal of Adhesion 2 (1970) 66–81
|-valign="top"
|[12]
|Owens, D., Wendt, R.: Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. Journal of Applied Polymer Science 13 (1969) 1741–1747
|-valign="top"
|[13]
|Rabel, W.: Einige Aspekte der Benetzungstheorie und ihre Anwendung auf die Untersuchung und Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Polymeren. Farbe und Lack 77 (1971) 997–1005
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|[14]
|Wu, S.: Polar and Nonpolar Interactions in Adhesion. The Journal of Adhesion 5 (1973) 39–55
|-valign="top"
|[15]
|Marquis de Laplace, P. S.: Traité de Mécanique Céleste. Courcier, Paris (1805), Vol. 4, Supplément au Dixième Livre du Traité de Mécanique Céleste, 1–79
|-valign="top"
|[16]
|Erhard, G.: Konstruieren mit Kunststoffen. 4. Auflage, Carl Hanser Verlag, München (2008), 152–153 (ISBN 978-3-446-41646-8; siehe: [[AMK-Büchersammlung]] unter G 33)
|}

[[Kategorie:Oberflächenprüftechnik]]

Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

2021-01-19T13:26:30Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) oder Analyse ist als Oberbegriff für die zerstörungsfreie [[Werkstoffprüfung|Werkstoff]]- und [[Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung|Kunststoffprüfung]] zu verstehen, da sie auch die Untersuchung archäologischer [1] oder künstlerische Objekte sowie Büchern oder Bilder [2] im weitesten Sinne beinhaltet. Wesentlicher Aspekt ist dabei, dass die kulturhistorischen oder kriminologischen Objekte, wie z. B. Mumien, Bilder oder Bücher ohne Beschädigung auf mögliche Übermalung, Fälschungen oder die innere Struktur und Beschaffenheit untersucht werden können. 
Im engeren Sinne versteht man unter diesem Begriff jedoch die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, die im Gegensatz zur zerstörenden [[Werkstoffprüfung]] die Integrität des [[Prüfkörper]]s oder des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] nicht beeinflusst. Die Verfahren der Werkstoffprüfung werden deshalb in zerstörende Methoden (z. B. [[Zugversuch|Zug]]-, [[Biegeversuch|Biege]]-, [[Druckversuch|Druck]]- oder Torsionsprüfung und die [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|schlagartige Beanspruchung]]), zerstörungsarme Prüfmethoden, wie z. B. die Mikro- oder Nano[[Härte|härteprüfung]] und die zerstörungsfreie Prüfung unterteilt.

Bei der zerstörungsfreien Werkstoff- oder Materialprüfung sind die ältesten bekannten Prüfmethoden, die keine Beschädigung des zu untersuchenden Prüfobjekts hervorruft, die Dichteprüfung, die [[Sichtprüfung]] auf Anrisse oder Oberflächenschädigungen und die [[Klangprüfung]], mit welcher der charakteristische Klang eines intakten oder beschädigten Objekts beurteilt wird. 
Eine moderne Definition der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung beinhaltet allgemein die Untersuchung von Materialien, Bauteilen und Konstruktionen auf Qualitätsmängel wie Fehler oder Ungänzen bzw. die Sichtbarmachung derer, welche die Integrität oder Verwendbarkeit vor und während des Einsatzes stören oder verhindern könnten, wobei die Anwendung der zerstörungsfreien Prüfmethode auf das Prüfobjekt die Funktionalität auf keinen Fall beeinträchtigen darf [3]. Das grundlegende Ziel der ZfP ist also die Schadensprävention durch reproduzierbare und wiederholbare Prüfverfahren, um Gefahren für den Menschen, Dinge und die Umwelt zu vermeiden. Sie erstellt also ein statisches Abbild von makroskopischen und mikroskopischen Fehlern unter Beachtung der Schadenstoleranz dieser Ungänzen für die Integrität und Funktionalität der Konstruktion oder des Bauteils [4].

Im Gegensatz zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bedient sich die Werkstoffdiagnostik der Methoden der ZfP, indem sie unterschiedliche [[hybride Methoden]] kombiniert und gleichzeitig verschiedenartige mechanische, thermische oder mediale Belastungen auf Prüfkörper oder Bauteile appliziert. Diese Kopplung dient hier vorrangig der Ermittlung der Schädigungskinetik und der Darstellung relevanter Schädigungsmechanismen sowie der Ermittlung von werkstoffspezifischen Grenzzuständen und wird mit folgenden Zielen durchgeführt:

* der Erhöhung des Informationsgehaltes konventioneller Prüfverfahren,
* der Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften,
* der Bewertung von Struktur oder Morphologie-Eigenschafts-Korrelationen,
* der Aufstellung physikalisch begründeter Funktionalitäten,
* der Erfassung lokaler Werkstoffeigenschaften zur Erhöhung der Dimensionierungssicherheit,
* der ereignis- und strukturbezogenen Interpretation der Deformationsphasen,
* der Ermittlung von Werkstoffschädigungen und der Versagenskinetik und
* der Darstellung von Werkstoffgrenzzuständen und Diagnosefunktionen.

Prinzipiell ist jede ZfP-Methode oder Sensortechnik für die Anwendung als hybride Methode der Werkstoffdiagnostik geeignet, wenn sie eine hinreichende Schädigungssensibilität aufweist und der Werkstoffspezifik genügt.

Die moderne zerstörungsfreie Werkstoffprüfung bedient sich verschiedenartiger physikalischer Messprinzipien, wobei die Anwendbarkeit diesbezüglicher Messmethoden oftmals durch die Empfindlichkeit und die Anwendbarkeit der Prüfmethode charakterisiert wird. Eine grundsätzliche Einteilung der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist nach dem physikalischen Wirkprinzip oder dem Anwendungsgebiet (Grob- oder Feinstrukturprüfung) möglich, wobei sich das nachstehende Einteilungsprinzip als geeignet erwiesen hat:

* radiologische Prüfverfahren (Röntgenstrahl- und Gammastrahldefektoskopie),
* akustische Prüfverfahren ([[Klangprüfung|Klang]]-, [[Ultraschallprüfung|Ultraschall]]- und [[Schallemissionsprüfung]]),
* thermografische Prüfverfahren (Wärmefluss-, Wärmewellenanalyse und [[Thermographie|Videothermographie]]),
* elektromagnetische Prüfmethoden (magnetische Rissprüfung, Schichtdickenmessung und magnetoinduktive Prüfung),
* Rissprüfung ([[Sichtprüfung]], Endoskopie, Penetrierprüfung, Dichtigkeitsprüfung, Magnetpulver- und Fluoreszenzprüfung),
* Mikrowellenprüfung (Transmissions- und Reflexionsverfahren) und
* optische Prüfmethoden (Holografie, [[Shearographie|Laser-Speckle-Interferometrie]], [[Shearographie]], [[Laserextensometrie]] u. a.).

Spezielle Prüfmethoden wie die Wirbelstromprüfung, die experimentelle Dehnungsanalyse oder die Schwingungsanalyse komplettieren diese Aufzählung genau wie die Betastrahlprüfung oder die Terrahertzprüfung, ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Grundsätzlich ist feststellbar, dass die ZfP in fast allen Industriezweien zum unverzichtbaren Instrument für eine effiziente Qualitätssicherung geworden ist und dem Nachweis intoleranter Fehlzustände, der Überwachung des Zustandes von Maschinen und Anlagen als auch für die Schadensfallanalyse dient.

Die Dachorganisation der ZfP in Deutschland ist die [https://www.dgzfp.de/ Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP e.V.)] deren Hauptziele die Erforschung, Entwicklung, Anwendung und Verbreitung der zerstörungsfreien Prüfverfahren sind [5]. Die Ausbildung und Trainings GmbH der DGZfP organisiert zentral die Aus- und Weiterbildung bzw. die Qualifizierung von ZfP-Prüfpersonal nach der DIN EN ISO 9712 (früher DIN EN 473) und der DIN 54161 in Form eines Kurssystems mit drei unterschiedlichen Ausbildungsstufen (Level) für folgende Gebiete der ZfP an [6–8]:

* AT - [[Schallemissionsprüfung]]
* DR - Digitale Radiologie
* ET - Wirbelstromprüfung
* HT - [[Mobile Härtemessung|Mobile Härteprüfung]]
* LT - Dichtheitsprüfung
* MT - Magnetpulverprüfung
* PT - Eindringprüfung
* RT - Durchstrahlungsprüfung
* TT - [[Thermographie]]
* UT - [[Ultraschallprüfung]]
* VT - [[Sichtprüfung]]

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Claridge, T. D. W.: High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Tetrahedron Organic Chemistry Series 19 (1999)
|-valign="top"
|[2]
|Hahn, O., Bretz, S., Hagnau, C., Ranz, H.-J., Wolff, T.: Das Schwarzlot in der Hinterglasmalerei − Zerstörungsfreie Untersuchung von Kunst- und Kulturgut. ZfP-Zeitung 113 (2009) 2
|-valign="top"
|[3]
|Erhard, A.: Aufgaben und Abgrenzung der Zerstörungsfreien Prüfung. DGZfP-Jahrestagung, Fürth (2007), V11
|-valign="top"
|[4]
|[[Blumenauer, Horst|Blumenauer, H.]]: Werkstoffprüfung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Stuttgart, 6. Auflage, (1994), (ISBN 978-3-342-00547-6; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 3)
|-valign="top"
|[5]
|Homepage der DGZfP: [https://www.dgzfp.de/ https://www.dgzfp.de/] (Zugriff am 04.03.2019)
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 9712 (2021-02): Zerstörungsfreie Prüfung − Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung (Entwurf)
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN 473 (2008-09): Zerstörungsfreie Prüfung − Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung − Allgemeine Grundlagen (zurückgezogen)
|-valign="top"
|[8]
|DIN 54161 (2021-03): Zerstörungsfreie Prüfung − Qualifizierung von Prüfwerkern der zerstörungsfreien Prüfung (Entwurf)
|}

[[Kategorie:Wissenschaftsdisziplinen]]

Thermographie

2021-01-19T13:25:58Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Thermographie
__FORCETOC__
==Thermographie==

Das Messverfahren der Thermographie ist ein [[Zerstörungsfreie_Prüfung_(ZfP)|zerstörungsfreies Prüfverfahren]] in der [[Werkstoffprüfung|Werkstoff-]] und [[Bauteilprüfung]]. Es beruht auf der Wärmestrahlung, genauer auf der Messung der Intensität elektro-magnetischer Wellen im Infrarot-Bereich. Typische Anwendungen sind in der Bauindustrie, im Flugzeugbau und in der Maschinenüberwachung zu finden. Dabei wird dieses Messverfahren zur Qualitätsüberwachung eingesetzt. In der [[Kunststoffdiagnostik]] wird die Thermographie unter Einbeziehung experimenteller Methoden der [[Bruchmechanik]] zur Quantifizierung des Schädigungsbeginns eingesetzt, indem z. B. eine in-situ Kopplung von bruchmechanischen Experimenten mit zerstörungsfreien Methoden, vorgenommen wird. Eine in der Polymer Service GmbH Merseburg eingesetzte hybride Methode ist [[Hybride_Methoden,_Beispiele|die Kopplung von Schallemission und Thermographie mit dem Zugversuch an einem statisch beanspruchten CT-Prüfkörper oder Vielzweckprüfkörper]].

==Allgemeines==

Dieses Prüfverfahren wird je nach Anregung unterteilt in die passive und aktive Thermographie. Bei der passiven Thermographie ist das Prüfobjekt gleichzeitig der Wärmestrahler. Die aktive Thermographie nutzt eine externe Wärmequelle zur Aufwärmung des Prüfobjektes, welches die absorbierte Wärme in alle Richtungen abstrahlt. Die vom Prüfobjekt ausgehende Infrarotstrahlung wird vom Messgerät, der Wärmebildkamera, registriert. Die Detektoren in der Kamera reagieren dabei auf den Wellenlängenbereich des Infrarotspektrums. Die Intensitätswerte werden anschließend über einen Bildschirm in Grauwert- oder Falschfarbendarstellung angezeigt. Dies ist anhand eines Wärmebildes in '''Bild 1''' dargestellt [1]. Hierbei wurde ein gekerbter PA 6-Vielzweckprüfkörper im [[Zugversuch]] mit einer Zugspannung belastet. Nach einer [[Kalibrieren|Kalibrierung]] lassen sich den einzelnen Bildpixeln Temperaturen zuordnen. Dafür ist in '''Bild 1''' auf der rechten Seite eine Farbskala angegeben.

[[Datei:ThermoelastischerEffekt.jpg|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Thermo-elastischer Effekt bei kurzzeitiger Zugbelastung von glasfaserverstärktem PA 6 [1]
|}

Im Falle des Beispieles aus '''Bild 1''' lassen sich Aussagen zur Temperaturverteilung auf der [[Oberfläche]] des [[Prüfkörper|Prüfkörpers]] unter einem bestimmten Belastungsregime machen. Sie lässt Rückschlüsse auf die innere Reibung zu, die mit der [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen|Dynamisch-Mechanischen Analyse (DMA)]] genau bestimmt werden kann.

==Physikalische Grundlagen==

Die Wärmebildkameras registrieren die elektromagnetische Strahlung im Infrarot-Bereich. Dieser Bereich umfasst die Wellenlängen von 780 nm bis 1 mm. Die Kameras verfügen über ein Feld von Detektoren (Fotozellen), die für diese Wellenlängen empfindlich sind.
Betrachtet man durch eine Wärmekamera verschiedene Gegenstände in einem [[Normklimate|klimatisierten Raum]], registriert die Wärmebildkamera trotzdem Wärmequellen unterschiedlicher Strahlungsamplituden. Der Grund liegt darin, dass die Gegenstände aus verschiedenen Materialien bestehen und Oberflächeneigenschaften besitzen, die stark voneinander abweichen können.

==Reflexion, Transmission und Absorption von Wärmestrahlung==

Die Wärmestrahlung wird durch den Wärmestrom <math>\scriptstyle\dot{Q}</math> beschrieben, der von den Wärmequellen ausgeht. Trifft ein Wärmestrom (Wärmestrahl) auf einen Gegenstand, so gelten prinzipiell die Gesetze der geometrischen Optik ('''Bild 2''').

[[Datei:TermographieReflexionUndAbsorption.png|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schematische Darstellung der Wärmestrahlung an einer Platte
|}

Trifft ein Wärmestrom <math>\scriptstyle\dot{Q}_0</math> auf einen Körper, wird ein Teil reflektiert <math>\scriptstyle\dot{Q}_R</math>, ein anderer transmittiert <math>\scriptstyle\dot{Q}</math> und ein weiterer vom Körper absorbiert (<math>\scriptstyle\dot{Q}_A</math>). Damit ergibt sich (vgl. '''Bild 2''')
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_0 = \dot{Q}_R + \dot{Q}_T + \dot{Q}_A.</math>
|(1)
|}

Die Anteile bzw. die einzelnen Strahlungskoeffizienten auf der rechten Seite von Gl. (1) ergeben sich aus der Division beider Seiten durch den auftreffenden Wärmestrom auf den Körper <math>\scriptstyle\dot{Q}_0</math>:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\ 1 = \rho(\lambda) + \tau(\lambda) + \alpha(\lambda).</math>
|(2)
|}

Hierbei ist aber zu beachten, dass die Wärmeströme auf der rechten Seite von Gl. (1) im Allgemeinen von der Wellenlänge – und vom Material – abhängen und damit auch die Koeffizienten in Gl. (2).

==Emission von Wärmestrahlung==

Die aus der Umgebung absorbierte Wärmestrahlung erhöht die innere Energie des Körpers. Er gibt sie aber auch wieder an die Umgebung ab. Das ist der Inhalt des KIRCHHOFF’schen Strahlungsgesetzes: die absorbierte Wärmestrahlung ist gleich der emittierten Wärmestrahlung, was in Gl. (3) durch den Absorptionskoeffizienten (Absorptionsgrad) <math>\alpha</math> und den Emissionskoeffizienten (Emissionsgrad) <math>\epsilon</math> ausgedrückt ist:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\ \epsilon(\lambda,T) = \alpha(\lambda,T).</math>
|(3)
|}

Das ist auch der Grund, weshalb die Wärmebildkamera die Gegenstände in einem Raum mit unterschiedlichen Grau- oder Farbwerten darstellt, weil jeder Körper in Abhängigkeit von seiner inneren Energie, seinem Material und seiner Oberflächeneigenschaften einen spezifischen Emissionskoeffi-zienten besitzt.

==Prinzip der Thermographie==

Nach dem STEFAN-BOLTZMANN'schen Gesetz ist der Wärmefluss <math>\scriptstyle\dot{Q}_K</math> von einem Körper der Fläche A der vierten Potenz der Temperatur proportional:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_K = \sigma \epsilon A T_K^4.</math>
|(4)
|}

Hierbei ist σ die STEFAN-BOLTZMANN’sche Strahlungskonstante (<math>\scriptstyle\sigma = 5,6705 \cdot 10^{-8} \frac{W}{m^2K^4}</math>), ε Emissionskoeffizient, A die emittierende Oberfläche des Körpers und <math>\scriptstyle T_K</math> seine Temperatur (in K). Gleichzeitig absorbiert dieser Körper einen Wärmefluss <math>\scriptstyle\dot{Q_A}</math> aus der Umgebung, der die Summe aller Wärmeflüsse von den in der Nähe befindlichen Körpern darstellt:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_A = \sigma \alpha A T_U^4.</math>
|(5)
|}

Wegen Gl. (3) können die beiden Gleichungen (4) und (5) unter Berücksichtigung von Gl. (3) zu-sammengefasst werden. Damit ist der von einem Körper ausgehende Wärmefluss, der von einer Wärmebildkamera empfangen werden kann:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\dot{Q}_{K-A} = \sigma \epsilon A (T_K^4 - T_U^4).</math>
|(6)
|}

Er ist gleich der abgestrahlten Leistung, die z. B. von einem [[Prüfkörper]] ausgeht, der im Falle einer periodischen mechanischen Belastung ausgesetzt ist (vgl. Bild 1). Das entsprechende Spannungs-Dehnungs-Diagramm besitzt eine Hysterese, wobei die von beiden Kurven eingeschlossene Fläche jene Wärmeverluste darstellen, die durch die innere Reibung in dem Prüfkörper erzeugt wurden. Die innere Reibung wird bei Kunststoffen durch den Imaginärteil des komplexen [[Elastizitätsmodul|Elastizitätsmoduls]] beschrieben: <math>\scriptstyle E = E^\prime + iE^{\prime\prime}</math>. Der Imaginärteil ist näherungsweise <math>\scriptstyle\eta E</math>, wobei <math>\scriptstyle\eta</math> den viskoelastischen Verlustfaktor (siehe [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen|Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen]]) darstellt [3]. Die durch die innere Reibung verrichtete Verlustarbeit ist demzufolge <math>\scriptstyle\Delta W=\pi\epsilon^2 \eta E</math>, wobei <math>\scriptstyle\epsilon</math> die Dehnung ist (die Doppelbezeichnung von Emissionskoeffizient und Dehnung wegen der Verwendung in der Literatur wurde hier beibehalten, aber unterschiedlich formatiert). Daraus ergibt sich die erzeugte Wärmeleistung mit <math>\scriptstyle\omega</math> als die Kreisfrequenz, mit der der Prüfkörper periodisch belastet wird:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>\ P = \frac{1}{2}\omega\epsilon^2\eta E.</math>
|(7)
|}

Die Wärmeleistung in Gl. (7) ist aber nichts anderes als der Wärmefluss in Gl. (6), der die Wärmebildkamera erreicht.

==Anwendung in der [[Werkstoffprüfung]]==
===Passive Thermographie===

Diese Form der thermographischen Messmethode wird verwendet, wenn der untersuchte Körper eine eigene Wärmequelle besitzt bzw. als solche fungiert. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn ein Spritzgussprüfkörper das Werkzeug verlässt und sich abkühlt. Mit Hilfe der geometrischen Daten können durch die Wärmebildkamera die örtlich verschiedenen Abkühlfunktionen beobachtet und Unregelmäßigkeiten – im Vergleich zu einem Referenzkörper – sofort erkannt werden. Ein Beispiel ist in dem nebenstehenden '''Bild 3''' schematisch dargestellt.

[[Datei:TermographiePassiveThermographie.png|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px" |Zur Funktionsweise der passiven Thermographie
|}

Der erwärmte Prüfkörper strahlt Infrarotwellen in die Umgebung ab, wobei er sich abkühlt. Wegen der unterschiedlichen Wärmeleitung von Delaminationen und Einschlüssen ergeben sich an diesen Stellen höhere Intensitäten der infraroten Strahlung.
Auch bei Fügeprozessen wie dem Ultraschall- oder dem Rührreibschweißen kann die Qualität mit einer Wärmebildkamera überwacht werden [4, 5].

===Aktive Thermographie===

Die aktive Thermographie verwendet eine externe Wärmequelle, wobei diese oft im Pulsbetrieb funktioniert. Damit kann ein stehendes Bild des Prüfkörpers abgebildet und so die Auflösung wesentlich verbessert werden [6]. Als Beispiel ist dazu in '''Bild 4''' der Messaufbau der Impulsthermographie dargestellt [7]. Die Blitzlampe erzeugt einen kurzen Wärmeimpuls, der zunächst die Oberfläche des Prüfkörpers aufwärmt, wonach die Wärme entsprechend der [[Wärmeleitfähigkeit]] des Werkstoffes den gesamten Prüfkörper durchdringt. An hinreichend glatten Grenzflächen (z. B. an der Rückwand) wird die Infrarot-Strahlung reflektiert und gelangt so wieder an die [[Oberfläche]] des Prüfkörpers, wo die Strahlung wieder austritt und von der Infrarotkamera registriert wird. Damit kann die Abkühlkurve für jeden Pixel aufgenommen und mit Hilfe der Fouriertransformation (siehe auch [[Frequenzanalyse]]) weiter untersucht werden.

[[Datei:Schematischer Messaufbau bei der Impulsthermographie.jpg|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px" |Schematischer Messaufbau bei der Impulsthermographie [7]
|}

In Erweiterung dieses Verfahrens wird eine Blitzlampe mit ausgehender Blitzfolge verwendet und mit einer festgelegten Frequenz der aufeinanderfolgenden Lichtblitze geeigneter Intensität eingestellt, womit gesichert ist, dass die Infrarotkamera, entsprechend getaktet, im optimalen Arbeitsbereich Bilder mit hohem Kontrast und hoher Auflösung erzeugen kann. Dieses erweiterte Verfahren ist unter dem Namen Lockin-Thermographie etabliert [7]. Im Ergebnis wird nicht nur die Intensität (Wärmeflussbild), sondern auch das Phasenbild durch die Fouriertransformation ausgewertet.
Ein Beispiel aus der Luftfahrt ist in dem '''Bild 5''' dargestellt.

[[Datei:Lock-in Thermografie Luftfahrt.png|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 5''':
|width="600px" |Thermographische Prüfung am kohlefaserverstärkten Seitenleitwerk
|}

Aufgrund der besonders schlechten Wärmeleitung an Defekten, die auf eine ungenügende Verklebung hinweisen, können im Vergleich mit den Konstruktionszeichnungen (Mapping-Verfahren) die fehlerbehafteten Stellen lokalisiert werden [8]. Eine spezielle Anwendung dieses Prüfverfahrens ist die Thermische Tomographie, wobei eine Tiefenprofilaufnahme durch die frequenzabhängige Reichweite ermöglicht wird [9].
Dieses leistungsfähige Verfahren der Lockin-Thermographie erlaubt die Inspektion großflächiger Strukturen im Flugzeugbau innerhalb von nur wenigen Minuten und wird seit Jahren in der Luftfahrtindustrie eingesetzt.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Bierögel,_Christian|Bierögel, C.]]: Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 524–525 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|Kuchling, H.: Taschenbuch der Physik. 21. aktualisierte Auflage, Hanser Verlag (2014) (ISBN 978-3-446-44218-4)
|-valign="top"
|[3]
|Solodov, I. et al.: Highly-efficient and Noncontact Vibro-thermography via Local Defect Resonance. Quantitative InfraRed Thermography Journal, 12,1 (2015) p. 98–111
|-valign="top"
|[4]
|Aderhold, J.: Passive Online-Thermographie. [https://www.vision.fraunhofer.de/de/technologien-anwendungen/technologien/waermefluss-thermographie/passiv-online.html Fraunhofer-Allianz Vision]. (Zugriff: 18.01.2021)
|-valign="top"
|[5]
|Kryukov, I. u. a.: Passive Thermografie als zerstörungsfreies online-Prüfverfahren im Rühr-reibschweißprozess. Thermographie-Kolloquium, DGZfP e.V. (2015)
|-valign="top"
|[6]
|Sultan, R. A. u. a.: Delamination Detection By Thermography. International Journal of Enginee-ring Research and Applications 3, 1 (2013)
|-valign="top"
|[7]
|Busse, G.: Zerstörungsfreie Prüfung mit dynamischem Wärmetransport. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 506–508 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[8]
|Wu, D., Salerno, A., Malter, U., Aoki, R., Kochendörfer, R.; Kächele, P. K., Woithe, K., Pfister, K., Busse, G.: Inspection of Aircraft Structural Components using Lockin-thermography. In: Balageas, D.; Busse, G.; Carlomagno, G. M. (Eds.): Quantitative InfraRed Thermography. QIRT 96, Stuttgart, Edizione ETS, Pisa (1997) 251–256
|-valign="top"
|[9]
|Wu, D., Karpen, W., Busse, G.: Measurement of Fibre Orientation with Thermal Waves. Res. Nondestr. Eval. 11 (1999) 179–197
|-valign="top"
|}

[[Kategorie:Kunststoffe]]

Oberflächenprüftechnik

2021-01-19T13:25:32Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Oberflächenprüftechnik
__FORCETOC__
==Allgemeines==

Zur Beurteilung der Qualität und Funktionalität von [[Oberflächentechnik]]en werden neben der einfachen Beurteilung der Reinigungsfähigkeit unterschiedliche Prüfverfahren der Dünnschichtanalytik eingesetzt. Dies sind natürlich makroskopische und mikroskopische Darstellungen der realisierten [[Oberfläche]], die zur Beurteilung von Schlieren, [[Riss]]en und Delaminationen dienen. Ähnliche Prüfmethoden, wie die Rauheitsmessung oder Erfassung der Oberflächentopografie, werden eingesetzt, um die Rauigkeit bzw. Unregelmäßigkeiten der [[Oberfläche]] zu dokumentieren. Für die Beurteilung der dekorativen Oberflächeneigenschaften werden z. B. [[Glanzmessung|Glanz]]- oder [[Farbmessung]]en durchgeführt. Zur Bewertung der Benetzbarkeit und Haftung, die mittels [[Oberflächenenergie]] und [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächenspannung]] charakterisiert werden können, werden z. B. Kontaktwinkelmessungen benutzt. Für die Untersuchung der [[Härte]], des Verschleiß und der elastischen Eigenschaften von Oberflächenschichten können die [[Härte#Instrumentierte Härteprüfung|instrumentierte Härteprüfung]] oder der [[Instrumentierte Kratzprüfung|instrumentierte Kratzfestigkeitstest]] neben der konventionellen [[Abrieb Elastomere|Abrieb]]prüfung genutzt werden. Neben diesen ingenieurtechnisch relevanten Oberflächeneigenschaften ist natürlich auch die erreichte Schichtdicke von besonderem Interesse, wobei diese, wenn möglich, mit [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|zerstörungsfreien Prüfmethoden]] ermittelt werden sollte. Für den Einsatz derartiger beschichteter Bauteile in umweltkritischen oder aggressiven Bedingungen ist natürlich auch die Kenntnis der Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion von fundamentalem Interesse. 

==Prüfmethoden zur Bewertung von Oberflächeneigenschaften==

Im Einzelnen stehen für die Untersuchung der Oberflächeneigenschaften folgende Prüfmethoden zur Verfügung:

===Prüfung der Reinigungsfähigkeit===

Die Reinigungsfähigkeit ([[Abrieb Elastomere|Abrieb]]- oder Scheuerfestigkeit) von unbehandelten und beschichteten Kunststoffoberflächen kann mit Crockmetern (z. B. Taber-Crockmeter von TABER Industries oder Erichsen GmbH), auch als Testgeräten zur Farbechtheit gegenüber Reibprozessen nach der Hausnorm KIMW 004 [1] des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid durchgeführt werden. Diese Prüfung kann trocken oder feucht mit unterschiedlichen Prüfmedien und Hubzahlen des Prüfstempels erfolgen, wobei im Ergebnis der Prüfung die Rückstände des Prüfmediums auf der [[Oberfläche]] lichtmikroskopisch bewertet werden.

===Schichtdickenmessung===

Lackierungen oder polymere Beschichtungen auf metallischen Bauteilen können elektromagnetisch (magnetinduktiv, magnetisch oder mit Wirbelstrom) [2–9] hinsichtlich der Schichtdicke im Mikrometerbereich charakterisiert werden (z. B. Fischerscope FMP100 oder PCE Instruments). Beschichtungen (z. B. Bedruckungen, Lacke oder Galvanoschichten) von polymeren nichtleitenden Werkstoffen können mittels [[Laserextensometrie#Laserextensometrie – Gerätesysteme|Laser]]- oder [[Ultraschallprüfung|Ultraschalltechniken]] zerstörungsfrei und teilweise auch online im Produktionsprozess charakterisiert werden (z. B. Erichsen Quintsonic 7 oder LaserScan 590).

===Makroskopie und Mikroskopie===

Die Überprüfung der [[Oberfläche]] auf Unregelmäßigkeiten, Fehlstellen oder Lufteinschlüsse (siehe: [[Gasblasen]]) kann qualitativ mit mikroskopischen Prüfmethoden, speziell unter Auflicht, durchgeführt werden [10]. Tiefergehende Informationen zum Oberflächenzustand können unter Verwendung von 3D-Digitalmikroskopen mit Seiten-, Hell- und Dunkelfeldbeleuchtung oder Polarisationsoptik (z. B. Keyence VCX), die gleichzeitig über Korrekturmethoden zum Ausgleich der [[Tiefenschärfe Mikroskop|Tiefenschärfe]] verfügen, erreicht werden. Mittels der Infrarot-Mikroskopie kann die Oberfläche von [[Kunststoffe]]n im Bereich weniger Mikrometer auf Inhomogenitäten von eingelagerten Partikeln und Fremdmaterialien untersucht werden, wobei diese möglichen Kontaminationen auch spektroskopisch im Transmissions- und Reflexionsmodus identifiziert werden können. Falls eine höhere Auflösung der [[Oberfläche]] aufgrund des Vorhandenseins von Nanopartikeln erforderlich ist, können auch [[Rasterelektronenmikroskopie|rasterelektronenmikroskopische Untersuchungsmethoden]] eingesetzt werden [11, 12], bei denen mittels [[Energiedispersive Röntgenspektroskopie|EDX]] ebenfalls Fremdelemente in der [[Oberfläche]] detektierbar sind.

===Kratzprüfung===

Die Kratz- oder Ritzprüfung wird zur Ermittlung der [[Kratzbeständigkeit]] oberflächenbehandelter funktioneller oder dekorativer [[Oberfläche]]n eingesetzt. Für diese Prüfung können manuelle Ritzgeräte, wie der Erichsen-Härteprüfstab 430P, Gitterschnittgeräte oder Ritzgeräte nach [13–18] verwendet werden. Besondere auswertetechnische und interpretative Vorteile bieten [[Instrumentierte Kratzprüfung|registrierende Kratz- oder Ritzprüfsysteme]], die z. B. mit kraft- oder eindringtiefengeregelten Messsystemen (z. B. Coesfeld GmbH oder CSM-Ritzprüfer) sowie verschiedenen Eindringkörpern arbeiten [19]. Durch die Durchführung eines Scans der [[Oberfläche]] können auch topographiebedingte Unebenheiten bei der Auswertung sowie [[Kriechen Kunststoffe|Kriecheffekte bei Kunststoffen]] berücksichtigt werden.

===Oberflächenrauigkeit===

Die durch die Oberflächenbehandlung (siehe: [[Oberfläche]]) erzeugte Oberflächenrauigkeit kann entsprechend der Normenreihe DIN EN ISO 25178 [20] im einfachsten Fall mit einem 3D-Profilometer (z. B. Filmetrics Profilm3D oder Keyence LaserProfilsensor) ermittelt werden, wobei bei optischen Systemen oftmals auch zusätzliche Informationen zur Schichtdicke, [[Farbe]] und [[Glanz]] erhalten werden. Bei dem mechanischen Tastschnittverfahren mit einem Perthometer (z. B. MarSurf XCR20 der Fa. Mahr) wird mit einer Diamant-Tastspitze, deren Radius auflösungsbestimmend ist, die [[Oberfläche]] gescannt und ein Rauheitsprofil Rq erstellt, welches Mittel- und Spitzenwerte widergibt [21–23]. Neuere Messverfahren arbeiten auch auf elektrischer oder optischer Basis. Mit der [[Rasterkraftmikroskopie]] (AFM – Atomic Force Microscope) können [[Oberfläche]]n dreidimensional im Nanometerbereich dargestellt werden. Unter der Voraussetzung einer leitfähigen Oberfläche können dann Höhen-, Phasen- und Amplitudenbilder von der Oberfläche oder der Phasenverteilung in [[Polymerblends]] z. B. mit dem AFM Q-Scope 250 der Fa. Quesant generiert werden.

===Abriebmessungen und Haftfestigkeit===

Für dünne Beschichtungen oder Lackierungen ist sowohl die [[Abrieb Elastomere|Abrieb]]festigkeit durch Verschleiß als auch die Haftfestigkeit auf dem Untergrund von entscheidender Bedeutung. Im Gegensatz zur konventionellen Abriebprüfung z. B. von [[Elastomere]]n nach DIN ISO 4649 [24] werden in der Dünnschichtanalytik spezielle Messsysteme benötigt, welche z. B. dem praxisnahen manuellen Abrieb unter unterschiedlichen medialen Bedingungen nahe kommen. Für diese Prüfungen nach DIN EN 60068-2-70 / IEC 68-2-70 [25] mit z. B. dem Abriebprüfsystem ABREX der Innoweb GmbH dringt im Gegensatz zur [[Kratzbeständigkeit|Kratzfestigkeit]] kein Fremdkörper in die [[Oberfläche]] ein. Auf diesem Prüfverfahren basieren auch viele Werknormen der Automotive-Industrie, die z. B. auch mit dem Fingernagelkratztest oder dem Fingerprinttest arbeiten. Zur Charakterisierung der quantitativen Haftfestigkeit von Beschichtungen und Lackierungen stehen eine Vielzahl spezifischer Gerätetechniken und Prüfnormen zur Verfügung. Ein häufig verwendetes Verfahren ist die Gitterschnittprüfung nach [26] oder [27], wobei hier Schnittmuster auf der [[Oberfläche]] mit Referenzbildern verglichen werden und anhand von einer Haftfestigkeitskennzahl GT bewertet werden.

===Oberflächenhärtemessung===

Härtekennwerte (siehe: [[Härte]]) weisen je nach verwendetem Typs des [[Indenter]]s (Vickers, Berkovich) eine mehr oder minder gute Korrelation zur [[Kratzbeständigkeit|Kratzfestigkeit]] auf, da hier auch ein harter Eindringkörper, allerdings lokal begrenzt und vertikal, in die zu prüfende [[Oberfläche]] eindringt. Da die zu prüfenden Oberflächenschichten in der Regel sehr dünn sind, können hier nur die Mikro- oder [[Nano-Eindringprüfung|Nano-Härtemessung]] verwendet werden. Die [[Härte#Instrumentierte Härteprüfung|instrumentierte Härteprüfung]] an Metallen nach der DIN EN ISO 14577-1 [27] weist hier zusätzliche Vorteile auf, da neben dem Kraft-Eindringtiefen-Diagramm auch Härtekennwerte und elastische Kennwerte, wie der [[Eindringmodul]] z. B. mit dem Fischerscope HV 100xy oder NanoForce der Fa. Bruker ermittelt werden können. Bei Verwendung von Knoop-Eindringkörpern können auch Informationen zur [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Orientierung]] der Deckschicht sowie zu den [[viskoelastisches Werkstoffverhalten|viskoelastischen Eigenschaften]] erhalten werden, falls das Messsystem über die Möglichkeit zum Studium des [[Kriechen Kunststoffe|Kriech-]] und [[Relaxation Kunststoffe|Relaxationsverhaltens]] verfügt. Für die Applikation dieser Prüfmethode für [[Kunststoffe]] wird derzeit ein neuer Normentwurf diskutiert [28].

===Farb- und Glanzmessung===

Zur Beurteilung der dekorativen Oberflächeneigenschaften kann die Messung der [[Farbe]] und des [[Glanz]]es sowie des [[Reflexion Licht|Reflexion]]sverhaltens im makroskopischen und mikroskopischen Bereich eingesetzt werden. Für die Bewertung der Eigenschaftsänderungen nach einer Bewitterung oder beschleunigten [[Alterung]] [31] können diese Messmethoden auch verwendet werden, weshalb hier eine sehr große Normenvielfalt existiert. Zur Ermittlung des [[Glanz]]es werden üblicherweise die DIN EN ISO 2813 [29] oder die ASTM D 2457 [30] verwendet.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|KIMW 004 (2008): Prüfung der Reinigungsfähigkeit – Kunststoff-Institut Lüdenscheid
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 2178 (2016-11): Nichtmagnetische Überzüge auf magnetischen Grundmetallen – Messen der Schichtdicke – Magnetverfahren
|-valign="top"
|[3]
|DIN EN ISO 2360 (2017-12): Nichtleitende Überzüge auf nichtmagnetischen metallischen Grundwerkstoffen – Messen der Schichtdicke – Wirbelstromverfahren (Normentwurf)
|-valign="top"
|[4]
|ASTM D 7091 (2013): Standard Practice for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Nonmagnetic Coatings Applied to Ferrous Metals and Nonmagnetic, Nonconductive Coatings Applied to Non-Ferrous Metals
|-valign="top"
|[5]
|DIN EN ISO 2361 (1995-04): Elektrolytisch erzeugte Nickelschichten auf magnetischen und nichtmagnetischen Grundmetallen – Messen der Schichtdicke – Magnetverfahren
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 2808 (2019-12): Beschichtungsstoffe – Bestimmung der Schichtdicke
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN ISO 3497 (2001-12): Metallische Schichten – Schichtdickenmessung – Röntgenfluoreszenz-Verfahren
|-valign="top"
|[8]
|DIN EN ISO 3543 (2001-12): Metallische und nichtmetallische Schichten – Dickenmessung – Betarückstreu-Verfahren
|-valign="top"
|[9]
|DIN EN ISO 3882 (2003-10): Metallische und andere anorganische Überzüge – Übersicht über Verfahren zur Schichtdickenmessung
|-valign="top"
|[10]
|Trempler, J.: Optische Eigenschaften. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 323–357 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[11]
|[[Michler,_Goerg_Hannes|Michler, G. H.]] (Hrsg.): Kunststoff-Mikromechanik. Morphologie, Deformations- und Bruchmechanismen. Carl Hanser Verlag, München Wien (1992), (ISBN 3-446-17068-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 4)
|-valign="top"
|[12]
|Michler, G. H.: Electron Microscopy of Polymers. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2008) (ISBN 978-3-540-36350-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 1)
|-valign="top"
|[13]
|Michler, G. H.: Atlas of Polymer Structures. Morphology, Deformation and Fracture Structures. Carl Hanser Verlag, München (2016) (ISBN 978-1-56990-557-9; E-Book ISBN 978-1-56990-558-6; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 14)
|-valign="top"
|[14]
|DIN EN ISO 1518 (2019-10): Beschichtungsstoffe –Bestimmung der Kratzbeständigkeit – Teil 1: Verfahren mit konstanter Last
|-valign="top"
|[15]
|DIN EN ISO 1518 (2019-10): Beschichtungsstoffe – Bestimmung der Kratzbeständigkeit – Teil 2: Verfahren mit kontinuierlich ansteigender Last
|-valign="top"
|[16]
|KIMW 003 (2013): Prüfung der Kratzbeständigkeit – Teil 1: Flächige Belastung; Kunststoff-Institut Lüdenscheid
|-valign="top"
|[17]
|KIMW 003 (2005): Prüfung der Kratzbeständigkeit – Teil 2: Punktuelle Belastung; Kunststoff-Institut Lüdenscheid
|-valign="top"
|[18]
|DIN EN ISO 2409 (2019-09): Beschichtungsstoffe – Gitterschnittprüfung (Entwurf)
|-valign="top"
|[19]
|ISO 19252 (2008-12): Kunststoffe – Bestimmung von Kratzeigenschaften
|-valign="top"
|[20]
|DIN EN ISO 25178-1 (2016-12): Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Flächenhaft – Teil 1: Eintragung von Oberflächenbeschaffenheit
|-valign="top"
|[21]
|DIN EN ISO 3274 (1998-04): Geometrische Produktspezifikationen (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Nenneigenschaften von Tastschnittgeräten
|-valign="top"
|[22]
|DIN 4760 (1982-06): Gestaltabweichungen – Begriffe, Ordnungssystem
|-valign="top"
|[23]
|DIN EN ISO 4288 (1998-04): Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Regeln und Verfahren für die Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit
|-valign="top"
|[24]
|DIN ISO 4649 (2020-12): Elastomere oder thermoplastische Elastomere – Bestimmung des Abriebwiderstandes mit einem Gerät mit rotierender Zylindertrommel (Entwurf)
|-valign="top"
|[25]
|DIN EN 60068-2-70 (1996-07): Umweltprüfungen – Teil 2: Prüfungen – Prüfung Xb: Prüfung der Beständigkeit von Kennzeichnungen und Aufschriften gegen Abrieb, verursacht durch Wischen mit Fingern und Händen
|-valign="top"
|[26]
|ASTM D 3359 (2017): Messung des Haftvermögens mittels Klebebandmethode
|-valign="top"
|[27]
|DIN EN ISO 14577-1 (2015-11): Metallische Werkstoffe – Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter – Teil 1: Prüfverfahren
|-valign="top"
|[28]
|PD ISO 19278 (2019-04-26): Plastics – Instrumented Micro Indentation Test for Hardness Measurement
|-valign="top"
|[29]
|DIN EN ISO 2813 (2015-02): Beschichtungsstoffe – Bestimmung des Glanzwertes unter 20°, 60° und 85°
|-valign="top"
|[30]
|DIN EN ISO/CIE 11664-4 (2020-03): Farbmetrik – Teil 4: CIE 1976 L*a*b* Farbenraum
|-valign="top"
|[31]
|ISO 4582 (2017-08): Kunststoffe – Bestimmung von Änderungen der Farbe und anderer Eigenschaften nach Bestrahlung hinter Glas, nach natürlicher oder nach künstlicher Bewitterung
|}

[[Kategorie:Oberflächenprüftechnik]][[Kategorie:Alterung]]

Lasersinterverfahren

2021-01-19T13:25:00Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Lasersinterverfahren
__FORCETOC__
== Verfahrensaufbau und Wirkungsweise ==

Das Lasersintern ist ein Prozess, bei dem ein als Werkzeug genutzter Laser einen pulverförmigen Werkstoff versintert. Die vorgeheizten Pulverpartikel werden dabei an der [[Oberfläche]] durch den Laser selektiv erwärmt, so dass diese Partikel partiell aufschmelzen und miteinander versintern. Der prinzipielle Aufbau der Lasersinteranlagen ist – abgesehen von geringfügigen hersteller- und systemseitigen Unterschieden – prinzipiell ähnlich ('''Bild 1''') [1, 3].

{| border="0"
|[[Datei:Lasersinterverfahren_1.jpg]]
|
{| border=0
|-valign="top"
|width="25px"|1 –
|Baufeld
|-valign="top"
|2 –
|Materialvorratsbehälter
|-valign="top"
|3 –
|Überflussbehälter
|-valign="top"
|4 –
|Bauplattform
|-valign="top"
|5 –
|Laserfenster
|}
|}
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Vereinfachte Darstellung einer Lasersinteranlage [2]
|}

Das Baufeld (1), das so genannte "Part Bed", befindet sich zentral in der Lasersintermaschine. Unterhalb des Baufeldes liegt eine absenkbare und beheizte Bauplattform (4), auch "Part Piston" genannt. Die Mantelflächen des Bauraums sind ebenfalls beheizt und gegenüber der Umgebung wärmeisoliert. Über dem Baufeld befinden sich eine Spiegel-Linsen-Optik und der Laser, beide sind durch ein auch "IR Window" genanntes Fenster aus IR-transparentem Glas (5) vom Bauraum getrennt. Dies ist notwendig, um ein Verschmutzen der hochsensiblen Optik zu verhindern. Ein System aus Heizern, welche ringförmig zwischen dem Laserfenster und der Bauplattform lokalisiert sind, dient dem Aufheizen des Pulvers auf Prozesstemperatur. Einige Lasersinteranlagen haben zur Vorwärmung des Pulvers zusätzliche Heizer, die links und rechts neben dem Bauraum angebracht sind. Mit dieser Anordnung können während des Lasersinterprozesses scharfe Bauteilkanten besser realisiert werden. Ein, auf einer horizontalen Achse über dem Bauraum gelagerter Wischer ermöglicht den Pulverauftrag. Dieser Wischer ist bei der Firma 3D-Systems als gegenläufige Walze, bei der Firma EOS als Rakel ausgeführt. Es gibt zwei Arten der Pulverbereitstellung. Bei der Vanguard-Baureihe und den Vorgängermodellen der Firma DTM wird vor dem Bauprozess das Polymerpulver in die sich links und rechts vom Bauraum befindlichen Materialvorratsbehälter (2), so genannte "Feeds", gefüllt. Diese werden dann im Prozess vor den (hier als Rollersystem ausgeführt) Wischer nach oben gefahren. Die Systeme von EOS und die Sinterstation sPRO140/230 besitzen Materialvorratsbehälter über dem Wischer, welche während des Prozesses mit Pulver nachgefüllt werden können. Neben den Feeds bzw. der Baukammer befinden sich die Überflussbehälter (3), welche auch als "Overflows" bezeichnet werden. Diese fangen überschüssiges Pulver auf, das das Wischersystem vor sich herschiebt. 
Die Maschine wird hauptsächlich über einen PC bedient. Dieser ist auch für die Steuerung der Spiegel-Linsen-Optik zuständig.

