Prüftechnik Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen dynamisch prüfen

Mit Bauelementen aus Faserverbundwerkstoffen soll in vielen Fällen Gewicht eingespart werden. Sind davon sicherheitskritische Elemente betroffen, müssen die Bauteile gründlich geprüft werden. Dabei sind sowohl statische wie dynamische Prüfungen erforderlich.

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Composites finden ihrer Vorteile wegen in vielen Branchen zunehmend Verwendung. Wo es um maximale Leistung bei minimalem Gewicht geht, versuchen Ingenieure klassische Bauteile aus Stahl, Aluminium oder Titan durch Composite-Konstruktionen zu ersetzen. Weil es sich bei den ausgetauschten Bauteilen oft um sicherheitsrelevante Komponenten handelt, kommt zuverlässigen Materialprüfungen eine besondere Rolle zu. Die Linearprüfmaschinen der LTM-Baureihe von Zwick-Roell eignen sich für Ermüdungsprüfungen an Verbundwerkstoffen und sind aufgrund ihrer Bauweise auch für quasistatische Prüfungen einsetzbar.

Gerade Fahrzeuge und Flugzeuge profitieren extrem von einer Reduktion ihres Gewichts. Je leichter sie sind, umso weniger Energie verbrauchen sie und desto höher ist ihre Reichweite und potenzielle Endgeschwindigkeit. Daher greifen Ingenieure für spezielle Anwendungen zunehmend auf besonders leichte, aber hochstabile Faserverbundwerkstoffe, auch Composites genannt, zurück. Bei diesen Werkstoffen sind Materialprüfungen unumgänglich, weil ihr Verhalten unter Last und vor allem bei Langzeittests noch nicht so gut charakterisiert ist wie das von Stahl oder Aluminium.

Sehr heterogene Werkstoffe

Zudem gibt es nicht „den einen Faserverbundwerkstoff“ oder „das eine Composite“. Die Materialien sind sehr heterogen und Veränderungen an ihrer Zusammensetzung und Herstellungsweise beeinflussen die Messwerte stark. Die Lösung für Lebensdauerprüfungen an Faserverbundwerkstoffen bietet Zwick-Roell in Form von Prüfmaschinen mit elektrischen Linearmotorantrieben. Sie arbeiten sauber, geräuscharm und erfordern nur einen niedrigen Wartungsaufwand.

Rein statische Prüfungen reichen nicht

Um das Potenzial von Struktur­elementen und Bauteilen aus Composites einzuschätzen, reichen reine statische Prüfungen nicht aus. Zum Beurteilen der Lebensdauer sind umfangreiche Ermüdungsprüfungen unumgänglich. Bei dieser Form der Beanspruchung wird im Laminat Energie in Form von Wärme freigesetzt. Aus diesem Grund kann häufig nur bei relativ niedrigen Frequenzen bis zu 5 Hz geprüft werden, was die komplette Aufnahme einer Lebensdauerkurve zu einer zeitaufwendigen Sache macht.

Für dynamische Prüfungen im Bereich von Prüfkräften bis 10 kN sind Prüfmaschinen mit elektrischen Linearmotorantrieben besonders geeignet. Um den steigenden Prüfanforderungen seiner Aerospace-Kunden gerecht zu werden, entschied sich daher ein führender Hersteller von Composites für ein neues Prüfsystem von Zwick-Roell auf Basis der LTM 5 (F_max 5 kN). In einem neu eingeführten Prüfverfahren werden HCF-Dauerschwingfestigkeits-Prüfungen (HCF: High Cycle Fatigue, hoher Lastwechselbereich) in einem 3-Punkt-Biegemodus an Glasfaserproben durchgeführt. Bei einer Frequenz von 25 Hz und Belastungsspitzen von bis zu 1,4 kN entstehen Spitzenverschiebungen von circa 10 mm. Als Ziel der Prüfung gilt die Ermittlung der Schwingspielzahl bis zum Probenbruch mit einer erwarteten Zeitfestigkeit von bis zu 3 Mio. Zyklen.

Materialforschung an CFK-Strukturen

Ein weiteres Anwendungsgebiet elektrodynamischer Prüfmaschinen findet sich in der Erforschung und Entwicklung neuer CFK-Werkstoffe. Obwohl dieses Hochleistungsmaterial zurzeit noch teuer und seine Produktion aufwendig ist, kommt es zunehmend in besonders anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz. Zum Beispiel im Automobilbau oder bei der Fertigung von Rotorblättern für Windenergieanlagen. Die herausragenden Vorteile wie das niedrige Gewicht bei hoher Stabilität sollen weiter ausgebaut werden, was die eingehende Erforschung des Materials voraussetzt. Insbesondere Prüfungen des Materialverhaltens unter Schädigung und Umwelteinflüssen müssen noch offene Fragen beantworten.

