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Laser-TMA-Scanner

Funktionsprinzip

Der Laser-TMA-Scanner ist ein Laserextensometer, welches im Reflexionsmodus arbeitet und für die Thermische Spannungs-(TSA) bzw. Dehnungs (TDA)-Analyse entwickelt wurde. Dieses Messsystem stellt eine spezielle Variation des Flächenscanners der Fa. Fiedler Optoelektronik GmbH Lützen dar, welches wiederum eine Variante des Laser-Parallel-Scanners P50 ist. Dieses Laserextensometer wurde mit einem über Schrittmotor oder Magnet verstellbaren Spiegel erweitert, der die Möglichkeit zur horizontalen Verschiebung des vertikal scannenden Laserstrahls bietet (Bild 1). Dadurch ergeben sich in Breitenrichtung bis zu 250 Messpositionen für den hoch fokussierten Laserstrahl in Vertikalrichtung, wobei sich hier jedoch ein erheblicher Zeitversatz zwischen dem ersten und 250-zigsten Vertikalscan ergeben kann. Für den Laser-TMA-Scanner wurden deshalb die möglichen Scanpositionen auf maximal 20 beschränkt, wodurch bei langsamen Prüfgeschwindigkeiten oder rein thermischen Beanspruchungen der zeitliche Versatz der Scans nahezu vernachlässigbar ist. Diese 20 Scanpositionen werden äquidistant über der Breite verteilt. Durch die Mittelwertbildung über die 20 lokalen Vertikalscans kann eine Verminderung der Einflüsse von Kantenkonturrauigkeit oder Laststrangdejustierungen und damit eine Erhöhung der messtechnischen Auflösung erreicht werden. Diesem Zweck dient auch die Applikation einer Vakuumröhre, welche direkt vom Sender des Laserstrahls durch die Temperierkammer bis zum eingespannten Prüfkörper führt und Änderungen der Brechzahl infolge von Turbulenzen minimiert. Mit diesen Maßnahmen wird eine messtechnische Auflösung von 0,05 µm erreicht, die für die Erfassung der thermischen Längenänderung (siehe: Thermischer Ausdehnungskoeffizient) infolge Ausdehnungs- und Schrumpfungseffekten (siehe Schrumpfversuch) erforderlich ist. In Abhängigkeit von der applizierten Anzahl n von Reflektoren auf der Oberfläche der Prüfkörper entstehen n-1 lokale Dehnungs-Zeit-Diagramme x 20 Breitenscans, die nachfolgend durch die Mittelwertbildung wieder auf n-1 Diagramme reduziert werden.

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Bild 1: Schematische Darstellung der Funktion des Laser-TMA-Scanners


Die erzeugten Dehnung-Zeit-Verläufe können in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt werden, wodurch der thermische Ausdehnungskoeffizient αTh und der prozentuale Prüfkörperschrumpf S = f(T) ermittelbar ist. Bei der Thermischen Spannungs Analyse (TSA) wird der Prüfkörper beidseitig eingespannt und durch eine stetig steigende Temperatur belastet, wobei die Schrumpfkraft F und die lokalen Dehnungen infolge von Umlagerungsprozessen ermittelt werden. Die lokale Schrumpfung wird an einem einseitig eingespannten Prüfkörper bei stetig zunehmender Temperatur mittels thermischer Dehnungs Analyse (TDA) bestimmt. Die Temperatur ist in einem weiten Bereich stufenlos regelbar und wird mittels zweier Thermoelemente kontrolliert. Die Messdaten sind als 2D- oder 3D-Diagramme darstellbar (Bild 2).

