Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Zugbeanspruchung - Versionsgeschichte

Loeffler-Kamann am 8. Oktober 2024 um 07:46 Uhr

2024-10-08T07:46:19Z

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	<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) − Zugbeanspruchung</span><br>		<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) − Zugbeanspruchung</span><br>
	~~siehe auch: [[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen]]~~
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	==Allgemeines==		==Allgemeines==
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	Von dem Prüfsystem wird dann eine konstante sinusförmige Dehnungs- oder Spannungsamplitude mit einer definierten und konstanten Frequenz auf den Prüfkörper aufgebracht, wobei in der [[Kunststoffprüfung]] aufgrund der Prüfkörpergeometrie bevorzugt im Zugschwellbereich gearbeitet wird. Die Amplitude der Spannung oder Dehnung sowie die Mittelspannung oder -dehnung als auch die Temperatur werden per PID-Regelung auf konstantem Niveau gehalten, um [[Kriechen Kunststoffe\|Kriech]]- oder [[Relaxation Kunststoffe\|Relaxationseffekte]] während des Versuchs zu kompensieren.		Von dem Prüfsystem wird dann eine konstante sinusförmige Dehnungs- oder Spannungsamplitude mit einer definierten und konstanten Frequenz auf den Prüfkörper aufgebracht, wobei in der [[Kunststoffprüfung]] aufgrund der Prüfkörpergeometrie bevorzugt im Zugschwellbereich gearbeitet wird. Die Amplitude der Spannung oder Dehnung sowie die Mittelspannung oder -dehnung als auch die Temperatur werden per PID-Regelung auf konstantem Niveau gehalten, um [[Kriechen Kunststoffe\|Kriech]]- oder [[Relaxation Kunststoffe\|Relaxationseffekte]] während des Versuchs zu kompensieren.

			==Siehe auch==
			*[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen]]
			*[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Torsionsbeanspruchung]]
			*[[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Biegebeanspruchung]]
			*[[Elastizitätsmodul]]


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	\|Lüpke, T.: Grundlagen mechanischen Verhaltens. In: [[Grellmann,_Wolfgang\|Grellmann, W.]], [[Seidler, Sabine\|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (~~2015~~) 3. Auflage S. ~~91/92,~~ (ISBN 978-3-446-~~44350~~-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)		\|Lüpke, T.: Grundlagen mechanischen Verhaltens. In: [[Grellmann,_Wolfgang\|Grellmann, W.]], [[Seidler, Sabine\|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2024) 4. Auflage, S. 96–98 (ISBN 978-3-446-44718-9; E-Book: ISBN 978-3-446-48105-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 23)
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Posch am 14. Mai 2020 um 12:04 Uhr

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	\|DIN EN ISO 6721-1 (~~2018~~-03): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 1: Allgemeine Grundlagen ~~(Entwurf)~~		\|DIN EN ISO 6721-1 (2019-09): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 1: Allgemeine Grundlagen
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	\|[3]		\|[3]
	\|ISO 6721-4 (~~2008~~-05): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 4: Zugschwingung – Erzwungene Schwingungen		\|ISO 6721-4 (2019-05): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 4: Zugschwingung – Erzwungene Schwingungen
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	[[Kategorie:Deformation]]		[[Kategorie:Deformation]]
	[[kategorie:Thermoanalytische Methoden]]		[[kategorie:Thermoanalytische Methoden]]

Oluschinski am 12. August 2019 um 08:57 Uhr

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	\|Lüpke, T.: Grundlagen mechanischen Verhaltens. In: Grellmann, W., [[Seidler, Sabine\|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage S. 91/92, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)		\|Lüpke, T.: Grundlagen mechanischen Verhaltens. In: [[Grellmann,_Wolfgang\|Grellmann, W.]], [[Seidler, Sabine\|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage S. 91/92, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
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	\|DIN EN ISO 6721-1 (~~2011~~-08): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 1: Allgemeine Grundlagen		\|DIN EN ISO 6721-1 (2018-03): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 1: Allgemeine Grundlagen (Entwurf)
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Oluschinski am 11. Oktober 2018 um 11:44 Uhr

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	\|width="600px"\|DMTA-System (a) Schematischer Aufbau, (b) Servohydraulisches System MTS 858, Berlin, und (c) ZWICK LTS 5 kN – System, Ulm		\|width="600px"\|DMTA-System (a) Schematischer Aufbau, (b) Servohydraulisches System MTS 858, Berlin, und (c) ZWICK LTS 5 kN – System, ZwickRoell GmbH & Co. KG, Ulm
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Reincke am 16. Februar 2018 um 13:49 Uhr

