Optische 3D-Verformungs- und -Dehnungsanalyse von Bauteilen

ZEISS Industrial Quality Solutions, Oberkochen, zeigt mit der »ARAMIS«-Produktfamilie eine Technologie zur optischen 3D-Verformungs- und -Dehnungsanalyse von Bauteilen und Materialien mit einer Größe von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern. Die Systeme liefern präzise 3D-Koordinaten für die Messung von 3D-Verschiebungen, -Geschwindigkeiten, -Beschleunigungen und Dehnungen. Auf Basis dieser Messdaten können Materialkennwerte ermittelt, Simulationsmodelle und Materialmodelle validiert, Crashversuche an Strukturen und Komponenten ausgewertet, Bewegungstrajektorien erfasst und Komponentenverformungen analysiert werden. Die Systeme messen berührungslos, materialunabhängig und basieren auf dem Prinzip der digitalen Bildkorrelation. Die Messungen werden dabei unabhängig von Probengeometrie und -temperatur und mit minimalem Aufwand für die Probenvorbereitung durchgeführt.

Die Möglichkeiten der Technologie werden anhand eines Demonstrators für den strukturellen Leichtbau im Automobilbau aus faserverstärkten Kunststoffen gezeigt. Dieser wurde am Institut für Strukturleichtbau (SLK) der Technischen Universität Chemnitz entwickelt und produziert. Das U-Profil mit verstärkender Rippenstruktur wurde als thermoplastisches Verbundmaterial gefertigt und besteht aus einer Kombination von Polyamid 6 und Polyphthalamid als Matrixmaterialien mit einer Verstärkung durch Glas- und Carbon-Endlosfasern mit einem Volumenanteil von 30 %.

Der Technologiedemonstrator war Teil der Grundlagenforschung am SLK zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit von thermoplastischen Verbunden im Temperaturbereich von -35°C bis +85°C. Mithilfe einer temperaturabhängigen Materialcharakterisierung durch Zug-, Druck- und Schubversuche konnte ein Materialmodell für die Simulation des Bauteils entworfen werden. Optische Messsysteme waren dabei entlang der gesamten Prozesskette vom Rohmaterial bis zum fertigen Prototyp und dessen Erprobung im Einsatz. Als Auszug aus den vielfältigen Prüfungen dieser Prozesskette zeigt das Exponat den zyklischen Belastungsversuch des Technologiedemonstrators, der mit der »ARAMIS 3D Camera« vollflächig gemessen wird. Gerade bei anisotropen Materialien wie thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen ist es entscheidend, vollflächige Messdaten in hoher örtlicher Auflösung zur Verfügung zu stellen. Mithilfe dieser engmaschigen Datengrundlage können die lokalen Verformungsphänomene während der Belastungstests des Prototyps im Detail analysiert werden.

Die gemessenen Verschiebungen und Dehnungen können in der »ZEISS Quality Suite« mit der Simulation des Bauteils vollflächig korreliert und somit die Modelle optimiert und ihre Randbedingungen validiert werden.