== Datenaufbereitung – Positionierung ==

Der Prozess beginnt mit der Übernahme der CAD-Daten im STL-Format auf den Rechner der Lasersinteranlage. Die sich entsprechend den Daten ergebenden Lasersinterbauteile werden nun in einem virtuellen Bauraum angeordnet. Dabei können die Bauteile so ineinander verschachtelt positioniert werden, so dass das verfügbare Volumen des realen Bauraums optimal ausgenutzt wird. Mögliche Kollisionspunkte kann die Software vor Baubeginn ermitteln. Für möglichst maßhaltige Bauteile sind gewisse Erfahrungswerte einzuhalten, die sehr spezifisch und geometrieabhängig sind und somit nicht verallgemeinert werden können. Allgemein bekannt ist jedoch, dass die Temperatur innerhalb des Baufeldes nahezu ortsunabhängig konstant ist, jedoch am Rand und insbesondere den Ecken abnimmt. Platziert man Teile zu nahe an die Begrenzungen des Bauraums, kommt es aufgrund des dort vorhandenen Temperaturgradienten zu einem starken Verzug und einem Verlust der [[Festigkeit]]. Daher sollte der Abstand aller Teile im Bauraum von der Bauraumbegrenzung laut Herstellerangaben ca. 25 mm sein. 
Die Ausrichtung der Bauteile im Bauraum sollte so erfolgen, dass die pro Lasersinterebene notwendige Belichtungszeit keinen großen Schwankungen unterworfen ist. Eine von Ebene zu Ebene stark zu- oder abnehmende Belichtungszeit führt, da der Prozess temperaturgeführt gefahren wird, zu einer Störung des Baufeldtemperaturgleichgewichts. Schwachstellen im [[Bauteilprüfung|Bauteil]] wären die unmittelbare Folge. 
Zu Baubeginn sollte eine Wärmebarriere erzeugt werden. Dies sind flache großflächige Geometrien, die einerseits infolge der Belichtung mit dem Laser Wärme aufnehmen, andererseits – aus ihrer Funktion als Wärme- bzw. Kälteschild heraus – ein Aufrollen der unteren Schichten der Bauteile, dem so genannten "Curl", verhindern. Sie dienen ebenfalls dazu, dass der Laser auf Betriebstemperatur vorgewärmt wird. 
Beim Lasersintern sind im Gegensatz zum Laserschmelzen von Metallen oder der Stereolithographie keine Stützkonstruktionen notwendig. Einerseits stützt das das Bauteil umgebende Pulver die Konstruktion, andererseits sind die [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Eigenspannungen]] in einer Schicht zu gering, als dass es nach dem Bau der Wärmebarriere zum Aufrollen einer Schicht kommen kann. 
Sind alle Bauteilgeometrien (siehe auch: [[Kunststoffbauteil|Kunststoffbauteil, Dimensionierung]]) implementiert, können noch Bau- und Teileparameter festgelegt werden. In der Praxis bezieht man sich auf einen festen, nur halbjährlich überprüften Parametersatz. Zu den Parametern (Stellgrößen) gehören unter anderem Laserleistung, Strahlversatz, Baufeldtemperatur und maßliche Einstellungen, wie die Schwindungskompensation und die Strahlkorrektur. 
Softwareintern werden alle Volumendaten der Bauteile in Scheiben von einer Schichtdicke von typischerweise 0,08 – 0,15 mm geschnitten und dem Prozess bereitgestellt.

== Prozessablauf ==

Bei der Verarbeitung von [[Kunststoffe]]n wird die Prozesskammer mit einem Schutzgas, meist Stickstoff, geflutet. Der Sauerstoffgehalt beträgt weniger als 6 %, um eine Oxidation des [[Polymer]]s zu verhindern. Während des gesamten Lasersinterprozesses strömt kontinuierlich Schutzgas über das Laserfenster. Das in die Maschine eingeleitete Gas verhindert ein Kondensieren der während des Prozesses freigesetzten Monomere am etwas kälteren Glas. Es dient auch dazu, einen Überdruck in der Kammer zu erzeugen und verhindert dadurch das Einströmen kalter und sauerstoffreicher Luft. Mit wirksamer Schutzatmosphäre beginnen die Heizer die Anlage auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Die Bauplattform senkt sich nun um eine Schichtdicke ab. Danach trägt der Wischer eine (neue) Schicht Pulver auf. Dieser Prozess (Bauplattformabsenkung und Pulverschichtauftragung) wiederholt sich bis zu einem Baufortschritt von ca. 10 mm, wobei das Pulverbett langsam auf Temperaturen von ca. 8 – 10 K unterhalb der Schmelztemperatur des [[Polymer]]s erwärmt wird. Bei PA12 beträgt diese Baufeldtemperatur ca. 175 °C. Nachdem die Aufwärmphase beendet ist, beginnt die Bauphase.

[[Datei:Lasersinterverfahren_Sintervorgang_korr.jpg|600px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schematische Darstellung des Sintervorgangs [2]
|}

Ist der Pulverauftrag beendet, rastert der Laser die Konturen der ersten Bauteilschicht (d. h. die in der Lasersinterebene sich befindlichen Bauteilkoordinaten) vektorenweise in X- bzw. Y-Richtung ab (engl.: "Fill") (Bild 2). Am Ende eines Vektors verschiebt sich die Position des Lasers um den Srahlversatz hR senkrecht zur Vektorenrichtung und der Laserstrahl fährt den Vektor entgegengesetzt zum vorherigen Vektor zurück, bis der komplette Ausschnitt des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] belichtet ist. Da das Spiegelsystem beschleunigt werden muss, ist es notwendig die Laserleistung zu Beginn und Ende des Vektors zu verringern. Ansonsten würde aufgrund der geringeren Rastergeschwindigkeit es zu einer Erhöhung der Energiedichte führen und damit zum Aufschmelzen des umliegenden Materials sowie zu einer Verbreiterung der Vektorenden. Diese Leistungskorrektur ist somit notwendig, um die Verbreiterung des Sinterbereichs an den Vektorenden zu minimieren. Um ein Versintern zweier Vektoren untereinander zu gewährleisten, ist der Strahlversatz immer kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls im Fokus dL. Dabei wird der Durchmesser des Laserstrahls als der doppelte Abstand zwischen dem Intensitätsmaximum und dem Punkt, bei dem die Intensität des Strahls auf das 1/e2-fache abgefallen ist, definiert. Nach Fertigstellung der Füllvektoren werden die Randzonen konturführend nochmals belichtet, um möglichst glatte Außenbereiche zu erzeugen (engl.: "Outline"). Ist eine Schicht vollständig belichtet, senkt sich die Bauplattform um eine weitere Schicht der Dicke dS ab. Der Wischer bringt eine neue Schicht Pulver auf und die nächste Schicht wird belichtet. Für die Schichtanbindung in Z-Richtung muss die Laserleistung so groß sein, dass der Einbrand zL größer ist als die Schichtdicke dS. 
Nach Beendigung des eigentlichen Bauprozess erfolgt noch das Auflegen von ca. 2 mm Pulver, um einer zu raschen Abkühlung und einen damit verbundenen Verzug der Bauteile vorzubeugen. 
Der so entstandene Pulverkuchen (engl.: "Part Cake"), muss nach der Bauphase abkühlen. Die Abkühlphase kann je nach Material und Höhe des Baujobs mehrere Stunden bis Tage beanspruchen. Als Faustregel gilt, dass die Prozessdauer gleich der Abkühlzeit sein sollte. 
Nachdem der Pulverkuchen eine Temperatur von weniger als 50 °C erreicht hat, können die Teile entnommen werden. Mit dem Pinsel werden die Teile grob gereinigt und anschließend mittels Sandstrahl und Druckluft nachbehandelt, so dass sich kein loses Pulver mehr auf der [[Oberfläche]] des [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Bauteils]] befindet. 
Die fertigen [[Bauteilprüfung|Bauteile]] können anschließend noch weiter bearbeitet werden, indem sie z. B. geschliffen, gefärbt oder lackiert werden.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Grießbach, S., Lach, R., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Einsatz des Lasersinterns für Kleinserienfertigung hochfester Kunststoffbauteile/ Small Series Production of High-stength Plastic Parts. Kunststoffe 5 (2008) S. 29–32 und Kunststoff International 5 (2008) 11–14
|-valign="top"
|[2]
|Grießbach, S.: Korrelation zwischen Materialzusammensetzung, Herstellungsbedingungen und Eigenschaftsprofil von lasergesinterten Polyamid-Werkstoffen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Verlag Wissenschaftliche Scripten, Auerbach (2012), (ISBN 978-3-942267-53-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-24)
|-valign="top"
|[3]
|Grießbach, V., Buschner, N.: Rapid Manufacturing & Polymerwerkstoffe – Handbuch zur Charakterisierung der Produkteigenschaften (2020)
|}

[[Kategorie:Prüfkörper-_und_Probenherstellung]]

Instrumentierte Härtemessung, Eindringtiefenmessung mit modifiziertem Tastfuß

2021-01-19T13:24:29Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Instrumentierte Härtemessung, Eindringtiefenmessung mit modifiziertem Tastfuß
__FORCETOC__
==Einflussfaktoren bei der Eindringtiefenmessung==

Eindringtiefenmessverfahren, wie die registrierende Makrohärtemessung, setzen die simultane Messung der Kraft ''F'' und der Eindringtiefe ''h'' in den Werkstoff voraus. Während die Kraftmessung insbesondere durch die [[Compliance Methode|Compliance]], z. B. die Aufweitung des Prüfrahmens (siehe auch [[Zugversuch Nachgiebigkeit]]), beeinflusst wird, treten bei der Eindringtiefenmessung unterschiedliche Einflussfaktoren auf. Diese sind in der Art der Wegmessung begründet, die auf der Ermittlung des Absolut- oder Relativwegs basieren kann. Die absolute Wegmessung beinhaltet die Ermittlung der Eindringtiefe gegenüber einer fixierten unveränderlichen Position des Messsystems. 
Bei der Relativwegmessung wird über einen Tastfuß der Kontakt (kraftgeregelt) zu der [[Oberfläche]] des [[Prüfkörper]]s hergestellt, die voraussetzungsgemäß als hinreichend hart oder steif gilt und demzufolge keine [[Deformation]]en aufweist. Der im Inneren des Tastfußes positionierte [[Indenter]] fährt nach Herstellung des Kontakts durch den Tastfuß ebenfalls kraftgeregelt auf die Prüfkörperoberfläche. Bei Kontakt ('''Bild 1a''') wird der relative Weg „genullt“ und der Prüfvorgang beginnt, indem der Weg ''h'' zwischen dem Tastfuß und dem Intender simultan und zeitäquidistant aufgezeichnet wird ('''Bild 1b'''). 
Probleme bereitet diese Art der Eindringtiefenmessung, wenn [[Kunststoffe]] bei höheren Temperaturen oder relative weiche [[Elastomere]] geprüft werden. In diesen Fällen kann der Tastfuß in die vergleichsweise weiche Prüfkörperoberfläche eindringen und verfälscht durch Veränderung des Bezugspunktes die Wegmessung ('''Bild 1c'''). Das gemessene Wegsignal ''h'' wird demzufolge kleiner und beeinflusst die [[Kennwert]]e der [[Härte]] als auch das [[Kriechen_Kunststoffe|Kriechen]] und die [[Relaxation]].

[[Datei:tastfuss_1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Eindringtiefenmessung: Ausgangsposition a), Messung gegen harte Oberfläche b) und Messung gegen weiche Oberfläche c)
|}

Als eine Alternative kann die Ausrüstung des Messsystems mit einem zusätzlichen unabhängigen Wegmesskanal angesehen werden. Der zusätzliche Wegsensor erfasst die Bewegung des Tastfußes hex ('''Bild 2a''') gegenüber einem beliebigen Fixpunkt, so dass eine Korrektur der Eindringtiefe entsprechend '''Bild 2''' ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wird der interne Weg im Messkopf hin mit dem Wegmesssignal des externen Sensors addiert, wodurch das Eindringen des Tastfußes messtechnisch korrigiert werden kann. Da allerdings noch andere Effekte, wie die Aufwölbung der Oberfläche neben dem [[Indenter]], auftreten können, die messtechnisch nicht kompensierbar sind, müssen zusätzlich konstruktive Veränderungen am Tastfuß realisiert werden. Das ist erforderlich, wenn weiche [[Kunststoffe]] bei erhöhten Temperaturen oder [[Elastomere|elastomere Werkstoffe]] geprüft werden.

[[Datei:tastfuss_2.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Fehlerhafte Eindringtiefenmessung durch Eindringen des Tastfußes a) und Korrektur des Wegsignals mittels externem Sensor b)
|}

==Entwicklung eines modifizierten Tastfußes==

Durch die konstruktive Veränderung des Original-Tastfußes mit den zwei Aufsetzschneiden ('''Bild 3a''') zu einer planen Oberfläche ('''Bild 3b''') konnte die Flächenpressung (siehe [[HERTZ´sche Pressung]]) entscheidend verringert werden, so dass das Eindringen in die Oberfläche und die Aufwölbung neben dem Eindruck bei weichen [[Kunststoffe]]n, speziell bei erhöhten Temperaturen minimiert werden konnte. Für [[Elastomere]] reichen diese Maßnahmen allerdings nicht aus, so dass mit einer zusätzlichen Adapterplatte die lokale Pressung weiter verringert werden musste ('''Bild 3c''').

[[Datei:tastfuss_3.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px" |Original Tastfuß der [https://www.zwick.de/ Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG] a), Modifizierter Tastfuß b) und Anwendung der Adapterplatte für Elastomere c)
|}

==Kriechversuche an gefüllten und glasfaserverstärkten Polypropylen-Werkstoffen==

Der Erfolg dieser konstruktiven und messtechnischen Veränderungen an der temperierten, registrierenden Makrohärtemessung wird beispielshaft für [[Kriechen_Kunststoffe|Kriechexperimente]] an gefüllten und glasfaserverstärkten Polypropylenwerkstoffen (PP) demonstriert ('''Bild 4''').

[[Datei:tastfuss_4.jpg|450px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px" |Kriechversuche an Polypropylen mit 42 M.-% Kreide und mit 20, 30 und 40 M.-% Kurzglasfasern verstärkte PP-Werkstoffe (gestrichelte Linien entspricht der Wegmessung mit modifiziertem Tastfuß)
|}

Im Temperaturintervall widerspiegeln die ermittelten Kurven die einschlägigen Erfahrungen, dass die größte Kriechneigung bei kreidegefüllten PP-Werkstoffen auftritt und dass mit Zunahme des Glasfaseranteils die Kriechneigung der Werkstoffe abnimmt. Verwendet man den Original-Tastfuß und nutzt keinen externen Sensor, dann führt die fehlerhafte Wegmessung bei allen untersuchten Werkstoffen ab 40 °C zu einer Abnahme des [[Kriechen Kunststoffe|Kriechens]], was der Realität widerspricht. Bei Einsatz des modifizierten Tastfußes und der Eindringtiefenkorrektur über den externen Sensor wird eine weitere Zunahme der Kriechneigung mit steigender Temperatur (gestrichelte Linie in '''Bild 4''') registriert, was den ingenieurtechnischen Erfahrungen mit diesen Werkstoffen entspricht.

'''Literaturhinweise'''

''Einführung in die Methode:''
* [[Bierögel,_Christian|Bierögel, C.]], Schöne, J., Lach, R., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Methodische und messtechnische Aspekte der instrumentierten Härteprüfung von Kunststoffen. In: Christ, H.-J. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. 31. Vortrags- und Diskussionstagung Werkstoffprüfung 2013, 28.–29. November 2013, Neu-Ulm, Tagungsband S. 265–270 (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 26)
* Bierögel, C., Schöne, J., Lach, R., Grellmann, W.: Bewertung des temperatur- und zeitabhängigen Verhaltens von Thermoplasten und Elastomeren mittels der instrumentierten Makroeindringprüfung. In: Grellmann, W. (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung – Herausforderung an die Kennwertermittlung. Tagung Werkstoffprüfung 2011, 01.–02. Dezember 2011, Berlin, Tagungsband S. 285–292 (ISBN 978-3-9814516-1-0; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 13)
*Koch, T., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Instrumented Hardness Values. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 379–385, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
*Schöne, J.: Mehrparametrige Bewertung des temperaturabhängigen Eindruckverhaltens an Kunststofen mittels eines messtechnisch erweiterten, restrierenden Makrohärteprüfsystems. [https://www.uni-halle.de/ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg], Promotion 2019, Shaker Verlag 2020 (ISBN 978-3-8440-7183-2, siehe AMK-Büchersammlung unter B 1-30)

[[Kategorie:Härte]]

Instrumentierte Härtemessung mit Temperierung

2021-01-19T13:24:02Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Instrumentierte Härtemessung mit Temperierung
__FORCETOC__
==Allgemeines==
Die instrumentierte Makrohärtemessung mit Prüfkörpertemperierung stellt eine Erweiterung der [[Instrumentierte_Härteprüfung_–_Methode_Kenngrößen|registrierenden Härtemessung]] dar, die normalerweise bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Da die [[Härte]] von [[Polymer]]werkstoffen in Analogie zu anderen mechanischen Eigenschaften sehr stark von der Prüftemperatur beeinflusst wird, kann mit dieser Neuentwicklung die Abhängigkeit der [[Härte]] von der Prüftemperatur als auch das [[Kriechen_Kunststoffe|Kriech]]- und [[Relaxation Kunststoffe|Relaxationsverhalten]] von [[Kunststoffe]]n und [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffen]] mit unterschiedlichen [[Indenter|Indentergeometrien]] untersucht werden. Ein weiteres Applikationsgebiet dieses Geräteprototyps ist die [[Eindruckbruchmechanik]], die aufgrund des zumeist duktilen Verhaltens der Kunststoffe bei Raumtemperatur nicht anwendbar ist, aber bei niedrigen Temperaturen insbesondere auch unter dem Gesichtspunkt geringer Probenmengen wie z. B. in der Elektronik oder Mikrosystemtechnik zur [[Bruchmechanische Prüfung|bruchmechanischen Charakterisierung]] der [[Zähigkeit]] von Interesse ist.

==Messsystem mit Temperierung==

Der prinzipielle Aufbau des Messystems mit angeschlossener Temperierkammer im Bereich von 20 °C bis -100 °C ist im nachfolgenden '''Bild 1''' dargestellt. Für Untersuchungen im Temperaturbereich von 20 °C bis +100 °C kann die Kammer mit einem Heiztischsystem umgerüstet werden.

[[Datei:instrumentierte_haerte_gesamt.jpg|650px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Schematischer Aufbau der instrumentierten Makrohärte mit Temperierkammer
|}

Aufgrund der adaptierten Temperierung muss im Gegensatz zur instrumentierten Härtemessung ohne Temperierung ein verlängerter Tastfuss und [[Indenter]] verwendet werden. Da das Messsystem mit einer relativen Eindringtiefenmessung zwischen Tastring und [[Indenter]] arbeitet, ist bei diesem Prüfverfahren keine Temperaturkompensation des Messergebnisses erforderlich. Der Arbeitsabstand wird mit einer Referenzmessung ermittelt, die beim Proben- und Temperaturwechsels durchgeführt werden muss.

Für die Temperierkammer gibt es jeweils ein Plattenpaar für den Heiz- oder Kühlbetrieb, wobei die Temperaturregelung über einen modifizierten Eurotherm-Regler mit jeweils zwei Thermofühlern realisiert wird. Die Thermofühler sind mittig in die untere und obere Platte integriert. Die Kaskadenregelung ist so ausgelegt, dass der obere Thermofühler als Master arbeitet, welcher den eingestellten Sollwert der Temperatur ansteuert. Der untere Thermofühler regelt den Slave-Regelkreis, was bedeutet, dass die untere Platte ca. 10 K Unterschied zur oberen Platte hat, wodurch ein nur geringes Überschwingen und ein schnelles Erreichen des Sollwertes gewährleistet werden kann. Das Regelverhalten des Systems kann über den angeschlossenen Computer kontrolliert werden. 
Bei der Adaptierung der Härtemessung an eine [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschine]] hat man den Vorteil, dass verschiedene Regelsteuerungen und Versuchsarten gewählt werden können. So besteht die Möglichkeit, dass die Prüfung über die Kraft, die Eindringtiefe oder den Traversenweg geregelt werden kann, wodurch auch Kriech- und Spannungsrelaxationsversuche in Abhängigkeit von der Prüftemperatur ermöglicht werden. Weiterhin sind verschiedene [[Indenter]] wie z. B. Vickers-, Knoop- oder Berkovich-Diamanten, oder gehärtete Stahlkugeln sowie Hartmetallkugeln verschiedenster Durchmesser verwendbar.

==Probenpositionierung in der Temperierkammer==

Die Probengröße ist durch die Temperierkammer beschränkt und sollte nicht größer als 50 x 50 mm² in der Grundfläche und eine minimale Höhe von zehnmal der erwarteten Eindringtiefe betragen. Weiterhin müssen die Proben planparallel und glatt sein, wobei die Rauheit hier nicht so große Bedeutung wie bei der Mikrohärte besitzt. Die Positionierung der Probe in der Temperierkammer wird durch eine Mikrometerschraube mit Positionierungsschild gewährleistet ('''Bild 2''').

[[Datei:Instrumentierte_Härtemessung_Temperierung_Probenpositionierung.JPG|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Probenpositionierung in der geöffneten Temperierkammer
|}

[[Datei:Instrumentierte_Härtemessung_Temperierung_2.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px" |Ansicht der Probenpositionierung in der Temperierkammer
|}
'''Literaturhinweise'''

* [[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]], Schöne, J., Lach, R., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Bewertung des temperatur- und zeitabhängigen Verhaltens von Thermoplasten und Elastomeren mittels der instrumentierten Makroeindringprüfung. In: Grellmann, W. (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung – Herausforderung an die Kennwertermittlung. Tagung "Werkstoffprüfung 2011", 1. und 2. Dezember 2011, Berlin, Tagungsband S. 285–292 (ISBN 978-3-9814516-1-0; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 13)
* Lach, R., Schöne, J., Bierögel, C., Grellmann, W.: Instrumented Macroindentation Techniques for Polymers and Composites – Mechanical Properties, Fracture Toughness and Time-Dependent Behaviour as a Function of the Temperature. Macromelecular Symposia 31 (2012) 125–131
* Schöne, J.: Mehrparametrige Bewertung des temperaturabhängigen Eindruckverhaltens an Kunststofen mittels eines messtechnisch erweiterten, restrierenden Makrohärteprüfsystems. [https://www.uni-halle.de/ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg], Promotion 2019, Shaker Verlag 2020 (ISBN 978-3-8440-7183-2, siehe AMK-Büchersammlung unter B 1-30)

[[Kategorie:Härte]]

Grellmann, Wolfgang

2021-01-19T13:23:32Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Grellmann, Wolfgang

[[Datei:Grellmann.jpg|150px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild''':
|width="600px" |Prof. Dr. Wolfgang Grellmann
|}

Prof. Dr. Wolfgang Grellmann, geboren am 22.Juli 1949 in Ammendorf (heute: Halle/Saale) ist ein deutscher Physiker und Werkstoffwissenschaftler mit Schwerpunkten in der [[Werkstoffprüfung]], [[Kunststoffprüfung]], [[Kunststoffdiagnostik]] und der [[Bruchmechanik|Technischen Bruchmechanik]].

Wolfgang Grellmann absolvierte an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg in den Jahren 1968 bis 1974 ein Studium der Physik, wo er mit einem festkörperphysikalischen Thema zum „''Einfluss der Röntgenstrahlen auf den thermischen Anteil der Fließspannung''“ diplomierte. Im Jahre 1978 schloss er ein Forschungsstudium mit dem Thema

„'''Ermittlung der Härte von Gläsern und Keramiken'''“

mit der Promotion zum Dr. rer. nat. ab.

Schwerpunkte seiner wissenschaftlichen Arbeit nach dem Wechsel an die Technische Hochschule Merseburg waren neben der experimentellen Weiterentwicklung der Messtechnik zur [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|instrumentierten Kerbschlagbiegeprüfung]] mit dem Ziel der Erhöhung des [[Erkenntnisniveauebenen_der_Bruchmechanik|Informationsgehaltes]] insbesondere die Einbeziehung der [[Bruchmechanische_Prüfung|bruchmechanischen Arbeitsmethoden]] in die Werkstoffentwicklung von [[Kunststoffe]]n und [[Prüfung_von_Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffen]]. Dabei partipizierte er von den werkstoffübergreifenden Ansätzen der Bruchmechanik-Schule von Prof. [[Blumenauer,_Horst|Horst Blumenauer]].

Nach einem Gastaufenthalt an der Technischen Hochschule Prag, Tschechien habilitierte er sich 1986 mit einer Arbeit zum Thema:

„'''Beurteilung der Zähigkeitseigenschaften von Polymerwerkstoffen durch bruchmechanische Kennwerte'''“

und erwarb damit die ''venia legendi'' im Fach Werkstofftechnik. Sein Wirken als Hochschullehrer auf dem Fachgebiet begann mit der Berufung zum „Hochschuldozent für Werkstofftechnik“ an der Technischen Hochschule Leuna-Merseburg und wurde 1995 mit der Übernahme der Leitung der Professur „[https://www.iw.uni-halle.de/ww/ Werkstoffdiagnostik/ Werkstoffprüfung]“ an der [https://www.uni-halle.de Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] fortgesetzt.

Auf der Basis seiner Forschungsergebnisse zu den quantitativen Struktur-Eigenschafts-Korrelationen von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen entstanden mehr als 500 Publikationen in referierten Fachzeitschriften und zahlreiche Patente.

Unter prüfmethodischen Gesichtspunkten wertvolle Beiträge hat Prof. Grellmann auf dem Gebiet der [[Hybride_Methoden|hybriden Methoden der Kunststoffdiagnostik ]]geliefert. Dabei hat er gemeinsam mit [[Bierögel,_Christian|Prof. Bierögel]] die [[Hybride_Methoden,_Beispiele|Anwendung]] hybrider experimenteller Methoden, d. h. die in-situ-Kopplung von mechanischen und bruchmechanischen Grundversuchen mit [[Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung|zerstörungsfreien Prüfmethoden]] zur Erhöhung der Aussagefähigkeit von Werkstoffkennwerten sowie zur Formulierung von Schädigungsgrenzwerten z. B. mittels [[Schallemissionsanalyse]], [[Thermographie]], [[Ultraschallprüfung]] oder der Radiologischen Durchstrahlungsprüfung eingesetzt und die Qualifizierung der mechanischen Grundexperimente durch [[Instrumentierung]] und Anwendung verbesserter Mess- und Auswertetechniken wie z. B. [[Videoextensometrie]], [[Laserextensometrie]] oder [[:Kategorie:Optische_Feldmessverfahren|Feldmesstechniken]] in Verbindung mit einer ereignis- und strukturbezogenen Interpretation der Deformationsphasen der Kunststoffe weiterentwickelt.

Frühzeitig erkannte er dabei die Bedeutung des Wissenstransfers aus der Grundlagenforschung in die industrielle Praxis und initiierte gemeinsam mit Fachkollegen die Gründung des [http://www.ipw-merseburg.de Institutes für Polymerwerkstoffe e. V.] (IPW, 1992) und der [https://www.psm-merseburg.de Polymer Service GmbH Merseburg] (PSM, 2001) als An-Institute an der Martin-Luther-Universität, die er später an die [https://www.hs-merseburg.de Hochschule Merseburg] überführte. Die Kooperation mit der kunststoffherstellenden und -verarbeitenden Industrie erhielt durch die Gründung des '''Kunststoff-Kompetenzzentrums Halle-Merseburg''' (KKZ, 2007) wesentliche Impulse, das er als Wissenschaftlich-Technischer Direktor von 2007 bis 2014 leitete.

Im Jahre 2007 gründete er gemeinsam mit 10 Professoren die Stiftung [http://www.amk-merseburg.de Akademie Mitteldeutsche Kunststoffinnovationen] ([http://web.hs-merseburg.de/~amk/index.php/verzeichnisse/einzelpersonen-und-ehrenmitglieder/f-k/grellmann-werdegang Curiculum Vitae]), die er bis 2011 als Vize- und nachfolgend bis 2018 als Präsident leitete und ab 2019 als Ehrenpräsident angehört.

Im [http://dvm-berlin.de Deutschen Verband für Materialforschung und -prüfung e. V.] (DVM) hat sich Prof. Grellmann für die Etablierung der Werkstoffgruppe der Kunststoffe eingesetzt, so z. B. in der traditionellen [http://tagung-werkstoffpruefung.de/ Tagung „Werkstoffprüfung“] und im [https://web.hs-merseburg.de/~amk/index.php/wissenstransfer/dvm-ak Arbeitskreis „Kunststoffprüfung & Bauteildiagnostik“], die er beide auch als Obmann begleitete. Der DVM verlieh ihm im Jahre 2020 in Würdigung und Anerkennung seiner Verdienste als Obmann der "Tagung Werkstoffprüfung" und des DVM-Arbeitskreises "Kunststoffprüfung und Bauteildiagnostik" die

'''[https://www.werkstoffpruefung.dvm-berlin.de/2020/?node=49 DVM-Ehrennadel in Gold]'''.

Die heute in der Brache üblichen Prüfmethoden für Kunststoffe und Verbundwerkstoffe sind in den studentischen Lehrbüchern '''„Kunststoffprüfung“''' und '''„Polymer Testing“''' umfassend dargestellt, womit sich die Kunststoffprüfung als eigenständige Wissenschaftsdisziplin innerhalb der Polymerwissenschaften etablieren konnte (siehe [https://web.hs-merseburg.de/~amk/index.php/presse/presseartikel/181-dvm-nachrichten-mit-kommentar-von-prof-grellmann DVM-Nachrichten Nr. 49] (2009)). Im Jahre 2010 erschien auch eine russische Übersetzung unter Berücksichtigung der speziellen GOST-Normen. Die herausgegebenen Lehr- und Fachbücher entstanden in Zusammenarbeit mit [[Seidler,_Sabine|Prof. Sabine Seidler]], [https://wwwt.tuwien.ac.at/forschung/lehrstuhl_fuer_nichtmetallische_werkstoffe/ Lehrstuhl für „Nichtmetallische Werkstoffe“] der Technischen Universität Wien.

''Ausgewählte studentische Lehrbücher:''

*'''Kunststoffprüfung''': Grellmann, W., Seidler, S., Carl Hanser Verlag, 1. Auflage (2005), 2. Auflage (2011), 3. Auflage (2015) ISBN 978-3-446-44390-7
*'''Polymer Testing''': Grellmann, W., Seidler, S., Carl Hanser Verlag, 1. Auflage (2007), 2. Auflage (2013) ISBN 978-1-56990-548-7, 3. Auflage (2020) ISBN (in Vorbereitung)

''Ausgewählte Fachbücher zum Deformations- und Bruchverhalten:''

*'''Zähigkeit von teilchengefüllten kurzfaserverstärkten Polymerwerkstoffen''': Seidler, S., Grellmann, W., VDI-Verlag Düsseldorf Reihe 18 Nr. 92 (1991), ISBN 3-18-149218-3
*'''Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen''': Grellmann, W., Seidler, S., Springer Verlag (1998) ISBN 3-540-63671-4
*'''Deformation and Fracture Behavior of Polymers''': Grellmann, W., Seidler, S., Springer Verlag (2001) ISBN 3-540-41247-8
*'''Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers''': Grellmann, W., Seidler, S., Landolt-Börnstein, Springer Verlag (2014) ISBN 978-3-642-55165-9
*'''Deformation and Fracture Bahaviour of Polymer Materials''': Grellmann, W., Langer, B. Springer Verlag (2017) ISBN 3-319-41877-3

Eine weitere Informationsmöglichkeit zur Erläuterung von Begriffen und der praktischen Durchführbarkeit von Prüfmethoden der [[Kunststoffprüfung]], [[Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung|Zerstörungsfreien Kunststoffprüfung]] und der [[Bruchmechanik|Technischen Bruchmechanik]] bietet das seit 2014 freigeschaltete [http://wiki.polymerservice-merseburg.de online-Lexikon „Kunststoffprüfung und Diagnostik“].

In Anerkennung seiner besonderen wissenschaftlichen Verdienste bei der Weiterentwicklung von Forschung und Lehre auf dem Gebiet der Kunststofftechnik, sein Engagement als Mitglied der Gründungskommission des KKZ Halle-Merseburg und sein Engagement bei der Überführung der An-Institute IPW und PSM an die Hochschule Merseburg wurde er 2014 mit der

'''Ehrenplakette der Hochschule Merseburg'''

ausgezeichnet.

'''Literaturhinweise'''

*Akademie Mitteldeutsche Kunststoffinnovationen [http://web.hs-merseburg.de/~amk/index.php/verzeichnisse/einzelpersonen-und-ehrenmitglieder/f-k/grellmann-werdegang http://www.amk-merseburg.de] (Zugriff am 23.05.2019)

[[Kategorie:Werkstoffwissenschaftler Polymerwissenschaftler]]

Abrieb Elastomere

2021-01-19T13:23:01Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Abrieb Elastomere
__FORCETOC__
==Allgemeines==
Unter Abrieb versteht man den Materialverlust an der [[Oberfläche]] von [[Prüfkörper]]n oder [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Bauteilen]] durch eine abrasive mechanische [[Beanspruchung]], die auftritt, wenn Oberflächen aufeinander einwirken. Das Verschleißverhalten von [[Elastomere]]n wird neben der molekularen Struktur des Elastomers sowohl von der Mischungszusammensetzung als auch von der Beanspruchungsart beeinflusst. Die chemische Beschaffenheit des Elastomers bestimmt auch die [[Glastemperatur|Glasübergangstemperatur]] Tg sowie die Hystereseeigenschaften, also die [[viskoelastisches Werkstoffverhalten|viskoelastischen Eigenschaften]]. So neigen Elastomere bzw. Kautschukmischungen mit niedriger Tg, verbunden mit geringer Hysterese zu einem geringeren Verschleiß. Füllstoffe, Additive sowie die Art der Vernetzung beeinflussen ebenfalls das Abriebverhalten. So bewirken z. B. aktive Füllstoffe, wie Ruß und Silica, eine Reduzierung des Abriebs. Ebenfalls spielen die Belastungsart des Elastomer-Bauteils, die Temperatur und die Beschaffenheit der Kontaktoberfläche eine wesentliche Rolle bei der Bewertung der Verschleißeigenschaften. Wird das Bauteil durch den Aufprall scharfkantiger Partikel, wie dies beim Fördern von Granulaten, Strahlgut oder bei Schüttgut (siehe auch: [[Schüttgutdichte]]) erfolgt, beansprucht, dann unterscheidet sich das Verschleißverhalten wesentlich von dem des bei dynamischer Beanspruchung resultierendem, wie z. B. einem Reifen.

==Grenzfälle des Verschleißes==

Da Verschleiß aufgrund eines Reibkontaktes zwischen zwei Reibpartnern entsteht, hängt das Verschleißverhalten von [[Elastomere]]n nicht nur von den Werkstoffeigenschaften ab, sondern auch von den auftretenden Wechselwirkungen und den Größen des Beanspruchungskollektivs. Reibung und Verschleiß sind deshalb Systemeigenschaften und keine reinen Werkstoffeigenschaften.
Für den Verschleiß von Elastomeren werden vier Grenzfälle definiert:

* Abrasiver Verschleiß (Verschleiß durch strömende scharfe Partikel, z. B. auf einem Fördergurt oder einem Reifen auf rauer Straße bzw. „Vollbremsung“)
* Adhäsiver Verschleiß (Verschleiß durch reibende oder gleitende schiebende Partikel, z. B. ein Reifen auf einer ebenen Straße)
* Deformativer Verschleiß (Verschleiß durch [[Ermüdung]], infolge [[Schubmodul|Schub-]], [[Druckversuch|Druck-]], [[Zugversuch|Zug-]] oder [[Biegeversuch|Biegebeanspruchung]]
* Tribochemischer Verschleiß (Degradation durch Reibungswärme)

In der Praxis sind meist mehrere Mechanismen gleichzeitig am Verschleißprozess beteiligt, jedoch mit unterschiedlichen Anteilen. Sowohl die Vorgänge, die bei einer abrasiven Beanspruchung in einem Werkstoff auftreten als auch die quantitative Charakterisierung der Abriebeigenschaften sind als sehr komplex anzusehen. So wird Abrasion als deformationsmechanischer Prozess grundsätzlich mit [[Risswiderstandskurve|Risswiderstand]], [[Rissausbreitung|Risswachstum]] und [[Ermüdung]] in Verbindung gebracht. Elastomere zeigen primär die Mechanismen Abrasion und Ermüdungsverschleiß.

==Methode des DIN-Abriebs==

Die Charakterisierung der Abriebeigenschaften von [[Elastomere]]n kann mit Hilfe einer Vielzahl unterschiedlichster Prüfverfahren erfolgen. Die einfachste Methode zur Bestimmung des abrasiven Verschleißes stellt der sogenannte DIN-Abrieb nach DIN 53516 (zurückgezogen) oder DIN ISO 4649 dar. Nach DIN ISO 4649 wird das Verfahren zur Bestimmung des Abriebs in zwei Verfahren unterschieden. Verfahren A arbeitet mit nichtrotierenden Prüfkörpern und bei Verfahren B erfolgt die Bestimmung des Abriebs an rotierenden Prüfkörpern. Nach DIN 53516 (zurückgezogen) wird ausschließlich mit feststehenden Prüfkörpern gearbeitet. Die Durchführung, die Prüfkörpergeometrie sowie die Bestimmung des Abriebs erfolgt nach beiden Standards gleich. Der Prüfkörper aus dem zu prüfenden Elastomer wird dabei unter einer konstanten Anpresskraft und mit konstanter [[Geschwindigkeit]] (40 min-1) über einen festgelegten Reibweg (40 m) über einen auf einem rotierenden Zylinder befindlichen Prüfschmirgelbogen geführt ('''Bild 1''').

==Charakterisierung des Abriebs mit Kenngrößen==

Die Bestimmung des Abriebs (siehe Gl. 1) erfolgt dann durch Ermittlung des Masseverlusts des Prüfkörpers unter Beachtung der Angriffsschärfe und Sollangriffsschärfe des Prüfschmirgelbogens und mit Hilfe der [[Dichte]].

[[Datei:Abrieb_1.jpg|500px]] 
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Abriebprüfgerät des Typs ZWICK 6103 für Prüfungen entsprechend DIN ISO 4649 oder ASTM D 5963
|}

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px"|<math>A=\frac{\Delta m\cdot S_{0}}{\rho \cdot S}</math>
|(1)
|}

Hierin bedeuten:

{|
|-
|width="60px"|A
|Abrieb in mm3
|-
|width="60px"|<math>\Delta</math>m
|Masseverlust in mg
|-
|width="60px"|ρ
|[[Dichte]] in g cm-3
|-
|width="60px"|S0
|Sollangriffsstärke (200 mg)
|-
|width="60px"|S
|Angriffsschärfe in mg
|}

Nach DIN ISO 4649 wird der relative Volumenverlust (siehe Gl. 2) und der Abriebwiderstand (siehe Gl. 3) folgendermaßen bestimmt:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px"|<math>\Delta V_{rel}=\frac{\Delta m_{t}\cdot \Delta m_{const}}{\rho_{t} \cdot \Delta m_{r}}</math>
|(2)
|}

mit:

{|
|-
|width="60px"|Δmt
|Masseverlust des geprüften [[Elastomere|Elastomers]] in mg
|-
|width="60px"|Δmconst
|definierter Masseverlust des Referenz-Elastomers in mg
|-
|width="60px"|ρt
|Dichte des geprüften Elastomers in mg/mm3
|-
|width="60px"|Δmr
|Masseverlust des Referenz-Elastomers in mg
|}

und:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px"|<math>I_{AR}=\frac{\Delta m_{r} \cdot \rho_{t}}{\Delta m_{t} \cdot \rho_{r}}</math>
|(3)
|}

mit:

{|
|-
|width="60px"|Δmt
|Masseverlust des geprüften Elastomers in mg
|-
|width="60px"|Δmr
|Masseverlust des Referenz-Elastomers in mg
|-
|width="60px"|ρt
|Dichte des geprüften Elastomers in mg/mm3
|-
|width="60px"|ρr
|Dichte des Referenz-Elastomers in mg/mm3
|}

Die Methoden zur Bestimmung des Abriebs können folgendermaßen unterteilt werden:
* Einfache Eindringverfahren mit harten Körpern (z. B. Pico-Abrieb nach ASTM D 2228)
* Simulationsverfahren der praktischen Anwendung mit möglichst großer Annährung an die realen Bedingungen (z. B. DIN-Abrieb, LAT 100 (nach Grosch), Akron Abrader)
* Prüfapparaturen, die die Variation von Beladung, [[Geschwindigkeit]] und Temperatur widerspiegeln (z. B. LAT 100 (nach Grosch), Akron Abrader, Flachbahn-Reifenprüfstand (Fa. iABG), Trommelprüfstand)
* Prüfung unter realen Bedingungen (z. B. Reifentest)

Um die Verschleißeigenschaften von Laufflächenmischungen zu bewerten, wird in der Reifenindustrie bevorzugt der DIN-Abriebtest verwendet, da die Probenpräparation und die Versuchsdurchführung einfach sind und der Zeitaufwand im Vergleich zu Methoden unter realeren Bedingungen niedrig ist.

'''Literaturhinweise'''

* Röthemeyer, F., Sommer, F.: Kautschuktechnologie. Carl Hanser Verlag, München, Wien (2001) S. 518–520
* Scholz, K.-G.: Tribologie der Elastomere. Dr. Gupta Verlag, Bocholt (2006)
* Friedrich, K.: Reibung und Verschleiß. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 214‒237 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
* Cäsar, T., Grellmann, W., Heinrich, G.: Rißinitiierung, Verschleiß und molekulare Struktur von gefüllten Vulkanisaten. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998), S. 419‒431 (ISBN 3-540-63671-4; e-Book (2014): ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)
* DIN 53516 (1987-06): Prüfung von Kautschuk und Elastomeren – Bestimmung des Abriebs (zurückgezogen; ersetzt durch DIN ISO 4649)
* DIN ISO 4649 (2020-12): Elastomere oder thermoplastische Elastomere – Bestimmung des Abriebwiederstandes mit einem Gerät mit rotierender Zylindertrommel (ISO 4649:2017) (Entwurf)
* ASTM D 2228 (2004; reapproved 2015): Standard Test Method for Rubber Property – Relative Abrasion Resistance by Pico Abrader Method
* ASTM D 5963 (2004; reapproved 2015): Standard Test Method for Rubber Property – Abrasion Resistance (Rotary Drum Abrader)
* Reincke, K., Grellmann, W., Ilisch, S., Thiele, S., Ferner, U.: Structure–property Correlations of SSBR/BR Blends. In: Grellmann, W., Langer, B.: Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017) 398–408 (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)

[[Kategorie:Elastomere]][[Kategorie:Oberflächenprüftechnik]]

Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

2021-01-12T13:13:30Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) oder Analyse ist als Oberbegriff für die zerstörungsfreie [[Werkstoffprüfung|Werkstoff]]- und [[Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung|Kunststoffprüfung]] zu verstehen, da sie auch die Untersuchung archäologischer [1] oder künstlerische Objekte sowie Büchern oder Bilder [2] im weitesten Sinne beinhaltet. Wesentlicher Aspekt ist dabei, dass die kulturhistorischen oder kriminologischen Objekte, wie z. B. Mumien, Bilder oder Bücher ohne Beschädigung auf mögliche Übermalung, Fälschungen oder die innere Struktur und Beschaffenheit untersucht werden können. 
Im engeren Sinne versteht man unter diesem Begriff jedoch die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, die im Gegensatz zur zerstörenden [[Werkstoffprüfung]] die Integrität des [[Prüfkörper]]s oder des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] nicht beeinflusst. Die Verfahren der Werkstoffprüfung werden deshalb in zerstörende Methoden (z. B. [[Zugversuch|Zug]]-, [[Biegeversuch|Biege]]-, [[Druckversuch|Druck]]- oder Torsionsprüfung und die [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|schlagartige Beanspruchung]]), zerstörungsarme Prüfmethoden, wie z. B. die Mikro- oder Nano[[Härte|härteprüfung]] und die zerstörungsfreie Prüfung unterteilt.

Bei der zerstörungsfreien Werkstoff- oder Materialprüfung sind die ältesten bekannten Prüfmethoden, die keine Beschädigung des zu untersuchenden Prüfobjekts hervorruft, die Dichteprüfung, die [[Sichtprüfung]] auf Anrisse oder Oberflächenschädigungen und die [[Klangprüfung]], mit welcher der charakteristische Klang eines intakten oder beschädigten Objekts beurteilt wird. 
Eine moderne Definition der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung beinhaltet allgemein die Untersuchung von Materialien, Bauteilen und Konstruktionen auf Qualitätsmängel wie Fehler oder Ungänzen bzw. die Sichtbarmachung derer, welche die Integrität oder Verwendbarkeit vor und während des Einsatzes stören oder verhindern könnten, wobei die Anwendung der zerstörungsfreien Prüfmethode auf das Prüfobjekt die Funktionalität auf keinen Fall beeinträchtigen darf [3]. Das grundlegende Ziel der ZfP ist also die Schadensprävention durch reproduzierbare und wiederholbare Prüfverfahren, um Gefahren für den Menschen, Dinge und die Umwelt zu vermeiden. Sie erstellt also ein statisches Abbild von makroskopischen und mikroskopischen Fehlern unter Beachtung der Schadenstoleranz dieser Ungänzen für die Integrität und Funktionalität der Konstruktion oder des Bauteils [4].

Im Gegensatz zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bedient sich die Werkstoffdiagnostik der Methoden der ZfP, indem sie unterschiedliche [[hybride Methoden]] kombiniert und gleichzeitig verschiedenartige mechanische, thermische oder mediale Belastungen auf Prüfkörper oder Bauteile appliziert. Diese Kopplung dient hier vorrangig der Ermittlung der Schädigungskinetik und der Darstellung relevanter Schädigungsmechanismen sowie der Ermittlung von werkstoffspezifischen Grenzzuständen und wird mit folgenden Zielen durchgeführt:

* der Erhöhung des Informationsgehaltes konventioneller Prüfverfahren,
* der Aufklärung von Zusammenhängen zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften,
* der Bewertung von Struktur oder Morphologie-Eigenschafts-Korrelationen,
* der Aufstellung physikalisch begründeter Funktionalitäten,
* der Erfassung lokaler Werkstoffeigenschaften zur Erhöhung der Dimensionierungssicherheit,
* der ereignis- und strukturbezogenen Interpretation der Deformationsphasen,
* der Ermittlung von Werkstoffschädigungen und der Versagenskinetik und
* der Darstellung von Werkstoffgrenzzuständen und Diagnosefunktionen.

Prinzipiell ist jede ZfP-Methode oder Sensortechnik für die Anwendung als hybride Methode der Werkstoffdiagnostik geeignet, wenn sie eine hinreichende Schädigungssensibilität aufweist und der Werkstoffspezifik genügt.

Die moderne zerstörungsfreie Werkstoffprüfung bedient sich verschiedenartiger physikalischer Messprinzipien, wobei die Anwendbarkeit diesbezüglicher Messmethoden oftmals durch die Empfindlichkeit und die Anwendbarkeit der Prüfmethode charakterisiert wird. Eine grundsätzliche Einteilung der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung ist nach dem physikalischen Wirkprinzip oder dem Anwendungsgebiet (Grob- oder Feinstrukturprüfung) möglich, wobei sich das nachstehende Einteilungsprinzip als geeignet erwiesen hat:

* radiologische Prüfverfahren (Röntgenstrahl- und Gammastrahldefektoskopie),
* akustische Prüfverfahren ([[Klangprüfung|Klang]]-, [[Ultraschallprüfung|Ultraschall]]- und [[Schallemissionsprüfung]]),
* thermografische Prüfverfahren (Wärmefluss-, Wärmewellenanalyse und [[Thermographie|Videothermographie]]),
* elektromagnetische Prüfmethoden (magnetische Rissprüfung, Schichtdickenmessung und magnetoinduktive Prüfung),
* Rissprüfung ([[Sichtprüfung]], Endoskopie, Penetrierprüfung, Dichtigkeitsprüfung, Magnetpulver- und Fluoreszenzprüfung),
* Mikrowellenprüfung (Transmissions- und Reflexionsverfahren) und
* optische Prüfmethoden (Holografie, [[Shearographie|Laser-Speckle-Interferometrie]], [[Shearographie]], [[Laserextensometrie]] u. a.).

