Warum gibt es ein wachsendes Interesse an viskoelastischen Prüfungen?
Autos, Flugzeuge, medizinische Geräte und Verbraucherprodukte verwenden immer mehr Polymer- und Verbundwerkstoffe in ihren Konstruktionen. Mit dem zunehmenden Einsatz von Strukturkomponenten aus Polymeren und Verbundwerkstoffen wird das Verständnis der viskoelastischen Eigenschaften dieser Materialien immer wichtiger. Elastomere und Polymere weisen ein signifikantes viskoses Verhalten auf, das Forscher und Konstrukteure verstehen müssen, um sicherzustellen, dass das Material für die beabsichtigte Endanwendung geeignet ist.
Heutzutage nutzen Tools zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften eines Materials, um genauere Vorhersagen über das Verhalten von Konstruktionen zu treffen, die diese Polymere oder Elastomere enthalten. Zum Beispiel erfordert der erweiterte Einsatz von Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen (allgemein als Kohlefaser oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bezeichnet) eine umfangreiche dynamische mechanische Analyse der Polymerkomponente, um vorherzusagen, wie die Belastung zwischen der Polymermatrix und den Verstärkungsfasern verteilt wird.
Welche ist eine typische Prüfanwendung für die viskoelastische Einstufung?
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine gängige Methode, um das elastische (Feder) und viskose (Dämpfung) Verhalten von Materialien und Komponenten zu messen. Diese Messung wird erreicht, indem der Prüfkörper einer kontrollierten zyklischen Belastung (oder Dehnung) ausgesetzt wird und Kraft und Verschiebung sowie die einhergehende Phasenbeziehung gemessen werden.
Die DMA-Prüfung kann so einfach sein wie eine Prüfung mit einer einzigen Frequenz bei Raumtemperatur, um die dynamische Steifigkeit (K*), die elastische Steifigkeit (K’) und/oder die Verluststeifigkeit (K”) eines Bauteils oder Materials zu messen. Eine DMA kann mit Sweeps von Anregungsfrequenz, Spannung, Dehnung und Temperatur, einschließlich der Verschachtelung dieser Sweeps miteinander, um eine Analysemethode namens Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) zu verwenden, auch sehr kompliziert sein. Mittels TTS kann das Verhalten eines Materials bei Temperaturen und Frequenzen vorhergesagt werden, die in der Praxis nicht getestet werden können.
Welche sind einige der Herausforderungen beim DMA-Test?
Bei DMA-Tests stellt sich vor allem die Frage, inwieweit die gesammelten Daten korrekt sind. Dieses Problem besteht nicht nur bei DMA-Prüfungen; aber eine Datengenauigkeit ist bei viskoelastischen Materialien besonders schwierig zu erreichen. Es ist schwierig zu wissen, ob die Daten genau sind, da Elastomere und Polymere sehr empfindlich auf viele verschiedene Faktoren, einschließlich Herstellungsverfahren, Alterung, Temperatur, Zusammensetzung (verschiedene Materialchargen), Vorspannung/Dehnung und zyklische Spannung/Dehnung, reagieren. Angesichts dieser Variablen ist es manchmal schwierig, zu wissen, ob unerwartete Daten auf eine schlechte Probe, ein schlechtes Prüfprotokoll oder darauf zurückzuführen sind, dass das Gerät tatsächlich ungenaue Ergebnisse liefert.
Schwankende Temperaturen während der dynamisch-mechanischen Analyse stellen eine weitere Herausforderung dar. Die beiden größten Herausforderungen sind die Aufrechterhaltung der Steuerung (Tuning) des Prüfsystems, wenn sich die Prüfkörpereigenschaften ändern, und die Sicherstellung, dass die Prüfkörpertemperatur gleichmäßig ist und den erwarteten Wert beträgt.
Wie sind die Ingenieure in der Vergangenheit mit den Herausforderungen des DMA-Tests umgegangen?
Die Herausforderungen der DMA-Prüfung wurden je nach Prüfmaschinentyp und Prüfanforderungen in unterschiedlichem Maße angegangen. Die dynamisch-mechanische Analyse als Anwendung geht weit über ihre Funktion als chemisches Forschungswerkzeug, das hauptsächlich von Materialwissenschaftlern verwendet wird, hinaus und umfasst heute auch eine Funktion als wichtigeres Konstruktionswerkzeug, das von Ingenieuren eingesetzt wird. DMA-Geräte, die zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden, müssen typischerweise nur auswerten, ob die Probeneigenschaften innerhalb eines Bereichs liegen. Einige Maschinen verfolgen den „Black-Box“-Ansatz, der die Bedienung der Maschine sehr einfach macht, aber möglicherweise die potenziellen Probleme verdeckt, die ungenaue DMA-Daten erzeugen können. Produktentwickler und Ingenieure benötigen viel präzisere und genauere Ergebnisse als sie dieser Maschinentyp liefert.
