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Studierende in den Seminarräumen des O-Gebäudes, Foto: Universität Paderborn, Fotografin: Judith Kraft

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Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren

DFG-Forschungsprojekt an der Universität Paderborn wird verlängert

Die Verwendung von Polymeren allgemein und insbesondere deren Einsatz in modernen Metall-Kunststoff-Hybridbauteilen, Faserverbundwerkstoffen oder im Leichtbau nimmt aufgrund von geringeren Kosten und hoher Flexibilität der Werkstoffe zu. Auch der Einsatz in ultraschallbasierten Messsystemen für z. B. Durchflussmessungen oder Einparkhilfen steigt, da im Gegensatz zu metallischen Bauteilen Polymere einfacher verformt und nachbehandelt werden können. Außerdem bieten sie eine thermische und elektrische Isolation. Für ein simulationsgestütztes Design solcher Messsysteme oder Bauteile ist die Kenntnis der mechanischen und akustischen Eigenschaften der eingesetzten Polymere notwendig. Die vom Hersteller angegebenen Materialkenngrößen sind allerdings häufig nicht ausreichend. Deshalb arbeiten unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bernd Henning der Universität Paderborn und Prof. Dr.-Ing. Carolin Birk der Universität Duisburg-Essen Wissenschaftler*innen im Rahmen eines Forschungsprojekts seit 2019 daran, die mechanischen Eigenschaften mithilfe besonderer Verfahren präzise zu bestimmen. Das Vorhaben wurde jetzt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) um weitere zweieinhalb Jahre verlängert und wird bis 2025 mit insgesamt rund 580. 000 Euro gefördert.

„Durch einen Vergleich von Transmissionsmessungen an Probekörpern und einem Simulationsmodell mittels numerischer Algorithmen können wir die mechanischen Eigenschaften der Proben genau bestimmen. Nach aktuellen standardisierten Verfahren können solche akustischen Eigenschaften lediglich bestimmt werden, indem die Probe zerstört wird. Je nachdem wieviel sie ausgehalten hat, kann man dann die Parameter für die Probe berechnen. Wir beschallen die Probe lediglich, also bleibt sie komplett intakt“, erklärt Dmitrij Dreiling, Wissenschaftler am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik.

Üblicherweise wird in solchen Transmissionsmessungen mithilfe einer vollflächigen Schallanregung auf einer Seite durch die Probe geschallt und anschließend auf der anderen Seite der Probe das Messsignal empfangen und analysiert. Bei dieser Art der Anregung ist jedoch die Sensitivität auf Scherbewegungen im Probekörper gering. Die Projektbeteiligten haben deshalb bereits mehrere Verfahren alternativer Materialcharakterisierung entwickelt und diese durch Simulationen und Messungen validiert. Bewährt hat sich dabei der Einsatz einer nicht vollflächigen Schallanregung mittels segmentierter Schallwandler. Damit konnte insbesondere die Ermittlung der Scherparameter von Polymerproben deutlich verbessert werden. „Aus der segmentierten Schallanregung ergeben sich jedoch neue Herausforderungen“, weiß Dreiling. So müssen laut dem Wissenschaftler insbesondere Sender und Empfänger bei der Messung präzise zueinander ausgerichtet sein, um die Äquivalenz zur Simulation zu gewährleisten. Um die hieraus resultierenden Unsicherheiten zu vermeiden, soll ein segmentierter Schallwandler, der eine geteilte Ultraschallschwingung erzeugt, als Sender und Empfänger eingesetzt werden. Dreiling: „Dadurch erhöhen sich die Anforderungen an die Systemcharakterisierung und Signalverarbeitung deutlich. Deswegen werden wir bei dem Vorhaben u. a.  auch die optimale Probengeometrie, die Temperaturabhängigkeit der Proben sowie die Modellierung der Dämpfungseigenschaften hinsichtlich ihrer Gültigkeit und Anwendbarkeit untersuchen“.

Kontakt

Dmitrij Dreiling

Dmitrij Dreiling, M.Sc.

Elektrische Messtechnik (EMT)

Materialparameterbestimmung, Inverse Messverfahren

Zur Person

Die Universität der Informationsgesellschaft