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	==Gerätesysteme zur Durchführung der DMA und DMTA==		==Gerätesysteme zur Durchführung der DMA und DMTA==

	Bei der dynamisch-mechanischen Analyse oder Spektroskopie mittels Zugbeanspruchung können ~~servohydraulische~~ [[~~Materialprüfmaschine~~\|Universalprüfmaschinen]] für große Kräfte oder Tischprüfsysteme (Stand Alone Systeme) für kleinere Prüfkräfte verwendet werden ('''Bild 3'''). Gemeinsam ist allen Verfahren, dass die [[Deformation]] des [[Prüfkörper]]s sehr klein ist und den [[linear-viskoelastisches Verhalten\|linear-viskoelastischen]] Bereich nicht überschreiten sollte. Infolge dieser kleinen Verformungen sind mit der [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen\|DMA]] oder DMTA im Temperaturintervall von ca. –180 °C bis 400 °C hohe Prüffrequenzen bei mechanischer Anregung bis zu 200 Hz realisierbar [1, 2]. Für die [[Kunststoffprüfung]] mittels DMA oder DMTA unter [[Zugversuch\|Zugbeanspruchung]] [3] werden zur Erzeugung sinusförmiger Dehnungen oder Spannungen vorwiegend hydraulische, pneumatische oder elektrodynamische Kleinprüfmaschinen, wobei die Versuche kraft- oder dehnungsgeregelt durchgeführt werden können.		Bei der dynamisch-mechanischen Analyse oder Spektroskopie mittels Zugbeanspruchung können [[Servohydraulische Prüfmaschine\|servohydraulische Universalprüfmaschinen]] für große Kräfte oder Tischprüfsysteme (Stand Alone Systeme) für kleinere Prüfkräfte verwendet werden ('''Bild 3'''). Gemeinsam ist allen Verfahren, dass die [[Deformation]] des [[Prüfkörper]]s sehr klein ist und den [[linear-viskoelastisches Verhalten\|linear-viskoelastischen]] Bereich nicht überschreiten sollte. Infolge dieser kleinen Verformungen sind mit der [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen\|DMA]] oder DMTA im Temperaturintervall von ca. –180 °C bis 400 °C hohe Prüffrequenzen bei mechanischer Anregung bis zu 200 Hz realisierbar [1, 2]. Für die [[Kunststoffprüfung]] mittels DMA oder DMTA unter [[Zugversuch\|Zugbeanspruchung]] [3] werden zur Erzeugung sinusförmiger Dehnungen oder Spannungen vorwiegend hydraulische, pneumatische oder elektrodynamische Kleinprüfmaschinen, wobei die Versuche kraft- oder dehnungsgeregelt durchgeführt werden können.

	[[Datei:DMA_Zugbeanspruchung-3.jpg]]		[[Datei:DMA_Zugbeanspruchung-3.jpg]]
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	Von dem Prüfsystem wird dann eine konstante sinusförmige Dehnungs- oder Spannungsamplitude mit einer definierten und konstanten Frequenz auf den Prüfkörper aufgebracht, wobei in der Kunststoffprüfung aufgrund der Prüfkörpergeometrie bevorzugt im Zugschwellbereich gearbeitet wird. Die Amplitude der Spannung oder Dehnung sowie die Mittelspannung oder -dehnung als auch die Temperatur werden per PID-Regelung auf konstantem Niveau gehalten, um Kriech- oder Relaxationseffekte während des Versuchs zu kompensieren.		Von dem Prüfsystem wird dann eine konstante sinusförmige Dehnungs- oder Spannungsamplitude mit einer definierten und konstanten Frequenz auf den Prüfkörper aufgebracht, wobei in der [[Kunststoffprüfung]] aufgrund der Prüfkörpergeometrie bevorzugt im Zugschwellbereich gearbeitet wird. Die Amplitude der Spannung oder Dehnung sowie die Mittelspannung oder -dehnung als auch die Temperatur werden per PID-Regelung auf konstantem Niveau gehalten, um [[Kriechen Kunststoffe\|Kriech]]- oder [[Relaxation Kunststoffe\|Relaxationseffekte]] während des Versuchs zu kompensieren.

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siehe auch: Dynamisch-Mec…“

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Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) − Zugbeanspruchung 
siehe auch: [[Dynamisch-Mechanische Analyse (DMA) – Grundlagen]]
__FORCETOC__
==Allgemeines==

Bei der dynamisch-mechanischen Analyse unter Zugbeanspruchung wird der verwendete Prüfkörper einer periodisch wechselnden [[Beanspruchung]] ausgesetzt, wobei durch die Variation der Frequenz der erzwungenen Schwingung die Charakterisierung der Zeitabhängigkeit des Werkstoffverhaltens möglich ist (DMA). Wird zusätzlich eine Temperierkammer an das Messsystem appliziert, dann kann bei einer konstanten Frequenz auch die Temperaturabhängigkeit der betreffenden [[Kunststoffe]] erfasst und dargestellt werden (DMTA).