Wie können Produktentwickler und Ingenieure die Datengenauigkeit maximieren?
Es gibt viele Aspekte des Prüfsystems, welche die Prüfgenauigkeit beeinflussen können. Ein gutes DMA-Prüfsystem muss sehr steif sein, damit unerwünschte Resonanzen die Daten nicht beeinträchtigen. Außerdem muss er über eine robuste Steuerung verfügen, Kräfte und Verschiebungen genau messen können und eine leistungsfähige Software umfassen, um all diese Eigenschaften voll ausnutzen zu können.
Es ist auch wichtig, die Messgenauigkeit eines Systems zu validieren. Zum Beispiel wird jedes Acumen-Prüfsystem von MTS vor Verlassen des Werks mit einem dynamischen Standard auf die Einhaltung der dynamischen Messspezifikation geprüft. Diese Überprüfung der dynamischen Genauigkeit wird am Ende der Installation durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Gerät genaue Daten produziert, sobald es beim Kunden installiert ist. Da jedes Acumen-DMA-System den dynamischen Standard enthält, kann der Kunde die dynamische Genauigkeitsmessung beliebig oft wiederholen, um zu überprüfen, ob das System immer noch genaue Daten produziert.
Wie haben sich die Anforderungen der Konstrukteure an die dynamisch-mechanische Analyse neben dem erhöhten Bedarf an Messgenauigkeit sonst noch ausgewirkt?
Ingenieure, die Elastomere und Polymere in ihren Konstruktionen verwenden, müssen auch die Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften dieser Materialien kennen. Maschinen, die ausschließlich für die DMA bestimmt sind, sind jedoch nicht in der Lage, diese Art von Tests durchzuführen. Da Konstruktionsteams mehr als nur DMA-Daten von ihrer Prüfmaschine benötigen, ist der Bedarf an mehreren Systemen oder einem vielseitigeren Prüfsystem gestiegen.
Gibt es andere Einflüsse, die das DMA-Testen verändern?
Es ist ein Trend zu größeren Prüfkörpern zu beobachten, der durch mehrere Faktoren bedingt ist. Der erste Faktor ist der zunehmende Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Bauindustrie. Auch bei Verbundwerkstoffen und gefüllten Polymeren werden größere Proben benötigt, damit der Querschnitt der Materialien eine statistisch repräsentative Struktur aufweist. Schließlich können Messungen der viskoelastischen Eigenschaften empfindlich auf die Prüfkörpergröße reagieren, sodass es ideal ist, Materialproben zu testen, die der Endanwendungskomponente sehr ähnlich sind.
Wie hat sich der Trend zu größeren Prüfkörper auf die DMA-Prüfung ausgewirkt?
Die stärkste Auswirkung von größeren Prüfkörpern ist der Bedarf an größeren und leistungsfähigeren Maschinen. Die alten DMA-Maschinen waren nur in der Lage, eine Kraft von wenigen Pfund (~30 Newton) aufzubringen. Größere Prüfkörper können Hunderte, manchmal sogar Tausende von Newton an Kraft erfordern.
Welche Prognosen für die viskoelastische Einstufung und speziell für die DMA-Prüfung gibt es?
Sowohl der Bedarf an mehreren Prüfarten als auch der Trend zur Prüfung größerer Prüfkörper wird zu einer Zunahme von Mehrzweckmaschinen für viskoelastische Prüfungen führen – auch für DMA-Anwendungen. Doch nicht jedes Materialprüfsystem kann als DMA-System klassifiziert werden. Einige Maschinen, die als für DMA geeignet vermarktet werden, beschönigen die kritischen Genauigkeitsanforderungen und melden nur die Ergebnisse aus. Einige Hersteller fügen einfach Berechnungen zu einer Ermüdungsprüfmaschine hinzu und nennen sie dann eine DMA-Maschine. Normalerweise erfordern Mehrzweckmaschinen eine beträchtliche Anzahl von Kompromissen, aber einige – wie das Acumen-Prüfsystem von MTS – sind so ausgestattet, dass sie genaue Ergebnisse für DMA-, Monotonie- und Ermüdungstests liefern, was einem Prüflabor ein noch nie dagewesenes Maß an Vielseitigkeit bietet.
Autos, Flugzeuge, medizinische Geräte und Verbraucherprodukte verwenden immer mehr Polymer- und Verbundwerkstoffe in ihren Konstruktionen. Mit dem zunehmenden Einsatz von Strukturkomponenten aus Polymeren und Verbundwerkstoffen wird das Verständnis der viskoelastischen Eigenschaften dieser Materialien immer wichtiger. Elastomere und Polymere weisen ein signifikantes viskoses Verhalten auf, das Forscher und Konstrukteure verstehen müssen, um sicherzustellen, dass das Material für die beabsichtigte Endanwendung geeignet ist.
Heutzutage nutzen Tools zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) Informationen über die viskoelastischen Eigenschaften eines Materials, um genauere Vorhersagen über das Verhalten von Konstruktionen zu treffen, die diese Polymere oder Elastomere enthalten. Zum Beispiel erfordert der erweiterte Einsatz von Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen (allgemein als Kohlefaser oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bezeichnet) eine umfangreiche dynamische mechanische Analyse der Polymerkomponente, um vorherzusagen, wie die Belastung zwischen der Polymermatrix und den Verstärkungsfasern verteilt wird.
Welche ist eine typische Prüfanwendung für die viskoelastische Einstufung?
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine gängige Methode, um das elastische (Feder) und viskose (Dämpfung) Verhalten von Materialien und Komponenten zu messen. Diese Messung wird erreicht, indem der Prüfkörper einer kontrollierten zyklischen Belastung (oder Dehnung) ausgesetzt wird und Kraft und Verschiebung sowie die einhergehende Phasenbeziehung gemessen werden.
Die DMA-Prüfung kann so einfach sein wie eine Prüfung mit einer einzigen Frequenz bei Raumtemperatur, um die dynamische Steifigkeit (K*), die elastische Steifigkeit (K’) und/oder die Verluststeifigkeit (K”) eines Bauteils oder Materials zu messen. Eine DMA kann mit Sweeps von Anregungsfrequenz, Spannung, Dehnung und Temperatur, einschließlich der Verschachtelung dieser Sweeps miteinander, um eine Analysemethode namens Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) zu verwenden, auch sehr kompliziert sein. Mittels TTS kann das Verhalten eines Materials bei Temperaturen und Frequenzen vorhergesagt werden, die in der Praxis nicht getestet werden können.
Welche sind einige der Herausforderungen beim DMA-Test?
Bei DMA-Tests stellt sich vor allem die Frage, inwieweit die gesammelten Daten korrekt sind. Dieses Problem besteht nicht nur bei DMA-Prüfungen; aber eine Datengenauigkeit ist bei viskoelastischen Materialien besonders schwierig zu erreichen. Es ist schwierig zu wissen, ob die Daten genau sind, da Elastomere und Polymere sehr empfindlich auf viele verschiedene Faktoren, einschließlich Herstellungsverfahren, Alterung, Temperatur, Zusammensetzung (verschiedene Materialchargen), Vorspannung/Dehnung und zyklische Spannung/Dehnung, reagieren. Angesichts dieser Variablen ist es manchmal schwierig, zu wissen, ob unerwartete Daten auf eine schlechte Probe, ein schlechtes Prüfprotokoll oder darauf zurückzuführen sind, dass das Gerät tatsächlich ungenaue Ergebnisse liefert.
Schwankende Temperaturen während der dynamisch-mechanischen Analyse stellen eine weitere Herausforderung dar. Die beiden größten Herausforderungen sind die Aufrechterhaltung der Steuerung (Tuning) des Prüfsystems, wenn sich die Prüfkörpereigenschaften ändern, und die Sicherstellung, dass die Prüfkörpertemperatur gleichmäßig ist und den erwarteten Wert beträgt.
Wie sind die Ingenieure in der Vergangenheit mit den Herausforderungen des DMA-Tests umgegangen?
Die Herausforderungen der DMA-Prüfung wurden je nach Prüfmaschinentyp und Prüfanforderungen in unterschiedlichem Maße angegangen. Die dynamisch-mechanische Analyse als Anwendung geht weit über ihre Funktion als chemisches Forschungswerkzeug, das hauptsächlich von Materialwissenschaftlern verwendet wird, hinaus und umfasst heute auch eine Funktion als wichtigeres Konstruktionswerkzeug, das von Ingenieuren eingesetzt wird. DMA-Geräte, die zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden, müssen typischerweise nur auswerten, ob die Probeneigenschaften innerhalb eines Bereichs liegen. Einige Maschinen verfolgen den „Black-Box“-Ansatz, der die Bedienung der Maschine sehr einfach macht, aber möglicherweise die potenziellen Probleme verdeckt, die ungenaue DMA-Daten erzeugen können. Produktentwickler und Ingenieure benötigen viel präzisere und genauere Ergebnisse als sie dieser Maschinentyp liefert.
Wie können Produktentwickler und Ingenieure die Datengenauigkeit maximieren?
Es gibt viele Aspekte des Prüfsystems, welche die Prüfgenauigkeit beeinflussen können. Ein gutes DMA-Prüfsystem muss sehr steif sein, damit unerwünschte Resonanzen die Daten nicht beeinträchtigen. Außerdem muss er über eine robuste Steuerung verfügen, Kräfte und Verschiebungen genau messen können und eine leistungsfähige Software umfassen, um all diese Eigenschaften voll ausnutzen zu können.
Es ist auch wichtig, die Messgenauigkeit eines Systems zu validieren. Zum Beispiel wird jedes Acumen-Prüfsystem von MTS vor Verlassen des Werks mit einem dynamischen Standard auf die Einhaltung der dynamischen Messspezifikation geprüft. Diese Überprüfung der dynamischen Genauigkeit wird am Ende der Installation durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Gerät genaue Daten produziert, sobald es beim Kunden installiert ist. Da jedes Acumen-DMA-System den dynamischen Standard enthält, kann der Kunde die dynamische Genauigkeitsmessung beliebig oft wiederholen, um zu überprüfen, ob das System immer noch genaue Daten produziert.
Wie haben sich die Anforderungen der Konstrukteure an die dynamisch-mechanische Analyse neben dem erhöhten Bedarf an Messgenauigkeit sonst noch ausgewirkt?
Ingenieure, die Elastomere und Polymere in ihren Konstruktionen verwenden, müssen auch die Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften dieser Materialien kennen. Maschinen, die ausschließlich für die DMA bestimmt sind, sind jedoch nicht in der Lage, diese Art von Tests durchzuführen. Da Konstruktionsteams mehr als nur DMA-Daten von ihrer Prüfmaschine benötigen, ist der Bedarf an mehreren Systemen oder einem vielseitigeren Prüfsystem gestiegen.
Gibt es andere Einflüsse, die das DMA-Testen verändern?
Es ist ein Trend zu größeren Prüfkörpern zu beobachten, der durch mehrere Faktoren bedingt ist. Der erste Faktor ist der zunehmende Einsatz von Verbundwerkstoffen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Bauindustrie. Auch bei Verbundwerkstoffen und gefüllten Polymeren werden größere Proben benötigt, damit der Querschnitt der Materialien eine statistisch repräsentative Struktur aufweist. Schließlich können Messungen der viskoelastischen Eigenschaften empfindlich auf die Prüfkörpergröße reagieren, sodass es ideal ist, Materialproben zu testen, die der Endanwendungskomponente sehr ähnlich sind.
Wie hat sich der Trend zu größeren Prüfkörper auf die DMA-Prüfung ausgewirkt?
Die stärkste Auswirkung von größeren Prüfkörpern ist der Bedarf an größeren und leistungsfähigeren Maschinen. Die alten DMA-Maschinen waren nur in der Lage, eine Kraft von wenigen Pfund (~30 Newton) aufzubringen. Größere Prüfkörper können Hunderte, manchmal sogar Tausende von Newton an Kraft erfordern.
Welche Prognosen für die viskoelastische Einstufung und speziell für die DMA-Prüfung gibt es?
Sowohl der Bedarf an mehreren Prüfarten als auch der Trend zur Prüfung größerer Prüfkörper wird zu einer Zunahme von Mehrzweckmaschinen für viskoelastische Prüfungen führen – auch für DMA-Anwendungen. Doch nicht jedes Materialprüfsystem kann als DMA-System klassifiziert werden. Einige Maschinen, die als für DMA geeignet vermarktet werden, beschönigen die kritischen Genauigkeitsanforderungen und melden nur die Ergebnisse aus. Einige Hersteller fügen einfach Berechnungen zu einer Ermüdungsprüfmaschine hinzu und nennen sie dann eine DMA-Maschine. Normalerweise erfordern Mehrzweckmaschinen eine beträchtliche Anzahl von Kompromissen, aber einige – wie das Acumen-Prüfsystem von MTS – sind so ausgestattet, dass sie genaue Ergebnisse für DMA-, Monotonie- und Ermüdungstests liefern, was einem Prüflabor ein noch nie dagewesenes Maß an Vielseitigkeit bietet.
