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Taking the stress out of composites
testing
Helmut Fahrenholz - Zwick/Roell H. Fahrenholz
L
ong fiber composite materials are increas- physical testing of fiber-reinforced
ingly being selected for use in a number of composites.
industry applications, including aerospace, In addition to the international and
automotive and wind turbines, where they national series of standards from
offer unique advantages including high tensile ASTM, ISO, EN and DIN, there are
strength and light weight. aerospace industry standards,
The increased use of composites as a material developed by Airbus, Boeing and
system of choice for design and structural NASA, plus standards from associ-
engineers has driven the requirement for more ations that no longer exist such as
efficient methodologies related to the speed Suppliers of Advanced Composite
and ease with which these materials may Materials Association (SACMA).
be evaluated. The fiber orientation of makes Despite continuous development
measuring their properties disproportionately of these standards, complex test
more complex than for other materials such as fixtures and expensive, time-con-
metals or plastics. suming strain measurement
The process of testing composite materials methods are still the norm in many
is also complicated by the broad array of testing laboratories.
standards and test procedures in use. There As the adoption of composites
are presently more than 150 standards – some over other materials continues,
more than 30 years old -- which describe the the volume of testing scales
Semplificare i test dei compositi
Helmut Fahrenholz - Zwick/Roell
I materiali compositi a fibra lunga sono sem- è anche resa più complessa dalla vasta serie norma generale per molti laboratori dedicati
pre più utilizzati per una serie di applicazioni di standard e di procedure di test in uso. At- all’esecuzione dei test.
industriali, inclusi il settore aerospaziale, tualmente esistono più di 150 standard, alcuni Con l’utilizzo sempre più diffuso dei compositi
automotive e quello delle turbine eoliche dove dei quali risalenti a 30 anni fa, che descrivono rispetto ad altri materiali, la quantità di test
offrono vantaggi unici, compresi la resistenza l’analisi fisica dei compositi fibrorinforzati. aumenta progressivamente creando così la
alla trazione e il basso peso. Oltre alle serie internazionali e nazionali delle necessità di una superiore efficacia dei test
L’uso crescente dei compositi come materiali normative ASTM, ISO, EN e DIN, esistono gli senza dover sacrificare l’accuratezza delle mi-
preferiti da progettisti e ingegneri strutturali, standard dell’industria aerospaziale, messi sure. Alla luce di ciò, la razionalizzazione della
ha richiesto l’uso di metodologie più efficaci a punto da Airbus, Boeing e NASA oltre alle preparazione dei campioni e le metodologie
caratterizzate dalla velocità e dalla facilità con norme provenienti da associazioni che non dei test possono contribuire a semplificare i
cui questi materiali possono essere valutati. esistono più come la Suppliers of Advanced test sui compositi. Le soluzioni di automazione
L’orientamento della fibra rende la misura Composite Materials Association (SACMA). specializzate possono anch’esse contribuire
delle loro proprietà molto più complessa che Nonostante il continuo sviluppo degli standard, ad eliminare le preoccupazioni dovute ai test
per altri materiali come i metalli o le materie le attrezzature per test complessi e i metodi di dei compositi.
plastiche. test per la misura della deformazione, costosi I test solitamente utilizzati per valutare la
La procedura di analisi dei materiali compositi e molto laboriosi rappresentano ancora la resistenza a trazione, alle forze di taglio e
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Fig. 2 HIT 230 F
instrumented drop-
weight tester is
used to predamage
specimens for the
compression-after-
impact (CAI) test
La torre di caduta
HIT 230 F è utilizzata
per l’urto su
campioni destinati a
test di compressione
dopo l’impatto (CAI)
dramatically, creating the need for efficiency in testing without sac-
rificing accuracy in measurement. In light of this, a rationalization of
specimen preparation and testing methodologies can help simplify
the testing of composites. Specialist automation solutions can also
help take the stress out of composite testing.
Tests commonly used to evaluate tensile strength, shear strength
and fatigue properties of metals are not as straightforward in the
world of advanced composites. For example, the characteristics
described by the tensile test differ greatly according to fiber direc-
tion and structure.
Compressive and flexural properties cannot be predicted on the ba-
sis of tensile properties and must therefore be tested independently.
For shear properties several test methods have evolved to enable
properties in different shear directions to be characterized.
le proprietà di resistenza a fatica dei metalli non sono così ben
definiti nel mondo dei materiali compositi avanzati.
Ad esempio, le caratteristiche descritte dal test della resistenza a
trazione differiscono molto in base alla direzione e alla struttura
della fibra. Le proprietà di flessione e di compressione non possono
essere previste in base alle proprietà di trazione e devono quindi
essere analizzate indipendentemente. Per quanto riguarda le
proprietà di resistenza alle forze di taglio sono stati messi a punto
diversi metodi di test per permettere di caratterizzare le proprietà
in varie direzioni di taglio.
I test di resistenza a fatica, essenziali per le applicazioni strutturali
in campo aerospaziale e lo sviluppo delle pale delle turbine eoliche
devono anche considerare una vasta gamma di temperature e di
umidità.
Oltre ai test tradizionali a compressione e flessione, ne esistono
altri specifici per i compositi. Nell’ambito dell’industria aerospa-
ziale, il CAI, test della compressione dopo l’urto (Compression After
Impact) viene utilizzato per compiere indagini sulla tolleranza al
danneggiamento del materiale composito indotto dall’urto in volo
con un uccello o con altro corpo estraneo.
Il CAI richiede che le piastre vengano danneggiate da un urto
con un’energia prefissata. L’attrezzatura idonea per compiere
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Fatigue tests essential to aerospace structural test equipment for this is a drop-weight tester Specimen grips operating on a wedge or
applications and the development of wind tur- generating adjustable energies between 10 J wedge-screw principle are normally used. The
bine blades must also take into consideration a and 100 J at a drop height greater than 0.5m exact alignment can in simple cases be checked
wide range of temperatures and varying levels (Fig. 2). by using a specimen with three strain gauges
of humidity. The precision of the drop-weight tester applied and comparing the specimen strain
In addition to the classical tensile, com- allows more exact monitoring of the damage measured. More advanced testing requires
pression and flexure tests, there are several process. Recording the impact process with a special aids to detect angular and axial errors
tests that are specific to composites. In the high-speed camera may also be worthwhile. in any direction. The variety of tests involved
aerospace industry, compression after impact The pre-damaged platens are then loaded to in evaluating the material properties of com-
(CAI) testing is used to investigate a composite failure using a static testing machine and a posites requires frequent equipment changes.
material’s tolerance of damage induced by a standardized fixture (Fig. 3). Test systems that contain two test areas speed
bird strike or contact with other foreign objects The damage is measured by the reduction throughput by reducing changeover time in
in flight. in compression strength against that of an between testing routines.
The CAI test requires platens to be damaged undamaged test platen. An upper area accommodates tests such as
by impact at a pre-determined energy. Suitable High tensile strengths and sensitive flexural in-plane shear (IPS) and open-hole tensile tests
behavior are typical properties without requiring equipment changes.
of a carbon fiber composite Additional fixtures for three and four-point
with a unidirectional layup. Two flexure tests, interlaminary shear strength (ILS)
essential requirements for tensile or the Iosipescu V-notch shear test can be con-
tests are specimen loading over a veniently attached via slide-in inserts used in
large area, achieved by the use of the tensile grips in place of jaws. These inserts
load transmission elements in the enable rapid equipment changes and have the
form of bonded tabs, and a tensile added advantage of maintaining the pre-set
load aligned exactly axially. axial alignment of the specimen grips (Fig. 5).
sensibile alla flessione, sono quello delle forze di taglio in piano (IPS) e i test
proprietà tipiche di un compo- della trazione a foro aperto senza richiedere
sito a base di fibra di carbonio variazioni delle attrezzature.
con layup unidirezionale. Due Ulteriori sistemi destinati ai test di flessione a
Fig. 3 Predamaged specimen is compression-loaded until failure; requisiti fondamentali dei test quattro punti, di taglio interlaminare (ILS) o il
standards distinguish between guided and gripped retention
in the fixture alla trazione sono il carico del test delle forze di taglio losipescu con intagli a
Il provino pre-danneggiato è sottoposto a compressione fino campione su una ampia super- V possono facilmente venire aggiunti mediante
alla rottura; gli standard distinguono tra sistemi di tenuta del ficie, ottenuto grazie all’utilizzo inserti a scorrimento utilizzati nelle prese di
provino guidati o ammorsati di elementi di trasmissione del trazione al posto delle ganasce. Questi inserti
carico nella forma di tavole consentono di cambiare velocemente le attrez-
incollate e il carico a trazione zature con l’ulteriore vantaggio di mantenere
questo test è la torre di caduta che genera allineato in modo perfettamente assiale. l’allineamento assiale preimpostato dei sistemi
un quantitativo di energia variabile dai 10 ai Normalmente, sono utilizzati morsetti a cuneo di presa del campione (Fig. 5).
100 joules con una altezza di caduta supe- costituiti da un corpo solido con ganasce in- Il test della compressione permette di misura-
riore a 0,5 m (Fig. 2). La precisione del test di tercambiabili o ganasce fisse. L’allineamento re le proprietà di tutto il composito oltre alla
caduta consente di monitorare in modo molto esatto può in alcuni casi essere controllato tenacità della fibra. La sfida consiste nell’in-
preciso il processo di danneggiamento. Anche utilizzando un campione con tre misuratori durre la deformazione da compressione fino
la registrazione dell’urto con una camera ad della deformazione applicati e confrontando la a raggiungere la degradazione del materiale,
alta velocità può essere una procedura utile. I deformazione del campione. Test più avanzati se possibile senza schiacciamento; ciò signi-
campioni pre-danneggiati vengono poi caricati richiedono attrezzature speciali per trovare gli fica evitare piegature in un campione piano e
fino a raggiungere lo stato di degradazione con errori angolari e assiali nelle varie direzioni. planare. Sono stati messi a punto vari metodi
l’ausilio della macchina da test statica e un La varietà dei test eseguiti per valutare le a tale scopo, fra cui il carico finale e il carico
sistema strumentale standard (Fig. 3). Il danno proprietà del materiale dei compositi richiede da taglio.
viene misurato con la riduzione della forza di di cambiare frequentemente le attrezzature. I Il primo è stato messo a punto dal test della
compressione contro quella di un campione sistemi di analisi che prevedono due velocità compressione sulla plastica in base ad ASTM
non danneggiato. di analisi riducono le durate fra i cicli di test. D 695. Durante il processo di compressione il
L’alta resistenza alla trazione e una risposta Un’area in posizione elevata esegue test come campione è posto fra due lastre di supporto
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The compression test allows the properties of
the whole composite to be measured in addition
to fiber strength. The challenge lies in inducing
compression deformation up to failure of the
Fig. 4 Zwick has an extremely
efficient modular solution material, if possible without buckling; this
which covers 21 different means avoiding bending in a flat, planar speci-
types of test and some men. Various methods have been developed for
115 standards over a
this, including end loading and shear loading.
wide temperature range,
using a single testing End loading was developed from the compres-
machine sion test on plastics to ASTM D 695.
Zwick dispone di una During the compression process the specimen
soluzione modulare che
permette di coprire 21
is located between two support plates de-
diversi tipi di prove e signed to prevent buckling. Boeing developed
115 standard in un vasto the method further to ensure that the guide
spettro di temperature elements were positioned at right angles to the
usando una sola
macchina di prova compression surface.
To determine the compression modulus, spec-
imen grips without bonded tabs are used to
ensure exactly axial loading of the composite
in the measurement range.
To measure tensile strength, specimens with
bonded tabs are used to avoid premature de-
struction of the composite at the loading points.
During a shear loading test, load is applied via
progettate per prevenire lo schiacciamento. della deformazione. Inoltre,
Boeing ha sviluppato ulteriormente il metodo i cunei devono mantenersi
per garantire che gli elementi guida venissero puliti e lubrificati uniforme-
posizionati ad angolo retto rispetto alla super- mente per garantire una tra-
ficie di compressione. smissione di carico assiale
Per determinare il modulo di compressione, sufficiente. Le complessità
per garantire esattamente il carico assiale implicate da questi test
dei compositi nelle serie di misura, vengono causano frequentemente
utilizzati i sistemi di presa del campione senza fenomemi di eccessiva fles-
tavole incollate. sione del campione.
Per misurare la resistenza alla trazione, vengo- Una soluzione al problema
no usati campioni con tavole incollate così da è offerta dal sistema di
evitare la distruzione prematura del composito compressione idraulico dei
nei punti di carico. compositi (HCCF), commer-
Durante l’esecuzione del test del carico di cializzato esclusivamente
taglio, il carico viene applicato con morsetti da Zwick con brevetto di
di trazione che permettono di determinare il IMA Dresda (Fig. 6). I cunei
modulo di compressione e la resistenza alla del sistema IITRI vengono
compressione in un'unica sequenza del test. Il sostituiti con un apparato
metodo richiede di monitorare la flessione, che di morsetti a funzionamento
non deve superare il valore del 5% o del 10%, idraulico e a chiusura pa-
in base alla norma, nel range variabile dal 10% rallela con ganasce piane
al 90% della compressione totale. allineate esattamente l’una Fig. 5 Test fixtures mounted on specimen grips via T-slotted shoe
Esistono altre criticità nel test della compres- con l’altra. connectors greatly simplifies equipment.
sione. Le attrezzature usate nei test della Grazie all’utilizzo di HCCF, Gli accessori di prova montati direttamente sugli afferraggi
compressione possono ostruire il passaggio l’accesso al campione tramite gli slot a T semplificano notevolmente l’allestimento della
macchina di prova
sul campione, rendendo più difficile la misura bloccato rimane eccellente.
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monitoring of flexure, which must other. Using the HCCF, access to the clamped
not exceed a value of 5% or 10% - specimen remains excellent. The clamping
depending on the standard – in the procedure is greatly simplified and eliminates
range between 10% and 90% of total wedge movements during the test. Wedge
compression. There are also complex- movements have an undesirable tendency
ities present in compression testing. to amplify any bending moments arising. In
Fixtures used in compression tests addition the HCCF may also be used for the
can obstruct access to the specimen, combined loading test method described in
complicating strain measurement. In ASTM D 6641. While the test fixtures form the
addition, the wedges must be kept contact between specimen and test device,
quite clean and uniformly lubricated the software provides the link to the operator,
to ensure sufficient axial load trans- giving access to test sequences, evaluation,
mission. The complexities involved in data storage and logging. Pre-prepared
conducting these tests frequently lead standard test programs relieve the operator
Fig. 6 Parallel-closing hydraulic composites compression to occurrences of excessive specimen of complicated set-up operations and ensure
fixture (HCCF) brings a high degree of rationalization to flexure. tests can be repeated exactly. In addition to
compression tests One solution to the problem is offered displaying curve graphics and results, Zwick’s
Gli accessori idraulici a chiusura parallela per la
compressione dei compositi apportano un alto grado di
by the hydraulic composites compres- testXpert® II measurement and control software
razionalizzazione alle prove di compressione sion fixture (HCCF), marketed exclu- also enables typical misalignment and flexure
sively by Zwick via a patent belonging monitoring functions.
to IMA Dresden (Fig. 6). Increased levels of testing and growing demands
tensioning clamps, allowing compression mod- The wedges of the IITRI fixture are replaced by on test repeatability have placed the issue of full
ulus and compressive strength to be determined a parallel-closing hydraulic clamping arrange- automation in the spotlight. Robotic positioning
in a single test sequence. The method calls for ment with flat jaws aligned exactly with each systems ensure the placement of specimens in
La procedura di bloccaggio viene semplificata usuali in laboratorio, con
grandemente eliminando anche i movimenti un chiaro incremento delle
del cuneo durante l’esecuzione del test. Il funzionalità.
movimento dei cunei tende ad amplificare i Hexcel U.K.(Fig. 7) è stato il
momenti di flessione. Inoltre, HCCF può essere primo produttore di compo-
utilizzato per eseguire il test del carico combi- siti al mondo ad usare siste-
nato, descritto in ASTM D 6641. mi di test completamente
Se da un lato le attrezzature del test creano il automatizzati. Da allora i
contatto fra il campione e le attrezzature dei sistemi automatizzati sono
test, il software dà la connessione all’opera- stati utilizzati in tutta l’in-
tore dando accesso alle sequenze di test, di dustria dei compositi, per
valutazione, archivio dati e registrazione. I pro- eseguire i test di resistenza
grammi di test standard preimpostati liberano alla trazione su filamenti
l’operatore dalle complesse operazioni di im- di fibra e campioni piani,
postazione garantendo l’esatta riproducibilità eseguire misure della resi-
dei test. Oltre alla visualizzazione del grafico e stenza alle forze di taglio in
dei risultati, le misure e il software testXpert® piano (IPS) e di scorrimento Fig. 7 Fully automated set-up for tensile/compression testing CFK
di Zwick permettono anche le funzioni di per sovrapposizione. Le se- materials at Hexcel Duxford, UK
Impianto completamente automatizzato per le prove di trazione/
monitoraggio dei casi tipici di disallineamento quenze completamente au- compressione su materiali CFK presso Hexcel, Duxford, UK
e di flessione. tomatizzate possono essere
Le richieste pressanti di test e di riproducibilità utilizzate per determinare
dei test hanno posto il tema dell’automazione le proprietà di flessione con i metodi del test messo di eseguire i test in volume o su scala
al centro dell’attenzione. I sistemi di posiziona- a tre-quattro punti oppure di resistenza alle industriale.
mento robotizzato garantiscono che il posizio- forze di taglio interlaminari (ILS) a temperatura Questa esperienza è la prova che con la scelta
namento dei campioni avvenga sempre nello ambiente o in una cabina umidostatica. adeguata di attrezzature, sistemi e software
stesso modo. Inoltre, i test di routine possono Le installazioni del sistema di test comple- operativi, i test sui compositi non sono più un
essere eseguiti al di fuori delle ore di lavoro tamente automatizzato di Hexcel hanno per- motivo di preoccupazione.
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exactly the same way. operation throughout the composites industry, temperature chamber.
Additionally, routine tests can be performed out- performing tensile tests on filament threads Installation of the fully automated testing system
side the normal working hours of the laboratory, and flat specimens, measuring in-plane shear at Hexcel has enabled the company to perform
representing a genuine increase in capacity. strength (IPS) and overlap shear. volume testing on an industrial scale. Hexcel’s
The UK site of Hexcel (Fig. 7) was the first Fully automatic sequences can be used to experience is a testament to the fact that with
composites manufacturer in the world to use determine flexural properties via three and proper choice of equipment, fixtures and operat-
fully-automated testing systems. four-point test methods, or interlaminary shear ing software, testing composites does not need
Automated systems have since been put into strength (ILS) – at room temperature or in a to be stressful.
HELMUT FAHRENHOLZ (Dipl.-Ing) has been employed at testing HELMUT FAHRENHOLZ (Dipl.-Ing) è al servizio
machine manufacturer Zwick GmbH & Co. in Ulm, Germany, in dell'azienda produttrice di attrezzature per test
various capacities since 1987. Zwick GmbH & Co., Ulm, Germania, con varie mansioni
As Industry Manager for Composites he engages customers within dal 1987. In qualità di manager di ambito industriale nel
several industry sectors around the globe to identify solutions to settore dei compositi opera con la clientela internazionale di vari
the challenge of characterizing material properties of composites. settori industriali contribuendo ad individuare soluzioni per la
He also leads efforts that support the development of testing caratterizzazione delle proprietà dei materiali compositi. Opera anche
equipment. a supporto delle attività di sviluppo delle attrezzature per test.
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