Am DLR (Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.) hat man sich daher für eine LTM 10 mit Temperierkammer entschieden, in der unterschiedliche CFK-Materialkombinationen nach verschiedenen Normen und eigenen Standards geprüft werden können. Mit dem Prüfsystem lassen sich Kräfte bis 10 kN und Prüffrequenzen bis 100 Hz abbilden, und aufgrund der mobilen Temperierkammer auch unter Umgebungstemperaturen von -80 bis 250 °C.

Präzise und wiederholbare Messungen

Die elektrodynamischen Linearmotorprüfmaschinen von Zwick-­Roell verfügen über einen patentierten Stellantrieb mit hohl ausgeführtem Aktuator, der Platz für das Wegmesssystem bietet. Der Wegaufnehmer ist direkt auf der Kraftachse und in unmittelbarer Nähe der Probe installiert. Diese Anordnung sorgt für eine hohe Wiederholbarkeit der Prüfpunkte und liefert zugleich äußerst präzise Wegmessungen des Stellantrieb-Prüfkolbens im Bereich von ±2 µm. Zudem reduziert die geringe Distanz zur Probe thermische Einflüsse während der Prüfung auf ein Minimum.

Auch die übrigen Komponenten der LTM-Linearprüfmaschine sind auf Prüfleistung hin optimiert: Um Ausricht- und Winkelfehler zu vermeiden, liegt die wartungsfreie Kolbenbremsanlage mit der Prüf­achse in einer Linie. Das Linearlager der Kolbenstange minimiert Haftgleiteffekte und trägt so ebenso zu genauen Prüfungen bei wie die Kühlanlage im Sockel der Prüfmaschine. Sie führt über den Kabelkanal ausgetauschte Wärme an die Umgebungsluft ab. Eine optional erhältliche Wasserkühlung mit Anschluss an den Kühlwasserkreislauf des Labors sorgt bei Bedarf für minimale Geräusch­belästigung und unveränderte Raumtemperaturen trotz langer Betriebszeiten.

Temperierkammern gestatten Ermüdungsversuche bei -80 bis 250 °C und eröffnen so ein weiteres Anwendungsspektrum. Zu den Optionen gehören auch der höhere Prüfraum für größere Werkstücke und die Erhöhung der seismischen Masse zur Leistungssteigerung bei steifen Proben und hohen Prüffrequenzen. Weil die Beschleunigung der seismischen Massekomponente vom Kraftaufnehmer als Zusatzkraft wahrgenommen wird, ist in der Prüfsoftware Test-Xpert R ein Massenausgleich vorgesehen. Die Software ist in der Lage, die zusätzliche Kraft oder die Fehler an beiden Maxima herauszurechnen. Dies verbessert die Kraftmessung und die Regelung der Prüfmaschine.

Von low-speed bis high-speed – Prüfung von Crashstrukturen

Aufgrund des ölfreien Antriebs ist die Serie der LTM-Prüfmaschinen auch für den Einsatz in vielen Spezialbereichen geeignet. Weil die Prüfmaschinen rein elektrisch betrieben und in der Standardausführung luftgekühlt werden, sind weder Hydraulik- noch Druckluftleitungen im Prüflabor notwendig. Ein Kühlwasseranschluss ist nur in besonderen Fällen für die optionale Wasserkühlung erforderlich. Zudem können sie aufgrund der integrierten Umschaltfunktion auch für statische Versuche verwendet werden. Dann lassen sich mit der LTM statische Zug-,Druck- oder Biegeversuche durchführen und bei Bedarf eine zweite Maschine der gleichen Leistungsklasse ersetzen.

Mit den elektrodynamischen Prüfmaschinen der LTM-Baureihe bietet Zwick-Roell die optimale Lösung zur Lebensdauerprüfung an Strukturelementen und Bauteilen aus Composites. Die Versionen von 1 bis 10 kN Prüfkraft decken weite Anwendungsbereiche ab und sind wegen des elektrischen Linearantriebs sauber, energieeffizient und wartungsarm. MM

* David Kalke ist Mitarbeiter der Awikom GmbH; weitere Informationen: Wolfgang Mörsch, Zwick GmbH & Co. KG in 89079 Ulm-Einsingen, Tel. (0 73 05) 1 07 63, wolfgang.moersch@zwick.de

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