Mekaniska egenskaper hos mjuka heterogena biomaterial : Tillämpning på polyuretanskum

• Main Authors: Gerstädt, Adrian, Morgén, Emil
• Format: Others
• Language: Swedish
• Published: Högskolan i Borås, Akademin för textil, teknik och ekonomi 2016
• Subjects: Confocal laser scanning microscopy; Digital Image Correlation; Finite element methods; Polyurethane foam; Young’s modulus; Poisson’s ratio; Matlab; CalFEM; Konfokalmikroskopi; Digital bildkorrelation; Finita elementmetoder; Polyuretanskum; Elasticitetsmodul; Poissons tal
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:hb:diva-10349

Denna rapport behandlar genomförandet av ett examensarbete på högskolenivå inom maskinteknik vid Högskolan i Borås. Examensarbetet har utförts hos SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut AB, enheterna SP Safety – Mechanical Research i Borås och Göteborg samt Food and Bioscience i Göteborg. Den största delen av arbetet har utförts vid sektionen Mechanical Research Göteborg. Målet med examensarbetet var att kombinera analys av experimentell bilddata från konfokalmikroskopi och mekanisk lastdata från en dragcell som gradvis deformerar ett polyuretanskum med modellering av skummets mekaniska egenskaper med hjälp av finita elementmetoder (FEM). Syftet var att bestämma elasticitetsmodul och Poissons tal. En viktig del av projektet var också att säkerställa hög repeterbarhet och möjliggöra vidareutveckling av metodiken genom att skapa rutiner för hur de olika delmomenten i arbetscykeln bäst utförs. Polyuretanskum, liksom många andra mjuka heterogena biomaterial saknar i dagsläget uppmätta eller beräknade mekaniska egenskaper. Därför finns potential för att den framtagna metodiken kommer till användning för att bestämma materialparametrar och analysera beteenden för fler av dessa material. Genom att bestämma materialparametrarna är det sedan möjligt att¬ utföra hållfasthetsberäkningar på sådana material, och korrelera materialparametrarna till processparametrarna vid tillverkningen för att optimera materialets egenskaper. Studien började med att ett prov av polyuretanskum placerades i en dragcell där det utsattes för en kraft så att det gradvis deformerades. Med hjälp av ett konfokalmikroskop kan hela deformationsprocessen följas i hög upplösning. De framtagna bildserierna analyserades sedan med hjälp av DaVis, en mjukvara som genomför så kallad digital image correlation-analys, med vars hjälp lokala förskjutningar kunde bestämmas. För att kunna utföra FEM-beräkningar delades materialstrukturen in i elementnät med hjälp av den fritt tillgängliga programvaran OOF2. Elementnät och förskjutningsdata importerades sedan till Matlab och insticksmodulen CalFEM. Med hjälp av CalFEM konstruerades en materialmodell med elasticitetsmodul och Poissons tal som inparametrar. Valideringskriterium användes för att säkerställa korrektheten i finita elementanalyserna. Elasticitetsmodulen bestämdes till 4.6 MPa och Poissons tal till 0.33 ± 0.06. Med tillgängliga data kunde inte modellen användas för att uppskatta båda parametrarna samtidigt. Poissons tal bestämdes genom manuell analys av bildserierna. Metodiken kan förbättras och vidareutvecklas genom att analysera fler provbitar för att ta hänsyn till lokala fluktuationer i materialstrukturen, samt avbilda provet i tredimensioner. Tredimensionell avbildning skulle också möjliggöra konstruktion av en tredimensionell beräkningsmodell av materialet. === This bachelor thesis deals with the implementation of a degree in mechanical engineering at the University of Borås. The thesis work has been conducted at SP Technical Research Institute of Sweden AB at the departments SP Safety – Mechanical Research in Borås and Gothenburg and Food and Bioscience in Gothenburg. The major part of the work has been done at the Mechanical Research department in Gothenburg. The aim of the thesis work was to combine analysis of experimental image data from confocal laser scanning microscopy and mechanical load data from a tensile cell that gradually deforms a polyurethane foam with modelling of the mechanical properties of the foam using finite element methods (FEM). The purpose was to determine Young’s modulus and Poisson's ratio. A crucial part of the project was also to facilitate a high degree of repeatability and further development of the method through establishing routines and best practices for how to implement different parts of the method. There is currently a lack of measured or calculated properties for polyurethane foams, as is the case also for many other soft heterogeneous biomaterials. This implies that the developed method has potential use for determining material parameters and analyzing behavior also for other materials of this type. Determining the material parameters facilitates strength calculations on these materials and makes it possible to correlate material parameters to process parameters during manufacturing to optimize material performance. The polyurethane foam was placed in a tensile cell, exposed to a force and slowly, gradually deformed. Using a confocal microscope, the entire deformation process can be observed at high resolution. The obtained image series were then analyzed using DaVis, a software that can perform so called digital image correlation analysis where local displacements could be determined. In order to perform the finite element calculations, the material structure was divided into an element mesh using the software OOF2. The element mesh and displacement data were then imported to Matlab and the plugin module CalFEM. Using CalFEM, a material model involving Young’s modulus and Poisson’s ratio was created. Young’s modulus was determined to be 4.6 MPa and Poisson’s ratio 0.33 ± 0.06. Using the available data, the model was insufficient to determine both parameters simultaneously. Therefore, Poisson’s ratio was determined through manual analysis of the image series. The method can be improved and further developed mainly by analyzing several samples to account for local fluctuations in the material structure and by using three-dimensional imaging methods. The latter would also open up for creating a three-dimensional model of the material.