Einlagige Scherung

Die einlagige Scherprüfung ist eine weit verbreitete Methode zur Bestimmung der Scherfestigkeit einer Klebeverbindung zwischen zwei sich überlappenden Materialien. Dabei werden zwei flache Proben, z. B. aus Metall, Kunststoff, Holz oder Verbundwerkstoffen, in einer einzigen Überlappungsverbindung geklebt und einer Zugbelastung ausgesetzt, bis die Verbindung versagt.

Der Test bildet die Belastungen nach, denen Klebeverbindungen in der Praxis ausgesetzt sind, und hilft Ingenieuren, die Leistung zu beurteilen, die Lebensdauer vorherzusagen und die Wahl des Klebstoffs für kritische Anwendungen zu validieren. Die Kraft wird parallel zur Ebene der Klebefuge aufgebracht und erzeugt Scherspannungen, die den Klebstoff nach und nach bis zum Versagen schwächen. Das Verständnis dieser Versagenspunkte ermöglicht eine bessere Auswahl von Klebstoffen und Oberflächenvorbereitungsmethoden, die die gewünschte Festigkeit und Zuverlässigkeit bieten.

Übliche Prüfmethoden

Die meisten Überlappungsschertests werden unter Zugbelastung durchgeführt, aber die Methode kann je nach Materialtyp, Verbindungskonfiguration und Industrieanforderungen variieren. Zu den Variationen gehören:

• Zugbasierte Überlappungsscherversuche: Die geklebte Probe wird mit einer Universalprüfmaschine in entgegengesetzte Richtungen gezogen, bis die Verbindung versagt. Dies wird häufig für Metalle, starre Kunststoffe und Verbundwerkstoffe verwendet.
• Prüfung auf Druckbasis: Weniger häufig für Überlappungsscheren, aber bei bestimmten strukturellen Verbindungsbewertungen, bei denen Druckkräfte relevant sind, verwendet.
• Konfigurationsspezifische Prüfung: Flach-auf-Flach-, Metall-auf-Metall- und Holz-auf-Holz-Konfigurationen spiegeln die beabsichtigte Anwendung wider und gewährleisten, dass die Prüfbedingungen den realen Belastungen entsprechen.

Zu den häufig geprüften Materialien gehören Aluminium, Stahl, starre Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Sperrholz und hochleistungsfähige duroplastische Harze.

Anwendungen in der Industrie

Scherprüfungen mit einer Überlappung werden in allen Industriezweigen eingesetzt, in denen die Klebeleistung entscheidend ist:

• Luft- und Raumfahrt: Für Verbundwerkstoffverklebungen in Flugzeugstrukturen, um die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften und die Gewichtsoptimierung zu gewährleisten.
• Automobilindustrie: Für die Verklebung von Karosserieteilen, Strukturklebstoffen und Baugruppen, bei denen Schweißen oder mechanische Befestigungen nicht praktikabel sind.
• Medizintechnik: Für Klebstoffe in Wundpflegeprodukten, chirurgischen Bändern und der Montage von medizinischen Geräten.
• Bauwesen: Für Klebstoffe in laminierten Balken, Fußbodensystemen und zum Verkleben von Platten.

Bemerkenswerte Normen und Spezifikationen

Mehrere internationale Normen legen Prüfverfahren für die Scherfestigkeit von einzelnen Überlappungen fest:

• ASTM D3163 - Bestimmung der Scherfestigkeit von starren Kunststoffklebstoffen unter Verwendung von Überlappungsscherproben.
• BS EN 2243-1 - Luft- und Raumfahrt, Strukturklebstoffe, Bestimmung der Überlappungsscherfestigkeit.
• SAE J1525 - Klebefestigkeit von Metall-Metall-Verbindungen in der Automobilindustrie.

Die Einhaltung dieser Normen gewährleistet, dass die Ergebnisse wiederholbar und zuverlässig sind und den branchenspezifischen Qualitätsanforderungen entsprechen.

Prüfprotokolle und Ausrüstung

Präzise Ausrichtung, Lastaufbringung und Umgebungskontrolle sind der Schlüssel zu genauen Scherprüfungen. Ein typischer Aufbau beinhaltet:

• Mecmesin OmniTest oder MultiTest-dV - Universelle Testmaschinen, die kontrollierte Zugkräfte bis zu 50 kN anwenden, mit Optionen für Testrahmen mit kleinerer Kapazität für empfindliche Proben.
• Geeignete Spannvorrichtungen - Entwickelt, um ein Verrutschen zu verhindern und eine gleichmäßige Lastverteilung zu gewährleisten.
• Kalibrierte Kraftmessdosen - Präzise Kraftmessung in einem Bereich von 2 N bis 50 kN.
• Umweltkammern (optional) - Um Bedingungen wie Feuchtigkeit, erhöhte Temperatur oder Kühllagerung zu simulieren.

Mecmesin-Systeme ermöglichen in Verbindung mit der VectorPro-Software eine automatische Testsequenzierung für Wiederholbarkeit, die Erfassung von detaillierten Kraft-Weg-Kurven und die Erstellung von anpassbaren, standardkonformen Berichten.

Interpretation von Scherbruchmerkmalen

Die Untersuchung der Klebeverbindung nach dem Test liefert wertvolle Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit des Klebstoffs:

• Kohäsives Versagen: Versagen innerhalb der Klebstoffschicht, was auf eine starke Adhäsion, aber eine unzureichende innere Klebkraft hinweist.
• Versagen des Klebstoffs: Ablösung an der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Substrat, oft aufgrund schlechter Oberflächenvorbereitung oder Unverträglichkeit.
• Versagen im gemischten Modus: Kombination aus kohäsivem und adhäsivem Versagen, oft verursacht durch komplexe Belastungen oder variable Oberflächenbedingungen.

Auswirkungen der Materialeigenschaften

Die Eigenschaften des Substrats beeinflussen die Ergebnisse der Überlappungsscherung erheblich:

• Metalle: Oberflächenoxidation, Beschichtungen und Rauheit beeinflussen die Verbindungsqualität.
• Hölzer: Faserrichtung, Dichte und Feuchtigkeitsgehalt beeinflussen Haftung und Scherfestigkeit.
• Kunststoffe und Verbundstoffe: Oberflächenenergie, Steifigkeit und chemische Kompatibilität bestimmen die Klebeleistung.

Auch Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und chemischer Kontakt können die langfristige Haftfestigkeit beeinträchtigen. So können beispielsweise Epoxidharzklebungen in Aluminium-Flugzeughautbefestigungen anfangs eine Scherfestigkeit von über 15 MPa aufweisen, die sich jedoch unter Salzsprühnebelbedingungen ohne angemessene Oberflächenbehandlung erheblich verschlechtert.

Mecmesin bietet eine komplette Reihe von Einzelüberlappungs-Scher-Testsystemen an, die für Präzision, Wiederholbarkeit und Benutzerfreundlichkeit entwickelt wurden. OmniTest- und MultiTest-dV-Rahmen, kombiniert mit der VectorPro-Software, können für eine Vielzahl von Materialien und Überlappungsgeometrien konfiguriert werden, mit Spannzeugen, die den relevanten Industriestandards entsprechen.

Diese Lösungen ermöglichen es Ingenieuren und Qualitätskontrollteams, die Leistung von Klebstoffen zuverlässig zu bewerten, Rezepturen zu vergleichen und deren Einhaltung zu überprüfen.

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