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Laser-Parallel-Scanner

Funktionsprinzip

Der Laser-Parallel-Scanner ist ein Laserextensometer, welches ebenfalls im Reflexionsmodus arbeitet und eine Weiterentwicklung des Laser-Winkel-Scanners darstellt. Der erzeugte Laserstrahl wird hier mit einem rotierenden Prisma abgelenkt und auf den kodierten Prüfkörper fokussiert (Bild 1), wobei die Laserstrahlen an jeder Scanposition planparallel zueinander sind und keine Korrektur erforderlich ist. Die Diagonale des verwendeten Prismas definiert den Scanbereich dieses Laserextensometertyps. Von der Fa. Fiedler-Optoelektronik werden die Typen P-50 und P-100 mit Scanbereichen von 50 bzw. 100 mm angeboten. Die diffusen Reflexionen von den Reflektorstreifen werden über eine Sammellinse von einer Flächenphotodiode als lokale zeitliche Positionsänderung mit hoher Auflösung im Zugversuch registriert.

Parallel 1.jpg

Bild 1: Funktionsweise des Laser-Parallel-Scanners zur Ermittlung der lokalen Längsdehnung

Mit mehreren Scans im lastlosen Zustand können bei den bekannten Abständen der Reflektorstreifen die lokalen Verlängerungen und Dehnungen berechnet werden. Mit den Start- und Stoppdioden können auch hier Gleichlaufschwankungen des Motors kompensiert werden. Bei einem Objektabstand zwischen Messsystem und Prüfkörper von 200 mm liegt die realisierte messtechnische Auflösung im Bereich von 0,1 bis 1,0 µm, wodurch dieses Messsystem zur Erfassung der elastischen Konstanten, wie Elastizitätsmodul oder Elastizitätsgrenze geeignet ist.

Technische Daten

  • Halbleiterlaser-Diode 670 nm mit 4 bis 6 mW konstante Leistung
  • Scanner: Prismen- Rotationsscanner
  • Messrate = 50 Hz oder 200 Hz (selbstkalibrierend)
  • Auflösung Parallelscanner = 0,1–0,5 μm
  • Objektabstand 100 bis 300 mm, vorzugsweise 200 mm
  • Messbereich Parallelscanner = 55 mm (P-50) oder 110 (P-100)
  • Reflektoranzahl = 2 bis 63, Reflektorabstand frei wählbar, minimal 1 mm
  • Applikation mit Folienmaske, Siebdruck, Air Brush, Tampondruck o.a.
  • Digitale Steuerverbindung zu ZWICK-UPM mit TestExpert-Sensor

Anwendung

Bei dem konventionellen Zugversuch an Kunststoffen wird die integrale Prüfkörperdehnung normalerweise mittels Ansetzdehnungsfühler oder Traversenweg gemessen. Bei Adaption dieses Messsystems an eine Universalprüfmaschine wird die Prüfkörperdeformation optoelektronisch durch aufgebrachte Messmarken erfasst. Da auf der Oberfläche der Prüfkörper bis zu 63 Targets aufgebracht werden können, kann das lokale Deformation­sverhalten von Kunststoffprüfkörpern in Abhängigkeit von der Zeit oder der integralen Prüfkörperdehnung dargestellt werden (Bild 2). Mit diesem Laserextensometer lassen sich aufgrund der hohen messtechnischen Auflösung schon frühzeitig Inhomogenitäten des Dehnungsverhaltens (siehe: Laser-Heterogenität der Dehnungsverteilung feststellen, die durch die mittige Kerbe hervorgerufen werden.

Parallel 2.jpg

Bild 2: Lokale Dehnungsverteilung eines gekerbten Polyamid 6-Prüfkörpers mit 20 M.-% Kurzglasfasern

Mit der Dehnungsheterogenität können außerdem Alterungseffekte, der Einfluss von Verstärkungszuschlägen oder Schweiß- und Bindenähten, Haftungsbedingungen zwischen Faser und Matrix (siehe Faser-Matrix-Haftung) und lokale Kennwertdifferenzen quantifiziert werden. Bei Kopplung mit einer Zwick-Materialprüfmaschine ist die integrale oder lokale Dehnungsregelung unabhängig von der Messposition möglich.


Literaturhinweise

  • Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage S. 534−539, ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; 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
  • Kugler, H. P., Geissler, A., Eisenreich, N., Fabry, K.: Verfahren und Anordnung zur Untersuchung einer Probe unter Zug. Europäische Patentschrift 0 194 354 B1
  • Bierögel, C., Grellmann, W.: Determination of Local Deformation Behaviour of Polymers by Means of Laser Extensometry. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Eds.): Deformation and Fracture Behaviour of Polymers. Springer, Berlin (2001) 365–384
  • Bierögel, C., Grellmann, W.: Ermittlung des lokalen Deformationsverhaltens von Kunststoffen mittels Laserextensometrie. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen. Springer, Berlin (1998) 331–344
  • Grellmann, W., Bierögel, C., König, S.: Evaluation of Deformation Behaviour of Polyamide using Laserextensometry. Polymer Testing 16 (1997) 225–240