Faserverbundwerkstoffe

Die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe werden maßgeblich durch die Geometrie ihrer Mikrostruktur, vor allem Faserverteilung und Faserrichtungen, bestimmt. Spezialisierte Analysemethoden können diese wesentlichen Kenngrößen der Geometrie aus Bilddaten berechnen. Zur dreidimensionalen Charakterisierung eignen sich vor allem µCT-Rekonstrutktionen, doch auch zweidimensionale bildgebende Verfahren wie z.B. akustische Mikroskopie (SAM) kommen zum Einsatz.

Das Softwarepaket MAVI beinhaltet eine Reihe spezieller, effizienter Algorithmen zur Charakterisierung glasfaserverstärkter (GFK) und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK):

Lokale Faservolumendichte
Lokale und globale Orientierungstensoren
Faservorzugsrichtung
Anisotropiegrad
Spezifische Faserlänge (Gesamtfaserlänge pro Volumeneinheit)
Mittlere Faserdicke
Visualisierung lokaler Dichten und Faserorientierungen

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Die lokale Faserorientierung lässt sich in Composite-Materialien mithilfe der Mikrocomputertomografie zerstörungsfrei analysieren. In der Praxis werden größeren Bauteilen jedoch meist kleine Proben entnommen, um Abbildungsfehler zu vermeiden. Die Region of Interest-Methode ermöglicht jedoch, Bauteile von praktisch relevanter Größe direkt zu analysieren.

Ausführliche Informationen im Artikel »Große FVK-Bauteile zerstörungsfrei in Serie prüfen« in der »Kunststoffe« 03/2020. Zur Autorenschaft gehören u.a. unsere Expertinnen Dr. Katja Schladitz und Dascha Dobrovolskij.

Artikel der »Kunststoffe« 03/2020 [ PDF 2,72 MB ]

Analyse einer UUltraschall-Mikroskopie-Aufnahme einer SMC-Zugprobe — © Visualisierung IVW Kaiserslautern
Analyse einer Ultraschall-Mikroskopie-Aufnahme einer SMC-Zugprobe, mit einem Glasfaseranteil von 30%. Die gezeigte Ebene liegt 0.07 mm unter der Oberfläche (a). Das Fasersystem wird binarisiert (b) und an jedem Faserpunkt die Faserrichtung berechnet. (c) zeigt das farbkodierte Ergebnis (0° = vertikal, 90° = horizontal).

Räumliche Darstellung der quantitativen Ergebnisse mit dazugehörigem Plot der Diagonalelemente der lokalen Orientierungstensoren — © IVW Kaiserslautern
Die Messungen können zur Visualisierung der lokalen Faserrichtung mit den Bilddaten überlagert werden. Dies ergibt eine räumliche Darstellung der quantitativen Ergebnisse. Ein Plot der Diagonalelemente der lokalen Orientierungstensoren zeigt die Verdrehung des Fasersystems im Probeninneren aufgrund rheologischer Effekte.

© Fraunhofer ITWM
Analyseergebnisse nach einem Region-Of-Interest-Scan an einem Bremsleitungshalter. 3D-Visualisierung der lokalen Faserorientungsabweichung von der Hauptfaserorientierung. Gelbe Färbung markiert lokale Abweichungen die größer als 20° sind.

Mit Hilfe dieser geometrischen Kenngrößen lassen sich die Homogenität der Faserkomponente und die Ausprägung der gewünschten Faserrichtung(en) prüfen. Darüberhinaus lassen sich stochastische Geometriemodelle erstellen. Geometrien können auf Voxelgittern oder in Form von Oberflächennetzen zur Verfügung gestellt werden und eignen sich zur Berechnung strukturmechanischer Eigenschaften von Composites.

© Fraunhofer TIWM
Frontträger aus einem Automobilmotorraum mit markierten Regions of Interest. Der grüne Bereich ist im Bild in der Mitte detailierter dargestellt.

© Fraunhofer ITWM
Volumenrendering des im Bild links grün markierten Bereichs.

© Fraunhofer ITWM
xz-Schnittbilder aus den 3D-Bildern mit höchster und geringster Auflösung und in den 3D-Bildern gemessene Diagonalenkomponente des Orientierungstensors 2. Ordnung in y-Richtung (Spritzrichtung).

Auch im Bauwesen werden Verstärkungsfasern genutzt, um die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Nachrissfestigkeit ultrahochfesten Betons (UHPC) zu verbessern. Faserverteilung und Faserorientierung können ebenfalls mit MAVI analysiert werden. Auch das Faserauszugverhalten kann an μCT-Daten studiert werden.

Veröffentlichungen

Schuler, F.; Breit, W.; Schnell, J.; Rösch, R.:
Möglichkeiten des Einsatzes der Computer-Tomographie bei der Untersuchung von Stahlfaserbetonen.
Betonwerk International, Heft 4, S. 70-72, (2013).

Wirjadi, O.; K. Schladitz, K.; Easwaran P.; Ohser J.:
Estimating Fibre Direction Distributions of Reinforced Composites from Tomographic Images.
Image Analysis and Stereology 35, 167-179, (2016).

Schladitz, K.; Büter, A.; Godehardt, M.; Wirjadi, O; Fleckenstein, J.; Gerster, T.; Hassler, U.; Jaschek, K.; Maisl, M.; Maisl, U.; Mohr, S.; Netzelmann, U.; Potyra, T.; Steinhauser, M.:
Non-Destructive Characterization of Fiber Orientation in Reinforced SMC as Input for Simulation Based Design.
Composite Structures 160, 195-203, (2017).

Baranowski T.; Dobrovolskij D.; Dremel K.; Hölzing A.; Lohfink G.; Schladitz K.; Zabler S.:
Local fiber orientation from X-ray region-of-interest computed tomography of large fiber reinforced composite components.
Composites Science and Technology, 183: 107786, (2019).