Experimentelle Eigenspannungsanalyse mit der Bohrlochmethode an plastischen Werkstoffen

Dieser Artikel beschreibt die Anwendung eines automatischen Bohrloch-Eigenspannungsmesssystems für Polymerformteile. Für das MTS3000, ein automatisches Messsystem, das im Wesentlichen aus einem Elektromotor mit sehr niedriger Drehzahl und einem elektronischen Steuersystem besteht, wurde ein Zubehör entwickelt.

1. Einleitung

In den letzten fünfzig Jahren hat sich die Kunststoffindustrie stark entwickelt und die Stahlindustrie auch bei den technischen Anwendungen überholt. Dies hat dazu geführt, dass neue synthetische Stoffe nach und nach die traditionellen Materialien ersetzen und dass Strukturen, ergonomische Formen und Produktionsprozesse formal überdacht werden. Der Grund für die weite Verbreitung dieser Materialien ist im Wesentlichen die Tatsache, dass sie billig, leicht und einfach zu bearbeiten sind und es möglich ist, die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu gestalten. Daher ist eine immer genauere und tiefgreifendere mechanische Charakterisierung erforderlich. In diesem Zusammenhang entsteht die Notwendigkeit, den Wertder durch Bearbeitungsprozesse in diesen Materialien induziertenEigenspannungen zu kennen und zu untersuchen. Auch das Fließen der Polymerschmelze, die Druckverteilung, das ungleichmäßige Temperaturfeld und die Dichteverteilung verursachen Eigenspannungen in Polymerspritzgussteilen. Diese Spannungen beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffteile, können die endgültige Form verändern und die Lebenserwartung des Produkts erheblich verkürzen sowie die Wahrscheinlichkeit von Dimensionsinstabilität und Spannungsrissen in der Umgebung erhöhen. Obwohl Eigenspannungen in Kunststoffen häufig vorkommen, kann ihr Ausmaß schwer vorhergesagt werden, da es von einer Vielzahl von Variablen abhängt, einschließlich der Konstruktion der Form, des Materials und der Verarbeitungsparameter. Daher ist es wichtig, über eine zuverlässige Technik zu verfügen, um die in Kunststoffkomponenten vorhandenen Spannungen zu bewerten. Mit der Bohrloch-Dehnungsmessstreifen-Methode kann die Eigenspannung in einer Vielzahl von Kunststoff-Formteilen gemessen werden. Es hat den Vorteil, dass die Messungen auf einer kleineren Fläche durchgeführt werden können. Eine spezielle wird auf die Oberfläche der Probe geklebt und ein Loch wird genau durch die Mitte der Rosette gebohrt. Die an der Oberfläche gemessenen Dehnungen entsprechen den Spannungen , die während des Bohrvorgangs abgebaut werden. Mit Hilfe der gemessenen Dehnungen und geeigneter Modelle (z.B. ASTM E837) ist es möglich, die Spannungen entlang der beiden Hauptachsen und deren Richtung zu berechnen.

2. Messsystem

Fig 1.: a) modified MTS3000 system for measurement of residual stresses in plastic materials

b) specially designed drilling tool

c) drill with 2 cutting edges

Der mechanische Aufbau des Bohrsystems ist in Abbildung 1a dargestellt. Es basiert auf dem konsolidierten System Restan - MTS 3000, das von SINT Technology entwickelt und in Zusammenarbeit mit HBM vermarktet wird.

Abbildung 1b zeigt das speziell entwickelte Bohrwerkzeug, mit dem Löcher mit weniger als 200 U/min gebohrt werden können. Diese Geschwindigkeit minimiert die lokale Erwärmung und die Eigenspannungen, die in dem zu untersuchenden Material entstehen. Das Schneidewerkzeug ist in Abbildung 1c dargestellt. Es handelt sich um einen Spiralbohrer mit zwei senkrecht zur Vorschubrichtung stehenden Schneiden und einem Durchmesser von 1,6 mm, der bei mäßigem Vorschub Löcher mit flachem Boden erzeugt.

