Drei-Punkt-Biegung

Der Drei-Punkt-Biegeversuch ist eine weit verbreitete Methode zur Bestimmung der Biegeeigenschaften von Materialien. Dabei wird eine Last in der Mitte einer an zwei Punkten gelagerten Probe aufgebracht, wodurch eine Biegekraft entsteht. Mit zunehmender Belastung wird die Probe sowohl auf Zug als auch auf Druck beansprucht, und zwar auf der Seite gegenüber der Lasteinleitung auf Zug und auf der Seite unter der Lastnase auf Druck. Die Prüfung wird fortgesetzt, bis die Probe bricht oder ihre maximale Durchbiegung erreicht.

Zu den wichtigsten Parametern, die aus dieser Prüfung abgeleitet werden, gehören:

• Biegefestigkeit - die maximale Spannung, die die äußersten Fasern vor dem Bruch erfahren.
• Biegeelastizitätsmodul - das Verhältnis von Spannung zu Dehnung im elastischen Bereich, das die Biegesteifigkeit des Materials angibt.
• Spannungs-Dehnungs-Verhalten bei Biegung - das Verhältnis zwischen aufgebrachter Spannung und der daraus resultierenden Dehnung, das sowohl elastische als auch plastische Verformungseigenschaften zeigt.

Die Methode wird wegen ihrer Einfachheit, Wiederholbarkeit und ihrer Fähigkeit, kritische Daten über das Biegeverhalten von Materialien - von Polymeren über Verbundwerkstoffe bis hin zu Metallen - zu liefern, geschätzt.

Die Prüfung der Biegefestigkeit liefert Ingenieuren, Konstrukteuren und Forschern wichtige Erkenntnisse darüber, wie ein Material auf Biegekräfte reagiert. Diese Informationen helfen dabei, die Eignung für strukturelle Anwendungen zu bewerten, Versagensarten zu verstehen und sicherzustellen, dass Produkte die Leistungsstandards erfüllen.

Die Industrie nutzt diese Prüfungen für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B.:

• Automobilkomponenten wie Kunststoffgehäuse, Verkleidungen und Teile unter der Motorhaube, bei denen die Biegefestigkeit die Haltbarkeit und Sicherheit beeinflusst.
• Strukturen für die Luft- und Raumfahrt, einschließlich Verbundplatten und Verkleidungen, bei denen die Steifigkeit erhalten bleiben muss, während das Gewicht reduziert wird.
• Baumaterialien wie z. B. Holzwerkstoffe und laminierte Platten, bei denen die langfristige Zuverlässigkeit der Belastung entscheidend ist.
• Konsumgüter von Sportgeräten bis hin zu Verpackungen, bei denen das Biegeverhalten die Gebrauchstauglichkeit und Lebensdauer beeinflusst.

Durch die Identifizierung von Schwachstellen vor der Produktion oder dem Einbau verringert die Biegeprüfung das Ausfallrisiko, gewährleistet die Einhaltung der Konstruktionsspezifikationen und unterstützt die Innovation in der Materialentwicklung.

Testaufbau und -ablauf

Die Prüfung beginnt mit der Vorbereitung eines Probekörpers, häufig ein rechteckiger Stab, aus Materialien wie Kunststoffen, Verbundwerkstoffen, Holz oder Metallen. Der Probekörper wird auf zwei Auflagern platziert und eine Belastungsnase wird in der Mitte des Probekörpers angebracht. Die Spannweite, d. h. der Abstand zwischen den Auflagern, wird in der Regel nach einem Standardverhältnis festgelegt, z. B. 16:1 für Kunststoffproben(Spannweite zu Tiefe).

Während der Prüfung:

• Die Belastungsnase bewegt sich mit kontrollierter Geschwindigkeit nach unten und übt Kraft auf die Probe aus.
• Kraft und Durchbiegung werden kontinuierlich gemessen, bis der Bruch oder die maximale Verformung erreicht ist.
• Die sich daraus ergebenden Kraft-Durchbiegungsdaten werden zur Berechnung der Biegefestigkeit, des Moduls und der Dehnung verwendet.

Die Belastungsnase und die Auflager sind mit bestimmten Radien ausgelegt, um Spannungskonzentrationen zu minimieren und ein vorzeitiges Versagen zu vermeiden.

Prüfbedingungen und Genauigkeitsfaktoren

Genaue Ergebnisse hängen von einer präzisen Kontrolle der Prüfparameter ab, darunter:

• Probenvorbereitung und -konditionierung, um eine einheitliche Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit und Lagerbedingungen vor der Prüfung zu gewährleisten.
• Traversengeschwindigkeit und Belastungsrate, die gemäß der einschlägigen Norm eingestellt werden, um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten.
• Spannweite und Ausrichtung, um eine ungleichmäßige Spannungsverteilung zu vermeiden.
• Auflager- und Belastungsnasenradien, die auf die Probengröße und den Materialtyp abgestimmt sind.
• Umgebungskontrolle, da Temperatur und Feuchtigkeit Materialien wie Polymere und Holz beeinflussen können.

Die regelmäßige Kalibrierung der Prüfmaschine und der Spannvorrichtungen ist für die Rückverfolgbarkeit und die Einhaltung der Normen unerlässlich.

