Wie man die Festigkeit und Steifigkeit von Kohlefaserplatten testet

Wie man die Festigkeit und Steifigkeit von Kohlefaserplatten testet

Warum die Prüfung von Kohlefaserplatten für Leistung und Sicherheit wichtig ist

Kohlenstofffaserplatten finden aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit breite Anwendung in der Automobil-, Motorrad-, Luft- und Raumfahrt- sowie Sportartikelindustrie. Ihre Leistungsfähigkeit hängt jedoch stark von Fasertyp, Faseraufbau, Harzsystem und Fertigungsqualität ab. Für Konstrukteure, Ingenieure und Einkäufer liefert die Prüfung von Festigkeit und Steifigkeit von Kohlenstofffaserplatten die notwendigen Daten zur Validierung von Konstruktionen, zur Gewährleistung der Sicherheit, zur Qualitätskontrolle und zum Vergleich von Lieferanten. Dieser Artikel erläutert praxisnahe, normenbasierte Methoden zur Messung von Zug-, Biege-, Druck- und Schereigenschaften sowie zerstörungsfreie Prüfverfahren, Tipps zur Dateninterpretation und praktische Aspekte bei der Verarbeitung von Kohlenstofffaserplatten.

Die Grundlagen verstehen: Festigkeit vs. Steifigkeit von Kohlefaserplatten

Die Festigkeit beschreibt die maximale Belastung, die ein Material vor dem Versagen aufnehmen kann (oft als Zugfestigkeit angegeben). Die Steifigkeit beschreibt den Widerstand gegen Verformung unter Last und wird als Elastizitätsmodul (Zugmodul) oder Biegemodul quantifiziert. Bei Kohlenstofffaserplatten hängen beide Eigenschaften von der Faserorientierung, dem Volumenanteil, dem Harz und Defekten ab. Ein unidirektionales Kohlenstofffaserlaminat weist in Faserrichtung eine deutlich andere Steifigkeit und Festigkeit auf als quer dazu; quasi-isotrope Laminate verringern die Richtungsunterschiede, reduzieren aber die Spitzenwerte der Eigenschaften.

Normen und Ausrüstung zum Testen von Kohlenstofffaserplatten

Um reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse zu gewährleisten, sollten anerkannte Prüfnormen eingehalten werden. Gängige Normen sind beispielsweise ASTM D3039 für Zugversuche an Polymerverbundwerkstoffen, ASTM D790 für Biegeeigenschaften, ASTM D6641 und ASTM D695 für Druckversuche sowie ASTM D2344 für Kurzstrahlscherversuche (Zwischenlagenscherversuche). Für zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) werden üblicherweise ISO 16810/16811 und ASTM E213 für Ultraschallverfahren sowie ASTM E2597 für Thermografie verwendet.

Grundausrüstungsliste:

• Universalprüfmaschine (UTM) mit geeigneter Kraftmessdose und Extensometer
• Griffe und Laschen für Verbundproben
• Drei- und Vierpunkt-Biegevorrichtungen
• Kompressionsvorrichtungen oder kombinierte Kompressionsvorrichtungen (CLC)
• Mikrometer, Messschieber und optische Dickenmessgeräte
• Ultraschall-C-Scan- oder Phased-Array-System für die zerstörungsfreie Prüfung
• Infrarot-Thermografiekamera für großflächige Inspektion

Probenvorbereitung und warum sie für genaue Tests wichtig ist

Mangelhafte Probenvorbereitung ist die häufigste Ursache für Streuung bei Verbundwerkstoffprüfungen. Wichtige Punkte:

• Um ein Herausziehen der Fasern und eine Delamination zu vermeiden, schneiden Sie die Proben mit sauberen Kanten mittels Wasserstrahl- oder Diamantsäge zu.
• Einheitliche Faserausrichtung und Faseranordnung bei allen Proben sicherstellen; Faserrichtungen kennzeichnen.
• Verwenden Sie Endlaschen für Zugproben, um durch die Einspannung verursachte Ausfälle zu vermeiden (die Laschen verteilen den Einspanndruck und reduzieren Spannungskonzentrationen).
• Messen Sie Dicke und Breite an mehreren Punkten; geben Sie die für die Spannungsberechnungen verwendete Querschnittsfläche an.
• Die Proben sollten vor der Prüfung unter Standardlaborbedingungen (typischerweise 23 +/- 2 °C und 50 +/- 5 % relative Luftfeuchtigkeit) konditioniert werden.