Spezielle Prüfmethoden wie die Wirbelstromprüfung, die experimentelle Dehnungsanalyse oder die Schwingungsanalyse komplettieren diese Aufzählung genau wie die Betastrahlprüfung oder die Terrahertzprüfung, ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Grundsätzlich ist feststellbar, dass die ZfP in fast allen Industriezweien zum unverzichtbaren Instrument für eine effiziente Qualitätssicherung geworden ist und dem Nachweis intoleranter Fehlzustände, der Überwachung des Zustandes von Maschinen und Anlagen als auch für die Schadensfallanalyse dient.

Die Dachorganisation der ZfP in Deutschland ist die [https://www.dgzfp.de/ Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP e.V.)] deren Hauptziele die Erforschung, Entwicklung, Anwendung und Verbreitung der zerstörungsfreien Prüfverfahren sind [5]. Die Ausbildung und Trainings GmbH der DGZfP organisiert zentral die Aus- und Weiterbildung bzw. die Qualifizierung von ZfP-Prüfpersonal nach der DIN EN ISO 9712 (früher DIN EN 473) und der DIN 54161 in Form eines Kurssystems mit drei unterschiedlichen Ausbildungsstufen (Level) für folgende Gebiete der ZfP an [6–8]:

* AT - [[Schallemissionsprüfung]]
* DR - Digitale Radiologie
* ET - Wirbelstromprüfung
* HT - [[Mobile Härtemessung|Mobile Härteprüfung]]
* LT - Dichtheitsprüfung
* MT - Magnetpulverprüfung
* PT - Eindringprüfung
* RT - Durchstrahlungsprüfung
* TT - [[Thermographie]]
* UT - [[Ultraschallprüfung]]
* VT - [[Sichtprüfung]]

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Claridge, T. D. W.: High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Tetrahedron Organic Chemistry Series 19 (1999)
|-valign="top"
|[2]
|Hahn, O., Bretz, S., Hagnau, C., Ranz, H.-J., Wolff, T.: Das Schwarzlot in der Hinterglasmalerei − Zerstörungsfreie Untersuchung von Kunst- und Kulturgut. ZfP-Zeitung 113 (2009) 2
|-valign="top"
|[3]
|Erhard, A.: Aufgaben und Abgrenzung der Zerstörungsfreien Prüfung. DGZfP-Jahrestagung, Fürth (2007), V11
|-valign="top"
|[4]
|[[Blumenauer, Horst|Blumenauer, H.]]: Werkstoffprüfung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Stuttgart, 6. Auflage, (1994), (ISBN 978-3-342-00547-6; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter M 3)
|-valign="top"
|[5]
|Homepage der DGZfP: [https://www.dgzfp.de/ https://www.dgzfp.de/] (Zugriff am 04.03.2019)
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 9712 (2012-12): Zerstörungsfreie Prüfung − Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN 473 (2008-09): Zerstörungsfreie Prüfung − Qualifizierung und Zertifizierung von Personal der zerstörungsfreien Prüfung − Allgemeine Grundlagen (zurückgezogen)
|-valign="top"
|[8]
|DIN 54161 (2019-11): Zerstörungsfreie Prüfung − Qualifizierung von Prüfwerkern der zerstörungsfreien Prüfung (Entwurf)
|}

[[Kategorie:Wissenschaftsdisziplinen]]

Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung

2021-01-12T13:12:58Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung

Die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung oder Analyse beinhaltet alle [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|zerstörungsfreien Prüfmethoden]], die für die Charakterisierung der Fehlerfreiheit von [[Prüfkörper]]n, Komponenten oder [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] aus [[Kunststoffe]]n oder [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Kunststoffverbundwerkstoffen]] erfolgreich anwendbar sind.

Im engeren Sinne versteht man also unter diesem Begriff die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung, die im Gegensatz zur zerstörenden [[Kunststoffprüfung]] die Integrität des [[Prüfkörper]]s oder des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] nicht beeinflusst. Die Verfahren der Kunststoffprüfung werden deshalb wie bei der [[Werkstoffprüfung]] in zerstörende Methoden (z. B. [[Zugversuch|Zug]]-, [[Biegeversuch|Biege]]-, [[Druckversuch|Druck]]- oder Torsionsprüfung und die [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|Schlagbeanspruchung]]), zerstörungsarme Prüfmethoden, wie z. B. die Mikro- oder Nano[[Härte|härteprüfung]] und die zerstörungsfreie Prüfung unterteilt.

Im Gegensatz zur Werkstoff- und Kunststoffprüfung, die eigenständige Wissenschaftsdisziplinen darstellen, ist die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung ein Teilgebiet der zerstörungsfreien Prüfung bzw. Werkstoffprüfung. Während in wissenschaftlichen Fachzeitschriften zahlreiche Publikationen vorliegen, die sich mit der [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|zerstörungsfreien Prüfung]] von Kunststoffen befassen, sind nur wenige Fachbücher bekannt, welche sich umfassend mit diesem Fachgebiet beschäftigen [1, 2].

{|
|'''Tabelle 1''': Anwendung zerstörungsfreier Prüfmethoden für GFK- und CFK-Verbunde
{|align="center"
|width="20px"|●
|− ohne Einschränkung
|●
|− mit Einschränkung [4]
|}
|}

{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
!! style="width: 120px; background:#DCDCDC" rowspan="2"|Prüfmethode
!! style="width: 170px; background:#DCDCDC" colspan="2"|Prüfbereich
!! style="width: 340px; background:#DCDCDC" colspan="4"|Hauptfehlerart
|-
|style="text-align:center; width:85px; background:#DCDCDC"|Oberfläche
|style="text-align:center; width:85px; background:#DCDCDC"|Volumen
|style="text-align:center; width:85px; background:#DCDCDC"|Risse
|style="text-align:center; width:85px; background:#DCDCDC"|Poren
|style="text-align:center; width:85px; background:#DCDCDC"|Delamination
|style="text-align:center; width:85px; background:#DCDCDC"|Faserbruch
|-
|'''[[Sichtprüfung]]'''
|style="text-align:center; color:black; font-size:30px"|●
|
|style="text-align:center; color:black; font-size:30px"|●
|style="text-align:center; color:red; font-size:30px"|●
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|-
|'''Endoskopie'''
|style="text-align:center; color:black; font-size:30px; max-height:12px"|●
|
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|style="text-align:center; color:red; font-size:30px; max-height:12px"|●
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|'''[[Klangprüfung]]'''
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|Konventionell
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|-
|Registrierend
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|'''Eindringprüfung'''
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|style="text-align:center; color:black; font-size:30px"|●
|style="text-align:center; color:red; font-size:30px"|●
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|'''Durchstrahlung'''
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|Weichstrahlung
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|Kontrastmittel
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|Radioskopie
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|'''[[Ultraschallprüfung|Ultraschall]]'''
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|[[Ultraschall-Impuls-Echo-Technik|Impuls-Echo]]
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|[[Ultraschall-Durchschallungs-Technik|Durchschallung]]
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|Image-Technik
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|'''[[Thermographie]]'''
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|Wärmefluss
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|Vibrothermographie
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|Wärmewellen
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|'''[[Schallemissionsprüfung|SE-Prüfung]]'''
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|'''Feldmessung'''
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|Moiré-Verfahren
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|[[Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie|ESPI-Verfahren]]
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|'''Sonderverfahren'''
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|[[Plastographie]]
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|[[Härte]]messung
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|
|}

Ursachen sind hier speziell in der Vielfalt der Kunststoffe, der möglichen Variationen infolge [[teilchengefüllte Kunststoffe#Technisch genutzte Füllstoffe|Füllung]] und [[Faserverstärkte Kunststoffe#Arten von verstärkungsfasern|Verstärkung]] sowie den spezifischen Fehler- und Schädigungsmechanismen der Kunststoffe selbst und an den [[Phasengrenzfläche|Grenzflächen]] zu den organischen oder anorganischen Füll- und Verstärkungsstoffen zu sehen. Hinzu kommt die im Vergleich zu metallischen Werkstoffen hohe Dämpfung, die schlechte [[Wärmeleitfähigkeit]] und elektrische Isolation (siehe: [[Elektrische Leitfähigkeit]]), die große Heterogenität als auch [[Anisotropie]] der Kunststoffe, welche die Anwendbarkeit klassischer, zerstörungsfreier Prüfmethoden teilweise erheblich einschränken kann ('''Tabelle 1'''). 
Aufgrund dessen werden für die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung teilweise andere relevante Prüfverfahren als wesentlich für die Fehlercharakterisierung angesehen, wobei sich infolge der Einteilungsprinzipien folgende physikalische Wirkprinzipien empfohlen haben:

* radiologische Prüfverfahren (digitale Röntgenstrahl- und Gammastrahldefektoskopie) [5],
* akustische Prüfverfahren ([[Klangprüfung|Klang]]-, [[Ultraschallprüfung|Ultraschall]]- und [[Schallemissionsprüfung]]) [6– 8] ,
* thermographische Prüfverfahren (Wärmefluss-, Wärmewellenanalyse und Videothermographie, Vibrometrie, Lockin-Thermographie) [9–11]
* elektromagnetische Prüfmethoden (Schichtdickenmessung und Terra-Hertz-Messtechnik) [12],
* Rissprüfung ([[Sichtprüfung]], Endoskopie, Penetrierprüfung, Dichtigkeitsprüfung) [13],
* Mikrowellenprüfung (Transmissions- und Reflexionsverfahren) [14, 15],
* optische Prüfmethoden (Holografie, [[Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie|Laser-Speckle-Interferometrie (ESPI)]], Lockin-ESPI, Ultraschall-ESPI, [[Shearographie]], [[Laserextensometrie]], Spannungsoptik u. a.) [16–18] und
* Wirbelstrom [19].

Spezielle Prüfmethoden wie die experimentelle Dehnungs- und Spannungsanalyse, die Computertomographie basierend auf unterschiedlichen Detektoren, die Magnetresonanzprüfung oder die Schwingungsanalytik komplettieren diese Aufzählung genau wie die modernen akustischen Prüfmethoden der [[Ultraschall-Gruppenstrahler-Prüfköpfe|Phase-Array-Prüfung]] oder des Acousto-Ultrasonics-Verfahrens, ohne einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Grundsätzlich ist feststellbar, dass die ZfP in fast allen Industriezweigen zum unverzichtbaren Instrument für eine effiziente Qualitätssicherung geworden ist und dem Nachweis intoleranter Fehlzustände, der Überwachung des Zustandes von Maschinen und Anlagen als auch für die [[Schadensanalyse|Schadensfallanalyse]] dient.

In Analogie zur Definition der [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|zerstörungsfreien]] [[Werkstoffprüfung]] beinhaltet die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung die Untersuchung von Materialien, Bauteilen und Konstruktionen aus [[Kunststoffe]]n hinsichtlich Qualitätsmängeln wie Fehler oder Ungänzen, die die Integrität oder Verwendbarkeit vor und während des Einsatzes stören oder verhindern könnten, wobei die Anwendung der zerstörungsfreien Prüfmethode das Prüfobjekt in seiner Funktionalität auf keinen Fall beeinflussen darf [3]. 
Das grundlegende Ziel der ZfP an Kunststoffen ist also ebenfalls die Schadensverhütung durch reproduzierbare und wiederholbare Prüfverfahren, um Gefahren für den Menschen, Sachen und die Umwelt zu vermeiden. Sie erstellt ein statisches sichtbares Abbild von makroskopischen und mikroskopischen Fehlern unter Beachtung der Schadenstoleranz dieser Fehler für die Integrität und Funktionalität der Konstruktion oder des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]].

Die zunehmende Bedeutung der Verbundwerkstoffe mit polymerer Matrix in der Luftfahrt- und Automobilindustrie sowie bei der alternativen Energiegewinnung (Windkraftanlagen) hat natürlich Konsequenzen für die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung.
Bei diesen Konstruktionen können die durch Bauteilversagen verursachten Kosten um Größenordnungen über den Bauteilkosten liegen [1].
Aus diesem Grund hat die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung, zumeist über indirekte Rückwirkung, auch das Ziel, Informationen über den Werkstoff- oder Bauteilzustand zu erhalten, Schadenszustände rückwirkungsfrei zu erkennen und zu charakterisieren, um betriebsrelevante Komponenten rechtzeitig auszutauschen oder den unnötigen präventiven Austausch funktionstüchtiger Teile zu vermeiden.

Die ZfP an Kunststoffen zielt damit primär auf die Charakterisierung der Eigenschaften, also die Ermittlung einer physikalischen Wechselwirkung und ist somit hinsichtlich ihrer Methodik ein Bereich der Messtechnik. Die Aussagegenauigkeit bzw. Fehlererkennbarkeit hängt von der „Ansprechempfindlichkeit“ der jeweiligen [[Messgröße]] auf das eigentlich interessierende Merkmal ab und speziell davon, wie groß die Fehlerbreite der ZfP-Messung ist, da eine größere Fehlerbreite höhere Sicherheitsfaktoren und damit z. B. größere Wanddicken erfordert.
Die zerstörungsfreie Kunststoffprüfung beruht prinzipiell darauf, dass das zu untersuchende Bauteil in irgendeiner Weise (thermisch, mechanisch oder akustisch) angeregt und sein „Antwortverhalten“ zur Fehlercharakterisierung verwendet wird.
Somit zeigt jede angewandte Prüfmethode das Prüfobjekt als auch vorhandene Fehler in ihrer Wechselwirkung mit bestimmten Schwingungen oder Wellen. Da Verbundkunststoffe deutlich mehr Einflussgrößen als Metalle und wesentlich komplexere Versagensmoden aufweisen, ist das erforderliche Spektrum der diesbezüglichen ZfP-Methoden sehr breit, wobei viele dieser Prüfmethoden noch einen experimentellen Status aufweisen [1].

Im Gegensatz zur zerstörungsfreien Kunststoffprüfung bedient sich die [[Kunststoffdiagnostik]] der Methoden der [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|ZfP]], indem sie unterschiedliche [[hybride Methoden]] kombiniert und gleichzeitig verschiedenartige mechanische, thermische oder mediale Belastungen auf [[Prüfkörper]] oder Bauteile appliziert. Diese Kopplung dient hier vorrangig der Ermittlung der zeitlichen und lokalen Schädigungskinetik und der Darstellung relevanter Schädigungsmechanismen sowie der Ermittlung von werkstoffspezifischen Grenzzuständen und wird mit den folgenden Zielen durchgeführt:

* der Erhöhung des Informationsgehaltes konventioneller Prüfverfahren,
* der Aufklärung von Zusammenhängen zwischen [[Mikroskopische Struktur|Mikrostruktur]] und Eigenschaften der Kunststoffe und deren Verbunde,
* der Bewertung von Struktur oder Morphologie-Eigenschafts-Korrelationen,
* der Aufstellung physikalisch begründeter Funktionalitäten,
* der Erfassung und Beschreibung lokaler Werkstoffeigenschaften zur Erhöhung der Dimensionierungssicherheit,
* der ereignis- und strukturbezogenen Interpretation der Deformationsphasen,
* der Ermittlung von Werkstoffschädigungen und der Versagenskinetik und
* der Darstellung von Werkstoffgrenzzuständen und Diagnosefunktionen.

Grundsätzlich ist jede ZfP-Methode oder Sensortechnik für die Anwendung als hybride Methode der Werkstoffdiagnostik geeignet, falls sie eine hinreichende Schädigungssensibilität aufweist und der Werkstoffspezifik der Kunststoffe genügt.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Busse, G.: Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 461–528 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|[[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]]: Zerstörungsfreie Prüfverfahren. In: Schmiedel, H. (Hrsg.): Handbuch der Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (1992) 2. Auflage, S. 417–442 (ISBN 978-3-446-16336-2; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 3)
|-valign="top"
|[3]
|Erhard, A.: Aufgaben und Abgrenzung der Zerstörungsfreien Prüfung. DGZfP-Jahrestagung, Fürth (2007), V11
|-valign="top"
|[4]
|Rufke, B., Hentrich, R., Bierögel, C.: Zerstörungsfreie Prüfmethoden und detektierbare Fehlerarten an Kunststoffverbunden auf Basis von GFK und CFK, unveröffentlichte Studie, DOW BSL Schkopau, Technische Diagnostik (2002)
|-valign="top"
|[5]
|Nordmann, S., Hentrich, R., Schröter, H., Rufke, B., Sirch, C., Bierögel, C., Grellmann, W.: Durchstrahlungsprüfung von GfK-Bauteilen unter besonderer Berücksichtigung der Wanddickenmessung. In: Frenz, H., Wehrstedt, A.: Kennwertermittlung für die Praxis. Tagungsband Werkstoffprüfung, 2002, Wiley-VCH Weinheim 2003, S. 345–350 (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 3-99)
|-valign="top"
|[6]
|Maier, M., Grellmann, W., Steiner, R. u. a.: Faserverstärkte rotierende Bauteile. Forschungshefte Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) Heft 202 (1995), S. 1–67
|-valign="top"
|[7]
|Bierögel, C., Sirch, C., Grellmann. W.: Korrelationen der mechanischen und akustischen Eigenschaften von Kunststoffen in Abhängigkeit von der Temperatur. In: Grellmann, W., Frenz, H.: Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis – Werkstoffeinsatz, Qualitätssicherung und Schadensanalyse. Tagungsband Werkstoffprüfung, 2014, Wiley-VCH Weinheim 2015, S. 155–160 (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 3-99)
|-valign="top"
|[8]
|Schoßig, M., Zankel, A., Bierögel, C., Pölt, P., Grellmann, W.: ESEM Investigations for Assessment of Damage Kinetics of Short Glass Fibre Reinforced Thermoplastics: Part 1: Results of in situ Tensile Test Coupled with Acoustic Emission Analysis. Composite Science and Technology 71 (2011) 257−265
|-valign="top"
|[9]
|Dillenz, A., Gerhard, H., Krohn, N., Pfleiderer, K., Stößel, R., Zweschper, Th., Busse, G.: Zerstörungsfreie Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe: Neue Entwicklungen, DGZfP-Jahrestagung 2001, Berlin, Berichtsband
|-valign="top"
|[10]
|Krohn, N., Busse, G.: Nichtlineare Vibrometrie zur Schadenscharakterisierung. DGZfP-Jahrestagung 2001, Berlin, Berichtsband
|-valign="top"
|[11]
|Eyerer, P., Busse, G.: Photothermische Wärmewellenanalyse von Kunststoffen. Kunststoffe 73 (1983) 9, S. 547–549
|-valign="top"
|[12]
|Feige, V. K. S., Berta, M., Nix, S., Ellrich, F., Jonuscheit, J., Beigang, R.: Berührungslose Mehrlagen-Schichtdickenmessung industrieller Beschichtungen mittels THz-Messtechnik. Technisches Messen 79 (2012) 2, S. 87–94
|-valign="top"
|[13]
|Wallentowitz, H., Reif, K. (Hrsg.): Handbuch Kraftfahrzeugelektronik. Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2. Auflage, (2008), (ISBN 978-3-528-03971-4)
|-valign="top"
|[14]
|Hinken, J. H.: Einführung in die Mikrowellenprüftechnik. DGZfP-Fachseminar 2015, V1
|-valign="top"
|[15]
|Hinken, J. H., Horst, G.: EMIR – ein direkt bildgebendes Verfahren der Mikrowellenprüfung. DGZfP-Jahrestagung 2013, Dresden, A1
|-valign="top"
|[16]
|Menner, P.: Erweiterte Möglichkeiten der Shearografie durch Verwendung thermischer Wellen. DGZfP-Zeitung 117 (2009) 12, S. 45–47
|-valign="top"
|[17]
|Bierögel, C.: Hybride Verfahren der Kunststoffdiagnostik. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 529–546 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[18]
|Föppl, L., Mönch, E.: Praktische Spannungsoptik. Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 3. Auflage, (1972), (ISBN 978-3-642-52169-0)
|-valign="top"
|[19]
|Mook, G., Simonin, J.: Wirbelstromprüfung – Lehren und lernen. DGZfP-Jahrestagung 2012, Graz, P2
|}

[[Kategorie:Wissenschaftsdisziplinen]]

Zähigkeit

2021-01-12T13:12:29Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Zähigkeit
__FORCETOC__
==Allgemeines==
Bei dem Einsatz von [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Kunststoffbauteilen]] in verschiedenen Industriezweigen wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen, dem chemischen Apparatebau, der Mikroelektronik oder dem Hausgerätesektor ist die Zähigkeit eine wichtige [[Werkstoffkenngröße]], die prüftechnisch mit unterschiedlichen Prüfmethoden nachgewiesen werden muss. 
Dabei treten neben [[Quasistatische Prüfverfahren|statischen]] und [[Ermüdung|schwingenden]] (dynamischen) auch sehr häufig schlag- oder stoßartige [[Beanspruchung]]en auf (siehe auch: [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe]]).

==Methoden der Zähigkeitsprüfung==

Auf Grund der vergleichsweise einfachen Durchführbarkeit konventioneller Zähigkeitsprüfmethoden werden

* der [[Schlagbiegeversuch|Schlag-]] und [[Kerbschlagbiegeversuch]]
**in Charpy-Anordnung nach DIN EN ISO 179-1 [1], Kenngrößen: Schlagzähigkeit acU, Kerbschlagzähigkeit acN
**in Izod-Anordnung nach DIN EN ISO 180 [2], Kenngrößen: Schlagzähigkeit aiU, Kerbschlagzähigkeit aiN 
**in Dynstat-Anordnung nach DIN 53435 [3], Kenngrößen: Schlagzähigkeit adU, Kerbschlagzähigkeit adA bzw. adD 
*der uniaxiale [[Schlagzugversuch|Schlagzug-]] und [[Kerbschlagzugversuch]] nach DIN EN ISO 8256 [4] 
**Kenngrößen: Schlagzugzähigkeit atU, Kerbschlagzugzähigkeit atN und
* der biaxiale [[Durchstoßversuch|Durchstoß-]] oder Fallbolzenversuch nach DIN EN ISO 6603-1 [5] 
:Kenngröße: 50 % Schädigungsarbeit E50

häufig eingesetzt, wobei der Einsatz in der Qualitätssicherung unumstritten ist. Zusätzliche Informationen zu diesen Kenngrößen werden mit den [[Instrumentierung|instrumentierten]] Prüfverfahren nach DIN EN ISO 179-2 [6] und DIN EN ISO 6603-2 [7] erhalten, da hier Kraft-Verformungs-Diagramme mit erhöhten Aussagegehalt registriert werden.

==Bedeutung der bruchmechanischen Prüfung==

Eine neue Generation von [[Werkstoffkenngröße]]n mit wesentlich erhöhtem Informationsgehalt stellen geometrieunabhängige bruchmechanische Kenngrößen dar (siehe: [[Geometriekriterium]]), die als Zielgrößen in der Werkstoffentwicklung und bei der [[Kunststoffbauteil|Dimensionierung von Bauteilen]] dienen [8], wobei auch hier die Grundvoraussetzung der Anwendung [[Instrumentierung|instrumentierter Prüfmethoden]], allerdings mit variierten Prüfbedingungen, besteht.

Die wichtigsten Methoden der [[Bruchmechanische Prüfung|Bruchmechanischen Prüfung]] sind nach der Art der [[Beanspruchung]] in [[quasistatische Prüfverfahren|quasistatische]], [[Ermüdung|zyklische]] und [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|schlagartige]] Prüfung untergliedert. Als Kenngrößen werden die

* Bruchzähigkeit KIc oder KId (siehe [[Bruchmechanik]])
* Kritische [[Rissöffnung]]sverschiebung δIC oder δId und die
* J-Integralwerte (siehe [[J-Integral Auswertemethoden]])

ermittelt, die es ermöglichen, eine Reihe von Einflussfaktoren auf das Zähigkeitsverhalten, wie konstruktiv bedingte [[Kerb]]en, fertigungsbedingte Defekte, [[Mehrachsiger Spannungszustand|mehrachsige Spannungszustände]], mediale Beanspruchungen, tiefe Temperaturen und hohe [[Prüfgeschwindigkeit|Geschwindigkeiten]] in ihrer Wirkung gezielt zu berücksichtigen.

Von [[Blumenauer, Horst|Blumenauer]] [9] wird auf die kombinierte Wirkung dieser Faktoren, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, dem Vorliegen von [[Riss]]en und [[Kerb]]en, [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Eigenspannungen]] sowie einer [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|schlagartigen Beanspruchung]] verwiesen. Die Bruchspannung kann hier erheblich unter der [[Streckspannung|Streckgrenze]] des Werkstoffes liegen, man spricht hier von einem Niederspannungsbruch. Für [[Kunststoffe]] wird mit sinkender Temperatur z. B. bei Einsatztemperaturen unterhalb der [[Glastemperatur]], häufig ein Wechsel im [[Deformation]]s- und [[Bruch]]mechanismus vom Zähbruch zum Sprödbruch (siehe: [[Brucharten]]) beobachtet. Hier wird die Untersuchung der gesamten [[Zähigkeit Temperaturabhängigkeit|Temperaturabhängigkeit]] der Kennwerte erforderlich, um den Zähigkeitsnachweis mit Hilfe von Übergangstemperaturen (siehe [[Spröd-Zäh-Übergangstemperatur]]) oder auch Grenztemperaturen führen zu können.

Eine umfangreiche Zusammenstellung von bruchmechanischen Kennwerten für [[Kunststoffe]], [[Elastomere]] und [[Kurzfaserverstärkte Verbundwerkstoffe|Verbundwerkstoffe]] ist in [10–12] zusammengestellt.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|DIN EN ISO 179-1 (2010-11): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 180 (2020-03): Kunststoffe – Bestimmung der Izod-Schlageigenschaften
|-valign="top"
|[3]
|DIN 53435 (2018-09): Prüfung von Kunststoffen – Biegeversuch und Schlagbiegeversuch an Dynstat-Probekörpern
|-valign="top"
|[4]
|DIN EN ISO 8256 (2005-05): Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit
|-valign="top"
|[5]
|DIN EN ISO 6603-1 (2000-10): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens fester Kunststoffe – Teil 1: Nicht-Instrumentierter Schlagversuch
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 179-2 (2020-09): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN ISO 6603-2 (2002-04): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens fester Kunststoffe – Teil 2: Instrumentierter Schlagversuch
|-valign="top"
|[8]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage S. 247‒303 (ISBN 978-2-446-44350; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[9]
|[[Blumenauer, Horst|Blumenauer, H.]], Pusch, G.: Technische Bruchmechanik. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig (1993) 3. Auflage, S. 42‒49 (ISBN 3-342-00659-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter E 29-3)
|-valign="top"
|[10]
|Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers, Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014), (ISBN 978-3-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
|-valign="top"
|[11]
|Grellmann, W., Reincke, K.: Technical Material Diagnostics – Fracture Mechanics of Filled Elastomer Blends. In: Grellmann, W., Heinrich, G., Kaliske, M., Klüppel, M., Schneider, K., Vilgis, T. (Eds.): Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends. Springer Verlag Berlin Heidelberg, (2013), (ISBN 978-3-642-37909-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 14)
|-valign="top"
|[12]
|Grellmann, W., Langer, B. (Hrsg.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017), (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]

T-Peeltest

2021-01-12T13:11:57Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
T-Peeltest
__FORCETOC__
==Schematische Darstellung des T-Peeltests==
Der T-Peeltest wird zur Charakterisierung des Peelverhaltens (siehe [[Peelvorgang]]) von Peelsystemen herangezogen ('''Bild 1''') und wird in Anlehnung an ASTM D 1876 und DIN 55529 durchgeführt. Die Bezeichnung „T“ zielt dabei auf das Vorhandensein zweier Peelarme ab, die jeweils um 90° während des Peeltests gebogen werden, wodurch sich eine „T-Form“ ergibt. Der T-Peeltest wird an einer Universalprüfmaschine (siehe [[Materialprüfmaschine]]) durchgeführt. Dabei beträgt die Einspannlänge l0 = 50 mm und die Peelgeschwindigkeit vT = 100 mm/min.

[[Datei:T-Peeltest.jpg|320px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Schematische Darstellung des T-Peeltests; die Länge und die Breite der [[Siegelnaht]] wurden aufgrund der vorliegenden Abmaße im Vergleich zur Literatur vertauscht
|}

==Kenngrößen==

Während des Peeltests wird ein [[Peelkraft-Bruchweg-Diagramm]] registriert, dem die anwendungstechnische Messgröße [[Peelkraft]] entnommen werden kann. Zur bruchmechanischen Charakterisierung (siehe [[Bruchmechanische Prüfung]]) des [[Peelvorgang|Peelvorgangs]] wird die energiebestimmte [[Kenngröße]] adhäsive [[Energiefreisetzungsrate]] herangezogen.

==Beispiel eines PE-LD/iPB-1 Peelfoliensystems==

Am Beispiel des Peelsystems Polyethylen niederer Dichte geblendet mit isotaktischem Polybuten-1 ([[Kurzzeichen]]: PE-LD/iPB-1) sind die während des T-Peeltests registrierten Peelkraft–Bruchweg-Diagramme (Peelkurven) für unterschiedliche iPB-1-Gehalte von 6, 10 und 20 M.-% in '''Bild 2''' dargestellt. Die abgebildeten Peelkurven weisen typischerweise zwei lokale Maxima auf, deren Vorhandensein auf den konkaven Querschnitt der [[Siegelnaht]] zurückzuführen ist. Weiterhin ist in den Peelkurven deutlich der zur Ermittlung der Messgröße [[Peelkraft]] verwendete Plateaubereich zu erkennen. Das Kraftniveau dieses Plateaubereiches und auch der Bruchweg lB werden mit zunehmendem iPB-1-Masseanteil vermindert.

[[Datei:peeltest_diagramm.jpg|380px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Darstellung ausgewählter Peelkraft-Bruchweg-Diagramme
|}

'''Literaturhinweise'''

* ASTM D 1876 (2008, reapproved 2015): Standard Test Method for Peel Resistance of Adhesives (T-Peel Test)
* DIN 55529 (2012-09): Verpackung – Bestimmung der Siegelnahtfestigkeit von Siegelungen aus flexiblen Packstoffen
* DIN ISO 813 (2020-07): Elastomere und thermoplastische Elastomere – Bestimmung der Haftfestigkeit zu einer Trägerplatte – 90° Schläversuch (Normenentwurf)
* Nase, M., Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Bruchmechanische Kennwertermittlung im T-Peeltest und im Fixed-Arm Peeltest. In: Frenz, H., Grellmann, W. (Hrsg.): 26. Tagung Werkstoffprüfung „Herausforderung neuer Werkstoffe an die Forschung und Werkstoffprüfung“, Berlin (2008) Tagungsband S. 223–228, (ISBN 978-3-00-026399-6; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 10)
* Nase, M.: Zusammenhang zwischen Herstellungsbedingungen, übermolekularer Struktur und Eigenschaften von Peelfolien. Shaker Verlag (2010) (ISBN 978-3-8322-9099-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-17)
* Reincke, K., Grellmann, W.: Verfahren zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Folien und Elastomeren. In: Grellmann, W. (Hrsg.): Neue Entwicklungen in der Werkstoffprüfung – Herausforderung an die Kennwertermittlung. Tagung "Werkstoffprüfung 2011", 1. und 2. Dezember 2011, Berlin, Tagungsband S. 185–192 (ISBN 978-3-9814516-1-0; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 13)
* ESIS-TC4: A Protocol for Determination of the Adhesive Fracture Toughness of Flexible Laminates by Peel Testing: Fixed-Arm and T-peel Methods (2007) [http://www.imperial.ac.uk/media/imperial-college/research-centres-and-groups/adhesion-and-adhesives-group/ESIS-peel-protocol-(June-07)-revised-Nov-2010.pdf http://www.imperial.ac.uk/media/imperial-college/research-centres-and-groups/adhesion-and-adhesives-group/ESIS-peel-protocol-(June-07)-revised-Nov-2010.pdf] (Zugriff am 01.03.2019)

[[Kategorie:Folienprüfung]]
[[Kategorie:Peeltest]]

Steifigkeit

2021-01-12T13:11:30Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Steifigkeit 
siehe auch: [[Maschinennachgiebigkeit]], [[Probennachgiebigkeit]] und [[Druckversuch Nachgiebigkeit]]
__FORCETOC__
==Allgemeines==

Mit dem Begriff Steifigkeit wird oftmals in der [[Werkstoffprüfung|Werkstoff]]- oder [[Kunststoffprüfung]] relativ kritiklos umgegangen und die Steifigkeit wird dabei häufig mit dem [[Elastizitätsmodul]] gleichgesetzt, obwohl schon die Maßeinheiten der Moduli und Steifigkeiten unterschiedlich sind. Dabei existieren schon in der [[Werkstoffprüfung]] zwei grundlegende Einflussgrößen auf die Ermittlung von [[Kennwert]]en. Das sind die sogenannte [[Maschinennachgiebigkeit|Maschinensteifigkeit]] als Eigenschaft einer [[Materialprüfmaschine]] und die Steifigkeit des [[Prüfkörper]]s, die auch als [[Probennachgiebigkeit|Probensteifigkeit]] oder Prüfkörpersteifigkeit bezeichnet wird und die beide die Kennwertermittlung beeinflussen.

In Abhängigkeit von der Art des Versuches der Werkstoffprüfung ([[Zugversuch|Zug-]], [[Druckversuch|Druck-]] oder [[Biegeversuch]]) und der absoluten Belastungshöhe muss die Universalprüfmaschine einen hinreichenden Widerstand gegen die unvermeidbare Eigenverformung des [[Lastrahmen]]s und der Kraftmesszelle (siehe [[Elektro-Mechanischer Kraftaufnehmer]] und [[Piezoelektrischer Kraftaufnehmer]]) aufweisen. Die Zug- oder Drucknachgiebigkeit der Prüfmaschine mit identischer Kraftmessdose kann in Vernachlässigung der [[Prüfkörpereinspannung|Einspann]]- und Verlängerungselemente als nahezu gleich angesetzt werden. Im Biegeversuch ist der Einfluss der Maschinennachgiebigkeit unabhängig von der Verfahrrichtung der Traverse nahezu vernachlässigbar, da die Kräfte in diesem Versuch deutlich geringer als im Druck- oder Zugversuch sind. Ein besonderer Fall liegt vor, wenn Torsions- oder Schubversuche (siehe: [[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Torsionsbeanspruchung]]) durchgeführt werden, da dann eine andere Belastungsart und Nachgiebigkeit der speziellen hybriden Materialprüfmaschine vorliegt. In Analogie zur Prüfung von Werkstoffen mit definierte Prüfkörpergeometrie weisen auch komplexe Konstruktionen, wie Maschinen, Apparate oder z. B. Brücken eine Steifigkeit gegenüber beanspruchungsbedingten Verformungen auf, wobei in diesem Fall unabhängig von der Art der [[Beanspruchung]] ([[Quasistatische Prüfverfahren|statisch]], [[Ermüdung|schwingend]] oder [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|schlagartig]]) unterschiedliche Lastfälle dominant sein können.

==Definition der Steifigkeit==

Unter der Steifigkeit eines Werkstoffes wird im Regelfall der [[Elastizitätsmodul|Elastizitäts]]- oder [[Schubmodul]] (Schermodul) für die jeweilige Beanspruchungsart im [[Deformation#Elastische Deformation|linear-elastischen]] oder [[Linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischen]] ([[Kunststoffe]]) Beanspruchungsbereich verstanden. Für den [[Zugversuch]] ist das der [[Elastizitätsmodul|E-Modul]] Et, im [[Druckversuch#Bestimmung_der_Kenngr.C3.B6.C3.9Fen_des_Druckversuches|Druckversuch Ec]] und im [[Biegeversuch]] wird der [[Biegemodul|Biege-E-Modul Ef]] verwendet, während im Torsions- oder Scherversuch der [[Schubmodul|Gleit- oder Schubmodul]] G zur Anwendung kommt. Für größere [[Deformation]]en wird nicht mehr der Elastizitätsmodul, sondern meistens der Anstieg z. B. der Spannungs-Dehnungs-Kurve dσ/dε (siehe: [[Zugversuch]]) zur Beschreibung der Steifigkeit bei einer vorgegebenen Verformung benutzt.

Die Steifigkeit eines [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] gegenüber einem konkreten Belastungsfall wird durch die Dimensionierung (z. B. Wanddicke oder Außendurchmesser) und die konstruktive Auslegung (z. B. geometrische Gestaltung, offene oder geschlossene Profile sowie Verrippungen) bestimmt. Aufgrund unterschiedlicher geometrische Parameter wird die Steifigkeit eines Bauteils bzw. dessen Widerstand gegenüber einer zumeist elastischen Verformung bei differierenden [[Beanspruchung]]en nur in Ausnahmefällen übereinstimmen.

Allgemein stellt die Steifigkeit S im Sinne der Technischen Mechanik bzw. Festigkeitslehre im Regelfall das Produkt aus Steifigkeit des Werkstoffes und der Konstruktion dar, die einer speziellen geometrischen Größe entspricht. Infolge dessen beschreibt diese [[Kenngröße]] den gemeinsamen Widerstand von Werkstoff und Konstruktion gegenüber einer elastischen Verformung aufgrund einer äußeren Kraft oder Moments (Biege- oder Torsionsmoment). 
Die Steifigkeit einer Konstruktion oder eines Bauteils (Prüfkörpers) ist im Regelfall nur für kleine elastische [[Deformation]]en definiert und hängt von den elastischen Eigenschaften (Modul M) des Werkstoffs (Kunststoffs) als auch von den geometrischen Gegebenheiten (G) bezüglich der Hauptbelastungsarten des Bauteils oder Prüfkörpers ab und ergibt sich allgemein nach Gl. (1). Speziell in der [[Werkstoffprüfung|Werkstoff]]- und [[Kunststoffprüfung]] wird anstelle der Steifigkeit oftmals der Begriff Nachgiebigkeit C verwendet, der nach Gl. (2) als Kehrwert der Steifigkeit S definiert ist.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S= M\cdot G\!</math>
|width="50px"|(1)
|}

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C=\frac{1}{S}\!</math>
|width="50px"|(2)
|}

Für Leichtbaukonstruktionen wird oftmals auch die spezifische Steifigkeit Ss nach Gl. (3) verwendet, da hier die eingesetzte Masse des Bauteils eine hohe Bedeutung besitzt. Diese Kenngröße ergibt sich bei Bezug der Steifigkeit auf die mittlere [[Dichte]] ρ der Werkstoffe der Konstruktion, wobei sich je nach Applikations- und Belastungsfall unterschiedliche Maßeinheiten ergeben.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{s}=\frac{S}{\rho}\!</math>
|width="50px"|(3)
|}

==Zugsteifigkeit==

Die Zugsteifigkeit, die oft auch als Dehnsteifigkeit bezeichnet wird, stellt das Produkt aus dem [[Elastizitätsmodul]] bei Zugbeanspruchung Et des eingesetzten Werkstoffs in der Belastungsrichtung x und der Querschnittsfläche A0 dar. Diese Fläche steht senkrecht zur Belastungsrichtung und ist unabhängig von der Form bzw. Geometrie des Querschnitts. Bei über der Länge veränderlichen Querschnitten muss die kleinste Querschnittsfläche zur Berechnung der Zugsteifigkeit verwendet werden. Im Fall von Zugprüfkörpern ist also der planparallele Teil des Prüfkörpers zu nutzen. 
Im Zugversuch werden in der Kunststoffprüfung teilweise prismatische [1] oder [[Vielzweckprüfkörper]] des Typs 1A oder 1B genutzt [2], wobei die letzteren zur besseren Klemmbarkeit Schultern auf beiden Seiten besitzen ('''Bild 1''') (siehe: [[Prüfkörpereinspannung]]). Bei dem prismatischen Prüfkörper ist die Probensteifigkeit St innerhalb der Einspannlänge L konstant und berechnet sich nach der Gl. (4) für eine [[Deformation#Elastische_Deformation|linear-elastische Deformation]]. Diese Gleichung gilt ebenfalls für den Schulterprüfkörper, jedoch nur im planparallelen Teil des Prüfkörpers ('''Bild 1a''' und '''b''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{t}=E_{t}\cdot A_{0}= E_{t}\cdot b_{0} \cdot d_{0}</math>
|width="50px"|(4)
|}

Überschreitet die Dehnung im Zugversuch den [[linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischen Bereich]], dann treten erste [[Mikroschädigungsgrenze|Mikroschädigungen]] auf, die Spannungs-Dehnungs-Kurve krümmt sich und der Prüfkörperquerschnitt nimmt entsprechend der [[Poissonzahl]] des jeweiligen Werkstoffes ab. 
Aufgrund dessen muss zur Beschreibung der aktuellen [[Probennachgiebigkeit|Probensteifigkeit]] die Gl. (5) verwendet werden, die immer nur für die momentane Dehnung des Prüfkörpers gültig ist ('''Bild 1c'''). Diese Gleichung gilt also nur für die unbehinderte Querkontraktion des Prüfkörpers oder Bauteil, d. h. für den Fall, dass keine Spannungen in y- und z-Richtung auftreten und der aktuelle Querschnitt A bekannt ist (siehe [[Einachsiger Spannungszustand|einachsiger]] und [[mehrachsiger Spannungszustand]]).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{t}=\frac{d\sigma}{d\epsilon}\cdot A=\frac{d\sigma}{d\epsilon}\cdot(b d)</math>
|width="50px"|(5)
|}

[[Datei:Steifigkeit-1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Schematische Erläuterung zur Zugsteifigkeit
|}

Die Nachgiebigkeit bei Zugbeanspruchung Ct ergibt sich als Kehrwert der Zugsteifigkeit St nach Gl. (6) und wird in der Maßeinheit 1/N angegeben. Mit zunehmende Querschnittsfläche und/oder zunehmendem [[Elastizitätsmodul|E-Modul]] Et verringert sich die Nachgiebigkeit.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{t}=\frac{1}{S_{t}}</math>
|width="50px"|(6)
|}

==Druck- und Knicksteifigkeit==

Die Steifigkeit bei Druckbeanspruchung (siehe auch: [[Druckversuch Nachgiebigkeit]]) berechnet sich analog zur Zugbeanspruchung, allerdings ergeben sich in Abhängigkeit von der Prüfkörperlänge, dem Querschnitt und den Lagerungsbedingungen des Prüfkörpers unterschiedliche Beanspruchungsfälle.

Bei sehr langen, schlanken Bauteilgeometrien oder Prüfkörpern tritt ein spezieller Versagensfall auf, der auch als EULER’sches Knicken (bezeichnet nach dem schweizer Mathematiker und Physiker Leonhard Euler) bezeichnet wird ('''Bild 2a''') und ein Instabilitätsproblem darstellt [3]. In Abhängigkeit von den Lagerungsbedingungen, der Geometrie und dem E-Modul des Prüfkörpers kann infolge einer Druckbeanspruchung bei einer kritischen Last ein seitliches Ausknicken (Biegeknicken) auftreten. Bei Torsion oder Biegung mit Torsion können dagegen Drill- oder Biegedrillknicken (Kippen) zum Versagen führen. Im elastischen Deformationsbereich wird die kritische Knicklast oder Druckbeanspruchung Fk nach der Gl. (7) berechnet und die zugehörige Knickspannung σk ergibt sich nach Gl. (8).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>F_{k}=\frac{\pi^{2}\cdot E_{c}\cdot I_{y} }{s^{2}}</math>
|width="50px"|(7)
|}

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\sigma_{k}=\frac{\pi^{2}\cdot E_{c}}{\lambda^{2}}</math>
|width="50px"|(8)
|}

In der Gl. (7) ist Ec der [[Elastizitätsmodul|E-Modul]] bei Druckbeanspruchung, Iy das minimale axiale Flächenträgheitsmoment und s die sogenannte Knicklänge, die das Produkt aus dem Knicklängenbeiwert β und der Prüfkörperlänge L darstellt (s = β L). Der Wert λ wird als [[Schlankheitsgrad]] bezeichnet und berechnet sich nach Gl. (9), wobei iy der sogenannte minimale Trägheitsradius nach Gl. (10) ist.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\lambda =\beta \cdot L \cdot \sqrt{\frac{A_{0}}{I_{y}}}=\frac{\beta \cdot L}{i_{y}}</math>
|width="50px"|(9)
|}

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>i_{y}=\sqrt{\frac{I_{y}}{A_{0}}}</math>
|width="50px"|(10)
|}

[[Datei:Steifigkeit-2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Knickverhalten und Drucksteifigkeit
|}

Die Auflagerverhältnisse im [[Druckversuch]] ('''Bild 2b''') entsprechen dem zweiten elastischen Knickfall in '''Bild 2a''', wodurch gilt s = L. Um zu verhindern, dass ein Ausknicken der Prüfkörper im Druckversuch auftritt, soll der [[Schlankheitsgrad]] λ = 6 bis 10 betragen, weshalb sich die Länge L eines prismatischen Prüfkörpers nach Gl. (11) berechnet [4, 5].

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>L=\frac{\lambda \cdot d_{0}}{3,46}</math>
|width="50px"|(11)
|}

Bei dem prismatischen Prüfkörper oder Bauteil ist die [[Probennachgiebigkeit|Probensteifigkeit]] Sc innerhalb der Einspannlänge L konstant und berechnet sich nach der Gl. (12) für eine [[Deformation#Elastische_Deformation|linear-elastische Deformation]].

