Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

WO2011137995A2 - Verfahren und vorrichtung zur messung von verbindungseigenschaften eines werkstoffverbundes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur messung von verbindungseigenschaften eines werkstoffverbundes Download PDF

Info

Publication number
WO2011137995A2
WO2011137995A2 PCT/EP2011/002171 EP2011002171W WO2011137995A2 WO 2011137995 A2 WO2011137995 A2 WO 2011137995A2 EP 2011002171 W EP2011002171 W EP 2011002171W WO 2011137995 A2 WO2011137995 A2 WO 2011137995A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
deformation
measured
elements
connection property
composite material
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/002171
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2011137995A3 (de
Inventor
Tina Wilhelm
Wolfgang Schmidt
Michael Hinnen
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2011137995A2 publication Critical patent/WO2011137995A2/de
Publication of WO2011137995A3 publication Critical patent/WO2011137995A3/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/16—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal coefficient of expansion

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring at least one, preferably mechanical, connection property of a composite material, which has at least two interconnected elements, wherein at least one of the elements is heated at least in one area, a resulting deformation of a surface the composite material is measured and determined from the measured deformation, the connection property.
  • a composite material in which several functional materials connected to each other, for example, glued, are becoming increasingly important.
  • a special role is played by the formation of the adhesive bond, which is characterized by the characteristic properties of cohesive and adhesive adhesion. is correct and exerts a significant influence on the effective system behavior. In order to ensure a desired effective system behavior, it is desirable to determine the mechanical properties of the compound in quantitative form. This usually happens during the process in the laboratory.
  • the object of the present invention is therefore to obtain a non-destructive test and to provide a device for carrying out such a method with which a quantitative production-integrated investigation of the connection properties outside a laboratory is possible. This object is achieved by the method according to
  • a method for measuring at least one, preferably mechanical, connection property of a composite material.
  • a composite of materials is here understood to mean an object which has at least two interconnected elements, which preferably have at least one connecting surface are connected to one another, which are therefore preferably connected to one another in a flat manner.
  • Such a composite of materials may, for example, be a laminate or all types of adhesive compound, all types of composite materials (CFRP,
  • At least one of the elements of the material composite will now be at least locally, i. in a limited area, heated. Even a complete warming is possible.
  • the heating should preferably be carried out in such a way that it leads to a deformation of at least one of the elements, a surface of the composite material and / or a bonding layer between the elements, such that the deformation is detectable on at least one surface of the composite material and measurable is.
  • a deformation resulting from the heating of a surface of the material composite is measured.
  • the deviation of the surface from its unheated state is determined.
  • the measurement of the deformation of the surface may in this case preferably be carried out in a spatially resolved manner or else only at one or more isolated points of the surface.
  • the at least one connection property is then determined from the measured deformation.
  • the measured values of the deformation can be used directly or one or more values or functions are derived from the measured deformation, by means of which the at least one connection is then derived. personality.
  • a shear modulus and / or a modulus of elasticity of the connecting parts between the at least two elements is determined as the connecting property.
  • the Verbundverbünd may have a laminate, which several interconnected, for example, glued, flat
  • the heating of the at least one element or a connecting layer between two elements can now be effected by means of irradiation of electromagnetic radiation. Preference is given to local heating, in particular with a laser beam of defined diameter and defined
  • the measurement of the deformation of the surface can preferably take place by means of speckle interferometry and / or, preferably digital, shearography and / or by means of image correlation.
  • the device for measuring the deformation preferably perpendicular, is arranged opposite or above that surface whose deformation is to be measured as a result of heating.
  • the speckle interferometry is a method of deformation measurement.
  • the surface to be measured is illuminated by means of coherent light, for example laser light. Coherent light scattered on a rough surface creates locally constructive and destructive interference that appears as a spotty pattern. This pattern is sensitive to changes in the illuminated surface. Therefore, it can be concluded from a change of the speckle pattern on a change of the surface, in particular its local distance to the source of the coherent light.
  • Shearography is a short name for laser speckle shearing interferometry and thus a special form of speckle interferometry.
  • the principle of shearography is based on the fact that deformations both in the plane (in-plane) and out of the plane (out-of-plane) by the detection of path length changes coherent electromagnetic waves between an object and a Detector can be determined areally. This is made possible by the utilization of interferometry of respectively adjacent laser beams and evaluation of resulting phase changes. With this method, it is possible to determine planar deformations in the range of a fraction of the wavelength of the laser used - thus in the nanometer range.
  • Image correlation is also a method of deformation measurement. In this process, images of a surface are recorded and deformations are determined on the basis of image correlation algorithms. These identify individual patterns shifted in the image. Based on the displacement data, appropriate methods can be derived.
  • a correlation can preferably be carried out with experimentally conducted direct measurements of the connection properties, such as shear modulus and / or modulus of elasticity. This can be done for example by means of standardized tensile shear tests and / or centric tensile tests.
