Schlagprüfungen an Kunststoffen

Schlagprüfungen werden zur Bestimmung des Materialverhaltens bei höheren Verformungsgeschwindigkeiten eingesetzt. Zur Charakterisierung des Verhaltens von Kunststoffen gegenüber Schlagbeanspruchungen kommen Pendelschlagwerke, Fallwerke und Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen zum Einsatz.
Pendelschlagwerk HIT 5.5 Schlagprüfung an Kunststoff

Instrumentierte Fallwerke

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Instrumentierte Fallwerke verfügen über einen Kraftsensor, eine Lichtschranke zur exakten Geschwindigkeitsbestimmung und eine schnelle Messwerterfassung. So können komplette Kraft-Weg-Diagramme, zum Beispiel im Durchstoßversuch, aufgezeichnet werden. Aus diesen Diagrammen können sowohl charakteristische Kraftpunkte, wie auch die aufgenommene Schlagenergie berechnet werden. 

Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen

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Hochgeschwindigkeits-Prüfmaschinen erzeugen mit ihrem hydraulischen Antrieb Prüfgeschwindigkeiten bis zu 20 m/s. Sie sind immer instrumentiert ausgeführt und werden variabel für Zug-/Durchstoß- und Biegeversuche unter hohen Dehngeschwindigkeiten eingesetzt. Sie decken die Verfahren der Pendelschlagwerke und der  instrumentierten Fallwerke ab. Ein großer Vorteil dieses Maschinentyps liegt im großen Energieüberschuss, der - zusammen mit einer speziellen Regelung - nahezu konstante Geschwindigkeiten während des Prüfvorgangs ermöglicht. 

Klassische Fallwerke

Klassische Fallwerke arbeiten mit einer linearen Fallbewegung. Eine Masse mit einem Auftreffkörper wird aus einer meist definierten Höhe ausgelöst.  Da nach dem Durchschlagen des Probekörpers keine weitere Messung erfolgt, werden diese einfachen Fallwerke für Gut/Schlecht-Analysen, im Laststeigerungsverfahren (Staircase method) oder im Umfangsverfahren (Around the clock method) eingesetzt.

Klassische Pendelschlagwerke

Pendelschlagwerk HIT 5.5 Schlagprüfung an Kunststoff
Klassische Pendelschlagwerke bestimmen die von einem genormten Prüfkörper bis zum Bruch aufgenommene Schlagarbeit durch Messung der Steighöhe des Pendelhammers nach dem Schlag. Das Ergebnis ist eine Schlagzähigkeit oder Kerbschlagzähigkeit, die flächenbezogen, z. B. in kJ/m², angegeben wird. In der Rohrprüfung werden Pendelschlagwerke auch für einfache Gut/Schlecht-Beurteilungen des Probenbruches eingesetzt, ohne quantitative Darstellung des Prüfergebnisses.

Instrumentierte Pendelschlagwerke

Instrumentiertes Pendelschlagwerk - Schlagzugprüfaufbau am Bock
Instrumentierte Pendelschlagwerke sind mit einem Kraftsensor und einer schnellen Messwerterfassung ausgestattet, die bis zu 4 Millionen Kraft- und Zeitwerte pro Sekunde erfasst. So können neben den Energiewerten der Schlagarbeit weitere Daten, zum Beispiel der Kraft- und Durchbiegungsverlauf oder bruchmechanische Kennwerte, erfasst werden.  

Schlagprüfungen mit Pendelschlagwerken

Man unterscheidet 4 genormte Verfahren:

  • Charpy Prüfung (ISO 179-1, ASTM D 6110)
  • Instrumentierte Charpy-Prüfung (ISO 179-2)
  • Izod Prüfung (ISO 180, ASTM D 256, ASTM D 4508) sowie  "Unnotched cantilever beam impact" (ASTM D 4812)
  • Schlagzugversuche (ISO 8256 und ASTM D 1822)
  • Dynstat Schlagbiegeversuch (DIN 53435)

Unterschiede ISO und ASTM bei der Schlagprüfung:

Jeder Pendelhammer darf nach ISO in einem Bereich von 10 % bis 80 % seines nominellen Arbeitsvermögens eingesetzt werden. In der ASTM ist die Ausnutzung bis 85 % erlaubt.
Ein grundsätzlicher Unterschied zwischen ISO und ASTM besteht in der Auswahl der Pendelgröße. Nach ISO muss der jeweils größtmögliche Pendelhammer eingesetzt werden, wobei die Überdeckungen zwischen den Pendelstufen oft sehr gering sind. Diese Forderung beruht auf der Überlegung, dass der Geschwindigkeitsabfall beim Durchschlagen der Probe möglichst gering gehalten werden soll. In der ASTM hat der Standard-Pendelhammer ein Nennarbeitsvermögen von 2.7 Joule und alle weiteren Größen ergeben sich durch Verdoppelung. Hier soll der jeweils kleinste Pendelhammer im Bereich zur Prüfung gewählt werden.

Durchstoßversuch an Prüfplatten

In der Formmassencharakterisierung ist der Durchstoßversuch von besonderem Interesse. Die Versuchsart stellt einen mehrachsigen Spannungszustand an einer dünnen Platte dar, der mit hoher Dehnrate eingebracht wird. Das Ergebnis: En Kraft-Zeit- oder ein Kraft-Weg-Diagramm, sowie Einpunktkennwerte, die neben der maximalen  Kraft auch die Durchbiegung an charakteristischen Punkten des Diagramms beschreiben.

Genormt ist der Durchstoßversuch an Platten in ISO 6603-2 sowie in ASTM D 3763. Eine Variante der Norm für die Prüfung von Folien ist die ISO 7765-2.

Kraft-Weg-Diagramm Durchstoßversuch an Kunststoff ISO 6603-2
Durchstoßversuch an Kunststoff ISO 6603-2

Die Prüfungen werden mit einer Fallhöhe von 1 m durchgeführt, was einer Auftreffgeschwindigkeit von 4,43 m/s entspricht. Die potentielle Energie des Fallkörpers muss mindestens 2,73 mal größer als die vom Probekörper aufgenommene Durchstoßarbeit sein. So wird die Normforderung nach Begrenzung des Geschwindigkeitsabfalls um maximal 20 % der Auftreffgeschwindigkeit eingehalten.

Besonders bei zähen Polymeren wie Polycarbonat, entsteht an der Spitze des Durchstoßkörpers Reibung, die zu einer deutlichen Verfälschung des Prüfergebnisses führen würde. Aus diesem Grund legen die Normen fest, dass der Durchstoßkörper leicht geschmiert werden muss.

Zur Prüfung bei niedrigen Temperaturen müssen die Prüfplatten hinreichend lange an der Prüftemperatur konditioniert werden. Dazu können je nach Prüftemperatur handelsübliche Kühlboxen verwendet werden, die nahe am Prüfgerät stehen sollten. Zur Prüfung werden die Probekörper aus der Box entnommen, ins Fallwerk eingelegt und innerhalb weniger Sekunden geprüft.

Die Fallwerke der Baureihe HIT 230F sind so konstruiert, dass der Probentisch frei zugänglich ist. Bei Betätigung der Zweihand-Auslösung schließt sich die Klemmung und verdeckt alle beweglichen Massen. So entsteht kein Risiko für den Bediener und die Prüfung kann sekundenschnell durchgeführt werden. Gegenüber Geräteausführungen mit eingebauten Temperierkammern zeichnet sich die Bauweise des HIT 230F durch ihren hohen Probendurchsatz im Durchstoßversuch und einfachste Bedienung aus.

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