Instrumentierter Fallgewichts-Schlagprüfer: Besseres Verständnis in einem Bruchteil der Zeit!

Ein besseres Verständnis der Schlagfestigkeit von Polymeren und Verbundwerkstoffen führt zu Material- und Anwendungsinnovationen in einer Vielzahl von Branchen. Zusammen mit der Qualitätssicherung und Standardreferenzdaten liefert die Schlagprüfung auch ein grundlegendes Verständnis einer Materialstruktur und ermöglicht eine Bewertung in Bezug auf die Endanwendungsfunktion.

Erweiterte Schlaganalyse

Dank Systemen wie dem Instrumented Falling Weight Impact Tester von Ray-Ran (RR-IFWT) mit seiner leistungsstarken tupDAQ® Software ist eine fortschrittliche Aufprallanalyse jetzt einfacher denn je. Unter Verwendung grundlegender Kraft- und Geschwindigkeitssensortechnologie kann ein Aufschlagereignis automatisch identifiziert und definiert und sofort eine extrem breite Palette von Datenpunkten und messbaren Werten berechnet werden. Im Falle des RR- IFWT stehen den Benutzern 47 messbare Werte zur Verfügung, die von typischen Parametern wie Spitzenleistung, Gesamtenergie und Maximalkraft bis hin zu benutzerdefinierten Cursorpunkten reichen, die aus skalierbaren Diagrammen ausgewählt werden, mit denen Benutzer bestimmte Kurveneigenschaften bewerten können.

Für jede Anwendung, die betriebskritische Teile verwendet, ist die Schlagprüfung eine unerlässliche Prüfung, da die simulierten Bedingungen mit hoher Dehnungsrate, die der Test bietet, nicht durch andere Mittel der mechanischen Prüfung reproduziert werden können. Ein besseres Verständnis der Schlageigenschaften führt zu einer Verbesserung der Konstruktionstoleranzen und zu einem besseren Verständnis der Materialeignung für eine bestimmte Anwendung.

Der instrumentierte Fallgewichts-Schlagprüfer von Ray-Ran

Zum Beispiel sind Graphitfaser-Epoxy-Laminatmaterialien mit extrem hoher Zug- und Biegefestigkeit aufgrund ihrer hohen “spezifischen” Eigenschaften hervorragend geeignet für Luft- und Raumfahrtstrukturen, wie Außenflächen von Flugzeugblechen sowie Automobilkarosseriebleche und Windturbinen. Allerdings können selbst Stöße mit geringer Geschwindigkeit, wie z. B. wenn jemand auf die Komponente tritt, versteckte interlaminare Defekte verursachen, die die Integrität der Endanwendungsstruktur beeinträchtigen können. Dies könnte bedeuten, dass das Material nicht zu seinem vollen Zug- oder Biegepotential genutzt werden kann, ohne zuerst die Schlageigenschaften zu verbessern. Dies ist nicht nur wichtig für die Sicherheit, sondern ermöglicht auch die Entwicklung in Bereichen wie Leichtbau und Produktdesign, die alle für die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Energie-, Bau- und Fertigungsindustrie anwendbar sind.

Innovation aus der Schlagprüfung

Dieses Innovationspotenzial bei der Herstellung von Komponenten ergibt sich aus Aufpralltests, die oft die besten repräsentativen Bedingungen für die Endnutzung einer Struktur oder die „Worst-Case-Szenario“-Bedingungen liefern, die eine Struktur voraussichtlich aushalten wird. Es hat daher das Potenzial, der wichtigste Test für die Entwicklung einer bestimmten Anwendung eines Unternehmens zu sein.

Durch Aufpralltests können die in Automobilkarosseriekomponenten verwendeten Materialien optimiert werden, um die beste Kombination aus Energieabsorption und Schlagfestigkeit zu bieten.

Angesichts der immer breiteren Verwendung von Polymeren und Verbundwerkstoffen für fortschrittliche Anwendungen kann nur durch Schlaginstrumentierung eine angemessene Analyse erreicht werden, um mit der aktuellen Geschwindigkeit der Komponenten- und Materialinnovation Schritt zu halten.

Woher hat sich diese Technologie entwickelt? Die am weitesten verbreitete Methode zur Bewertung der Schlagfestigkeit eines Materials in Industrie und Wissenschaft war schon immer die Verwendung eines fallenden Projektils, das auf eine flache Platte trifft, die nur von ihren Kanten getragen wird. Der erreichte Schlagfestigkeitswert, auch Schlagzähigkeit genannt, bezieht sich auf die Energiemenge, die das Material durch Verformung oder Beschädigung beim Schlagereignis aufnimmt.

Der Schlagkopf, der als „TUP“ bezeichnet wird, weist eine vorstehende Spitze auf, die spezifisch für die einzuhaltende Prüfnorm ist und mit Kraftmesszellen mit einer bestimmten Nennleistung verbunden ist, die für die Schlagenergie geeignet ist.

