Die Welt der Materialprüfungen: faserverstärkte Kunststoffe

Grasse Zur Composite Testing betreibt ein akkreditiertes Materialprüflabor und hat sich auf die Prüfung faserverstärkter Kunststoffe insbesondere für die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, die Chemieindustrie und die Rotorblattindustrie spezialisiert. Da faserverstärkte Kunststoffe hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen, eignen sie sich sehr gut für den Leichtbaubereich. Überwiegend werden bei Grasse Zur zerstörende Prüfungen durchgeführt, d. h. ein Probekörper wird in einer Universalprüfmaschine per Zug-, Schub-, Druck- oder Biegeprüfung zerstörend geprüft, um Materialkennwerte zu ermitteln.

DMS erfassen Veränderungen des Probekörpers
Ein zentrales Hilfsmittel, um die Veränderungen des Probekörpers bei Belastungen zu erfassen, sind Dehnungsmessstreifen (DMS) des Mess-Spezialisten Althen. Sie ermitteln die Dehnung direkt an der Oberfläche des Probekörpers und sind für die Materialkennwertermittlung von faserverstärkten Kunststoffen durch verschiedene DIN-Normen vorgeschrieben.

Ein Dehnungsmessstreifen ist ein mäandrierender Metallleiter – in der Regel aus Konstantan oder Karma –, der auf einem dünnen Träger (z. B. Polyimid) geätzt ist. Er wird vornehmlich mit spezifischen Klebern auf dem Probekörper aufgebracht. Ein DMS fungiert als elektrischer Leiter, der durch Stauchung oder Dehnung eine elektrische Widerstandsänderung zeigt, die wiederum eine Spannungsänderung indiziert und damit in ein elektrisches Signal überführt wird. Das entsprechende Messgerät kann sowohl die Spannungsänderung in Millivolt pro Volt ausgeben als auch direkt die tatsächliche Dehnung des DMS in µm pro m anzeigen.

Größere DMS für ein gutes Messergebnis
Die DMS sollten jeweils so groß wie möglich sein, d. h. eine Messgitterlänge von ca. 10 mm aufweisen, um eine gute Mittelung über die Zugprobe zu erreichen. Ungünstig ist es bei einem Faserverbundstoff, wenn der DMS nur ein Faserbündel abdeckt, anstatt über mehrere Faserbündel hinweg zu messen. Dies verfälscht das Messergebnis

Die Dehnungsmessstreifen werden dann in Längs- und in Querrichtung auf den Probekörper aufgeklebt, je nach Prüfungsanliegen: Hauptsächlich werden Linear-DMS genutzt, die einen einachsigen Spannungszustand messen. Es gibt jedoch auch DMS für zweiachsige (0/90-Grad-DMS oder T-Rosette) und dreiachsige Spannungszustände (0/45/90-Grad-Rosette). Um dem Nutzer die Anbringung der DMS zu erleichtern, bietet Althen die 0/90- und die 0/45/90-Variante bereits fertig an. Der Vorteil: Es muss nur ein einziger Dehnungsmessstreifen mit entsprechender DMS-Gitteranzahl aufgeklebt werden, der bereits die einzelnen DMS-Gitter optimal angeordnet hat.

Akkurater Klebevorgang
Aufgebracht werden DMS bei Grasse Zur in der Regel mit einem schnell trocknenden Cyanacrylat- oder Sekundenkleber des Typs CN, den Althen ebenfalls anbietet – es sollte stets ein vom Hersteller empfohlener Kleber gewählt werden. Die Klebeschicht muss sehr dünn aufgetragen werden, sonst würde die Messung nicht am Bauteil, sondern etwas oberhalb davon erfolgen. Auch Einschlüsse durch Luftblasen oder Staubkörner dürfen nicht entstehen, da sie ebenfalls das Messergebnis verfälschen können.

Wichtig ist, das Bauteil vor dem Klebevorgang zu präparieren, damit Kleber und DMS gut halten. Beim Faserverbundwerkstoff wird eine gewisse Rauigkeit an der Oberfläche zum optimalen Halt benötigt. Die Fasern des Verbundwerkstoffs dürfen jedoch durch Schleifen oder Anrauen nicht verletzt werden, sonst wird die Prüfung verfälscht. Hier ist viel Erfahrung des Mitarbeiters gefragt, damit er beim Anrauen die Fasern nicht beschädigt.