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Bild 2: Funktionsweise des Laser-TMA-Scanners zur Ermittlung der lokalen Längsdehnung

Technische Daten

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

Anwendung

Die Ergebnisse der Thermischen Spannungs-Analyse sind im Bild 3 exemplarisch für einen ausgewählten PVC-Prüfkörper dargestellt, der in der Temperierkammer mit 1 K/min 10 °C bis 75 °C aufgeheizt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Da die Prüfkörper beidseitig eingespannt sind, entsteht durch den Aufheizvorgang zunächst eine thermische Ausdehnung, die zu einer Druckspannung von ca. 0,2 MPa führt. Im Bereich von etwa 33 °C führt der beginnende Schrumpfungsprozess (siehe Schrumpfversuch) infolge zunehmender Molekülbeweglichkeit zu einer geringen Steigung im Kurvenverlauf und zu einem geringfügigen Ausknicken des Prüfkörpers. Mit zunehmender Temperatur in der Temperierkammer entsteht infolge der Behinderung der Schrumpfung eine Zugspannung, die ihr Maximum von ca. 0,55 MPa aber nicht am Umschaltpunkt der Temperaturregelung, sondern infolge von Wärmeleitprozessen verzögert erreicht. Bis zur Raumtemperatur wird die Zugspannung wieder abgebaut und es stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand ein, der wieder eine Druckspannung im Prüfkörper hervorruft (Bild 3). Die registrierten lokalen Dehnungen infolge der Umlagerungsprozesse sind teils positiv (Dehnung) als auch negativ (Stauchung), erreichen aufgrund der Einspannung jedoch nur vergleichsweise geringe absolute Beträge.

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Bild 3: Ergebnisse der Thermischen Spannungs-Analyse (TSA) für PVC

Das Dehnungs- bzw. Schrumpfverhalten der PVC-Prüfkörper bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C bis auf 75 °C ist anhand von Untersuchungen an einem Prüfkörper dargestellt (Bild 4).

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Bild 4: Ergebnisse der Thermischen Dehnungs-Analyse (TDA) für PVC

Bei dem mit 14 Reflektoren kodiertem Prüfkörper wurden die angussnahe Zone (Streifen 1–4, Magenta) und die angussferne Zone (Reflektor 11–14, Grün) ausgewertet, da diese die Extremfälle der Orientierung des Prüfkörpers darstellen. Bis zum Einsetzen des Schrumpfungsprozesses bei 62 °C (TS) erfährt dieser Prüfkörper eine Ausdehnung von 0,26 % bzw. 0,17 % (εS), wobei die höher orientierte, angussnahe Zone den geringeren Wert aufweist. Im Bereich von 10 °C bis 55 °C liegt ein näherungsweiser linearer Kurvenverlauf infolge der thermischen Ausdehnung vor. Ab 62 °C tritt der Schrumpfungsprozess ein, der durch die höhere Molekülbeweglichkeit, zur Kontraktion des Prüfkörpers führt. Nach Erreichen des Temperaturmaximums von 75 °C wird die Temperierkammer wieder auf Raumtemperatur abgekühlt, um den neuen, entropisch günstigeren Zustand des Werkstoffes zu fixieren. Ab 70 °C erfolgt dann eine nahezu lineare Rückstellung der thermischen Ausdehnung, die im Endzustand einer Dehnung von –2,9 % (Schrumpf S) im niedrig orientierten Bereich entspricht. In der angussnahen hochorientierten Zone ist der Schrumpf mit –2,3 % deutlich geringer.


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
  • Sirch, C., Bierögel, C., Grellmann, W.: Wirkung von Eigenspannungen auf die lokale Dehnung von Kunststoffen. In: Langer, B., Rödel, T. (Eds.): Polymerwerkstoffe. Tagungsband PolyMerTec 2014, CD-ROM, Merseburg (2014) 556–561
  • Sirch, C., Bierögel, C., Grellmann, W.: Wirkung von Eigenspannungen auf die lokale Dehnung von Kunststoffen. In: Christ, H.-J. (Hrsg.): Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis. Tagungsband Werkstoffprüfung 2013, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf (2013) 181–186
  • Grellmann, W., Bierögel, C., Sirch, C., Oluschinski, A.: Thermische Spannungs- und Dehnungsanalyse an Kunststoffen. In: Pohl, M. (Hrsg.): Konstruktion, Werkstoffentwicklung und Schadensanalyse. Tagungsband Werkstoffprüfung 2010, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf (2010) 365–370