Biegeversuch Nachgiebigkeit

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Biegeversuch Nachgiebigkeit

Die Maschinennachgiebigkeit der Materialprüfmaschine

Bei Biegeversuchen zur Charakterisierung des Verformungsverhaltens oder der elastischen Eigenschaften von Kunststoffen kann es sein, dass Messeinrichtungen zur direkten Erfassung der Durchbiegung am Prüfkörper (Dehnmessfühler oder optische Sensoren) nicht verwendet werden können. Dies tritt dann auf, wenn Messungen in einer Temperierkammer vorgenommen werden oder das Deformationsverhalten von Kunststoffen mit variierendem Glas- oder Kohlenstofffasergehalt verglichen werden soll. Bei der Durchführung von konventionellen Biegeversuchen mit konstanter Traversengeschwindigkeit nach DIN EN ISO 178 [1] werden die Prüfbedingungen und die Kennwertermittlung von verschiedensten Faktoren beeinflusst. Aufgrund der eingeprägten äußeren Beanspruchung werden die unterschiedlichen Komponenten der Universalprüfmaschine verformt, was auch als Maschinennachgiebigkeit oder Compliance (siehe auch: Zugversuch Nachgiebigkeit) bekannt ist und bei der Traversenwegmessung einen nicht zu vernachlässigbaren Einfluss ausübt. Dabei geht die Verformung der Holme der Prüfmaschine und der Spindeln sowie der Schlupf des Antriebs, die Biegung des Querhaupts und der Traverse als Δf_F in das Messsignal der Durchbiegung ein, wobei hier die absoluten Fehlbeträge relativ klein sind. Den größten Anteil liefert die Deformation des Verformungskörpers der Kraftmessdose Δf_K und insbesondere auch der Eindruck der Widerlager und des Prüfstempels in den Prüfkörper Δf_W. Die Qualität der Widerlager bestimmt das Messergebnis erheblich und beeinflusst damit die elastischen Kennwerte, wie Elastizitätsmodul oder Dehngrenzen, signifikant. Das Wegmesssignal Δf_M besteht deshalb aus der Summe der einzelnen Verformungsanteile der Prüfeinrichtung Δf_M = Δf_P + Δf_F + Δf_K + Δf_EW und bestimmt damit wesentlich die Nachgiebigkeit des Prüfsystems. Jede Konfigurationsänderung durch den Benutzer der Prüfmaschine (Kraftmessdose, Verlängerungsgestänge, Rollenwiderlager und Rollenradius) beeinflusst den Wert der Compliance K.

Die Nachgiebigkeit im Dreipunktbiegeversuch

Aufgrund der Konfigurationsabhängigkeit wird die Maschinennachgiebigkeit in der Regel vom Hersteller der Universalprüfmaschine nicht angegeben. Wenn diese bekannt ist, dann ist die Nachgiebigkeit in mm/kN zumeist nur der Kehrwert der Steifigkeit des Lastrahmens (siehe auch: Maschinensteifigkeit) ohne Zusatzeinrichtungen. Dieser Wert entspricht in der Regel nur einem berechneten Wert z. B. mittels FEM. Da im Fall der Traversenwegmessung die Nachgiebigkeit von den genutzten, teilweise vom Prüflabor entwickelten, Zusatzeinrichtungen abhängt, haben viele Prüfmaschinenhersteller Software-Module in die Prüfsoftware integriert, die es gestatten die Compliance und eine Korrekturkurve zu ermitteln. Dadurch kann auch ohne Verwendung von speziellen Durchbiegungsfühlern eine optimale Wegmess- und Positionierungsgenauigkeit über den Traversenaufnehmer garantiert werden. Diese Korrekturkurven können hoch präzise Dehnungsaufnehmer, welche die Deformation direkt am Prüfkörper messen, nicht ersetzen.
Zur Ermittlung der Nachgiebigkeit C_t im Biegeversuch muss ein Prüfkörper mit großer Biegesteifigkeit E_f·I_y und minimaler Eigenverformung bei der zu nutzenden Prüfkraft verwendet werden. Die einzelnen Elemente des Laststrangs der Universalprüfmaschine (Gestänge, Biegeeinrichtung) sollten unter einer Last von ca. 90 % der Nennlast F_N der (Bild 1a) verwendeten Kraftmessdose verspannt werden.

Bild 1:

Bestimmung der Compliancekurve im Dreipunktbiegeversuch

Nach der Auflage des Testprüfkörpers aus z. B. Stahl wird der Biegeversuch mit geringer Prüfgeschwindigkeit bis zur Nennlast der Kraftmessdose durchgeführt und anschließend unter Erfassung der Daten des Traversenwegs s₀ und des Fühlerwegs der Mittendurchbiegung s₁ wieder entlastet (Bild 1b). Aus der Be- und Entlastungskurve kann durch Mittelwertbildung und Regression die zugehörige Korrekturrohkurve Δf_T(F) berechnet werden. Durch Subtraktion der Verformung Δf_F des Prüfkörpers kann dann die Korrekturkurve zur Nachgiebigkeitskorrektur berechnet werden. Diese kann online im Biegeversuch oder offline im Postprozessing mittels Excel® oder Origin® verwendet werden. In Abhängigkeit von der Prüflast wird dann der Eigenverformungsanteil vom Messsignal des Traversenweges abgezogen (Bild 2).

Bild 2:

Anwendung der Korrekturkurve im Biegeversuch mit Traversenwegmessung

Im Rahmen des WIKI-Lexikons werden in diesem Zusammenhang die folgenden Begriffe näher erläutert:

• Steifigkeit
• Probennachgiebigkeit
• Maschinennachgiebigkeit
• Druckversuch Nachgiebigkeit
• Zugversuch Nachgiebigkeit

Literaturhinweise

[1]	DIN EN ISO 178 (2019-08): Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften