Der maßgebliche Leitfaden zu ISO 178

So wird ein Prüfverfahren an Kunststoffen nach ISO 178 durchgeführt

Verfasser Daniel Caesar

 ISO 178 Titelzeile

Kunststoffe haben sich aufgrund von niedrigen Kosten und Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und allgemeiner Vielseitigkeit eine bedeutende Präsenz in vielen Branchen geschaffen. Es ist wichtig, die Materialeigenschaften von Kunststoffen zu bestimmen, um ihr zu erwartendes Verhalten in realen Anwendungen zu charakterisieren. Eine bedeutende Eigenschaft ist die Beziehung zwischen Belastung und Dehnung, während eine Kunststoffprobe gebogen oder gekrümmt wird, d. h. die Biegeeigenschaft Die „International Organization for Standardization“ (ISO) entwickelte die ISO 178, um ein international genormtes Prüfverfahren zur Bestimmung dieser Eigenschaft festzulegen.

Mit dieser Anleitung sollen Sie in die grundlegenden Elemente eines ISO-178-Biegeprüfverfahrens eingeführt werden und eine Übersicht über erforderliche Prüfgeräte, Proben und Ergebnisse im Rahmen der Norm erhalten. Beim Planen von Prüfungen nach ISO 178 darf jedoch diese Anleitung nicht als gleichwertiger Ersatz für das Lesen der vollständigen Norm betrachtet werden.

Was wird gemessen?

Bei der ISO 178 handelt es sich um ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Biegeeigenschaften von steifen und halbsteifen Kunststoffen mittels einer Dreipunkt-Biegeprüfung auf einem Universalprüfsystem. Bei einem Dreipunkt-Prüfverfahren wird Kraft auf eine rechteckige, an beiden Enden auf Stützpunkte aufgelegte Probe aufgebracht. Die aufgebracht Kraft wird mittels einer Wägezelle gemessen und die verursachte Verformung wird entweder durch die Traversenverschiebung des Systems (mit Korrektur der Ergebnisse für Systemkonformität) oder mit einem direkten Dehnungsmessgerät gemessen. ISO 178 beschreibt vier Testtypen. In jedem wird eine Verformungs-Messmethode (d. h. Traverse oder direkter Dehnungsaufnehmer) sowie eine zugehörige Genauigkeitsvorgabe angegeben.

Die Art des ISO-178-Prüfverfahrens, die ein Labor durchführt, wird letztendlich von den Anforderungen seiner Kunden abhängen, ob es sich um interne F&E-Labore oder um unabhängige Labore handelt. Es ist wichtig, dass Sie die spezifischen Anforderungen Ihres Labors bestimmen und mit Ihren Kunden absprechen, bevor Sie Prüfgeräte erwerben und Prüfverfahren ausführen.

Ist ISO 178 die richtige Norm für Sie?

ISO 178 ist der ASTM D790 sehr ähnlich, mit einigen bedeutenden Unterschieden:

  • ISO 178 erfordert den Einsatz entweder eines Deflektometers oder einer Konformitätsberichtigung zur Bestimmung des Moduls. Für ASTM D790 kann das Modul durch Traversenverschiebung allein berechnet werden.
  • Die bevorzugten Probengrößen sind unterschiedlich, und da die Prüfgeschwindigkeit von der Probentiefe abhängt, können die Prüfgeschwindigkeiten der Normen voneinander abweichen. Die empfohlene Tiefe von ISO 178-Proben ist 4 mm, während die empfohlene Tiefe von ASTM D790-Proben 3,2 mm ist.
  • Für ASTM D790 ist nur eine Prüfgeschwindigkeit zulässig, während ISO 178 nach der Messung des Moduls eine zweite (schnellere) Prüfgeschwindigkeit erlaubt.

Proben

Proben für ISO 178 werden entweder gemäß ISO 2818 aus Platten oder nach ISO 293/295 bzw. ISO 294-1/10724-1 durch Formpressen oder Spritzguss hergestellt Bevorzugte Probenabessungen:

  • Länge: 80 mm (± 2)
  • Breite: 10 mm (± 0,2)
  • Stärke: 4 mm (± 0,2)

Wenn diese bevorzugten Abmessungen nicht erreichbar sind, lässt ISO 178 alternative Breiten zu, abhängig von der Probenstärke. Bei anisotropen Materialien sind diese in beiden Richtungen zu prüfen.