Zugprüfung von Kohlenstofffaserplatten (ASTM D3039)

Zugversuche sind die primäre Methode zur Bestimmung der Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls von Kohlenstofffaserplatten in einer definierten Richtung. Verwenden Sie ASTM D3039 als Standardverfahren. Wichtigste Schritte:

• Geometrie der Probe: typischerweise geriffelte Hundeknochen- oder gerade Proben; übliche Breiten sind 15–25 mm bei einer Länge, die für einen angemessenen Griffabstand (gemäß Norm) ausreicht.
• Instrumentierung: Verwenden Sie ein hochpräzises Extensometer, das an der Messlänge befestigt ist, zur Modulberechnung; die Traversenverschiebung überschätzt die Dehnung in Verbundwerkstoffen aufgrund von Griffschlupf und Systemnachgiebigkeit.
• Prüfgeschwindigkeit: Verwenden Sie die empfohlenen Dehnungsraten aus der Norm (üblicherweise 1–2 mm/min oder eine vorgegebene Dehnungsrate), da die Steifigkeit eine leichte Abhängigkeit von der Dehnungsrate aufweisen kann.
• Fehleranalyse: Notieren Sie, ob es sich beim Fehler um Faserbruch, Matrixrisse, Delamination oder einen mit der Klemmung zusammenhängenden Fehler handelt; fotografieren Sie die Brüche und dokumentieren Sie den Laminierungsaufbau.

Biegeversuche zur Bestimmung der Steifigkeit und Festigkeit (ASTM D790)

Biegeversuche messen Biegemodul und Biegefestigkeit und eignen sich für gebogene Bauteile und Platten. Verwenden Sie Drei- oder Vierpunktbiegeversuche gemäß ASTM D790. Tipps:

• Das Verhältnis von Spannweite zu Dicke sollte der Norm entsprechen; eine zu geringe Spannweite kann zu einer scherdominierten Reaktion und einem schiefen Modul führen.
• Geben Sie sowohl den Biegemodul als auch die maximale Spannung beim Versagen an; Verbundwerkstoffe versagen häufig durch eine Kombination aus Matrixrissbildung und Delamination.
• Bei dünnen Kohlenstofffaserplatten erzeugt die Vierpunktbiegung effektiver einen Bereich mit konstantem Biegemoment und reduziert lokale Schereffekte.

Druckprüfung und Knickbetrachtungen (ASTM D6641, D695)

Die Druckfestigkeit ist entscheidend für Sandwich- und Strukturbauteile, die Druckkräften ausgesetzt sind. Je nach Probengeometrie kommen ASTM D6641 (kombinierte Druckbelastung) und ASTM D695 (Druckeigenschaften von Kunststoffen) zum Einsatz. Bei dünnen Laminaten lässt sich Euler-Knicken durch geklebte Endhalterungen oder CLC-Vorrichtungen, die die Enden fixieren, vermeiden. Versagensarten wie Mikroknicken, Knickbandbildung oder Endquetschen sind zu beobachten und mit den Zugversuchsergebnissen zu korrelieren, um Fertigungsungenauigkeiten zu erkennen.

Zwischenlagenscher- und Kurzstrahlprüfung (ASTM D2344)

Die interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) gibt den Widerstand gegen Delamination zwischen den Lagen an. Kurzstrahl-Scherversuche nach ASTM D2344 ermöglichen eine schnelle ILSS-Bestimmung, reagieren jedoch empfindlich auf die Geometrie der Probe. Die ILSS dient zur Beurteilung der Harz-Faser-Verbindung und der Prozessintegrität – eine niedrige ILSS deutet häufig auf unzureichende Benetzung, Lufteinschlüsse oder Verunreinigungen hin.

