Mechanische und Physikalische Prüfungen
Zerstörende Prüfungen
Zugversuch
Die Norm DIN EN ISO 527 beschreibt die Prüfbedingungen, die Geometrie der Prüfkörper, die Messwerterfassung, die Prüfgeschwindigkeit und die Auswertung. Das Ergebnis der Prüfung besteht in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm, aus dem folgende Kennwerte ermittelt werden können:
- (Zug-)Elastizitätsmodul (modulus of elasticity in tension) E t
- Streckspannung (yield stress) σ Y
- Streckdehnung (yield strain) ϵ Y
- Bruchspannung (tensile stress at break) σ
- Bruchdehnung (tensile strain at break) ϵ B
- Zugfestigkeit (tensile stress) σ
- Poissonzahl (Poisson’s ratio) μ
Die Kennwerte des Zugversuchs nach EN ISO 527-1 beschreiben die Festigkeitseigenschaften von Kunststoffen nur grob. Durch definierte Versuchsbedingungen wird eine Vergleichbarkeit der an verschiedenen Proben bzw. Werkstoffen ermittelten Werte sichergestellt, die jedoch nicht mit den am Bauteil praktisch auftretenden Belastungen identisch sein müssen.
Bildquelle: Saechtling Kunststoff Taschenbuch, 31. Ausgabe, ISBN 978-3-446-43729-6
Dynamisch-Mechanische-Analyse (DMA)
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine unentbehrliche Methode zur Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften, vorwiegend polymerer Werkstoffe. So sind Elastomere zum Beispiel unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg sehr steif und weisen einen hohen Elastizitätsmodul auf. Oberhalb der Tg sind sie flexibel und dämpfend.
Die DMA misst die viskoelastischen Eigenschaften während eines kontrollierten Temperatur- und/oder Frequenzprogramms.
Bei der ZWT GmbH werden Prüfungen nach den Normen ISO 6721, ASTM D4065-90, ASTM D4092-90, ASTM D4473-95, ASTM D5418-99, ASTM D5023-99, ASTM D5024-95a, ASTM D5026-95a, ASTM E1640-94 und ASTM E1867-97 durchgeführt.
In Abhängigkeit des zu Prüfenden Werkstoffes können die Proben im Zugversuch, Druckversuch oder 3 Punktbiegeversuch gemessen werden.
Kerbschlagzähigkeit
Bestimmung der Festigkeit einer definiert vorgeschädigten Kunststoffprobe durch Schlagbelastung nach DIN EN ISO 179
Der Kerbschlagbiegeversuch ist ein Schlagbiegeversuch. Er zählt zu den klassischen Festigkeitsversuchen (neben: Zugversuch, Biegeversuch, Zeitstandversuch und Dauerschwingversuch). Er ist ein zerstörender Versuch, das heißt die Probe wird von einem Pendelschlagwerk „durchschlagen“. Aus dem Gewicht des Pendels und der Differenz der Pendelausgangs- und Endlage lässt sich die verbrauchte Schlagarbeit errechnen, wobei die Schlagarbeit das Produkt aus Probenquerschnitt und Kerbschlagzähigkeit darstellt.
Der Kerbschlagbiegeversuch wird an einer gekerbten Probe ausgeführt.
In einem aus dem zu prüfenden Werkstoff hergestellten quadratischen Stab des Querschnittes 10 mal 10 mm und einer Länge von 55 mm wird in der Mitte eine 2 mm tiefe „Kerbe“ eingearbeitet. Der Kerbwinkel beträgt 45 °. Der Radius des Kerbgrundes beträgt 0,25 mm (siehe DIN EN ISO 148-1). Der Probestab wird frei ohne Einspannung an seinen Enden in das Pendelschlagwerk eingelegt. Das frei fallende Pendel durchschlägt die Probe mit seiner Schneide genau hinter der Kerbe. Andere Ausführungen der Probe sind möglich. Sie sind in der DIN 50115 beschrieben.
Bildquelle: Dr.-Ing. Marcus Schoßig, Hochschule Merseburg, 2020
Abriebtest
Die Charakterisierung der Abriebeigenschaften von Kunststoffen kann mit Hilfe einer Vielzahl unterschiedlichster Prüfverfahren erfolgen. Die einfachste Methode zur Bestimmung des abrasiven Verschleißes stellt der sogenannte DIN-Abrieb nach DIN ISO 4649 dar. Nach DIN ISO 4649 wird das Verfahren zur Bestimmung des Abriebs in zwei Verfahren unterschieden. Verfahren A arbeitet mit nichtrotierenden Prüfkörpern und bei Verfahren B erfolgt die Bestimmung des Abriebs an rotierenden Prüfkörpern. Der Prüfkörper aus dem zu prüfenden Kunststoff wird dabei unter einer konstanten Anpresskraft und mit konstanter Geschwindigkeit über einen festgelegten Reibweg über einen auf einem rotierenden Zylinder befindlichen Prüfschmirgelbogen geführt.