==Durchführung der DMA unter Zugbeanspruchung==

Die DMA bzw. die DMTA unter Zugbeanspruchung zählt zu den dynamisch-mechanischen Prüfverfahren mit [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen#Verfahren_mit_erzwungenen_Schwingungen|erzwungenen Schwingungen]], welches für die Charakterisierung [[viskoelastisches Werkstoffverhalten|viskoelastischer]] Eigenschaften und der [[Glastemperatur]] eingesetzt wird. Dazu wird der [[Prüfkörper]] einer sinusförmig wechselnden mechanischen Beanspruchung konstanter Frequenz und konstanter Amplitude ausgesetzt. Bei [[linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischem Materialverhalte]]n weisen die zeitlichen Änderungen von Spannung und Dehnung im eingeschwungenen Zustand die identische Frequenz, aber unterschiedliche Phasenlagen nach den Gln. (1) und (2) auf ('''Bild 1''').

[[Datei:DMA_Zugbeanspruchung-1.jpg|500px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Zeitliche Änderung von Spannung und Dehnung bei dynamisch-mechanischer Analyse unter Verwendung erzwungener Schwingungen
|}

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>\varepsilon \left ( t \right )=\varepsilon_{0}\cdot \sin \omega t</math>
|width="50px"|(1)
|}

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>\sigma \left ( t \right )=\sigma_{0}\cdot \sin \left ( \omega t+\delta \right )</math>
|width="50px"|(2)
|}

Infolge der Phasenverschiebung δ zwischen Beanspruchung (Spannung) und der Verformung (Dehnung oder Scherung) ist zur Beschreibung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhanges der Modul als komplexe Größe E* nach der Gl. (3) gültig.

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>E^{\ast }=E^{\prime}+iE^{\prime\prime}</math>
|width="50px"|(3)
|}

Der komplexe Modul kann als Vektor in der komplexen Zahlenebene betrachtet werden ('''Bild 2'''), dessen Richtung durch den Phasenwinkel δ und dessen Betrag durch das Verhältnis der Amplitudenwerte von applizierter erzwungenen Spannung und Dehnung gegeben ist.

[[Datei:DMA_Zugbeanspruchung-2.jpg|400px]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 2''':
|width="600px"|Darstellung des Moduls E* in der komplexen Zahlenebene
|}

Der Absolutbetrag des jeweiligen Moduls ergibt sich aus dem Verhältnis der Initialbeanspruchung zur Ausgangsverformung nach der Gl. (4).

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>\left | E^{\ast } \right |=\frac{\sigma_{0}}{\varepsilon_{0}}</math>
|width="50px"|(4)
|}

Unter Verwendung einfacher trigonometrischer Beziehungen erfolgt dann eine Aufteilung in den Realteil E‘ und den Imaginärteil E‘‘, die mit den Gln. (5) und (6) vorgenommen wird. Der Realteil E‘ wird als Speichermodul bezeichnet und ist ein Maß für die während einer Schwingungsperiode gespeicherte reversible Energie Wrev. Der Imaginäranteil E‘‘ erfasst die in der jeweiligen Periode dissipierte Energie Wirrev und wird als Verlustmodul benannt. Aus dem Verhältnis von Verlust- und Speichermodul ergibt sich der Verlustfaktor d = tan δ, welcher das Dämpfungsverhalten des Werkstoffs nach der Gl. (7) beschreibt. Der Wert δ ist dabei der sogenannte Phasenwinkel, der Werte zwischen 0 und π/2 annehmen kann

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>E^{\prime}=E^{\ast }\cdot \cos \delta=\frac{\sigma_{0}}{\varepsilon_{0}}\cdot \cos \delta</math>
|width="50px"|(5)
|}

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>E^{\prime\prime}=E^{\ast }\cdot \sin \delta=\frac{\sigma_{0}}{\varepsilon_{0}}\cdot \sin \delta</math>
|width="50px"|(6)
|}

{|
|- valign="top"
|width="350px"|<math>\tan \delta=\frac{E^{\prime\prime}}{E^{\prime}}=\frac{1}{2\pi }\cdot \frac{W_{irrev}}{W_{rev}}</math>
|width="50px"|(7)
|}

