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E-Modulmessung an Bauteilen mit Ultraschall


Der Elastizitätsmodul von Kunststoffbauteilen kann auch zerstörungsfrei ermittelt werden, ohne das Bauteil durch die Entnahme von Prüfkörpern zu zerstören. Voraussetzung ist hier allerdings, dass mittels einer Korrelation zwischen der Schallgeschwindigkeit der akustischen Wellen und dem Elastizitätsmodul, z. B. in Zugversuchen eine Kalibrierfunktion in Abhängigkeit von der Prüftemperatur vorliegt.
Mit diesem Prüfverfahren können lokale Informationen zum E-Modul an Kunststoffbauteilen durch das zerstörungsfreie Prüfverfahren der Impuls-Echo-Methode mittels Ultraschall ermittelt werden, ohne die beidseitige Zugänglichkeit des Prüfobjekts zu erfordern.

Dazu wird zunächst im Zugversuch mit Hilfe eines mechanischen Extensometers oder Laserextensometers der E-Modul des Werkstoffes in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt. Gleichzeitig wird im Impuls-Echo-Verfahren mit Direkt- oder Wasserankopplung (Tauchbad-Technik) an dem identischen Werkstoff die Schallgeschwindigkeit bei der entsprechenden Temperatur ermittelt. Das Kennwertepaar E-Modul und Schallgeschwindigkeit ergibt dann die erforderliche Kalibrierkurve (Bild 1).


Es sind verschiedene Darstellungen der empfangenen Ultraschallsignale möglich:

  • HF-Bild – Darstellung der vollen Schwingungen in mV,
  • A-Bild – Amplituden der Schwingungen in dB.

Auswertung

Auswertemethoden:

  • Mehrfachecho-Methode bei geringer Werkstoffdämpfung
  • Einfachecho-Methode mit vorheriger Kalibrierung und hoher Dämpfung
  • Wanddicken-Resonanz-Methode (RTM-Verfahren)

Bei einer definierten Einsatztemperatur des Bauteils sind aus der gemessenen Schallgeschwindigkeit mit Hilfe der Kalibrierkurve für ein spezielles Material die lokalen Elastizitätsmoduli darstellbar.


Probenvorbereitung

  • Entnahme von Prüfkörpern aus Bauteilen oder Bereitstellung von Prüfkörpern
  • Konditionierung der Prüfkörper und der zu prüfenden Bauteile bei Normklima
  • Ausmessen der Prüfkörperdicken von Prüfkörpern und am Bauteil
  • Bestimmung des E-Moduls an Prüfkörpern im Zugversuch mit Temperierkammer
  • Kalibriermessung mit Ultraschall mittels Impuls-Echo-Methode
  • Erstellen einer Kalibrierkurve
  • Messungen an Kunststoffbauteilen zur Verifizierung der Prüfergebnisse

Prüfbedingungen

  • Prüfung bei Raumtemperatur oder erforderlichen Betriebstemperaturen
  • Prüfkörperoberflächen vorbereiten (fettfrei)

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Christian Sirch
Telefon: +49 (0)3461 46-2743
christian.sirch@psm-merseburg.de

Quickinfo

Ergebnisse

  • Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen cL
  • E-Modul bei Zugbeanspruchung Et
  • Kalibrierkurve Et = f (cL)