  • connection properties as well as with simulation results can advantageously be made as follows: First, at least one correlation curve or correlation function can be measured or simulated, which correlates the measured or simulated deformation with set or predetermined values of the corresponding connection properties. If a specific deformation is measured by means of the method according to the invention, it is possible to measure at the Correlation curve of the corresponding value of the connection properties are read.
  • the method according to the invention is particularly advantageously applicable to composite materials whose at least two interconnected elements are bonded together by gluing. It can then be measured a connection property of the adhesive bond.
  • the method can advantageously be carried out with a measuring device according to the invention for measuring at least one connection property of a material composite.
  • a measuring device has at least one heating device with which at least one element of the material composite or a surface of at least one element of the composite material can be heated at least in one region.
  • the measuring device further has a deformation measuring device with which a deformation resulting from the heating of a surface of the composite material can be measured. It also has a determination device with which the connection property can be determined from the measured deformation of the surface.
  • both the deformation measuring device and the heating device are preferably arranged above the surface whose deformation is to be measured or which is to be heated.
  • the surface that is heated is also the surface that is being measured. But it is also conceivable that a different surface is heated than the one that is measured. Thus, in particular for laminates, the measurement on one of the heated surface opposite Surface of the laminate can be performed.
  • FIG. 2 shows a correlation curve
  • FIG. 3 shows a shearographically determined deformation pattern
  • Figure 4 deformations with varying modulus of elasticity of an adhesive
  • FIG. 5 shows deformations on modified surfaces of a substrate.
  • Figure 1 shows a structure according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • a laminate 1 which has two interconnected elements 1 a and 1 b, which are coated by an adhesive layer 2, is measured as a composite material connected to each other.
  • thermal radiation 3 is irradiated onto a surface 4 of the laminate 1.
  • the thermal radiation 3 strikes a region 5 of the laminate 1, thus causing local heating of the element 1 a of the laminate 1 facing the heat source.
  • a deformation of the laminate 1 or the heated element 1a or its surface 4 is measured by means of a deformation measuring device 6.
  • the deformation measuring device 6 here is a Shear growingvorraum, in which the surface 4 of the laminate 1 is illuminated by a laser 8, and with a Shear connectingkopf 6 by deformation of the upper surface 4 ⁇ induced phase changes are measured.
  • connection property can be, for example, a modulus of elasticity or a shear modulus.
  • the maximum deformation ⁇ can be determined by means of the deformation measuring device 6, but it is also possible to determine a spatially resolved deformation of the surface as ⁇ ( ⁇ , y), where x, y indicates the location on the surface of the element 1a.
  • ⁇ ⁇ ( ⁇ , y)
  • x, y indicates the location on the surface of the element 1a.
  • the shape and intensity of this deflection can advantageously be highly precise in quantitative form
  • the unknown adhesion and cohesion properties can be computationally determined by means of numerical simulations or by correlation analysis on an experimental basis on samples of varying adhesion and cohesion properties as described above. Since usually the cohesive properties can be controlled quite reliably, the main focus is usually on the determination of adhesion properties.
  • the deformation measuring device 6 shown may alternatively be, for example, a speckle interferometer or a system for image correlation.
  • a determination device with which the desired connection property can be determined from the measured deformation.
  • the mechanical connection property can be determined.
  • This correlation curve preferably describes the quantitative relationship between measured deformations and the associated mechanical connection. property.
  • FIG. 2 shows, by way of example, a correlation curve which establishes a correlation between the modulus E adhesion zone in the adhesion zone and the maximum deformation w max after heating.
  • Such curves can be measured or derived from simulations. If a specific deformation w max is measured in the method according to the invention, the corresponding connection property, in this example the modulus of elasticity, can be read from such a curve.
  • a wide variety of samples were investigated with varying modulus of elasticity of the adhesive. Adhesion properties were deliberately modified and the samples subjected to mechanical stress. At the same time, analogous numerical simulations were carried out using the finite element method and destructive reference measurements were carried out in the form of tensile shear tests.
  • FIG. 3 shows such a modeling image that w a characteristic local ⁇ from buckling in the area of the heated zone with the maximum out-of-plane deformation of having a few micrometers.
  • FIG. 5 shows that different modifications of the substrate surface have a significant effect on the deformation behavior.
  • thermoelastic deformation behavior If the sample is then subjected to a tensile shear stress, then as the stress increases, significant changes in the thermoelastic deformation behavior occur.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung zumindest einer Verbindungseigenschaft eines Werkstoffverbundes, welcher zumindest zwei miteinander verbundene Elemente aufweist, wobei zumindest eines der Elemente zumindest in einem Bereich erwärmt wird, eine hieraus resultierende Verformung einer Oberfläche des Werkstoffverbundes gemessen wird und aus der gemessenen Verformung die Verbindungseigenschaft bestimmt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Verbindungseigenschaften eines WerkstoffVerbundes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- richtung zur Messung zumindest einer, vorzugsweise mechanischen, Verbindungseigenschaft eines Werkstoffverbundes, welcher zumindest zwei miteinander verbundene Elemente aufweist, wobei zumindest eines der Elemente zumindest in einem Bereich erwärmt wird, ei- ne hieraus resultierende Verformung einer Oberfläche des WerkstoffVerbundes gemessen wird und aus der gemessenen Verformung die Verbindungseigenschaft bestimmt wird. Innovative Werkstoffverbünde, bei denen mehrere Funktionswerkstoffe miteinander verbunden, beispielsweise verklebt, werden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Eine besondere Rolle spielt hierbei die Ausbildung der Klebeverbindung, welche durch charakteristische Eigenschaften der kohäsiven wie adhäsiven Haftung be- stimmt wird und einen maßgeblichen Einfluss auf das effektive Systemverhalten ausübt. Zur Sicherstellung eines gewünschten effektiven Systemverhaltens ist es wünschenswert, die mechanischen Eigenschaften der Verbindung in quantitativer Form zu bestimmen. Dies geschieht meist prozessbegleitend im Labor.
Nach dem Stand der Technik werden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Verbindung Verbindungen normalerweise zerstörende Verfahren wie standardisierte Zug-Scher-Versuche oder analytische Verfahren wie spektroskopische Untersuchungen eingesetzt. Soweit Verfahren nach dem Stand der Technik zerstörungsfrei sind, erlauben sie nur einen rein qualitativen Nachweis des Vorhandenseins von Defekten, wie z.B. Delaminationen .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein zerstörungsfreies Prüf erfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben, mit welchen eine quantitative produktionsintegrierte Untersuchung der Verbindungseigenschaften außerhalb eines Labors möglich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach
Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 8. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Messung zumindest einer, vorzugsweise mechanischen, Verbindungseigenschaft eines WerkstoffVerbundes bereitgestellt. Unter einem Werkstoffverbünd wird hierbei ein Objekt verstanden, welches zumindest zwei miteinander verbundene Elemente aufweist, die bevorzugt über zumin- dest eine Verbindungsfläche miteinander verbunden sind, die vorzugsweise also flächig miteinander verbunden sind. Ein derartiger Werkstoffverbünd kann beispielsweise ein Laminat oder alle Arten von Klebe- Verbindung, alle Arten von Verbundwerkstoffen (CFK,
GFK, Sandwichkonstruktionen) sowie Beschichtungen sein .
Erfindungsgemäß wird nun zumindest eines der Elemente des WerkstoffVerbundes zumindest lokal, d.h. in einem begrenzten Bereich, erwärmt. Auch eine vollständige Erwärmung ist möglich.
Die Erwärmung sollte vorzugsweise so durchgeführt werden, dass sie zu einer Verformung zumindest eines der Elemente, einer Oberfläche des WerkstoffVerbundes und/oder einer Verbindungsschicht zwischen den Elementen führt, derart, dass die Verformung an zumindest einer Oberfläche des WerkstoffVerbundes zu er- kennen ist und messbar ist.
Erfindungsgemäß wird nun eine aus der Erwärmung resultierende Verformung einer Oberfläche des WerkstoffVerbundes gemessen. Es wird hierbei die Abwei- chung der Oberfläche von ihrem nicht erwärmten Zustand bestimmt. Die Messung der Verformung der Oberfläche kann hierbei vorzugsweise ortsaufgelöst oder auch nur an einem oder mehreren vereinzelten Punkten der Oberfläche durchgeführt werden.
Aus der gemessenen Verformung wird dann die zumindest eine Verbindungseigenschaft bestimmt. Hierbei können die gemessenen Werte der Verformung direkt herangezogen werden oder es werden aus der gemessenen Verfor- mung ein oder mehrere Werte oder Funktionen abgeleitet, mittels welcher dann die zumindest eine Verbin- dungseigenschaft bestimmt wird.
Bevorzugterweise wird als Verbindungseigenschaft ein Schubmodul und/oder ein Elastizitätsmodul der Verbin- dungssteile zwischen den zumindest zwei Elementen bestimmt .
Bevorzugterweise ist zumindest eines der Elemente des WerkstoffVerbundes , welches nur an einer Seite mit anderen Elementen des WerkstoffVerbundes verbunden ist und eine freie Oberfläche aufweist, flächig ausgebildet. Es kann dann als die Verformung eine Verformung der dem Werkstoffverbünd abgewandten freien Oberfläche dieses flächigen Elementes gemessen wer- den. Insbesondere kann hierbei der Werkstoffverbünd ein Laminat aufweisen, welches mehrere miteinander verbundene, beispielsweise verklebte, flächige
Schichten aufweist. Bevorzugterweise kann nun die Erwärmung des zumindest einen Elementes oder einer Verbindungsschicht zwischen zwei Elementen mittels Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung bewirkt werden. Bevorzugt ist eine lokale Erwärmung, insbesondere mit einem La- serstrahl mit definiertem Durchmesser und definierter
Intensität, da hierdurch eine genauere quantitative Bestimmung der Verbindungseigenschaften möglich ist.