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{c}=E_{c}\cdot A_{0}= E_{c} \cdot b_{0} \cdot d_{0}</math>
|width="50px"|(12)
|}

Überschreitet die Stauchung bei Kunststoffen im Druckversuch den [[linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischen Bereich]], dann treten [[Mikroschädigungsgrenze|Mikroschädigungen]] auf und die Spannungs-Stauchungs-Kurve wird zunehmend nichtlinear, weshalb dann zur Beschreibung der aktuellen Probensteifigkeit die Gl. (13), die für die momentane Stauchung des Prüfkörpers und den wahren Querschnitt A gültig ist, zu verwenden ist ('''Bild 2c''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{c}=\frac{d\sigma}{d\epsilon}\cdot A=\frac{d\sigma}{d\epsilon}\cdot(b d)</math>
|width="50px"|(13)
|}

In Analogie zur Zugbeanspruchung ergibt sich die Drucksteifigkeit Cc ebenfalls als Kehrwert der Steifigkeit Sc nach Gl. (14) und wird in der Maßeinheit 1/N angegeben.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{c}=\frac{1}{S_{c}}</math>
|width="50px"|(14)
|}

==Biegesteifigkeit==

Bei der [[Biegebeanspruchung]] ist die steifigkeitsbeschreibende Geometriegröße das axiale Flächenträgheitsmoment, unabhängig davon, ob [[Biegeversuch#Die_Methode_der_Dreipunktbiegepr.C3.BCfung|Drei]]- oder [[Biegeversuch#Die_Methode_der_Vierpunktbiegepr.C3.BCfung|Vierpunktbiegung]] vorliegt. Dabei ist jedoch von Bedeutung, ob die Biegung eines Bauteils oder Prüfkörpers um die y- oder z-Achse erfolgt, wie das z. B. in [[Schlagbiegeversuch]]en üblich ist. In diesen Fällen muss dann das minimale oder maximale axiale Flächenträgheitsmoment Iy oder Iz verwendet werden ('''Bild 3'''). Die minimale Biegesteifigkeit ergibt sich in diesem Fall als Produkt aus dem E-Modul bei Biegebeanspruchung und dem axialen Flächenträgheitsmoment Iy (siehe auch: [[Biegeversuch Nachgiebigkeit]]). 
In der Regel erfolgt im Dreipunktbiegeversuch an Kunststoffen [6] die Biegung um die y-Achse des prismatischen Prüfkörpers, so dass sich die Probensteifigkeit nach der Gl. (15) berechnet.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{f}=E_{f}\cdot I_{y}=\frac{E_{f}\cdot b \cdot h^{3}}{12}</math>
|width="50px"|(15)
|}

Bei einer nichtlinearen Biegespannungs-Randfaserdehnungs-Kurve (siehe: [[Biegebeanspruchung]] und [[Randfaserdehnung]]) wird zur Beschreibung der aktuellen Biegesteifigkeit die Gl. (16) verwendet (siehe '''Bild 3c''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{f}=\frac{d\sigma_{f}}{d\varepsilon_{f}}\cdot I_{y}=\frac{d\sigma_{f}}{d\varepsilon_{f}}\cdot \frac{b\cdot h^{3}}{12}</math>
|width="50px"|(16)
|}

[[Datei:Steifigkeit-3.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Erläuterung zur Biegesteifigkeit
|}

Komplizierter sind Angaben zur Biegesteifigkeit, falls eine sogenannte schiefe Biegung um einen beliebigen Winkel zwischen der y- und z-Achse auftritt, d. h. es wirken gleichzeitig zwei Biegemomente Mbz und Mby. In diesem Fall bilden das minimale und maximale Flächenträgheitsmoment Iy und Iz die geometrischen Grenzwerte für die Biegesteifigkeit.

In Analogie zur Zugbeanspruchung ergibt sich die Nachgiebigkeit Cf bei Biegung auch als reziproker Wert der Probensteifigkeit Sf nach Gl. (17) und besitzt die Maßeinheit 1/N mm2.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{f}=\frac{1}{S_{f}}</math>
|width="50px"|(17)
|}

==Schubsteifigkeit==

Bei der Schub- oder Scherbeanspruchung (siehe [[Schubmodul]]) treten je nach konkreten Belastungsfall kompliziertere Spannungsverteilungen auf, als bei einer ideal [[Einachsiger Spannungszustand|einachsigen]] Beanspruchung. So ist bei einer ein- oder zweischnittigen Scherung oder Muffenverbindungen bei Rohren insbesondere die Schubfläche As = A·γ ('''Bild 4a''' und '''4b''') von Bedeutung, während bei der Biegebeanspruchung infolge der Querkräfte im Querschnitt speziell von schichtartig aufgebauten Werkstoffen (Laminate und Prepregs) eine parabolische Spannungsverteilung τ(h) registriert wird ('''Bild 4c'''), deren Maximum bei h/2 liegt. 
Die Schub- oder Schersteifigkeit ist definitionsgemäß das Produkt aus dem Schubmodul G und der wirksamen Querschnittsfläche A und wird nach der Gl. (18) berechnet, wobei der Korrekturfaktor γ näherungsweise die ungleichförmige parabolische Spannungsverteilung τ(h) im Querschnitt berücksichtigen soll ('''Bild 4c''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{s}=G\cdot A\cdot \gamma = G\cdot A_{s}</math>
|width="50px"|(18)
|}

Die Maßeinheit der Schubsteifigkeit wird in N angegeben und die Nachgiebigkeit wird als reziproker Wert mit Cs = 1/Ss bestimmt.

[[Datei:Steifigkeit-4.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px"|Erläuterung zur Schubsteifigkeit bei Scher- und Biegeversuchen
|}

==Torsionssteifigkeit==

Die Torsionssteifigkeit Sto, die auch als Verwindungssteifigkeit bezeichnet wird, entspricht dem Produkt aus dem Schubmodul G und dem Torsionsträgheitmoment It und die Berechnungsgleichung (19) gilt nur im elastischen Verformungsbereich für kleine Verdrehwinkel φt.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{to}=G\cdot I_{t}</math>
|width="50px"|(19)
|}

Das Torsionsträgheitsmoment It bezieht sich auf die Bauteil- oder Prüfkörperachse x, um die dieser infolge eines angreifenden Torsionsmomentes Mt ('''Bild 5a''') tordiert bzw. verdreht wird. Je nachdem, welche Art der Torsionsbeanspruchung vorliegt, Torsion ohne Verwölbung mit Normalspannungsfreiheit (Neuber-Theorie für geschlossene Profile), Torsion mit unbehinderter Verwölbung (Saint-Vernant-Theorie) oder Wölbkrafttorsion gelten für die exakte Angabe der Torsionssteifigkeit unterschiedliche Bedingungen.

Gleichzeitig ist das Torsionsträgheitsmoment It nur in geometrischen Sonderfällen, d. h. für geschlossenen Kasten-, Kreis-, Rechteck- oder Rohrprofile, mit dem polaren Flächenträgheitsmoment Ip identisch und kann mit vergleichsweise einfachen Berechnungsgleichungen nach It = Ip = Iy + Iz ermittelt werden ('''Bild 5b'''). In allen anderen Fällen, speziell bei komplizierten Geometrien, müssen für die Angabe des Torsionsträgheitsmoments Näherungslösungen verwendet werden.

Bei dem Torsionsversuch ergibt sich die Torsionssteifigkeit eines prismatischen Prüfkörpers als Produkt aus dem [[Schubmodul|Schub- oder Gleitmodul]] G und dem polaren Flächenträgheitsmoment Ip ('''Bild 5b''') nach Gl. (20).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{to}=G\cdot I_{p}=\frac{G\cdot b\cdot h}{12}\cdot \left ( b^{2}+h^{2} \right )</math>
|width="50px"|(20)
|}

Die Probennachgiebigkeit Cto im Torsionsversuch ist auch als reziproker Wert der Probensteifigkeit Sto nach Gl. (21) definiert und hat die Maßeinheit 1/N mm2.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{to}=\frac{1}{S_{to}}</math>
|width="50px"|(21)
|}

[[Datei:Steifigkeit-5.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 5''':
|width="600px"|Erläuterung zur Torsionssteifigkeit und Torsionsträgheitsmoment
|}

==Anwendungen der Steifigkeit==

Bei der Dimensionierung von komplizierteren Bauteilen oder komplexen Konstruktionen müssen die grundlegenden Anforderungen an die Steifigkeiten in den unterschiedlichen Hauptbeanspruchungsrichtungen beachtet werden. Dabei ist insbesondere auch zu berücksichtigen wie sich das Anforderungsprofil infolge medialer, thermischer, korrosiver und erosiver Beeinflussungen sowie durch [[Alterung]] verändert. Dabei sind Wechselwirkungen der Hauptbeanspruchungen zu beachten, sowie Überlagerungen verschiedener Lastkollektive, wie z. B. statische und schwingende Beanspruchungen.

Unter diesen Gesichtspunkten muss z. B. eine Brückenkonstruktion eine hinreichende Biegesteifigkeit in beiden Hauptachsen gegenüber der statischen und dynamischen Belastung aufweisen, wobei im Detail auch eine ausreichende Zug- oder auch Drucksteifigkeit gesichert sein muss. Verbindungselemente müssen zudem auch eine ausreichende Schubsteifigkeit aufwiesen. Zusätzlichen Beanspruchungen, wie statische oder dynamische Windlasten muss über die erforderliche Torsionssteifigkeit, z. B. durch Wahl einer geeigneten Grundkonstruktion und Verrippungen Rechnung getragen werden. Da sich diese Forderungen teilweise ausschließen, stellt eine derartige komplexe Konstruktion immer einen Kompromiss dar, der jedoch im Belastungsfall keine Schwachstellen aufweisen sollte.

Wie sich alleine schon die falsche Auswahl der Grundkonstruktion auswirkt, zeigt der Zusammenbruch der 1938 erbauten Tacoma-Brücke in der USA im Jahr 1940. Durch die Auswahl eines torsionsweichen offenen Profils, statt eines geschlossenen Kastenprofils, begannen bei einer stärkeren Windbelastung Torsionsschwingungen der Brücke, die letztendlich zum Einsturz führten [7]. Amateurfilmaufnahmen belegen die starken Schwingungen dieser Brückenkonstruktion eindrucksvoll.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|DIN EN ISO 527-5 (2020-08): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 5: Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (Entwurf)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 527-2 (2012-06): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 2: Prüfbedingen für Form- und Extrusionsmassen
|-valign="top"
|[3]
|Szabo, I.: Einführung in die Technische Mechanik. Springer Verlag, Berlin (1984) 8. Auflage, (ISBN 3-540-13293-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter T 15)
|-valign="top"
|[4]
|[[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]]: Quasistatische Prüfverfahren. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 111–157 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[5]
|DIN EN ISO 604 (2003-12): Kunststoffe – Bestimmung der Druckeigenschaften
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 178 (2019-08): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
|-valign="top"
|[7]
|[https://www.youtube.com/watch?v=3mclp9QmCGs https://www.youtube.com/watch?v=3mclp9QmCGs]
|}

[[Kategorie:Deformation]]

Schrumpfung

2021-01-12T13:11:00Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Schrumpfung
__FORCETOC__
==Definition==

Unter Schrumpfung oder Schrumpf von [[Kunststoffe]]n versteht man eine Änderung der Maßhaltigkeit von [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] oder [[Prüfkörper]]n bei Temperaturen T > TG (amorph) bzw. T > TS (teilkristallin), die durch die Rückstellung von Molekülorientierungen und die Relaxation von [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Eigenspannungen]] verursacht wird. Die [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Orientierungen]] entstehen infolge des Verarbeitungsprozesses (Extrusion, Spritzgießen oder Tiefziehen) und sind deshalb von verarbeitungstechnischen Prozessparametern abhängig. Diese Parameter sind die Temperatur des Werkzeugs und der Schmelze, der Spritz- und Nachdruck, die Fließweglänge sowie der Abkühlgradient des [[Formmasse|Formteils]]. Infolge der Verarbeitung werden die Moleküle in der Fließrichtung orientiert und nehmen damit einen entropisch ungünstigen Zustand im fertigen Bau- oder Formteil ein. Oberhalb der [[Glastemperatur]] TG nimmt die Beweglichkeit der Molekülketten deutlich zu und bei hinreichend langer Einwirkzeit der erhöhten Temperatur kehren die Moleküle wieder zur maximalen Entropie bzw. in den optimalen energetischen Zustand zurück, was auch als „Memory Effekt von Kunststoffen“ bekannt ist. Im Gegensatz zur [[Schwindung]] erfolgt dieser Vorgang bei konstantem Volumen, allerdings ändern sich die Abmessungen und die Gestalt der [[Kunststoffbauteil]]e teilweise erheblich.

==Begriffserläuterung==

Die Schrumpfung von Kunststoffen bei hohen Temperaturen kann im Einsatz erhebliche Probleme mit der Maßhaltigkeit und [[Festigkeit]] von Bauteilen verursachen. Im Wesentlichen sind dafür Orientierungen der Moleküle oder Verstärkungsfasern verantwortlich, die infolge des Verarbeitungsprozesses entstehen. Beim Spritzgießprozess treten im Werkzeug laminare Strömungen und Scherströmungen auf, die zur Orientierung im Bauteil führen. Liegen komplizierte geometrische Verhältnisse im Bauteil vor oder existieren mehrerer Angusskanäle, dann können zusätzlich [[Bindenaht|Bindenähte]] entstehen, die das Schrumpfverhalten ebenfalls beeinflussen. Bei der Extrusion von Halbzeugen, wie Platten oder Profilen, werden die Produkte gereckt, wodurch speziell Längsorientierungen verursacht werden und die Moleküle defacto verspannt werden. Analog dazu wird z. B. beim Tiefziehen von Bechern aus Polystyrol ([[Kurzzeichen]]: PS) aus einer kreisförmigen Platte der Dicke d0 ein Kunststoffbecher unter Temperatureinwirkung und einer mechanischen Belastung geformt. Dadurch entsteht die vorgegebene Geometrie bei einer Verringerung der Wanddicke auf d1 und der Werkstoff wird in Tiefziehrichtung orientiert, aber das Volumen des Bauteils bleibt hierbei konstant. 
Wird dieser Kunststoffbecher auf 120 °C erhitzt, dann tritt eine Schrumpfung auf, wodurch näherungsweise die gleiche Form entsteht, die er als Halbzeug hatte ('''Bild 1''').

[[Datei:Schrumpfung-1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Schrumpfung eines Kaffeebechers aus Polystyrol in Silikonöl bei 120 °C
|}

Dabei bleibt das Volumen des Kunststoffes ebenfalls gleich, nur die Gestalt und die geometrischen Abmessungen ändern sich. In den meisten Fällen ist der Schrumpf in Längsrichtung z. B. bei der Extrusion oder dem Tiefziehen deutlich größer als in der Querrichtung. Das wird besonders deutlich, wenn man das Schrumpfverhalten von Prüfkörpern des [[Zugversuch|Zug]]- und [[Schlagzugversuch|Schlagversuches]] aus Polystyrol betrachtet ('''Bild 2a'''). Hier tritt eine Abnahme der Länge der Prüfkörper bei gleichzeitiger Zunahme der Breite und Dicke auf ('''Bild 2b'''). Da die Orientierungen im Prüfkörper ungleichmäßig verteilt sind, entstehen zusätzlich ein Verzug und eine Krümmung der Prüfkörper ('''Bild 2c''').

[[Datei:Schrumpfung-2.jpg|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Schrumpf von Prüfkörpern aus PS in Silikonöl bei 120 °C, (a) Ausgangszustand, (b) Verkürzung und Verzug nach 2 h und (c) Krümmung nach 2 h
|}

Dieser Memory Effekt wird jedoch auch praktisch bei Schrumpfschläuchen der Elektrotechnik und Elektronik zur Isolation von Kabelverbindungen ('''Bild 3a''') oder der Sanierung von leckbehafteten Gasrohren nach dem PE Close-Fit-Verfahren aus metallischen Werkstoffen genutzt ('''Bild 3b''').

[[Datei:Schrumpfung-3.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Anwendung von (a) Schrumpfschläuchen und (b) PE 100-Rohren
|}

Dabei werden extrudierte PE 100-Rohre im erhitzten Zustand durch eine Rolle so verformt, dass sie in das zu reparierende Metallrohr eingeschoben werden können. Anschließend wird das PE-Rohr durch eingeblasenen Heißdampf rückverformt, wodurch eine kraftschlüssige dichte Verbindung zwischen den beiden Rohren entsteht.

==Ermittlung der Schrumpfung==

Die Messung der Schrumpfung erfolgt im [[Schrumpfversuch]], wobei man hierbei in die Ermittlung des freien Schrumpfs und die Bestimmung der Schrumpfkraft unter Einwirkung einer entsprechenden Temperatur unterscheidet. Bei der messtechnischen Ermittlung des Schrumpfverhaltens von Prüfkörpern wird dieser einseitig eingespannt und die Veränderung der Länge mit zunehmender Temperatur wird mit einem Dehnungsaufnehmer registriert ('''Bild 4a'''). Diese Messmethode wird auch als [[Thermische_Dehnungs-Analyse|Thermische Dehnungs-Analyse (TDA)]] bezeichnet. Die Kenngröße Schrumpfung ΔL kann dabei in Millimeter, dimensionslos oder in Prozent als relativer [[Kennwert]] angegeben werden. 
Oftmals ist jedoch auch die entstehende Schrumpfkraft oder -spannung, speziell unter Zwangsbedingungen, von Interesse. In diesem Fall wird der Prüfkörper beidseitig eingespannt und ebenfalls die Temperatur langsam erhöht. Die entstehende Reaktionskraft FS infolge der behinderten Schrumpfung wird durch eine Kraftmessdose (siehe [[Piezoelektrischer Kraftaufnehmer]] und [[Piezokeramischer Schwinger]]) registriert und dann eventuell durch Bezug auf die Querschnittsfläche in eine Schrumpfspannung σS umgerechnet ('''Bild 4b'''). Dieses Verfahren wird auch als [[Thermische_Spannungs-Analyse|Thermische Spannungs-Analyse (TSA)]] bezeichnet, wobei hier wie bei der TDA oftmals ortsaufgelöste lokale Dehnungsinformationen angestrebt werden.

[[Datei:Schrumpfung-4.jpg|550px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px"|Prinzipielle Darstellung eines Messplatzes zur (a) Schrumpfungsmessung und (b) Schrumpfkraftmessung
|}

'''Literaturhinweise'''

* Richter, H. W.: Instandsetzung von Rohrleitungen. Vulkan Verlag Essen (2004)
* [[Ehrenstein, Gottfried W.|Ehrenstein, G. W.]]: Beständigkeit von Kunststoffen. Carl Hanser Verlag, München Wien (2007) (ISBN 978-3-446-21851-2; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 31)
* Ehrenstein, G. W.: Mit Kunststoffen konstruieren – Eine Einführung. Carl Hanser Verlag, München Wien (2007) (ISBN 978-3-446-41322-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 42)
* Bruder, U.: Kunststofftechnik leicht gemacht. Carl Hanser Verlag, München Wien (2016) (ISBN 978-3-446-44957-2)
* Baur, E., Brinkmann, S., Osswald, T. A., Schmachtenberg, E.: Saechtling Kunststofftaschenbuch. Carl Hanser Verlag, München Wien (2007) (ISBN 978-3-446-40352-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 4-2)
* Hellerich, W., Harsch, G., Baur, E.: Werkstoff-Führer Kunststoffe. Carl Hanser Verlag, München Wien (2010) (ISBN 978-3-446-42436-4; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 37)
* Käufer, H.: Arbeiten mit Kunststoffen – Band 2: Verarbeitung. Springer Verlag, Berlin (2013) (ISBN 978-3-642-81201-9)
* Selden, P. H.: Glasfaserverstärkte Kunststoffe. Springer Verlag, Berlin (2013) (ISBN 978-3-642-86867-2)
* Elsner, P., Eyerer, P., Hirth, T.: Domininghaus – Kunststoffe: Eigenschaften und Anwendungen. Springer Verlag, Berlin (2012) (ISBN 978-3-642-16172-8; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 41)
* Hellwege, K.-H.: Die Festigkeit thermoplastischer Kunststoffe in Abhängigkeit von den Verarbeitungsbedingungen. Springer Verlag, Berlin (2013) (ISBN 978-3-663-04627-1)
* Mayer, S.: Schrumpfverhalten & Formveränderung von Kunststoffbrillenfassungen nach Temperatureinwirkung. Bachelor Thesis, (2013) Hochschule Aalen
* Meyer, B.-R., Falke, D.: Maßhaltige Kunststoff-Formteile: Toleranzen und Formteilengineering. Carl Hanser Verlag, München Wien (2013) (ISBN 978-3-446-43689-3)
* Delpy, U.: Schnappverbindungen aus Kunststoff: Anwendung und Auslegung, Einflüsse der Gestalt, des Werkstoffs und der Fertigung. Expert Verlag, Wiesbaden (1989) (ISBN 978-3-816-90488-5)
* Saechtling, H.: Saechtling Kunststoff Taschenbuch. Carl Hanser Verlag, München Wien (2013) (ISBN 978-3-446-43729-6)
* DIN 55543-4 (2017-03): Verpackungsprüfung – Prüfverfahren für Verpackungsfolien – Teil 4: Bestimmung der Schrumpfung von Kunststoff-Folien im Flüssigkeitsbad
* DIN EN 12617-2 (2004-11): Produkte und Systeme für den Schutz und die Instandsetzung von Betontragwerken – Prüfverfahren – Teil 2: Schrumpfung von polymeren Rissfüllstoffen: Volumetrische Schrumpfung
* ISO 2577 (2007-12): Kunststoffe – Warmaushärtbare Formkunststoffe – Bestimmung der Schrumpfung

[[Kategorie:Verarbeitungsrelevante Eigenschaften]]

Schmelze-Volumenfließrate

2021-01-12T13:10:37Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Schmelze-Volumenfließrate (MVR) (Autor: [[Radusch,_Hans-Joachim|Prof. Dr. H.-J. Radusch]])

Die Schmelze-Volumenfließrate (engl.: MVR = '''M'''elt '''V'''olume-Flow '''R'''ate oder umgangssprachlich auch MVI = Melt Volume Index) dient zur Charakterisierung des Fließverhaltens eines [[Thermoplaste|thermoplastischen Kunststoffes]].
Für die Bestimmung der Schmelze-Volumenfließrate werden Schmelzindex-Prüfgeräte eingesetzt, wie sie auch für die Bestimmung der [[Schmelze-Massefließrate]] (MFR) herangezogen werden. Die Schmelze-Volumenfließrate MVR gibt das aus der Kapillare in 10 min gepresste Volumen an. Der MVR-Wert wird in cm3 (10 min)-1 angegeben und nach der Gleichung berechnet:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> MVR=\frac{\pi\cdot r^2\cdot l\cdot t_{ref}}{t}=\frac {427\cdot l}{t}</math>
|}

mit
{|
|-
|r
|width="15px" |
|Kolbenradius
|-
|l
|
|zurückgelegter Kolbenweg
|-
|tref
|
|600 s
|-
|t
|
|Messzeit
|
|}

Die Schmelzindexbestimmung ist in DIN EN ISO 1133 [2] und ASTM D 1238 [3] standardisiert. 
Zu dem ermittelten [[Werkstoffkennwert|Kennwert]] sind jeweils die Prüfbedingungen anzugeben.

Der Schmelzindexwert stellt nur einen einzelnen der [[Scherviskosität|Viskosität]] indirekt proportionalen Wert bei relativ niedriger Schergeschwindigkeit dar. Auf Grund des einfachen Messprinzips ist keine unmittelbare Vergleichbarkeit mit auf Hochdruckkapillarrheometern gemessenen Viskositätswerten gegeben [1]. Mittels Schmelzindexgerät gemessene Viskositätswerte können im Vergleich zu auf Hochdruck[[Kapillarrheometer|kapillarrheometern]] gemessenen korrigierten, tatsächlichen Werten bis zu 30 % differieren [4].

'''Danksagung'''
{|
|-valign="top"
|Die Herausgeber des Lexikons danken Prof. Dr. H.-J. Radusch, [https://www.uni-halle.de/ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] und [https://www.polymerservice-merseburg.de/ Polymer Service GmbH Merseburg] für diesen Gastbeitrag.
|}

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Radusch,_Hans-Joachim|Radusch, H.-J.]]: Bestimmung verarbeitungsrelevanter Eigenschaften. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 68–70, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 1133: Kunststoffe – Bestimmung der Schmelze-Massefließrate (MFR) und der Schmelze-Volumenfließrate (MVR) von Thermoplasten 
: Teil 1 (2012-03): Allgemeines Prüfverfahren 
: Teil 2 (2012-03): Verfahren für Materialien, die empfindlich gegen eine zeit- bzw. temperaturabhängige Vorgeschichte und/oder Feuchte sind
|-valign="top"
|[3]
|ASTM D 1238 (2013): Standard Test Method for Melt Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion Plastometer
|-valign="top"
|[4]
|Schramm, G.: Einführung in die Rheologie und Rheometrie. Gebrüder Haake, Karlsruhe (1995)
|}

[[Kategorie:Verarbeitungsrelevante Eigenschaften]]
[[Kategorie:Gastbeiträge]]

Schlagbeanspruchung Fallbolzensystem

2021-01-12T13:10:11Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Schlagbeanspruchung, Kunststoffe, Fallbolzensystem
__FORCETOC__
==Höhere Deformationsgeschwindigkeiten==
Moderne Hochleistungskunststoffe für Leichtbauanwendungen des Maschinenbaus, der Fahrzeug- oder Flugzeugindustrie sowie von Behältern oder Rohrleitungen der Chemieindustrie erfordern speziell in Crashsituationen (siehe auch: [[Hochgeschwindigkeitszugversuch]]) genaue Kenntnisse des Verhaltens dieser Werkstoffe bei Schlagbeanspruchungen mit hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten. Derartige stoßartige Belastungen überlagern sich mit den vorhandenen statisch/dynamischen [[Beanspruchung]]en und können damit kritische Zustände hervorrufen, die zum [[Bauteilversagen|katastrophalen Versagen]] von [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] führen können. Ursache sind die lokal stark erhöhten [[Deformationsgeschwindigkeit]]en speziell in Anwesenheit von Spannungsspitzen an scharfen [[Kerb]]en oder Kanten, mehrachsigen [[mehrachsiger Spannungszustand|Spannungszuständen]] und/oder erniedrigten Einsatztemperaturen [1]. 
Bei [[Kunststoffe]]n erfordern die molekularen [[Relaxation Kunststoffe|Relaxations-]] und [[Kriechen Kunststoffe|Retardationsmechanismen]] eine hinreichende Reaktionszeit, welche bei hohen Schlaggeschwindigkeiten und/oder sehr niedrigen Temperaturen nicht mehr garantiert werden kann. Infolge dessen wird das Schädigungs-, Festigkeits-, Deformations- und Bruchverhalten dieser Hochleistungskunststoffe signifikant durch die [[Geschwindigkeit]] dε/dt bzw. Frequenz f oder die Einwirkungszeit tB der [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|Schlagbeanspruchung]] beeinflusst, wie es unterschiedliche Impactbelastungen in '''Tabelle 1''' verdeutlichen.

'''Tabelle 1''': Zuordnung von typischen Beanspruchungsarten zur Versuchszeit bzw. [[Deformationsgeschwindigkeit]] 
[[Datei:Schlagbeanspruchung_Fallbolzensystem-1.JPG|600px]]

Die '''Tabelle 1''' zeigt, dass mit [[Kerbschlagzugversuch|konventionellen]] oder auch [[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch|instrumentierten Schlag- oder Kerbschlagzug-]] oder [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|-biegeversuchen]] das Verhalten der Werkstoffe bei derartig hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten nicht untersucht bzw. simuliert werden kann, da die maximal erreichbare [[Prüfgeschwindigkeit]] von 3,9 m/s selbst bei lokal überhöhter [[Deformationsgeschwindigkeit]] nicht ausreicht. Zudem liegt in diesen Versuchen, die industriell zur [[Zähigkeit]]scharakterisierung von Kunststoffen genutzt werden, als auch bei [[Hochgeschwindigkeitszugversuch]]en ein dominant [[einachsiger Spannungszustand|einachsiger]] Belastungs- und Spannungszustand vor, der die reale Situation von [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] im Einsatz nicht widerspiegeln kann.

==Hochgeschwindigkeitsprüfgeräte==

Zur Untersuchung des Impactverhaltens von Bauteilen unter hohen [[Prüfgeschwindigkeit]]en und multiaxialer Beanspruchung werden deshalb zumeist Fallbolzenprüfsysteme eingesetzt, die optional mit Temperierkammern ausgerüstet sind. Bei Ausstattung mit einem zusätzlichen Beschleunigungssystem werden Prüfgeschwindigkeiten statt 4,4 m/s von bis zu 20 m/s erreicht ('''Bild 1''').

[[Datei:Schlagbeanspruchung_Fallbolzensystem-2.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Schematischer Aufbau des Fallbolzenprüfsystems FRACTOVIS der Fa. Instron/Ceast
|}

In diesen Hochgeschwindigkeitsprüfanlagen wird ein Fallbolzen mit unterschiedlichen Durchmessern (10, 12,5 oder 20 mm) auf die vorgesehene Höhe angehoben und anschließend wird der freie Fall ausgelöst. Die erforderliche Schlagenergie wird von der Fallhöhe und den angebrachten Zusatzmassen bestimmt. Bei Nutzung des Beschleunigungssystems der Prüfanlage wird das Gestänge über Federn vorgespannt, deren Energie eine zusätzliche Beschleunigung ausübt. Kurz vor dem Impact des Prüfkörpers wird durch eine optische Messstrecke die Auftreffgeschwindigkeit des Fallbolzens ermittelt. Das Kraft-Zeit-Diagramm wird mit Hilfe von [[Dehnmessstreifen]] oder einer [[piezoelektrischer Kraftaufnehmer|piezoelektrischen Kraftmesszelle]] aufgezeichnet, die in der Regel nahe an der Fallbolzenspitze installiert ist. Falls das Messsystem optional mit einer Dreipunktbiegeanordnung ('''Bild 2''') ausgestattet ist (siehe: [[Biegebeanspruchung]]), können [[Kerbschlagbiegeversuch|konventionelle]] oder [[instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|instrumentierte Schlag- oder Kerbschlagbiegeversuche]] nach [[Charpy, Georges|CHARPY]] bis zu Prüfgeschwindigkeiten von 20 m/s realisiert werden.

[[Datei:Schlagbeanspruchung_Fallbolzensystem-3.JPG|300px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Optionale CHARPY-Prüfeinrichtung für Fallbolzenprüfsysteme
|}

Aus der registrierten Kraft-Zeit-Kurve wird unter Kenntnis der Auftreffgeschwindigkeit v0 das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm ermittelt und nachfolgend in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 179-1 [2] die [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] berechnet. Probleme können bei der Auswertung von [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|instrumentierten Kerbschlagbiegeversuchen]] (IKBV) auftreten, da sich mit zunehmenden [[Prüfgeschwindigkeit]]en infolge des [[Aufschlagimpuls]]es die experimentellen Bedingungen ändern und starke Schwingungen sich dem Nutzsignal überlagern können. Eine sinnvolle bruchmechanische Zähigkeitsbewertung oder Auswertung nach DIN EN ISO 179-2 [3] ist dann unter Umständen nicht mehr möglich (siehe: [[bruchmechanische Prüfung]]).

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Schlagartige Beanspruchung. In: Grellmann, W., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 158−168, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 179-1 (2010-11): Kunststoffe − Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften. Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[3]
|DIN EN ISO 179-2 (2020-09): Kunststoffe − Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften. Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|}

[[Kategorie:Schadensanalyse_Bauteilversagen]]
[[Kategorie:Schlagversuche]]

Datei:Rotationsrheometer-2.JPG

2021-01-12T13:08:45Z

Posch: Posch lud eine neue Version von Datei:Rotationsrheometer-2.JPG hoch

Datei:Rotationsrheometer-1.JPG

2021-01-12T13:08:35Z

Posch: Posch lud eine neue Version von Datei:Rotationsrheometer-1.JPG hoch

ROCKWELL-Härte

2021-01-12T13:07:22Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
ROCKWELL-Härte
__FORCETOC__
==Prinzip der ROCKWELL-Härteprüfung==

Die ROCKWELL-Härteprüfung wurde aufbauend auf Arbeiten von LUDWIK und ROCKWELL im Jahre 1922 ursprünglich für metallische Werkstoffe entwickelt. Bei dieser [[Härteprüfung]] wird der Härtewert mit Hilfe der gemessenen Eindrucktiefe bestimmt. Als [[Eindringkörper]] werden je nach dem zu prüfenden Werkstoff entweder ein Diamantkegel oder eine gehärtete Stahlkugel eingesetzt. Das Prinzip der Härteprüfung ist in '''Bild 1''' schematisch dargestellt.

[[Datei:rockwell.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Prinzip der Härteprüfung nach ROCKWELL
|}

Der Unterschied zu anderen Härteprüfverfahren besteht darin, dass beim ROCKWELL-Verfahren eine Prüfvorkraft (Vorlast) F0 aufzubringen ist, wodurch Einflüsse der [[Oberfläche]] minimiert werden und definierte Bedingungen für den Kontakt zwischen Eindringkörper (siehe [[Indenter]]) und [[Prüfkörper]] bzw. Prüfeindruck realisiert werden. Auf diese Weise wird eine definierte Bezugsebene dicht unter der Oberfläche vorgegeben, wodurch eine reproduzierbare Kennwertangabe möglich wird. Danach wird die erheblich größere Prüfzusatzkraft (Hauptkraft, Prüflast) aufgebracht, die den [[Indenter]] weiter in den Prüfkörper eindringen lässt. Die Eindringtiefe wird bei wirkender Vorlast und Hauptkraft messtechnisch erfasst. Auf Grund der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und der universellen Anwendung für verschiedenste Werkstoffe (Stahl, Gusseisen, Nichteisenmetalle, Lagermetalle, [[Kunststoffe]], elektrische Isoliermaterialien) ist dieses Härteprüfverfahren ständig weiterentwickelt worden, woraus auch zahlreiche Normen entstanden [1].

==Die Härteskalen R, L, M, E und K==

Es existieren insgesamt 15 genormte und weitere 15 nichtgenormte Rockwellhärteskalen. Die Namen für die ältesten Skalen wurden aus den Eindringkörpern ([[Indenter]]) abgeleitet, nämlich HRC für den Diamantkegel (engl.: Cone) mit 120° Spitzenwinkel und HRB für die Stahlkugel (engl.: Ball).

HRB unterliegt dabei einer der Brinellprüfung vergleichbaren Härtebeschränkung, da hier eine sich bei zu großer Werkstoffhärte unzulässig verformende Stahlkugel als Eindringkörper eingesetzt wird. Daraus wird verständlich, dass HRC als wichtigste und universellste Skala anzusehen ist, deren Anwendungsbereich vorwiegend bei gehärteten bzw. vergüteten Stählen und Grauguss liegt.

==ROCKWELL-Härteprüfung für Kunststoffe==

Für [[Kunststoffe]] wurden in der ROCKWELL-Härteprüfung die Skalen R, L, M, E und K entwickelt, wobei Stahlkugeln mit unterschiedlichen Durchmessern (Skala R: 12,7 mm, Skalen L und M: 6,35 mm, Skalen E und K: 3,175 mm) verwendet werden. Die Verfahren sind in den Normen DIN EN ISO 2039-2 [2] und der ASTM D 785 [3] standardisiert, wobei das Verfahren HRK nur in der [https://www.astm.org/ ASTM] enthalten ist (siehe [[Alpha-Rockwellhärte]]).

Für einen reproduzierbaren Eindringvorgang ist es erforderlich, bestimmte Grenzen für die Beanspruchungsdauer zu definieren. Zur tatsächlichen Messung dient die gesamte Eindringtiefe abzüglich der elastischen Rückverformung, nachdem eine festgelegte Zeit nach dem Zurücknehmen der Prüflast vergangen ist, abzüglich der durch die Vorlast bedingten Eindringtiefe.

Nach einer Einwirkdauer der Vorkraft von 10 s wird die Prüfkraft F1 aufgebracht und nach einer Haltezeit von 15 s wird entlastet. Die verbleibende Eindringtiefe h bei wirkender Vorkraft wird gemessen und die Rockwellhärte HR kann entsprechend der nachfolgend angegebenen Definition ermittelt werden.
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>HR\,=\,130- \frac{h}{0{,}002 \,mm} </math>
|}

mit
{|
|-
|h
|width="15px" |
|bleibende Eindringtiefe in mm
|}

Die ROCKWELL-Verfahren nach den Skalen R, L, M, E und K decken einen großen Härtebereich ab, wobei sie ausschließlich den bleibenden Verformungsanteil erfassen. Nachteilig ist, dass keine Vergleichbarkeit der nach den verschiedenen Skalen gewonnenen Ergebnisse gegeben ist (siehe [[Härteumwertung]]).

Eine umfassende Literaturanalyse zu den ROCKWELL-Härtekennwerten [[Alpha-Rockwellhärte|α]], R, L und M für zahlreiche Kunststoffe ist in [4] enthalten.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]; [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 197/198, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 2039-2 (2000-01): Kunststoffe – Bestimmung der Härte – Teil 2: Rockwellhärte
|-valign="top"
|[3]
|ASTM D 785 (2008; reapproved 2015): Standard Test Method for Rockwell Hardness of Plastics and Electrical Insulating Materials
|-valign="top"
|[4]
|Koch, T., [[Bierögel,_Christian|Bierögel, C.]], Seidler, S.: Conventional Hardness Values. In: Grellmann, W., Seidler, S.: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) S. 357–379, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
|}

[[Kategorie:Härte]]

Prüfung von Verbundwerkstoffen

2021-01-12T13:04:49Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Prüfung von Verbundwerkstoffen – Grundlagen

==Allgemeines==

[[Faserverstärkte Kunststoffe|Faserverbundwerkstoffe (FVW)]] sind ein Verbund aus Fasern und Matrix, wobei die Fasern zur Verstärkung der Matrix dienen. Bei polymeren FVW kann die Matrix aus einem [[Thermoplaste|thermoplastischen]] (PP, PA oder POM) oder [[Duroplaste|duroplastischen]] (EP- oder UP-Harz) Kunststoff bestehen. Die mechanischen Eigenschaften sind primär vom Matrixmaterial, der Faserart, dem [[Veraschungsmethode|Fasergehalt]] und der [[Faserorientierung]] abhängig. 
Die Eigenschaftswerte der Verstärkungs- und Matrixwerkstoffe setzen sich in den wenigsten Fällen additiv zusammen. Da FVW einen heterogenen Aufbau besitzen, sind bei einer äußeren [[Beanspruchung]] die Spannungen und Dehnungen neben der Zeitabhängigkeit zusätzlich orts- und richtungsabhängig. 

==Die Anisotropie der Fasern==

Die [[Anisotropie]] der Eigenschaft bedeutet eine Erschwernis bei der [[Kunststoffbauteil|Dimensionierung von Bauteilen]] aus Faserverbundwerkstoffen, so dass spezielle Prüfverfahren zur Beschreibung der Richtungsabhängigkeit erforderlich sind. Um das Leistungspotenzial der Fasern optimal auszunutzen, werden sie z. B. unidirektional (UD), d. h. parallel in Schichten zu den Hauptbelastungsrichtungen gelegt. Die unidirektionalen Faserverbunde zeigen von allen denkbaren Faseranordnungen den geringsten [[Anisotropie]]grad. Aufgrund der drei vorhandenen Symmetrieebenen spricht man von einem orthotropen Werkstoff. Isotrope Werkstoffe zeichnen sich durch nur zwei voneinander unabhängige Werkstoffkonstanten aus. Wenn [[Elastizitätsmodul]] E und [[Querkontraktion]] ν bekannt sind, dann kann der [[Schubmodul|Schubmodul G]] berechnet werden, was im Fall von orthotropen FVW nicht möglich ist. Aufgrund der [[Anisotropie]] der Fasern und den besonderen Anforderungen in den verschiedenen Industriebranchen können die konventionellen Prüfverfahren für [[Kunststoffe]] nur bedingt auf FVW übertragen werden. Aus diesem Grund existiert eine Vielzahl von Prüfverfahren, die speziell für [[Faserverstärkte Kunststoffe|Faserverbundwerkstoffe]] und diesbezüglich Industriebranchen entwickelt wurden.

==Zulassungsprüfungen von Faserverbundwerkstoffen==

Bei der Prüfung der mechanischen Eigenschaften von FVW ist zu berücksichtigen, dass diese Werkstoffe schon herstellungsbedingt Schäden ([[Gasblasen]], [[Vakuolen]], Delaminationen) enthalten können. Für eine ausreichende Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit in der Kennwertermittlung ist daher eine umfassende Qualitätskontrolle der FVW nach dem Herstellungsprozess und im Laufe der Einsatzdauer erforderlich. Neben der werkstoffbezogenen Qualitätsprüfung sind für die Zulassung als tragendes [[Kunststoffbauteil|Bauteil]] z. B. der Luftfahrt- oder Windkraftindustrie verschiedene Teilkomponenten- bzw. vollständige [[Bauteilprüfung|Bauteiltests]] erforderlich.

[[Datei:pruefungverbundwerkstoffe1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Zulassungsprüfungen in Abhängigkeit der Prüfkörperanzahl und der relativen Kosten [1]
|}

In der Luftfahrtindustrie erfolgt die Zulassung eines neuen Bauteils aus FVW über vier wesentliche Stufen. '''Bild 1''' zeigt die Gegenüberstellung der Zahl der erforderlichen Prüfungen in Form einer Pyramide und der auftretenden relativen Kosten.

==Zulassung von Bauteilen – Bauteiltests==

Neben der werkstoffbezogenen Qualitätsprüfung sind für die Zulassung als [[Bauteilversagen|Bauteil]] Teilkomponenten- bzw. vollständige [[Bauteilprüfung|Bauteiltests]] erforderlich. Von unten nach oben reduziert sich die Anzahl der [[Prüfkörper]] von über 1000 auf Coupontestniveau auf ein oder zwei [[Prüfkörper]] bei der [[Bauteilprüfung]]. Rechts sind die dabei entstehenden relativen Kosten aufgeführt. Auf dem Coupontestniveau werden mit Abstand die meisten Prüfungen durchgeführt, z. B. [[Zugversuch|Zug-]], [[Druckversuch|Druck-]] und [[Biegeversuch|Biegeprüfungen]] sowie Short-Beam-Tests (siehe: [[Interlaminare Scherfestigkeit]]) im trockenen und feuchten Zustand. Wenn die Werkstoffe den geforderten Anforderungen entsprechen, werden in der zweiten Stufe verschiedene Detailtests, wie Open-Hole Compression, Edge-Delamination Test (EDT) und [[Compression After Impact (CAI)-Test|Compression After Impact (CAI)]] (siehe auch: [[Druckprüfanordnung]]) Tests durchgeführt, bevor die ersten Teilkomponenten gebaut und geprüft werden. Die [[Bauteilprüfung]], die zu einem neuen Bauteil aus FVW führt, ist somit die teuerste Prüfung und verbraucht etwa 70 % der Kosten einer Bauteilentwicklung. 
Die Coupon- und Detailprüfungen stellen eine besondere Herausforderung an die zu verwendende [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschine]] dar. Da die sich unter Belastung einstellenden Verformungen bei den Faserverbundwerkstoffen sehr gering sind, müssen hochauflösende und präzise [[Laserextensometrie#Laserextensometrie – Gerätesysteme|Dehnmesstechniken]] verwendet werden. Gleichzeitig muss die Materialprüfmaschine hinsichtlich des [[Lastrahmen]]s und der verwendeten [[Prüfkörpereinspannung|Einspannwerkzeuge]] höchsten Ansprüchen genügen. Das betrifft insbesondere die [[Maschinennachgiebigkeit]], die bei der Prüfung von FVW möglichst gering sein sollte. Infolge der Richtungs- und Scherempfindlichkeit von Faserverbunden müssen alle [[Prüfkörpereinspannung|Spannelemente]] exakt in der Lastlinie fluchten, um sogenannte Axialitätsfehler wie z. B. Schiefzug möglichst zu vermeiden [2]. Zur Messung des Schiefzugs verwendet die [https://www.zwick.de/de-de Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG] bei ihrer Prüfmaschine der neuesten Generation „Allround Line“ ('''Bild 2''') spezielle Messeinrichtungen, die sich an der Geometrie der speziellen [[Prüfkörper]] orientieren.

[[Datei:pruefungverbundwerkstoffe2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Universalprüfmaschinen der Serie „Allround Line“ der [https://www.zwick.de/de-de Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG] [2]
|}

Die Ausrichtung der Zugachsen zur Minimierung der Biege- und Torsionsanteile in der [[Materialprüfmaschine]] erfolgt dabei über mechanische Justiereinrichtungen (Alignement Fixtures). Dies ist insofern notwendig, da in der Prüfung von FVW nicht nur internationale und nationale Normen, wie ISO, ASTM, EN und DIN, verwendet werden, sondern auch spezifische werksinterne Regelwerke (Airbus, EADS, Boeing BSS) zur Anwendung kommen, die gleichzeitig spezielle Prüfvorrichtungen für [[Zugversuch|Zug-]], [[Druckversuch|Druck-]], [[Biegeversuch|Biege-]] oder Scherversuche sowie [[Bruchmechanische_Prüfung|bruchmechanische Testmethoden]] erfordern.

Eine zunehmende Bedeutung für Leichtbaukonstruktionen haben unidirektional (UD) mit endlosen Fasern verstärkte Kunststoffverbunde (FKV)) gefunden. Die Verwendung einer [[Thermoplaste|thermoplastischen]] Matrix ermöglicht ihre Integration z. B. in den Spritzgussprozess und damit den Ersatz von metallischen Bauteilen. Sie erfüllen aufgrund der unidirektionalen Endlosfaserverstärkung in Faserrichtung hohe Anforderungen an die [[Festigkeit]] und die [[Steifigkeit]]. Durch ihre Applikation entlang der Lastpfade werden die Vorteile optimal ausgeschöpft. Dabei können sie entweder direkt als Tape oder nach einer Konsolidierung der Schichten individuell dem Bauteil angepasst werden. wobei die Faserorientierung der Schichten individuell dem Bauteil angepasst wird [3]. 
Entsprechend ihres Einsatzes im Bauteil werden UD-Tapes überwiegend einer Zugbelastung ausgesetzt. Somit ist eine der wichtigsten Eigenschaften der UD-Tapes ihr Verhalten bei Zugbeanspruchung [4]. Bei der Zugbeanspruchung von UD-Tapes werden besondere Phänomene, wie das Spleißen und das strangweise Brechen von UD-Tapes beobachtet, die eine reproduzierbare Kennwertermittlung beeinflussen (siehe auch: [[Mehrfachbruch UD-Tapes]]). 
Um das komplexe Bruchverhalten der UD-Tapes beschreiben zu können, dessen Einfluss auf das Versagen der Tapes und der daraus hergestellten Laminate im Bauteil, ist die Entwicklung und Durchführung spezieller technologischer Untersuchungsmethoden notwendig. Dazu zählen auch bruchmechanische Methoden, die die Rissinitiierung und Rissausbreitung beschreiben können und sehr sensitiv gegenüber strukturellen Änderungen in [[Kunststoffe]]n sind [5–7].

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Altstädt,_Volker|Altstädt, V.]]: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 547/548, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|[https://www.zwick.de/composites https://www.zwick.de/composites] (Zugriff am 18.05.2020)
|-valign="top"
|[3]
|Monami, A., Arndt, S., Meyer, S., Lehmann, S., Grellmann, W., Langer, B., Michel, P.: Bewertung der Werkstoffeigenschaften von UD-Tapes für den Leichtbau. Technomer 2017, Chemnitz, 9. und 10.11.2017, Tagungsbeitrag , S. 1–7
|-valign="top"
|[4]
|Monami, A., Langer, B., Grellmann, W.: Moderne Methoden der Kunststoffprüfung zur Werkstoffentwicklung und Bauteilprüfung. In: Christ. H.-J. (Eds.), Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Stahleisen, Düsseldorf (2016) 219–224
|-valign="top"
|[5]
|Grellmann, W., Langer, B. (Hrsg.): Deformation and Fracture Behavior of Polymer Materials. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017), (ISBN 973-3-319-41877-7; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)
|-valign="top"
|[6]
|Grellmann, W., [[Seidler, Sabine|Seidler, S.]]: Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, 3. Auflage, München (2015) (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN ISO 527-4 (2020-08): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 4: Prüfbedingungen für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (Entwurf)
|}

[[Kategorie:Kunststoffe]]

Prüfung von Kunststoffverpackungen

2021-01-12T13:04:26Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Prüfung von Kunststoffverpackungen
__FORCETOC__
==Prüfmethoden für die Verpackungsprüfung==

Die moderne Verpackungstechnik ist heutzutage ein unverzichtbarer Bestandteil der Industrie- und Dienstleistungsgesellschaft geworden [1].