Historisch gesehen bedeutet dies, dass die entscheidende Zahl daher die niedrigste Aufprallenergie ist, die zu einem katastrophalen Versagen eines zu testenden Objekts führt (oder die durchschnittliche Energie, die zum Brechen des Materials erforderlich ist). Aus diesem Grund wird die Schlagfestigkeit typischerweise durch eine „Treppenmethode“ bestimmt. Bei der „Treppenmethode“ werden wiederholte Tropfen auf die Probe fallen gelassen, wobei entweder die Dop-Masse oder die Fallhöhe schrittweise erhöht oder verringert wird, wodurch die Aufprallkraft und -energie erhöht oder verringert wird. Da für jeden Fall eine neue Probe verwendet wird, folgt auf einen Schlag, der nicht zum Versagen führt, ein Schlag mit größerer Energie. In ähnlicher Weise folgen Stößen, die zu einem Versagen der Probe führen, Stöße mit zunehmend geringerer Energie. Nach einer hohen Anzahl von Iterationen kann die durchschnittliche Schlagenergie, die zum Versagen der Probe führt, berechnet werden, was Ihnen die Schlagfestigkeit des Materials verrät.

Die Treppenmethode ist eine gültige Option zur Bestimmung eines Gesamtergebnisses, trägt jedoch wenig dazu bei, die komplizierte Beziehung der integralen Parameter zu beschreiben, die einen Aufprall definieren: Dies sind Zeit und Weg, die zu Geschwindigkeit führen, und Kraft und Weg, die zu Energie führen. Unterschiedliche Materialarten verhalten sich beim Aufprall völlig unterschiedlich, und erst durch die Messung von Geschwindigkeit und Kraft (und damit der anderen genannten Parameter) lassen sich charakteristische Verhaltensweisen bestimmter Materialien modellieren. Infolgedessen hat die instrumentierte Schlagprüfung im Laufe des letzten Jahrzehnts an Popularität gewonnen und wird von mehreren internationalen Prüfnormen, darunter ASTM D7136, ASTM D3763-02 und ISO 6603 , als fortschrittliche Forschungstechnik anerkannt.

Hier zeigt der Testbildschirm der tupDAQ ® -Software Hysterese in der roten Kraftanzeige nach einem Test. Dies bedeutet, dass es eine nichtlineare Beziehung zwischen der Verschiebung und der Kraft gibt, die darauf hindeutet, dass Energie durch plastische Verformung während des Aufprallereignisses vom Material absorbiert wird. Unterhalb der grafischen Anzeige befindet sich eine anpassbare Tabelle mit verschiedenen numerischen Testergebnissen.

Um ein Beispiel dafür zu geben, wie ein Aufprall mit Instrumenten weiter abgefragt würde, können wir ein steifes metallisches Material mit einem Polymer vergleichen. Die maximale Verschiebung der Metallprobe würde gleichzeitig mit der maximalen Aufprallkraft auftreten. Das typische Verhalten eines Polymermaterials wäre andererseits aufgrund der charakteristischen Viskoelastizität des Materials, im Verlauf der Verschiebung Energie zu absorbieren. Dies zeigt sich durch eine Hysterese in der Kraft-Verschiebungs-Kurve für das Material, was bedeutet, dass die maximale Verschiebung nicht gleichzeitig mit der maximalen Kraft auftritt, sondern auftritt, wenn die maximale Energiemenge absorbiert wurde. Bei so etwas wie einem Stoßstangenbauteil für Autos würden die Forscher versuchen, die Punkte der maximalen Kraft und der maximalen Verschiebung so weit wie möglich zu trennen, ohne die für das Material erforderliche Gesamtschlagfestigkeit zu verringern. Das würde bedeuten, dass das Bauteil die Energie eines Aufpralls besser aufnehmen kann, ohne den Punkt des katastrophalen Versagens zu erreichen.

Für jeden Tropfen gibt es bekannte Bedingungen. Dazu gehören die Masse des Geschosses, die Fallhöhe und die Erdbeschleunigung. Die einzige Instrumentierung, die erforderlich ist, um das System zu vervollständigen und Daten für die fünf aufpralldefinierenden Parameter (Zeit, Kraft, Geschwindigkeit, Verschiebung und Energie) bereitzustellen, sind daher Sensoren für Kraft und Geschwindigkeit am Aufprallpunkt. Zur Kraftmessung werden Dehnungsmessstreifen im Schlagkopf verwendet. Für die Geschwindigkeit wird ein Detektorblock verwendet, der die Geschwindigkeit einer „Flagge“ liest, die mit der fallenden Baugruppe verbunden ist. Allein mit diesen Sensoren wird eine Vielzahl von Daten erfasst. Die Informationen werden dann Datenreduktionsalgorithmen unterzogen, die automatisch mit minimaler Benutzereingabe einen präzisen, verwendbaren und resultierenden Datensatz liefern.

Das mechanische System, bestehend aus Probenhalter, Führungsschienen und Fallbaugruppe, ist über einen Datenlogger und eine Signalkonditionierungsbox mit der computerbasierten tupDAQ-Software verbunden. Die Box nimmt die momentanen Messwerte von dem Kraftsensor und dem Geschwindigkeitssensor und verarbeitet die Informationen, um das Aufprallereignis zu identifizieren und die Daten auf eine handhabbare Größe für die Ausgabe zu reduzieren.

Ein System, das sofortigen Zugriff auf eine solche Vielzahl von Berechnungen mit einer Auflösung im Bereich von ^1000stel Millisekunden bietet, spart unzählige Arbeitsstunden, da die Zeitkosten für das physische Zurücksetzen des Systems für die wiederholten Tropfen entfallen, die sonst erforderlich wären, und da die langwierigen Berechnungen und Kalkulationen aus den Testdaten automatisiert werden, die erforderlich wären, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Wo Zeit gespart wird, wird der Entwicklungs- und Innovationsprozess beschleunigt, und im Fall von instrumentierten Fallgewichtst-Schlagprüfern könnte dies nicht offensichtlicher sein.

Schlagprüfung mit Industrial Physics

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