Dehnungsmessung

Werkstoffe können sich unter thermischer und mechanischer Einwirkung verformen. Ein Beispiel für eine derartige Formveränderung ist die Dehnung. So bezeichnet man die relative Längenänderung eines Bauteils oder Werkstoffs unter mechanischer Belastung (Kraft) oder durch Wärme und Kälte. Wird von außen Kraft auf ein Bauteil ausgeübt, verlängert es sich (positive Dehnung, Streckung). Dehnungen, die als Reaktion auf Kraftausübung entstehen, bewirken eine Deformation des Werkstoffs. Ist das Bauteil Druck ausgesetzt, wird es gestaucht (verkürzt, negative Dehnung). Erfährt der Werkstoff eine Temperaturänderung, die seine Abmessungen vergrößert, spricht man von einer Wärmedehnung. Hohe Temperaturen bewirken eine positive Wärmedehnung, Kälte eine negative. Darüber hinaus gibt es noch die Dehnung durch Eigenspannung. Diese Verformungen entstehen beim Schmieden und Schweißen von Bauteilen. Außerdem existieren Dehnungen, die durch ein Magnetfeld oder ein elektrisches Feld zustande kommen.

Um die Dehnung eines Werkstoffs zu berechnen, wird die Längenänderung durch die ursprüngliche Länge dividiert und in Mikrometer pro Meter (μm/m) angegeben. Bei vielen Werkstoffen ist die Dehnung proportional zur einwirkenden Kraft. Dehnungen können in Längsrichtung auftreten oder aber als Resultat einer Querkontraktion quer zur Kraftrichtung. Wirken Zug-, Druck- und Scherkräfte zusammen, sind Dehnungen in alle Richtungen die Folge. Diese komplexen Verformungen lassen sich auch am Computer simulieren.

Materialien unterscheiden sich in Bezug auf ihre Dehnung: Stahl verformt sich unter Krafteinwirkung weniger als Gummi. Titan dehnt sich unter Wärmeeinfluss nicht so stark aus wie Aluminium. Welche Ursache die Dehnung von Bauteilen hat, wird durch Materialkoeffizienten bzw. Module angegeben. Geht es um mechanische Belastung, wird die Dehnung durch das Elastizitätsmodul wiedergegeben. Dehnungen infolge von Wärmeeinwirkung beschreibt der Wärmeausdehnungskoeffizient. Eine große Anzahl von Werkstoffen dehnt sich gleichmäßig in alle Richtungen aus. Im Unterschied dazu erfolgt die durch mechanische Belastung hervorgerufene Dehnung meist in Richtung dieser Kraft. Dehnung kann berechnet und auch experimentell gemessen werden.

Die heute überwiegend angewendeten Methoden der Dehnungsmessung sind die elektrische und die optische Messung mithilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS). Besteht der DMS aus Metallfolie, können damit Dehnungen von 1/100 bis 1/10 μm/m gemessen werden. Halbleiter-DMS ermöglichen eine präzise Erfassung der Längenänderung im Bereich zwischen 1/1000 und 1/100 μm/m. Der Dehnungsmessstreifen gibt stets die mittlere Dehnung des Werkstoffs an, auf dem er mit einem Spezialkleber angebracht wird. Je nach Umgebungsbedingungen werden DMS unterschiedlicher Größe eingesetzt.

Elektrische Dehnungsmessstreifen werden auch als Foliendehnungsstreifen bezeichnet. Sie sind seit mehr als 80 Jahren erhältlich und bestehen aus zwei dünnen Polyamid-Folien mit einem integrierten Messgitter aus Konstantan. Zur Messung werden üblicherweise Brückenschaltungen verwendet. Statt eines Messgitters aus Metall kann auch ein Siliziumgitter genutzt werden (Halbleiter-DMS). Diese Dehnungsmessstreifen sind sehr viel empfindlicher als metallische DMS. Elektrische Messstreifen sind zwischen 0,2 und 150 mm groß. Bei der konventionellen Messung sind Abweichungen zwischen 0,1 und 1 % vom Messbereichsendwert möglich.

