Drei- und Vier-Punkt-Biegeprüfvorrichtung (ASTM D790, 6272, 7264)

Modell Nr. WTF-FL (Edelstahl)

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Abb. 1: Drei- und Vier-Punkt-Biegeprüfvorrichtung

Die in den Abbildungen 1 und 2 gezeigte Biegevorrichtung ist für die Prüfung von Materialien in Drei- und Vier-Punkt-Biegung ausgelegt. Vor 1997 deckte eine ASTM-Norm, nämlich ASTM D790, beide Belastungsarten ab. Seit 1997 ist jedoch nur die Dreipunktbelastung in der ASTM D790 (Referenz 1) enthalten, und für die Vierpunktbelastung wurde eine neue ASTM-Norm geschaffen, die ASTM D6272 (Referenz 2). Diese beiden Normen fallen in die Zuständigkeit des ASTM-Ausschusses D20-Kunststoffe. Im Jahr 2006 hat der ASTM-Ausschuss D30-Composites eine neue Norm speziell für Verbundwerkstoffe herausgegeben, ASTM D7264 mit dem Titel "Flexural Properties of Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites" (Biegeeigenschaften von faserverstärkten Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen), die sowohl Drei- als auch Vier-Punkt-Belastung umfasst (Verweis 3).

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Abb. 2: Ansicht verschiedener Komponenten der Biegebefestigung

Die ASTM-Normen D790 und D6272 empfehlen ein Verhältnis von Probenlänge zu Probendicke von 16:1, obwohl für bestimmte Materialien auch Verhältnisse von 32:1, 40:1 und 60:1 zulässig sind. ASTM D7264 empfiehlt ein Verhältnis von 32:1, erlaubt aber auch die Verwendung anderer Verhältnisse. Für eine typische 0,1 Zoll dicke Probe und ein übliches Verhältnis von Spannweite zu Dicke von 16:1 entspricht dies einer Stützweite von 1,6 Zoll, wobei in den Normen mindestens ein zusätzlicher 10-prozentiger (mindestens 0,25 Zoll) Überhang der Probe an jedem Ende angegeben ist.

Zur Anpassung an verschiedene Materialien, Probendicken und Verhältnisse von Spannweite zu Dicke ist die Spannweite des Modells WTF-FL stufenlos über den gesamten Spannweitenbereich von bis zu 8 Zoll einstellbar. Auf dem Sockel sind Skalenmarkierungen eingraviert, die die Einstellung der gewünschten Spannweite erleichtern, die durch Verschieben der einzelnen Probenhalter in die gewünschten Positionen erreicht wird. Diese Probenhalter werden dann durch Anziehen von Inbusschrauben von der Unterseite her sicher festgeklemmt. Der Vier-Punkt-Belastungskopf kann auf ähnliche Weise bis zu einer maximalen Spannweite von 6 Zoll eingestellt werden. Er hat ebenfalls eingravierte Skalenmarkierungen, die bei der Einstellung der gewünschten Spannweite helfen. Bei der Vier-Punkt-Beladung wird in der Regel entweder die Drittelspunkt- oder die Viertelpunkt-Beladung verwendet, obwohl die ASTM D7264 nur die Viertelpunkt-Beladung zulässt.

Alle Stützen und Ladepunkte bestehen aus gehärteten Stahlzylindern mit einem Durchmesser von jeweils 10 mm und einer Länge von 2,5 Zoll, die durch kleine Federn an jedem Ende in Keilnuten gehalten werden. Dadurch können sie gedreht und bei Bedarf auch leicht ausgetauscht werden. Auf Anfrage können auch andere Spannweiten und Zylinderdurchmesser geliefert werden. Üblich sind zum Beispiel auch Belastungszylinder mit 4 mm, 6 mm und 10 mm Durchmesser. Die Normen ASTM D790 und D6275 schreiben beispielsweise Zylinder mit 4 mm und 10 mm Durchmesser vor.

Die Ober- und Unterseite der Biegevorrichtung haben eine 1"-14-Gewindebohrung, die zur Befestigung an der Prüfmaschine dient. Kundenspezifische Adapter können für jede Art von Anschluss für eine bestimmte Prüfmaschine angefertigt werden, sind aber nicht im Lieferumfang der Vorrichtung enthalten.

Es können auch spezielle Biegevorrichtungen entworfen und hergestellt werden. Ein solches Beispiel ist in Abb. 3 dargestellt. Diese Dreipunkt-Biegevorrichtung mit voll einstellbarer Stützweite hat Stützzylinder, die auf ihren ebenen Auflageflächen frei rollen können, wenn sich die Probe unter Last durchbiegt. Auch diese Vorrichtung ist so ausgelegt, dass austauschbare Zylinder mit unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden können. Obwohl rollende Auflagerzylinder in den meisten Normen nicht vorgeschrieben sind, ist diese Option auf Wunsch erhältlich.

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Abb. 3: Vollständig einstellbare Dreipunkt-Biegevorrichtung mit Zylinderstützen und austauschbaren Belastungs- und Stützzylindern mit optionalen Adaptern (abgebildet sind Zylinder mit 3, 6,4, 10 und 12 mm Durchmesser).

FL-Rollstützen 1

Abb. 4: Voll einstellbare Drei-Punkt-Biegevorrichtung mit rollenden Zylinderauflagen mit optionalen Adaptern.

FL Rolling Support-Closeup

Abb. 5: Nahaufnahme eines typischen Walzstützzylinders.

Drei- und Vier-Punkt-Biegeprüfvorrichtung_6

Abb. 6: Kleinformatige Drei-Punkt- und Vier-Punkt-Vorrichtungskonfigurationen für die Prüfung von Mäuseknochen.

Drei- und Vier-Punkt-Biegeprüfvorrichtung_7

Abb. 7: Dreipunkt-Biegevorrichtung mit verstellbarer Spannweite aus Nickel-Superlegierung für den Einsatz bei Hochtemperaturtests.

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Abb. 8: Miniatur-Vierpunkt-Biegevorrichtung mit fester Spannweite (4 mm Stützweite und 2 mm Belastungsweite).

Es können auch schraubbare Spannweitenbiegevorrichtungen vorgesehen werden, ähnlich wie bei der  Kurzträger-Scherbefestigung und die Langer Balken Biegebefestigung.

Quellen für zusätzliche Informationen:

1) ASTM Standard D790-10 (2010), "Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials" (Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen und elektrischen Isoliermaterialien), American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (Erstausgabe 1970).

2) ASTM Standard D6272-10 (2010), "Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials by Four-Point Bending" (Biegeeigenschaften von unverstärkten und verstärkten Kunststoffen und elektrischen Isoliermaterialien durch Vier-Punkt-Biegung), American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (erstmals 1998 veröffentlicht).

3) ASTM Standard D7264-07 (2007), "Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (erstmals 2006 veröffentlicht).