Testanordnung zur mehraxialen Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung

Die kombinierte Beanspruchung eines Bauteils durch äußere Lasten, aber auch durch mehraxiale Spannungszustände auf lokaler Werkstoffebene stellen eine Herausforderung bei der mechanischen Prüfung dar. Dies wird insbesondere bei der experimentellen Nachbildung von Ermüdungslasten deutlich, da durch das Zusammenwirken der Aktoren und die mehrachsige Erfassung der Bauteil-/Werkstoffantwort die Zahl der Prüfparameter steigt. Eine im Projekt TPC-H2-Storage erstellte Prüfanordnung stellt sich dieser Herausforderung und wird zukünftig hauptsächlich im Bereich der Werkstoffcharakterisierung, aber auch im Kontext von Bauteiltests am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe eingesetzt.

Die Bedeutung der mehraxialen Werkstoffcharakterisierung im Bereich faserverstärkter Kunststoffe ergibt sich aus deren Anisotropie sowohl hinsichtlich der Steifigkeit und Festigkeit als auch der Ermüdungsschädigung. Konventionelle uniaxiale Laborversuche können die Schädigung und insbesondere deren Auswirkung in verschiedene Raumrichtungen nur bedingt erfassen. Abhilfe im Hinblick auf die Schädigungsinitiierung schaffen Bruchkriterien, die sich i.d.R. durch uniaxial ermittelte Wöhlerlinien parametrisieren lassen. Hierbei liegt der Fokus meist auf einer Prognose des ersten Anrisses. Der Anriss bezeichnet den Moment, in dem eine Lage eines Mehrschichtverbundes Mikrorisse aufweist und bedeutet damit nicht zwangsläufig das Auftreten eines makroskopischen Risses. Aus dem Stand der Technik ist allerdings auch bekannt, dass der Anriss bereits deutlich vor dem Totalversagen des Mehrschichtverbundes und somit des makroskopischen Risses auftritt. Beide Effekte erschweren die Auslegung und verhindern häufig die Nutzung des Werkstoffpotentials durch überhöhte Abminderungsfaktoren. Ein besseres Verständnis des Werkstoffverhaltens im geschädigten Zustand kann dazu beitragen, Anrisse zu bewerten und damit mikroskopische Schädigung bis zu einem definierten Maß zu akzeptieren. Von besonderem Interesse ist hierbei die Interaktion unter kombinierter Schub- und Normalspannung, da beispielsweise die Steifigkeit schubbelasteter Lagen stark degradieren kann, jedoch - aufgrund der Anisotropie des Werkstoffs und der Schädigung – sich diese Degradation nicht gleichmäßig in alle Raumrichtungen auswirkt. Ein uniaxialer Aufbau zur Erzeugung von multiaxialen Spannungszuständen ist die Arcan Vorrichtung. Bei dieser wird eine Schmetterlingsprobe analog zu ASTM 7078 belastet, wobei die Probenorientierung frei zur Lastrichtung variiert werden kann (Abbildung 1). Dadurch ist es grundsätzlich möglich, beliebige Kombinationen aus Normal und Schubspannungen einzustellen. Durch freie Ränder und die Probengeometrie ist es allerdings kaum möglich homogene Spannungszustände zu erreichen, weshalb die Prüfung von Rohrprobekörpern unter kombinierter Axial- und Torsionslast zu bevorzugen ist.

Im Bereich der Bauteilcharakterisierung stellt die kombinierte Axial und Torsionsbelastung einen ebenfalls relevanten Lastfall dar bzw. eröffnet neue Möglichkeiten. Der Erlanger Träger ist ein typischerweise umgeformtes Organoblech, das in großen Stückzahlen hergestellt werden kann und mitunter durch Spritzgussrippen verstärkt werden kann. Im Ergebnis erhält man ein Bauteil, das einerseits als Aussteifung und andererseits als freitragender Träger eingesetzt werden kann. Sollen Torsionslasten übertragen werden, kann mit der im Projekt entwickelten Prüfanordnung eine definierte Axialverschiebung aufgebracht werden (Abbildung 2). Dadurch ist es möglich, die torsionsbedingte Verkürzung des Profils zu kompensieren. Weiterhin ermöglicht eine mehrkomponentige Kraft- und Momentenmessung beispielsweise auch die Dokumentation auftretender Querkräfte. Die Positionierung der Sensorik ermöglicht die Messung ohne den Einfluss von Lagerreibung. Die Anordnung erlaubt die flexible Prüfung von Bauteilen bis ca. 1,2 m Länge mit Axiallasten bis 100 kN und 8 kNm Drehmoment. Ergänzend werden optische Verfahren eingesetzt, um die auftretenden Verformungen zu bestimmen.

