Ein ballistischer Schild aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE) versagte bei einem Aufprall eines Fragments mit niedriger Geschwindigkeit. Die visuelle Inspektion zeigte keine vollständige Penetration, jedoch eine innere Trennung der Schichten. Dieser Artikel beschreibt den forensischen Arbeitsablauf, der verwendet wurde, um festzustellen, ob ein Fehler im Pressdruck während der Herstellung die Grundursache für die Delamination war.
3D-Pipeline: Mikro-CT-Scan und Segmentierung in Volume Graphics 🛡️
Der erste Schritt bestand darin, den beschädigten Schild einem Mikro-CT-Scan zu unterziehen, um eine hochauflösende volumetrische Punktwolke zu erhalten. In Volume Graphics wurden die Regionen mit geringer Kohäsion segmentiert, wobei Bereiche identifiziert wurden, in denen die Materialdichte unter 85 % des Nennwerts lag. Diese Bereiche, die als längliche Porositäten zwischen den Schichten sichtbar sind, wurden in einem 3D-Modell isoliert. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Netz mit den degradierten mechanischen Eigenschaften dieser Regionen exportiert. Die Analyse in GOM Inspect bestätigte, dass die Restverformungen mit der Aufprallgeometrie übereinstimmten, was die Segmentierung validierte.
Simulation in Abaqus und Validierung der Druckhypothese 🔬
In Abaqus wurde der Aufprall des Fragments auf das Modell mit den Zonen geringer Kohäsion simuliert. Die Spannungsverteilung zeigte lokale Spitzen an den Rändern der segmentierten Bereiche, was zu einer Rissausbreitung führte, die die beobachtete Delamination exakt nachbildete. Im Vergleich zu einer Kontrollsimulation mit einem idealen Schild (ohne Defekte) trat das Versagen nicht auf. Dies bestätigte, dass ein unzureichender Pressdruck Schwachstellen erzeugte und nicht ein Defekt des Grundmaterials. Der Arbeitsablauf zeigt, wie die Integration von Mikro-CT und Simulation die Überprüfung von Herstellungsprozessen ermöglicht.
Wie die durch Mikro-CT erkannten Diskontinuitäten an der Grenzfläche der UHMWPE-Schichten mit den vom Finite-Elemente-Modell in Abaqus für einen Fragmentaufprall mit niedriger Geschwindigkeit vorhergesagten Delaminationsstartzonen korrelieren.
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)