Schlag-, Ermüdungs- und dynamische Steifigkeitsprüfung

Statische Prüfungen erfassen nicht alle Schadensarten im Betrieb. Fallgewichtsversuche und Ermüdungsprüfungen zeigen die Schadensverträglichkeit und die Reststeifigkeit nach wiederholter Belastung. Wichtigste Empfehlungen:

• Charakterisieren Sie die Reststeifigkeit nach definierten Aufprallenergieniveaus und korrelieren Sie diese mit der Schadensfläche mittels Ultraschall-C-Scan.
• Führen Sie Ermüdungsversuche bei repräsentativen Lastverhältnissen und Zyklen durch, um die Steifigkeitsdegradationsrate zu beurteilen; Verbundwerkstoffe können vor einem katastrophalen Versagen einen signifikanten Steifigkeitsabfall aufweisen.
• Verwenden Sie Modalanalyse oder dynamisch-mechanische Analyse (DMA), um die frequenzabhängige Steifigkeit von schwingungskritischen Bauteilen zu untersuchen.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren für Kohlenstofffaserplatten

Die zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) ist unerlässlich, um Bauteile vor zerstörenden Prüfungen oder in der Produktion zu prüfen. Gängige ZfP-Verfahren:

• Ultraschall-C-Scan: Kartiert interne Delaminationen, Hohlräume und Inhomogenitäten. Sehr effektiv für geschichtete Kohlenstofffaserplatten.
• Klopfprüfung: Schnelle Feldmethode zur Erkennung von Delaminationen mittels Gehör/Beschleunigungsmesser; kostengünstig, aber qualitativ.
• Infrarot-Thermografie: Schnelles Scannen großer Flächen zur Erkennung von Untergrunddefekten und Aufprallschäden.
• Scherographie und Schallemissionsanalyse: nützlich für die Überwachung im laufenden Betrieb und die Früherkennung von Schäden bei Lastaufbringung.

Dateninterpretation: Was ist zu berichten und wie vergleicht man Daten?

Bei der Meldung von Testergebnissen für Kohlenstofffaserplatten ist Folgendes anzugeben:

• Geometrie, Orientierung und Lagenaufbau der Probe (Faserwinkel und Stapelfolge).
• Harzsystem und Fasertyp (z. B. T300-, M46J-, IM- oder HM-Fasern) und Faservolumenanteil, falls bekannt.
• Befolgte Prüfnorm, Prüfgeschwindigkeit, Temperatur/Luftfeuchtigkeit und Instrumentierungsdetails (Extensometertyp und Messlänge).
• Mittelwert, Standardabweichung, Variationskoeffizient (VK) und Anzahl der getesteten Proben.

Vergleiche sollten den Faseraufbau und die Faserorientierung berücksichtigen. Eine einfache Tabelle hilft, die Ergebnisse materialübergreifend zu vergleichen. Beispielhafte typische Bereiche:

Hinweis: Die Leistungsmerkmale von Kohlenstofffaserplatten variieren stark je nach Faserqualität, Lagenaufbau und Harz. Testen Sie daher immer das tatsächliche Produktionsmaterial und verlassen Sie sich nicht auf allgemeine Datenblätter.

Praktische Tipps zur Reduzierung der Streuung und Verbesserung der Wiederholgenauigkeit beim Testen von Kohlenstofffaserplatten

• Um statistische Sicherheit zu gewährleisten, sollten mindestens fünf Proben pro Krankheitsbild untersucht werden; CoV-Fälle sollten gemeldet werden.
• Um vorzeitige Ausfälle in der Nähe der Griffe zu vermeiden, sollten aufeinander abgestimmte Griff- und Laschenmaterialien verwendet werden.
• Die Bruchflächen wurden dokumentiert und fotografiert, um zwischen Herstellungsfehlern und Materialgrenzen zu unterscheiden.
• Erfassen Sie die Prozessdaten auf Chargenebene (Aushärtungszyklus, Temperatur, Harzmischung) und korrelieren Sie diese mit den mechanischen Ergebnissen, um die Hauptursachen zu ermitteln.
• Setzen Sie zerstörungsfreie Prüfverfahren während der Produktion ein, um Fehler vor der zerstörenden Prüfung zu erkennen.