Die Messung der Verformung der Oberfläche kann vor- zugsweise mittels Speckle Interferometrie und/oder, vorzugsweise digitaler, Shearographie und/oder mittels Bildkorrelation erfolgen. Hierzu wird die Vorrichtung zur Messung der Verformung, vorzugsweise senkrecht, gegenüber oder über derjenigen Oberfläche angeordnet, deren Verformung in Folge von Erwärmung gemessen werden soll. Die Speckle Interferometrie ist ein Verfahren zur Verformungsmessung. Hierbei wird die zu vermessende Oberfläche mittels kohärenten Lichts, also z.B. Laserlicht, beleuchtet. Kohärentes Licht, das an einer rauen Oberfläche gestreut wird, erzeugt lokal konstruktive und destruktive Interferenzen, die als fleckiges Muster erscheinen. Dieses Muster reagiert empfindlich auf Veränderungen der beleuchteten Oberfläche. Daher kann aus einer Veränderung des Fleckenmusters auf eine Veränderung der Oberfläche, insbesondere deren lokaler Abstand zur Quelle des kohärenten Lichtes, geschlossen werden.
Die Shearographie ist eine Kurzbezeichnung für die Laser Speckle Shearing Interferometrie und somit eine Sonderform der Speckle Interferometrie .
Das Prinzip der Shearografie , insbesondere der digitalen Shearografie, beruht darauf, dass Verformungen sowohl in der Ebene (In-Plane) als auch aus der Ebene heraus (Out-of-Plane) durch die Erfassung von Weglängenänderungen kohärenter elektromagnetischer Wellen zwischen einem Objekt und einem Detektor flächenhaft ermittelt werden können. Dies wird ermöglicht durch die Ausnutzung von Interferometrien von jeweils benachbarten Laserstrahlen und Auswertung resultierender Phasenänderungen. Mit dieser Methode gelingt es, flächenhaft Verformungen im Bereich eines Bruchteils der Wellenlänge des verwendeten Lasers — somit im Na- nometerbereich — zu bestimmen.
Durch eine spezifische Anregung von mechanischen oder thermomechanischen Verformungen lassen sich hierdurch Defekte wie Delaminationen, Einschlüsse und auch Kissing Bonds diskret abbilden, da diese Störstellen in der Regel ein anderes Verformungsverhalten als die ungestörte Umgebung aufweisen. Bildkorrelation ist ebenfalls ein Verfahren zur Verformungsmessung. Hierbei werden Bilder einer Oberfläche aufgenommen und Verformungen anhand von Bildkor- relationsalgorithmen ermittelt. Diese identifizieren einzelne im Bild verschobene Muster. Anhand der Verschiebungsdaten lassen sich entsprechende Verfahren ableiten . Zur Bestimmung der Verbindungseigenschaft kann bevorzugt eine Korrelation mit experimentell durchgeführten direkten Messungen der Verbindungseigenschaften, wie Schubmodul und/oder Elastizitätsmodul, durchgeführt werden. Dies kann z.B. mittels standardisierter Zug-Scher-Versuche und/oder zentrischer Zugversuche geschehen .
Zur Bestimmung der gesuchten Verbindungseigenschaft aus den gemessenen Verformungen kann außerdem auch eine Korrelation mit Ergebnissen aus numerischen Simulationen der Verformung bei variierenden Verbindungseigenschaften, wie z.B. Schubmodul und/oder Elastizitätsmodul, durchgeführt werden. Sowohl der Vergleich der Messergebnisse mit direkten
Messungen der Verbindungseigenschaften als auch mit Simulationsergebnissen kann vorteilhaft wie folgt erfolgen : Es kann zunächst zumindest eine Korrelationskurve bzw. Korrelationsfunktion gemessen oder simuliert werden, die die gemessene bzw. simulierte Verformung mit eingestellten bzw. vorgegebenen Werten der entsprechenden Verbindungseigenschaften in Korrelation setzt. Wird nun mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine bestimmte Verformung gemessen, kann an der Korrelationskurve der entsprechende Wert der Verbindungseigenschaften abgelesen werden.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Ver- fahren anwendbar auf Werkstoffverbunde, deren zumindest zwei miteinander verbundene Elemente durch Kleben miteinander verbunden sind. Es kann dann eine Verbindungseigenschaft der Klebeverbindung gemessen werden .
