Die Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe werden maßgeblich von Faserverteilung und Faserrichtungen bestimmt. Wir messen diese Kenngrößen in Volumendaten zerstörungsfrei.

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Faserverbund-Werkstoffe

Die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe werden maßgeblich durch die Geometrie ihrer Mikrostruktur, vor allem Faserverteilung und Faserrichtungen, bestimmt. Spezialisierte Analysemethoden können diese wesentlichen Kenngrößen der Geometrie aus Bilddaten berechnen. Zur dreidimensionalen Charakterisierung eignen sich vor allem µCT-Rekonstrutktionen, doch auch zweidimensionale bildgebende Verfahren wie z.B. akustische Mikroskopie (SAM) kommen zum Einsatz.

Das Softwarepaket MAVI beinhaltet eine Reihe spezieller, effizienter Algorithmen zur Charakterisierung glasfaserverstärkter (GFK) und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK):

  • Lokale Faservolumendichte
  • Lokale und globale Orientierungstensoren
  • Faservorzugsrichtung
  • Anisotropiegrad
  • Spezifische Faserlänge (Gesamtfaserlänge pro Volumeneinheit)
  • Mittlere Faserdicke
  • Visualisierung lokaler Dichten und Faserorientierungen
Analyse einer UUltraschall-Mikroskopie-Aufnahme einer SMC-Zugprobe
© Foto Visualisierung IVW Kaiserslautern

Analyse einer Ultraschall-Mikroskopie-Aufnahme einer SMC-Zugprobe, mit einem Glasfaseranteil von 30%, wobei sich die Glasfasern 0.07 mm unter der Oberfläche in einer Kunststoffmatrix befinden (a). Das Fasersystem wird binarisiert (b) und an jedem Faserpunkt die Faserrichtung berechnet (c).

Räumliche Darstellung der quantitativen Ergebnisse mit dazugehörigem Plot der Diagonalelemente der lokalen Orientierungstensoren
© Foto IVW Kaiserslautern

Die Messungen können zur Visualisierung der lokalen Faserrichtung mit den Bilddaten überlagert werden. Dies ergibt eine räumliche Darstellung der quantitativen Ergebnisse. Ein Plot der Diagonalelemente der lokalen Orientierungstensoren zeigt die Verdrehung des Fasersystems im Probeninneren aufgrund rheologischer Effekte.

Analyseergebnisse nach einem Region-Of-Interest-Scan an einem Bremsleitungshalter.
© Foto ITWM

Analyseergebnisse nach einem Region-Of-Interest-Scan an einem Bremsleitungshalter. 3D-Visualisierung der lokalen Faserorientungsabweichung von der Hauptfaserorientierung. Gelbe Färbung markiert lokale Abweichungen die größer als 20° sind.

Mit Hilfe dieser geometrischen Kenngrößen lassen sich die Homogenität der Faserkomponente und die Ausprägung der gewünschten Faserrichtung(en) prüfen. Darüberhinaus lassen sich stochastische Geometriemodelle erstellen. Geometrien können auf Voxelgittern oder in Form von Oberflächennetzen zur Verfügung gestellt werden und eignen sich zur Berechnung strukturmechanischer Eigenschaften von Composites.  

Ultra hochfester Beton (UHPC) ist ein hochwertiges Material im Bauingenieurwesen. Eingebettete Fasern verbessern die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Nachrissfestigkeit. In einem Projekt wurden beispielsweise Faserverteilung und Faserorientierung mit MAVI analysiert und das Faserauszugverhalten an μCT-Daten aus in-situ Zugversuchen studiert.

 

Veröffentlichungen

Schuler, F.; Breit, W.; Schnell, J.; Rösch, R.:
Möglichkeiten des Einsatzes der Computer-Tomographie bei der Untersuchung von Stahlfaserbetonen.
Betonwerk International, Heft 4, S. 70-72, (2013).

Wirjadi, O.; K. Schladitz, K.; Easwaran P.; Ohser J.:
Estimating Fibre Direction Distributions of Reinforced Composites from Tomographic Images.
Image Analysis and Stereology 35, 167-179, (2016).

Schladitz, K.; Büter, A.; Godehardt, M.; Wirjadi, O; Fleckenstein, J.; Gerster, T.; Hassler, U.; Jaschek,  K.; Maisl, M.; Maisl,  U.; Mohr, S.; Netzelmann, U.; Potyra, T.; Steinhauser, M.:
Non-Destructive Characterization of Fiber Orientation in Reinforced SMC as Input for Simulation Based Design.
Composite Structures 160, 195-203, (2017).