Um die wachsenden Ansprüche an die Zuverlässigkeit, Sicherheit, Lebensdauer und die vielfältigen Funktionen von Verpackungsmaterialien aus [[Kunststoffe]]n zu gewährleisten und das Versagen durch [[Bruch]] bzw. die Funktionsuntüchtigkeit von Verpackungsmaterialien zu vermeiden, ist die Einbeziehung von aussagekräftigen kunststoffspezifischen Mess- und Untersuchungsmethoden in eine funktionsbezogene Verpackungsprüfung erforderlich. 
Dabei können bei der Prüfung von starren Verpackungen auf die herkömmlichen grundlegenden Prüfmethoden der [[Kunststoffprüfung]], [[Kunststoffdiagnostik]] sowie [[Bauteilprüfung]] [2, 3] und für flexible Verpackungsmaterialien z. B. Folien auf aussagefähige Bewertungsmethoden in der [[Folienprüfung]] zurückgegriffen werden [4‒6].

==Prüfung der Schutzfunktion von Verpackungen==

In der Prüfpraxis für Verpackungsmaterialien sind neben dem hohen Anteil an Transport- und Lagerverpackungen mit Containmentfunktion (engl.: Containment – zusammenhalten) insbesondere der Schutz vor chemischen, biologischen bzw. mikrobiologischen Einwirkungen von Bedeutung. In [1] werden die folgenden in der Pharma-, Kosmetik-, Nahrungs- und Genussmittelindustrie bedeutsamen Schutzfunktionen ausführlich erläutert:

*Schutz vor Luftsauerstoff (O2)
*Schutz vor Gasverlust bei Schutzgasverpackungen
*Schutz vor Feuchteeintrag und -verlust
*Schutz vor Licht und UV-Strahlung
*Schutz vor Aromaverlust oder Fremdgerüchen
*Stabilität gegenüber hohen oder tiefen Temperaturen
*Schutz vor mechanischen Einwirkungen
*Hygiene von Verpackungen

==Technologische Prüfverfahren==

Neben den einfacheren Prüfungen, die durch Vorgaben in nationalen und internationalen Normen routinemäßig durchgeführt werden können, gibt es in der Verpackungsprüfung auch neue, entsprechend dem jeweiligen Anforderungsprofil von Verpackungssystemen, speziell entwickelte Methoden. Als Beispiele für mitunter sehr aufwendige Prüfungen sollen angeführt werden [1]:

*Prüfung von Gewindeverschlüssen auf Dichtheit
*Bestimmung der Planheit des Siegelrandes und der Schlagfestigkeit des Bodens oder Widerstandes gegen eine seitliche Deformation von im Spritzgussverfahren hergestellten Kunststoffbechern
*Kenntnis der Gasdurchlässigkeiten gegenüber Sauerstoff, CO2, Aromen, Lösungsmitteln usw. und der Wasserdampfdurchlässigkeit von Kunststoffen mit Barriereeigenschaften (siehe auch [[Barriere-Kunststoffe]])
*Prüfung der Axialdruckfestigkeit von Verpackungen, die beim Füllen, Verschließen und/oder Stapeln einer Axialbelastung (siehe [[einachsiger Spannungszustand]]) ausgesetzt sind
*Formbeständigkeit von starren Kunststoffverpackungen gegenüber Unterdruck
*Bestimmung der Vakuum-Dichtheit von geschlossenen Verpackungen in Wasserbehältern, Prüfung der Dichtheit von Verschlüssen starrer Kunststoffbehälter und Verschlusssystemen z. B. für pharmazeutische Verpackungen.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Bergmair, J., Washüttl, M., Wepner, B.: Prüfpraxis für Kunststoffverpackungen. B. Behr’s Verlag GmbH & Co. KG, Hamburg, 2. Auflage (2012) (ISBN 978-3-89947-907-2; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter C 36)
|-valign="top"
|[2]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler, Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 1‒5 (ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[3]
|Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Polymer Testing. Carl Hanser Verlag, München Wien (2013) 2. Auflage (ISBN 978-1-56990-548-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 15)
|-valign="top"
|[4]
|Reincke, K., Grellmann, W.: Verfahren zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Folien und Elastomeren. Kautsch. Gummi Kunstst. 63 (2010) 203‒208
|-valign="top"
|[5]
|Reincke, K., Grellmann, W.: Approaches to Characterise the Mechanical Properties of Films and Elastomers. In: Grellmann, W., Langer, B. (Eds.) Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials, Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017), S. 257‒270 (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)
|-valign="top"
|[6]
|Nentwig, J.: Kunststoff-Folien. Herstellung‒Eigenschaften‒Anwendungen. Carl Hanser Verlag München Wien (2006) (ISBN 978-3-446-40390-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter G 7-1)
|}

[[Kategorie:Folienprüfung]]

Prüfgeschwindigkeit

2021-01-12T13:04:04Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Prüfgeschwindigkeit

siehe: [[Traversengeschwindigkeit]]

Der Begriff Prüfgeschwindigkeit wird bevorzugt in der [[Werkstoffprüfung|Werkstoff-]] und [[Kunststoffprüfung]], unabhängig von der Art der Belastung und der Zeitdauer der [[Beanspruchung]], genutzt, aber auch zur Beschreibung der [[Geschwindigkeit]] von beliebig gearteten Verformungsprozessen z. B. zur Analyse der Fließgeschwindigkeit eingesetzt [1−3]. 
In der [[Kunststoffprüfung]] versteht man unter dem Begriff Prüfgeschwindigkeit die eingeprägte Geschwindigkeit, die von einer Belastungseinrichtung auf den [[Prüfkörper]] aufgebracht wird. Bei Nutzung einer elektromechanischen oder servohydraulischen [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschine]], mit der z. B. [[Zugversuch|Zug-]], [[Druckversuch|Druck-]], [[Biegeversuch|Biege-]] oder Scherversuche durchgeführt werden können, entspricht die Prüfgeschwindigkeit der sogenannten [[Traversengeschwindigkeit]] (teilweise auch Abzugsgeschwindigkeit), mit der sich die bewegliche Traverse mit der [[Prüfkörpereinspannung]] nach oben oder unten bewegt. Da die [[Geschwindigkeit]] unabhängig von der entstehenden Reaktionskraft des Prüfkörpers sein muss, wird diese mit dem sogenannten primären Regelkreis der Prüfmaschine konstant gehalten. Der Begriff Prüfgeschwindigkeit wird explizit in den Normen der Kunststoffprüfung [4–11] genutzt, wobei aber die Traversengeschwindigkeit vT tabellarisch angegeben wird, während die [[Traversengeschwindigkeit]] z. B. in der Norm DIN EN ISO 11339 [12] direkt verwendet wird. Je nach Versuchsanordnung bzw. Belastungsart kann aus der Traversengeschwindigkeit dann eine spezifische [[Dehnrate Grundlagen|Dehngeschwindigkeit]] für den [[Prüfkörper]] berechnet werden. Bei den [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|schlag-]] oder [[Schlagbeanspruchung Fallbolzensystem|fallartigen Prüfverfahren]] wird der Begriff Prüfgeschwindigkeit nur in der DIN EN ISO 7765-2 [13] benutzt, während in den anderen Prüfnormen die Aufschlag-, Auftreff- oder Aufprallgeschwindigkeit verwendet wird [14–18]. In jedem Fall ist hier die Geschwindigkeit v0 der Belastungseinrichtung (Fallhammer oder Pendelhammer) kurz vor dem Aufschlag auf den Prüfkörper (ungekerbter, [[Kerbeinbringung|gekerbter Prüfkörper]] oder runde oder rechteckige Prüfplatte) gemeint. Bei allen Versuchsarten wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass die eingeprägte Geschwindigkeit eine, wie auch immer geartete, [[Dehnrate Grundlagen|Dehngeschwindigkeits]]verteilung und Dehnungszustand im [[Prüfkörper]] hervorruft und als Reaktion eine Kraft bzw. Spannung erzeugt, die als Diagramm dargestellt wird und der Berechnung von [[Werkstoffkennwert]]en dient.

Im Rahmen des WIKI-Lexikons [[Kunststoffprüfung]] und [[Kunststoffdiagnostik|Diagnostik]] werden unter [[Geschwindigkeit]] auch die nachstehenden Begriffe näher erläutert:
# siehe [[Deformationsgeschwindigkeit]]
# siehe [[Verformungsgeschwindigkeit]]
# siehe Dehngeschwindigkeit oder Dehnrate - [[Dehnrate Grundlagen|Grundlagen]] - [[Dehnrate Applikationen|Applikationen]]
# siehe [[Traversengeschwindigkeit]]

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Späth, W.: Physik der mechanischen Werkstoffprüfung. Springer Verlag, Berlin, (2013), (ISBN 978-3-642-99022-9)
|-valign="top"
|[2]
|Krüger, G.: Klettverschlüsse: Materialien, Herstellung, Prüfung, Anwendungen. Carl Hanser Verlag, München, (2013), (ISBN 978-3-446-43493-6)
|-valign="top"
|[3]
|Richter, H. W.: Instandhaltung von Ortsgasleitungen. Vulkan Verlag, Essen, (2007), (ISBN 978-3-802-27561-1)
|-valign="top"
|[4]
|DIN EN ISO 527-1 (2019-12): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 1: Allgemeine Grundsätze
|-valign="top"
|[5]
|DIN EN ISO 527-2 (2012-06): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 2: Prüfbedingen für Form- und Extrusionsmassen
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 604 (2003-12): Kunststoffe – Bestimmung von Druckeigenschaften
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN ISO 178 (2019-08): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
|-valign="top"
|[8]
|DIN EN ISO 14125 (2011-05): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
|-valign="top"
|[9]
|DIN EN ISO 14126 (2000-12): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Druckeigenschaften in der Laminatebene
|-valign="top"
|[10]
|DIN EN ISO 14129 (1998-02): Faserverstärkte Kunststoffe – Zugversuch an 45°-Laminaten zur Bestimmung der Schubspannungs/Schubverformungs-Kurve des Schubmoduls in der Lagenebene
|-valign="top"
|[11]
|DIN EN ISO 14130 (1998-02): Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit nach dem Dreipunktverfahren mit kurzem Balken
|-valign="top"
|[12]
|DIN EN ISO 11339 (2010-06): Klebstoffe – T-Schälprüfung für geklebte Verbindungen aus flexiblen Fügeteilen
|-valign="top"
|[13]
|DIN ISO 7765-2 (2009-02): Kunststofffolien und -bahnen – Bestimmung der Schlagfestigkeit nach dem Fallhammerverfahren – Teil 2: Durchstoßversuch mit elektronischer Messwerterfassung
|-valign="top"
|[14]
|DIN EN ISO 179-1 (2010-11): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften –Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[15]
|DIN EN ISO 179-2 (2020-09): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[16]
|DIN EN ISO 180 (2020-03): Kunststoffe – Bestimmung der Izod-Schlagzähigkeit
|-valign="top"
|[17]
|DIN EN ISO 6603-1 (2000-10): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens von festen Kunststoffen – Teil 1: Nicht-instrumentierter Schlagversuch
|-valign="top"
|[18]
|DIN EN ISO 6603-2 (2002-04): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens von festen Kunststoffen – Teil 2: Instrumentierter Schlagversuch
|}

[[Kategorie:Geschwindigkeit]]

Probennachgiebigkeit

2021-01-12T13:03:39Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Probennachgiebigkeit oder auch Prüfkörpernachgiebigkeit 
siehe auch: [[Steifigkeit]], [[Maschinennachgiebigkeit]] und [[Druckversuch Nachgiebigkeit]]
__FORCETOC__
==Allgemeines==

Bei dem Begriff Nachgiebigkeit unterscheidet man in der [[Werkstoffprüfung|Werkstoff]]- oder [[Kunststoffprüfung]] zwei grundlegende Einflussgrößen auf die Ermittlung von [[Kennwert]]en. Dies ist einmal die sogenannte [[Maschinennachgiebigkeit|Maschinensteifigkeit]] als Eigenschaft einer [[Materialprüfmaschine]] und die [[Steifigkeit]] des [[Prüfkörper]]s, die auch als Probensteifigkeit oder Prüfkörpersteifigkeit bezeichnet wird. 
In Abhängigkeit von der Art des Versuches der Werkstoffprüfung ([[Zugversuch|Zug]]-, [[Druckversuch|Druck]]- oder [[Biegeversuch]]) und der absoluten Belastungshöhe muss die Universalprüfmaschine einen hinreichenden Widerstand gegen die unvermeidbare Eigenverformung des [[Lastrahmen]]s und der Kraftmesszelle (siehe [[Elektro-Mechanischer Kraftaufnehmer]] und [[Piezoelektrischer Kraftaufnehmer]]) aufweisen. Die Zug- oder Drucknachgiebigkeit der Prüfmaschine mit identischer Kraftmessdose kann in Vernachlässigung der [[Prüfkörpereinspannung|Einspann]]- und Verlängerungselemente als nahezu gleich angesetzt werden. Im Biegeversuch ist der Einfluss der Maschinennachgiebigkeit unabhängig von der Verfahrrichtung der Traverse nahezu vernachlässigbar, da die Kräfte in diesem Versuch deutlich geringer als im Druck- oder Zugversuch sind. Ein besonderer Fall liegt vor, wenn Torsionsversuche (siehe: [[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Torsionsbeanspruchung]]) durchgeführt werden, da dann eine andere Belastungsart und Nachgiebigkeit der speziellen Materialprüfmaschine vorliegt.

Unabhängig von der Art des Versuches tritt ein Widerstand des Prüfkörpers gegen die erzwungene Verformung auf, der als Probennachgiebigkeit bezeichnet wird. Maschinen- und Probensteifigkeit müssen in einer ausgewogenen Relation zueinander stehen, um Einflüsse auf die Kennwertermittlung und die Regelung der Prüfmaschinen (siehe: [[Zugversuch Regelung]]) zu vermeiden.

==Maschinensteifigkeit==

Unter der Maschinennachgiebigkeit oder Nachgiebigkeit (Compliance) C versteht man in der Werkstoffprüfung die Eigendeformation des geschlossenen [[Lastrahmen]]s von [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschinen]] mit zwei oder vier Rahmensäulen [1, 2] oder die Aufweitung des Lastgestells z. B. von Härteprüfmaschinen [3, 4] oder Prüfmaschinen mit einer zentralen Antriebsspindel. 
Wird eine Universalprüfmaschine zur Durchführung von [[Zugversuch]]en, [[Druckversuch]]en (siehe auch [[Druckprüfanordnung]]) und [[Biegeversuch]]en eingesetzt, dann entsteht neben der Verformung des [[Prüfkörper]]s eine Deformation der Prüfmaschine, die von der Steifigkeit der Konstruktion, den verwendeten Werkstoffen, der genutzten Kraftmessdose und den Anschluss- sowie Verbindungselementen maßgeblich abhängt. Die unterschiedlichen Deformationsanteile einer Prüfmaschine bestehen aus der Eigenverformung der nicht unendlich steifen Prüfmaschine. Dies sind die Biegung des Querhaupts und der Traverse sowie die Verlängerung der tragenden Lastsäulen und der Antriebsspindel (siehe: [[Antriebe für Materialprüfmaschinen]]), deren Absolutbetrag jedoch vergleichsweise gering ist. In Abhängigkeit von der Nennkapazität der Kraftmessdose sind ebenfalls Deformationen des elastischen Deformationskörpers im Gesamtmesssignal enthalten. Da die Verbindungsgestänge erfahrungsgemäß immer etwas Spiel aufweisen, entstehen zusätzliche Verformungen, die insbesondere von der Anzahl der Verbindungselemente und deren konstruktiven Ausführung abhängen. Den größten Einfluss üben jedoch die [[Prüfkörpereinspannung|Einspannelemente]] aus, wobei hier je nach Bauart der Klemmeinrichtung deutliche Unterschiede auftreten. Im Fall des Zugversuches weisen Keilspannzeuge die größten Fehlwege und nachspannende Parallelspannklemmen die geringsten Deformationen auf. Bei der Druck- und Biegeprüfung ist der Einfluss der Auflagerelemente wesentlich geringer. Grundsätzlich ist die Maschinennachgiebigkeit ohne das spezifische Versuchszubehör um Größenordnungen höher als im konkreten Versuch der Werkstoff- oder Kunststoffprüfung.

==Probensteifigkeit==

Unter der Steifigkeit eines Werkstoffes wird im Regelfall der [[Elastizitätsmodul|Elastizitäts]]- oder [[Schubmodul]] (Schermodul) für die jeweilige Beanspruchungsart im linear-elastischen Beanspruchungsbereich verstanden. Für den Zugversuch ist das der E-Modul Et, im Druckversuch Ec und im Biegeversuch wird der Biege-E-Modul Ef verwendet, während im Torsions- oder Scherversuch der Gleit- oder Schubmodul G zur Anwendung kommt. Für größere [[Deformation]]en wird nicht mehr der Elastizitätsmodul, sondern oftmals der Anstieg z. B. der Spannungs-Dehnungs-Kurve dσ/dε (siehe: [[Zugversuch]]) zur Beschreibung der Steifigkeit bei einer vorgegebenen Verformung benutzt.

Die Steifigkeit eines [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] gegenüber einem konkreten Belastungsfall wird durch die Dimensionierung (z. B. Wanddicke oder Außendurchmesser) und die konstruktive Auslegung (z. B. geometrische Gestaltung, offene oder geschlossene Profile oder Verrippungen) bestimmt. Aufgrund unterschiedlicher geometrische Parameter wird die Steifigkeit eines Bauteils bzw. dessen Widerstand gegenüber einer Verformung bei differierenden [[Beanspruchung]]en nur in Ausnahmefällen übereinstimmen, weshalb komplexe Belastungen (z. B. Zug, Biegung und Torsion) selbst ohne schwingende oder schlagartige Lasten eine Herausforderung darstellen.

Die Probensteifigkeit S in der [[Werkstoffprüfung]] stellt im Regelfall das Produkt aus [[Steifigkeit]] des Werkstoffes und einer speziellen geometrischen Größe dar. Aufgrund der Anforderungen der Werkstoffprüfung und der für die Versuche optimierten Prüfkörperform werden somit unterschiedliche Probensteifigkeiten genutzt.

[[Datei:Probennachgiebigkeit-1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Schematischer Erläuterung zur Probennachgiebigkeit im Zugversuch
|}

Im Zugversuch werden in der Kunststoffprüfung teilweise prismatische [5] oder [[Vielzweckprüfkörper]] des Typs 1A oder 1B genutzt [6], wobei die letzteren zur besseren Klemmbarkeit Schultern auf beiden Seiten besitzen ('''Bild 1'''). Bei dem prismatischen Prüfkörper ist die Probensteifigkeit St innerhalb der Einspannlänge L konstant und berechnet sich nach der Gl. (1) für eine [[Deformation#Elastische_Deformation|linear-elastische Deformation]]. Diese Gleichung gilt ebenfalls für den Schulterprüfkörper, allerdings nur im planparallelen Teil des Prüfkörpers ('''Bild 1a''' und '''b''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{t}=E_{t}\cdot A_{0}=E_{t}\cdot b_{0} \cdot d_{0}</math>
|width="50px"|(1)
|}

Überschreitet die Dehnung im Zugversuch den [[viskoelastisches Werkstoffverhalten|linear-viskoelastischen Bereich]], dann treten erste [[Mikroschädigungsgrenze|Mikroschädigungen]] auf, die Spannungs-Dehnungs-Kurve krümmt sich und der Prüfkörperquerschnitt nimmt entsprechend der [[Poissonzahl]] des jeweiligen Werkstoffes ab. 
Aufgrund dessen muss zur Beschreibung der aktuellen Probensteifigkeit die Gl. (2) verwendet werden, die immer nur für die momentane Dehnung des Prüfkörpers gültig ist ('''Bild 1c''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{t}=\frac{d \sigma}{d \varepsilon}\cdot A=\frac{d \sigma}{d \varepsilon} (b\cdot d)</math>
|width="50px"|(2)
|}

Die Probennachgiebigkeit im Zugversuch Ct ergibt sich als Kehrwert der Probensteifigkeit St nach Gl. (3) und wird in der Maßeinheit 1/N angegeben. Mit zunehmenden Prüfkörperquerschnitt und/oder ansteigendem [[Elastizitätsmodul|E-Modul]] Et verringert sich die Probennachgiebigkeit.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{t}=\frac{1}{S_{t}}\!</math>
|width="50px"|(3)
|}

Die Probensteifigkeit im [[Druckversuch]] berechnet sich analog zum [[Zugversuch]], allerdings ergeben sich in Abhängigkeit von der Prüfkörperlänge, dem Querschnitt und den Lagerungsbedingungen des Prüfkörpers unterschiedliche Beanspruchungsfälle. Bei sehr langen, schlanken Prüfkörpern tritt ein spezieller Versagensfall auf, der auch als EULER’ sches Knicken bezeichnet wird ('''Bild 2a''') und ein Instabilitätsproblem darstellt [7]. In Abhängigkeit von den Lagerungsbedingungen, der Geometrie und dem E-Modul des Prüfkörpers kann infolge einer Druckbeanspruchung bei einer kritischen Last ein seitliches Ausknicken (Biegeknicken) auftreten. Bei Torsion oder Biegung mit Torsion können dagegen Drill- oder Biegedrillknicken (Kippen) zum Versagen führen. Im elastischen Deformationsbereich wird die kritische Knicklast oder Druckbeanspruchung Fk nach der Gl. (4) berechnet und die Knickspannung σk ergibt sich nach Gl. (5).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>F_{k}=\frac{\pi ^{2}\cdot E_{c}\cdot I_{y}}{s^{2}}</math>
|width="50px"|(4)
|}

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\sigma_{k}=\frac{\pi ^{2}\cdot E_{c}}{\lambda ^{2}}</math>
|width="50px"|(5)
|}

In der Gl. (4) ist Ec der E-Modul bei Druckbeanspruchung, Iy das minimale axiale Flächenträgheitsmoment und s die sogenannte Knicklänge, die das Produkt aus dem Knicklängenbeiwert β und der Prüfkörperlänge L ist (s = β L). Der Wert λ wird als [[Schlankheitsgrad]] bezeichnet und ergibt sich nach Gl. (6), wobei iy der sogenannte minimale Trägheitsradius nach Gl. (7) ist.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\lambda=\beta \cdot L\cdot \sqrt{\frac{A_{0}}{I_{y}}}=\frac{\beta \cdot L}{i_{y}}</math>
|width="50px"|(6)
|}

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>{i_{y}}=\sqrt{\frac{I_{y}}{A_{0}}}</math>
|width="50px"|(7)
|}

[[Datei:Probennachgiebigkeit-2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Knickverhalten und Probennachgiebigkeit im Druckversuch
|}

Die Auflagerverhältnisse im Druckversuch ('''Bild 2b''') entsprechen dem zweiten elastischen Knickfall in '''Bild 2a''', wodurch gilt s = L. Um zu verhindern, dass ein Ausknicken der Prüfkörper im Druckversuch auftritt, soll der [[Schlankheitsgrad]] λ = 6 bis 10 betragen, weshalb sich die Länge L eines prismatischen Prüfkörpers nach Gl. (8) berechnet [8].

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>L=\frac{\lambda \cdot d_{0}}{3,46}</math>
|width="50px"|(8)
|}

Bei dem prismatischen Prüfkörper ist die Probensteifigkeit Sc innerhalb der Einspannlänge L konstant und berechnet sich nach der Gl. (9) für eine [[Deformation#Elastische_Deformation|linear-elastische Deformation]].

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{c}=E_{c}\cdot A_{0}=E_{c}\cdot b_{0} \cdot d_{0}</math>
|width="50px"|(9)
|}

Überschreitet die Stauchung im Druckversuch den [[linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischen Bereich]], dann treten [[Mikroschädigungsgrenze|Mikroschädigungen]] auf und die Spannungs-Stauchungs-Kurve wird zunehmend nichtlinear weshalb dann zur Beschreibung der aktuellen Probensteifigkeit die Gl. (10), die für die momentane Stauchung des Prüfkörpers gültig ist, zu verwenden ist (siehe '''Bild 1c''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{c}=\frac{d \sigma}{d \varepsilon}\cdot A=\frac{d \sigma}{d \varepsilon} (b\cdot d)</math>
|width="50px"|(10)
|}

In Analogie zum Zugversuch ergibt sich die Probennachgiebigkeit Cc im Druckversuch ebenfalls als Kehrwert der Probensteifigkeit Sc nach Gl. (11) und wird in der Maßeinheit 1/N angegeben.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{c}=\frac{1}{S_{c}}\!</math>
|width="50px"|(11)
|}

[[Datei:Probennachgiebigkeit-3.jpg|550px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Probennachgiebigkeit im Biege- und Torsionsversuch
|}

Im Biegeversuch ist die steifigkeitsbeschreibende Geometriegröße das axiale Flächenträgheitsmoment, unabhängig davon, ob Drei- oder Vierpunktbiegung (siehe: [[Biegeversuch]]) vorliegt. Dabei ist jedoch von Bedeutung, ob die Biegung um die y- oder z-Achse, wie z. B. in [[Schlagbiegeversuch]]en üblich, erfolgt. In diesen Fällen muss dann das minimale oder maximale axiale Flächenträgheitsmoment Iy oder Iz verwendet werden ('''Bild 3a'''). In der Regel erfolgt im Dreipunktbiegeversuch an [[Kunststoffe]]n [9] die Biegung um die y-Achse des prismatischen Prüfkörpers, so dass sich die Probensteifigkeit nach der Gl. (12) berechnet.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{f}=E_{f}\cdot I_{y}=\frac{E_{f}\cdot b \cdot h^{3}}{12}</math>
|width="50px"|(12)
|}

Bei einer nichtlinearen Biegespannungs-[[Randfaserdehnung|Randfaserdehnungs]]-Kurve (siehe: [[Biegebeanspruchung]]) wird zur Beschreibung der aktuellen Probensteifigkeit die Gl. (13) verwendet ist (siehe '''Bild 1c''').

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{f}=\frac{d\sigma_{f}}{d\varepsilon_{f}}\cdot I_{y}=\frac{d\sigma_{f}}{d\varepsilon_{f}} \cdot \frac{b \cdot h^{3}}{12}</math>
|width="50px"|(13)
|}

In Analogie zum Zugversuch ergibt sich die Probennachgiebigkeit Cf im Biegeversuch auch als reziproker Wert der Probensteifigkeit Sf nach Gl. (14) und wird in der Maßeinheit 1/N mm2 angegeben.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{f}=\frac{1}{S_{f}}\!</math>
|width="50px"|(14)
|}

Bei dem Torsionsversuch ergibt sich die Probensteifigkeit eines prismatischen Prüfkörpers als Produkt aus dem [[Schubmodul|Schub- oder Gleitmodul]] G und dem polaren Flächenträgheitsmoment Ip ('''Bild 3b''') nach Gl. (15).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>S_{to}=G \cdot I_{p}=\frac{G\cdot b \cdot h}{12}\cdot \left ( b^{2}+h^{2} \right )</math>
|width="50px"|(15)
|}

Die Probennachgiebigkeit Cto im Torsionsversuch ist auch als reziproker Wert der Probensteifigkeit Sto nach Gl. (16) definiert und hat die Maßeinheit 1/N mm2.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>C_{to}=\frac{1}{S_{to}}</math>
|width="50px"|(16)
|}

Die Probennachgiebigkeit des jeweiligen Versuchs setzt die Abwesenheit von [[Kerb]]en und Kerbspannungen voraus. Bei geometrisch komplizierten Prüfkörperformen, z. B. wie [[CT-Prüfkörper]]n ist schon infolge der komplexen [[Beanspruchung]] die Angabe von Nachgiebigkeitswerten äußert schwierig, so dass hier in der Regel numerische Lösungsvarianten eingesetzt werden.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Heimbrodt, P.: Einfluss der Prüfmaschine auf die Kennwerte des Zugversuches. Bergakademie Freiberg, Diplomarbeit (1976)
|-valign="top"
|[2]
|Instron Bluehill: Referenzhandbuch – Software für Berechnungen Rev. 1.1 (2006)
|-valign="top"
|[3]
|Reimann, E.: Bestimmung mechanischer Werkstoffkennwerte, Ergebnisse des instrumentierten Eindringversuchs im Makrobereich. Materialprüfung 42 (2000) 10, S. 411–415
|-valign="top"
|[4]
|Zügner, S.: Untersuchungen zum elastisch-plastischen Verhalten von Kristalloberflächen mittels Kraft-Eindringtiefen-Verfahren. Dissertation, Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg (2002)
|-valign="top"
|[5]
|DIN EN ISO 527-5 (2020-08): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 5: Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (Entwurf)
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 527-2 (2012-06): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 2: Prüfbedingen für Form- und Extrusionsmassen
|-valign="top"
|[7]
|Szabo, I.: Einführung in die Technische Mechanik. Springer Verlag, Berlin (1984) 8. Auflage, (ISBN 3-540-13293-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter T 15)
|-valign="top"
|[8]
|[[Bierögel,_Christian|Bierögel, C.]]: Quasistatische Prüfverfahren. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 111–157 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[9]
|DIN EN ISO 178 (2019-08): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften
|}

[[Kategorie:Biegeversuch]]
[[Kategorie:Druckversuch]]
[[Kategorie:Prüfkörper]]
[[Kategorie:Zugversuch]]

Polymer

2021-01-12T13:03:13Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Polymer

==Begriffsbestimmung==

Mit dem Begriff „Polymer“ werden chemische Verbindungen aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekülen) bezeichnet, die ihrerseits aus einer großen Zahl von gleichen oder gleichartigen Einheiten, den so genannten Monomeren bestehen [1].
Polymere sind Stoffe (Makromoleküle), deren Molekulargewichte bei gleicher prozentualer atomarer Zusammensetzung in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen und den gleichen inneren Aufbau aufweisen [2].

Synthetische Polymere sind in der Regel „[[Kunststoffe]]“. Kunststoffe entstehen durch einen Verarbeitungsprozess, in dem ein Polymer (Rohstoff) zusammen mit Zusatzstoffen unter Anwendung von Wärme und/oder Druck über eine [[Formmasse]] zu einem plastischen Werkstoff, dem Kunststoff, weiterverarbeitet wird.

==Die Einteilung der Polymere==

Eine Einteilung der Polymere erfolgt durch den Grad der Vernetzung der Makromoleküle. Man unterscheidet in [[Thermoplaste]] und thermoplastische Elastomere, [[Duroplaste]] und [[Elastomere]]. Mitunter werden die thermoplastischen Elastomere aufgrund ihres mechanischen Verhaltens im Gebrauchstemperaturbereich auch als eigenständige Werkstoffgruppe klassifiziert.

Polymere können nach der '''Zahl der Monomere''' (Grundmonomere) eingeteilt werden in:

* Homopolymere

→''Das Polymer besteht nur aus einer Monomereinheit.''
{|
|-
|Beispiele:
|Polyethylen ([[Kurzzeichen]]: PE)
|-
|
|Polypropylen ([[Kurzzeichen]]: PP)
|-
|
|Polyamid ([[Kurzzeichen]]: PA)
|-
|
|Polyvinylchlorid ([[Kurzzeichen]]: PVC)
|}

* Copolymere

→''Die Struktur besteht aus zwei oder mehr Monomereinheiten.''
{|
|-
|Beispiele:
|Acrylnitril-Butadien-Styren-Copolymerisate ([[Kurzzeichen]]: ABS)
|-
|
|Polyurethan ([[Kurzzeichen]]: PUR)
|-
|
|Polyester
|-
|
|Polyamid 66 ([[Kurzzeichen]]: PA 66)
|-
|
|Ethylen-Propylen-Random-Copolymerisate
|}

* Polymermischungen (Polymerlegierungen, [[Polymerblends]])

→''Mischungen aus unterschiedlichen Polymeren und Copolymeren.''
{|
|-
|Beispiele:
|PE/PP
|-
|
|PP/EPR
|-
|
|PA6/PA66
|}

Eine weitere Klassifizierung erfolgt bei den Polymeren nach dem Ordnungszustand in

* amorphe Polymere (ungeordnet)
und
* teilkristalline Polymere (teilweise geordnet)

==Vom Monomer zum Polymer==

Der Weg von Monomer zum Polymer erfolgt über die so genannten Bildungsreaktionen oder auch Polyreaktionen, die unter der Voraussetzung von reaktionsfähigen Monomeren nach Aufbrechen der Doppelbindungen zwischen zwei C-Atomen oder durch Ringspaltung ablaufen. Nach der Art der ablaufenden chemischen Reaktionen unterteilt man in drei Klassen:

* Kettenpolymerisation (Polymerisation)
* Kondensationspolymerisation (Polykondensation)
* Additionspolymerisation (Polyaddition)

Polymere aus unterschiedlich gebauten Monomeren nennt man Heteropolymere oder Copolymere (siehe vorn). Bei den meisten Kunststoffen wird das Polymerrückgrat aus Kohlenstoffketten gebildet.

==Bezeichnung von Polymeren und Kunststoffen==

Zur Bezeichnung von Polymeren bzw. [[Kunststoffe]]n existieren entsprechende DIN- und ISO-Vorschriften. In DIN EN ISO 1043 [3] werden Kennbuchstaben und [[Kurzzeichen]] für Polymere und deren Eigenschaften definiert. Kautschuk und Latices werden mit Kurzzeichen nach DIN ISO 1629 [4] bezeichnet. Die Begriffsbestimmung bei Kunststoff-[[Formmasse|Formmassen]] erfolgt nach der DIN 7708 [5].

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|http://de.wikipedia.org/wiki/Polymer (18.05.2020)
|-valign="top"
|[2]
|Kaiser, W.: Kunststoffchemie für Ingenieure. Carl Hanser Verlag, München Wien (2006) S. 30–31 (ISBN 3-446-22069-0; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter N 12)
|-valign="top"
|[3]
|DIN EN ISO 1043: Kunststoff-Kennbuchstaben und Kurzzeichen Teil 1 (2016-09): Basis-Polymere und ihre besonderen Eigenschaften Teil 2 (2012-03): Füllstoffe und Verstärkungsstoffe Teil 3 (2017-03): Weichmacher Teil 4 (2020-08): Flammschutzmittel (Entwurf)
|-valign="top"
|[4]
|DIN ISO 1629 (2015-03): Kautschuk und Latices – Einteilung, Kurzzeichen
|-valign="top"
|[5]
|DIN 7708-1 (1980-12): Kunststoff-Formmassen Kunststofferzeugnisse – Begriffe (zurückgezogen)
|}

[[Kategorie:Kunststoffe]]

Peel-Clingtest erweitert

2021-01-12T13:01:35Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Peel-Clingtest erweitert

Der [[Peel-Clingtest]] bei Stretchfolien in der Verpackungsindustrie wird zur Bewertung der Autoadhäsion (d. h. der Haftung von Folien auf sich selbst) benutzt [1]. 
Bei dieser Prüfmethode wird die Kraft gemessen, die notwendig ist, um einem Folienstreifen mit einer festgelegten Fläche von einer fixierten Unterfolie aus identischem Material zu trennen. Die Unterfolie liegt auf einer 20° geneigten Ebene blasen- und faltenfrei auf. Auf dieser wird dann der Folienstreifen (1 inch = 25,4 mm) mittig aufgelegt und mittels Pinsel oder Roller ebenfalls falten- und blasenfrei aufgewalzt, wobei am unteren Ende eine Klemme mit einem Faden befestigt wird. Dieser Faden wird mittels Umlenkrolle zur Klemmeinrichtung (siehe auch: [[Prüfkörpereinspannung]]) der [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschine]] geführt. Während des [[Peelvorgang]]s hebt sich der Faden von der horizontalen Ausgangslage bis zum Erreichen der Clinglinie an, wobei das Diagramm entsprechend '''Bild 1''' registriert wird [2–4].

[[Datei:clingtest_erweitert1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Registrierte Kraft-Verformungs-Kurven im [[Peel-Clingtest]]
|}

Bei der Clingkraft FCling tritt infolge des Peelens eine Zunahme der Verformung bei konstanter Kraft ein, wobei jedoch ein deutliches Anlaufverhalten beobachtet wird, welches auf die elastische [[Deformation]] und Biegeeffekte der Peelfolie zurückgeführt werden kann. Dabei wird jedoch nicht das erwartete konstante Niveau der Clingkraft ermittelt, sondern es tritt eine Zunahme der Kraft auf, deren Verlauf von Oszillationen geprägt ist. Diese Schwingungen sind mit einem „stick-slip-Prozess“ vergleichbar, bei dem erst nach einem Energieeintrag bestimmter Größe ein Rissfortschritt, oder wie in diesem Fall ein weiteres Peelen, eintritt. Die Zunahme der mittleren Kraft ist offensichtlich in den nicht konstanten Prüfbedingungen begründet, da sich der reale [[Peelwinkel]] während des Versuchs permanent ändert. Es liegt demzufolge nahe, diese Winkeländerung rechnerisch zu korrigieren, da zur Bewertung des Cling-Prozesses nur die horizontale Kraft FH von Interesse ist ('''Bild 2''') [4]. Die [[Messgröße]]n sind in dieses Fall die Kraft F und der veränderliche Weg x, der in '''Bild 1''' allerdings mit L bezeichnet wird.

[[Datei:clingtest_erweitert2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Korrektur der Clingkraft im [[Peel-Clingtest]]
|}

Die horizontale Kraft ergibt sich nach Gl. (1),

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> F_{H} = F\cos \, \alpha \!</math>
|(1)
|}

wobei der Winkel α mit Kenntnis der Fadenlänge L und der Clinglänge s aus dem aktuellen Weg x nach Gl. (2) berechnet wird

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math style="vertical-align:-75%;"> \alpha = arctan \frac{x \cdot 0,364}{L+x}</math> für 0 ≤ x ≤ l
|(2)
|}

Praktische Untersuchungen an verschiedenen Foliensystemen belegen allerdings, dass die Korrektur nur eine geringere Verbesserung im Kraftverlauf bewirkt. Erforderlich ist demzufolge eine messtechnische Korrektur zur Konstanthaltung des Clingwinkels, wofür grundsätzlich zwei Realisierungsvarianten existieren ('''Bild 3''').

[[Datei:clingtesterweitert3.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px" |Erweiterter [[Peel-Clingtest]]: a) mit verstellbarer Umlenkrolle, b) mit drehbarer Auflage für die Clingfolie
|}

Die erster Variante arbeitet mit einer höhenverstellbaren Umlenkrolle für den Faden, wobei die Anpassung über einen Schrittmotor realisiert wird ('''Bild 3a'''). Nach dem Start des [[Peelvorgang]]es verändert sich der Winkel des Fadens, der mittels Sensoren messtechnisch erfasst wird. Dieser Wert entspricht dem Istwert des Messsignals und ergibt im Vergleich mit dem Sollwert (Horizontal mit 0°) die Regelabweichung, die durch den Schrittmotor kompensiert wird. Eine andere technische Lösungsvariante ist die Nutzung eines drehbar gelagerten Clingtisches ('''Bild 3b'''), wobei hier ebenfalls mittels Schrittmotor die Kompensation der Fadenneigung, hier allerdings über den Winkel des Drehtisches, erfolgt. Mit dieser Variante sind dann auch andere Startwinkel als 20° möglich, womit die Peelbedingungen für die Clingfolie verändert werden können. Voraussetzung ist bei beiden Lösungsvarianten die Messung des Fadenwinkels, entweder über eine CCD-Kamera oder mittels Schattenbildverfahrens ('''Bild 4'''). Eine technische Lösung dieses Problems wird zur Zeit mit der Coesfeld GmbH, Dortmund, erarbeitet.

[[Datei:clingtesterweitert4.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px" |Anordnung der Sensoren im Peel-Cling-Test zur Erfassung des Fadenwinkels
|}

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|ASTM D 5458 (1995; reapproved 2012): Bestimmung der Ablösefestigkeit von Streckfolien
|-valign="top"
|[2]
|Rennert, M., Fiedler, S., Nase, M., Menzel, M., Günther, S., Kressler, J., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Investigation of the Migration Behavior of Polyisobutylene with various Molecular Weights in Ethylene/α-olefin Copolymer Blown Stretch Films for Improved Cling Properties. Journal of Appl. Polymer Sci. 131 (2014) 4861–4874
|-valign="top"
|[3]
|Rennert, M., Nase, M., Reincke, K., Arndt, S., Lach, R., Androsch, R., Grellmann, W.: Influence of Low-Density Polyethylene Blown Film Thickness on the Mechanical Properties and Fracture Toughness. Journal of Plastic Film and Sheeting 29 (2013) 4, 327−346
|-valign="top"
|[4]
|Rennert, M.: Fracture Mechanics Investigation of Autohesive Interfacial Interactions of Polyethylene Stretch Wrap Films. Promotion. Martin-Luther-University Halle-Wittenberg. 16.11.2018. (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-29) ([https://wiki.polymerservice-merseburg.de/images/7/7f/Table_of_Contents_Mirko_Rennert.pdf Inhaltsverzeichnis])
|}

[[Kategorie:Folienprüfung]]
[[Kategorie:Peeltest]]

Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung

2021-01-12T13:00:23Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Oberflächen- und Grenzflächenspannung (Autor: [[Radusch,_Hans-Joachim|Prof. Dr. H.-J. Radusch]])

__TOC__

==Oberflächenspannung==

===Definition===

Die Oberflächenspannung oder auch spezifische [[Oberflächenenergie]] entspricht der Kraft, die bei Flüssigkeiten an der Grenze zu einem Gas oder zum Vakuum tangential zur [[Phasengrenzfläche|Grenzfläche]] wirkt [1, 8–12]. Die Oberflächenspannung ist definiert als die Arbeit dW, die pro Fläche dA geleistet werden muss, um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern. Das Verhältnis aus der verrichteten Arbeit und der daraus resultierenden Oberflächenvergrößerung wird dann Oberflächenspannung oder auch Oberflächenarbeit genannt:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> \sigma = \frac {dW} {dA} \ (\frac{J}{m^{2}})</math>
|(1)
|}

Die zu verrichtende Arbeit dW = F · dx ist damit proportional der Kraft F parallel (tangential) zur Oberfläche, die aufgebracht werden muss, um die Fläche um den Betrag dA = l · dx zu vergrößern:

{|
|-
|width="20px"|
|width="350px"|<math> \sigma = \frac {dW} {dA} = \frac{F\ dx}{l\ dx} = \frac{F}{l}</math>
|width="150px"|<math>(\frac{J}{m^{2}}) = (\frac{N}{m})</math>
|(2)
|}

Damit handelt es sich bei der Oberflächenspannung auch um eine Kraft pro Länge. 
Die Ursache der Oberflächenspannung σ beruht darin, dass sich in der Flüssigkeit die Kohäsionskräfte zwischen den Molekülen gegenseitig aufheben (B), während an der [[Oberfläche]] die nach außen gerichteten Kräfte fehlen (A) und so eine resultierende Kraft ins Flüssigkeitsinnere entsteht.

[[Datei:oberflaechenspannung_1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Oberflächenspannung: Kräfte auf ein Molekül an der Oberfläche (MO) und im Innern (Mi) eines Stoffes
|}

Aus thermodynamischer Sicht ist die Oberflächenspannung σ die Ableitung der freien Enthalpie G nach der Fläche A bei konstanter Temperatur T und bei konstantem Druck p (Gl. 3).

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> \sigma = {( \frac {dG} {dA} ) }_{T,p}</math>
|(3)
|}

Die Freie Enthalpie G hat die Dimension einer Energie. Somit hat σ die Dimension einer Energie pro Fläche (J/m2 = N/m).

===Messung der Oberflächenspannung===

Die Oberflächenspannung kann mit Hilfe unterschiedlicher Methoden gemessen werden, denen das Prinzip zur Messung der vorhandenen Oberflächenkraft mit Hilfe eines sogenannten Tensiometers oder durch den Kapillareffekt zugrunde liegt [2, 16, 17]. Dabei wird zwischen der statischen Oberflächenspannung (gemessen im Gleichgewicht bei mechanisch unveränderter Grenzfläche) und der dynamischen Oberflächenspannung (gemessen während der Änderung der [[Oberfläche]]) unterschieden. Die wichtigsten Methoden sind in der '''Tabelle 1''' zusammengestellt:

{| border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle 1''': Prüfmethoden und -prinzipien zur Ermittlung der Oberflächenspannung
!! style="width:200px; background:#DCDCDC"| Methode
!! style="width:400px; background:#DCDCDC"| Messprinzip
|- valign="top"
|Bügel-Methode (Lenard)
|Messung der Zugkraft beim Herausziehen (Abreißpunkt) eines Drahtbügels aus einer Flüssigkeit
|- valign="top"
|Ring-Methode (Du Noüy)
|Messung der Kraft einer von einem Ring hochgezogenen Flüssigkeitslamelle
|- valign="top"
|Platten-Methode (Wilhelmy)
|Messung der Kraft, die sich durch die Benetzung einer senkrecht aufgehängten Platte ergibt
|- valign="top"
|Kapillareffekt-Methode
|Messung der Steighöhe einer Flüssigkeit in einer Kapillare
|- valign="top"
|Kontaktwinkelmessung/ Sessile-Drop-Methode
|Messung des Kontaktwinkels zwischen Flüssigkeitstropfen und dem Substrat. Berechnung der Oberflächenspannung über die Youngsche Gleichung aus dem Cosinus des Kontaktwinkels
|- valign="top"
|Spinning-Drop-Methode
|Messung des Durchmessers eines rotierenden Tropfens in einer schwereren Phase
|- valign="top"
|Pendant-Drop-Methode
|Messung der Größe der Tropfen, die von einer definierten Kapillare abtropfen. Optische Erfassung der Tropfengeometrie
|- valign="top"
|Blasendruck-Methode
|Durchleitung eines Gasstroms durch eine Kapillare und Messung des Druckverlaufs zur Blasenbildung
|- valign="top"
|Tropfen-Volumen-Methode
|Messung der Tropfenanzahl, in die sich ein vorgegebenes Flüssigkeitsvolumen teilt; geeignet zur messtechnischen Erfassung der dynamischen Oberflächenspannung
|- valign="top"
|Prüftinten-Methode
|Auftragung einer gefärbten Flüssigkeit ("Tinte") mit definierter Oberflächenspannung auf die zu prüfende Oberfläche ("Pinselstrich") und Beurteilung des Tintenverlaufs
|- valign="top"
|Expanding/Oscillating-Drop-Methode (EDM/ODM)
|Erfassung der oberflächenrheologischen Eigenschaften von Flüssigkeiten; beschrieben wird die Abhängigkeit der Oberflächenspannung vom Grad und von der [[Geschwindigkeit]] der Flächenausdehnung eines Tropfens, der entweder schnell ausgedehnt wird und dann stillsteht (EDM) oder einer sinoidal oszillierenden Schwingung unterliegt (ODM)
|}

==Grenzflächenspannung==

===Definition===

Von Oberflächenspannung kann im engeren Sinne nur dann gesprochen werden, wenn die Flüssigkeit an ihre eigene gesättigte Dampfphase grenzt. In allen anderen Fällen handelt es sich korrekterweise um Grenzflächenspannungen [1, 3]. Auf ein Randmolekül wirken dann sowohl Kohäsionskräfte in die Flüssigkeit hinein als auch Adhäsionskräfte in Richtung des angrenzenden Mediums.

