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Der ultimative Leitfaden zur ISO 178

So führen Sie eine Biegeprüfung an Kunststoffen nach ISO 178 durch
Verfasst von Daniel Caesar

ISO 178 Header

Aufgrund ihrer geringen Kosten, ihres geringen Gewichts, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer allgemeinen Vielseitigkeit haben Kunststoffe in vielen verschiedenen Branchen eine bedeutende Präsenz erlangt. Es ist wichtig, die Materialeigenschaften von Kunststoffen zu bestimmen, um ihr erwartetes Verhalten in realen Anwendungen zu charakterisieren. Eine wichtige Eigenschaft ist die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung, während eine Kunststoffprobe gebogen oder ausgelenkt wird: mit anderen Worten, die Biegeeigenschaften des Materials. Um ein international standardisiertes Verfahren zur Bestimmung dieser Eigenschaft zu regeln, hat die Internationale Organisation für Normung (ISO) die ISO 178 entwickelt.

Dieser Leitfaden soll Sie in die grundlegenden Elemente einer Biegeprüfung nach ISO 178 einführen und bietet einen Überblick über die Prüfausrüstung, die Proben und die Ergebnisse, die mit der Norm verbunden sind. Wer jedoch beabsichtigt, Prüfungen konform zur ISO 178 durchzuführen, sollte diesen Leitfaden nicht als angemessenen Ersatz für die Lektüre der vollständigen Norm betrachten.

Was wird gemessen?

ISO 178 ist ein Prüfverfahren zur Bestimmung der Biegeeigenschaften von starren und halbstarren Kunststoffen durch Durchführung eines Drei-Punkt-Biegeversuchs auf einem Universalprüfsystem. Bei einem Drei-Punkt-Biegeversuch wird die Kraft in der Mitte einer rechteckigen Probe aufgebracht, die an beiden Enden frei aufliegt. Die aufgebrachte Kraft wird von einer Kraftmessdose gemessen, und die resultierende Durchbiegung wird entweder über den Traversenweg des Systems (mit Ergebnissen, die um die Systemnachgiebigkeit korrigiert wurden) oder über ein direktes Dehnungsmessgerät gemessen. In der ISO 178 sind vier Prüfarten aufgeführt, die jeweils ein Verfahren zur Durchbiegungsmessung (d. h. über die Traverse oder einen direkten Dehnungsaufnehmer) und eine damit verbundene Anforderung an die Kalibriergenauigkeit festlegen.

Welche Art von ISO 178-Prüfung ein Labor durchführt, wird durch die Anforderungen seiner Kunden vorgeschrieben, seien es interne Kunden, wie ein F&E-Labor, oder externe, wie ein unabhängiges Prüflabor. Es ist wichtig sicherzustellen, dass die spezifischen Anforderungen für Ihr Labor identifiziert und mit Ihren Kunden vereinbart werden, bevor Sie Prüfgeräte erwerben und Prüfungen durchführen.

Ist ISO 178 die richtige Norm für Sie?

ISO 178 ist der ASTM D790 sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch in mehreren wichtigen Punkten:

ISO 178 erfordert zur Bestimmung des Moduls entweder die Verwendung eines Deflektometers oder eine Nachgiebigkeitskorrektur. ASTM D790 erlaubt die Berechnung des Moduls allein über den Traversenweg.
Die bevorzugten Probengrößen sind unterschiedlich, und da die Prüfgeschwindigkeit von der Probendicke abhängt, können die Prüfgeschwindigkeiten zwischen den Normen variieren. Die bevorzugte Dicke für ISO 178-Proben beträgt 4 mm, während die bevorzugte Dicke für ASTM D790-Proben 3,2 mm beträgt.
ASTM D790 erlaubt nur eine Prüfgeschwindigkeit, während ISO 178 eine zweite (schnellere) Prüfgeschwindigkeit erlaubt, die nach der Messung des Moduls verwendet werden kann.

Exemplare

ISO 178-Proben werden entweder gemäß ISO 2818 aus Platten mechanisch bearbeitet oder durch Formpressen oder Spritzgießen gemäß ISO 293/295 bzw. ISO 294-1/10724-1 hergestellt. Die bevorzugten Probenabmessungen sind wie folgt spezifiziert:

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

Falls die bevorzugten Abmessungen nicht realisierbar sind, bietet ISO 178 alternative Breiten in Abhängigkeit von der Probendicke an. Wenn das Material anisotrop ist, müssen beide Richtungen geprüft werden.