Das Verfahren kann vorteilhaft mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zum Messen zumindest einer Verbindungseigenschaft eines WerkstoffVerbundes durchgeführt werden. Eine solche Messvorrichtung weist zumindest eine Erwärmungsvorrichtung auf, mit der zumindest ein Element des WerkstoffVerbundes oder eine Oberfläche zumindest eines Elementes des WerkstoffVerbundes zumindest in einem Bereich erwärmbar ist. Die Messvorrichtung weist weiter eine Verfor- mungs-Messvorrichtung auf, mit der eine aus der Erwärmung resultierende Verformung einer Oberfläche des Werkstoffverbundes messbar ist. Sie weist außerdem eine Bestimmungsvorrichtung auf, mit der aus der gemessenen Verformung der Oberfläche die Verbindungsei- genschaft bestimmbar ist.
Vorzugsweise ist hierbei sowohl die Verformungs-Mess- vorrichtung als auch die ErwärmungsVorrichtung über derjenigen Oberfläche angeordnet, deren Verformung gemessen werden soll bzw. die erwärmt werden soll.
Besonders bevorzugt ist jene Oberfläche, die erwärmt wird, auch jene Oberfläche, die gemessen wird. Es ist aber auch denkbar, dass eine andere Oberfläche erwärmt wird, als diejenige, die vermessen wird. So kann insbesondere bei Laminaten die Vermessung an einer der erwärmten Oberfläche gegenüber liegenden Oberfläche des Laminats durchgeführt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine zerstörungsfreie, prozessintegrierte und ortsaufgelöste Ermittlung von mechanischen Verbindungseigenschaften, wie Schubmodul und/oder Elastizitätsmodul, von Verbindungen bei Werkstoffverbunden, insbesondere Klebeverbindungen, möglich. Bei Klebeverbindungen können insbesondere Adhäsions- und Kohäsions-Eigenschaften auf der Basis thermomechanischer Effekte bestimmt werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert werden.
Dabei zeigt
Figur 1 einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 eine Korrelationskurve,
Figur 3 ein shearografisch ermitteltes Verformungsbild,
Figur 4 Verformungen bei variierendem Elastizitätsmodul eines Klebstoffs und
Figur 5 Verformungen bei modifizierten Oberflächen eines Substrates.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird als Werkstoffverbünd ein Laminat 1 vermessen, welches zwei miteinander verbundene Elemente la und lb aufweist, welche durch eine Klebeschicht 2 miteinander verbunden sind. Mittels einer Strahlungsquelle 7 wird Wärmestrahlung 3 auf eine Oberfläche 4 des Laminats 1 eingestrahlt. Die Wärmestrahlung 3 trifft hierbei auf einen Bereich 5 des Laminats 1, ruft also eine lokale Erwärmung des der Wärmequelle zugewandten Elementes la des Laminats 1 hervor.
Gleichzeitig oder anschließend wird nun mittels einer Verformungs-Messvorrichtung 6 eine Verformung des Laminats 1 bzw. des erwärmten Elementes la bzw. dessen Oberfläche 4 gemessen.
Die Verformungsmessrichtung 6 ist hier eine Shearografievorrichtung, bei der mittels eines Lasers 8 die Oberfläche 4 des Laminats 1 beleuchtet wird, und mit einem Shearografiekopf 6 durch Verformung der Ober¬ fläche 4 hervorgerufene Phasenänderungen gemessen werden .
In Figur 1 ist der Werkstoffverbünd 1 im Zustand nach einer durch die Erwärmung hervor gerufenen Verformung dargestellt. Es ist zu erkennen, dass jener Bereich 5, auf welchen die Wärmestrahlung 3 eingestrahlt wur¬ de, verformt ist, wobei die jeweilige Out-of-plane- Verformung an der Stelle x Δ (x, y) beträgt, d.h. der maximale Abstand der verformten Oberfläche von der ursprünglichen Oberfläche, Δ beträgt. Aus dieser Verformungsfigur des Bereichs 5, kann nun die Verbindungseigenschaft bestimmt werden. Eine solche Verbindungseigenschaft kann beispielsweise ein Elastizi- tätsmodul oder ein Schubmodul sein. Mittels der Verformungsmessvorrichtung 6 ist einerseits die maximale Verformung Δ bestimmbar, es ist aber auch eine ortsaufgelöste Verformung der Oberfläche als Δ(χ, y) bestimmbar, wobei x, y den Ort auf der Oberfläche des Elementes la angibt. Die Form und Intensität dieser Durchbiegung kann in quantitativer Form vorteilhaft hochpräzise
shearografisch erfasst und ausgewertet werden und direkt als Funktion der Parameter Laserintensität sowie Durchmesser des Laserstrahls, der geometrischen ebenso wie elastischen Eigenschaften des Substrats und des Klebstoffs beschrieben werden. Hier wird der Effekt ausgenutzt, dass in Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs im Adhäsions- sowie Kohäsionsbereich eine charakteristische Verformungsfigur auftritt. Bis auf Adhäsions- und Kohäsi- onseigenschaften sind in der Regel alle Parameter bekannt. Somit lassen sich die unbekannten Adhäsionsund Kohäsionseigenschaften rechnerisch mittels numerischer Simulationen oder durch eine Korrelationsana- lyse auf experimenteller Basis an Proben variierender Adhäsions- und Kohäsionseigenschaften wie oben dargestellt ermitteln. Da in der Regel die Kohäsionseigen- schaften recht zuverlässig angesteuert werden können, liegt das Hauptaugenmerk in der Regel auf der Bestimmung von Adhäsionseigenschaften.
