Laser-Längs-Quer-Scanner

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Laser-Längs-Quer-Scanner

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

Der Laser-Längs-Quer-Scanner ist ein Laserextensometer, welches im Reflexionsmodus arbeitet und auf der Anwendung von schräg applizierten Reflektorstreifen basiert. Bei mechanischer Beanspruchung im Zugversuch erfahren diese Reflektoren infolge der Translation in Längsrichtung und der Rotation aufgrund der Querkontraktion eine Winkeländerung Δα, die neben der Längsdehnung εl als Querdehnung εq vom Laserextensometer erfasst wird (Bild 1). Für den ebenen Spannungszustand (ESZ), der für schlanke prismatische Prüfkörper gilt, ergibt sich dann die Winkelbeziehung nach Gl. (1).

tan \alpha =\frac{1+\varepsilon _{l}}{1-\varepsilon _{q}}tan \alpha _{0} (1)

Aus dieser Gleichung erhält man dann die Messbeziehung nach Gl. (2), woraus sich dann die lokale Poissonzahl des jeweiligen Reflektorpaars berechnen lässt.

e_{q} = 1-(1-\varepsilon _{l})\frac{\alpha _{0}}{\alpha } (2)

Unter Annahme, dass die Breitenänderung proportional zur Dickenänderung des Prüfkörpers ist, kann man aus der Änderung der Fläche auch die Volumenänderung im Sinne einer Volumendilatometrie bestimmen (Gl. 3).

V=V_{0}(1+\varepsilon _{l})(1-\varepsilon _{q})^{2} (3)

Bild 1: Funktionsprinzip des Laser-Längs-Quer-Scanners

Laser-Messsysteme (Realisierungsvarianten)

Für dieses Messsystem existieren zwei technische Realisierungsvarianten.

Die erste Variante basiert auf dem Laser-TMA-Scanner (Bild 2), wobei hier die möglichen Scanpositionen auf maximal 16 beschränkt wurden, wodurch bei langsamen Prüfgeschwindigkeiten der zeitliche Versatz der Scans nahezu vernachlässigbar ist. Diese 16 Scanpositionen werden zu je 8 Positionen auf die Ränder des Prüfkörpers verteilt, wobei die einzelnen Scans durchaus überlappend sein können, um durch Mittelwertbildung über die 8 lokalen Vertikalscans eine Verminderung der Einflüsse von Kantenkonturrauigkeit oder Laststrangdejustierungen und damit eine Erhöhung der messtechnischen Auflösung zu erreichen. Die Vakuumröhre, welche direkt vom Sender des Laserstrahls durch die Temperierkammer bis zum eingespannten Prüfkörper führt und Änderungen der Brechzahl infolge von Turbulenzen minimiert, ist für die Ermittlung temperaturabhängiger Poissonzahlen konzipiert. Mit diesen Maßnahmen und einer Fokussierung des Laserstrahls auf einen Kreis wird eine messtechnische Auflösung von 0,05 µm wie bei dem Laser-TMA-Scanner erreicht, die für die Erfassung der Winkeländerung erforderlich ist.

Bild 2: Technische Realisierungsvariante des Laser-Längs-Quer-Scanners zur Ermittlung der lokalen Längs- und Querdehnung

Technische Daten Variante 1

  • Halbleiterlaser-Diode 670 nm mit 4 bis 6 mW konstante Leistung
  • Scanner: Prismen-Rotationsscanner
  • Messrate = 200 Hz (selbstkalibrierend)
  • Auflösung Längs-Quer-Scanner = 0,05 – 0,1 μm
  • Objektabstand 100 bis 300 mm, vorzugsweise 200 mm
  • Messbereich Längs-Quer-Scanner Längs = 50 mm
  • Messbereich Längs-Quer-Scanner Quer = 20 mm mit 20 Positionen
  • Reflektoranzahl = 2 bis 63, Reflektorabstand frei wählbar, minimal 1 mm
  • Applikation mit Folienmaske, Siebdruck, Air Brush, Tampondruck o.a.
  • Digitale Steuerverbindung zu FRANK-UPM (Universalprüfmaschine)


Die zweite Variante, die bisher allerdings nur konzeptionell existiert, basiert auf einer Modifikation des Laser-Parallel-Scanners und stellt technisch eine vereinfachte Lösungsvariante dar. Zu diesem Zweck werden die jeweils parallelen Fronten des Prismas halbseitig abgedeckt, wodurch nur unter π/2 eine Transmission des Laserstrahls möglich ist. Der zweite Laserstrahl, der durch den Strahlteiler erzeug wird, nutzt die unter 90° liegenden Flächen des Prismas, wodurch bei einer Scanfrequenz von 200 Hz nur ein zeitlicher Versatz von 0,01 s zwischen den beiden Laserstrahlen auftritt. Zur Optimierung hinsichtlich der Konturrauigkeit muss der Laserspot aufgezogen werden und näherungsweise den optimalen Winkel von 40 bis 45° aufweisen. Die Reflektoren sind ebenfalls unter dem Gesichtspunkt einer bestmöglichen messtechnischen Auflösung zu variieren (Bild 3), um sowohl die Längsdehnung als auch die Querdehnung mit einer hinreichenden Genauigkeit erfassen zu können.

Bild 3: Variante eines Laser-Längs-Quer-Scanners zur Ermittlung der lokalen Längs- und Querdehnung

Anwendungsbeispiel

In Bild 4 wurden für unverstärktes und kurzglasfaserverstärktes Polypropylen (Kurzzeichen: PP-GF30) die lokalen Poissonzahlen in Abhängigkeit vom Messort 1 bis 5 an jeweils drei Prüfkörpern ermittelt.

Bild 4: Ermittlung der lokalen Poissonzahl mit dem Laser-Längs-Quer-Scanners an Polypropylen und Polypropylen mit 30 M.-% Kurzglasfasern (Kurzzeichen: PP)

In Abhängigkeit von der Orientierung der Makromoleküle (PP) oder der Kurzglasfasern (PP GF30) nehmen die lokalen Poissonzahlen mit steigender Entfernung vom Anguss deutlich ab. Aus zahlreichen Untersuchungen ist bekannt, dass die angussferne Schwachstelle von spritzgegossenen Prüfkörpern die Einschnürung und den Bruch an dieser Position hervorruft.


Literaturhinweise

  • Grellmann, W. Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 534–537 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
  • Grellmann, W., Bierögel, C.: Laserextensometrie anwenden. Einsatzmöglichkeiten und Beispiele aus der Kunststoffprüfung Materialprüfung 40 (1998) 11–12, 452–459
  • Sirch, C., Bierögel, C., Grellmann, W.: Temperaturabhängige Bestimmung der lokalen Querkontraktionszahl an Kunststoffen mittels Laserextensometrie. In: Grellmann, W., Frenz, H. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Tagungsband Werkstoffprüfung 2014, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf (2014) 149–154
  • Grellmann, W., Bierögel, C.: Verfahren, Lichtextensometer und Prüfkörper zur berührungslosen Bestimmung der Querkontraktion. Patent DE 199 36 249 A1 (31.07.1999)
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