Labor mit DMTA-Prüfanlage

Das Labor unserer Abteilung hat u.a. eine DMTA-Prüfanlage (Dynamisch-mechanisch-thermische Analyse). Hier bieten wir strömungs- und strukturmechanische Materialcharakterisierung aus einer Hand.

Struktur- und strömungsmechanische Materialcharakterisierung

Die Kenntnis relevanter struktur- und strömungsmechanischer Eigenschaften eines Materials ist eine wichtige Entscheidungsgrundlage dafür, ob das Material für ein Einsatzgebiet geeignet ist. Darüber hinaus stellen diese Informationen wesentliche Eingabedaten für unsere Strömungs- und Materialsimulationen dar.
 

Dynamisch-mechanische Thermo-Analyse (DMTA)

Bei diesem Prüfverfahren untersuchen wir das strukturmechanische Verhalten eines Materials durch Aufbringen einer konstanten bzw. periodischen Kraft bzw. Verschiebung (statischer bzw. dynamischer Test). Bei Vorgabe von Kräften erfassen wir die zugehörigen Verschiebungen und leiten Spannungs-Dehnungs-Kurven ab. Dynamische Tests in Verbindung mit einer Stickstoffkühlung bzw. -heizung erlauben es, das viskoelastische Verhalten eines Materials in Abhängigkeit von Frequenz, Amplitude und Temperatur zu charakterisieren. Ebenso werden durch zyklische Test die plastischen Eigenschaften sowie die Schädigung eines Materials untersucht.

Die folgenden Testszenarien sind u.a. realisierbar:

  • Quasi-statische Tests: Be- und Entlastung mit zunehmender Kraft zur Untersuchung des statischen elastischen und plastischen Materialverhaltens
  • Dynamische Tests: Oszillierende Belastung und Relaxation zur Bestimmung des viskoelastischen Materialverhaltens
  • Temperaturdurchläufe zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf die strukturmechanischen Materialeigenschaften und Bestimmung von Masterkurven

Durch den Einsatz verschiedener Kraftmessköpfe (25N, 150N und 2500N) kann ein weites Spektrum von Materialien geprüft werden – von sehr weich (z.B. Vliesstoffe) bis hart (z.B. faserverstärkte Kunststoffe).

Zyklische Dehnung
© Fraunhofer ITWM
Zyklische Dehnung (blau) und dadurch hervorgerufene Spannung (rot) bei der Analyse eines Materials.

Luftdurchlässigkeitsmessung

Zur strömungsmechanischen Materialcharakterisierung verfügt unser Labor über ein Prüfgerät zur Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von (technischen) Textilien wie etwa

  • Vliesstoffen (z.B. Filtermedien, Hygieneprodukte)
  • Geweben
  • Gestricken und Gewirken

Zusätzlich zu standardisierten Prüfverfahren, die die Vorgabe eines festen Differenzdrucks vorsehen (z.B. ISO 9237) können auch nichtlineare Zusammenhänge (z.B. Forchheimer-Gesetz) zwischen Volumenstrom und Differenzdruck schnell und exakt erfasst werden. In Anwendungen, in denen die akustischen Materialeigenschaften von Interesse sind, liefern die Messungen auch die Schallkennimpedanz. In Verbindung mit dem DMTA-Prüfgerät können wir interessante Effekte wie etwa der Einfluss der mechanischen Kompression auf den Strömungswiderstand von Vliesstoffen gezielt untersuchen.

Zusammenhang zwischen Volumenstrom und anliegendem Differenzdruck
© Fraunhofer ITWM
Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Volumenstrom und anliegendem Differenzdruck bei einem Filtermedium.
Strukturmechaniksimulation für einen Vliesstoff
© Fraunhofer ITWM
Strukturmechaniksimulation für einen Vliesstoff mit Binder (gelb).

Anwendungsbeispiele

  • Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den strukturmechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und ihrer Komponenten (z.B. Faservolumenanteil und -orientierung)
  • Bestimmung von Masterkurven für Thermoplaste und gummiähnlichen Materialien mit Hilfe von Temperatur- und Frequenzdurchläufen
  • Charakterisierung der Zugfestigkeit von Vliesstoffen in Maschinen- und Gegenrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
  • Bestimmung des Strömungswiderstands von Filtermedien in Abhängigkeit von der Kompression
  • Messung der Luftdurchlässigkeit und Schallkennimpedanz von akustischen Absorbern
  • Erzeugung eines strömungs- und strukturmechanischen digitalen Zwillings für Materialien
    • auf unterschiedlichen Größenskalen (mikro- und makroskopisch)
    • für verschiedene Simulationsmethoden und -tools

Unsere Services und Kompetenzen

  • Materialcharakterisierung auf der Basis von
    • Dicke und Flächengewicht
    • strukurmechanischen Kenngrößen:  Zug-, Biege- und Kompressionstests unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur
    • Luftdurchlässigkeit und Schallkennimpedanz
  • Automatisierte Ableitung von Masterkurven aus Messdaten online möglich
  • Materialcharakterisierung, Parameteridentifikation, Modellierung und Simulation aus einer Hand

Wesentliche technische Merkmale der Prüfgeräte
 

Dynamisch-mechanische Thermo-Analyse (DMTA)

  • EPLEXOR 500N (Netzsch Gabo Instruments GmbH)
  • Kompression, Zug, 3-Punkt-Biegung
  • Vielfältige Möglichkeiten zur Bestimmung der statischen bzw. dynamischen Materialeigenschaften
    • Beliebige Lastzyklen bei Vorgabe der Kräfte bzw. der Dehnungen
    • Frequenz- und Temperaturdurchläufe möglich
    • Relaxations- und Kriechversuche
    • Einstellung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einer Temperaturkammer möglich
  • Bestimmung von Masterkurven
  • Maximale statische Last:                    ±1500 N
  • Maximale dynamische Last:                ±500 N
  • Maximale dynamische Dehnung:        ±4 mm
  • Frequenzbereich:                               0.01 Hz – 100 Hz
  • Temperaturbereich:                           -150 °C – 500 °C
DMTA-Prüfgerät EXPLEXOR 500N
© Fraunhofer ITWM
DMTA-Prüfgerät EXPLEXOR 500N für Dynamisch-mechanisch-thermische Analysen.
Luftdurchlässigkeitsprüfgerät
© Fraunhofer ITWM
Luftdurchlässigkeitsprüfgerät FX 3300 LABAIR IV.

Luftdurchlässigkeitsprüfung

  • TEXTEST FX 3300 LABAIR IV (TEXTEST AG)
  • Messfläche: 20 cm²
  • Druckbereich: 20 Pa – 2500 Pa
  • Automatische sequenzielle Messung der Luftdurchlässigkeit für eine vorgegebene Liste von Druckdifferenzen möglich
  • Bestimmung der Schallkennimpedanz