Das Bohrsystem wird von der elektronischen Steuerung und der Bohrkontrollsoftware angetrieben und automatisch gesteuert, so dass der Bohrvorgang vollständig automatisiert ist. Das gesamte Messgerät kann aus der Ferne bedient werden: Diese Option ist ratsam, da sie es ermöglicht, die äußeren Einflüsse des Bedieners während des Messvorgangs zu minimieren.

Abbildung 2 zeigt eine dreiteilige Dehnungsmessstreifen-Rosette des vorverdrahteten Typs, der für die Tests vorzuziehen ist, da er nicht nur schneller zu installieren ist, sondern auch bedeutet, dass keine Wärme durch Schweißdrähte erzeugt wird.Die im Testbauteil vorhandenen Eigenspannungen werden ausgehend von den Dehnungswerten bestimmt, die von den Gittern der auf die Oberfläche des Bauteils geklebten Dehnungsmessstreifen gemessen werden.

Die erfassten Daten wurden mit einer speziellen Version der EVAL-Software von SINT Technology srl verarbeitet , die speziell für die Verarbeitung von Dehnungen in Kunststoffmaterialien entwickelt wurde. Diese Version wendet eine erste optimierte polynomiale Interpolation der gemessenen Dehnungen an. Die Dehnungsmessungen werden in Übereinstimmung mit den Bestimmungen der Norm ASTM E837 durchgeführt.

Abbildung 2 - Rosette: HBM K-RY61-1,5/120R-3 vorverdrahtet

3. Testverfahren

Im Folgenden werden die wichtigsten Arbeitsschritte beschrieben, die bei der Anwendung der Dehnungsmessstreifen-Methode mit Bohrungen auf Kunststoffmaterialien durchgeführt werden müssen.

Reinigen Sie die Oberfläche mit einem geeigneten Reinigungsmittel, um jeglichen Schmutz zu entfernen, der die Haftung der Dehnungsmessstreifen auf der Oberfläche des Polymers verhindern könnte.
Befestigen Sie die Dehnungsmessstreifen mit einem Klebstoff auf der Oberfläche des Polymers, der die Eigenschaften des Polymers nicht beeinträchtigt. Ein Cyanacrylat-Klebstoff ist für viele Anwendungen geeignet.
Verwenden Sie so weit wie möglich vorverdrahtete DMS-Rosetten. Sie eliminieren den Einfluss der Schweißerwärme auf die Verteilung der Eigenspannungen im Polymer. Sollte dies nicht möglich sein, ist es ratsam, eine Unterlage zu verwenden und die Schweißzeit zu minimieren.
Befestigen Sie das Bohrsystem an der Probe und stellen Sie sicher, dass die Bohrachse senkrecht zur Oberfläche steht.
Richten Sie das Fadenkreuz mit Hilfe eines optischen Mikroskops so aus, dass es sich genau in der Mitte der Rosette befindet.
Setzen Sie das Mikroskop wieder auf das Bohrwerkzeug und bohren Sie präzise durch die Mitte der Rosette.
Bringen Sie das Leiterband in einer bestimmten Dicke auf dem Dehnungsmessstreifen an und achten Sie darauf, dass Sie nicht alle Referenzmarkierungen verdecken.
Schieben Sie das Bohrwerkzeug vor, bis es die Oberfläche des Leiterbandes erreicht. Starten Sie das Messer erneut und schieben Sie es vor, bis es das Leiterband und das Trägermaterial der Rosette durchschneidet. Dieser Punkt entspricht der Frästiefe "Null".
Zeichnen Sie die Messwerte jedes Dehnungsmessstreifens auf, wenn der Fräser auf der Oberfläche liegt, nachdem Sie ausreichend Zeit gewartet haben, damit sich das Signal stabilisieren kann (Verzögerungszeit).
Stellen Sie die festgelegte Vorschubgeschwindigkeit, die maximale Tiefe, die Anzahl der Bohrschritte und die Verzögerungszeit im automatischen System ein . Die Löcher werden in der Regel in Tiefenschritten von ca. 0,05 mm in Übereinstimmung mit den Bestimmungen der Norm ASTM E837 angebracht.
Diedrei Dehnungsmessstreifen und die Bohrtiefe werden für jeden Bohrschrittaufgezeichnet.
Ersetzen Sie das Bohrsystem durch das Mikroskop und messen Sie den Lochdurchmesser und die Exzentrizität, indem Sie vier Translationen auf zwei senkrechten Achsen durchführen.