Die Grenzflächenspannung bezeichnet Kräfte, die in der Grenze zwischen zwei verschiedenen Phasen auftreten, die miteinander in Kontakt stehen. Sie bilden eine gemeinsame [[Phasengrenzfläche|Grenzfläche]], die unter Grenzflächenspannung steht. Phasen können flüssig, fest oder gasförmig sein. Unter verschiedenen Phasen versteht man Phasen, die sich nicht vermischen, wie z. B. Wasser und Öl oder Polyethylen und PVC.

Auf ein Molekül im Inneren einer einheitlichen Phase wirken von allen Seiten die gleichen anziehenden zwischenmolekularen Kräfte durch Nachbarmoleküle, die sich gegenseitig kompensieren. Für Moleküle in der Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Phasen (A + B) sind die Wechselwirkungen des Teilchens in der Grenzfläche mit Molekülen in der Nachbarphase schwächer und daher mit einem geringeren Energiegewinn verbunden als die des Teilchens in einer Phase. Daraus folgend befinden sich die Moleküle in der [[Phasengrenzfläche|Grenzfläche]] in einem energetisch höheren Zustand als die Moleküle im Inneren der Phasen. Diese zusätzliche Energie wird als Grenzflächenenergie bezeichnet. Es resultiert für diese Moleküle eine ins Innere der Phase gerichtete Kraft.

Um die Grenzflächenenergie zu minimieren, versucht das System, die Grenzfläche zu anderen Phasen und somit die Zahl der in der Grenzfläche befindlichen Moleküle möglichst gering zu halten. Vergrößert man die Grenzfläche, so müssen Moleküle aus dem Volumeninneren in die energiereichere Grenzfläche gebracht werden. Die Arbeit, die aufgebracht werden muss um die Grenzfläche AG einer Phase zu vergrößern, wird als Grenzflächenarbeit WAG bezeichnet. Die Grenzflächenarbeit ist zur Flächenänderung proportional:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> dW_{AG} = \gamma \cdot dA_{G}</math>
|(4)
|}

Der Proportionalitätskoeffizient γ wird Grenzflächenspannung genannt. Im speziellen Fall der Grenzfläche zwischen einer kondensierten Phase und einem Gas entspricht diese der Oberflächenspannung σ. Beide haben die Dimension einer Energie pro Fläche:

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> [\gamma] = [\sigma] = \frac{J}{m^{2}}=\frac{N}{m}</math>
|(5)
|}

===Messung der Grenzflächenspannung===

Wie bei der Oberflächenspannung wird zwischen der statischen Grenzflächenspannung (gemessen im Gleichgewicht bei mechanisch unveränderter Grenzfläche) und der dynamischen Grenzflächenspannung (gemessen während der Änderung der Grenzfläche) unterschieden. Darüber hinaus ist bei der Messung der Zustand der Phasen (flüssig/fest) zu beachten. Die wichtigsten Methoden sind in der '''Tabelle 2''' zusammengestellt:

{| border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle 2''': Prüfmethoden und -prinzipien zur Ermittlung der Grenzflächenspannung
!! style="width:200px; background:#DCDCDC"| Methode
!! style="width:400px; background:#DCDCDC"| Messprinzip
|- valign="top"
|colspan="2"|'''Flüssig-flüssig Grenzfläche'''
|- valign="top"
|Ringmethode (Du Noüy)
|Messung der an einem optimal benetzbaren Ring wirkenden Kraft, die beim Bewegen des Ringes von einer in die andere Phase durch die Spannung der herausgezogenen Flüssigkeitslamelle wirkt
|- valign="top"
|Plattenmethode (Wilhelmy)
|Messung der Kraft, die auf eine optimal benetzbare, senkrecht in die untere Phase eingetauchte Platte wirkt
|- valign="top"
|Stabmethode
|Wie Plattenmethode, wobei für die Messung mit kleinerem Flüssigkeitsvolumen ein zylindrischer Stab mit kleinerer benetzter Länge verwendet wird
|- valign="top"
|Tropfenvolumen-Methode
|Messung des Volumens eines an einer senkrechten Kapillare erzeugten Tropfens einer Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit im Moment seines Abreißens
|- valign="top"
|Spinning-Drop-Methode
|Eine waagerechte Kapillare, gefüllt mit einer umgebenden Phase und einer Tropfenphase, wird in Rotation versetzt. Der Durchmesser des durch die Fliehkraft in die Länge gezogenen Tropfens korreliert mit der Grenzflächenspannung.
|- valign="top"
|Pendant Drop-Methode
|Die Form eines an einer Kanüle befindlichen Tropfens in einer umgebenden flüssigen Phase wird u.a. durch die Grenzflächenspannung bestimmt. Aus dem Bild des Tropfens kann per Tropfenkonturanalyse die Grenzflächenspannung ermittelt werden.
|- valign="top"
|colspan="2"|'''Fest-flüssig Grenzfläche'''
|- valign="top"
|Kontaktwinkelmessung
|Aus dem Kontaktwinkel mehrerer Flüssigkeiten mit einem Festkörper kann neben dessen freier Oberflächenenergie auch die Grenzflächenspannung mit den jeweiligen Flüssigkeiten berechnet werden.
|}

==Beispiel: Bestimmung der Oberflächenspannung bzw. Grenzflächenenergie durch Kontaktwinkelmessung am liegenden Tropfen==

Bei einer [[Phasengrenzfläche|Grenzfläche]] zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff wird der Winkel zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der Kontaktfläche als Kontaktwinkel Θ bezeichnet. Der Kontaktwinkel Θ ist ein Maß für die Benetzbarkeit eines Festkörpers durch eine Flüssigkeit ('''Bild 2''').

[[Datei:oberflaechenspannung_2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Methode des liegenden Tropfens: Spannungen an einem Flüssigkeitstropfen auf einem Substrat und Definition des Kontaktwinkels
|}

Die Gleichung 6 (Young'sche Gleichung [4, 13]) stellt eine Beziehung zwischen der freien spezifischen Oberflächenenergie σS eines ebenen Festkörpers zum umgebenden Gas (Index S für solid-gas), der spezifischen Grenzflächenenergie σLS zwischen einem Festkörper und einem darauf befindlichen Flüssigkeitstropfen (Index LS für liquid-solid), der Oberflächenspannung σL der Flüssigkeit zum umgebenden Gas (Index L für liquid-gas) und dem Kontaktwinkel Θ zwischen beiden her.

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> cos \Theta = \frac{\sigma_{S} - \sigma_{LS}}{\sigma_{L}} \Rightarrow \sigma_{S} = \sigma_{LS} + \sigma_{L} cos \Theta </math>
|(6)
|}

Damit existiert ein quantitativer Zusammenhang zwischen den an der [[Phasengrenzfläche|Phasengrenze]] eines festen und eines flüssigen Stoffes auftretenden Kräften.

==Beispiel: Berechnung der Grenzflächenspannung mittels der Methode nach Wu und Fowkes==

Die Grenzflächenspannung γ (σSL) kann anhand der beiden Oberflächenspannungen σS und σL und der gleichartigen Wechselwirkungen zwischen den Phasen berechnet werden. Diese Wechselwirkungen werden als harmonischer Mittelwert eines dispersiven Anteils σD und eines polaren Anteils σP der Oberflächenspannung bzw. freien Oberflächenenergie interpretiert [5–7, 17].

{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math> \gamma = \sigma _{SL}=\sigma_{L}+\sigma_{S}-4(\frac{\sigma^{D}_{L}\cdot \sigma^{D}_{S}}{\sigma^{D}_{L}+\sigma^{D}_{S}}+\frac{\sigma^{P}_{L}\cdot \sigma^{P}_{S}}{\sigma^{P}_{L}+\sigma^{P}_{S}}) </math>
|(7)
|}

Zur Bestimmung der freien [[Oberflächenenergie]] des Festkörpers werden mindestens zwei Flüssigkeiten mit bekannten dispersiven und polaren Anteilen der Oberflächenspannung benötigt, wobei mindestens eine der Flüssigkeiten einen polaren Anteil > 0 aufweisen muss. 
Zur Berechnung wird für jede mögliche Kombination zweier Flüssigkeiten eine Gleichung aufgestellt, d. h. aus n Flüssigkeiten ergeben sich (n2 – n)/2 Gleichungen mit entsprechend vielen Teilergebnissen. Die resultierende freie Oberflächenenergie ist der arithmetische Mittelwert aus den Teilergebnissen. Die empirische Grundlage der Methode bilden Grenzflächenspannungsmessungen zwischen Polymerschmelzen, also Materialien mit vorwiegend geringer Oberflächenspannung der Einzelphasen. Entsprechend wird die Wu-Methode zur Oberflächenenergie-Berechnung meist für Polymere mit geringer Oberflächenenergie verwendet (bis 40 mN/m).

'''Danksagung'''
{|
|-valign="top"
|Die Herausgeber des Lexikons danken Prof. Dr. H.-J. Radusch, [https://www.uni-halle.de/ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] und [https://www.polymerservice-merseburg.de/ Polymer Service GmbH Merseburg] für diesen Gastbeitrag.
|}

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Elias, H. G.: Makromoleküle, Struktur – Eigenschaften – Synthese – Stoffe, Kap. 7.3 Grenzflächenphänomene. Hüthig & Wepf, Basel, Heidelberg 1972 (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter N 41)
|-valign="top"
|[2]
|Stamm, M. (Ed.): Polymer Surfaces and Interfaces: Characterization, Modification and Applications, Chapt. 1: Polymer Surface and Interface Characterization Techniques, Chapt. 6: Characterization of Polymer Surfaces by Wetting and Electrokinetic Measurements – Contact Angle, Interfacial Tension Zeta Potential. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2008
|-valign="top"
|[3]
|van Krevelen, D. W.: Properties of Polymers, Chapter 8 – Interfacial Energy Properties. Elsevier B.V., (2009)
|-valign="top"
|[4]
|Young, T.: An Essay on the Cohesion of Fluids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, The Royal Society, London (1805), Vol. 95, S. 65–87
|-valign="top"
|[5]
|Wu, S.: Calculation of Interfacial Tensions in Polymer Systems. In: J. Polym. Sci. 43 (1971) 19–30
|-valign="top"
|[6]
|Wu, S.: Polar and Nonpolar Interaction in Adhesion. In: J. Adhesion 5 (1973) 39–55
|-valign="top"
|[7]
|Fowkes, F. M.: Attractive Forces at Interfaces. In: Industrial and Engineering Chemistry 56, 12 (1964) 40–52
|-valign="top"
|[8]
|[http://www.chemie.de/lexikon/Oberflächenspannung.html http://www.chemie.de/lexikon/Oberflächenspannung.html] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[9]
|[http://www.spektrum.de/lexikon/physik/oberflaechenspannung/ http://www.spektrum.de/lexikon/physik/oberflaechenspannung/] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[10]
|[http://www.chemgapedia.de http://www.chemgapedia.de] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[11]
|[https://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_physik/studium/lehrveranstaltungen/praktika/pdf/OS.pdf https://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_physik/studium/lehrveranstaltungen/praktika/pdf/OS.pdf] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[12]
|[http://www.uni-oldenburg.de/fileadmin/user_upload/physik/ag/physikpraktika/download/UWI/pdf/Basispraktikum/Oberflaechenspannung.pdf http://www.uni-oldenburg.de/fileadmin/user_upload/physik/ag/physikpraktika/download/UWI/pdf/Basispraktikum/Oberflaechenspannung.pdf] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[13]
|[https://de.wikipedia.org/wiki/Kontaktwinkel https://de.wikipedia.org/wiki/Kontaktwinkel] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[14]
|[https://de.wikipedia.org/wiki/Youngsche_Gleichung https://de.wikipedia.org/wiki/Youngsche_Gleichung] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[15]
|[http://www.surface-tension.de/ http://www.surface-tension.de/] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[16]
|[http://www.dataphysics.de http://www.dataphysics.de] (Zugriff am 23.04.2020)
|-valign="top"
|[17]
|[http://www.kruess.de/ http://www.kruess.de/] (Zugriff am 23.04.2020)

|}

'''Normen'''
*DIN EN ISO 19403: Beschichtungsstoffe – Benetzbarkeit
**Teil 1 (2020-04): Begriffe und allgemeine Grundlagen
**Teil 2 (2020-04): Bestimmung der freien Oberflächenenergie fester Oberflächen durch Messung des Kontaktwinkels
**Teil 3 (2020-04): Bestimmung der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten mit der Methode des hängenden Tropfens
**Teil 4 (2020-04): Bestimmung des polaren und dispersen Anteils der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten aus einer Grenzflächenspannung
**Teil 5 (2020-04): Bestimmung des polaren und dispersen Anteils der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten aus Kontaktwinkelmessungen auf einem Festkörper mit rein dispersem Anteil der Oberflächenenergie
**Teil 6 (2020-04): Messung des dynamischen Kontaktwinkels
**Teil 7 (2020-04): Messung des Kontaktwinkels bei Neigetischexperimenten (Abrollwinkel)
*DIN ISO 1409 (2008-11): Kunststoffe/Kautschuk – Polymerdispersionen und Kautschuklatices (natürliche und synthetische) – Bestimmung der Oberflächenspannung mit dem Ringverfahren (ISO 1409:2006)
*ISO 304 (1985-12): Grenzflächenaktive Stoffe – Bestimmung der Oberflächenspannung durch Aufziehen flüssiger Filme (Technical Corrigendum 1: 1998-07)
*DIN EN 828 (2013-04): Klebstoffe – Benetzbarkeit – Bestimmung durch Messung des Kontaktwinkels und der kritischen Oberflächenspannung fester Oberflächen
*ISO 15989 (2004-12): Kunststoffe – Folien und Bahnen – Messung des Wasser-Benetzungswinkels von koronabehandelten Folien
*DIN EN 14370 (2014-11): Grenzflächenaktive Stoffe – Bestimmung der Oberflächenspannung
*ASTM D 3825 (2009; withdrawn 2016): Bestimmung der dynamischen Oberflächenspannung nach dem Blasen-Verfahren
*DIN 13310 (1982-08): Grenzflächenspannung bei Fluiden – Begriffe, Größen, Formelzeichen, Einheiten
*DIN EN 14210 (2004-03): Grenzflächenaktive Stoffe – Bestimmung der Grenzflächenspannung von grenzflächenaktiven Lösungen mittels Bügel- oder Ringverfahren
*ISO 6889 (1986-03): Grenzflächenaktive Stoffe – Bestimmung der Grenzflächenspannung durch Hochziehen von Flüssigkeitsfilmen
*ISO 9101 (1987-12): Grenzflächenaktive Stoffe – Bestimmung der Grenzflächenspannung – Tropfenvolumen-Methode

[[Kategorie:Oberflächenprüftechnik]]
[[Kategorie:Gastbeiträge]]

Oberflächenenergie

2021-01-12T12:59:55Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Oberflächenenergie
__FORCETOC__
==Grundlagen==

Die Oberflächenenergie – oft auch als so genannte [[Oberflächenspannung und Grenzflächenspannung|Oberflächenspannung]] bezeichnet, obwohl nicht von der Dimension Pascal – ist eine Materialeigenschaft. Im Allgemeinen wird als Oberflächenenergie die freie Energie von [[Oberfläche]]n bei Temperaturen oberhalb des absoluten Nullpunktes definiert.

Genau genommen müsste der Begriff „Oberflächenenergie“ allerdings grundsätzlich auf den Begriff „'''Grenzflächenenergie'''“ erweitert werden, wird doch die eigentliche Oberflächenenergie, also die freie Energie einer flüssigen oder festen Oberfläche gegen ein Vakuum, nur in sehr seltenen Fällen damit erfasst. Zumeist sind daher relative Energiewerte der [[Phasengrenzfläche|Grenzflächen]] von Flüssigkeiten zu anderen Flüssigkeiten bzw. Gasen/Dämpfen oder Grenzflächen von festen Stoffen zu anderen Stoffen, die als Feststoffe (innere Grenzflächen), Flüssigkeiten bzw. Gase/Dämpfe vorliegen, darunter zusammengefasst. Die Grenzflächenenergie ist deshalb keine Materialeigenschaft, sondern charakterisiert die Eigenschaft eines Stoffsystems und ist demzufolge also eine Systemeigenschaft.

Die Oberflächen- bzw. Grenzflächenenergie ist bei [[Kunststoffe]]n besonders bei Lacken und Farben, Beschichtungen sowie Klebstoffen von wesentlicher Bedeutung. Sie ist aber auch dann von großem Interesse, wenn es allgemein um die Benetzbarkeit bzw. Nichtbenetzbarkeit von Kunststoffoberflächen geht. Ein Beispiel aus der Kunststoffindustrie sind Polyethylen-Folien, die der Verpackung wasserhaltiger Lebensmittel dienen. Bei diesen Folien kann sich das aus dem Lebensmittel stammende Wasser an der Folieninnenseite in Form kleiner Tröpfchen niederschlagen, was als Fogging bezeichnet wird. Durch gezielte Veränderung der Oberflächenenergie kann dieser Effekt unterdrückt werden, wodurch die Transparenz der Folien erhalten bleibt.

Oft wird unter der spezifischen Grenzflächenenergie von Festkörpern der Betrag derjenigen Arbeit verstanden, der mindestens notwendig ist, neue Oberflächen (z. B. durch [[Rissausbreitung|Risswachstum]] und [[Bruch]]) zu schaffen. Auf dieser Grundlage basiert das [[Rissmodell_nach_GRIFFITH|Griffith-Kriterium]] der [[Bruchmechanik]]. Allerdings hat es sich gezeigt, dass diese bruchmechanisch ermittelten Werte (siehe: [[Bruchmechanische Prüfung]]) nur bei extrem spröden Werkstoffen (z. B. Si-Einkristallen) in der Größenordnung der mit anderen Verfahren ermittelten Werte liegen. Auch für spröde Kunststoffe und sehr tiefe Temperaturen (< –150 °C) sind die so ermittelten Werte, wie kritische J-Werte Jc, um ca. vier bis fünf Größenordnungen größer. Für [[Thermoplaste|thermoplastische]] Kunststoffe umfassen sie den Bereich einiger kJ/m2 (für amorphe Thermoplaste wie z. B. Polycarbonat ([[Kurzzeichen]]: PC), Polymethylmethacrylat ([[Kurzzeichen]]: PMMA) und Polystyren ([[Kurzzeichen]]: PS), ist Jc = 1,0…1,8 kJ/m2 [1, 2]). Diese Diskrepanz kann außer durch die in diesen Werkstoffen auch bei sehr tiefen Temperaturen auftretenden (mikro)plastischen [[Deformation|Deformationsprozesse]] (innere Energie) ebenfalls durch die Wärmetönung begründet werden, d. h. durch die Erzeugung von Wärme infolge innerer Reibungsvorgänge bei den mit der Erschaffung neuer Oberflächen (siehe: [[Bruchfläche]]) verbundenen Deformationsvorgängen. Der ideale Sprödbruch (siehe: [[Brucharten]]) ist dagegen ein athermischer Prozess.

==Messung der Oberflächenenergie==

Die Grenzflächenenergie einer Kunststoffoberfläche gegen ein flüssiges Medium (oft Wasser) und zumeist Luft wird mittels der Kontaktwinkelmessung (Methode des liegenden Tropfens) ermittelt ('''Bild 1'''). Dazu wird auf einer ebenen und zuvor gründlich gereinigten Kunststoffoberfläche ein wohl definierter Flüssigkeitstropfen abgesetzt. Mit einer speziellen experimentellen Vorrichtung kann dann der Kontaktwinkel computergesteuert bestimmt werden (für Details der experimentellen Vorgehensweise siehe z. B. [3]).

[[Datei:Oberflaechenenergie-1n.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Grenzflächenenergien am Dreiphasenkontakt: σs – Festkörperoberflächenenergie, σl – Flüssigkeitsoberflächenenergie, σls – Grenzflächenenergie, Θ – Rand- oder Kontaktwinkel
|}

Die Grenzflächenenergie wird durch die Gleichung (1) von Young [4] ermittelt, wobei der Einfluss des gasförmigen Mediums (wie Luft) vernachlässigt wird (daher werden σs und σl hier als Oberflächenenergie bezeichnet).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\sigma_{s}=\sigma_{ls}+\sigma_{l}\cdot \cos \Theta </math>
|width="50px"|(1)
|}

{|style="border-collapse:collapse"
|-
|rowspan="5" style="width:30px" valign="top"|mit:
|-
|style="width:20px"|σs
|style="width:20px"|–
|style="width:530px"|Festkörperoberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|σl
|–
|Flüssigkeitsoberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|σls
|–
|Grenzflächenenergie (mJ/m2)
|-
|Θ
|–
|Rand- oder Kontaktwinkel (Grad); die Benetzbarkeit nimmt mit zunehmendem Winkel ab
|}

Weiterhin kann durch Hinzuziehung von Gl. (1) die zur Ablösung eines Tropfens von einem Festkörper pro Fläche notwendige Arbeit W entsprechend der YOUNG-DUPRÉ-Gleichung (2) berechnet werden [5].

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=\sigma_{l}+\sigma_{s}-\sigma_{ls}=\sigma_{l}\cdot (1+\cos \Theta )</math>
|width="50px"|(2)
|}

Dabei wird berücksichtigt, dass zwei neue Grenzflächen (Flüssigkeit gegen Luft und Festkörper gegen Luft) entstehen, während die Grenzfläche flüssig/fest verschwindet.

Anderseits wurde von Girifalco und Good [6] gefunden, dass sich die Ablösearbeit W näherungsweise in Form des geometrischen Mittels der Oberflächenenergien von Flüssigkeit und Festkörper (σs und σl) mittels Gl. (3) ausdrücken lässt.

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=2\sqrt{\sigma_{l}\cdot \sigma_{s}}</math>
|width="50px"|(3)
|}

Durch die Verwendung unterschiedlicher Referenz-Flüssigkeiten können mit dieser Methode auch der polare σlsp und der disperse Anteil σlsd der Grenzflächenenergie bestimmt werden. Hierbei sind die zur '''Grenzflächenenergie''' beitragenden polaren Wechselwirkungen die KEESOM-Wechselwirkung [7] zwischen zwei Dipolen und die DEBYE-Wechselwirkung [8] zwischen einem Dipol und einem polarisierbaren Molekül zu beachten. Der disperse Anteil der Wechselwirkung, der zur '''Grenzflächenenergie''' beiträgt, entsteht durch die Kräfte infolge der Londonsche Wechselwirkung [9] zwischen zwei polarisierbaren Molekülen. Alle drei Wechselwirkungen tragen zu den van-der-Waals-Kräften [10] bei.

Die beiden Wechselwirkungsarten (polar und dispers) tragen nun, da sie unabhängig voneinander sind, additiv zur Größe von W bei. Mit Gl. (3) ergibt sich somit die Gl. (4) (p und d stehen für polar und dispers):

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=2\left ( \sqrt{\sigma_{l}^{p} \cdot \sigma_{s}^{p}}+\sqrt{\sigma_{l}^{d}\cdot \sigma_{l}^{d}} \right )</math>
|width="50px"|(4)
|}

Diese Additivität gilt ebenfalls für die Oberflächenenergien von Flüssigkeit und Festkörper. Mit der nach Einsetzen von Gl. (4) in Gl. (2) und Umformung enthaltenen Beziehung (5)

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\frac{\left ( 1+\cos \Theta \right )\cdot \sigma _{l}}{2\sqrt{\sigma_{l}^{d}}}=\sqrt{\sigma_{s}^{d}}\cdot \sqrt{\frac{\sigma_{p}^{l}}{\sigma_{l}^{d}}}+\sqrt{\sigma_{s}^{d}}</math>
|width="50px"|(5)
|}

nach Owens, Wendt, Rabel und Kaelble (OWRK-Methode) [11–13] lässt sich nun die polare und disperse (und somit auch die gesamte) Oberflächenenergie eines Festkörpers ermitteln. Dazu wird mittels mehrerer Flüssigkeiten mit bekannter polarer und disperser Oberflächenenergie der Kontaktwinkel gemessen. Durch Auftragung von <math>\frac{\left ( 1+\cos \Theta \right )\cdot \sigma _{l}}{2\sqrt{\sigma_{l}^{d}}}</math> als Funktion von <math>\sqrt{\frac{\sigma_{p}^{l}}{\sigma_{l}^{d}}}</math> ergibt sich der polare Anteil der Festkörperoberflächenenergie als Anstieg der resultierenden Geraden und der disperse Anteil als Schnittpunkt mit der y-Achse.

Ein anderes für [[polymer]]e Werkstoffe angewandtes Verfahren zur Ermittlung des polaren und dispersen Anteils der Oberflächenenergie ist die Methode nach Wu [14] mittels Gl. (6).

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>W=\frac{4\sigma_{l}^{p}\cdot \sigma_{s}^{p}}{\sigma_{l}^{p}+ \sigma_{s}^{p}}+\frac{4\sigma_{l}^{d}\cdot \sigma_{s}^{d}}{\sigma_{l}^{d}+ \sigma_{s}^{d}}</math>
|width="50px"|(6)
|}

[[Datei:Oberflaechenenergie-2.jpg|300px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Methode des hängenden Tropfens: R1, R2 – Hauptkrümmungsradien, h – vertikale Höhe des Tropfens
|}

Zur Ermittlung der Oberflächenenergie einer Kunststoffschmelze (oder Lösung) wird die Methode des hängenden Tropfens verwendet ('''Bild 2'''). Hierbei wird die Oberflächenenergie aus der Kontur eines hängenden Tropfens bestimmt, der mittels einer Spritze dosiert wird. Die Form des sich am unteren Ende der Dosiernadel bildenden Tropfens lässt sich (bei Vernachlässigung des Einflusses des umgebenden Gases) entsprechend der YOUNG-LAPLACE-Gleichung [4, 15] durch das Kräftegleichgewicht zwischen Schwerkraft und Oberflächenenergie mathematisch exakt nach Gl. (7) beschreiben (für Details der experimentellen Vorgehensweise siehe z. B. [3]):

{|
|- valign="top"
|width="550px"|<math>\sigma_{l}\cdot \left ( \frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}} \right )=\rho \cdot g\cdot h</math>
|width="50px"|(7)
|}

{|style="border-collapse:collapse"
|-
|rowspan="6" style="width:30px" valign="top"|mit:
|-
|style="width:40px"|σl
|style="width:20px"|–
|style="width:510px"|Flüssigkeitsoberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|R1, R2
|–
|Hauptkrümmungsradien (m)
|-
|ρ
|–
|Dichte der Flüssigkeit (g/m3)
|-
|g
|–
|Erdbeschleunigung (m/s2)
|-
|h
|–
|vertikale Höhe des Tropfens (m)
|}

==Oberflächenenergien für ausgewählte Polymerwerkstoffe==

In '''Tabelle 1''' sind für ausgewählte Polymerwerkstoffe die Werte der Oberflächenenergie zusammengefasst. Typischerweise liegen diese Werte im Bereich von etwa 20… 50 mJ/m2.

{|border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle 1''': Oberflächenenergie und deren disperser und polarer Anteil für ausgewählte Polymerwerkstoffe (siehe [3, 16] sowie Literatur in [16]).
!! style="width: 100px; background:#DCDCDC"|Werkstoff
!! style="width: 150px; background:#DCDCDC"|Disperser Anteil der Oberflächenenergie (mJ/m2)
!! style="width: 150px; background:#DCDCDC"|Polarer Anteil der Oberflächenenergie (mJ/m2)
!! style="width: 150px; background:#DCDCDC"|Gesamte Oberflächenenergie (mJ/m2)
|-
|Epoxidharz
|style="text-align:center"|19,5
|style="text-align:center"|13,2
|style="text-align:center"|32,7
|-
|PA6
|style="text-align:center"|25,6...39,2
|style="text-align:center"|5,0...15,4
|style="text-align:center"|38,3...54,6
|-
|PAEK
|style="text-align:center"|36,0
|style="text-align:center"|3,8
|style="text-align:center"|39,8
|-
|PBT
|style="text-align:center"|39,4...41,8
|style="text-align:center"|3,3...9,4
|style="text-align:center"|43,8...48,8
|-
|PC
|style="text-align:center"|27,3...37,0
|style="text-align:center"|1,8...6,0
|style="text-align:center"|33,3...38,8
|-
|PE-HD
|style="text-align:center"|30,0...35,0
|style="text-align:center"|0,0...0,7
|style="text-align:center"|30,3...35,7
|-
|PE-LD
|style="text-align:center"|33,2...35,1
|style="text-align:center"|0,0
|style="text-align:center"|33,2...35,1
|-
|PES
|style="text-align:center"|42,1
|style="text-align:center"|5,1
|style="text-align:center"|47,2
|-
|PET
|style="text-align:center"|32,9...43,2
|style="text-align:center"|3,1...4,5
|style="text-align:center"|37,3...47,3
|-
|PFA
|style="text-align:center"|19,1
|style="text-align:center"|3,4
|style="text-align:center"|22,5
|-
|PMMA
|style="text-align:center"|25,7...44,2
|style="text-align:center"|4,3...14,6
|style="text-align:center"|40,2...51,3
|-
|POM
|style="text-align:center"|36,0...42,2
|style="text-align:center"|5,1...11,1
|style="text-align:center"|42,1...47,9
|-
|PP
|style="text-align:center"|25,8...42,1
|style="text-align:center"|0,3...1,3
|style="text-align:center"|31,2...42,4
|-
|PPE
|style="text-align:center"|42,7...44,7
|style="text-align:center"|2,1...3,2
|style="text-align:center"|45,9...46,8
|-
|PS
|style="text-align:center"|23,3...44,6
|style="text-align:center"|0,6...6,9
|style="text-align:center"|29,0...45,4
|-
|PSU
|style="text-align:center"|42,1
|style="text-align:center"|4,2
|style="text-align:center"|46,3
|-
|PTFE
|style="text-align:center"|18,5...18,6
|style="text-align:center"|0,0...0,5
|style="text-align:center"|18,5...19,1
|-
|PVB
|style="text-align:center"|36,0
|style="text-align:center"|4,7
|style="text-align:center"|40,7
|-
|PVC
|style="text-align:center"|26,0...40,0
|style="text-align:center"|1,5...12,7
|style="text-align:center"|37,3...51,7
|-
|SAN
|style="text-align:center"|27,1...42,1
|style="text-align:center"|2,7...7,7
|style="text-align:center"|31,1...47,2
|-
|TPU
|style="text-align:center"|35,2
|style="text-align:center"|3,8
|style="text-align:center"|39,0
|}

PA6 – Polyamid 6, PAEK – Polyaryletherketon, PBT – Polybutylenterephthalat, PC – Polycarbonat, PE-HD – Polyethylen hoher Dichte, PE-LD – Polyethylen niedriger Dichte, PES – Polyethersulfon, PET – Polyethylenterephthalat, PFA – PTFE-Copolymerisat, PMMA – Polymethylmethacrylat, POM – Polyoxymethylen, PP – Polypropylen, PPE – Polyphenylenether, PS – Polystyren, PSU – Polysulfon, PTFE – Polytetrafluorethylen, PVB – Polybutylvinylbutyrat, PVC – Polyvinylchlorid, SAN – Styren-Acrylnitril-Copolymer, TPU – Thermoplastisches Polyurethan.

Wenn der polare Anteil der Oberflächenenergie größer als 1 mJ/m2 ist, dann spricht man von polaren Kunststoffen, ist er kleiner, von unpolaren Kunststoffen [16].

Kunststoffe mit einer geringen Oberflächenenergie und/oder unpolare Kunststoffe, zu denen z. B. polyolefine Werkstoffen allgemein, wie Polyethylen ([[Kurzzeichen]]: PE) und Polypropylen ([[Kurzzeichen]]: PP), sowie Kunststoffe auf der Basis von Polytetrafluorethylen ([[Kurzzeichen]]: PTFE) gehören (vgl. '''Tabelle 1'''), werden für Antihaftbeschichtungen (PTFE und dessen Copolymerisate, wie Perfluor-Tetrafluorethylen (PFA)), in der Lebensmittelindustrie (besonders PE) sowie für Rohre und Behälter (PE und PP) eingesetzt. Aufgrund der geringen Oberflächenenergie bzw. des geringen polaren Anteils der Oberflächenenergie sind sie allerdings ohne spezielle Oberflächenvorbehandlung nur schwer bedruckbar.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Lach, R.: Korrelationen zwischen bruchmechanischen Werkstoffkenngrößen und molekularen Relaxationsprozessen amorpher Polymere. VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 18: Mechanik/Bruchmechanik, Nr. 223, VDI-Verlag, Düsseldorf (1998) (ISBN 3-13-322318-x; siehe: [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-7)
|-valign="top"
|[2]
|Hartwig, G., Saatkamp, T.: Fracture Properties of Polymers at Cryogenic Temperatures. Advances in Cryogenic Engineering 40 (1994) 1121–1127
|-valign="top"
|[3]
|Kopczynska, A., Ehrenstein, G. W.: Oberflächenspannung von Kunststoffen. Messmethoden am LKT. Sonderdrucke am Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, siehe: [https://www.lkt.tf.fau.de/files/2017/06/Oberflaechenspannung.pdf https://www.lkt.tf.fau.de/files/2017/06/Oberflaechenspannung.pdf] (Zugriff am 21.02.2019)
|-valign="top"
|[4]
|Young, T.: An Essay on the Cohesion of Fluids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 95 (1805) 65–87
|-valign="top"
|[5]
|Dupré, A., Dupré, P.: Théorie Mécanique de la Chaleur. Gauthier-Villars, Paris (1869)
|-valign="top"
|[6]
|Girifalco, L. A., Good, R. J.: A Theory for the Estimation of Surface and Interfacial Energies. I. Derivation and application to interfacial tension. The Journal of Physical Chemistry 61 (1957) 904–909
|-valign="top"
|[7]
|Keesom, W. H.: The Second Virial Coefficient for Rigid Spherical Molecules whose Mutual Attraction is Equivalent to that of a Quadruplet Placed at its Center. Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 18 (1915) 636–646
|-valign="top"
|[8]
|Debye, P.: Polare Molekeln. S. Hirzel Verlag, Leipzig (1929)
|-valign="top"
|[9]
|London, F.: The General Theory of Molecular Forces. Transactions of the Faraday Society 33 (1937) 8–26
|-valign="top"
|[10]
|van der Waals, J. D.: Over de Continuïteit van den Gas- en Vloeistoftoestand. Dissertation, Universität Leiden (1873)
|-valign="top"
|[11]
|Kaelble, D. H.: Dispersion-polar Surface Tension Properties of Organic Solids. The Journal of Adhesion 2 (1970) 66–81
|-valign="top"
|[12]
|Owens, D., Wendt, R.: Estimation of the Surface Free Energy of Polymers. Journal of Applied Polymer Science 13 (1969) 1741–1747
|-valign="top"
|[13]
|Rabel, W.: Einige Aspekte der Benetzungstheorie und ihre Anwendung auf die Untersuchung und Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Polymeren. Farbe und Lack 77 (1971) 997–1005
|-valign="top"
|[14]
|Wu, S.: Polar and Nonpolar Interactions in Adhesion. The Journal of Adhesion 5 (1973) 39–55
|-valign="top"
|[15]
|Marquis de Laplace, P. S.: Traité de Mécanique Céleste. Courcier, Paris (1805), Vol. 4, Supplément au Dixième Livre du Traité de Mécanique Céleste, 1–79
|-valign="top"
|[16]
|Erhard, G.: Konstruieren mit Kunststoffen. 4. Auflage, Carl Hanser Verlag, München (2008), 152–153 (ISBN 978-3-446-41646-8; siehe: [[AMK-Büchersammlung]] unter G 33)
|}

[[Kategorie:Oberflächenprüftechnik]]

MMB-Prüfkörper

2021-01-12T12:59:30Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
MMB-Prüfkörper
__FORCETOC__
==Prüfkörperform==

Die angelsächsische Abkürzung MMB steht für "'''M'''ixed-'''M'''ode '''B'''end".

Der MMB-Prüfkörper wird zur Bestimmung interlaminarer [[Risszähigkeit]]en in Mode I und Mode II (siehe: [[Bruchmoden]]) Belastung verwendet. Für diese Prüfanordnung wird ein [[DCB-Prüfkörper]] verwendet, wobei im Unterschied zur DCB-Prüfung eine Verschiebung des Drehpunktes zugelassen wird, wodurch ein kontinuierlicher Übergang von Mode I zu Mode II Belastung simuliert werden kann [1].

[[Datei:mmb.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Versuchsanordnung zur Mixed-Mode Bend-Prüfung
|}

==Bestimmungsgleichung==

Es werden Kraft-Durchbiegungs-Diagramme aufgenommen und bei bekanntem Abstand zwischen Drehpunkt und Bügel c ('''siehe Bild''') können daraus die interlaminaren [[Energiefreisetzungsrate]]n für Mode I und Mode II getrennt berechnet werden [2].
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>G_{Ic}=\frac{F^2 \cdot \left (3c-L \right )^2 \cdot \left (a+K \right)^2}{16 \cdot B \cdot L^2 \cdot E \cdot I}</math> für <math>c > \frac{L}{3}</math> und
|}
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>G_{IIc}=\frac{3F^2 \cdot \left (c+L \right )^2 \cdot \left (a+0,42\cdot K \right)^2}{16 \cdot B \cdot L^2 \cdot E \cdot I}</math> für <math>c < \frac{L}{3}</math> mit GIc = 0
|}

mit:
{|
|-
|E
|width="15px" |
|[[Elastizitätsmodul|E-Modul]]
|-
|I
|
|Flächenträgheitsmoment
|-
|c
|
|Abstand vom Drehpunkt zum Bügel
|-
|L
|
|Abstand vom Drehpunkt zum Auflager
|-
|K
|
|Korrekturfaktor für [[Prüfkörpereinspannung|Einspanneffekte]]
|}

Eine umfangreiche Zusammenstellung von geeigneten Prüfkörpern für [[Bruchmechanische Prüfung|bruchmechanische Untersuchungen]] an [[Kunststoffe]]n und [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffen]] ist in [[Prüfkörper_für_bruchmechanische_Prüfungen|Bruchmechanikprüfkörper]] enthalten.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Altstädt,_Volker|Altstädt, V.]]: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 585/586 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|Robinson, P., Hodgkinson, J. M.: Interlaminar Fracture Toughness. In: Hodgkinson (Ed.): Mechanical Testing in Advanced Fibre Composites. Woodhead Publishing, Cambridge (2000)
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]
[[Kategorie:Prüfkörper]]

Michler, Goerg Hannes

2021-01-12T12:58:54Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Michler, Goerg Hannes

[[Datei:Michler.jpg|150px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild''':
|width="600px" |Prof. Dr. Goerg Hannes Michler
|}

Prof. Dr. Goerg Hannes Michler, geboren am 19. Mai 1945 in Stefansruh/Isergebirge ist ein deutscher Physiker und Materialwissenschaftler mit wissenschaftlichen Schwerpunkten in der Polymerphysik, [[Mikroskopische_Struktur|Morphologie]], Mikro- und Nanomechanik von [[Kunststoffe|Kunststoffen]] und der [[Elektronenmikroskopie]] einschließlich [[Rasterkraftmikroskopie|Raster-Kraftmikroskopie]].

Goerg Michler studierte von 1963 bis 1968 an der [https://www.uni-halle.de/ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] Physik und diplomierte am Institut für Festkörperphysik und Elektronenmikroskopie in Halle (IFE) unter Prof. Dr. Heinz Bethge mit dem Thema '''„Bestimmung der Verweilzeit durch Impulsbedampfung“'''.

Im Januar 1969 begann er eine Tätigkeit für die Kunststoff-Forschung zunächst im VEB Chemische Werke Buna, im Großforschungszentrum (GFZ) Leuna-Merseburg und dann in den Leuna-Werken, die durch den Armeedienst von 1970 – 71 unterbrochen wurde. Der Arbeitsort war das IFE Halle unter der Leitung von Prof. Dr. Heinz Bethge. Schwerpunkte waren die Aufklärung der Morphologie unterschiedlicher Kunststoffe sowie des [[Deformationsmechanismen|Deformations-]] und [[Bruchverhalten|Bruchverhaltens]] insbesondere auch mit der damals einzigartigen Technik der in-situ Deformation im 1 MV [[Transmissionselektronenmikroskopie|Höchstspannungs-Elektronenmikroskop]]. Ergebnisse wurden 1978 zu einer Promotion an der [https://www.uni-halle.de Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] zum Thema

'''„Deformations- und Bruchmechanismen in glasartigen und kautschukmodifizierten [[Polymer|Polymeren]]“'''

zusammengefasst.

Nach einem Wechsel an das Wissenschaftliche Forschungs- und Koordinierungszentrum (WKZ) der chemischen Industrie konnten die Arbeiten im IFE mit einer Gruppe Polymerphysik konzentriert ausgeweitet werden. Im Jahre 1987 wurde eine Habilitation zum Thema

'''„[[Crazing|Crazes]] und crazeartige Deformationen in Polymeren“'''

an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg verteidigt. Die venia legendi im Fach Werkstofftechnik erwarb er an der Technischen Hochschule Merseburg. Wissenschaftliche Ergebnisse aus dieser Akademie–Industriekooperation wurden auf Tagungen und in- und ausländischen Zeitschriften publiziert.

Nach der politischen Wende waren die Bedingungen für diese Art der Kooperation zwischen Forschung und Industrie nicht mehr gegeben, so dass er 1990 einem Ruf als Professor für Experimentalphysik an die Technische Hochschule Merseburg und 1992 auf eine C4-Professur für „Allgemeine Werkstoffwissenschaften“ an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg folgte. Die Professur war zunächst im Institut für Werkstoffwissenschaften am Standort Merseburg angesiedelt und nach internen Umstrukturierungen am Institut für Physik auf dem Weinberg Campus in Halle (Saale).

Zur Stärkung des Wissenschaftstransfers von der Grundlagenforschung in die industrielle Praxis gründete er gemeinsam mit Fachkollegen im Jahre 1992 das [http://www.ipw-merseburg.de Institut für Polymerwerkstoffe e.V. (IPW)] als An-Institut an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, als dessen Vorstandsvorsitzender er bis 2010 und danach als Ehrenvorsitzender fungierte. Im Jahre 2001 war er Mitbegründer der [https://www.polymerservice-merseburg.de Polymer Service GmbH Merseburg (PSM)] als An-Institut an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und im Jahre 2007 der [https://www.amk-merseburg.de "Akademie Mitteldeutsche Kunststoffinnovationen“ (AMK)] in Merseburg als Stiftung des öffentlichen Rechts.

Er wurde im Jahre 2002 mit dem „A.v. Humboldt – J. C. Mutis Wissenschaftspreis“ des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie in Madrid, Spanien und im Jahre 2003 mit dem „Paul J. Flory Polymer Research Prize der North Texas University in Denton, USA ausgezeichnet.

Wissenschaftliche Erkenntnisse publizierte er in über 450 Vorträgen auf Veranstaltungen, in ca. 230 Artikeln in Zeitschriften und über 30 Artikeln in Büchern und Monographien. Er ist Autor, Koautor bzw. Herausgeber von 19 Monographien.

Ab Ende 2010 ist er Professor Emeritus an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg.

Im Jahre 2011 initiierte er gemeinsam mit Fachkollegen aus Halle die Gründung der "[https://bethge-stiftung.de Heinz-Bethge-Stiftung für angewandte Elektronenmikroskopie]" als Stiftung des öffentlichen Rechts mit Sitz in Halle (Saale), deren Vorstandsvorsitzender er seitdem ist.

''Ausgewählte Fachbücher zur Morphologie und Mikromechanik und zur Elektronenmikroskopie von Polymeren:''

*'''Kunststoff-Mikromechanik: Morphologie, Deformations- und Bruchmechanismen''': G. H. Michler, Carl Hanser Verlag München (1992) (ISBN 3-446-17068-5)
*'''Mechanical Properties of Polymers Based on Nanostructure and Morphology (Eds.)''': G. H. Michler, F. J. Baltá-Calleja, Taylor&Francis Boca Raton (2005) (ISBN 1-57444-771-8)
*'''Electron Microscopy of Polymers (Ed.)''': G. H. Michler, Springer Verlag Berlin Heidelberg (2008) (ISBN 978-3-540-36350-7)
*'''Nano- and Micromechanics of Polymers: Structure Modification and Improvements of Properties''': G. H. Michler, F. J. Baltá-Calleja, Carl Hanser Verlag, München (2012) (ISBN 978-3-446-42767-9)
*'''Atlas of Polymer Structures: Morphology, Deformation and Fracture Structures''': G. H. Michler, Hanser Publishers, Munich (2016) (ISBN 978-1-56990-557-9)
*'''Kompakte Einführung in die Elektronenmikroskopie: Techniken, Stand, Anwendungen, Perspektiven''': G. H. Michler, Springer Spektrum, Wiesbaden (2019) (ISBN 978-3-658-26687-5)

Die Herausgeber des Lexikons danken Prof. Dr. G. H. Michler, [https://www.uni-halle.de/ Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg] und [https://www.polymerservice-merseburg.de/ Polymer Service GmbH Merseburg] für die Gastbeiträge:

*[[Elektronenmikroskopie]]
*[[Transmissionselektronenmikroskopie]]
*[[Ultramikrotomie]]

[[Kategorie:Werkstoffwissenschaftler Polymerwissenschaftler]]

Mehrfachbruch UD-Tapes

2021-01-12T12:58:25Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Mehrfachbruch UD-Tapes
__FORCETOC__
==Deformations- und Bruchverhalten von UD-Tapes==

Das Phänomen des Mehrfachbruches eines [[Prüfkörper]]s bei der [[Beanspruchung]] im [[Zugversuch]] wird bei Kunststoffverbunden beobachtet, z. B. an unidirektional (UD) verstärkten Endlosfaser-Kunststoff-Verbunden (FKV), sogenannten UD-Tapes [1]. Aufgrund der unidirektionalen Endlosverstärkung können UD-Tapes in Faserrichtung sehr hohe [[Festigkeit]]s- und [[Steifigkeit]]sanforderungen erfüllen. Durch eine Applikation der UD-Tapes entlang der Lastpfade bzw. der Belastungsrichtung können die Vorteile optimal ausgeschöpft werden, entweder direkt als Tape oder nach einer Konsolidierung mehrerer Lagen als Laminat, wobei die [[Faserorientierung]] der Schichten dem [[Kunststoffbauteil|Bauteil]] individuell angepasst werden kann (siehe auch: [[Glasfaserorientierung]]). Aufgrund der Vorteile bei der Verarbeitung und im Einsatz in Leichtbaukonstruktionen oder dem Ersatz metallischer Bauteile gewinnen UD-Tapes mit [[Thermoplaste|thermoplastischer Matrix]] zunehmend an Bedeutung [2, 3]. 
Für die Laminatherstellung aus UD-Tapes sind die Schichtung des Tapes in präzisen Winkeln, eine konstante Dicke und eine gleichmäßige und defektfreie Verpressung besonders wichtig. Treten dabei Abweichungen auf, sind die Auswirkungen auf die Art des [[Deformation]]s- und [[Bruchverhalten]]s und insbesondere beim [[Bauteilversagen|Versagen]] durch [[Bruch]] bedeutsam. Die Eigenschaften einer einzelnen Lage sind für die Eigenschaften der Gesamtheit des späteren Verbundes bestimmend. Aus diesem Grund ist die Auswahl von aussagekräftigen Prüfmethoden der [[Kunststoffprüfung]] und [[Kunststoffdiagnostik|Diagnostik]], die die Eigenschaften von dünnen FVK-Lagen beschreiben können, von essentieller Bedeutung (siehe auch: [[Prüfung von Verbundwerkstoffen]]).

