Geïnstrumenteerde valgewicht-impacttesten: meer begrip in een fractie van de tijd!

Een beter begrip van de slagvastheid van polymeren en composieten leidt tot innovatie van materialen en toepassingen in een grote verscheidenheid aan industrieën. Samen met kwaliteitsborging en standaardreferentiegegevens bieden impacttests ook een fundamenteel inzicht in de structuur van een materiaal en maken ze beoordeling mogelijk in relatie tot de eindgebruiksfunctie.

Geavanceerde impactanalyse

Geavanceerde impactanalyse is nu eenvoudiger dan ooit dankzij systemen zoals de Instrumented Falling Weight Impact Tester van Ray-Ran (RR-IFWT), met zijn krachtige tupDAQ® software. Door gebruik te maken van fundamentele kracht- en snelheidssensortechnologie kan een impactgebeurtenis automatisch worden geïdentificeerd en gedefinieerd, en kan binnen een ogenblik een extreem breed scala aan datapunten en meetbare waarden worden berekend. In het geval van de RR-IFWT zijn er 47 meetbare waarden beschikbaar voor gebruikers, variërend van typische parameters zoals piekenergie , totale energie en maximale kracht tot aangepaste cursorpunten geselecteerd uit schaalbare grafieken waarmee gebruikers specifieke curve-eigenschappen kunnen evalueren.

Voor elke toepassing waarbij servicekritische onderdelen worden gebruikt, zijn impacttests een noodzakelijke activiteit, omdat de gesimuleerde omstandigheden met hoge reksnelheid die de test biedt, niet kunnen worden gerepliceerd door middel van andere mechanische tests. Een beter begrip van de impacteigenschappen leidt tot verbetering van ontwerptoleranties en een beter begrip van de geschiktheid van de materialen voor een bepaalde toepassing.

De Ray-Ran geïnstrumenteerde valgewicht-impacttester

Grafietvezel-epoxylaminaatmaterialen met extreem hoge trek- en buigsterktes zijn bijvoorbeeld uitstekend geschikt voor lucht- en ruimtevaartconstructies zoals vliegtuigpanelen aan de buitenzijde, carrosseriepanelen van auto’s en windturbines, vanwege hun hoge ‘specifieke’ eigenschappen. Maar zelfs botsingen bij lage snelheid, zoals iemand die op het onderdeel stapt, kunnen verborgen interlaminaire defecten introduceren die de integriteit van de eindgebruiksstructuur in gevaar kunnen brengen. Dit zou kunnen betekenen dat het materiaal niet optimaal kan worden gebruikt op het gebied van treksterkte of buiging zonder eerst de impacteigenschappen te verbeteren. Dit is niet alleen belangrijk voor de veiligheid, maar maakt ook ontwikkeling mogelijk op gebieden als lichtgewicht en productontwerp, allemaal toepasbaar voor de auto- en ruimtevaartindustrie, maar ook voor energie, constructie en productie.

Innovatie uit impacttesten

Dit potentieel voor innovatie bij de vervaardiging van componenten komt voort uit impacttests die vaak de beste representatieve omstandigheden bieden voor het eindgebruik van een constructie of de ‘worst-case scenario’-omstandigheden die een constructie naar verwachting zal doorstaan. Het heeft daarom de potentie om de belangrijkste test te zijn voor de ontwikkeling van een bepaalde toepassing van een bedrijf.

Door middel van impacttests kunnen de materialen die worden gebruikt in carrosserieonderdelen worden geoptimaliseerd om de beste combinatie van energieabsorptie en schoksterkte te bieden.

Met het steeds bredere gebruik van polymeren en composieten voor geavanceerde toepassingen, kan alleen door impactinstrumentatie een passende analyse worden bereikt om gelijke tred te houden met het huidige tempo van component- en materiaalinnovatie.

Waar heeft deze technologie zich ontwikkeld? De meest gangbare methode voor het evalueren van de schoksterkte van een materiaal in de industrie en de academische wereld is altijd geweest door middel van een vallend projectiel dat op een vlakke plaat slaat, die alleen door de randen wordt ondersteund. De bereikte slagvastheidswaarde, ook wel slagsterkte genoemd, heeft betrekking op de hoeveelheid energie die door het materiaal wordt geabsorbeerd door vervorming of beschadiging tijdens de impactgebeurtenis.

De impactkop, ook wel de ‘TUP’ genoemd, heeft een voorlopende neus, specifiek voor de testnorm waaraan wordt voldaan, die is verbonden met spanningsmeters met een specifieke classificatie die geschikt is voor de impactenergie.

Historisch gezien betekent dit dat het cruciale cijfer daarom de laagste impactenergie is die een catastrofaal falen in een testmonster zal veroorzaken (of de gemiddelde energie die nodig is om het monster te breken). Omdat dit het geval is, wordt de slagsterkte doorgaans bepaald via een ‘trappenhuis’-methode. De ‘trappenmethode’ omvat het herhaaldelijk laten vallen op het monster met stapsgewijze verhogingen of verlagingen van de dopmassa of de valhoogte, waardoor de impactkracht en -energie worden verhoogd of verlaagd. Omdat voor elke druppel een nieuw exemplaar wordt gebruikt, wordt een impact die niet tot falen leidt, gevolgd door een impact met grotere energie. Op soortgelijke wijze worden inslagen die resulteren in het falen van het monster gevolgd door inslagen met steeds lagere energie. Na een groot aantal iteraties kan de gemiddelde impactenergie die resulteert in het falen van het preparaat worden berekend, waardoor u de impactsterkte van het materiaal krijgt.

