Prüfverfahren Dehnungsmessstreifen: So lassen sich Kennwerte für faserverstärkte Kunststoffe ermitteln

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Faserverstärkte Kunststoffe kommen in den Anwendungen vor, in denen Leichtbau sowie hohe Steifigkeiten und Festigkeiten gefragt sind. Wie viel die Materialien wirklich aushalten, lässt sich mit Dehnungsmessstreifen in genormten Prüfverfahren herausfinden.

Dehnungsmessstreifen in der Praxis: Das Unternehmen „Grasse Zur Composite Testing“ hat sich mit einem akkreditierten Materialprüflabor auf faserverstärkte Kunststoffe insbesondere für die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, die Chemieindustrie und die Rotorblattindustrie spezialisiert. Faserverstärkte Kunststoffe eignen sich sehr gut für den Leichtbau, da sie sich durch hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auszeichnen. In der Regel werden sie für flächige Strukturen eingesetzt.

Veränderungen erfassen mit Dehnungsmessstreifen

Ein zentrales Hilfsmittel, um die Veränderungen bei Belastung eines Probekörpers zu erfassen, sind Dehnungsmessstreifen (DMS). Sie ermitteln die Dehnung direkt an dessen Oberfläche und sind für die Materialkennwertermittlung von faserverstärkten Kunststoffen durch verschiedene DIN-Normen vorgeschrieben. Dehnungsmessstreifen sind mäandernde Metallleiter – in der Regel aus den Legierungen Konstantan oder Karma. Dieser Leiter ist auf einem dünnen Träger beispielsweise aus Polyimid geätzt.

Der DMS wird vornehmlich mit spezifischen Klebern auf dem Probekörper aufgebracht. In den Messungen fungiert der DMS als elektrischer Leiter, wobei seine Stauchung oder Dehnung zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt, die wiederum eine Spannungsänderung verursacht und damit in ein elektrisches Signal überführt wird. Ein entsprechendes Messgerät gibt diese Spannungsänderung in Millivolt pro Volt aus oder zeigt durch interne Umrechnung direkt die tatsächliche Dehnung des DMS in Mikrometer pro Meter an.

Da Faserverbundwerkstoffe schlechte Wärmeleiter sind, sollte gewöhnlich ein hochohmiger DMS mit mindestens 350 Ohm gewählt werden, insbesondere bei Langzeitmessungen. Die Wärmeentwicklung könnte sonst zu Fehlern beim Messergebnis führen. Grasse Zur führt jedoch sehr kurze Prüfungen aus, bis der Probekörper reißt und der DMS damit zerstört wird, sodass diese kleinen Messfehler zu vernachlässigen sind und auch DMS mit 120 Ohm ausreichen.

Größere DMS können Ergebnisse verbessern

Für ein bestmögliches Messergebnis wählt Grasse Zur möglichst große DMS aus – groß bedeutet hier eine Messgitterlänge von 10 Millimetern. Kleine DMS haben im Vergleich eine Messgitterlänge von etwa 2 Millimetern. Die DMS sollten jeweils so groß wie möglich sein, um eine gute Mittelung über die Zugprobe hinweg zu erreichen. Ungünstig ist es bei einem Faserverbundstoff, wenn der DMS nur ein Faserbündel abdeckt, anstatt über mehrere Faserbündel hinweg zu messen. Dies verfälscht das Messergebnis. Limitierend auf die Größe des DMS wirken sich die Abmessungen des jeweiligen Probekörpers aus, der in der Regel 100 bis 250 Millimeter lang ist und 10 bis 25 Millimeter breit.

Die Dehnungsmessstreifen werden dann in Längs- und in Querrichtung auf den Probekörper aufgeklebt, je nach Prüfungsanliegen: Hauptsächlich werden Linear-DMS genutzt, die einen einachsigen Spannungszustand messen. Bei einem zweiachsigen Spannungszustand, wenn Kräfte sowohl in Zugrichtung der Zugprobe als auch rechts und links um 90 Grad versetzt angreifen, kommt ein sogenannter 0/90-Grad-DMS, oder auch T-Rosette genannt, zum Einsatz. Wenn die Hauptdehnungsrichtung unbekannt ist, also unklar ist, wo die Kräfte angreifen, wird eine dreiachsige 0/45/90-Grad-Rosette mit drei Gittern genutzt.

