Laser-Winkel-Scanner

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Laser-Winkel-Scanner

Funktionsprinzip

Der Laser-Winkel-Scanner ist ein Laserextensometer, welches im Reflexionsmodus arbeitet und für die quasistatische mechanische Werkstoffprüfung entwickelt wurde. Der erzeugte Laserstrahl wird mit einem rotierenden Spiegel abgelenkt und mittels Zylinderlinse auf einen mit Reflektoren kodierten Prüfkörper abgelenkt (Bild 1).

Bild 1:

Schematische Darstellung des Laser-Winkel-Scanners

Die diffusen Reflexionen von den Reflektoren werden über eine Sammellinse von einer Flächenphotodiode als lokale zeitliche Positionsänderung im Zugversuch registriert (Bild 2). Mit mehreren Scans im lastlosen Zustand können bei den bekannten Abständen der Reflektorstreifen die lokalen Verlängerungen und Dehnungen berechnet werden. Da der Laserstrahlabstand aufgrund des Drehspiegelscanners nicht konstant ist, erfolgt immer eine Korrektur in Abhängigkeit von der Winkelposition des Laserstrahls. Mit den Start- und Stoppdioden können Gleichlaufschwankungen des Motors kompensiert werden. Bei einem Objektabstand zwischen Messsystem und Prüfkörper von 200 mm liegt die realisierte messtechnische Auflösung im Bereich von 1,0 bis 3,0 µm.

Bild 2:

Funktionsweise des Laser-Winkel-Scanners zur Ermittlung der lokalen Längsdehnung

Technische Daten

• Halbleiterlaser-Diode 670 nm mit 4 bis 6 mW konstante Leistung
• Scanner: Winkel-Rotationsscanner
• Messrate = 50 Hz (selbstkalibrierend)
• Auflösung Winkelscanner = 1–3 μm
• Objektabstand 100 bis 300 mm, vorzugsweise 200 mm
• Messbereich Winkelscanner = 160 mm
• 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 des Prüfkörpers 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 3). Aufgrund der in Angussferne vergleichsweise geringen Orientierung im Prüfkörpervolumen, werden an diese Position die größten lokalen Dehnungen im Zugversuch gemessen.

Bild 3:

Verteilung der lokalen Dehnung über der Prüfkörperlänge für Polyamid 6

Mit der berechenbaren Dehnungsheterogenität können Alterungseffekte, der Einfluss von Verstärkungszuschlägen, Haftungsbedingungen zwischen Faser und Matrix (siehe Faser-Matrix-Haftung) und lokale Kennwertdifferenzen untersucht werden. Bei Kopplung mit einer ZwickRoell­-Materialprüfmaschine ist die lokale Dehnungsregelung 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 (ISBN 978-3-540-41247-2; siehe AMK-Büchersammlung unter A 7)
• 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 (ISBN 3-540-63671-4; E-Book 2014: ISBN 978-3-642-58766-5; siehe AMK-Büchersammlung unter A 6)
• Grellmann, W., Bierögel, C., König, S.: Evaluation of Deformation Behaviour of Polyamide using Laserextensometry. Polymer Testing 16 (1997) 225–240 DOI: https://doi.org/10.1016/S0142-9418(96)00044-X