3.1 Surface preparation and bonding

The chemical affinity of each plastic material with the solvents and adhesives used in installation needs to be analyzed and taken into account. Unsuitable bonding agents can actually damage the strain gauge installation or even the component under analysis. A mechanical surface treatment method is advised for cleaning the surface. Purely by way of example, table 1 indicates the requirements for correctly installing a strain gauge on a plastic material.

3.2 Determining the contact depth (zero setting)

Determining the starting depth is a key aspect of a correct measurement of residual stresses with the hole-drilling method. This point is determined in metal materials by electrical contact. Totally automatically, the MTS3000 system stops the cutter when the drill reaches the surface of the component after cutting through the polyamide backing of the strain gauge rosette. Whereas the zero point in plastic materials cannot be determined simply by electrical contact as they do not allow electric conductivity. Nevertheless, some operations can be used to determine the “zero” point. Essentially, it is possible to operate either:

Determining “zero” depth manually, stopping the cutter when it begins to produce plastic cuttings (figure 3, left), or
Using a special aluminum adhesive tape so that “zero” depth is determined automatically. Once the “zero” point is determined, it is necessary to translate the system by a distance equal to the sum of the thicknesses of the strain gauge rosette and special aluminum tape. (figure 3, right).

Figure 3. Techniques for determining the initial drilling depth.

4. Bestimmung der Betriebsparameter

Die Messung von Eigenspannungen in Kunststoffmaterialien mit der Bohrlochmethode beinhaltet ganz andere Aspekte als die Anwendung der gleichen Methode auf Metallmaterialien. Bei plastischen Materialien ist der Elastizitätsmodul niedriger und daher sind die gemessenen Dehnungen bei gleicher Belastung viel höher. Außerdem reagiert das Material empfindlicher auf den Vorgang der Materialentnahme. Die Schnittgeschwindigkeit, die Vorschubgeschwindigkeit und die Verzögerungszeit bei der Erfassung der Dehnungswerte müssen entsprechend gewählt werden.

4.1 Drehgeschwindigkeit beim Bohren

Die Bohrgeschwindigkeit ist zweifellos einer der Parameter, die die Messung von Eigenspannungen in Kunststoffmaterialien mit der Bohrlochmethode am meisten beeinflussen. Das Hochgeschwindigkeitsbohren mit einer Luftturbine, das normalerweise zur Messung von Eigenspannungen in metallischen Werkstoffen verwendet wird, kann nicht eingesetzt werden, da die erzeugte Wärme das Kunststoffmaterial zum Schmelzen bringt und die Temperatur in den Bereichen, in denen die Dehnungsmessstreifen angebracht sind, erheblich erhöht.

Abbildung 4a zeigt beispielhaft ein Loch, das mit dem Hochgeschwindigkeits-Bohrsystem unter Verwendung einer Luftturbine in Kunststoffmaterial gebohrt wurde: Das Schmelzen des Kunststoffmaterials an den Seiten des Lochs ist deutlich zu erkennen. Eine Senkung des Druckluftdrucks und die daraus resultierende Verlangsamung der Luftturbine können diesen Effekt nur abmildern, aber sicher nicht beseitigen.