Akkurater Klebevorgang

Aufgebracht werden Dehnungsmessstreifen in der Regel mit einem schnell trocknenden Cyanacrylat- oder Sekundenkleber (Typ CN). Bei einer Kurzzeitmessung ohne Umwelteinflüsse und auch bei höheren Temperaturen bis 120 Grad reicht Sekundenkleber aus. Die Klebeschicht muss sehr dünn sein, damit die Messung wirklich am Bauteil stattfindet. Einschlüsse durch Luftblasen oder Staubkörner sind zu vermeiden, da sie ebenfalls das Messergebnis verfälschen können.

Bei höheren Prüftemperaturen greift Grasse Zur auf einen Epoxidharzkleber zurück (Althen-Kleber-Typ EB-2). Dieser ist etwas aufwendiger in der Anwendung, da er zunächst angerührt werden muss und der DMS unter einem vorgeschriebenen Anpressdruck länger aushärten muss.

Generell ist das Bauteil vor dem Aufbringen zu präparieren, damit der Kleber und der DMS gut halten können. Eventuell muss die Oberfläche angeraut werden. Gerade bei Faserverbundwerkstoffen ist eine gewisse Rauigkeit der Oberfläche zum optimalen Halt nötig. Das Problem: Die Fasern des Verbundwerkstoffs dürfen durch Schleifen oder Anrauen nicht verletzt werden, da dies die Prüfung verfälscht. Daher erfordert das Aufbringen des DMS viel Erfahrung und Fingerspitzengefühl, damit die Fasern nicht beschädigt werden. Je harzreicher die Werkstoffe sind, desto unempfindlicher sind sie gegenüber Beschädigungen durch das Anschleifen.

Festigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung ermitteln

Der korrekte Sitz des DMS ist entscheidend bei der Ermittlung der Kennwerte Festigkeit und Steifigkeit eines Probekörpers. Die Festigkeit beschreibt, bei welcher maximalen Kraft der Werkstoff zerstört wird. Hierzu wird die Kraft mit der Fläche ins Verhältnis gesetzt. Diese Kenngröße steht am Ende des Prüfvorgangs fest, dem Moment des Zerreißens.

Die Steifigkeit sagt aus, wie viel Kraft nötig ist, um den Probekörper zu verformen. Sie lässt sich bereits früh im Prüfungsverlauf feststellen, während sich das Werkstoffverhalten noch im linear-elastischen Bereich befindet. Würde der Versuch an diesem Punkt beendet werden, würde der Probekörper in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Eine weitere Kenngröße erläutert Geschäftsführer Dr. Fabian Grasse: „Außerdem lässt sich mit dem DMS auch noch die Bruchdehnung feststellen. Wie weit wurde der Probekörper in dem Moment gedehnt, in dem er versagte, also in dem Moment, in dem die Festigkeit ermittelt wurde, die maximale Kraft? Wenn der DMS nicht gut verklebt war, kann es sein, dass sich zwar die Steifigkeit zu Beginn und auch die Festigkeit am Ende messen lassen, nicht jedoch die Bruchdehnung, da der DMS in diesem Moment nicht mehr richtig geklebt hat.“

Integrierte Kabelanschlüsse am Dehnungsmessstreifen

Ein Mehrwert der von Althen vertriebenen DMS ist die optional bereits integrierte Verkabelung, die für den Kunden eine deutliche Zeitersparnis bei der Applizierung bedeutet, wie Dr. Grasse bestätigt: „Der DMS ist direkt aufzukleben und anzuschließen, ohne Lötvorgang oder Ähnliches. Damit ist er nach der Klebung sofort einsatzbereit. Das ist für uns ein enormer Zeitvorteil.“

Die Autorin Michaela Wassenberg ist freie Journalistin.

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