Die gezeigte Verformungs-Messvorrichtung 6 kann alternativ beispielsweise auch ein Speckle-Interfero- meter oder ein System zur Bildkorrelation sein.
Nicht gezeigt in Figur 1 ist eine Bestimmungsvorrichtung, mit welcher aus der gemessenen Verformung die gesuchte Verbindungseigenschaft bestimmbar ist. Mittels einer solchen Bestimmungsvorrichtung kann beispielsweise anhand einer experimentell oder numerisch ermittelten Korrelationskurve oder -funktion die mechanische Verbindungseigenschaft bestimmt werden. Diese Korrelations kurve beschreibt bevorzugt den quantitativen Zusammenhang zwischen gemessenen Verformungen und der zugehörigen mechanischen Verbin- dungseigenschaft .
Figur 2 zeigt beispielhaft eine Korrelationskurve, die eine Korrelation zwischen dem E-Modul EAdhäSionszone in der Adhäsionszone und der maximalen Verformung wmax nach Erwärmung herstellt. Derartige Kurven können gemessen werden oder aus Simulationen hergeleitet werden . Wird nun im erfindungsgemäßen Verfahren eine bestimmte Verformung wmax gemessen, so kann aus einer solchen Kurve die entsprechende Verbindungseigenschaft, in diesem Beispiel also das E-Modul, abgelesen werden. Zur Verifizierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden unterschiedlichste Proben bei variierendem Elastizitätsmodul des Klebstoffs untersucht. Die Adhäsionseigenschaften wurden gezielt modifiziert und die Proben einer mechanischen Belastung unterzogen. Gleichzeitig wurden analoge numerische Simulationen nach der Methode der Finiten Elemente durchgeführt und zerstörende Referenzmessungen in Form von Zug- Scher-Versuchen durchgeführt. Beispielhaft werden im Folgenden ausgewählte Ergebnisse von Untersuchungen einer Probe, bestehend aus einem Aluminiumsubstrat (100/25/2 mm) und einem PVC- Substrat (100/25/2 mm), welche mit Epoxidharz einer Stärke von 0,2 mm verklebt wurden, dargestellt. Hier- bei wurde das PVC-Substrat so erwärmt, dass es nur innerhalb dieses Substrates zur Wärmeentwicklung kam.
Die Temperaturerhöhung an der Oberfläche betrug ca. 15 °C. Die resultierenden thermoelastisch hervorgeru- fenen Out-of-Plane-Verformungen wurden shearografisch hochpräzise ermittelt. Figur 3 zeigt ein solches Ver- formungsbild, das eine charakteristische lokale Aus¬ beulung im Bereich der erwärmten Zone mit maximalen Out-of-Plane-Verformungen w von wenigen Mikrometern aufweist .
Untersuchungen an Proben mit unterschiedlichen E- Moduln des Epoxidharzes zeigen, dass sich mit zunehmendem E-Modul höhere Verformungen einstellten. In Figur 4 ist der Verlauf der Out-of-Plane-Verformungen im Bereich der Ausbeulung für einen E-Modul von 1000
N/mm2 bzw. 2000 N/mm2 dargestellt. Bei qualitativ ähnlichem Verlauf der Verformungen stellen sich hier quantitativ bei einem höheren E-Modul deutlich höhere Out-of-Plane-Verformungen ein.
Zur gezielten Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Adhäsionseigenschaften auf das Verformungsverhalten wurden zwei Testreihen untersucht. Zum einen wurde die Oberfläche des PVC-Substrates mittels Ölverunreinigung und Anrauhen modifiziert, zum anderen wurden Proben unterschiedlichen Zug-Scher- Spannungen unterzogen und simultan shearografische Untersuchungen durchgeführt. Figur 5 zeigt, dass sich unterschiedliche Modifikationen der Substratoberflä- che deutlich auf das Verformungsverhalten auswirken.
Mit zunehmender Verbesserung der mechanischen Eigenschaften stellen sich quantitativ deutlich höhere Out-of-Plane-Verformungen bei qualitativ ähnlichem Verlauf ein. Die mechanischen Eigenschaften wurden hierbei begleitend mittels Zug-Scher-Versuchen ermittelt .
