Erfolgreiche Strukturtests für Komponenten mit hoher Festigkeit

In der experimentellen Spannungsanalyse haben sich Dehnungsmessstreifen (DMS) seit Jahrzehnten bewährt, vor allem in Lebensdaueruntersuchungen von kritischen Komponenten. Auswirkungen von realen oder auch simulierten Lasten auf Baugruppen oder Strukturen lassen sich mittels DMS-basierter Messketten hervorragend beurteilen.

Neue Materialien mit hoher Festigkeit wie Faserverbundwerkstoffe (Komposits) fordern den DMS als Messmittel sehr heraus, insbesondere wenn die Bauteile bis an ihre mechanische Leistungsgrenze hin ausgelegt werden. So kann es dazu kommen, dass der DMS im Dauerschwingen auf hohem Lastniveau früher ermüdet und ausfällt als die untersuchte Komponente.

Wechsellastfestigkeit

Die Resistenz einer mechanischen Komponente gegen Materialermüdung wird durch die Wechsellastfestigkeit beschrieben. Diese lässt sich durch die materialspezifische Wöhlerkurve beschreiben und grafisch darstellen.

Beim Wöhlerversuch wird eine Materialprobe zyklisch – meist sinusförmig – mit einer konstanten Amplitude belastet. Der Versuch läuft bis zum Materialversagen (z.B. Bruch). Wiederholt man diesen Versuch nun mit unterschiedlichen Amplituden und notiert jeweils die Zyklenzahl bis zum Materialversagen, so ergeben diese Punkte grafisch umgesetzt die Wöhlerkurve. Die Anzahl der Zyklen bis zum Materialversagen wird auf der x-Achse logarithmisch eingetragen, die zugehörige Amplitude als mechanische Spannung oder Dehnung auf der y-Achse.

In der folgenden Grafik 1 sind Wöhlerkurven verschiedener Werkstoffe zu sehen. Man sieht deutlich die höhere Wechsellastfestigkeit von Faserverbundwerkstoffen.

Wöhlerkurve eines DMS

Dehnungsmessstreifen selbst unterliegen der Materialermüdung und besitzen somit eine Wöhlerkurve. Diese wird durch die Materialien (insbesondere das Gittermaterial), das Layout und die Installation an sich beeinflusst. DMS mit auf Nickel-Chrom-Legierungen basierenden Messgittern zeigen eine höhere Wechsellastfestigkeit als typische DMS mit Konstantan-Messgittern.

Bei der Gestaltung eines Dehnungsmessstreifens sind zur Erhöhung der Wechsellastfestigkeit runde Geometrien den eckigen vorzuziehen. Zugentlastete Lötflächen vermeiden die Übertragung mechanischer Spannungen des angeschlossenen Kabels, die zu einem Bruch zwischen Lötfläche und Messgitter führen könnten. Entwickler von Dehnungsmessstreifen haben durch Erfahrungen aus komplexen Dauerschwingtests die geeignete Grundlage geschaffen. Die Installation selbst dagegen liegt in der Hand des Anwenders. Hier ist vor allem wichtig, dass dünne Klebeschichten erzielt werden und möglichst sparsam mit Lötzinn umgegangen wird. So bleiben die Lötstellen möglichst flexibel, Sollbruchstellen werden vermieden.

Bei der Ermittlung der Wöhlerkurve von DMS wird allerdings nicht bis zum vollständigen Versagen des DMS getestet, es wird ein Abbruchkriterium definiert. In der Regel gilt die Nullpunktverschiebung von mehr als 100 µm/m als Abbruchkriterium. Ein typischer Wert für die Dauerfestigkeit eines Standard-DMS mit Konstantan-Messgitter liegt bei 10⁷ Lastwechseln bei ±1400 µm/m. Das ist für metallische Materialien völlig ausreichend, nicht aber für hochfeste Faserverbundwerkstoffe, siehe Grafik 1.

Erhöhung der Wechsellastfestigkeit eines DMS

Die Folien-DMS der sogenannten M-Serie erfüllt die genannten Kriterien. Das Messgitter der M-Serie besteht aus einer speziellen Nickel-Chrom-Legierung, das Layout wurde auf optimale Wechsellastfestigkeit ausgelegt. Die zugentlasteten Lötflächen sind das optimale Ergebnis vieler Versuche mit systematischen Verbesserungen. Hochfeste Materialien können so getestet werden. Die folgende Grafik zeigt den direkten Vergleich zwischen der neuen M-Serie und einen Universal-DMS¹(z.B. Y-Serie von HBM).

Extreme Wechsellastfestigkeit mit optischer Messtechnik

Möchte man die Wechsellastfestigkeit weiter erhöhen und damit die Wöhlerkurve nach oben schieben, kann kein metallischer Dehnungsmessstreifen mehr eingesetzt werden. Dann bietet sich als Alternative die optische Messtechnik basierend auf der Faser-Bragg-Technologie (FBG) an. Diese Technologie beruht auf der Einbringung eines Bragg-Gitters in eine optische Faser. Das Gitter reflektiert eine spezifische Wellenlänge im optischen Spektrum. Diese Wellenlänge hängt unter anderem von der Dehnung ab. Somit lassen sich optische Dehnungsmessstreifen herstellen.

Die Glasfaser hat isotrope mechanische Eigenschaften und kennt somit im eigentlichen Sinne keine Materialermüdung, wie sie bei metallischen Werkstoffen typisch ist. Somit kann die Glasfaser in Wechsellast bis zur Bruchgrenze von ca. 30.000 µm/m belastet werden. In Dauerschwingversuchen wurden bereits Tests bei ±5.000 µm/m bis 10⁷ Lastwechsel ohne Ausfall erreicht².

Optische Fasern lassen sich auch einbetten und kommen neben der beschriebenen Anwendung bei extremen zyklischen Hochdehnungen auch in Bereichen zum Einsatz, in denen elektrische DMS prinzipiell nicht verwendet werden können. Zum Beispiel bei sehr hohen elektromagnetischen Feldern (Transformatoren, Hochspannungsschalter etc.).

Moderne Materialien wie Faserverbundwerkstoffe stellen bei der Lebensdaueruntersuchung also hohe Forderungen an die Wechsellastfestigkeit der Messtechnik. Durch geeignete Maßnahmen konnte HBM beispielsweise mit der neuen M-Serie die Wechsellastfestigkeit des DMS erhöhen, sodass diese in den meisten Messungen verwendet werden kann. Die optische Messtechnik bietet darüber hinaus bei extremen Wechsellasten das geeignete Werkzeug.

¹Konstantan-Messgitter auf Polyimid-Träger

²Gemessen mit dem optischen DMS „K-OL“ von HBM

Über den Autor

Jens Boersch arbeitet seit 14 Jahren als Produktmanager bei HBM. Er hat sich mit nahezu allen Produkten, darunter insbesondere Dehnungsmessstreifen, Verstärkersysteme und Datenerfassungssoftware, in der Welt der Messtechnik von HBM befasst. Sein Arbeitsplatz ist in Darmstadt.