Labor: Struktur- und strömungsmechanische Materialcharakterisierung

Die Kenntnis relevanter struktur- und strömungsmechanischer Eigenschaften eines Materials ist eine wichtige Entscheidungsgrundlage dafür, ob das Material für ein Einsatzgebiet geeignet ist. Darüber hinaus stellen diese Informationen wesentliche Eingabedaten für unsere Strömungs- und Materialsimulationen dar.

Dynamisch-mechanische Thermo-Analyse (DMTA)

Bei diesem Prüfverfahren untersuchen wir das strukturmechanische Verhalten eines Materials durch Aufbringen einer konstanten bzw. periodischen Kraft bzw. Verschiebung (statischer bzw. dynamischer Test). Bei Vorgabe von Kräften erfassen wir die zugehörigen Verschiebungen und leiten Spannungs-Dehnungs-Kurven ab. Dynamische Tests in Verbindung mit einer Stickstoffkühlung bzw. -heizung erlauben es, das viskoelastische Verhalten eines Materials in Abhängigkeit von Frequenz, Amplitude und Temperatur zu charakterisieren. Ebenso werden durch zyklische Test die plastischen Eigenschaften sowie die Schädigung eines Materials untersucht.

Die folgenden Testszenarien sind u.a. realisierbar:

Quasi-statische Tests: Be- und Entlastung mit zunehmender Kraft zur Untersuchung des statischen elastischen und plastischen Materialverhaltens
Dynamische Tests: Oszillierende Belastung und Relaxation zur Bestimmung des viskoelastischen Materialverhaltens
Temperaturdurchläufe zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf die strukturmechanischen Materialeigenschaften und Bestimmung von Masterkurven

Durch den Einsatz verschiedener Kraftmessköpfe (25N, 150N und 2500N) kann ein weites Spektrum von Materialien geprüft werden – von sehr weich (z.B. Vliesstoffe) bis hart (z.B. faserverstärkte Kunststoffe).

© Fraunhofer ITWM
Zyklische Dehnung (blau) und dadurch hervorgerufene Spannung (rot) bei der Analyse eines Materials.

Luftdurchlässigkeitsmessung

Zur strömungsmechanischen Materialcharakterisierung verfügt unser Labor über ein Prüfgerät zur Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von (technischen) Textilien wie etwa

Vliesstoffen (z.B. Filtermedien, Hygieneprodukte)
Geweben
Gestricken und Gewirken

Zusätzlich zu standardisierten Prüfverfahren, die die Vorgabe eines festen Differenzdrucks vorsehen (z.B. ISO 9237) können auch nichtlineare Zusammenhänge (z.B. Forchheimer-Gesetz) zwischen Volumenstrom und Differenzdruck schnell und exakt erfasst werden. In Anwendungen, in denen die akustischen Materialeigenschaften von Interesse sind, liefern die Messungen auch die Schallkennimpedanz. In Verbindung mit dem DMTA-Prüfgerät können wir interessante Effekte wie etwa der Einfluss der mechanischen Kompression auf den Strömungswiderstand von Vliesstoffen gezielt untersuchen.

© Fraunhofer ITWM
Nichtlinearer Zusammenhang zwischen Volumenstrom und anliegendem Differenzdruck bei einem Filtermedium.

© Fraunhofer ITWM
Strukturmechaniksimulation für einen Vliesstoff mit Binder (gelb).

Anwendungsbeispiele

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den strukturmechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen und ihrer Komponenten (z.B. Faservolumenanteil und -orientierung)
Bestimmung von Masterkurven für Thermoplaste und gummiähnlichen Materialien mit Hilfe von Temperatur- und Frequenzdurchläufen
Charakterisierung der Zugfestigkeit von Vliesstoffen in Maschinen- und Gegenrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
Bestimmung des Strömungswiderstands von Filtermedien in Abhängigkeit von der Kompression
Messung der Luftdurchlässigkeit und Schallkennimpedanz von akustischen Absorbern
Erzeugung eines strömungs- und strukturmechanischen digitalen Zwillings für Materialien
- auf unterschiedlichen Größenskalen (mikro- und makroskopisch)
- für verschiedene Simulationsmethoden und -tools

Unsere Services und Kompetenzen

Materialcharakterisierung auf der Basis von
- Dicke und Flächengewicht
- strukurmechanischen Kenngrößen: Zug-, Biege- und Kompressionstests unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur
- Luftdurchlässigkeit und Schallkennimpedanz
Automatisierte Ableitung von Masterkurven aus Messdaten online möglich
Materialcharakterisierung, Parameteridentifikation, Modellierung und Simulation aus einer Hand

Wesentliche technische Merkmale der Prüfgeräte

Dynamisch-mechanische Thermo-Analyse (DMTA)

EPLEXOR 500N (Netzsch Gabo Instruments GmbH)
Kompression, Zug, 3-Punkt-Biegung
Vielfältige Möglichkeiten zur Bestimmung der statischen bzw. dynamischen Materialeigenschaften
- Beliebige Lastzyklen bei Vorgabe der Kräfte bzw. der Dehnungen
- Frequenz- und Temperaturdurchläufe möglich
- Relaxations- und Kriechversuche
- Einstellung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einer Temperaturkammer möglich
Bestimmung von Masterkurven
Maximale statische Last: ±1500 N
Maximale dynamische Last: ±500 N
Maximale dynamische Dehnung: ±4 mm
Frequenzbereich: 0.01 Hz – 100 Hz
Temperaturbereich: -150 °C – 500 °C

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DMTA-Prüfgerät EXPLEXOR 500N für Dynamisch-mechanisch-thermische Analysen.

© Fraunhofer ITWM
Luftdurchlässigkeitsprüfgerät FX 3300 LABAIR IV.

Luftdurchlässigkeitsprüfung

TEXTEST FX 3300 LABAIR IV (TEXTEST AG)
Messfläche: 20 cm²
Druckbereich: 20 Pa – 2500 Pa
Automatische sequenzielle Messung der Luftdurchlässigkeit für eine vorgegebene Liste von Druckdifferenzen möglich
Bestimmung der Schallkennimpedanz

Zwick-Universalprüfmaschine Z010

Die Universalprüfmaschine Z010 der Firma ZwickRoell erlaubt das mechanische Charakterisieren eines breiten Spektrums von Materialien: von Schäumen und Vliesen über Garne, Filtermedien oder Textilien bis hin zu faserverstärkten Kunststoffen und Metallen. Es können sowohl Zug-, Druck- als auch Biegeversuche für verschiedene Probegeometrien durchgeführt werden. Mittels Kamera können Dehnungen und Verschiebungen lokal aufgelöst bestimmt werden.

Kraftmessköpfe: 10 N, 100 N, 1000 N, 10000 N
Maximale Kraft: 10000 N
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