Das Verfahren der erzwungenen Schwingungen ist auf Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Prüfkörpers beschränkt. Handelsübliche Geräte arbeiten im Bereich von ca. 10-2 Hz bis 102 Hz, wobei als [[Messgröße]] die Leistungsaufnahme des Antriebmotors dient. Die Messung kann sowohl dehnungs- als auch spannungsgeregelt erfolgen, was die Bestimmung des komplexen Moduls E* und der komplexen Nachgiebigkeit mit C* = 1 / E* ermöglicht. Diese Geräte gestatten die Ermittlung komplexer Elastizitätsmoduli in einem weiten Steifigkeitsbereich von 10-3 MPa bis 106 MPa. Der größte Nachteil des Verfahrens liegt allerdings in der geringen Empfindlichkeit bei der Messung kleiner Dämpfungen (tan δ < 0,01), also sehr steifer oder hochmoduliger Werkstoffe. Auf Grund ihrer großen Anwendungsbreite besitzen Verfahren mit erzwungenen Schwingungen heute jedoch eine dominierende Rolle bei der dynamisch-mechanischen Analyse [[polymer]]er Werkstoffe.

==Gerätesysteme zur Durchführung der DMA und DMTA==

Bei der dynamisch-mechanischen Analyse oder Spektroskopie mittels Zugbeanspruchung können servohydraulische [[Materialprüfmaschine|Universalprüfmaschinen]] für große Kräfte oder Tischprüfsysteme (Stand Alone Systeme) für kleinere Prüfkräfte verwendet werden ('''Bild 3'''). Gemeinsam ist allen Verfahren, dass die [[Deformation]] des [[Prüfkörper]]s sehr klein ist und den [[linear-viskoelastisches Verhalten|linear-viskoelastischen]] Bereich nicht überschreiten sollte. Infolge dieser kleinen Verformungen sind mit der [[Dynamisch-Mechanische_Analyse_(DMA)_–_Grundlagen|DMA]] oder DMTA im Temperaturintervall von ca. –180 °C bis 400 °C hohe Prüffrequenzen bei mechanischer Anregung bis zu 200 Hz realisierbar [1, 2]. Für die [[Kunststoffprüfung]] mittels DMA oder DMTA unter [[Zugversuch|Zugbeanspruchung]] [3] werden zur Erzeugung sinusförmiger Dehnungen oder Spannungen vorwiegend hydraulische, pneumatische oder elektrodynamische Kleinprüfmaschinen, wobei die Versuche kraft- oder dehnungsgeregelt durchgeführt werden können.

[[Datei:DMA_Zugbeanspruchung-3.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 3''':
|width="600px"|DMTA-System (a) Schematischer Aufbau, (b) Servohydraulisches System MTS 858, Berlin, und (c) ZWICK LTS 5 kN – System, Ulm
|}

Bei den Tischprüfsystemen (siehe auch: [[Lastrahmen]]) existiert in Abhängigkeit von der Prüfkraft und der Ausstattung ebenfalls eine große Auswahl an kommerziellen Prüfsystemen, wobei diese in der Regel mit Zusatzeinrichtungen wie Dehnungssensoren und Temperierkammern ('''Bild 4''') ausgestattet sind.

[[Datei:DMA_Zugbeanspruchung-4.jpg]]
{|
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 4''':
|width="600px"|DMTA-Systeme (a) Mettler Toledo, Greifensee, Schweiz (b) MPAS der Fa. Gabo Qualimeter GmbH, Ahlden
|}

Von dem Prüfsystem wird dann eine konstante sinusförmige Dehnungs- oder Spannungsamplitude mit einer definierten und konstanten Frequenz auf den Prüfkörper aufgebracht, wobei in der Kunststoffprüfung aufgrund der Prüfkörpergeometrie bevorzugt im Zugschwellbereich gearbeitet wird. Die Amplitude der Spannung oder Dehnung sowie die Mittelspannung oder -dehnung als auch die Temperatur werden per PID-Regelung auf konstantem Niveau gehalten, um Kriech- oder Relaxationseffekte während des Versuchs zu kompensieren.

'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Lüpke, T.: Grundlagen mechanischen Verhaltens. In: Grellmann, W., [[Seidler, Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage S. 91/92, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 18)
|-valign="top"
|[2]
|DIN EN ISO 6721-1 (2011-08): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 1: Allgemeine Grundlagen
|-valign="top"
|[3]
|ISO 6721-4 (2008-05): Kunststoffe – Bestimmung dynamisch-mechanischer Eigenschaften – Teil 4: Zugschwingung – Erzwungene Schwingungen
|}

[[Kategorie:Deformation]]
[[kategorie:Thermoanalytische Methoden]]