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Charakterisierung und Versagensverhalten von Elastomeren bei dynamischer biaxialer Belastung

Eine biaxiale Prüfmaschine von COESFELD ermöglicht neue und umfangreichere Möglichkeiten für die zerstörungsfreie und die bruchmechanische Prüfung von Elastomeren, insbesondere im dynamischen Bereich.

Der Biaxialtester besteht im Wesentlichen aus 4 separat angetriebenen elektromechanischen Linearmotoren, jeweils mit Querführung, Kraft- und Wegmesseinheit sowie Klemmsystem, die paarweise einander gegenüberstehend angeordnet sind und jeweils einen Weg von bis zu 30 mm haben.

Biaxialtester der Fa. COESFELD

Die 4 Motoren werden separat angesteuert und können verschiedene Deformationen (Lastkollektive) auf die Probe übertragen. Für die vorrangig dynamische Prüfung wird der Regler eines jeden Motors für das individuelle Deformationsprofil mittels eines adaptiven Reglers optimiert.

Das Klemmsystem jeder einzelnen Achse besteht aus einer Schiene mit bis zu jeweils 10 Einzelklemmen mit einer Breite von jeweils 10 mm, die über Rollenlagerung senkrecht zur Achse verschoben werden können.

Skizze des Prüfstandes mit individueller Vorgabe des Lastkollektivs für jede Achse (links); Klemmsystem des Biaxtesters, hier mit jeweils 6 Klemmen pro Achse ausgestattet (Mitte), Klemmprinzip durch Formschluss (rechts)

Kenndaten des Biaxialtesters

Ansteuerform Jede Achse einzeln oder auch paarweise gegenläufig
Belastungsformen Sinus, Gauß-Puls, Dreieck, Rechteck, anwenderspezifische Belastung
Belastungsgeschwindigkeit Max. 50 Hz, praktisch 10 Hz, max. Verschiebung jeweils bis zu 30 mm
Kraftbereich 2000 N
Datenaufzeichnung Gesamte Zyklen, einzelne wählbare Zyklen oder einzelne Kennwerte der Zyklen
Bildaufnahmebedingungen Kontinuierlich oder durch einzelne Ereignisse getriggert
Probeform Rechteckig bzw. quadratisch bis max. 100 mm * 100 mm, vorzugsweise 85 mm * 85 mm mit umlaufender Wulst von 4 mm Durchmesser

Insbesondere für Untersuchungen heterogener Spannungszustände, wie z. B. in rissbehafteten Prüfkörpern, ist es erforderlich, für die Rissausbreitung den bidirektionalen Deformationszustand der Probe mittels Bildverarbeitungstechnik zu erfassen. Dazu bietet sich einerseits die Beobachtung einer stochastisch strukturierten Probe von oben mit anschließender Auswertung (Digital Image Correlation, DIC) an, oder die Erfassung der Risskontur (Digital Image Elaboration, DIE) durch flächige Beleuchtung der Probe von unten. Für diese Aufgabenstellungen wird eine IR-Kamera verwendet, die mittels Magnetfüßen variabel auf der Grundplatte der Maschine befestigt werden kann.

Konzept des Bilderfassungssystems am Biaxialtester: experimenteller Aufbau (links), erfasste Bilder (Mitte), erhaltene Diagramme: Dehnung senkrecht zur Rissrichtung über dem Abstand zur Rissspitze und 2d-Dehnungsfeld (rechts oben): Zunahme der Risslänge mit der Anzahl der Lastzyklen bei dynamischer Belastung (rechts unten)

Der von der Firma COESFELD entwickelte Biaxialtester ermöglicht eine wesentliche Erweiterung der statischen wie auch dynamischen Charakterisierungsmöglichkeiten von Elastomeren. Das betrifft sowohl deren konstitutive Materialbeschreibung unter komplexer Belastung als auch die Verfolgung von Rissausbreitung unter statischer sowie dynamischer Belastung, z. B. mittels des J-Integral-Konzepts.

K. Schneider et al., KGK, 4, 2014, 48-52