Trotz des Sachverhaltes, dass eine reine Zugbeanspruchung in der Praxis eher die Ausnahme darstellt, wird die Charakterisierung der Eigenschaften mit dem [[Zugversuch]] unter prüfmethodischen Aspekten häufig bevorzugt durchgeführt.

==Mehrfachbrüche an einschichtigen UD-Tapes PA/eGF und PPeGF sowie dem mehrschichtigen UD-Tape PET/CReF/PET==

Das Auftreten von Mehrfachbrüchen wird am Beispiel von zwei einschichtigen UD-Tapes mit einer Matrix aus Polyamid 6 ([[Kurzzeichen]]: PA6) bzw. Polypropylen ([[Kurzzeichen]]: PP) mit einer Endlosglasfaserverstärkung dargestellt (mit PA/eGF bzw. PP/eGF bezeichnet). Weiterhin wurde ein mehrschichtiges UD-Tape bestehend aus einer Matrix aus Polyethylenterephthalat ([[Kurzzeichen]]: PET) und einer Endlosfaser aus Celluloseregenerat (CReF) charakterisiert. Dieses Tape ist dreischichtig (PET/ CReF/PET). Die einschichtigen Tapes haben eine Dicke von ca. 300 µm bzw. 500 µm bei PET/CReF/PET. Der [[Zugversuch]] wurde in Anlehnung an die DIN EN ISO 527-4 durchgeführt [4] wobei die Endlosfasern unidirektional in Lastrichtung ausgerichtet waren, analog der Einsatzbestimmung der UD-Tapes im Bauteil. Als [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] wurden der [[Elastizitätsmodul]] Et, die Spannung beim ersten Peak σB1, also beim ersten Faserbruch, bzw. beim Maximum σM ermittelt.

Die UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF zeigen ein typisches Spleißen und strangweises Brechen bei Zugbeanspruchung. Dies ist in '''Bild 1a)''' und '''b)''' dargestellt.

[[Datei:Mehrfachbruch_UD-Tapes-1.JPG|550px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Spleißen und strangweises Brechen der Prüfkörper bei Zugbeanspruchung von PA/eGF (a), PP/eGF (b) bzw. Bruch von PET/CReF/PET im unteren Bereich (c)
|}

Die einzelnen Faserstränge der UD-Tapes brechen in einem kurzen zeitlichen Abstand. Dies führt zu den Mehrfachbrüchen, die auch in den [[Zugversuch_Wahres_Spannungs-Dehnungs-Diagramm|Spannungs-Dehnungs-Diagrammen]] (siehe '''Bild 2''' und '''Bild 3''') zu erkennen sind. Trotz der Brüche ist eine weitere Lastaufnahme der Tapes möglich. Erst das Überschreiten eines kritischen Belastungszustandes an getrennten Strängen führt zu einem kompletten Versagen (siehe: [[Bruch]]) des [[Prüfkörper]]s. Ein völlig anderes Versagensverhalten zeigt PET/CReF/PET. Nach einem [[Brucharten|Sprödbruch]] der PET-Schichten besitzen die Fasern noch eine Restfestigkeit und haften weiterhin am Rand der [[Bruchprozesszone|Bruchzone]] in der Matrix. Dies kann während des Versuchs beobachtet werden. Damit kann vom Tape noch weitere Arbeit aufgenommen werden, bis der [[Bruch|Gesamtbruch]] des Prüfkörpers erfolgt. Somit zeigen sowohl die einlagigen UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF als auch PET/CReF/PET einen komplexen Bruchprozess bei einer Zugbeanspruchung.

In der '''Tabelle 1''' sind die mit dem [[Zugversuch]] ermittelten [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] zusammengefasst. Der [[Elastizitätsmodul]] Et ist ein Maß für die [[Probennachgiebigkeit#Probensteifigkeit|Steifigkeit]] der Prüfkörper bei Zugbeanspruchung und für die UD-Tapes vergleichsweise hoch, bedingt durch die einachsige Orientierung der Endlosfasern. Die Spannung beim ersten Strangbruch σB1 ist für die beiden UD-Tapes PA/eGF und PP/eGF deutlich höher als die vergleichbare [[Zugfestigkeit]] σM von PET/CReF/PET.

[[Datei:Mehrfachbruch_UD-Tapes-2.JPG|550px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Spannungs-Dehnungs-Diagramm von jeweils 5 Prüfkörpern (1–5) für die UD-Tapes der Werkstoffe PA/eGF und b) PP/eGF
|}

[[Datei:Mehrfachbruch_UD-Tapes-3.JPG|275px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Spannungs-Dehnungs-Diagramme von 5 Prüfkörpern (1–5) für das UD-Tape PET/CReF/PET
|}

{|
|- valign="top"
|width="70px"|'''Tabelle 1''':
|width="415px"|Kennwerte aus dem Zugversuch: [[Elastizitätsmodul]] Et, Spannung beim ersten Strangbruch σB1 bzw. [[Zugfestigkeit]] σM
|}
{| border="1px" style="border-collapse:collapse"
!! style="width:160px; background:#DCDCDC"|UD-Tape
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|Et (GPA)
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|σB1 (MPa)
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|σM (MPa)
!! style="width:80px; background:#DCDCDC"|σB (MPa)
|-
|style="text-align:left"|PA/eGF
|style="text-align:center"|23,0 ± 1,7
|style="text-align:center"|550 ± 81
|style="text-align:center"|-
|style="text-align:center"|408 ± 75
|-
|style="text-align:left"|PP/eGF
|style="text-align:center"|24,0 ± 1,4
|style="text-align:center"|416 ± 67
|style="text-align:center"|-
|style="text-align:center"|258 ± 86
|-
|style="text-align:left"|PET/CReF/PET
|style="text-align:center"|6,1 ± 0,5
|style="text-align:center"|-
|style="text-align:center"|114 ± 9
|style="text-align:center"|26 ± 6
|}

Das Bruchverhalten der UD-Tapes im [[Zugversuch]] ist sehr komplex. Die ermittelten [[Werkstoffkennwert|Kennwerte]] erlauben eine Differenzierung der UD-Tapes und eine Werkstoffcharakterisierung. Für eine detailliertere Beschreibung des Bruchverhaltens von UD-Tapes stellt die Anwendung bruchmechanischer Methoden zur Bewertung der [[Rissinitiierung]] und [[Rissausbreitung]] einen vielversprechenden Ansatz zur Weiterentwicklung der bisher verwendeten Konzepte dar (siehe: [[Bruchmechanische Prüfung]]).

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Monami, A., Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Moderne Methoden der Kunststoffprüfung zur Werkstoffentwicklung und Bauteilprüfung/Modern Methods of Polymer Testing for Material Development and Testing of Components. Werkstoffprüfung 2016, Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis 1. und 2.12.2016, Neu-Ulm, Tagungsband S. 219–224 (ISBN 978-3-514-00830-4)
|-valign="top"
|[2]
|Haanappel, S. P., Akkerman, R.: Shear Characterisation of Unidirectional Fibre Reinforced Thermoplastic Melts by Means of Torsion. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 56 (2014) 8−26
|-valign="top"
|[3]
|Gao, S.-L., Kim, J.-K.: Cooling Rate Influences in Carbon Fibre/PEEK Composites. Part II: Interlaminar Fracture Toughness. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 32 (2001) 763−774
|-valign="top"
|[4]
|DIN EN ISO 527-4 (2020-08): Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften – Teil 4: Prüfbedingungen für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe (Entwurf)
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]

Lasersinterverfahren

2021-01-12T12:57:56Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Lasersinterverfahren
__FORCETOC__
== Verfahrensaufbau und Wirkungsweise ==

Das Lasersintern ist ein Prozess, bei dem ein als Werkzeug genutzter Laser einen pulverförmigen Werkstoff versintert. Die vorgeheizten Pulverpartikel werden dabei an der [[Oberfläche]] durch den Laser selektiv erwärmt, so dass diese Partikel partiell aufschmelzen und miteinander versintern. Der prinzipielle Aufbau der Lasersinteranlagen ist – abgesehen von geringfügigen hersteller- und systemseitigen Unterschieden – prinzipiell ähnlich ('''Bild 1''') [13].

{| border="0"
|[[Datei:Lasersinterverfahren_1.jpg]]
|
{| border=0
|-valign="top"
|width="25px"|1 –
|Baufeld
|-valign="top"
|2 –
|Materialvorratsbehälter
|-valign="top"
|3 –
|Überflussbehälter
|-valign="top"
|4 –
|Bauplattform
|-valign="top"
|5 –
|Laserfenster
|}
|}
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Vereinfachte Darstellung einer Lasersinteranlage [2]
|}

Das Baufeld (1), das so genannte "Part Bed", befindet sich zentral in der Lasersintermaschine. Unterhalb des Baufeldes liegt eine absenkbare und beheizte Bauplattform (4), auch "Part Piston" genannt. Die Mantelflächen des Bauraums sind ebenfalls beheizt und gegenüber der Umgebung wärmeisoliert. Über dem Baufeld befinden sich eine Spiegel-Linsen-Optik und der Laser, beide sind durch ein auch "IR Window" genanntes Fenster aus IR-transparentem Glas (5) vom Bauraum getrennt. Dies ist notwendig, um ein Verschmutzen der hochsensiblen Optik zu verhindern. Ein System aus Heizern, welche ringförmig zwischen dem Laserfenster und der Bauplattform lokalisiert sind, dient dem Aufheizen des Pulvers auf Prozesstemperatur. Einige Lasersinteranlagen haben zur Vorwärmung des Pulvers zusätzliche Heizer, die links und rechts neben dem Bauraum angebracht sind. Mit dieser Anordnung können während des Lasersinterprozesses scharfe Bauteilkanten besser realisiert werden. Ein, auf einer horizontalen Achse über dem Bauraum gelagerter Wischer ermöglicht den Pulverauftrag. Dieser Wischer ist bei der Firma 3D-Systems als gegenläufige Walze, bei der Firma EOS als Rakel ausgeführt. Es gibt zwei Arten der Pulverbereitstellung. Bei der Vanguard-Baureihe und den Vorgängermodellen der Firma DTM wird vor dem Bauprozess das Polymerpulver in die sich links und rechts vom Bauraum befindlichen Materialvorratsbehälter (2), so genannte "Feeds", gefüllt. Diese werden dann im Prozess vor den (hier als Rollersystem ausgeführt) Wischer nach oben gefahren. Die Systeme von EOS und die Sinterstation sPRO140/230 besitzen Materialvorratsbehälter über dem Wischer, welche während des Prozesses mit Pulver nachgefüllt werden können. Neben den Feeds bzw. der Baukammer befinden sich die Überflussbehälter (3), welche auch als "Overflows" bezeichnet werden. Diese fangen überschüssiges Pulver auf, das das Wischersystem vor sich herschiebt. 
Die Maschine wird hauptsächlich über einen PC bedient. Dieser ist auch für die Steuerung der Spiegel-Linsen-Optik zuständig.

== Datenaufbereitung – Positionierung ==

Der Prozess beginnt mit der Übernahme der CAD-Daten im STL-Format auf den Rechner der Lasersinteranlage. Die sich entsprechend den Daten ergebenden Lasersinterbauteile werden nun in einem virtuellen Bauraum angeordnet. Dabei können die Bauteile so ineinander verschachtelt positioniert werden, so dass das verfügbare Volumen des realen Bauraums optimal ausgenutzt wird. Mögliche Kollisionspunkte kann die Software vor Baubeginn ermitteln. Für möglichst maßhaltige Bauteile sind gewisse Erfahrungswerte einzuhalten, die sehr spezifisch und geometrieabhängig sind und somit nicht verallgemeinert werden können. Allgemein bekannt ist jedoch, dass die Temperatur innerhalb des Baufeldes nahezu ortsunabhängig konstant ist, jedoch am Rand und insbesondere den Ecken abnimmt. Platziert man Teile zu nahe an die Begrenzungen des Bauraums, kommt es aufgrund des dort vorhandenen Temperaturgradienten zu einem starken Verzug und einem Verlust der [[Festigkeit]]. Daher sollte der Abstand aller Teile im Bauraum von der Bauraumbegrenzung laut Herstellerangaben ca. 25 mm sein. 
Die Ausrichtung der Bauteile im Bauraum sollte so erfolgen, dass die pro Lasersinterebene notwendige Belichtungszeit keinen großen Schwankungen unterworfen ist. Eine von Ebene zu Ebene stark zu- oder abnehmende Belichtungszeit führt, da der Prozess temperaturgeführt gefahren wird, zu einer Störung des Baufeldtemperaturgleichgewichts. Schwachstellen im [[Bauteilprüfung|Bauteil]] wären die unmittelbare Folge. 
Zu Baubeginn sollte eine Wärmebarriere erzeugt werden. Dies sind flache großflächige Geometrien, die einerseits infolge der Belichtung mit dem Laser Wärme aufnehmen, andererseits – aus ihrer Funktion als Wärme- bzw. Kälteschild heraus – ein Aufrollen der unteren Schichten der Bauteile, dem so genannten "Curl", verhindern. Sie dienen ebenfalls dazu, dass der Laser auf Betriebstemperatur vorgewärmt wird. 
Beim Lasersintern sind im Gegensatz zum Laserschmelzen von Metallen oder der Stereolithographie keine Stützkonstruktionen notwendig. Einerseits stützt das das Bauteil umgebende Pulver die Konstruktion, andererseits sind die [[Zugversuch Eigenspannungen Orientierungen|Eigenspannungen]] in einer Schicht zu gering, als dass es nach dem Bau der Wärmebarriere zum Aufrollen einer Schicht kommen kann. 
Sind alle Bauteilgeometrien (siehe auch: [[Kunststoffbauteil|Kunststoffbauteil, Dimensionierung]]) implementiert, können noch Bau- und Teileparameter festgelegt werden. In der Praxis bezieht man sich auf einen festen, nur halbjährlich überprüften Parametersatz. Zu den Parametern (Stellgrößen) gehören unter anderem Laserleistung, Strahlversatz, Baufeldtemperatur und maßliche Einstellungen, wie die Schwindungskompensation und die Strahlkorrektur. 
Softwareintern werden alle Volumendaten der Bauteile in Scheiben von einer Schichtdicke von typischerweise 0,08 – 0,15 mm geschnitten und dem Prozess bereitgestellt.

== Prozessablauf ==

Bei der Verarbeitung von [[Kunststoffe]]n wird die Prozesskammer mit einem Schutzgas, meist Stickstoff, geflutet. Der Sauerstoffgehalt beträgt weniger als 6 %, um eine Oxidation des [[Polymer]]s zu verhindern. Während des gesamten Lasersinterprozesses strömt kontinuierlich Schutzgas über das Laserfenster. Das in die Maschine eingeleitete Gas verhindert ein Kondensieren der während des Prozesses freigesetzten Monomere am etwas kälteren Glas. Es dient auch dazu, einen Überdruck in der Kammer zu erzeugen und verhindert dadurch das Einströmen kalter und sauerstoffreicher Luft. Mit wirksamer Schutzatmosphäre beginnen die Heizer die Anlage auf Betriebstemperatur aufzuheizen. Die Bauplattform senkt sich nun um eine Schichtdicke ab. Danach trägt der Wischer eine (neue) Schicht Pulver auf. Dieser Prozess (Bauplattformabsenkung und Pulverschichtauftragung) wiederholt sich bis zu einem Baufortschritt von ca. 10 mm, wobei das Pulverbett langsam auf Temperaturen von ca. 8 – 10 K unterhalb der Schmelztemperatur des [[Polymer]]s erwärmt wird. Bei PA12 beträgt diese Baufeldtemperatur ca. 175 °C. Nachdem die Aufwärmphase beendet ist, beginnt die Bauphase.

[[Datei:Lasersinterverfahren_Sintervorgang_korr.jpg|600px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schematische Darstellung des Sintervorgangs [2]
|}

Ist der Pulverauftrag beendet, rastert der Laser die Konturen der ersten Bauteilschicht (d. h. die in der Lasersinterebene sich befindlichen Bauteilkoordinaten) vektorenweise in X- bzw. Y-Richtung ab (engl.: "Fill") (Bild 2). Am Ende eines Vektors verschiebt sich die Position des Lasers um den Srahlversatz hR senkrecht zur Vektorenrichtung und der Laserstrahl fährt den Vektor entgegengesetzt zum vorherigen Vektor zurück, bis der komplette Ausschnitt des [[Kunststoffbauteil|Bauteils]] belichtet ist. Da das Spiegelsystem beschleunigt werden muss, ist es notwendig die Laserleistung zu Beginn und Ende des Vektors zu verringern. Ansonsten würde aufgrund der geringeren Rastergeschwindigkeit es zu einer Erhöhung der Energiedichte führen und damit zum Aufschmelzen des umliegenden Materials sowie zu einer Verbreiterung der Vektorenden. Diese Leistungskorrektur ist somit notwendig, um die Verbreiterung des Sinterbereichs an den Vektorenden zu minimieren. Um ein Versintern zweier Vektoren untereinander zu gewährleisten, ist der Strahlversatz immer kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls im Fokus dL. Dabei wird der Durchmesser des Laserstrahls als der doppelte Abstand zwischen dem Intensitätsmaximum und dem Punkt, bei dem die Intensität des Strahls auf das 1/e2-fache abgefallen ist, definiert. Nach Fertigstellung der Füllvektoren werden die Randzonen konturführend nochmals belichtet, um möglichst glatte Außenbereiche zu erzeugen (engl.: "Outline"). Ist eine Schicht vollständig belichtet, senkt sich die Bauplattform um eine weitere Schicht der Dicke dS ab. Der Wischer bringt eine neue Schicht Pulver auf und die nächste Schicht wird belichtet. Für die Schichtanbindung in Z-Richtung muss die Laserleistung so groß sein, dass der Einbrand zL größer ist als die Schichtdicke dS. 
Nach Beendigung des eigentlichen Bauprozess erfolgt noch das Auflegen von ca. 2 mm Pulver, um einer zu raschen Abkühlung und einen damit verbundenen Verzug der Bauteile vorzubeugen. 
Der so entstandene Pulverkuchen (engl.: "Part Cake"), muss nach der Bauphase abkühlen. Die Abkühlphase kann je nach Material und Höhe des Baujobs mehrere Stunden bis Tage beanspruchen. Als Faustregel gilt, dass die Prozessdauer gleich der Abkühlzeit sein sollte. 
Nachdem der Pulverkuchen eine Temperatur von weniger als 50 °C erreicht hat, können die Teile entnommen werden. Mit dem Pinsel werden die Teile grob gereinigt und anschließend mittels Sandstrahl und Druckluft nachbehandelt, so dass sich kein loses Pulver mehr auf der [[Oberfläche]] des [[Bruchverhalten von Kunststoffbauteilen|Bauteils]] befindet. 
Die fertigen [[Bauteilprüfung|Bauteile]] können anschließend noch weiter bearbeitet werden, indem sie z. B. geschliffen, gefärbt oder lackiert werden.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Grießbach, S., Lach, R., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Einsatz des Lasersinterns für Kleinserienfertigung hochfester Kunststoffbauteile/ Small Series Production of High-stength Plastic Parts. Kunststoffe 5 (2008) S. 29–32 und Kunststoff International 5 (2008) 11–14
|-valign="top"
|[2]
|Grießbach, S.: Korrelation zwischen Materialzusammensetzung, Herstellungsbedingungen und Eigenschaftsprofil von lasergesinterten Polyamid-Werkstoffen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Verlag Wissenschaftliche Scripten, Auerbach (2012), (ISBN 978-3-942267-53-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-24)
|-valign="top"
|[3]
|Grießbach, V., Buschner, N.: Rapid Manufacturing & Polymerwerkstoffe – Handbuch zur Charakterisierung der Produkteigenschaften (2020)
|}

[[Kategorie:Prüfkörper-_und_Probenherstellung]]

Kunststoffdiagnostik

2021-01-12T12:56:23Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Kunststoffdiagnostik

===Kunststoffprüfung/Kunststoffdiagnostik und Kunststoffdiagnostik/ Schadensanalyse===

Die Kunststoffdiagnostik bezeichnet ein modernes Wissensgebiet, was häufig unter dem Gesichtspunkt einer erkenntnistheoretischen Vertiefung auch als „[[Kunststoffprüfung]]/Kunststoffdiagnostik“ oder „Kunststoffdiagnostik/[[Schadensanalyse]]“ in der Literatur bezeichnet wird. Dabei besteht ein enger Zusammenhang mit der „Werkstoffdiagnostik/[[Werkstoffprüfung]]“, die sich als eigenständige Wissenschaftsdisziplin mit der Aufklärung der Eigenschaften spezieller, zumeist metallischer, Werkstoffe und den Ursachen für ein mögliches Versagen (siehe: [[Bruch]]) beschäftigt.

Unter Werkstoffdiagnostik versteht man somit – in Analogie zur medizinischen Diagnostik – die Lehre von dem Erkennen von Werkstoffschädigungen (Ungänzen) sowie mikromechanischen Verformungs- und Bruchmechanismen. Die Kunststoffdiagnostik beinhaltet das Zusammenwirken von physikalischen Untersuchungsmethoden zur Aufklärung der stofflichen Zusammensetzung (Analytik), der molekularen Struktur, der [[Mikroskopische Struktur|Morphologie]], mechanischen, thermischen, elektrischen und optischen Eigenschaften, der Herstellungs- und Verarbeitungsbedingungen sowie den technologischen Eigenschaften und den Reaktionen des Werkstoffs mit der Umgebung (siehe auch: [[Spannungsrissbeständigkeit]]).

Besondere Fortschritte bezüglich des Erkenntnisgewinns wurden bei Nutzung und der Weiterentwicklung der [[Hybride_Methoden|hybriden Methoden der Kunststoffdiagnostik]] erzielt, worunter man die Kopplung von zwei oder mehreren, verschiedenen, zumeist zerstörungsfreien, Prüfverfahren und -methoden der modernen [[Kunststoffprüfung]] versteht.

Dabei wird häufig durch eine elektronische [[Instrumentierung]] konventioneller Prüfmethoden ein Informationsgewinn im Vergleich mit den klassischen Methoden angestrebt, wobei einerseits vertiefte Aussagen aus den [[Kennwert]]en abgeleitet werden können und andererseits durch geregelte Prüfalgorithmen eindeutigere Bezüge zu gekoppelten [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|zerstörungsfreien Prüfmethoden]] herstellbar sind.
Beispiele hierfür sind z. B.

* die [[Härte#Instrumentierte_Härteprüfung|instrumentierte Härteprüfung]]
* die [[instrumentierte Kratzprüfung]]
* der [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch]]
* der [[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch|instrumentierte Kerbschlagzugversuch]] und
* der [[Instrumentierter Durchstoßversuch|instrumentierte Durchstoß- oder Fallversuch]]

die auch durch zahlreiche eigene Publikationen (siehe [[Instrumentierung]]) belegt wurden. 

Neben der Erhöhung des Informationsgehaltes konventioneller Prüfverfahren (siehe: [[Werkstoffprüfung]]) besteht die Zielstellung [[hybride Methoden|hybrider Methoden]] in einer verallgemeinerungsfähigen Aufklärung der Zusammenhänge zwischen der [[Mikroskopische Struktur|Mikrostruktur]] und den Eigenschaften, einer quantitativen Bewertung von Struktur (Morphologie)-Eigenschafts-Korrelationen und der Aufstellung physikalisch begründete Funktionalitäten bis hin zur Nutzung [[Mikroschädigungsgrenze|schädigungsspezifischer]] [[Werkstoffkenngröße]]n in der Schadensmechanik mit Methoden der FEM.
Für die Kunststoffdiagnostik im Sinne der hybriden Methoden nutzbare [[Zerstörungsfreie Kunststoffprüfung|zerstörungsfreie Prüftechniken]] sind in Kombination mit mikroskopischen Prüfmethoden z. B.:

* die [[Ultraschallprüfung|Ultraschall]]- und die [[Klangprüfung]]
* die [[Schallemissionsprüfung]]
* die Mechano-Dielektrometrie
* die [[Laserextensometrie|Laser]]- und [[Videoextensometrie]]
* die [[Thermographie|Videothermographie]]
* die Volumendilatometrie und
* die experimentellen [[Speckle-Messtechnik]]en wie Speckle-Pattern-Photographie, [[Electronic-Speckle-Pattern-Interferometrie|Speckle-Pattern-Interferometrie]], [[Shearographie]], Grauwert-Korellations-Analyse und Moiré-Technik

Eine international bedeutender Trend besteht auch in dem verstärkten Bemühen einer Online-Integration von innovativen zerstörungsfreien Prüfverfahren der Werkstoff- bzw. Kunststoffdiagnostik in den jeweiligen Produktionsprozessen zur optimalen Sicherung der Qualitätsanforderungen an das Produkt und den Herstellungsprozess. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer produktbezogenen Anpassung werkstofflicher Untersuchungsmethoden für [[Kunststoffe]] resultierend aus dem komplexen Aufbau moderner Werkstoffe.

Die Professur Werkstoffdiagnostik/ Werkstoffprüfung (Leiter: [[Grellmann,_Wolfgang|Prof. Dr. rer. nat. habil. W. Grellmann]]) hat in den Jahren von 1995 bis 2014 zahlreiche methodische und werkstoffliche Beiträge zur Weiterentwicklung der Kunststoffdiagnostik geliefert (siehe [http://www.kunststoffdiagnostik.de www.kunststoffdiagnostik.de]). Dabei bildete die Einbeziehung der experimentellen Methoden der [[Bruchmechanik]] und der [[Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP)|zerstörungsfreien Werkstoffprüfung]] einen besonderen methodischen Schwerpunkt. Besondere herauszuhebende Forschungsschwerpunkte beziehen sich auf die in-situ-Kopplung von mechanischen und bruchmechanischen Experimenten mit zerstörungsfreien Methoden, wie z. B.

* [[Hybride_Methoden,_Beispiele#(2) Kopplung des Zugversuches bei statischer Beanspruchung mit der Methode der Laserextensometrie|Kopplung des Zugversuches bei statischer Beanspruchung mit der Methode der Laserextensometrie]]
* [[Hybride_Methoden,_Beispiele#(3) Kopplung des Zugversuches mit der schädigungssensitiven Schallemissionsanalyse|Kopplung des Zugversuches mit der schädigungssensitiven Schallemissionsanalyse]]
* [[Hybride_Methoden,_Beispiele#(4) Kopplung von Schallemission und Thermographie mit dem Zugversuch an einem statisch beanspruchten CT-Prüfkörper oder Vielzweckprüfkörper|Kopplung von Schallemission und Thermographie mit dem Zugversuch an einem statisch beanspruchten CT-Prüfkörper oder Vielzweckprüfkörper]]
* [[Hybride_Methoden,_Beispiele#(5) Kopplung des Biegeversuchs mit der schädigungssensitiven Schallemissionsanalyse|Kopplung des Biegeversuchs mit der schädigungssensitiven Schallemissionsanalyse]]
* [[IKBV_mit_SEA|Kopplung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches (IKBV) mit der Schallemissionsanalyse (SEA)]]
* [[In-situ-Zugversuch im NMR]]

Ziel der in-situ-Kopplung verschiedener Prüfmethoden ist immer die Erhöhung der Aussagefähigkeit klassischer Prüfmethoden und die Ableitung von Möglichkeiten zur Quantifizierung von [[Mikroschädigungsgrenze|Schädigungszuständen]] bzw. -grenzwerten (siehe [[Schadensanalyse]]) und von neuartigen kunststoffspezifischen [[Kenngröße]]n wie z. B. der [[Heterogenität]].

'''Literaturhinweise'''

* [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage, S. 1‒5 (ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)

* Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Polymer Testing. Carl Hanser Verlag, München Wien (2013), (ISBN 978-1-56990-548-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 15)

* Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Fracture Behavior of Polymers. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2001), (ISBN 3-540-41247-6; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 7)

* Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998), (ISBN 3-540-63671-4; e-Book (2014): ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)

* Grellmann, W., Langer, B. (Hrsg.): Deformation and Fracture Behavior of Polymer Materials. Springer Series in Materials Science 247, Springer Verlag, Berlin Heidelberg (2017) (ISBN 978-3-319-41877-3; e-Book: ISBN 978-3-319-41879-7; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 19)

* Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Group VIII Advances Materials and Technologies, Polymer Solids and Polymer Melts Volume VIII/6A3, Landolt-Börnstein, Springer Verlag 2014, (Hardcover: ISBN 978-3-642-55165-9; E-Book: ISBN 978-3-642-55166-6; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)

* Grellmann, W., Heinrich, G., Kaliske, M., Klüppel, M., Schneider, K., Vilgis, T.: Fracture Mechanics and Statistical Mechanics of Reinforced Elastomeric Blends. Springer-Verlag Berlin-Heidelberg 2013 (ISBN 978-3-642-37909-3, siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 14)

* Weitere Bücher zur Kunststoffprüfung und Technischen Bruchmechanik von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen siehe [[AMK-Büchersammlung]]

[[Kategorie:Hybride Methoden]]
[[Kategorie:Wissenschaftsdisziplinen]]

Klappenauslenkungstest

2021-01-12T12:55:57Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Klappenauslenkungstest
__FORCETOC__
==Allgemeines==

Der Klappenauslenkungstest ist eine spezielle technologische Methode der [[Werkstoffprüfung]] zur Charakterisierung der Formstabilität von medizinischen Implantaten (siehe: [[Implantatprüfung]]). Er wurde in den 90-er Jahren entwickelt [1–3] und für die Bewertung des Werkstoff- und Deformationsverhaltens von Stimmprothesen [4] eingesetzt. 
Eine Stimmprothese (engl.: Voice Button, Voice Prosthesis) wird zur stimmlichen Rehabilitation von Patienten verwendet, denen aus medizinischer Indikation der Kehlkopf entfernt wurde.

Zur Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften stehen hierbei unterschiedliche Prüfverfahren der [[Kunststoffprüfung]] zur Verfügung, die aber keine konkrete Aussage über das Bauteilverhalten, d. h. Ventilwiderstand oder Widerstand des Flansches beim Auswechseln und Einsetzen der Prothese geben. Als physikalische Prüfmethode kann die Aufnahme von Druckfluss-Widerstands-Kurven dienen, wogegen für die mechanische Charakterisierung der [[Härte]] der [[Oberfläche]] und des Kriechverhaltens (siehe: [[Kriechen Kunststoffe]]) der für Shuntventile eingesetzten Materialien die [[Instrumentierte Härteprüfung – Methode Kenngrößen|registrierende Mikrohärtemessung]] geeignet ist [1].

Zur Beurteilung des Widerstands des Ventils bzw. der Ventilklappe wurden als technologische Prüfverfahren der

* [[Prothesendurchzugstest]] und der
* Klappenauslenkungstest

entwickelt.

==Schema des Klappenauslenkungstest==

In '''Bild 1''' wird der Klappenauslenkungstest schematisch dargestellt und ein dazugehöriges typisches Kraft-Auslenkungs (Verlängerungs)-Diagramm.

[[Datei:Klappenauslenkungstest.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Klappenlenkungstest für Stimmprothesen (Ventilklappen) (a) und schematisches Belastungs-Auslenkungs(weg)-Diagramm (b) (Fmax-Maximalkraft)
|}

Bei dem Auslenkungstest wird mit einem Stift mit einem Durchmesser von 4 bis 5 mm die Klappe der fixierten Prothese zentrisch ausgelenkt und das Kraft-Verformungs-Verhalten mit einer [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschine]] bei einer [[Traversengeschwindigkeit]] von 2 mm min-1 registriert. Die interessierenden [[Werkstoffkenngröße|Kenngrößen]] sind dabei die erreichte Maximalkraft und der Anstieg der Kurve im Anfangsbereich, der als Maß der [[Steifigkeit]] in N mm-1 dient.

Eine Charakterisierung des Einsatzverhaltens bei verschiedenartigen [[Beanspruchung]]en mit Hilfe technologischer Versuche ermöglicht Rückschlüsse auf die Gebrauchsfähigkeit (z. B. Gestaltungsfestigkeit hinsichtlich der Auswechselbarkeit) und die Lebensdauer (z. B. Klappenfunktion) der Stimmprothesen.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]]: Werkstoff- und Deformationsverhalten von Stimmprothesen – Sensibilität mechanischer Prüfverfahren. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998) S. 411–416 (ISBN 3-540-63671-4; e-Book (2014): ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)
|-valign="top"
|[2]
|Zwanzig, I., Haberland, E.-J., Bierögel, C., Grellmann, W. (1996): Werkstoff- und Deformationsverhalten von funktionellen Prothesen im pharyngo-trachealen Bereich. In: Tagungsband Polymerwerkstoffe ’96, Merseburg, 18.–20.9.1996, S. 494–497
|-valign="top"
|[3]
|Bierögel, C.: Implantatprüfung. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 665–668 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[4]
|Haberland, E.-J., Neumann, G., Löbe, L.P., Voigt, K. (1990): Stimmprothese. Patentschrift Nr. DD 275183 A1, Aktenzeichen WP A 61 F, 17.01.1990
|}

==Klappenauslenkungstest, Stimmprothese==

Ventilprothesen, international überwiegend als '''„Stimmprothesen“''' bezeichnet, sind seit den 80-er Jahren bekannt und werden als funktionelle Implantate bei Patienten ohne Kehlkopf eingesetzt, um eine stimmliche Rehabilitation zu erreichen.

Mit einer Stimmprothese ist eine schnelle stimmliche Rehabilitation möglich [1]. Dabei erzeugt die Prothese die Stimme nur indirekt, indem sie den Luftstrom für Vibrationen der Speiseröhreneingangmuskulatur und -schleimhaut ermöglicht. Sie ist eigentlich ein pharyngo-tracheales Shuntventil, d. h., sie lässt bei Überdruck in der Trachea Luft in die Speiseröhre oder den unteren Rachenbereich strömen, hemmt aber durch ihre Ventilwirkung den Durchtritt von Speichel und Nahrung von der Speiseröhrenseite in die Luftröhre. Kennzeichnend für die Funktionalität ist die einwandfreie Ventilfunktion, deren Versagen einen Prothesenwechsel nach sich zieht. Es gibt eine Reihe von Produkten auf dem Markt, die sich hauptsächlich in der Ausführung des Ventils unterscheiden. Das Material der Wahl ist Silikonkautschuk. Daneben ist Polyurethan als Werkstoff getestet worden.

Die Stimmprothese unterliegt im Einsatz medialen Einwirkungen. Die Stimmprothese befindet sich mit ihrem Schaft im Kontakt mit der Gewebelymphe des nicht-epithelisierten Shunts zwischen Trachea und Pharynx. Sie soll im Shunt beweglich bleiben, damit sie bei Funktionsunfähigkeit leicht entfernt werden kann. Ihre ventiltragende Seite hat ständig Kontakt mit dem Speichel und damit auch mit der Mundflora. Besonders hier kann es zur Biokorrosion kommen. 
Um festzustellen, wie sensibel unterschiedliche mechanische Prüfverfahren auf eine Werkstoffvariation bei Stimmprothesen reagieren, wurden an unterschiedlichen Prothesen aus Silikonkautschuk, Silikonkautschuk-Mischungen und Polyurethan (Stimmprothesen „Halle“ eine Referenz-Stimmprothese „Provox“) [[Härte#Instrumentierte Härteprüfung|Mikrohärteuntersuchungen]], [[Kriechverhalten Ermittlung|Kriechversuche]] und speziell entwickelte technologische Verfahren zur Charakterisierung der Formstabilität durchgeführt [2].

[[Datei:Klappenauslenkungstest_Stimmpr_korr_neu.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Klappenauslenkungstest für ausgewählte Prothesenwerkstoffe [3]
|}

Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der ermittelten mechanischen [[Messgröße]]n und der [[Werkstoffkennwert]]e eine Unterscheidung und Bewertung der Stimmprothesen bezüglich des Werkstoffverhaltens möglich ist. 
Dabei erweist sich der Klappenauslenkungstest als ein sensibles Prüfverfahren, dass vorteilhaft eingesetzt werden kann. Bei dem Auslenkungstest wird mit einem Stift die Ventilklappe der fixierten Prothese zentrisch ausgelenkt. Die interessierende [[Messgröße]] ist die maximale Kraft und der Anstieg der Kurve im Anfangsbereich, der als Maß für die [[Steifigkeit]] dient. Im '''Bild 2''' ist die maximale Kraft für die drei ausgewählten Prothesenwerkstoffe Polyurethan (1), Silikonkautschuk (2) und einer Silikonkautschuk-Mischung (3) dargestellt [3].

Aus dem '''Bild 2''' ist anhand der Maximalkräfte zu erkennen, dass die drei untersuchten Implantatmaterialien in diesem technologischen Test ein deutlich unterschiedliches Verhalten aufweisen. Im Klappenauslegungstest werden für das PUR-Elastomer die geringsten Kräfte registriert, was für die Klappenauslenkung durchaus positiv ist, aber keinen festen Sitz der Prothese garantiert.

Da für die Klappenauslenkung bei der Silikonkautschuk-Mischung nahezu identische Werte wie bei dem Silikonkautschuk ermittelt werden, stellt die Silikonkautschuk-Mischung für die praktische klinische Applikation somit die beste Kompromisslösung dar.

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|Haberland, E.-J., Neumann, K., Berghaus, A. Zwanzig, I., K. Jung: Werkstoffparameter von funktionellen Prothesen im HNO-Bereich bei fortschreitender Degradation. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler, Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998) S. 391–410 (ISBN 3-540-63671-4; e-Book (2014): ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)
|-valign="top"
|[2]
|[[Bierögel, Christian|Bierögel, C.]]: Werkstoff- und Deformationsverhalten von Stimmprothesensensibilität mechanischer Prüfkörper. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer Verlag, Berlin Heidelberg (1998) S. 411–416 (ISBN 3-540-63671-4; e-Book (2014): ISBN 978-3-642-58766-5; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 6)
|-valign="top"
|[3]
|Bierögel, C.: Prüfung des Einsatzverhaltens von pharyngo-trachealen Stimmprothesen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 665–668 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|}

[[Kategorie:Implantatprüfung]]

Kerbschlagbiegeversuch

2021-01-12T12:55:34Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Kerbschlagbiegeversuch
__TOC__
== Konventioneller Kerbschlagbiegeversuch ==

=== Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy ===

Russel hat im Jahre 1898 erstmals einen Pendelhammer als Prüfvorrichtung für die Schlagprüfung eingeführt. Jedoch ist diese Art der Versuchsführung heute nicht mit dem Namen Russel verbunden, sondern mit dem von [[Charpy, Georges|Charpy, G. A. A.]], was an der Art und Weise liegt, mit der [[Charpy, Georges|Charpy]] ab 1901 diese Methode zur Schlagbiegeprüfung metallischer Werkstoffe angewendet hat. So hat [[Charpy, Georges|Charpy]] 1904 die integrale Schlagenergie als Zähigkeitswert vorgeschlagen, die er mittels seiner bekannten Anordnung bestimmt hatte. Obwohl seit der Einführung des [[Charpy]]-Versuches 100 Jahre vergangen sind, gehört die Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit nach [[Charpy]] nach wie vor zu den verbreitesten Verfahren in der industriellen Prüfpraxis, wobei diese Methode jedoch aufgrund zahlreicher formaler Mängel streng genommen nur in der Qualitätssicherung ein berechtigtes Einsatzfeld hat. 
Der Kerbschlagbiegeversuch nach [[Charpy]] ist nach DIN EN ISO 179 genormt und dient der Beurteilung des [[Zähigkeit]]sverhaltens von [[Kunststoffe]]n bei [[Beanspruchung#Mechanische Beanspruchung | schlagartiger Beanspruchung]] unter Verwendung gekerbter [[Prüfkörper]]. Bei der [[Charpy]]-Anordnung in einem Schlagbiegeversuch wird der [[Prüfkörper]] auf zwei [[Auflagerabstand|Widerlagern]] positioniert und in der Mitte durch einen Pendelhammer eines Pendelschlagwerkes (siehe: [[Schlagbeanspruchung Pendelschlagwerk]]) schlagartig beansprucht (siehe Bild 1).

Die prismatischen [[Prüfkörper]] müssen nach der entsprechenden [[Formmasse]]-Norm hergestellt werden und können direkt mittels Spritzgießen oder aus gepressten bzw. gegossenen Platten spanend gefertigt werden. Die vorwiegend für [[Thermoplaste]] verwendeten [[Prüfkörper]] vom Typ 1 (siehe Tabelle) sind aus [[Vielzweckprüfkörper]]n nach DIN EN ISO 3167 Typ A entnehmbar. Die [[Prüfkörper]] Typ 2 und 3 werden nur für [[Prüfung von Verbundwerkstoffen|Verbundwerkstoffe]] mit interlaminarem [[Brucharten|Scherbruch]], z. B. langfaserverstärkte Kunststoffe, verwendet.

[[Datei:Kerbschlagbiegeversuch_Anordnung_Charpy.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px" |Schematische Darstellung der Charpy-Anordnung zur Durchführung von Kerbschlagbiegeversuchen
|}

Die für die Zerstörung der [[Prüfkörper]] mit definierten Abmessungen (siehe Tabelle) notwendige Brucharbeit wird mit dem Pendelschlagwerk ermittelt. Die Schwerkraft tritt dabei als Antriebskraft auf. Das Messprinzip eines Pendelschlagwerkes beruht auf der Bestimmung der Differenz zwischen Fallwinkel und Steigwinkel, welche durch den Engergieverlust des Pendelhammers durch die Brucharbeit am [[Prüfkörper]] bestimmt wird.

{| border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle''': Prüfkörpertypen und -abmessungen für den Kerbschlagbiegeversuch nach DIN EN ISO 179
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" |
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Länge l (mm)
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Breite b (mm)
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Dicke h (mm)
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Stützweite L (mm)
|-
|Typ 1
|80 ± 2
|10,0 ± 0,2
|4,0 ± 0,2
|62
|-
|Typ 2
|25 h
|10 oder 15
|3
|20 h
|-
|Typ 3
|(11 oder 13) h
|10 oder 15
|3
|(6 oder 8) h
|}

Die Berechnung der Kerbschlagzähigkeit ([[Charpy]]) wird nach folgender Gleichung durchgeführt.
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>a_{cN}\,=\,\frac{W_c}{h \cdot b_{N}}</math>
|}

mit
{|
|Wc
|width="15px" |
|Schlagarbeit
|-
|}

Eine Zusammenstellung von Literaturergebnissen zur Kerbschlagzähigkeit acN ist in dem in den Literaturhinweisen angegebenen Landolt-Börnstein Band VII/6A3 enthalten.

'''Literaturhinweise'''

*Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Impact Loading. Charpy Impact Strength. In: Grellmann, W., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 192–218, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)
* Russel, S. B. (1898): Experiments with a New Machine for Testing Materials by Impact. American Society of Civil Engineers 39/826, 237–250 [Reprint: Siewert, T. A., Manahan S. (Eds.) (2000): The Pendulum Impact Testing: A Century of Progress. ASTM STP 1380, 17–45]
* [[Charpy, Georges|Charpy, G. A. A.]] (1901): Essay on the Metals Impact Bend Test of Notched Bars. [Reprint: Siewert, T.A., Manahan, S. (Eds.) (2000): The Pendulum Impact Testing: A Century of Progress. ASTM STP 1380]; Charpy, G. A. A. (1901): Note sur L’essai des metaux a la flexion par choc de barreaux entailles. Association internationale pour l’essai des materiaux. Congres de Budapest 1901 [auch veröffentlicht in: Soc. Ing. Civ. de Francis. Juni 1901, 848–877]
* [[Charpy, Georges|Charpy, G. A. A.]] (1904): Report on Impact Test of Metals. Proc. Intern. Association for Testing Materials, Vol. I, Report III
* Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 159ff (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
* DIN EN ISO 179-1 (2010-11) Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung

=== Kerbschlagbiegeversuch nach Dynstat ===

Die Ermittlung der [[Zähigkeit]]seigenschaften mittels DYNSTAT-Anordnung wird bevorzugt dann angewendet, wenn nur geringe Materialmengen zur Verfügung stehen (z. B. bei der [[Kunststoffbauteil|Bauteilprüfung]]). In der DIN 53435 wird die Kerbschlagzähigkeit ak von gekerbten [[Prüfkörper]]n in der Schlagbiegeanordnung (DS – K) nach folgender Gleichung ermittelt:

DYNSTAT-Kerbchlagzähigkeit:
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>a_k\,=\,\frac{A_n}{h_k \cdot b}</math>
|}

mit
{|
|An
|width="15px" |
|die vom Prüfkörper aufgenommene Schlagarbeit
|-
|hk
|≈
|2/3 der ursprünglichen Dicke h
|}

Im '''Bild 2''' ist schematisch die Schlagbiegeanordnung eines ungekerbten Prüfkörpers dargestellt.

[[Datei:Kerbschlagbiegeversuch_Anordnung_Dynstat.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px" |Schlagbiegeanordnung DS – K zur Ermittlung der Zähigkeit unter Nutzung der DYNSTAT-Anordnung
|}

Die für den Versuch möglichen Pendelhammerenergien sind 0,2 J, 0,5 J, 1,0 J und 2,0 J bei einer Auftreffgeschwindigkeit des Pendelhammers von 2,2 m/s. Die [[Prüfkörper]] werden spanend aus dem [[Formmasse|Formteil]] (Fertigteil) hergestellt. Alle [[Oberfläche]]n und Kanten dürfen beim Betrachten mit dem bloßen Auge keine Beschädigungen und Fehlstellen erkennen lassen. Gegebenenfalls müssen durch [[Plastographie#Schleifen_und_Polieren_der_Proben|Schleifen]] (Körnung 220 oder feiner) und anschließendes [[Plastographie#Schleifen_und_Polieren_der_Proben|Polieren]] entstandene Riefen in Längsrichtung beseitigt werden.

Die Abmessungen des rechteckigen Querschnitts der gekerbten [[Prüfkörper]] sind:
{|
|Länge l
|=
|(15 ± 1) mm
|-
|Breite b
|=
|(10 ± 0,5) mm
|-
|Dicke h
|=
|1,2 – 4,5 mm
|-
|}

In die [[Prüfkörper]] wird ein U-Kerb (0,8 ± 0,1) mm quer, d. h. senkrecht zur Stabachse eingesägt, eingehobelt oder eingefräst. Dabei ist die Kerbtiefe so zu wählen, dass der Restquerschnitt 2/3 des ursprünglichen Querschnittes beträgt. Der [[Prüfkörper]] wird kraftschlüssig senkrecht eingelegt, wobei die Einleglänge lE (5,5 ± 0,1) mm beträgt.

