Sie begegnen uns an vielen Orten, ohne dass wir sie wahrnehmen: Polymere, chemische Verbindungen aus Kettenmolekülen oder verzweigten Molekülen. Industriell hergestellte Polymere sind der Hauptbestandteil von Faserverbundwerkstoffen und Metall-Kunststoff-Verbundbauteilen. Somit sind sie elementar für den Hybrid-Leichtbau. Daneben werden polymere Werkstoffe zunehmend in ultraschallbasierten Messsystemen eingesetzt. Diese Systeme werden etwa in der Autoindustrie als Einparkhilfe genutzt. Doch obwohl Polymere für technische Anwendungen wichtig sind, lassen sich ihre mechanischen und akustischen Materialeigenschaften mit bisherigen Messverfahren nicht hinreichend genau bestimmen. Ein neues, auf drei Jahre angelegtes Forschungsprojekt von Universität Paderborn und Universität Duisburg-Essen will das ändern. Das Projekt „Vollständige Bestimmung der akustischen Materialparameter von Polymeren (VaMP)“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit rund 400.000 Euro gefördert.
„Die heute eingesetzten polymeren Werkstoffe sind sehr vielfältig und haben unterschiedliche mechanische und akustische Materialeigenschaften“, erklärt Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Bernd Henning vom Fachgebiet Elektrische Messtechnik der Universität Paderborn. So lassen sich weiche, schallabsorbierende polymere Werkstoffe, aber auch feste, schallleitende und zugleich leichte Werkstoffe herstellen. Daneben hängen die Materialeigenschaften der Polymere von äußeren Bedingungen wie Temperatur und Feuchte sowie von der konkreten Belastung eines Bauteils ab und können sich im Laufe der Zeit deutlich verändern. „Um künftig geeignete Materialmodelle für technische Anwendungen entwickeln und eigenschaftsverändernde Prozesse im Polymerwerkstoff besser verstehen zu können, müssen wir daher alle relevanten mechanischen und akustischen Materialeigenschaften von Polymeren vollständig experimentell bestimmen“, betont Dmitrij Dreiling, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt.
Bisherige Messverfahren können das nicht leisten. Dazu Henning: „Aktuelle Messverfahren zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften von Polymeren basieren auf statischen Annahmen und sind zerstörende Prüfverfahren, bei denen die polymere Werkstoffprobe irreparabel verändert wird. Um eine repräsentative Aussage zu erhalten, müssen viele Werkstoffproben zerstörend analysiert werden. Hinzu kommt: Die unter statischen Annahmen bestimmten Materialeigenschaften der Polymere gelten nicht mehr im hochfrequenten Ultraschallbereich.“
Im Forschungsprojekt wollen die Wissenschaftler in Paderborn und an der Universität Duisburg-Essen daher neuartige Ultraschall-Messverfahren entwickeln. Mit deren Hilfe soll es künftig möglich sein, die mechanischen und akustischen Materialeigenschaften von Polymeren zerstörungsfrei und über einen sehr weiten Frequenzbereich genau zu bestimmen. „Die Paderborner Gruppe übernimmt die Entwicklung des Messverfahrens und realisiert die Ultraschall-Messeinrichtung. Parallel entwickeln die Kollegen an der Universität Duisburg-Essen eine neue Simulationssoftware. Die Materialparameterbestimmung gelingt durch einen perfekten Abgleich der Mess- und Simulationsergebnisse“, beschreibt Henning das Vorgehen.
Dreiling ergänzt: „Wir möchten die genauen Zusammenhänge zwischen den statischen mechanischen und den hochfrequenten akustischen Materialeigenschaften von Polymeren charakterisieren. Nur so können wir die bisherigen zerstörenden Prüfverfahren ersetzen.“ Erste Projektergebnisse werden Anfang 2020 erwartet.