Die kombinierte Beanspruchung eines Bauteils durch äußere Lasten, aber auch durch mehraxiale Spannungszustände auf lokaler Werkstoffebene stellen eine Herausforderung bei der mechanischen Prüfung dar. Dies wird insbesondere bei der experimentellen Nachbildung von Ermüdungslasten deutlich, da durch das Zusammenwirken der Aktoren und die mehrachsige Erfassung der Bauteil-/Werkstoffantwort die Zahl der Prüfparameter steigt. Eine im Projekt TPC-H2-Storage erstellte Prüfanordnung stellt sich dieser Herausforderung und wird zukünftig hauptsächlich im Bereich der Werkstoffcharakterisierung, aber auch im Kontext von Bauteiltests am Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe eingesetzt.

Die Bedeutung der mehraxialen Werkstoffcharakterisierung im Bereich faserverstärkter Kunststoffe ergibt sich aus deren Anisotropie sowohl hinsichtlich der Steifigkeit und Festigkeit als auch der Ermüdungsschädigung. Konventionelle uniaxiale Laborversuche können die Schädigung und insbesondere deren Auswirkung in verschiedene Raumrichtungen nur bedingt erfassen. Abhilfe im Hinblick auf die Schädigungsinitiierung schaffen Bruchkriterien, die sich i.d.R. durch uniaxial ermittelte Wöhlerlinien parametrisieren lassen. Hierbei liegt der Fokus meist auf einer Prognose des ersten Anrisses. Der Anriss bezeichnet den Moment, in dem eine Lage eines Mehrschichtverbundes Mikrorisse aufweist und bedeutet damit nicht zwangsläufig das Auftreten eines makroskopischen Risses. Aus dem Stand der Technik ist allerdings auch bekannt, dass der Anriss bereits deutlich vor dem Totalversagen des Mehrschichtverbundes und somit des makroskopischen Risses auftritt. Beide Effekte erschweren die Auslegung und verhindern häufig die Nutzung des Werkstoffpotentials durch überhöhte Abminderungsfaktoren. Ein besseres Verständnis des Werkstoffverhaltens im geschädigten Zustand kann dazu beitragen, Anrisse zu bewerten und damit mikroskopische Schädigung bis zu einem definierten Maß zu akzeptieren. Von besonderem Interesse ist hierbei die Interaktion unter kombinierter Schub- und Normalspannung, da beispielsweise die Steifigkeit schubbelasteter Lagen stark degradieren kann, jedoch - aufgrund der Anisotropie des Werkstoffs und der Schädigung – sich diese Degradation nicht gleichmäßig in alle Raumrichtungen auswirkt. Ein uniaxialer Aufbau zur Erzeugung von multiaxialen Spannungszuständen ist die Arcan Vorrichtung. Bei dieser wird eine Schmetterlingsprobe analog zu ASTM 7078 belastet, wobei die Probenorientierung frei zur Lastrichtung variiert werden kann (Abbildung 1). Dadurch ist es grundsätzlich möglich, beliebige Kombinationen aus Normal und Schubspannungen einzustellen. Durch freie Ränder und die Probengeometrie ist es allerdings kaum möglich homogene Spannungszustände zu erreichen, weshalb die Prüfung von Rohrprobekörpern unter kombinierter Axial- und Torsionslast zu bevorzugen ist.

Im Bereich der Bauteilcharakterisierung stellt die kombinierte Axial und Torsionsbelastung einen ebenfalls relevanten Lastfall dar bzw. eröffnet neue Möglichkeiten. Der Erlanger Träger ist ein typischerweise umgeformtes Organoblech, das in großen Stückzahlen hergestellt werden kann und mitunter durch Spritzgussrippen verstärkt werden kann. Im Ergebnis erhält man ein Bauteil, das einerseits als Aussteifung und andererseits als freitragender Träger eingesetzt werden kann. Sollen Torsionslasten übertragen werden, kann mit der im Projekt entwickelten Prüfanordnung eine definierte Axialverschiebung aufgebracht werden (Abbildung 2). Dadurch ist es möglich, die torsionsbedingte Verkürzung des Profils zu kompensieren. Weiterhin ermöglicht eine mehrkomponentige Kraft- und Momentenmessung beispielsweise auch die Dokumentation auftretender Querkräfte. Die Positionierung der Sensorik ermöglicht die Messung ohne den Einfluss von Lagerreibung. Die Anordnung erlaubt die flexible Prüfung von Bauteilen bis ca. 1,2 m Länge mit Axiallasten bis 100 kN und 8 kNm Drehmoment. Ergänzend werden optische Verfahren eingesetzt, um die auftretenden Verformungen zu bestimmen.

Andreas Baumann, M.Sc.
Wiss. Mitarbeiter
Ermüdung & Lebensdaueranalyse
Telefon: +49 (0) 631/2017-320
E-Mail: andreas.baumann@ivw.uni-kl.de