Microstructure Characterization of Continuous-Discontinuous Fibre Reinforced Polymers based on Volumetric Images

Die quantitative Beschreibung der Mikrostruktur von Faserverbundwerkstoffen ist elementar für die Modellierung von thermischen und mechanischen Eigenschaften. Durch die stetige Entwicklung der Computertomographie ist es heute möglich dreidimensionale Bilddaten von Werkstoffen mit einer Auflösung von unter einem Mikrometer zu erzeugen. Moderne Computersysteme bieten ausreichend Rechenleistung um die resultierenden volumetrischen Bilddaten automatisiert auszuwerten und relevante Statistiken zu erzeugen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Quantifizierung von mikrostrukturellen Merkmalen von faserverstärkten Polymeren unter Verwendung von
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computertomographischen Aufnahmen. Diverse Verfahren zur Bestimmung von lokalen Faserorientierungen, -volumengehalt, -krümmungen und -längen wurden implementiert und validiert. Des Weiteren wurden zwei Ansätze zur Berechnung von lokalen Oberflächenkrümmungen zur Porositätsanalyse verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass einige der bereits verfügbaren Orientierungsanalyseverfahren bereits sehr robust sind und auch mit stark verrauschten Aufnahmen mit geringem Kontrast sehr gute Resultate erzielen. Faserlängenverteilungen,
die mittels Fasertrackingverfahren aus computertomographischen Aufnahmen extrahiert wurden lieferten nur bis zu einer Probengröße von 5mm verlässliche Faserlängenverteilungen und sind daher nur bedingt für die Anwendung an langfaserverstärkten Polymeren geeignet.

Extracting quantitative descriptors from computed tomography scans of fibre reinforced polymers is essential for modelling mechanical and thermal properties. The precision of CT-scanners has been improved significantly in recent years and thus, images with an resolution below one micro meter can be acquired. Modern age computers offer the opportunity to process those large datasets of volumetric image data and to extract significant statistics.
The present thesis deals with the quantification of microstructural features of fibre reinforced polymers from CT-scans. Therefore, various algorithms have been implemented and validated in order to determine the fibre orientation, volume fraction, curvature and length. ... mehrFurthermore, two approaches for the evaluation of surface curvature have been compared. Results show that some of the available methods for fibre orientation analysis
are very robust and thus, also very noisy and low contrast images can be processed with sufficient accuracy. Fibre length distributions derived from fibre tracking algorithms lead to very good correspondence compared with conventional methods at a specimen size of up to 5mm while data from larger samples is less reliable.