Integration von Testergebnissen in Konstruktions- und Beschaffungsentscheidungen für Kohlenstofffaserplatten

Konstrukteure sollten repräsentative, geprüfte Eigenschaften (nicht idealisierte Hersteller-Maximalwerte) verwenden und angemessene Sicherheitsfaktoren unter Berücksichtigung von Schwankungen und potenziellen Beeinträchtigungen im Betrieb (UV-Strahlung, Feuchtigkeit, Temperatur) anwenden. Bei der Beschaffung sollten Herstellerprüfzertifikate, Chargenprüfungen und, wenn möglich, Begleitprüfungen oder die Verifizierung durch Dritte für kritische Anwendungen verlangt werden.

Supreme Carbon: Fertigungskompetenz und wie unsere Tests die Qualität sichern

Warum Sie sich für Supreme Carbon bei Kohlefaserplatten und -teilen entscheiden sollten

Supreem Carbon, gegründet 2017, ist ein spezialisierter Hersteller von kundenspezifischen Carbonfaserteilen für Automobile und Motorräder. Wir vereinen Forschung und Entwicklung, Design, Produktion und Vertrieb, um qualitativ hochwertige Produkte und Dienstleistungen anzubieten. Unser Fokus liegt auf der Entwicklung von Carbonfaser-Verbundwerkstoffen sowie der Herstellung von Fahrzeugzubehör, Carbonfaser-Gepäck und Sportgeräten, die individuell auf die Bedürfnisse unserer Kunden zugeschnitten sind.

Unsere Fabrik erstreckt sich über rund 4.500 Quadratmeter und beschäftigt 45 qualifizierte Produktions- und Technikmitarbeiter. Wir erzielen einen jährlichen Produktionswert von rund 4 Millionen US-Dollar. Aktuell bieten wir über 1.000 Produktarten an, darunter mehr als 500 kundenspezifische Kohlefaserteile. Unsere Vision ist es, weltweit führend zu werden.Hersteller von KohlefaserproduktenWebseite: https://www.supreemcarbon.com/

Wie Supreme Carbon Tests einsetzt, um die Leistung sicherzustellen

Bei Supreem Carbon kombinieren wir Labortests und Inline-ZfP, um die Qualität zu kontrollieren.Motorradteile aus Kohlefaser,Autoteile aus KohlefaserWir fertigen und kundenspezifische Kohlefaserbauteile. Zu unseren Kompetenzen gehören Zug- und Biegeprüfungen zur Materialvalidierung, Ultraschall-C-Scan zur Erkennung interner Defekte sowie Schlag- und Dauerfestigkeitsprüfungen für sicherheitskritische Komponenten. Durch die Validierung der Materialeigenschaften und die Prüfung der Bauteile vor dem Versand reduzieren wir Ausfälle im Feld und stellen sicher, dass die Komponenten den Kundenspezifikationen entsprechen.

Kernprodukte und Wettbewerbsstärken

Kernangebote:

• Motorradteile aus Kohlefaser (Verkleidungen, Kotflügel, Zierteile)
• Automobilteile aus Kohlefaser (Innenausstattung, Aerodynamikkomponenten, Strukturpaneele)
• Maßgefertigte Kohlefaserteile und Kleinserienmodifikationen

Kernkompetenzen im Wettbewerb:

• Komplettservice: Forschung und Entwicklung, Design, Werkzeugbau, Produktion und Vertrieb.
• Maßgeschneiderte Lösungen und schnelles Prototyping für einzigartige Anwendungen im Automobil- und Motorradbereich.
• Strenge Qualitätssicherung: Labortests plus zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP) gewährleisten gleichbleibende Festigkeit und Steifigkeit über alle Chargen hinweg.

