Byron Saari P.E., Ingenieur bei MTS R&D, ist ein Experte auf dem Gebiet der Materialeinstufung und hält mehrere Patente auf diesem Gebiet. In diesem Interview spricht Saari über die dynamisch-mechanische Analyse (DMA), die für jedes Forschungsteam, das sich mit Elastomeren, Polymeren und Formgedächtnis-Legierungen beschäftigt, eine wichtige Fähigkeit darstellt.
F: Was ist eine dynamisch-mechanische Analyse?
A: Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist ein dynamisches Einstufungsverfahren, das die Spannung als Funktion der Dehnung bzw. die Kraft als Funktion der Verschiebung misst. Dabei wird eine sinusförmige Dehnung auf das Material aufgebracht und die resultierende Spannung gemessen. Typischerweise wird bei der DMA auch die Frequenz der Belastung und/oder die Temperatur des Prüfkörpers variiert, was auch als dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) bezeichnet wird.
F: Welche Rolle spielt die DMA bei der Entwicklung von Elastomerwerkstoffen?
A: Die DMA ist sehr nützlich für die Einstufung der Eigenschaften und des Verhaltens von Elastomeren, Polymeren und Formgedächtnis-Legierungen. Diese Materialien weisen alle eine Dämpfung auf und können in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen der Betrieb mit höheren Frequenzen kritisch ist. Die DMA gibt Forschern die Möglichkeit, Dämpfungseffekte sehr detailliert zu untersuchen. Mit der DMA können Forscher den komplexen Modul, den Speichermodul, den Verlustmodul und den Verlustfaktor (tan delta) eines Materials berechnen. Ein Bereich, in dem DMA zum Einsatz kommt, ist die Entwicklung neuer Materialien für Komponenten, die leichter sind, aber dennoch eine hohe Leistung aufweisen, was in einer Reihe von Branchen wichtig ist.
F: Beschreiben Sie einige der Herausforderungen, die mit der DMA verbunden sind.
A: Es ist sehr schwierig, Bewegung und Kraft bei hohen Frequenzen genau zu messen. Die Fähigkeit, die Phasenverschiebung zwischen der angelegten Verschiebung und der resultierenden Kraft bei diesen Frequenzen genau zu messen, ist ein kritischer Aspekt der DMA. Die Phasenverschiebung ist entscheidend, da sie rein elastische Materialien von rein viskosen Materialien unterscheidet. Elastomere, Polymere und Formgedächtnis-Legierungen weisen alle viskoelastische Eigenschaften auf, fallen also irgendwo dazwischen.
F: Wie hilft MTS den Forschern, diese Herausforderung zu meistern?
A: Das DMA-Softwarepaket von MTS hilft, eine genaue Phasenmessung durch spezielle dynamische Korrekturtechniken sicherzustellen. Dabei werden die Phaseneinstufungen der Kraft- und Bewegungswandler sowie der Konditionierungselektronik gemessen und proprietäre Berechnungen zur Korrektur dieser Effekte angewendet. Dieses Paket kann sowohl das Amplituden- als auch das Phasendynamikverhalten korrigieren. Es repräsentiert mehr als 30 Jahre firmeneigene Expertise in der Materialprüfung und dynamischen Einstufung in vielen verschiedenen Anwendungen und Branchen.
F: Welche Systeme bieten diese DMA-Fähigkeit?
A: MTS bietet ein umfangreiches Portfolio an dynamischen Prüfsystemen, die für die DMA geeignet sind und von 250 kN bis 1,25 kN Kraftkapazität bei einer Auflösung von bis zu 0,01 N reichen. Für Anwendungen mit höheren Kräften und höheren Frequenzen ist das DMA-Paket mit vielen unserer servohydraulischen Prüfsysteme erhältlich, einschließlich der speziell für die Elastomerprüfung konzipierten Systeme. Die Acumen®-Prüfsysteme von MTS sind elektrodynamische Prüfsysteme, die eine Vielzahl von dynamischen und statischen Tests mit hoher Wiedergabetreue durchführen und auch für DMA-Tests gut geeignet sind. Bei Bedarf sind für die dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) optionale Kammern erhältlich.
F: Ist es nicht eher üblich, ein dediziertes DMA-Prüfsystem zu verwenden?
A: Das war in der Vergangenheit so, ja. Aber viele Forscher, vor allem an Universitäten, stehen heute unter großem Druck, mit weniger mehr zu erreichen. Sie haben nicht immer das Budget, um für jede Art von Prüfung ein Prüfsystem anzuschaffen. Mit dem Acumen-Prüfsystem von MTS haben Forscher die Möglichkeit, DMA-Tests und viele andere Tests mit einem einzigen System durchzuführen. Darüber hinaus ist das Acumen-Prüfsystem von MTS mit seinen Präzisionskraftwandlern, der hochsteifen Konfiguration und dem hochauflösenden digitalen Encoder für die Messung geringerer Kräfte und sehr kleiner Verschiebungen ausgelegt.
F: Warum ist der Dynamikbereich des Systems wichtig?
A: Eine der wichtigsten Eigenschaften, die Forscher oft bestimmen müssen, ist die Glasübergangstemperatur des Materials, bei der es von einer harten, „glasartigen“ Qualität zu einer weicheren, „gummiartigen“ Qualität übergeht. Bei der Prüfung wird das Material in der Regel im glasartigen Zustand gemessen, die Temperatur kontrolliert erhöht und beim Übergang in den gummiartigen Zustand häufige Messungen durchgeführt. Beim Übergang kann sich der Spannungs-Dehnungsbetrag um einen Faktor von Tausend ändern. Um den Betrag genau zu messen, werden hochdynamische Weg- und Kraftaufnehmer und eine robuste Steuerung benötigt.
F: Welche weiteren DMA-Funktionen bietet die Software?
A: Die DMA-Software von MTS kann eine Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) nach dem Williams-Landel-Ferry-Modell (WLF) durchführen. Mit diesem Modell können Materialforscher Masterkurven erstellen, die dazu dienen, das Materialverhalten bei höheren Frequenzen durch Tests bei niedrigeren Temperaturen zu extrapolieren.
F: Für welche Branchen ist die DMA-Software am nützlichsten?
A: Der Anwendung sind eigentlich keine Grenzen gesetzt, denn sie ist für die Einstufung jedes Materials, das eine Dämpfung aufweist, unerlässlich. Offensichtliche Anwendungen bestehen bei Automobilkomponenten, Biomaterialien und im Bauwesen. Aber das Spannende an der Materialforschung ist ihre Vielfalt. Mit der Bandbreite an Systemen, die wir anbieten, ist MTS auf einzigartige Weise in der Lage, Materialforschern bei der Entwicklung einer kompletten DMA-Lösung für praktisch jeden Bedarf zu helfen.