Die Schnittgeschwindigkeit muss daher sehr niedrig sein. In Abbildung 4b sehen Sie die Qualität einer Bohrung, die mit dem Niedriggeschwindigkeits-Bohrsystem (unter 200 U/min) hergestellt wurde, das für die Messung von Eigenspannungen in Kunststoffmaterialien entwickelt wurde.

Figure 4: a) hole made with a turbine fed with air compressed to a pressure of 4 bars

b) hole made with an electric motor at low speed

c) strain gauge during the drilling process

4.2 Feed rate

Since plastic materials are highly sensitive to mechanical stresses, various experimental drilling tests have been conducted to determine the optimal feed rate.

The test results have shown that the drilling tool has to be advanced more slowly in order to reduce the time of instability after drilling. Reducing the feed rate means increasing the time it takes to measure residual stresses: the right compromise between these two aspects has led to determining the optimal speed for drilling holes in plastic materials.

Table 2 shows the time necessary for drilling and the average stabilization time for each feed rate analyzed: the best compromise is achieved with a feed rate of 0.1 mm/min.

4.3 Wahl der Verzögerungszeit

Die Verzögerungszeiten dienen dazu, Dehnungsmessungen zu ermöglichen, wenn die Probe nach dem Bohren des Lochs wieder in einen Zustand des thermischen und mechanischen Gleichgewichts zurückkehrt. Tests haben gezeigt, dass das thermische Gleichgewicht, das durch den Bohrvorgang beeinflusst wird, mit nur wenigen Sekunden Verzögerung erreicht wird.

Um die Zeit zu ermitteln, die benötigt wird, um das mechanische Gleichgewicht des Bauteils zu erreichen, war es notwendig, den Trend der Dehnungen während der gesamten Bohrphase des Kunststoffs zu messen.

Mit Hilfe eines und der von HBM hergestellten war es daher möglich, den Trend der während des gesamten Bohrvorgangs gemessenen Dehnungen zu messen: Die in Abbildung 5 dargestellten Ergebnisse zeigen, dass das System während des Bohrvorgangs mechanisch instabil ist und dass ca. 90 Sekunden gewartet werden muss, bis das System wieder stabil ist. Mit einer ausreichenden Verzögerungszeit können für jedes Dehnungsmessstreifen-Gitter die üblichen Kurven zwischen Dehnung und Tiefe beobachtet werden. Die Kurven beziehen sich auf Tests mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm/min.

Die gleichen experimentellen Tests wurden auch beim Bohren von Metallmaterialien (Stahl und Aluminium) wiederholt: Die Ergebnisse zeigten das gleiche Verhalten des Systems, jedoch mit einer schnelleren Stabilisierungszeit (3-5 Sekunden). In den Abbildungen 6 und 7 können Sie die Dehnungstrends in einem Metallmaterial (Stahl) und einem Kunststoffmaterial (Polycarbonat) im Detail beobachten.

Figure 5. On the left, acquisition of strains in time. On the right, strains versus drilling depth.

4.4 Überprüfung der Temperaturschwankungen am Kunststoffteil

Sobald das Bohrsystem entworfen war, wurde die Temperatur an der Kunststoffkomponente (Polycarbonat) während des Bohrvorgangs gemessen. Dann wurde ein 2 mm tiefes Loch gebohrt und die Temperaturen auf der Probe wurden mit einem Thermoelement vom Typ K gemessen, das im gleichen Abstand vom Loch wie die Dehnungsmessstreifen-Gitter installiert war und gegenüber von Gitter 2 (oder B) positioniert war.

Abbildung 8 zeigt die Temperatur im Verhältnis zur Bohrlochtiefe. Als Verzögerungszeit zwischen den Bohrschritten wurden zwanzig Sekunden festgelegt. Für den Test wurde eine Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm/min (Standardgeschwindigkeit für Tests an metallischen Materialien wie Stahl) gewählt.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Bohrgerät keine übermäßige Erwärmung an den Dehnungsmessstreifen-Gittern erzeugt. Die maximale Temperaturschwankung wird am Ende des Bohrvorgangs gemessen und liegt unter 1° C.