Wie man mit Supreem Carbon arbeitet

Benötigen Sie geprüfte und zertifizierte Kohlefaserplatten oder kundenspezifische Bauteile? Supreem Carbon bietet Ihnen Materialprüfberichte, Musterprüfungen und zerstörungsfreie Fertigungsprüfungen (ZfP). Für Produktanfragen oder um Unterstützung bei Prüfungen anzufordern, kontaktieren Sie unser Vertriebsteam über die Website.

FAQ – Prüfung der Festigkeit und Steifigkeit von Kohlenstofffaserplatten

Welcher Einzeltest eignet sich am besten zur Charakterisierung der Steifigkeit von Kohlenstofffaserplatten?

Die Zugprüfung mit einem Extensometer an Proben, die in Faserrichtung ausgerichtet sind, ist die beste Einzelmethode zur Bestimmung der Zugsteifigkeit (Elastizitätsmodul). Für die Biegesteifigkeit von Platten ist die Biegeprüfung aussagekräftiger.

Wie viele Proben sollte ich testen, um verlässliche Ergebnisse zu erhalten?

Für vorläufige Daten sollten mindestens fünf Proben pro Konfiguration geprüft werden, für die Qualifizierung oder Lieferantenvalidierung mindestens zehn. Mittelwert, Standardabweichung und Variationskoeffizient (VK) sind stets anzugeben.

Kann ich Tischzugprüfgeräte für Kohlenstofffaserplatten verwenden?

Für Proben mit geringer Festigkeit oder dünner Dicke können Tischprüfgeräte geeignet sein, für die Qualifizierung sollte jedoch eine industrielle Universalprüfmaschine mit geeignetem Messbereich und Extensometrie verwendet werden. Achten Sie auf geeignete Spannbacken und Laschen, um durch die Spannbacken verursachte Ausfälle zu vermeiden.

Wie beeinflussen Defekte das Verhältnis von gemessener Steifigkeit zu Festigkeit?

Delaminationen und Hohlräume reduzieren die Festigkeit oft stärker als die Anfangssteifigkeit. Kleine Defekte verändern den Anfangsmodul möglicherweise nicht wesentlich, können aber unter Spitzenlasten oder zyklischer Belastung zu vorzeitigem Versagen führen. Daher ist die Kombination von zerstörungsfreier Prüfung (ZfP) und mechanischer Prüfung wichtig.

Sind Standardprüfverfahren für Metallwerkstoffe auch auf Kohlenstofffaserplatten anwendbar?

Werkstoffspezifische Normen wie ASTM D3039, D790 und D6641 sind für Verbundwerkstoffe konzipiert und sollten anstelle von Metallnormen verwendet werden. Prüfungen an Verbundwerkstoffen berücksichtigen Anisotropie, die Notwendigkeit von Laschen und relevante Versagensarten.

Kontaktieren Sie Supreme Carbon / Produkte ansehen

Wenn Sie zertifizierte Prüfungen benötigen,kundenspezifische Kohlefaserplattenoder maßgeschneidertCarbonfaserteile für MotorräderFür Automobile wenden Sie sich bitte an Supreem Carbon. Besuchen Sie https://www.supreemcarbon.com/, um Produkte anzusehen oder ein Angebot anzufordern. Unser Team unterstützt Sie gerne bei der Spezifizierung von Testprogrammen, erstellt Materialberichte und begleitet Prototypen- und Serientests.

Quellen und Referenzen

• ASTM International Standards: ASTM D3039, D790, D6641, D2344 — Prüfverfahren für Verbundwerkstoffe.
• MatWeb Materialeigenschaftendatenbank – typische Werte für Verbundwerkstoffe, Aluminium und Stahl.
• Technische Datenblätter von Hexcel und Herstellerliteratur zu den Eigenschaften von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen.
• AZoM (Das A bis Z der Werkstoffe) — Überblick über Verbundwerkstoffe und ihre Eigenschaftsbereiche.
• Handbuch für Verbundwerkstoffe (CMH-17) — Leitfaden für die Konstruktion und Prüfung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen.