Methode zur Verformungsanalyse flexibler Verbunde im Querschnitt

Ausgangssituation

Die im Inneren von flexiblen Verbund­materialien durch mechanische Bean­spruchungen hervor­gerufenen strukturellen Verformungs­mechanismen sind für eine Viel­zahl von verarbeitungs- und gebrauchs­relevanten Frage­stellungen von grund­legender Bedeutung. Die häufig sehr unter­schied­lichen mechanischen und strukturellen Eigen­schaften der Einzel­komponenten bestimmen maßgeblich das Verhalten des Gesamt­verbundes.

Aktuell gibt es zwar Verfahren und Techniken zur Bild­gebung und Bild­korrelation, jedoch keine anwendungs­reife Methode, mit welcher die inneren Verformungs­vorgänge im Quer­schnitt flexibler Verbund­materialien adäquat verfolgt werden können. Bisher gibt es nur wenig Erfahrungen bei der Anwendung der digitalen Bild­korrelation (DIC) auf licht­mikroskopische Serien­bilder.

Projektziel

Es sollte eine praktikable, mit begrenztem Zeit- und Geräte­aufwand durch­führ­bare Methode auf Basis der Licht­mikroskopie entwickelt werden, um Verformungs­vorgänge in verschiedenen Leder­materialien und beschichteten Textilien durch sequen­tielle Beobachtung an Material­quer­schnitten zu verfolgen. Neben der manuellen Auswertung sollte durch den Einsatz einer speziellen DIC-Software eine genaue 2D-Auswertbarkeit der Verformungen ermöglicht werden.

Lösungsweg

Die lichtmikroskopische Aufnahme­technik musste hinsicht­lich der Beleuch­tung und Erstellung von tiefen­scharfen Einzel- und Panorama­aufnahmen auf die Erfordernisse der Aufgaben­stellung angepasst werden. Ein weiterer Schwer­punkt galt der Konzi­pierung, technischen Umsetzung und Erprobung von Miniatur­prüf­vorrichtungen zur Realisierung der anvisierten Bean­spruchungen. Ein umfangreicher Projekt­teil beschäftigte sich mit der systematischen Bild- und Software­optimierung zur Auswertung der Bild­serien.

Ergebnisse | Nutzen

Es ist gelungen, innere Verformungs­prozesse an diversen Materialien bei mechanischen Beanspruchungen ortsaufgelöst zu erfassen. Unter Berück­sichtigung des begrenzten Arbeits­abstandes (Mikroskoptisch ↔ Objektiv) und der Forderung nach einer hohen Positions­genauigkeit bei kleinsten Verschiebungen wurden Miniatur­prüf­vorrichtungen und -werkzeuge entwickelt, mit denen sich einachsige mechanische Be-/Entlastungen (Druck/Zug, Biegung, Scherung) am Material­quer­schnitt weggesteuert simulieren lassen (s. Abb. 1, exemplarisch).

Durch Anpassung der Aufnahme- und Software­parameter ließen sich tiefen­scharfe Bilder realisieren, zu Panorama­bildern und Verformungs­sequenzen zusammen­fügen und sowohl mittels manueller als auch digitaler Bild­analyse auswerten. Verschiebungen und Form­änderungen konnten mit Hilfe von DIC erfasst sowie deren Bedingungen und Verfahrens­grenzen ermittelt werden. Im Fall von struktur­losen Materialien, wie poren-/füll­stoff­freien Polymer­schichten, kann die Struktur­verfolgung durch Auftrag eines fein­zerstäubenden Partikel­sprays verbessert werden. Bei kontrast- und struktur­varianten Material­quer­schnitten (s. Abb. 2) ist dies häufig nicht erforderlich. Aufgrund der besonderen Struktur und des auf Faserebene nicht monotonen Verhaltens ist die Struktur­verfolgung textiler Gebilde mittels DIC zumeist nicht umsetzbar.

Mit Hilfe der entwickelten Methodik ist es u. a. möglich, Verformungs­zonen, Material­verdrängungen, Dehnungs­konzentrations­stellen, schicht- und komponenten­spezifische Deformations­prozesse im µm-Skalenbereich zu untersuchen.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben „Methode zur Verformungs­analyse flexibler Verbünde im Querschnitt“, Reg.-Nr.: 49MF180025 wurde anteilig vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundes­tages innerhalb des Förder­programms „FuE-Förderung gemein­nütziger externer Industrie­forschungs­einrichtungen – Innovations­kompetenz (INNOKOM) – Modul Markt­orientierte Forschung und Entwick­lung (MF)“ über den Projekt­träger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.