Verfahren

Prüfungen nach ISO 178 werden aufgrund der relativ geringen Anforderungen an die Kraftkapazität in der Regel auf Tisch-Universalprüfsystemen durchgeführt. Die Prüfmaschine muss in der Lage sein, eine konstante Prüfgeschwindigkeit zwischen 1 und 500 mm/min innerhalb der in der Norm festgelegten Toleranzen einzuhalten. Alle Modelle der Prüfmaschinen der Serie 3400 und Serie 6800 von Instron erfüllen die erforderlichen Anforderungen an die Geschwindigkeitsgenauigkeit. Das Kraftmessgerät, oder die Kraftmessdose, muss über den Bereich der zu meldenden Kräfte die Klasse 1 nach ISO 7500-1 erfüllen. Es ist wichtig sicherzustellen, dass Ihr Labor die minimalen und maximalen Prüfkräfte kennt, damit eine Kraftmessdose mit einer geeigneten Kraftkapazität und einem entsprechenden Verifizierungsbereich ausgewählt wird.

ISO 178 Prüfaufbau

ISO 178 Prüfaufbau
6800 Series Universal Testing System
Bluehill Universal Software
2580er Serie Wägezelle
3-Punkt-Biegevorrichtung (2810-400)
Deflektometer-Taststift (2810-403)

Dehnungsmessung

Dehnungsmessung
Berührungsloser AVE2-Extensometer
Automatischer AUTOX750-Extensometer
2630 Series Clip-On-Extensometer

ISO 178 erlaubt die Verwendung verschiedener Durchbiegungsmesssysteme in Abhängigkeit von den gewünschten Ergebnissen und deren zugehörigen Genauigkeiten. Von der geringsten bis zur höchsten Genauigkeit sind folgende Arten der Durchbiegungsmessung zulässig: Traversenweg, Traversenweg mit Nachgiebigkeitskorrektur und die Verwendung eines direkten Dehnungsmessgeräts. Vor der Aktualisierung der ISO 178 im Jahr 2010 durften die Fehler in der Genauigkeit der Durchbiegungsmessung 1 % des Wertes nicht überschreiten. Seit der Aktualisierung 2010 müssen Bediener jedoch ein Deflektometer der Klasse 1 gemäß ISO 9513 verwenden oder eine Software einsetzen, die in der Lage ist, die Maschinennachgiebigkeit aus den Ergebnissen zu eliminieren.

Welche Durchbiegungsgenauigkeit Ihr Labor auch benötigt, Instron hat eine Lösung dafür. Alle Prüfrahmen der Serien 3400 und 6800, die mit der Software Bluehill® Universal ausgestattet sind, können die Durchbiegung über die Traverse mit oder ohne Nachgiebigkeitskorrektur messen. Instron bietet zudem eine Reihe von Lösungen für die direkte Dehnungsmessung an. Eine gängige Lösung ist ein an einem Taststift montiertes Anklemm-Extensometer oder Deflektometer. Zu den fortschrittlichsten Lösungen mit dem höchsten Durchsatz gehören der AutoX750 und der Advanced Video Extensometer (AVE3).

Ähnlich wie die Kraftmessdose des Systems muss auch das Durchbiegungsmessgerät über den Betriebsbereich der gemeldeten Ergebnisse verifiziert werden. Insbesondere der Biegemodul wird bei außergewöhnlich kleinen Durchbiegungen (unter 0,1 mm) berechnet. Es ist hilfreich, die minimalen und maximalen Verschiebungen der Prüfung zu identifizieren, um den Verifizierungsdienstleister entsprechend anweisen zu können.

ISO 178 Extensometer

Spannvorrichtungen

Für Prüfungen nach ISO 178 ist eine Drei-Punkt-Biegevorrichtung erforderlich. Diese Vorrichtung besteht aus einer belastenden, oberen Druckfinne, die an der beweglichen Traverse montiert ist, und einem festen, unteren Auflagerträger mit zwei verstellbaren Auflagern. Die Biegevorrichtung 2810-400 von Instron entspricht vollständig den Anforderungen an die Vorrichtung und ist für die Verwendung mit Auflagern mit einem Radius von 2,0 mm für Proben bis zu einer Dicke von 3,0 mm oder Auflagern mit einem Radius von 5,0 mm für dickere Proben anpassbar. Die Anforderung an die Stützweite basiert auf einem Verhältnis zur Probendicke, das je nach Steifigkeit des zu prüfenden Materials variiert. Die verstellbaren Auflager ermöglichen es dem Bediener, den Abstand der Stützweite einzustellen, und verfügen über graduierte Längeneinheiten auf dem Auflagerträger, um eine genaue Positionierung der Auflager zu ermöglichen. Sie ermöglicht zudem eine einfache Zentrierung des Deflektometers bei Verwendung von Dehnungsgeräten. Da die Probenorientierung erhebliche Abweichungen bei den Ergebnissen verursachen kann, sollte sorgfältig darauf geachtet werden, dass die Proben bei jeder Prüfung konsistent ausgerichtet sind. Biegevorrichtungen von Instron sind zudem mit Ausrichtarmen ausgestattet, die auf die Breite der Probe eingestellt werden können.