Wird die Probe nun einer Zug-Scher-Belastung unterworfen, so kommt es mit zunehmender Belastung zu deutlichen Änderungen des thermoelastischen Verformungsverhaltens .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Messung zumindest einer Verbindungseigenschaft eines WerkstoffVerbundes , welcher zumindest zwei miteinander verbundene Elemente aufweist, wobei
zumindest eines der Elemente zumindest in einem Bereich erwärmt wird, eine hieraus resultierende Verformung einer Oberfläche des WerkstoffVerbundes gemessen wird und aus der gemessenen Verformung die Verbindungseigenschaft bestimmt wird, wobei die zumindest eine Verbindungseigenschaft ein Schubmodul und/oder ein Elastizitätsmodul an der Verbindungsstelle der zumindest zwei Elemente miteinander umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Elemente, welches nur einseitig mit anderen Elementen des WerkstoffVerbundes verbunden ist, flächig ausgebildet ist und als die Verformung eine Verformung der dem Werkstoffverbünd abgewandten Oberfläche dieses flächigen Elementes gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung eine lokale Erwärmung der Oberfläche des Werkstoffverbundes, deren Verformung gemessen wird, ist, die bevorzugt mittels elektromagnetischer Strahlung bewirkt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Verformung der Oberfläche mittels, vorzugsweise digitaler, Speckle-Interferometrie,
Bildkorellation und/oder Shearographie erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseigenschaft aus der gemessenen Verformung mittels zumindest einer Korrelation, vorzugsweise zumindest einer Korrelationsfunktion bestimmt wird, wobei die Korrelation oder Korrelationsfunktion durch Messung und/oder Simulation von Verformungen bei unterschiedlichen Werten der entsprechenden Verbindungseigenschaft ermittelt wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verbindungseigenschaft eines WerkstoffVerbundes gemessen wird, dessen zumindest zwei miteinander verbundene Elemente durch Kleben miteinander verbunden sind und die Verbindungseigenschaft eine Eigenschaft der Klebeverbindung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Verformung der Oberfläche an einem oder mehreren Punkten der Oberfläche oder ortsaufgelöst erfolgt .
Messvorrichtung zum Messen zumindest einer Verbindungseigenschaft eines WerkstoffVerbundes , welcher zumindest zwei miteinander verbundene Elemente aufweist, aufweisend:
zumindest eine Erwärmungsvorrichtung, mit der zumindest ein Element des WerkstoffVerbundes zu¬ mindest in einem Bereich erwärmbar ist und zumindest eine Verformungs-Messvorrichtung, mit der eine aus der Erwärmung resultierende Verfor¬ mung einer Oberfläche des WerkstoffVerbundes messbar ist, sowie
einer Bestimmungsvorrichtung, mit der aus der gemessenen Verformung der Oberfläche die Verbindungseigenschaft bestimmbar ist,
wobei die zumindest eine Verbindungseigenschaft ein Schubmodul und/oder ein Elastizitätsmodul an der Verbindungsstelle der zumindest zwei Elemente miteinander umfasst.
9. Messvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass mit der Messvorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführbar ist.
PCT/EP2011/002171 2010-05-03 2011-05-02 Verfahren und vorrichtung zur messung von verbindungseigenschaften eines werkstoffverbundes WO2011137995A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010018980.4A DE102010018980B4 (de) 2010-05-03 2010-05-03 Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Verbindungseigenschaften eines Werkstoffverbundes
DE102010018980.4 2010-05-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2011137995A2 true WO2011137995A2 (de) 2011-11-10
WO2011137995A3 WO2011137995A3 (de) 2012-05-10

Family

ID=44626277

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/002171 WO2011137995A2 (de) 2010-05-03 2011-05-02 Verfahren und vorrichtung zur messung von verbindungseigenschaften eines werkstoffverbundes

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102010018980B4 (de)
WO (1) WO2011137995A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011118916A1 (de) 2011-11-21 2013-05-23 Peter Mäckel Strukturierte Beleuchtung zur thermischen und mechanischen Belastung in Kombination mit optischen Messverfahren wie der Shearografie/ESPI zur zerstörungsfreien Prüfung und Analyse des mechnanischen Übertragungsverhaltens und Eigenschaften von mechanischen Strukturen
DE102017104047A1 (de) 2017-02-27 2018-08-30 Universität Kassel Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Fügeverbindungen
DE102022116477A1 (de) 2021-11-03 2023-05-04 Institut Für Holztechnologie Dresden Gemeinnützige Gmbh Prüfanordnung und Prüfverfahren zur Bewertung des thermischen Verhaltens von temperatursensitiven Materialien

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201111039D0 (en) * 2011-06-29 2011-08-10 Rolls Royce Plc Inspection of a component