De Staircase-methode is een geldige optie voor het bepalen van een algemeen resultaat, maar beschrijft weinig de ingewikkelde relatie van de integrale parameters die een impact definiëren: dit zijn tijd en verplaatsing, die aanleiding geven tot snelheid en kracht, en verplaatsing die aanleiding geven tot energie. Verschillende soorten materiaal gedragen zich geheel anders onder impact, en alleen door het meten van snelheid en kracht (en dus de andere genoemde parameters) kunnen karakteristieke gedragingen van bepaalde materialen worden gemodelleerd. Als gevolg hiervan is geïnstrumenteerde impacttesten in de loop van het afgelopen decennium in populariteit toegenomen en worden ze door verschillende internationale testnormen, waaronder ASTM D7136, ASTM D3763-02 en ISO 6603 , erkend als een geavanceerde onderzoekstechniek.

Hier toont het tupDAQ®-softwaretestscherm hysteresis in de rode krachtmeting na een test. Dit betekent dat er een niet-lineaire relatie bestaat tussen de verplaatsing en de kracht, wat aangeeft dat energie door het materiaal wordt geabsorbeerd door plastische vervorming tijdens de impactgebeurtenis. Onder het grafische display bevindt zich een aanpasbare tabel met verschillende numerieke resultaten van de test.

Om een ​​voorbeeld te geven van hoe een impact verder kan worden onderzocht met instrumentatie, kunnen we een stijf metaalachtig materiaal vergelijken met een polymeer. De maximale verplaatsing van het metalen monster zou samenvallen met de maximale inslagkracht. Het typische gedrag van een polymeer materiaal daarentegen zou zijn het absorberen van energie tijdens de verplaatsing, als gevolg van de karakteristieke visco-elasticiteit van het materiaal. Dit blijkt uit de hysterese in de kracht- vs. verplaatsingscurve voor het materiaal, wat betekent dat de maximale verplaatsing niet samenvalt met de maximale kracht, maar optreedt wanneer de maximale hoeveelheid energie is geabsorbeerd. Voor zoiets als een autobumperonderdeel zouden onderzoekers proberen de punten van maximale kracht en maximale verplaatsing zoveel mogelijk van elkaar te scheiden, zonder de totale impactsterkte die van het materiaal wordt vereist te verminderen. Dit zou betekenen dat het onderdeel de energie van een botsing effectiever kan absorberen zonder het punt van catastrofaal falen te bereiken.

Voor elke druppel zijn er bekende omstandigheden. Deze omvatten de massa van het projectiel, de hoogte vanwaar het valt en de versnelling onder zwaartekracht. De enige instrumenten die nodig zijn om het systeem te voltooien en gegevens te leveren voor de vijf impactbepalende parameters (tijd, kracht, snelheid, verplaatsing en energie) zijn daarom sensoren voor kracht en snelheid op het impactpunt. Om de kracht te meten, worden spanningsmeters in de slagkop gebruikt. Voor snelheid wordt een detectorblok gebruikt dat de snelheid leest van een ‘vlag’ die is verbonden met het vallende geheel. Met alleen deze sensoren wordt een uitgebreide reeks gegevens vastgelegd. De informatie wordt vervolgens onderworpen aan algoritmen voor datareductie die automatisch een nauwkeurige en bruikbare resulterende dataset opleveren, met minimale gebruikersinvoer.

Het mechanische systeem, bestaande uit de monsterhouder, geleidingsrails en valconstructie, is via een datalogger en signaalconditioneringskast verbonden met de tupDAQ computergebaseerde software. De box neemt de momentane metingen van de krachtsensor en de snelheidssensor en verwerkt de informatie om de impactgebeurtenis te identificeren en de gegevens terug te brengen tot een beheersbare grootte voor uitvoer.

Een systeem dat ogenblikkelijk toegang biedt tot zo’n grote verscheidenheid aan berekeningen, met een resolutie tot in ^1000-en van een milliseconde, bespaart ontelbare uren werk door het wegvallen van de tijd die het kost om het systeem fysiek te resetten voor de herhaalde druppels die anders nodig zouden zijn, en door het automatiseren van de langdurige berekeningen en berekeningen op basis van de testgegevens die nodig zouden zijn om hetzelfde resultaat te bereiken. Waar tijd wordt bespaard, wordt het proces van ontwikkeling en innovatie versneld, en in het geval van geïnstrumenteerde Falling Weight Impact-tests kan dit niet duidelijker zijn.

Impacttesten met Industrial Physics

Als u meer wilt weten over de Ray-Ran Instrumented Falling Weight Impact Testing , bekijk dan hier de productpagina! Neem vandaag nog contact met ons op voor andere vereisten voor monstertests en impacttests!