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01.09.2011

Digitale Volumenkorrelation (DVC)

Bevor Fehler sichtbar werden

Digitale Volumenkorrelation (DVC)

Digitale Volumenkorrelation (DVC)

Standardverfahren beobachten lediglich die Materialoberfläche. Mit der digitalen Volumenkorrelation (DVC) bietet LaVision, Göttingen, eine Lösung, mit der nach eigenen Angaben unter der Oberfläche befindliche Materialstrukturen experimentell charakterisiert werden. Zudem sollen sich Fehler oder Unstetigkeiten in 3D-Volumenbildern quantitativ bestimmen lassen, bevor sie sichtbar werden.

Mithilfe der Computertomografie (CT) werden üblicherweise interne Strukturen von Komponenten in einem bestimmten Zustand bildlich dargestellt. Zudem lassen sich Strukturveränderungen nach einer Prüfung oder bestimmten Nutzungsdauer lokalisieren. Allerdings quantifiziert dieses Verfahren nur unzureichend das Ausmaß interner Strukturveränderungen und erlaubt dadurch keinen aussagekräftigen Vergleich mit Finite-Elemente-Methoden.

Parallel zu den Verbesserungen in der Röntgen-CT wurden auch signifikante Fortschritte in der digitalen Bildkorrelation (DIC) erzielt. Bei diesem Verfahren bilden digitale Kameras die Materialoberfläche in einem Referenzzustand (unbelastet) und einer Reihe belasteter Zustände ab. Die Bilder werden dann verarbeitet, um das vollständige Verformungsmuster der Materialoberfläche mit Bezug auf den Referenzzustand zu berechnen. Der Anwender erhält schnell Tausende genaue Messwerte, aus denen die Oberflächendeformation hervorgeht, was wiederum zur Berechnung der abgeleiteten Dehnungsfelder verwendet werden kann.

Nach der Markteinführung der DIC-Software zur Analyse von 2D-Verformungsfeldern erweiterte der Hersteller dieses Verfahren auf die 3D-Analyse von Volumenbildern und entwickelte die Software DVC. Diese ist Teil der hauseigenen StrainMaster-Messsysteme.

Das DVC-Verfahren bietet nach eigenen Angaben vollständige 3D-Dehnungs- und Deformationsmessungen kompletter Materialvolumen. Zudem können Fehler oder Unstetigkeiten aufgezeigt werden, bevor diese im Volumenbild sichtbar werden. Im Gegensatz zu den Bildern aus der Röntgen-CT, in denen die Unstetigkeiten größer als 0,5 Volumenelemente (Voxel) sein müssen, ermittelt und quantifiziert die DVC-Methode Unstetigkeiten, die kleiner als 0,05 Voxel sind. Die Genauigkeit der lokal ermittelten Dehnung ist nach Herstellerangaben besser als 0,1 Prozent.

Die DVC-Methode soll sich auch für Bilder aus anderen Messverfahren wie Magnetresonanztomografie, konfokale Mikroskopie oder optische Tomografie einsetzen lassen. Ebenso wie beim 2D-DIC-Verfahren müssen auch bei der 3D-DVC-Methode willkürliche Strukturen und Muster in den Volumenbildern enthalten sein, damit dieses Verfahren erfolgreich ist. Zum Beispiel führen die Veränderungen in der Materialdichte zu typischen Bildstrukturen in den rekonstruierten Röntgen-CT-Aufnahmen. Luftporen in Beton oder die materialspezifischen Strukturen von Schaumstoffen stellen ebenfalls erfassbare Muster für dieses Messverfahren dar.

Die Software unterteilt das Volumenbild in kleinere Volumenelemente, in denen zuverlässige Algorithmen die örtliche Verschiebung des Musters und somit die örtliche Materialverschiebung berechnen. Die Analyse großer Datensätze ist möglich, und es können daraus über eine Million Verschiebungsvektoren pro Volumenbildpaar berechnet werden.

Auxetisches Polymermaterial weist einen negativen Poisson-Verhältnis-Effekt auf. Ein zylinderförmiger Polymerkörper dieses Materials vergrößert sich in Radialrichtung, wenn er axial ausgedehnt wird. Diese Materialien besitzen eine erhöhte Bruchfestigkeit und Risswiderstandsfähigkeit sowie energieabsorbierende Eigenschaften. Um ihr komplexes Verhalten zu beschreiben, sind umfangreiche Validierungstests erforderlich. Experimentelle Ermittlungen, basierend auf einachsigen Prüfungen, können die vorhandenen Komplexitäten nur unzureichend erfassen, während DVC-Messungen das Verhalten dieser Materialien quantifizieren.

Der Schaumstoff wurde im Röntgen-CT-Gerät im Referenzzustand und in zwei zugbelasteten Zuständen untersucht. Ist eine solche In-situ-Belastung der Probe nicht möglich, kann diese zur Belastung entfernt und später wieder in den CT-Scanner eingesetzt werden. Mögliche Verschiebungen oder Rotationen der gesamten Materialprobe werden von der DVC-Software automatisch korrigiert. Die Ergebnisse lieferten Einblicke in das Verhalten von Schaumstoffen und zeigten ein heterogenes Dehnungsverhalten mit lokal unterschiedlichen Poisson-Verhältnis-Zahlen. Bereiche mit positiven wie auch negativen Poisson-Zahlen (auxetisches Verhalten) konnten detektiert werden.

Unternehmensinformation

LaVision GmbH

Anna-Vandenhoeck-Ring 19
DE 37081 Göttingen
Tel.: 0551 9004-0
Fax: 0551 9004-100

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