Die Zugfestigkeitsprüfung ist ein grundlegender technischer und materialwissenschaftlicher Test, der für eine Vielzahl von Fertigungsverfahren wie Spritzguss, maschinelle Bearbeitung und industriellen 3D-Druck (additive Fertigung) verwendet wird. Beim 3D-Druck gibt die Prüfung Aufschluss über die Qualität und das mechanische Verhalten eines 3D-gedruckten Materials, um festzustellen, wie es sich unter Belastung verhält. Zugprüfungen helfen den Herstellern auch sicherzustellen, dass ihre Prozesse einheitlich sind und den Industriestandards entsprechen. Zugprüfungen sind nützlich, wenn Sie Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu einem neuen oder veränderten Material, Herstellungsverfahren oder einer Produktanwendung durchführen.
In diesem Beitrag erfahren Sie, wie Zugprüfungen durchgeführt, wie Spannungs-/Dehnungskurven berechnet und welche Normen für die Prüfung von Materialien üblicherweise verwendet werden. Daneben enthält der Beitrag eine Tabelle mit Materialvergleichen und den entsprechenden Zugfestigkeiten.
Beispiele für Zugproben
Zuerst wollen wir besprechen, wie Ingenieure, die sogenannten „Hundeknochen“ prüfen. Die Zugproben oder Zugstäbe, die häufig zum Prüfen der mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Materialien verwendet werden, sind wie Hundeknochen geformt – daher der Spitzname. Stellen Sie sich Ihren typischen Hundekuchen vor. Der Hundeknochen für den Zugversuch ist so konzipiert, dass er zwei gegenüberliegende Schultern hat, die durch einen schmaleren Querschnitt verbunden sind. Jedes Ende der Probe wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt, die Spannung ausübt, bis die Probe bricht. Dieser engere Querschnitt ist so konzipiert, dass er bei einem Zugversuch eine vorhersehbare Bruchstelle darstellt. Der Querschnitt kann eine runde oder rechteckige Form haben. Stellen Sie sich vor, Sie brechen einen Hundekuchen in zwei Hälften. Das Konzept ist ähnlich. Es ist am einfachsten, den Keks in der Mitte zu brechen.
Die Fixierung des Hundeknochens im Zugprüfgerät erfolgt meist durch mit Gewinde oder Zacken versehene pneumatische Griffe, die an den Kraftmesszellen befestigt sind. Eine häufig verwendete Zugprüfmaschine (siehe Foto) wird von Instron angeboten. Diese Zugprüfgeräte sind bewährte Maschinen, die eine Probe mit einer programmierten Geschwindigkeit bis zum Bruch ziehen. Die Prüfer – oder Hundeknochen – werden platziert und von den gegenüberliegenden Griffen gegriffen. Die Traverse zieht den Hundeknochen mit einer konstanten Geschwindigkeit, bis er sich verformt und an seiner schwächsten Stelle bricht. Eine Kraftmesszelle misst präzise die auf die Probe ausgeübte Spannung, während ein Dehnungsmesser misst, wie weit sie sich dehnt. Dadurch kann das Gerät eine Spannungs-Dehnungskurve für die Analyse erstellen.
Berechnete Spannungs-Dehnungs-Kurven
Kraft, Verschiebung und „Dehnung“ (wie stark sich das Material dehnt) werden gemessen und die Dehnungs-Spannungs-Kurven werden grafisch dargestellt, um einen Einblick in eine Vielzahl von Materialeigenschaften zu geben.
Zu den üblicherweise angegebenen mechanischen Eigenschaften gehören die Zugfestigkeit (maximale Spannung, die das Teil unter Zug erfährt) und die Bruchdehnung (wie stark sich die „Messlänge“ vor dem Bruch dehnt). Der Elastizitätsmodul kann aus diesen Werten berechnet werden, indem die Spannung durch die Dehnung dividiert wird.
Prüfen Sie eine statistisch signifikante Anzahl von Hundeknochen, und Sie werden Erkenntnisse für Ihre Forschungs- und Entwicklungsanwendung oder Qualitätskontrollmaßnahme gewinnen.
ASTM-Normen für die Prüfung von Materialien
Die am häufigsten verwendete und akzeptierte Norm für die Prüfung von Kunststoffen ist ASTM D638 – 14 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics [Standardprüfverfahren für die Zugfestigkeit von Kunststoffen]. Protolabs verwendet diesen Standard, um 3D-gedruckte Kunststoffmaterialien zu prüfen. Bei bestimmten 3D-Druckverfahren spielt die Bauausrichtung eine Rolle bei der Ausgabe mechanischer Eigenschaften. Für die SLA-Materialien von Protolabs werden die Prüfer – oder Hundeknochen – in der xy-Ebene 3D-gedruckt und ausgewiesen, d. h. die Zugrichtung der Prüfung liegt in einer Linie mit den Schichtlinien. Für die selektiven Lasersinter-Materialien von Protolabs werden Hundeknochen in 3D gedruckt; die Werte werden sowohl in der xy- als auch in der z-Ebene angegeben.
Die am häufigsten verwendete Norm für die Prüfung von Metallmaterialien ist ASTM E8/E8M – 09 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials [Standardprüfverfahren für die Zugprüfung von metallischen Materialien]. Für 3D-gedruckte Metallmaterialien gibt es eine Handvoll spezieller ASTM-Normen, die die erwarteten mechanischen Eigenschaften für pulverbasierte Sinteranwendungen behandeln. Bei den Materialien für das direkte Metall-Lasersintern von Protolabs werden die Zugstäbe vertikal 3D-gedruckt, d. h. die Zugrichtung verläuft quer zu den Schichtlinien. Nachfolgend finden Sie eine Liste von Standards, die zum Prüfen und Berichten für jedes Metall-3D-Druckmaterial verwendet werden.
|
DMLS Material |
Standard |
|---|---|
| Aluminum AlSi10Mg | ASTM F3318-18 |
| Kobalt-Chrom | ASTM F3213-17 |
| Inconel 718 | ASTM F3055-14A |
| Edelstahl 17-4 PH | AMS5604G |
| Edelstahl 316L | ASTM F3184-16 |
| Titan Ti6Al-4V | ASTM F2924-14 |
Vergleich der Zugfestigkeiten: 3D-gedruckte Materialien
Das Zugfestigkeitsdiagramm links (zum Vergrößern anklicken) zeigt eine Darstellung der Materialien von Protolabs und ihrer jeweiligen Zugfestigkeit.
SLA-Materialien sind im Vergleich zu den spritzgegossenen Pendants eher hart und spröde. Sie haben einen hohen Elastizitätsmodul und es tritt nur eine geringe Dehnung auf, bevor der Hundeknochen bricht. SLS- und MJF-Nylons sind zäher als SLA-Materialien und haben daher tendenziell einen niedrigeren Elastizitätsmodul und eine höhere Dehnung. SLS, MJF und SLA weisen in Abhängigkeit von der Bauausrichtung des Teils gewisse Schwankungen in der Festigkeit auf. Dies ist in der Regel auf eine schwächere Bindung zwischen den Schichten zurückzuführen, aber alle drei sind in dieser Hinsicht dem Fused Deposition Modeling (FDM oder FFF) überlegen.
DMLS-Metalle weisen hohe Festigkeitseigenschaften auf, wobei 17-4 Edelstahl der stärkste und Aluminium AlSi10Mg der schwächste ist.