Verfahren

Aufgrund der relativ niedrigen Kraftanforderungen wird das Prüfen nach ISO 178 gewöhnlich mit Tischmodellen von Universalprüfmaschinen durchgeführt. Die Prüfmaschine muss in der Lage sein, eine konstante Geschwindigkeit zwischen 1 mm/min und 500 mm/min innerhalb der in der Norm vorgegebenen Toleranzen einzuhalten. Alle Modelle der Instron Prüfgeräte Serien 3400 und 6800 erfüllen die Genauigkeitsanforderungen. Das Kraftmessinstrument, oder Wägezelle, muss die Anforderungen der Klasse 1 der ISO 7500-1 über den aufzuzeichnenden Kräftebereich erfüllen. Ihr Labor muss unbedingt die Mindest- und Höchstkräfte für die Prüfverfahren kennen, damit die Wägezellen mit entsprechenden Kraftkapazitäten und Verifikationsbereichen ausgewählt werden können.

ISO 178 Prüfeinrichtung

ISO 178 Prüfeinrichtung

1. Instron 6800

2. Bluehill Universal Dashboard (2490-696)

3. Serie 2580 Wägezelle

4. 3-Punkt Biegeprüfvorrichtung (2810-400)

5. Deflektometer-Kolben (2810-403)

 

Extensometer

 

Dehnungsmessung

1. Berührungsloses Video-Extensometer AVE 2

2. Automatisches Extensometer AUTOX750

3. Serie 2630 Aufsteck-Extensometer

 

ISO 178 lässt die Verwendung unterschiedlicher Verformungs-Messsysteme zu, abhängig von den gewünschten Ergebnissen und deren zugehörigen Genauigkeiten. Von der geringsten bis zur höchsten Genauigkeit sind die zulässigen Arten von Verformungsmessung Traversenverschiebung, Traversenverschiebung mit Konformitätsberichtigung und die Verwendung eines Dehnungsmessgeräts. Vor der Aktualisierung von ISO 178 2010 durften Fehler in Verformungsmessgenauigkeit nicht größer als 1 % des Wertes sein. Seit der 2010-Aktualisierung muss jedoch ein Klasse-1-Deflektometer gem. ISO 9513 bzw. Software verwendet werden, das/die fähig ist, Maschinenkonformität aus den Ergebnissen zu entfernen.

Welche Verformungsgenauigkeit Ihr Labor auch benötigen mag, Instron hat die Lösung dafür. Alle Prüfrahmen der Serien 3400 und 6800 mit Bluehill® Universal Software können Verformung von der Traverse mit oder ohne Konformitätsberichtigung messen. Instron bietet auch eine Reihe von Systemen für die direkte Dehnungsmessung an. Eine oft verwendete Lösung ist ein Aufsteck-Extensometer, das an einem Kolben oder Deflektometer befestigt ist. Die höchstentwickelten Lösungen mit dem größten Durchsatz sind das AutoX750 und das Advanced Video Extensometer (AVE2).

Ähnlich der Wägezelle des Systems muss das Verformungsmessgerät auch über den betriebenen Bereich der berichteten Ergebnisse geprüft werden. Insbesondere das Biegemodul wird in außergewöhnlich geringen Verformungen berechnet (unter 0,1 mm). Für eine ordnungsgemäße Unterweisung des Prüfdienstleisters ist es hilfreich, die Mindest- und Höchstverlagerungen der Prüfung festzustellen.

ISO 178 Extensometer

Vorrichtungen

Zum Prüfen gemäß ISO 178 ist eine Dreipunkt-Biegevorrichtung erforderlich. Diese Vorrichtung besteht aus einem oberen, an der beweglichen Traverse angebrachten Lastpunkt, und einem festen, unteren Stützträger mit zwei einstellbaren Stützpunkten. Die 2810-400 Biegevorrichtung ist vollständig konform mit den Anforderungen für die Vorrichtung und lässt sich anpassen zum Gebrauch mit den Stützpunkten mit dem 2,0-mm-Radius für Prüfproben mit einer Dicke bis zu 3,0 mm, oder dem 5,0-mm-Radius für dickere Proben. Die Spannstützen-Anforderung basiert auf einem Verhältnis der Probendicke, die abhängig von der Starrheit des geprüften Materials variiert. Mit den einstellbaren Stützpunkten kann der Bediener den Abstand der Stützspanne einstellen. Die abgestuften Längenmarkierungen auf dem Stützträger ermöglichen genaues Positionieren der Stützpunkte. Dies erleichtert auch das Zentrieren des Deflektometers bei der Verwendung von Dehnungsmessern. Da die Ausrichtung der Proben zu bedeutenden Abweichungen der Ergebnisse führen kann, muss mit gebührender Umsicht vorgegangen werden, damit die Proben für jeden Test beständig ausgerichtet sind. Instron Biegevorrichtungen werden auch mit Ausrichtungsarmen geliefert, die auf die Breite der Probe eingestellt werden können.