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2371685A1 (fr) * 1976-11-17 1978-06-16 Aerospatiale Procede et dispositif pour le controle de la qualite de points de soudure par resistance
US4484820A (en) * 1982-05-25 1984-11-27 Therma-Wave, Inc. Method for evaluating the quality of the bond between two members utilizing thermoacoustic microscopy
US4752140A (en) * 1983-12-02 1988-06-21 Canadian Patents And Development Limited/Societe Canadienne Des Brevets Et D'exploitation Limitee Pulsed dilatometric method and device for the detection of delaminations
US5041726A (en) * 1990-06-11 1991-08-20 Hughes Aircraft Company Infrared holographic defect detector
JPH063303A (ja) * 1992-06-18 1994-01-11 Yamatake Honeywell Co Ltd 板状連続物体の内部検査装置
DE19953415C1 (de) * 1999-11-06 2001-07-05 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum berührungslosen Detektieren von Prüfkörpern
JP2009536319A (ja) * 2006-05-10 2009-10-08 ナショナル・リサーチ・カウンシル・オブ・カナダ 被接着構造体の接着一体性を評価する方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011118916A1 (de) 2011-11-21 2013-05-23 Peter Mäckel Strukturierte Beleuchtung zur thermischen und mechanischen Belastung in Kombination mit optischen Messverfahren wie der Shearografie/ESPI zur zerstörungsfreien Prüfung und Analyse des mechnanischen Übertragungsverhaltens und Eigenschaften von mechanischen Strukturen
DE102017104047A1 (de) 2017-02-27 2018-08-30 Universität Kassel Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Fügeverbindungen
DE102022116477A1 (de) 2021-11-03 2023-05-04 Institut Für Holztechnologie Dresden Gemeinnützige Gmbh Prüfanordnung und Prüfverfahren zur Bewertung des thermischen Verhaltens von temperatursensitiven Materialien
DE102022116477B4 (de) 2021-11-03 2023-06-29 Institut Für Holztechnologie Dresden Gemeinnützige Gmbh Prüfanordnung und Prüfverfahren zur Bewertung des thermischen Verhaltens von temperatursensitiven Materialien

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010018980A1 (de) 2011-11-03
WO2011137995A3 (de) 2012-05-10
DE102010018980B4 (de) 2015-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3004827B1 (de) Messeinrichtung und verfahren zur ermittlung einer druckkarte
Comer et al. Characterising the behaviour of composite single lap bonded joints using digital image correlation
DE19805584C2 (de) System und Verfahren zur Materialüberprüfung von Werkstoffen, sowie Werkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Ghrib et al. Generation of controlled delaminations in composites using symmetrical laser shock configuration
WO2000022423A1 (de) Vorrichtung zum berührungslosen detektieren von prüfkörpern
WO2011137995A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur messung von verbindungseigenschaften eines werkstoffverbundes
EP3314036B1 (de) Wärmebildüberwachung der nassbeschichtung einer oberfläche eines metallbandes
Alade et al. A new method for estimating wood failure percentage in adhesive-bonded shear specimens
CN105482723A (zh) 接头组件及其检查方法
DE102018003818B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien optischen Bestimmung eines Spannungszustandes in einem für sichtbaren Licht undurchlässigen Bauteil
Ardebili et al. Delamination defect evaluation in CFRP composite patches by the use of active thermography
WO2009068507A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur detektion von verbundstörungen
Le et al. Measuring interfacial stiffness of adhesively bonded wood
Weiland et al. Investigation into the mechanical behavior of a polymer optical fiber embedded in a structural adhesive
EP3296721B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum zerstörungsfreien bestimmen eines laminierten zustands einer anordnung von laminierten kunststofffolienschichten für einen kunststoffkartenkörper
DE19841969C1 (de) Verfahren zur Bestimmung der Qualität der Haftung in einem Schichtverbund
DE102010023655A1 (de) Verfahren zur automatisierten Beurteilung von Korrosionsschäden nach zerstörungsfreier Prüfung mittels Impulsthermographie
EP3347702B1 (de) Anordnung zur bestimmung der erreichbaren haftfestigkeit vor ausbildung einer stoffschlüssigen verbindung an einer oberfläche eines fügepartners
DE102014108664B4 (de) Identifikation von Bauteilen
DE10207692B4 (de) Verfahren zur Prüfung der Qualität einer Haft- oder Klebeverbindung in einer Mehrschichtanordnung
Takahashi et al. Development of FBG-MFC hybrid SHM system for aircraft composite structures in collaboration study with Airbus
DE102019134544A1 (de) Verfahren und System zur Überprüfung einer Klebverbindung
EP3124958B1 (de) Verbundwerkstoff und verfahren zur detektion von kontaminationen auf einer oberfläche eines verbundwerkstoffs
DE102009025639A1 (de) Verfahren zur zerstörungsfreien Schichtdickenmessung bei Bauteilen mit komplexer Geometrie
DE102019003901A1 (de) Verfahren zur zerstörungsfreien Erfassung der Schichthaftung

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11718944

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2