Bei der Dehnung erhöht sich der Widerstand im Messgitter, sodass es sich verformt. Die Empfindlichkeit bei der Erfassung der Verformung variiert bei Halbleiter-DMS entsprechend der Kristallausrichtung und des Siliziums (n oder p). Diese DMS ermöglichen im Frequenzbereich von 5 bis 8 MHz fehlerfreie Messergebnisse. Die maximale Betriebsspannung ist von der Größe des Messstreifens und dem Werkstoff abhängig. DMS üblicher Größe, die auf guten Wärmeleitern haften, können 5 bis 10 V aushalten. Die optische Dehnungsmessung erfolgt mithilfe von faseroptischen Sensoren (FOS), die auf den jeweiligen Werkstoff aufgeklebt oder geschweißt werden.

Diese optischen Dehnungsmessstreifen werden auch als Faser-Bragg-Gitter-Sensoren bezeichnet. Sie sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und anderen ungünstigen Bedingungen. Daher werden sie eingesetzt, wenn die elektrischen DMS nicht angewendet werden können, also bspw. bei Temperaturen zwischen -270 bis 300 °C. Der optische DMS hat eine kunststoffbeschichtete Quarzglasfaser als Kern, der von einem dichteren Mantel und einer schützenden Kunststoffbeschichtung umgeben ist. Die Faser enthält mehrere Faser-Bragg-Gitter. Trifft das von außen über einen Interrogator eingeleitete Laserlicht auf dieses Gitter, wird ein Teil der Lichtstrahlen reflektiert und zum Interrogator zurückgeschickt. Daraus lassen sich die Spannungen innerhalb des Werkstoffs und die Verformungen ermitteln.

Wird die Faser bei der Dehnungsmessung gestreckt, vergrößern sich die Abstände der Gitterteile. Gleichzeitig verändert sich die Wellenlänge des reflektierten Lichts. Weil jede Faser unzählige Bragg-Gitter beinhalten kann, eignet sich diese Dehnungsmessung für das Überwachen von Pipelines und Tunneln. Im Gegensatz zur elektrischen Dehnungsmessung, bei der jeder DMS mit einem separaten Anschlusskabel verschaltet sein muss, reicht bei optischen DMS eine einzige Glasfaser aus. Dadurch werden Installationsaufwand und Kosten gespart.

Dehnungsmessungen haben den Vorteil, dass sogar extrem geringe Formänderungen und Spannungen äußerst präzise und punktgenau ermittelt werden können und sie mithilfe unterschiedlicher Dehnungsmessstreifen nahezu universell anwendbar sind. Bauteile können so jahrelang überwacht werden. Dehnungsmessungen können auch an anspruchsvollen Bauteilen (Gehäuse aus Aludruckguss, Turbinenlaufräder) und unter Wasser mithilfe der DMS durchgeführt werden.

Die Dehnungsmessung kann auch mithilfe optischer Messsysteme mit hochauflösenden Kameras wie dem ARAMIS System von ZEISS vorgenommen werden. Zuvor muss der zu prüfende Werkstoff lediglich von einem Markierlaser mit einem Messraster gekennzeichnet werden. Während der Werkstoff verformt wird, machen die beiden Kameras Fotos von diesem. Die 3D-Dehnungsmessung lässt sich problemlos auch an Bauteilen mit komplexer Geometrie durchführen. Anhand der gemessenen Pixelkoordinaten des aufgebrachten Musters lassen sich die Dehnungen mithilfe spezieller ZEISS Software präzise berechnen. Das optische Messsystem kann dauerhaft an der jeweiligen Prüfmaschine montiert werden.

Dehnungsmessungen werden mit unterschiedlichen Verfahren durchgeführt, die auf spezielle Anwendungsbereiche beschränkt sind. Die Messungen selbst sind vielseitig und in diversen Industrien nutzbar.