5 kN Modell | 2810-400

Probenmessung

ISO 178 verlangt, dass Breiten- und Dickenmessungen in der Mitte der Probenlänge gemäß ISO 16012 vorgenommen werden. Es werden mindestens drei Messungen durchgeführt und deren Mittelwert sowohl für die Breite als auch für die Dicke aufgezeichnet. Die Funktion Automatisches Probenmessgerät (ASMD) in Bluehill Universal von Instron ermöglicht es Bedienern, bis zu zwei Mikrometer oder Messgeräte an den Computer anzuschließen und den Mittelwert der Messungen direkt in die Software zu übertragen. Dies eliminiert das Risiko von Eingabefehlern durch den Bediener und erhöht die Effizienz.

Prüfmethode

Die Stützweite der Drei-Punkt-Biegevorrichtung (Abstand zwischen den unteren Auflagern) wird als Funktion der Probendicke konfiguriert. Die Umgebungsbedingungen der Prüfung – zum Beispiel niedrige oder hohe Temperaturen – hängen vom zu prüfenden Material ab und sollten zwischen dem Labor und seinem Kunden vereinbart werden. ISO 291 bietet Orientierungshilfe, falls diese Informationen fehlen. Instron bietet voll integrierte Temperaturkammern für Prüfungen außerhalb der Umgebungstemperatur an.

ISO 178 legt Verfahren A und Verfahren B zur Einstellung der Traversengeschwindigkeit fest. Verfahren A verwendet eine einzige Geschwindigkeit während der gesamten Prüfung, während Verfahren B eine Geschwindigkeit während des anfänglichen Modulbereichs und eine zweite, höhere Geschwindigkeit für den Rest der Prüfung verwendet. Die verwendeten konstanten Traversengeschwindigkeiten dienen dazu, spezifizierte Dehnraten abzuschätzen. Nach einer Vorlastroutine wird die Prüfprobe bis zum Bruch oder bis zu einer Biegedehnung von 5 % durchgebogen, je nachdem, was zuerst eintritt. Kraft- und Durchbiegungsdaten werden während der gesamten Prüfung mit einer ausreichenden Datenerfassungsrate aufgezeichnet.

Bei der Einrichtung der Prüfung wird eine angemessene Vorlast dringend empfohlen, um genaue und konsistente Dehnungsmessungen zu gewährleisten. Die Kraft, die vor Beginn der Prüfung auf die Probe ausgeübt wird, hat direkten Einfluss auf die Wiederholbarkeit der Berechnungen.

ISO 178 Aufbau auf einem Materialprüfsystem

ISO 178 Prüfaufbau
Universalprüfsystem der Serie 3400
Bluehill Universal Software
2530 Series Kraftaufnehmer
3-Punkt-Biegevorrichtung (2810-400)

Ergebnisse

Nachfolgend finden Sie eine Liste der Berechnungen und Ergebnisse, die für ISO 178 gemeldet werden können:

Biegespannung – Eine Funktion der aufgebrachten Last, der Stützweite, der Probenbreite und der Probendicke. Diese unterscheidet sich von der Zug- oder Druckspannung, die Kraft pro Flächeneinheit ist.
Biegedehnung – Eine Funktion der Durchbiegung, der Stützweite und der Probendicke. Diese unterscheidet sich von der Zug- oder Druckdehnung, welche die Änderung der Messlänge gegenüber der ursprünglichen Messlänge darstellt.
Biegemodul – Eine Funktion der Biegespannung und der Biegedehnung zwischen 0,05 % und 0,25 % Biegedehnung. An diesen Punkten einer Biegespannungs-Biegedehnungs-Kurve kann ein Sekantenmodul angelegt werden.
Biegefestigkeit – Die maximale Biegespannung, die während eines Biegeversuchs erreicht wird.
Biegespannung beim Bruch – Die Biegespannung, wenn eine Probe bricht. Bei einigen Materialien bricht die Probe vor einem Fließpunkt; in diesem Fall entspricht die Biegefestigkeit der Biegespannung beim Bruch.
Biegespannung bei 5 % Biegedehnung – Die Biegespannung am Ende einer Prüfung, bei Prüfungen, bei denen die Probe nicht innerhalb von 5 % Biegedehnung bricht.

DURCHSATZ

Für Labore, die ihren Durchsatz erhöhen möchten, können mehrere Modifikationen am Systemaufbau vorgenommen werden. Automatische Probenmessgeräte und Probenzentriervorrichtungen erhöhen beide die Prüfeffizienz, indem sie den Umfang der manuellen Eingaben durch den Bediener reduzieren. Vollautomatische Prüfsysteme wie AT3 und AT6 von Instron sind ebenfalls erhältlich und darauf ausgelegt, Probenmessung, Probenbeladung, Prüfung und Entnahme zu integrieren. Diese Systeme können stundenlang ohne Interaktion des Bedieners laufen. Darüber hinaus helfen diese Systeme, die Variabilität aufgrund menschlicher Fehler zu reduzieren.

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