Darüber hinaus wird während der Verzögerungszeit eine rasche Senkung der Temperatur der Komponente und eine Rückkehr zur Anfangstemperatur beobachtet. Nach 20 Sekunden erreicht die Temperatur die Ausgangswerte: die maximale Abweichung von der Ausgangstemperatur beträgt 0,24°C.

Figure 6. Strain trend during drilling on metal material.

Figure 7. Strain trend during drilling on plastic material.

Figure 8: On the left, measured temperature trends. On the right, maximum temperature variations measured for each interval.

5. Durchgeführte Tests und erzielte Ergebnisse

Eine Kunststoffkomponente eines elektrischen Haushaltsgeräts aus Polycarbonat wurde getestet. Für dieses Material wurde ein Elastizitätsmodul von 2650 MPa, eine Poissonzahl von 0,37 und eine Zugfestigkeit von 80 MPa angenommen.

Für das automatische Messsystem wurden die folgenden Testbedingungen festgelegt:

Maximale Tiefe: 2mm
Schritt Bohren: 0,05 mm
Anzahl der Bohrschritte: 40
Trend der Bohrstufe: linear
Vorschubgeschwindigkeit: 0,1 mm/min
Verzögerungszeit: 90 Sek.
Dehnungsmessstreifen-Rosette: HBM K-RY61-1,5/120R-3 vorverdrahtet, 3-Leiter-Anschluss
HBM Spider 8.30 DMS-Messverstärker

Es wurden drei Messpunkte eingerichtet. Die Positionen sind in Abbildung 9 dargestellt und zwei Bohrstufen sind in Abbildung 10 zu sehen.

Abbildung 11 zeigt beispielhaft die Ergebnisse der Messung der Eigenspannungen an Messpunkt 1. Die Diagramme zeigen die Entwicklung der Dehnungen, der Hauptspannungen und des Alphawinkels, die gemäß den Bestimmungen der Norm ASTM E837 gemessen wurden. Ähnliche Ergebnisse wurden an den anderen Messpunkten erzielt, werden aber aus Gründen der Kürze nicht aufgeführt.


Abbildung 11a. Stämme gegen	Abbildung 11b. Gleichmäßigkeitsprüfung (ASTM E837-08)

Abbildung 11c. Hauptspannungen und ideale Spannung gegen	Abbildung 11d. Alphawinkel versus Tiefe.

Figure 9. Positions of the measuring points in the tests conducted with polycarbonate.

Figure 10. Drilling steps during the tests conducted with polycarbonate.

6. Fazit

Der Einsatz eines automatischen Systems zur Messung von Eigenspannungen in Kunststoffen hat sich als unerlässlich erwiesen, um zuverlässige Messungen an den untersuchten Materialien durchzuführen. Manuelles Bohren oder Hochgeschwindigkeits-Bohrverfahren erlauben keine zuverlässigen Messungen.

Es wurden die optimalen Parameter für den Bohrprozess und die Erfassung der Dehnungswerte bei der Anwendung der Bohrmethode auf spritzgegossene Kunststoffteile definiert. Angesichts der hohen Empfindlichkeit der Dehnungsmessstreifen gegenüber externen Faktoren hat sich die Fernsteuerung des automatischen Bohr- und Datenerfassungssystems als äußerst effektiv erwiesen.

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Experimentelle Eigenspannungsanalyse mit der Bohrlochmethode an plastischen Werkstoffen

1. Einleitung

2. Messsystem

3. Testverfahren

3.1 Surface preparation and bonding

3.2 Determining the contact depth (zero setting)

4. Bestimmung der Betriebsparameter

4.1 Drehgeschwindigkeit beim Bohren

4.2 Feed rate

4.3 Wahl der Verzögerungszeit

4.4 Überprüfung der Temperaturschwankungen am Kunststoffteil

5. Durchgeführte Tests und erzielte Ergebnisse

6. Fazit

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