'''Literaturhinweise'''

* DIN 53435 (2018-02): Prüfung von Kunststoffen – Biegeversuch und Schlagbiegeversuch an Dynstat-Probekörpern
*Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Impact Loading. Dynstat Strength. In: Grellmann, W., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 230–232, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)

=== Kerbschlagbiegeversuch nach Izod ===

Die Bestimmung der IZOD-Kerbschlagzähigkeit nach der Norm DIN EN ISO 180 erfolgt sowohl für steife thermoplastische Spitzguss- und [[Formmasse|Extrusionsformmassen]], [[Duroplaste|duroplastische Werkstoffe]] und thermotrope flüssigkristalline [[Polymer]]e als auch für gefüllte und [[Faserverstärkte Kunststoffe|verstärkte Werkstoffe]]. Dabei wird die beim [[Bruch]] aufgenommene Schlagarbeit EC eines gekerbten [[Prüfkörper]]s auf die Anfangsquerschnittsfläche des [[Prüfkörper]]s an der [[Kerb]]e bezogen ensprechend der folgenden Gleichung:
{|
|IZOD-Kerbschlagzähigkeit
|<math>a_{iN}\,=\,\frac{E_c}{h\cdot b_N}</math>
|-
|}

mit
{|
|Ec
|width="15px" |
|Schlagarbeit
|-
|h
|
|Dicke
|-
|bN
|
|Restbreite am Kerbgrund
|}

Im Unterschied zu der Prüfung von gekerbten [[Prüfkörper]]n in der [[Charpy]]-Anordnung, wo der Schlag auf die dem [[Kerb]] gegenüberliegende Seite erfolgt, schlägt der Pendelhammer in der IZOD-Anordnung auf die Seite, auf der sich der [[Kerb]] befindet. Eine schematische Darstellung der Zähigkeitsprüfung in der IZOD-Anordnung zeigt '''Bild 3'''.

[[Datei:Kerbschlagbiegeversuch_Anordnung_Izod.JPG]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px" |Schlagbeanspruchung bei IZOD-Anordnung
|}

Die [[Prüfkörper]] können nach der entsprechenden [[Formmasse]]n-Norm oder durch Pressen und Spritzgießen hergestellt oder aus [[Vielzweckprüfkörper]]n entnommen werden. Die Abmessungen der unterschiedlichen [[Prüfkörper]] sind in der Tabelle aufgeführt.

{| border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle''': Prüfkörpertypen und -abmessungen für den Schlagbiegeversuch nach DIN EN ISO 180
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Prüfverfahren/ Bezeichnung
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Prüfkörper (mm)
!! style="width:60px; background:#DCDCDC" | Kerbart
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Kerbgrundradius rN (mm)
!! style="width:130px; background:#DCDCDC" | Restbreite am Kerbgrund bN (mm)
|-
|DIN EN ISO 180/A
|rowspan=2 | Länge l = 80 ± 2 Breite b = 10,0 ± 0,2 Dicke h = 4,0 ± 0,2
|A
|0,25 ± 0,05
|rowspan=2 | 8,0 ± 0,2
|-
|DIN EN ISO 180/B
|B
|1,0 ± 0,05
|-
|-
|}

'''Literaturhinweise'''

* DIN EN ISO 180 (2020-03): Kunststoffe – Bestimmung der Izod-Schlagzähigkeit
*Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Impact Loading. Izod Impact Strength. In: Grellmann, W., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 218–230, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)

== Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch (IKBV) ==

[[Instrumentierter_Kerbschlagbiegeversuch|zum Hauptartikel Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch]]

Der [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch]] ist ein in der Werkstoffentwicklung und -optimierung zunehmend angewendetes Verfahren der mechanischen [[Werkstoffprüfung]] bzw. der experimentellen bruchmechanischen Prüfung (siehe [[Bruchmechanische Prüfung]]).

Das Bild zeigt die Bedeutung der instrumentierten Versuchsführung (siehe [[Instrumentierung]]) bei der Durchführung des Kerbschlagbiegeversuches auf. Während die Kerbschlagarbeit K, die im Rahmen der konventionellen Zähigkeitsbewertung aufgrund ihres integralen Charakters für beide Werkstoffe gleich ist, zeigt das Ergebnis des instrumentierten Versuches deutliche Unterschiede bezüglich der Kraft und der Verformungskomponente. Darüber hinaus ermöglicht die Durchführung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches die Ermittlung von bruchmechanischen [[Kenngröße]]n zur Bewertung der [[Zähigkeit]].

[[Datei:kbv_1.jpg|600px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px" |Schematische Darstellung eines Kraft-Durchbiegungs-Diagrammes von zwei Werkstoffen mit unterschiedlichem Deformationsverhalten
|}

Die Anwendung des instrumentierten Kerbschlagbiegeversuches kann also entweder mit der Zielstellung erfolgen, zusätzlich zur Ermittlung der Schlag- bzw. Kerbschlagzähigkeit acU bzw. acN eine Bewertung des Kraft-Durchbiegungs-Verhaltens durchzuführen (siehe konventioneller [[Schlagbiegeversuch]]). In diesem Fall kommt die Norm DIN EN ISO 179-2 zur Anwendung. Darüber hinaus dient der instrumentierte Kerbschlagbiegeversuch auch als experimentelle Grundlage einer [[Bruchmechanische Prüfung|bruchmechanischen Zähigkeitscharakterisierung]].

'''Literaturhinweise'''

* DIN EN ISO 179-2 (2020-09): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
* ESIS P2-92 (1992): Procedure for Determining the Fracture Behaviour of Materials
* ESIS TC 4 (2001): A Testing Protocol for Conducting J-Crack Growth Resistance Curve Test on Plastics
* [[MPK-Prozedur_MPK-IKBV]] (2016-08): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandsverhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch
*Langer, B., [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Fracture Mechanics Properties. Impact Loading. In: Grellmann, W., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]]: Mechanical and Thermomechanical Properties of Polymers. Landolt-Börnstein. Volume VIII/6A3, Springer Verlag, Berlin (2014) 399–422, (ISBN 978-3-642-55165-9; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 16)

[[Kategorie:Biegeversuch]]
[[Kategorie:Schlagversuche]]

Kerbeinbringung

2021-01-12T12:53:53Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Kerbeinbringung

==Allgemeines==
Zur Charakterisierung der [[Zähigkeit]] von [[Kunststoffe]]n werden [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|Schlag- und Kerbschlagversuche]] mit unterschiedlichen [[Beanspruchung]]sarten je nach dominierenden Werkstoffverhalten verwendet [1]. Bei spröden Werkstoffen oder bei der Prüfung bei sehr niedrigen Temperaturen z. B. zur Bestimmung des [[Spröd-Zäh-Übergang]]s werden zumeist [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|Schlagversuche]] eingesetzt, bei denen ungekerbte [[Prüfkörper]] mit differierenden Geometrien genutzt werden. Im Schlagbiegeversuch werden prismatische Flachprüfkörper (80 x 10 x 4 mm3) genutzt [2], die aus dem [[Vielzweckprüfkörper]] Typ 1A durch Entfernen der Schultern gefertigt werden [3] ('''Bild 1a'''). Variationen entstehen hierbei noch, wenn schichtartige Laminate geprüft werden.

[[Datei:Kerbeinbringung-1.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Prüfkörper für den [[Schlagbiegeversuch]] (a) nach Charpy und (b) nach Dynstat
|}

Hierbei wird zusätzlich je nach Auflagerrichtung und Laminataufbau in senkrechte (n) und planparallele (p) Schlagrichtung unterschieden. Für die Prüfung nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Izod|IZOD]] werden die [[Prüfkörper]]formen wie bei dem breit- oder flachseitigen Schlagbiegeversuch nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Charpy|CHARPY]] verwendet ('''Bild 1a''') [4]. Hier ist ebenso die Prüfung von Laminaten in der senkrechten und planparallelen Richtung möglich. Bei der [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Dynstat|Dynstat]]-Prüfung von spröden [[Kunststoffe]]n werden ebenfalls prismatische Flachprüfkörper, allerdings mit der Dimension 15 x 10 x 1,2–4,5 mm3 genutzt ('''Bild 1b''') [5], wodurch aufgrund der geringen Länge auch [[Prüfkörper]] aus [[Kunststoffbauteil|Bauteilen]] untersucht werden können. Im [[Schlagzugversuch]] (siehe: '''Bild 2''') werden vier differierende [[Prüfkörper]] je nach untersuchtem Werkstoff angewandt [6].

[[Datei:Kerbeinbringung-2.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Prüfkörper für den Schlagzugversuch
|}

==Konventioneller Kerbschlagbiege- und -zugversuch==

Bei zähen [[Kunststoffe]]n, die in konventionellen Schlagversuchen nicht oder nur teilweise brechen, werden Kerbschlagversuche genutzt, wobei je nach [[Beanspruchung]]sart unterschiedliche [[Kerbgeometrie|Kerbformen]] verwendet werden. 
Im konventionellen [[Kerbschlagbiegeversuch]] nach DIN EN ISO 179-1 [2] oder DIN EN ISO 180 [4] werden gekerbte Prüfkörper mit der Dimension 80 x 10 x 4 mm3 verwendet, die im Regelfall ebenfalls aus [[Vielzweckprüfkörper]]n hergestellt werden [3].
Beim Kerbschlagbiegeversuch nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Charpy|CHARPY]] existieren 3 Typen von [[Kerb]]en, die sich im Kerbradius unterscheiden, aber alle unabhängig von der Schlagrichtung (schmal- oder breitseitig) die gleiche Kerbtiefe von 2 mm und den identischen Kerbwinkel von 45 ° aufweisen ('''Bild 3'''). Die Kerbform B mit einem Kerbradius von 1 mm ist dabei für spröde Kunststoffe vorgesehen, während Typ A und C für zähere Werkstoffe angewendet werden sollten.

[[Datei:Kerbeinbringung-3.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|Kerbformen des Kerbschlagbiegeversuchs (schmalseitig) nach CHARPY [2]
|}

Bei dem Kerbschlagbiegeversuch nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Izod|IZOD]] [4] werden nur zwei [[Kerbgeometrie]]n für spröde (A) und zähe (B) [[Kunststoffe]] ('''Bild 3''') benutzt, da sich hier die Auflagerbedingungen (siehe [[Auflagerabstand]]) von der Anordnung nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Charpy|CHARPY]] deutlich unterscheiden und die ermittelten [[Kennwert]]e nicht vergleichbar sind. 
Die Kerben für die Prüfung nach CHARPY oder [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Izod|IZOD]] werden in der Regel maschinell durch Fräsen oder Hobeln, teilweise auch durch Sägen, mittig auf einer Seite in die Prüfkörper eingebracht. Bei der Prüfung nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Dynstat|Dynstat]] wird im Gegensatz zu CHARPY und IZOD keine V-Kerbe, sondern eine U-Kerbe auf der Flachseite des Prüfkörpers eingebracht. Die wird mit einem Fräser oder einem speziellen Sägeblatt eingebracht, wobei die Schnittgeschwindigkeit genau wie bei Prüfkörpern nach CHARPY oder IZOD dem jeweiligen [[Kunststoffe|Kunststoff]] angepasst werden muss. Die Kerbbreite ist hier 0,8 mm und die Kerbtiefe beträgt 1/3 der Breite B ('''Bild 4a''') [5]. Bei dem [[Kerbschlagzugversuch]] nach DIN EN ISO 8256 [6] wird der doppelseitig gekerbte Prüfkörper des Typs 1 verwendet. Die Kerbtiefe der V-Kerben beträgt jeweils 2 mm und der Kerbwinkel wird mit 45 ° in Analogie zum [[Kerbschlagbiegeversuch]] angegeben. Um Verzweigungen des [[Riss]]es und damit verfälschte Energiewerte zu vermeiden ist auf eine exakte Ausrichtung der gegenüberliegenden [[Kerb]]en zu achten.

[[Datei:Kerbeinbringung-4.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px"|Kerbform (a) des [[Kerbschlagbiegeversuch]]s (schmalseitig) nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Dynstat|Dynstat]] [5] und (b) des [[Kerbschlagzugversuch]]s
|}

==Instrumentierter Kerbschlagbiege- und -zugversuch==

Bei hoch zähen Kunststoffen, z. B. des Automobilbaus, die im konventionellen Kerbschlagversuch nicht versagen oder nur unzureichende Ergebnisse liefern, werden [[Schlagbeanspruchung Kunststoffe|instrumentierte Kerbschlagversuche]] eingesetzt, bei denen das Schlagkraft-Verformungs-Diagramm online registriert wird. Voraussetzung hierfür ist die [[Instrumentierung]] des eingesetzten [[Schlagbeanspruchung Pendelschlagwerk|Pendelschlagwerks]] zumindest mit Kraftsensoren oder zusätzlich mit Wegsensoren ('''Bild 5a''' und '''b''').

[[Datei:Kerbeinbringung-5.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 5''':
|width="600px"|Instrumentiertes Pendelschlagwerk (a) für den Kerbschlagbiegeversuch und (b) für den Kerbschlagzugversuch
|}

Instrumentierte Schlagversuche sind nur für die Biegebeanspruchung, allerdings nur die Anordnung nach [[Schlagbiegeversuch#Schlagbiegeversuch_nach_Charpy|CHARPY]] [7], und die Stoßbeanspruchung im [[Schlagbeanspruchung Fallbolzensystem|instrumentierten Fallwerk]] [8, 9] genormt. Ungeachtet dessen existiert für den [[Instrumentierter Kerbschlagzugversuch|instrumentierten Kerbschlagzug]]- und -[[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|biegeversuch]] ein dementsprechend ausgerüstetes Pendelschlagwerk Resil jun. mit 25 J Arbeitsvermögen der Fa. INSTRON/CEAST, was über eine geeignete [[piezoelektrischer Kraftaufnehmer|piezoelektrische Kraftmessung]] und eine Verstellung der Pendelhöhe verfügt ('''Bild 6a'''). Für den instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch steht bei der [[PSM|Polymer Service GmbH Merseburg]], das Unikat eines Bruchmechanikarbeitsplatzes zur Verfügung, welches auf dem 25 J-Pendelschlagwerk HIT 25P der [https://www.zwick.de/ Fa. ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm], basiert und mit Kraft- und Wegsensoren, einer Pendelhöhenverstellung mit Arretierung und einer [[IKBV_Stopp-Block-Methode|Stopp-Block-Einrichtung]] sowie der [[winIKBV|Software WIN-IKBV]] ausgerüstet ist [10, 11].

[[Datei:Kerbeinbringung-6.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 6''':
|width="600px"|Instrumentierte Pendelschlagwerke (a) Resil jun. für den Kerbschlagzugversuch und (b) HIT 25P für den Kerbschlagbiegeversuch
|}

Da die [[Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch|instrumentierten Kerbschlagbiegeversuche]] entsprechend der Norm DIN EN ISO 179-2 [7] aufgrund der genutzten Fallhöhe bei [[Kunststoffe]]n zumeist nicht zu auswertbaren Ergebnissen führen und eine strukturbezogene Bewertung der [[Zähigkeit]] nicht möglich ist, wird für zähe und hoch zähe [[Kunststoffe]] die [[Bruchmechanische Prüfung|bruchmechanische Zähigkeitsbewertung]] der Schlagversuche zwingend erforderlich [12]. Hierbei wird mit wesentlich schärferen Kerbradien zur Erzeugung einer hohen Spannungskonzentration (0,15 bis 0,3 µm) sowohl im Kerbschlagbiege- als auch -zugversuch, aber verringerten Schlaggeschwindigkeiten im Bereich von 1,0 bis 1,5 m/s gearbeitet [13, 14].

==Gerätesysteme zur Kerbeinbringung==

Für die Kerbeinbringung werden in diesem Fall Industrieklingen aus Metall und spezifische Kerbeinbringungsgeräte nach '''Bild 7''' genutzt.

[[Datei:Kerbeinbringung-7.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 7''':
|width="600px"|Kerbgeräte der Fa. INSTRON/CEAST (a) maschinelles System Notchvis, (b) manuelles Notchvis und (c) Rasierklingenkerbeinrichtung für den Kerbschlagzug- und biegeversuch
|}

Zur Einbringung schmalseitiger Kerben kann das Kerbgerät NOTCHVIS der Firma CEAST verwendet werden, welches ursprünglich für die maschinelle Erzeugung von V- und U-Kerben im Kerbradiusbereich von 0,05 mm, 0,1 mm, 0,25 mm und 1 mm ausgestattet ist, aber mit entsprechenden Zusatzeinrichtungen auch schärfere Metallklingen zum manuellen Einhobeln ('''Bild 7b''') oder Einpressen ('''Bild 7c''') nutzen kann. 
Zur Einbringung scharfer Kerben in Kunststoffe wurde schon 1980 ein spezielles Kerbgerät an der Technischen Hochschule Merseburg entwickelt, welches heute in modifizierter Form der [[PSM|Polymer Service GmbH Merseburg]], zur Verfügung steht ('''Bild 8''').

[[Datei:Kerbeinbringung-8.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 8''':
|width="600px"|Industrieklingen-Kerbgeräte der Fa. [[PSM|Polymer Service GmbH Merseburg]], (a) pneumatisch/manuelles Kerbgerät (b) manuelles Kerbgerät für Kunststoffe
|}

Die Kerbtiefe betrug dabei unabhängig vom Kerbradius zumeist 2 mm, falls jedoch [[Risswiderstandskurve|Risswiderstands-Kurven]] (R-Kurven) erzeugt werden sollen, dann sind in der Regel größere Kerbtiefen z. B. bei einem a/W-Verhältnis von 0,5 dann a = 5 mm erforderlich.
Wenn diese Eindringtiefen mit der Metallklinge aufgrund des Werkstoffverhaltens nicht erreichbar sind, dann kann ein Vorkerb mittels Fräsen, Sägen oder Hobeln eingebracht werden. Im Fall von spröden Werkstoffen kann schon während des Kerbvorgangs eine instabile [[Rissausbreitung]] einsetzen, weshalb das pneumatische Kerbgerät ('''Bild 8a''') dann nicht verwendbar ist und der [[Kerb]] vorsichtig mit manuellem Vorschub ('''Bild 8b''') hergestellt wird. 
Da der Kerbradius einen erheblichen Einfluss auf das ermittelte Niveau der [[Zähigkeit]] besitzt (siehe: [[Kerbempfindlichkeit]]), sollte die Geometrie im Kerbgrund regelmäßig mit einem Mikroskop hinsichtlich Kerbwinkel und -radius kontrolliert werden. Bei fehlerhafter [[Kerbgeometrie]] infolge Werkzeugverschleißes können die Ergebnisse der Zähigkeitscharakterisierung durch Mehrfachanrisse oder Rissverzweigungen im Kerbgrund und nachfolgender Erhöhung des Energieverbrauchs beim Schlagversuch erheblich verfälscht werden.

Von Jungbluth wurde in [15] darauf hingewiesen, dass zur Erzielung reproduzierbarer Messergebnisse die Einhaltung konstanter Kerbbedingungen erforderlich ist. Dabei wurde die folgende Vorgehensweise vorgeschlagen:

#Für die Kerbeinbringung sind nur Metallklingen zu verwenden, die eine symmetrische Schneidgeometrie aufweisen, wodurch ein geradliniges Eindringen in den Prüfkörper gewährleistet wird. Die Auswahl der Klingen erfolgte nach Ausmessen im Lichtmikroskop.
#Zur Vermeidung des Einflusses des Klingenverschleißes auf die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen sollte nach 165 Kerbeinbringungen ein Wechsel der Metallklinge erfolgen. Mit Hilfe [[Rasterelektronenmikroskopie|rasterelektronenmikroskopischer]] Aufnahmen ('''Bild 9''') konnte der Beweis erbracht werden, dass eine mehrfache Wiederverwendung von Metallklingen nicht zu nachweisbaren Schädigungen führte.

[[Datei:Kerbeinbringung-9.JPG|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 9''':
|width="600px"|Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Metallklingenspitze nach a) einmaliger Benutzung und b) nach 150 maliger Benutzung (Ansicht)
|}

'''Literaturhinweise'''
{|
|-valign="top"
|[1]
|[[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]]: Schlagartige Beanspruchung. In: Grellmann, W., [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage, S. 158–170, (ISBN 978-3-446-44350-1) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 179-1 (2010-11): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 1: Nicht instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[3]
|DIN EN ISO 3167 (2014-11): Kunststoffe – Vielzweckprüfkörper
|-valign="top"
|[4]
|DIN EN ISO 180 (2020-03): Kunststoffe – Bestimmung der Izod-Schlagzähigkeit
|-valign="top"
|[5]
|DIN 53435 (2018-09): Prüfung von Kunststoffen – Biegeversuch und Schlagbiegeversuch an Dynstat-Probekörpern
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN ISO 8256 (2005-05): Kunststoffe – Bestimmung der Schlagzugzähigkeit
|-valign="top"
|[7]
|DIN EN ISO 179-2 (2020-09): Kunststoffe – Bestimmung der Charpy-Schlageigenschaften – Teil 2: Instrumentierte Schlagzähigkeitsprüfung
|-valign="top"
|[8]
|DIN EN ISO 6603-2 (2002-04): Kunststoffe – Bestimmung des Durchstoßverhaltens von festen Kunststoffen – Teil 2: Instrumentierter Schlagversuch
|-valign="top"
|[9]
|DIN ISO 7765-2 (2009-02): Kunststofffolien und -bahnen – Bestimmung der Schlagfestigkeit nach dem Fallhammerverfahren – Teil 2: Durchstoßversuch mit elektronischer Messwerterfassung
|-valign="top"
|[10]
|[[Bierögel,_Christian|Bierögel, C.]], Grellmann, W., Oluschinski, A.: Entwicklung eines Bruchmechanikarbeitsplatzes auf Basis des Pendelschlagwerks HIT 50P. (2009), (unveröffentlichter Report)
|-valign="top"
|[11]
|Oluschinski, A.: WIN-IKBV-Mess- und Auswerteprogramm für den instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch. Polymer Service GmbH Merseburg, (2007)
|-valign="top"
|[12]
|Grellmann, W.: Zähigkeitsbewertung mit bruchmechanischen Methoden. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage, S. 247–303, (ISBN 978-3-446-44350-1) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
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|[13]
|[[MPK-Prozedur_MPK-IKBV]] (2016-08): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagbiegeversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstands-verhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagbiegeversuch
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|[14]
|[[MPK-Prozedur MPK-IKZV]] (2014-07): Prüfung von Kunststoffen – Instrumentierter Kerbschlagzugversuch: Prozedur zur Ermittlung des Risswiderstandverhaltens aus dem instrumentierten Kerbschlagzugversuch
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|[15]
|Jungbluth, H.: Untersuchungen zum Verformungs- und Bruchverhalten von PVCC-Werkstoffen. TH "Carl Shorlemmer" Leuna-Merseburg (1987) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter B 1-1) S. 34/35 ([https://www.polymerservice-merseburg.de/fileadmin/inhalte/psm/veroeffentlichungen/Jungbluth_Untersuchungen_zum_Verformungs-_und_Bruchverhalten_von_PVCC-Werkstoffen.pdf Bibliografische Kurzfassung/Inhaltsverzeichnis/Inhaltsverzeichnis])
|}

[[Kategorie:Bruchmechanik]]
[[Kategorie:Prüfkörper- und Probenherstellung]]

Keramographie

2021-01-12T12:53:31Z

Posch:

{{PSM_Infobox}}
Keramographie 
Keramographie oder Keramografie
__FORCETOC__
==Grundlagen==

Die Keramographie ist genau wie die [[Metallographie]] eine wissenschaftliche Teildisziplin der [[Materialographie]] und dient der Aufklärung sowie qualitativen und quantitativen Beschreibung des Gefüges von keramischen Materialien und Verbundwerkstoffen auf keramischer Basis mit Hilfe makro- und mikroskopischer Untersuchungsverfahren.

Keramographie umfasst die Aufklärung und Darstellung der strukturell-morphologischen Gefügemerkmale sowie die qualitative und quantitative Beschreibung des Gefüges von Keramiken und deren Verbundwerkstoffe insbesondere unter Nutzung mikroskopischer Untersuchungsmethoden der Gefügetomographie und topgrafischer Verfahren zur Darstellung der [[Oberfläche]] von [[Bruch|Brüchen]] in der [[Schadensanalyse|Schadensfallanalyse]] (siehe auch: [[Fraktographie]]) [1–7].

Diese Methodik ist eine spezielle Disziplin der Werkstoffkunde, die in der Qualitätssicherung, der Schadensfallanalyse und bei der [[Werkstoffprüfung]] als auch -entwicklung angewandt wird. Dies beinhaltet die erforderlichen Präparationsverfahren, die verschiedensten makro- und mikroskopischen Untersuchungsmethoden bis hin zur [[Elektronenmikroskopie|Elektronen]]- und Digitalmikroskopie und der hochauflösenden Röntgen- oder Ultraschall-Computertomografie. Eingeschlossen sind auch die Analyse, Bewertung und Dokumentation der Befunde der Untersuchungen zur Darstellung der qualitativen und quantitativen Gefügecharakterisierung sowie die Aufstellung von Gefüge-Eigenschafts-Korrelationen keramischer Werkstoffe.

Um das Gefüge eines keramischen Werkstoffs darstellen und bewerten zu können, sind spezielle Präparationstechniken erforderlich, da initiale Präparationsfehler zu Problemen bei der Beurteilung des Werkstoffgefüges führen können. Grundlegende Präparationstechniken sind die Probenvorbereitung, wie Trennen (Sägen oder Fräsen), das Einbetten von Prüfobjekten, das Schleifen und Polieren sowie das Ätzen der Oberfläche des Prüfkörpers. Je nach Zusammensetzung und Funktionalität des keramischen Werkstoffes oder Verbundwerkstoffes können spezielle Eigenschaften die Präparationstechniken dieser Werkstoffe beeinflussen. In der Regel besitzen diese Werkstoffe ein besonders hohes Niveau der mechanisch-tribologischen, und thermischen Eigenschaften als auch eine hohe chemische Resistenz, wobei oftmals bedingt durch die pulvertechnologische Herstellung (z. B. Grünteile, Sintern, Pyrolyse) ein sprödes Werkstoffverhalten beobachtet wird [1, 7]. 
Je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil unterteilt man in die Struktur- und Funktionskeramiken, wobei die ersteren (z. B. Al2O3, ZrO2, SiC oder Si3N4) sich durch besonders gute Gleitreibungswerte, hohe [[Härte]] und [[Druckfestigkeit|Druck]]-, Kriech- sowie Verschleißfestigkeit auszeichnen. Funktionskeramiken, die auch als aktive Keramiken bezeichnet werden, weisen oftmals spezielle Eigenschaften, wie besondere Wärmeleit-, Isolations- und Leitfähigkeit, Ferromagnetismus (MnFe2O4) sowie Piezoelektrizität (z. B. für [[Piezokeramischer Schwinger|piezoelektrische Schwinger]] sowie Aktoren) oder auch Supraleitvermögen [1] auf. 
Faserverbundkeramiken z. B. auf der Basis von kohlenstoffkurzfaserverstärkten Siliziumkarbidkeramiken (CMC) [8] oder Keramik-Kunststoff-Verbunde [9] werden in der Luft- und Raumfahrt sowie für Hochleistungsbremsbeläge als auch in der Medizintechnik eingesetzt, wodurch infolge der Mehrphasigkeit und lokalen Heterogenität dieser Werkstoffe (siehe auch: [[Laser-Heterogenität der Dehnungsverteilung]]) zusätzliche Präparationsprobleme auftreten können. 
Zur Darstellung und Dokumentation der präparierten Gefüge der Keramiken sowie der Keramikverbundwerkstoffe werden nachfolgend licht- oder [[Elektronenmikroskopie|elektronenmikroskopische Methoden]] als auch tomographische Verfahren zur qualitativen und quantitativen Beschreibung der Gefügezustände genutzt [2].

==Probenpräparation==

Die Präparation eines Anschliffs umfasst die gesamte Vorbereitung für die geplanten makro- und mikroskopischen Untersuchungen des Gefügezustands, die normalerweise mit der Probennahme, d. h. also dem Trennvorgang aus einem Bauteil (siehe: [[Kunststoffbauteil|Kunststoffbauteil, Dimensionierung]]) oder Rohling heraus beginnt. Dabei ist zwischen dem relativ weichem Grünkörper, der keine spezielle Trenntechnik erfordert, und dem gepressten und gesinterten Kompaktkörper zu unterscheiden, da letztere zumeist außerordentlich hart, spröd und porös sind [2]. Der Probennahme folgt in der Regel das Einfassen oder Einbetten, das Schleifen und Polieren sowie eventuell das Reinigen und Ätzen bevor die makro- oder mikroskopischen Gefügedarstellung durchgeführt werden kann. 
Ein generelles Prozedere zur Schliffherstellung existiert bei den Keramiken, genau wie bei den Metallen und [[Kunststoffe]]n, nicht und die großen Härteunterschiede als auch die chemische Löslichkeit der keramischen Phasen bei Metallkeramiken und Schichtverbunden auf keramischer Basis bereitet teilweise erhebliche präparative Probleme [2, 6, 9]. 
Die Probennahme wird bei den keramischen Werkstoffen zumeist mit hoch- oder niedertourigen Trennmaschinen oder -sägen unter Verwendung von Diamanttrennscheiben ('''Bild 1''') durchgeführt, wobei in der Regel Emulsionen, Wasser, Alkohol oder niedrigviskose Mineralöle als Schmier- und Kühlmittel dienen. Die so entstehende planparallele [[Oberfläche]] des Trennungsschnitts ist meistens die spätere Anschlifffläche, weshalb schon beim Trennen Ausbrüche auf der Oberfläche und an den Kanten zu vermeiden sind [1, 2].

[[Datei:Keramographie-1.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Niro Universal-Trennmaschine 72/330 (a) und Niro Trennsäge 72/800 (b) der Arnold-Gruppe, Weilburg/Lahn
|}

Da die Anschliffe im Wesentlichen für kleine Proben hergestellt werden, sollten diese nach dem Reinigen von Abtragungssplittern (z. B. im Ultraschallbad) und gründlicher Trocknung zwecks optimalem Handling eingefasst (Schliffklemmen) oder eingebettet werden. Nach der Trocknung der Probe sollte diese zur Vermeidung der Auftragung von Fetten oder Verunreinigungen möglichst nur noch mit einer Pinzette behandelt werden. 
Der kratzerfreie Anschliff sollte zur makro- und/oder mikroskopischen Gefügedarstellung der Keramik eine randscharfe und möglichst ebene Oberfläche aufweisen, die typisch für das Gefüge ist und keine herstellungsbedingten Veränderungen wie Ausbrüche, Kratz- und Schleifspuren sowie Verunreinigungen aufweisen.

==Einbetten von keramischen Proben==

Die Einbettung oder das Einfassen von Proben dient einerseits dem Probenhandling beim Schleifen und Polieren und andererseits zur Abstützung der Randzone sowie zur Vermeidung von schliffbedingten Randanrissen und kann eventuell auch das Aufkleben der Probe beinhalten [2]. 
Während für das Einfassen oder Aufkleben der Proben keine besonderen Regeln gelten, ist bei dem Einbetten zu beachten, dass das Einbettmittel in etwa die gleiche [[Härte]] und Abriebfestigkeit wie der zu untersuchende keramische Werkstoff aufweisen sollte. Aufgrund der hohen Härte dieser Werkstoffe ist diese Forderung nur näherungsweise erfüllbar, wobei hier gleichzeitig die spätere Ätztechnik zu beachten ist. 
Wird das thermische Ätzen, die Nutzung von Salzschmelzen oder Ätzen in kochenden Lösungen angestrebt, dann müssen Einbettmittel verwendet werden, die leicht entfernt werden können oder eine hohe chemische Stabilität gegenüber der Ätzmethode zeigen. Ein weiteres Problem stellt die oftmals nachweisbare Porosität (offen oder geschlossen) und die heterogene Struktur bei diesen Werkstoffen dar, weshalb das Infiltrieren, d. h. Ausfüllen der Werkstoffinhomogenitäten, von großer Bedeutung ist. Dazu werden in der Regel niedrigviskose Harzsysteme verwendet, die in die Poren bzw. Zwischenräume leicht eindringen können und das Zuschmieren oder Ausbrechen der Poren infolge eines stabilen Verbunds zwischen Werkstoff und Einbettmittel verhindern. Bei vorgesehenen thermischen oder kochenden Ätzen kann diese Methode nicht angewandt werden, da aufgrund von Quellungseffekten oder der Differenz im thermischen Ausdehnungsverhalten die Struktur der Oberfläche zerstört werden kann. 
Als Einbettmittel können z. B. kalthärtende transparente oder eingefärbte Mehrkomponenten-Systeme (Harz, Härter und Beschleuniger) auf der Basis von Methylmethacrylat-, Polyester- oder Epoxidharzen verwendet werden. Als sogenannte Härteangleicher können Thixotropiemittel auf der Basis von Glasfasern oder -kugeln benutzt werden, wobei hier die Veränderung der [[Viskosität]] und Fließfähigkeit des Harzes zu beachten ist. Bei niedrigviskosen Einbettmitteln wie Epoxid- oder Polyesterharzen wird oft unter Vakuum gearbeitet, wodurch feinste Hohlräume, Poren und [[Riss]]e konsolidiert werden können und bei Einfärbung zusätzlich eine Kontrastierung eintritt.

Als Einbettmittel können auch Harze eingesetzt werden, die mit [[Faserverstärkte_Kunststoffe#Arten_von_Verstärkungsfasern|Glas- oder Kohlenstofffasern]] verstärkt oder mit elektrisch leitfähigen Materialien gefüllt werden, um eine hohe Härte und Festigkeit oder die Nutzbarkeit in der Elektronenmikroskopie zu erreichen.

==Schleifen und Polieren der Proben==

In Analogie zur [[Metallographie]] werden zum Schleifen und Polieren zumeist stufenweise mechanische Abtragungsmethoden für die Proben genutzt. Im Gegensatz zu Metallen werden jedoch bei Keramiken aufgrund der hohen [[Härte]] keine Verschmierungen und [[Deformation#Plastische Deformation|plastische Verformungen]] der [[Oberfläche]] beobachtet. 
Zunächst werden Störschichten und Unebenheiten der Oberfläche (Rauheiten) durch das sogenannte Grob- oder Planschleifen beseitigt. Dabei ist zu beachten, dass sich durch Ausbrüche Oberflächenschädigungen ausbilden können, welche sich in der Gefügeanalyse (Versetzungen oder Schleifkratzer) verfälschend auswirken können. 
Das Grobschleifen wird zumeist mit Diamantschleif- oder Siliziumkarbidscheiben (SiC) (Körnung ca. 40 bis 60 µm) unter Nutzung von fließendem Wasser als Kühl- und Schmiermittel automatisch oder manuell sowie unter Verwendung von mechanischen Vibrationen durchgeführt ('''Bild 2''').

[[Datei:Keramographie-2.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Vibrations-Nassschleif- und Poliermaschine (a) Saphir Vibro und (b) automatisches System Saphir 530 der Fa. ATM GmbH, Mammelzen
|}

Als Abtrageverfahren zur Beseitigung von Oberflächenschädigungen schließt sich das Läppen an, wobei hier spezielle Läppscheiben aus [[Kunststoffe|Kunststoff]] mit eingebetteten Metallpartikeln oder Diamantkörnern (Körnung ca. 6 µm) verwendet werden. Der Anpressdruck, die Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe und die Läppzeit variieren in Abhängigkeit von der Werkstoffhärte und der Erfahrung des Prüfers. Für das Läppen als auch das nachfolgende Feinpolieren können die identischen Maschinen entsprechend '''Bild 2''' genutzt werden.

Durch das Feinpolieren (Körnung ca. 1 µm) wird die finale Oberfläche zur mikrosko-pischen Begutachtung hergestellt, wozu ebenfalls mit horizontalen Polier- oder Vibrationsmaschinen ('''Bild 2''') gearbeitet wird. Die feineren Polierpartikel befinden sich hier nicht in einer fest gebundenen harten Unterlage, sondern sind beweglich in eine weichere Präparationsunterlage (Kunstfasertuch, Seidentuch oder Baumwolltuch) eingebunden und sollten alle mechanischen Ausbrüche und Kratzer auf der Oberfläche abtragen. Elektrolytische Poliermethoden können auch genutzt werden, allerdings sollte die Keramik dann elektrisch leitend sein (Karbide, Metallkeramiken) [2, 10]. Das Mikrotomschneiden oder Ultramikrotomfräsen kann ebenfalls bei verschiedenen Keramiken verwendet werden, wobei diese Präparate dann der Durchlicht- oder [[Transmissionselektronenmikroskopie|Transmissionselektronen-Mikroskopie]] zugänglich sind. Allerdings sind die erforderlichen Gerätetechniken erheblich kostenintensiver, da die Oberfläche mit Präzisionsmessern abgehobelt oder gefräst wird.

==Keramographisches Ätzen==

Vor dem Ätzen sollte auf jeden Fall eine mikroskopische Untersuchung des polierten Anschliffs im ungeätzten Zustand bei unterschiedlichen Vergrößerungsstufen erfolgen, da hier trotz der unbehandelten Oberfläche schon diverse makroskopische Behandlungen und Defekte erkennbar sind. Je nach Güte des Oberflächenzustandes sind hier schon folgende Aussagen über das Gefüge möglich [2, 7]:

* Anteil und Größe von Poren,
* Verteilung der Poren im Gefüge,
* Materialeinschlüsse und Verunreinigungen,
* [[Riss]]e und deren Verlauf,
* Materialtrennungen und Randausbrüche.

Für die Darstellung des keramographischen Gefüges, insbesondere von Korngrenzen, Versetzungen, makroskopischen Phasen und [[Phasengrenzfläche|Phasengrenzen]] sowie von vorhandenen Feinstrukturen muss die Oberfläche des Anschliffs aber auf jeden Fall angeätzt werden. 
Zur Darstellung der Oberfläche und des Gefüges von keramischen Werkstoffen werden optische, elektrochemische und physikalische Ätzverfahren eingesetzt, wobei die beiden letzteren Verfahren eine Veränderung der Anschlifffläche hervorrufen. 
Das optische Ätzen, welches einer Kontrastierung entspricht, wird zumeist in Kombination mit anderen Ätzmethoden (thermisch oder chemisch) verwendet. Dazu wird speziell bei Dünnschliffen aus optisch anisotropen Keramiken (siehe auch: [[Anisotropie|Anisotropie von Kunststoffen]]) polarisiertes Licht zur Darstellung von Phasen- und Spannungsunterschieden oder von Einschlüssen angewandt. Die Auflichtmikroskopie kann ebenfalls für keramische Werkstoffe genutzt werden, allerdings sind hier oftmals Reflexionsschichten erforderlich um den Bildkontrast zu erhöhen. 
Das Ätzen von Keramiken ist aufgrund der hohen chemischen Beständigkeit dieser Werkstoffe zumeist ein chemischer oder elektrochemischer Prozess mit sehr aggressiven und konzentrierten chemischen Lösungen oder Salzschmelzen. Das Plasmaätzen oder elektrolytische Ätzen ist nur bei ausgewählten Keramiktypen anwendbar, da z. B. teilweise eine elektrische Leitfähigkeit erforderlich ist. 
Die physikalischen Ätzmethoden, speziell das thermische Ätzen, entsprechen oftmals einer Glüh- oder Wärmebehandlung der Proben und dienen zur Entwicklung und Darstellung des keramischen Gefüges durch Diffusionsvorgänge an der Oberfläche und im Volumen sowie Ausscheidungsreaktionen z. B. an Korngrenzen.

Aufgrund der Vielfalt der keramischen Werkstoffe (ein- oder mehrphasig, dicht homogen oder porös, Metallkeramiken) können an dieser Stelle keine umfassenden Informationen zu den üblichen Ätzverfahren für Keramiken aufgeführt werden.

Zur Auswahl der Ätzmittel je nach Untersuchungsziel und Werkstofftyp sowie den Ätzbedingungen (Druck, Temperatur, Zeitdauer) werden in [2] ausführliche und tiefergehende Instruktionen gegeben.

==Darstellung und Dokumentation des Gefüges==

Die Keramographie hat das grundlegende Ziel die existierenden Gefügebestandteile oder Poren eines Anschliffs hinsichtlich deren Art, Anzahl, Größe, Habitus sowie der Verteilung auf der Oberfläche qualitativ und quantitativ zu charakterisieren [1] und Wechselwirkungen der Realstruktur zu den Eigenschaften der keramischen Werkstoffe oder Schichtverbunde herzustellen und aufzuklären. In diesem Sinne entspricht die Keramographie einer wesentlichen Methode der Werkstoffwissenschaft und dient speziell zur Darstellung von Zusammenhängen zwischen der Struktur, der Herstellungs- und Bearbeitungstechnologie als auch dem mechanischen, thermischen und technologischen Einsatzverhalten dieser Werkstoffe [1, 9]. 
Die wichtigsten Untersuchungsmethoden zur Beurteilung und Dokumentation der Eigenschaften des Gefüges basieren in Analogie zur [[Metallographie]] auf den optischen Prüfmethoden, wie Licht- oder [[Elektronenmikroskopie]], der Gefügetomographie als auch der Röntgen- und [[Transmissionselektronenmikroskopie#Elektronenbeugung|Elektronenbeugung]] sowie Elektronenstrahlmikroanalyse (siehe auch: [[Energiedispersive_Röntgenspektroskopie|Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)]] und Mikro-CT-Methoden [3–5]. 
Eine grundlegende optische Prüfmethode ist die Lichtmikroskopie, die an Anschliffen als Auflichtmikroskopie im Hell- oder Dunkelfeld durchgeführt werden kann. Während die Dunkelfeld-Mikroskopie bei Keramiken eher selten angewandt wird (Darstellung von [[Riss]]en), kann die Auflichtmikroskopie mit Hellfeldabbildung besser genutzt werden, liefert aber ohne aufgebrachte Reflexionsschicht und Polarisationsfilter nur wenig kontrastreiche Bilder. Reflexionsschichten z. B. aus Gold oder Aluminium mit Dicken von ca. 10 nm werden durch Besputtern oder Bedampfen auf die [[Oberfläche]] aufgebracht und verbessern die Detailerkennbarkeit der Oberflächen- und Gefügetopographie erheblich [2, 5, 6]. Speziell bei keramischen Dünnschliffen kann die Durchlicht-Mikroskopie unter Nutzung von polarisiertem Licht wesentlich zum Informationsgewinn über das zu untersuchende Gefüge beitragen. 
Für erhöhte Objektauflösungen von Mikrostrukturen werden je nach Tauglichkeit der Anschliffe auch die Digitalmikroskopie, die [[Transmissionselektronenmikroskopie|Transmissions]]- und [[Rasterelektronenmikroskopie]], [[Rasterkraftmikroskopie]], Röntgendiffraktometrie als auch die Elektronenstrahlanalyse sowie das konfokale Laser-Scanning- oder Kathodenlumineszens-Mikroskop benutzt. Mittels der [[Energiedispersive_Röntgenspektroskopie|energiedissipativen Röntgenspektroskopie (EDX)]] kann im [[Rasterelektronenmikroskopie|Rasterelektronenmikroskop]] zusätzlich die chemische Zusammensetzung der enthaltenen Gefügebestandteile analysiert werden. 
Die bildliche Dokumentation des mikroskopischen Gefüges sollte unter dem Gesichtspunkt der eindeutigen und zweifelsfreien Darstellung von Befunden auf der Schlifffläche gestaltet werden, weshalb hier scharfe und detailreiche Fotos erforderlich sind. Der Ausstattungsgrad moderner Mikroskope gestattet zumeist die Aufnahme von farbigen Digitalfotos in hoher Qualität, wobei speziell bei gezoomten Bildern immer ein Vergrößerungsmaßstab und das Aufnahmedatum enthalten sein sollten. Neben der Digitalfotografie kann auch die digitale Videografie [1, 2, 6] zur Herstellung von bildlichen Gefügedokumentationen genutzt werden, wobei hier die Daten in der Regel direkt auf einen angeschlossenen Rechner übermittelt werden, auf dem mittels geeigneter Software auch eine quantitative Gefügeanalyse ermöglicht wird. 
Unter der nachfolgenden quantitativen Keramographie versteht man die genaue Beschreibung des Gefügeaufbaus von Keramiken je nach Mengenanteil, Anordnung und Größenverteilung der Phasen, die Korngrößenverteilung und Kornmorphologie sowie Ermittlung der Porosität. Dazu werden in der Regel ebene Schnitte durch ein räumliches System gelegt (keramographischer Schliff) und mittels der Stereologie wird dann die zugehörige räumliche Struktur berechnet.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Oettel, H., Schumann, H. (Hrsg.): Metallographie: Mit einer Einführung in die Keramographie. Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim (2011), 15. Auflage (ISBN 978-3-527-32257-2) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter L 45-2)
|-valign="top"
|[2]
|Petzow, G.: Metallographisches, Keramographisches, Plastographisches Ätzen (Materialkundlich-Technische Reihe Bd. 1). Borntraeger Verlag, Stuttgart (2015), 7. Auflage (ISBN 978-3-443-23019-7) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 16)
|-valign="top"
|[3]
|[https://de.wikipedia.org/wiki/Gefüge_(Werkstoffkunde) https://de.wikipedia.org/wiki/Gefüge_(Werkstoffkunde)] (Zugriff am 15.06.2020)
|-valign="top"
|[4]
|Cloeren, H.-H.: Materialographische Präparationstechniken. CTV Verlag, Lübeck (2014), (ISBN 978-3-9816824-0-3)
|-valign="top"
|[5]
|Kern, M.: Mikroskopische Technik für die industrielle Anwendung. Brünne Verlag, Berlin (2003), (ISBN 3-9804762-4-3) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 3)
|-valign="top"
|[6]
|Kern, M., Trempler, J.: Beobachtende und messende Mikroskopie in der Materialkunde. Brünne Verlag, Berlin (2007), (ISBN 978-3-9809848-6-7) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter F 15)
|-valign="top"
|[7]
|Illschner, B., Singer, R. F.: Werkstoffwissenschaften und Fertigungstechnik – Eigenschaften, Vorgänge, Technologien. Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden (2016), (ISBN 978-3-642-53890-2) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter L 17)
|-valign="top"
|[8]
|Rosenlöcher, J., Deinzer, G., Waninger, R., Münchhoff, J.: Hochleistungsbremsscheiben aus Faserverbundkeramik. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 38 (2007) 11, S. 922–926
|-valign="top"
|[9]
|Hornbogen, E., Eggeler, G., Werner, E.: Werkstoffe – Aufbau und Eigenschaften von Keramik-, Metall-, Polymer- und Verbundwerkstoffen. Springer Verlag, Berlin (2012), (ISBN 978-3-642-22560-4) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter L 12)
|-valign="top"
|[10]
|Buehler-SumMet-DE-0902: Die Summe unserer Erfahrung – Ein Leitfaden zur Präparation von Werkstoffen und deren Auswertung. [https://de.scribd.com/doc/88120760/Buehler-SumMet-DE-0902-Leitfaden-zur-Praparation-von-Werkstoffen-und-Auswertung) https://de.scribd.com/doc/88120760/Buehler-SumMet-DE-0902-Leitfaden-zur-Praparation-von-Werkstoffen-und-Auswertung)] (Zugriff am 16.01.2018)
|}

[[Kategorie:Wissenschaftsdisziplinen]]