Bei einer Dreipunkt-Biegeprüfung wird die Kraft an einem einzigen Mittelpunkt aufgebracht. Bei einer Vierpunkt-Biegeprüfung wird die Kraft durch zwei Belastungsnasen auf einen größeren Abschnitt der Probe verteilt. Dadurch wird ein konstantes Biegemoment zwischen den Belastungspunkten erzeugt, was für die Erkennung bestimmter Versagensarten effektiver sein kann.

Die Dreipunktbiegung ist einfacher, erfordert weniger komplexe Vorrichtungen und eignet sich gut für Vergleichsprüfungen oder wenn die Materialmenge begrenzt ist. Die Vier-Punkt-Biegung wird bevorzugt, um das Versagen im zentralen Bereich einer Probe ohne die zusätzlichen Schereffekte eines einzelnen Belastungspunktes zu beurteilen.

Präzisionssysteme für Biegetests

Mecmesins elektromechanische Tester, einschließlich der MultiTest-dV- und OmniTest-Reihe, wurden für Anwendungen mit geringen bis hohen Kräften entwickelt und bieten präzise Last- und Verschiebungskontrolle. Diese Systeme bieten eine feine Auflösung und Stabilität, was sie ideal für Materialien macht, bei denen die Empfindlichkeit gegenüber Verformungen wichtig ist.

Kompatibilität von Spannvorrichtungen und Lastrahmen

Die einstellbaren Biegevorrichtungen eignen sich für eine Vielzahl von Probenbreiten, -dicken und -längen. Die Vorrichtungen sind mit Dehnungsmessern für die Dehnungsmessung kompatibel und können für ungewöhnliche Probengeometrien angepasst werden. Diese Flexibilität ermöglicht genaue Prüfungen für eine Vielzahl von Materialien.

Software für die Prüfsteuerung und Datenanalyse

Die VectorPro-Software ermöglicht die Echtzeit-Visualisierung von Last-Durchbiegungskurven und automatisiert Berechnungen wie Biegefestigkeit, Modul und Bruchdehnung. Benutzer können wiederholbare Prüfroutinen mit programmierten Bestanden- oder Fehlschlagskriterien erstellen, Daten in verschiedene Formate exportieren und konformitätsreife Berichte erstellen.

Anwendungsunterstützung und Anpassung

Mecmesins Anwendungsteam arbeitet mit Kunden zusammen, um die optimale Testlösung auszuwählen oder zu entwickeln. Der Service beinhaltet maßgeschneidertes Spannzeugdesign, Systemkalibrierung, Installation und Training, um sicherzustellen, dass das Equipment sowohl für aktuelle als auch zukünftige Testanforderungen konfiguriert ist.

Die Dreipunkt-Biegeprüfung wird durch etablierte internationale Normen geregelt, darunter:

• ASTM D790 - Standardprüfverfahren für die Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen.
• ISO 178 - Bestimmung der Biegeeigenschaften von Kunststoffen, mit Angaben zur Probenvorbereitung, Spannweitenauswahl und Prüfgeschwindigkeit.

Es gibt zusätzliche Prozeduren für Verbundwerkstoffe, Schäume und Strukturmaterialien, die sicherstellen, dass die Testmethoden die einzigartigen Eigenschaften jedes Materialtyps widerspiegeln. Mecmesin-Systeme können so konfiguriert werden, dass sie diese Standards in Forschung, Qualitätskontrolle und akademischen Umgebungen erfüllen.

Kunststoffe und Thermoplaste

Biegeversuche geben Aufschluss über die Steifigkeit, die Streckgrenze und den Versagensmodus von Kunststoffen und liefern Informationen zur Materialauswahl für tragende Anwendungen. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für Konstruktionsentscheidungen bei Konsumgütern, Automobilkomponenten und Verpackungen.

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe

In der Luft- und Raumfahrt, in der Schifffahrt und in der Automobilindustrie werden mit Hilfe von Biegeprüfungen Delaminationen und Risse in der Matrix festgestellt. Das Verständnis dieser Versagensarten hilft Ingenieuren bei der Optimierung von Laminatstrukturen hinsichtlich Festigkeit und Haltbarkeit.

Holz und Holzwerkstoffplatten

Bei Möbeln, Fußböden und Bauelementen sind Biegefestigkeit und Verformungseigenschaften von entscheidender Bedeutung. Durch die Prüfungen wird die Einhaltung der strukturellen Leistungsanforderungen überprüft und die Entwicklung neuer Holzwerkstoffprodukte unterstützt.

Schaumstoffe und leichte Materialien

Von Schutzverpackungen bis hin zu Kernelementen für die Luft- und Raumfahrt werden diese Materialien geprüft, um ihre Druckfestigkeit und Belastbarkeit zu beurteilen. Biegeversuche quantifizieren die Leistung und simulieren reale Belastungsbedingungen.

Mecmesin unterstützt Ingenieure, Designer und Forscher mit maßgeschneiderten Biegetest-Lösungen für Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, Metalle und holzbasierte Materialien. Unser Team kann Sie bei der Auswahl von Spannzeugen beraten, Vorrichtungen für einzigartige Probengeometrien maßschneidern und die Einhaltung von ASTM D790, ISO 178 und anderen relevanten Standards demonstrieren. Setzen Sie sich mit uns in Verbindung, um Ihre Anforderungen zu besprechen und die effektivste Methode zur Erzielung genauer, wiederholbarer Ergebnisse bei Ihren Dreipunkt-Biegeprüfungen zu finden.