Ritzbeständigkeit
Die Kratzbeständigkeit beschreibt den Widerstand von unbehandelten oder oberflächenbeschichteten Kunststoffformteilen unter definierten Bedingungen gegenüber punktförmigen, linienförmigen oder flächigen Belastungen Bei den Oberflächenschichten kann es sich um einzelne Schichten oder Mehrschichtsysteme auf einem Substrat handeln.
In der DIN EN ISO 1518 Teil 1 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Kratzbeständigkeit mit konstanter Last beschrieben. Dabei wird der Widerstand gegen das Eindringen einer Prüfspritze (Ritzstichel) bestimmt. Das Verfahren kann als „Ja/Nein“-Prüfung mit nur einer festgelegten Last oder mit dem Ziel der Bestimmung einer Mindestlast, unter der die Prüfspitze die Beschichtung bis zum Substrat durchdringt, durchgeführt werden.
Teil 2 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Nadel (Prüfspitze) mit einer kontinuierlich ansteigenden Prüflast verwendet wird. In der DIN EN ISO 12137 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Prüfspitze, unter einem Winkel von 45° auf die Oberfläche gedrückt wird. Dabei wird die Belastung stufenweise erhöht, bis die Oberfläche verkratzt ist.
Physikalische Prüfungen
Dichtebestimmung
Die ZWT GmbH prüft u.a. nach DIN EN ISO 1183, 23811, 2811, 3369.
Durch das Auftriebsverfahren erfährt ein vollständig in einer Flüssigkeit eingetauchter Körper eine Auftriebskraft, die gleich der Gewichtskraft des Volumens der verdrängten Flüssigkeit ist.
Mit der hydrostatischen Waage wird der Körper einmal in Luft, zum anderen in einer Flüssigkeit von bekannter Dichte gewogen. Die erste Wägung bestimmt die Masse des Körpers. Aus der Anzeige der Waage bei der zweiten Wägung kann das Volumen des Körpers berechnet werden.
Die Differenz der beiden Wägungen, der scheinbare Massenverlust, ist die Masse der verdrängten Flüssigkeit (Prinzip von Archimedes). Division durch die Dichte der Flüssigkeit liefert das Volumen der verdrängten Flüssigkeit und damit das Volumen des eingetauchten Körpers.
Härteprüfung Shore A und D
Die Härteprüfung nach Shore ist eine einfache und effektive Methode zur Werkstoffprüfung und ein einfaches Verfahren zur Härtemessung für Elastomere und verformbaren Kunststoffe.
Die Shore-Härte kann im Zusammenspiel mit weiteren Kennwerten, wie zum Beispiel der Materialdichte, gute Informationen zur Materialbeschaffenheit geben. Die alleinige Messung der Shore-Härte hat jedoch nur eine begrenzte Aussagekraft
Die Messung der nach ihm benannten Shore-Härte erfolgt mit einem Härteprüfer, der als Durometer bezeichnet wird. Dieser besitzt einen dünnen Stift aus gehärtetem Stahl, dem Intender, der mit definierter Federkraft in das zu prüfenden Material gedrückt wird.
Der Intender läuft vorne kegelförmig zu, sodass die Federkraft nur über die Spitze des Prüfstifts auf das Material übertragen wird. Die Eindringtiefe des Prüfstifts wird auf einer Skala von 0 bis 100 Shore gemessen. Hierbei entsprechen 2,5 mm Eindringtiefe einer Härte von 0 Shore und die Eindringtiefe 0 mm 100 Shore.
Die Shore-Härte A wird für die Prüfung von Weich-Elastomeren wie zum Beispiel Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) eingesetzt. Hierbei wird ein Prüfgewicht von 1 kg für 15 s auf den Werkstoff gedrückt. Der Intender besitzt hierfür eine flache Spitze mit 0,79 mm Durchmesser bei einem Öffnungswinkel von 35°.
Die Shore-Härte D wird für die Prüfung von zähen Elastomeren und Thermoplasten, wie Polyethylen (PE) oder Polyamiden (PA), eingesetzt. Hierbei wird ein Prüfgewicht von 5 kg für 15 s mit dem nadelförmigen Intender auf das zu untersuchende Werkstück gedrückt. Der Intender besitzt hierbei eine kugelförmig abgerundete Spitze mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einem Öffnungswinkel von 30°.
