Mekaniska egenskaper hos mjuka heterogena biomaterial : Tillämpning på polyuretanskum

Sammanfattning: 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.