2810-400
5-kN-Modell | 2810-400

Probenmessung

Die ISO 178 verlangt, dass Breiten- und Dickenmessungen gemäß ISO 16012 am Mittelpunkt der Probenlänge gemessen werden. Mindestens drei Messungen sind vorzunehmen, und der Mittelwert für Breite und Dicke wird aufgezeichnet. Mit der Funktion Automatic Specimen Measuring Device (Automatisches Probenmessgerät, ASMD) in Bluehill Universal kann der Bediener bis zu zwei Mikrometer oder Messgeräte an den Computer anschließen und den Mittelwert der Messungen direkt in das Programm eingeben lassen. Damit werden Eingabefehler minimiert und die Effizienz wird erhöht.

Prüfmethode

Die Spanne der Dreipunk-Biegevorrichtung (Abstand zwischen unteren Stützpunkten) wird als Funktion der Probendicke konfiguriert. Die Umgebungsbedingungen bei der Prüfung, niedrige oder hohe Temperatur zum Beispiel, sind abhängig von dem getesteten Material und sollten zwischen Labor und Kunden abgesprochen werden. ISO 291 enthält diesbezügliche Anleitungen, sollten diese Informationen fehlen. Instron bietet komplett integrierte Klimakammern für Nicht-Umgebungsprüfung an.

ISO 178 spezifiziert Methode A und Methode B zur Einstellung der Traversen-Geschwindigkeit Bei Methode A wird während der gesamten Prüfung eine gleichbleibende Geschwindigkeit verwendet, während Methode B eine Geschwindigkeit während der ausgänglichen Modulregion und eine zweite, höhere Geschwindigkeit für den Rest der Prüfung verwendet wird. Die konstanten Traversengeschwindigkeiten sollen zur Schätzung von spezifizierten Dehnungsraten verwendet werden. Nach einem Vorlade-Verfahren wird die Prüfprobe bis zum Versagen oder bis zu 5 % Biegedehnung verformt, je nachdem, was zuerst eintritt. Kraft- und Verformungsdaten werden während der Prüfung mit einer ausreichenden Datenerfassungsrate aufgezeichnet.

Bei Aufbau der Prüfung wird eine ausreichende Vorlast sehr empfohlen, um genaue und beständige Dehnungsmessungen sicherzustellen. Die Kraft, die vor Beginn der Prüfung an die Probe angelegt wird, hat eine direkte Auswirkung auf die Wiederholbarkeit der Berechnungen.

ISO 178 Prüfeinrichtung

ISO 178 Prüfeinrichtung

1. Instron 3400

2. Bluehill Universal Dashboard (2490-696)

3. Wägezelle Serie 2530

4. 3-Punkt Biegeprüfvorrichtung (2810-400)

5. Deflektometer-Kolben (2810-403)

 

Ergebnisse

Unten finden Sie eine Liste von Berechnungen und Ergebnissen, die für ISO 178 aufgezeichnet werden können.

  • Biegespannung: Funktion der angelegten Last, Spanne, Probenbreite und Probendicke. Dies unterscheidet sich von Zugspannung oder Druckspannung, die in Kraft pro Flächeneinheit ausgedrückt wird.
  • Biegedehnung: Funktion aus Verformung, Spanne und Probendicke Dies unterscheidet sich von Zugdehnung oder Druckdehnung, d. h. die Änderung in Messlänge gegenüber der ursprünglichen Messlänge.
  • Biegemodul: Funktion von Biegespannung und Biegedehnung zwischen 0,05 % und 0,25 % der Biegedehnung. Ein Sehnenmodul kann an diesen Punkten einer Biegespannungs-/Biegedehnungskurve gepasst werden.
  • Biegefestigkeit: Die höchste Biegespannung, die bei einer Biegeprüfung erreicht wird.
  • Biegespannung beim Versagen: Biegespannung zum Zeitpunkt des Probenversagens. Bei manchen Materialien bricht die Probe, bevor eine Streckgrenze erreicht wird. In einem solchen Fall wäre die Biegefestigkeit gleich der Biegespannung am Bruchpunkt.
  • Biegespannung bei 5 % Biegedehnung: Die Biegespannung am Ende einer Prüfung bei Prüfungsverfahren, wenn die Probe nicht innerhalb 5 % Biegedehnung versagt.

Durchsatz

Für Labore, die ihren Durchsatz erhöhen wollen, kann ihr System-Setup auf mehrere Arten modifiziert werden. Die Prüfeffizienz kann mit automatischen Probenmessgeräten und Probenausrichtungsgeräten erhöht werden, da die manuellen Eingaben seitens des Bedieners verringert werden. Vollautomatische Prüfsysteme wie das AT3 und das AT6 von Instron sind auch verfügbar und integrieren Probenabmessungen, Probenladen, Prüfen, Dehnungsmessung und Probenentnahme. Diese Systeme können stundenlang ohne Bedienereingriff laufen. Zusätzlich tragen dieses Systeme dazu bei, Variabilität aufgrund von menschlichen Fehlern zu verringern.

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