Eigenschaftsanalyse mit berührungslosen optischen und thermischen Messver­fahren

Prof. Dr.-Ing. Rainer Renz

Bearbeitung: Dr.-Ing. Martin Bos (Promotion 2009)

Lehrstuhl für Ressourcengerechte Produktentwicklung

Zusammenfassung
Schwerpunkt des Teilprojekts ist die experimentelle ortsaufgelöste Ermittlung belastungs­bedingter Deformationen / Dehnungen bzw. Spannungen von Überlappungsverbindungen der Metall/Faser-Kunststoff-Verbunde. Die Fügezone dieser Verbindungen weist bei mechanischer Belastung einen inhomogenen Spannungs- bzw. Deformationszustand auf, dessen direkte experimentelle Erfassung nicht möglich ist. Daher soll indirekt - über die experimentelle Spannungs- bzw. Deformationsanalyse der Oberfläche der Fügepartner - auf die Situation in der Fügezone geschlossen werden. Zur experimen­tellen Analyse sind optische und thermische Feldmessverfahren besonders geeignet, da sie hochgenau und rückwirkungsfrei eine ortsaufgelöste Analyse ermöglichen.
Die genauen experimentellen Analysen dienen dazu, die Verfahrensparameter der unterschiedlichen Fügeprozesse zu optimieren sowie die FE-Simulation mit der Realität abzugleichen. Ergänzend werden Aspekte der zerstörungsfreien Prüfung von Hybridver­bunden mittels Lockin-Thermographie und Shearographie betrachtet.

Stand der Forschung
Der Einsatz von berührungslosen optischen und thermischen Messverfahren bei den im Rahmen des Projekts vorgesehenen Überlappverbindungen betrifft die Deformations- (Dehnungs-) und Spannungsanalyse bei äußerer mechanischer Belastung und Aspekte der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Hierzu stehen prinzipiell verschiedene berührungs­lose Ganzfeldmessverfahren zur Verfügung, die in den letzten Jahren durch die enorme Entwicklung der Rechentechnik eine große Leistungssteigerung erfahren haben (Thermo­elastische Spannungsanalyse- TSA, Electronic Speckle-Interferometry- ESPI, Moire-Interferometrie, Digitale Shearographie und Objekt Rasterverfahren). Das Deformations­verhalten im Verbindungsspalt, allerdings bei Metall-Keramik-Verbindungen, wurde z.B. mittels dem optischen Rasterverfahren und der Moire-Interferometrie untersucht. Die Spaltweite betrug 0,1 bzw. 0,8 mm [1]. Bei punktgeschweißten Überlappungsverbin­dungen von Blechen wurde mit 3D-Speckle-Interferometrie das Deformationsverhalten der Oberfläche realer und idealisierter Punktschweißverbindungen ermittelt. Die idealisierte Punktschweißverbindung zeigt im Vergleich mit FE-Simulation eine gute Übereinstim­mung [2]. Mittels der TSA wurden auf dem engeren Gebiet der Überlappungsverbin­dungen Untersuchungen zur Analyse der Spannungsverteilung und des Frequenzeinflusses durchgeführt [3]. Auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung von Verbindungen zur Erfassung von Haftungsfehlern und Delaminationen wurden intensive Untersuchungen mit optischen und thermischen Messverfahren durchgeführt. Hierzu sind die Shearographie [4] und die Lockin-Thermographie besonders geeignet [5].

Eigene Vorarbeiten und Ziele
Am Lehrstuhl RPE bestehen grundlegende Erfahrungen mit berührungslos optischen Messverfahren (Speckle-Interferometrie, Objekt-Rasterverfahren, Koordinatenmesstechnik mittels Photogrammetrie, Laserextensometer, ortsaufgelöste Hysteresismesstechnik) im Rahmen der Untersuchungen an Werkstoffen, Kunststoffbefestigungselementen und Bauteilen [6, 7]. Die Thermoelastische Spannungsanalyse stellt eine Neubeschaffung dar. Die ortsaufgelöste Hysteresismessung mittels Laserextensometer wurde in Zusammen­arbeit mit der Fa. Fiedler Optoelektronik GmbH entwickelt. Laufende Forschungsvorhaben am Lehrstuhl stützen sich wesentlich auf den Einsatz optischer Messverfahren ab [8].
Die direkte Erfassung des örtlichen Deformations- und Spannungszustands der Verbin­dungszone auf Grund einer äußeren mechanischen Belastung ist experimentell nicht möglich. Daher soll indirekt - über die experimentelle Spannungs- bzw. Deformations­analyse der Oberfläche der Fügepartner - auf die Situation in der Fügezone geschlossen werden. Hierzu sind berührungslose optische und thermische Feldmessverfahren auf Grund des geforderten hohen Auflösungsvermögens besonders geeignet. Es sind unterschiedliche Verfahren zur Deformations- und Spannungsanalyse der Probenoberfläche vorgesehen (Thermoelastische Spannungsanalyse, Shearographie, Objekt-Rasterverfahren und ggf. Electronic Speckle-Interferometrie). Die Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich der Messprinzipien und -größen, dem Auflösungsvermögen und der Robustheit.
Die ortsaufgelösten Deformations- und Spannungsuntersuchungen sowie die Systeme der zerstörungsfreien Prüfverfahren dienen der gezielten Prozessoptimierung (TP1-3) und sind Voraussetzung für Abgleich und Optimierung der Simulationsergebnisse in TP6 und TP7.

Literatur (stark gekürzt)

[1] Cloud, G.: Optical Methods of Engineering Analysis. Cambridge University Press, 1998

[2] Stoppler, W.; de Boer, A.: Messverfahren für Kräfte und Momente an strich- und punktgeschweissten Überlappverbindungen. Forschungsvereinigung Automobiltechnik e.V., FAT, Schriftenreihe Nr. 134, 1997

[3] Hemann, John H.; Martin, Richard E.; Mandic, Davor G.: Thermoelastic stress analysis of a pultruded composite double lap joint. Proceedings of 1999 Nondestructive Evaluation of Aging Materials and Composites III, SPIE Newport Beach, CA, USA, Mar 3-5 1999, Proceedings of SPIE, v 3585, p 68-70

[4] Steinchen, W.; Yang, L.: Digital Shearography: Theory and Application of Digital Speckle Pattern Shearing Interferometry. SPIE PRESS Vol. PM100, January 2003

[5] Dillenz, A.; Gerhard, H.; Krohn, N.; Pfleiderer, K.; Stößel, R.; Zweschper, Th.; Busse, G.: Zerstörungsfreie Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe: Neue Entwick­lungen. DGZFP-Jahrestagung 2001, Zerstörungsfreie Materialprüfung;

[6] Renz, R.: Optische Deformationsanalyse von Kunststoffbauteilen. Forum Verbundwerkstoffe und Polymere, Mainz, 30.06.2000, Tagungsband

[7] Renz, R.; Reese, O.; Hennes,F.: LOCALLY RESOLVED HYSTERESIS MEASUREMENT WITH LASER EXTENSOMETER. 3rd International Conference on Mechanics of Time Dependent Materials. September, 17 to 20th , 2000, Erlangen, Tagungsband

[8] N.N.: Optische Analyse des Deformationsverhaltens von Kunststoffbauteilen bei thermischer und/oder mechanischer Belastung. AIF-Projekt, Einreichung über VDA, 2003 -2005

Eigene Veröffentlichungen sind durch eine fette Nummer hervorgehoben