KUZ: Fehler durch Röntgenstrahlung sichtbar gemacht

04.12.2020

Dem KUZ steht der Computertomograf Werth TomoScope XS zur Verfügung. (Foto: KUZ)

Dem KUZ steht der Computertomograf Werth TomoScope XS zur Verfügung. (Foto: KUZ)

Die mechanischen Kennwerte für Leichtbaukunststoffteile sind richtungsabhängig. Dabei spielt allen voran die Faserorientierung eine große Rolle. Beim Thermoplast-Schaum-Spritzgießen (TSG) sind darüber hinaus lokale Unterschiede, wie z. B. die Dichte und die Geometrie der Blasen wichtig für das mechanische Verhalten des Formteils. Findet dies Berücksichtigung, können sehr leichte und biegesteife Formteile generiert werden. Um die Einflüsse und Zusammenhänge beim TSG-Verfahren besser zu verstehen, untersucht das Kunststoff-Zentrum in Leipzig (KUZ) die Formteile mit der Computertomographie (CT). Mit dieser lassen sich die Fasern, die Blasen und die Dichteverteilung der Formteile detailliert abbilden und auswerten.

Den Fasern auf der Spur

CT-Scan eines PP-Langfaser-Composites. (Abb.: KUZ)

CT-Scan eines PP-Langfaser-Composites. (Abb.: KUZ)

Mit Hilfe eines leistungsstarken Computertomograph TomoScope XS von Werth und der Analyse-Software (Avizo von FEI) lassen sich die CT-Scans mit einer Auflösung von 2 µm in die Bestandteile der gescannten Formteile selektieren und vermessen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Orientierung der Fasern sowie deren Volumenanteil ermittelt werden. In der Abbildung ist ein Scan aus einer PP-Langfaserprobe dargestellt. Darin sind die Fasern in hellen Grautönen, sowie die PP-Matrix in dunklen Grautönen zu erkennen.

Die Probe wurde über der Wandstärke von 2 mm in zehn gleich dicke Schichten unterteilt. In jeder Schicht wurde die Faserorientierung mit Avizo ermittelt und mit einem roten Ellipsoid dargestellt. Dabei zeigt die längste Achse des Ellipsoids die gemittelte Faservorzugsrichtung an. Die zwei weiteren Achsen des Ellipsoid stehen senkrecht auf dieser Vorzugsrichtung. Je mehr Fasern in eine Richtung orientiert sind, desto länger wird diese Achse angezeigt. Sind theoretisch alle Fasern in die gleiche Richtung ausgerichtet, wird aus dem Ellipsoid eine Linie. Sind die Fasern gleichverteilt auf alle Raumrichtungen, wird aus dem Ellipsoid eine Kugel.

Der Pfeil in der Abbildung zeigt in Fließrichtung. Es ist zu erkennen, dass spritzgusstypisch die Fasern im Randbereich (Scherzone) vorzugsweise in Fließrichtung orientiert sind und die Fasern in der Mitte senkrecht dazu. In der Abbildung sind rechts die Fasern als Volumen selektiert. Dadurch ist es möglich, den Faservolumenanteil lokal zu ermitteln und auch Unterschiede innerhalb des Formteils zu berücksichtigen.

Der Schaum unter der Lupe

In diesem Längsschnitt durch eine Probe eines PA 6 GF30 sind die Dichteverteilung, die Blasenstruktur und die Faserorientierung dargestellt (v.l.n.r.). (Abb.: KUZ)

In diesem Längsschnitt durch eine Probe eines PA 6 GF30 sind die Dichteverteilung, die Blasenstruktur und die Faserorientierung dargestellt (v.l.n.r.). (Abb.: KUZ)

TSG-Formteile zeichnen sich durch kompakte Randschichten und einen geschäumten Kern aus. Dadurch haben die geschäumten Formteile eine hohe gewichtsspezifische Biegesteifigkeit. In der Abbildung sind die drei wichtigsten strukturellen Eigenschaften visualisiert. Zu sehen ist ein Längsschnitt durch ein PA 6 mit 30 % Kurzglasfasern. Oben und unten sind die kompakten Randschichten zu erkennen, dazwischen der Schaumkern. Links ist die Dichte dargestellt. Helle Grautöne stehen für hohe Dichte in den Randschichten. Dunkle Grautöne für Bereiche niedriger Dichte im Bereich des Schaums. In der Mitte sind die Blasen selektiert. Die Geometrie jeder Blase kann einzeln vermessen und weiterverarbeitet werden. Abschließend ist rechts die Visualisierung der Faserorientierungsverteilung, wie bereits oben beschrieben wurde, abgebildet.

Mithilfe dieser Informationen kann beispielsweise der Vergleich zu den Ergebnissen aus Spritzgießsimulationen durchgeführt werden. Weiterhin lassen sich mechanische Simulationen mit anisotropen, d. h. richtungsabhängigen Materialkennwerten qualifizieren.

Weitere Potenziale der Computertomographie

Mit der CT lassen sich darüber hinaus weitere wichtige Fragestellungen der Kunststofftechnik erforschen. Ähnlich wie bei der Analyse von Blasen und Fasern lassen sich auch Funktionsadditive wie z. B. Metallpartikel untersuchen.

Zahnrad: li.: Punktewolke (STL-Datei); re.: Genaue Bemaßung (Abweichung ca. 3 µm). (Abb.: KUZ)

Zahnrad: li.: Punktewolke (STL-Datei); re.: Genaue Bemaßung (Abweichung ca. 3 µm). (Abb.: KUZ)

Durch die berührungslose und zerstörungsfreie Prüfung ermöglicht die CT die 3D-Vermessung von Außenkonturen und nicht zugänglichen Innenkonturen, die Positionskontrolle in Baugruppen sowie den Soll-Ist-Vergleich mit dem CAD-Modell. Die Abbildung zeigt ein Zahnrad an dem die relevanten Abschnitte vermessen wurden.

Nietverbindungen mit unterschiedlichen Nietkopfformen. Lunker im Nietkopf (li). Bindenähte im Kontaktbereich zwischen Nietkopf und Pin (Mitte und rechts). (Abb: KUZ)

Nietverbindungen mit unterschiedlichen Nietkopfformen. Lunker im Nietkopf (li). Bindenähte im Kontaktbereich zwischen Nietkopf und Pin (Mitte und rechts). (Abb: KUZ)

Auch in der Schadensanalyse spielt die CT ihre Stärken aus. So ist es möglich, Inhomogenitäten wie Lunker, Hohlräume, Risse oder Bindenähte nachzuweisen. Mit dem breiten Know-how im KUZ lassen sich daraus Strategien zur Behebung der Fehler und zur Verbesserung der Prozesse ableiten.

www.kuz-leipzig.de

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