SKZ: Computertomographie für zerstörungsfreie Prüf- und Messaufgaben

iCT-Aufnahme eines geschweißten Polypropylen-Körpers mit 10 % Glasfaser

Am Kunststoff-Zentrum (SKZ) werden branchenrelevante Qualitätssicherungsmaßnahmen entwickelt. Hierbei stehen neben den zerstörenden nun häufiger die zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Qualitätsbestimmung von Produkten im Fokus.

Für zerstörungsfreie Prüf- und Messaufgaben verwendet das SKZ zwei Computertomographen der Wenzel Volumetrik GmbH für verschiedene Bauteilgrößen und Auflösungsbereiche. Die industrielle Computertomographie (iCT) wird angewandt, um den inneren Aufbau von Bauteilen berührungslos und zerstörungsfrei analysieren zu können.

Mithilfe der Computertomographie können z.B. gefüllte oder verstärkte Kunststoffe geprüft, Fehlstellen in Produkten erkannt, Klebstoffverteilungen untersucht und Bauteile vermessen werden. Bei der Prüfung von verstärkten bzw. gefüllten Kunststoffprodukten können mit der iCT z.B. Bindenähte im Inneren von Spritzgussprodukten sichtbar gemacht werden. Sind Aussparungen in einem Spritzgussbauteil vorhanden, lassen sich Bindenähte nicht vermeiden. Diese Bindenähte können neben den optischen auch die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils negativ beeinflussen. Insbesondere wenn sich Bindenähte im Inneren von Bauteilen befinden, ist das Auffinden der Bindenähte von großem Interesse. In verstärkten bzw. gefüllten Kunststoffprodukten sind Bindenähte aufgrund von Faseranhäufungen bzw. -ausrichtungen durch iCT-Aufnahmen detektierbar. Hierdurch ist folglich eine Bewertung der im Prozess eingestellten Spritzgussparameter möglich.

Bei gefüllten Kunststoffen kann mithilfe von CT-Aufnahmen auch die Füllstoffverteilung in Granulaten bzw. Kunststoffbauteilen anhand der Dichteverteilung volumenprozentual bestimmt werden. Des Weiteren ist eine Darstellung von Füllstoffen in den vermessenen Proben in den Aufnahmen möglich. Hierzu sollten jedoch die verwendeten Füllstoffe in ihrer Dichte vom Matrixmaterial unterschieden werden können. Auch beim Schweißen von verstärkten Kunststoffen orientieren sich Fasern bzw. Füllstoffe durch die beim Fügen entstehenden Fließvorgänge um. Die Ausrichtung der Füllstofffasern wirkt sich dabei sehr stark auf die Festigkeit der Schweißverbindung in Bezug auf die Grundmaterialfestigkeit aus. Untersuchungen mittels industrieller Computer-Tomographie bieten die Möglichkeit, die Festigkeit einer Kunststoffverbindung bewerten zu können.

Detektion von Lunkern oder Einschlüssen bei Schweißverbindungen

Der häufigste Einsatzbereich der industriellen Computertomographie ist allerdings die Detektion von Fehlstellen in Bauteilen bzw. Fügeverbindungen. Mit der Computertomographie können verschiedene Arten von Einschlüssen im Kunststoff sichtbar werden. Dazu zählen Lufteinschlüsse bzw. Lunker, die zum Beispiel bei zu schnellem Abkühlen von Schweißverbindungen entstehen können und von außen nicht sichtbar sind. Durch die Lunker entstehen in einem Bauteil Schwächungen des Querschnittes, wodurch sich die Festigkeit des hergestellten Produktes reduziert. Auch Verunreinigungen, die bei diversen industriellen Fügeverfahren auftreten können, lassen sich sichtbar machen.

iCT-Aufnahme einer verklebten Polyethylen-Muffe. Die Klebstoffverteilung ist rot dargestellt.

Beim Kleben von Kunststoffen kann die CT-Untersuchung Aufschluss über die Klebstoffverteilung oder auch Lunker in den gefügten Bauteilen liefern. Die stichprobenartige Überprüfung der Klebstoffverbindung besitzt dabei im Bereich der Qualitätssicherung eine große Bedeutung. Die Separation des Klebstoffes wird im Wesentlichen durch Dichteunterschiede zwischen dem Kunststoff und dem Klebstoff ermöglicht. Erfahrungswerte des SKZ zeigen, dass Dichteunterschiede bis ca. 0,1 g/cm³ detektiert werden können.

Schnittbild eines additiv gefertigten Kunststoffbauteils sowie Maßabweichung zwischen CAD-Modell und CT-Datensatz

Aufgrund der regelmäßigen Kalibration und Überprüfung der CT-Anlagen am SKZ sind die Anlagen auch für Messaufgaben geeignet. So ist z.B. eine direkte Ermittlung der Maße von gescannten Bauteilen oder ein Abgleich der gemessenen CT-Daten mit CAD-Volumen-Modellen möglich. Die Maßkontrolle eignet sich u.a. besonders zur raschen Ermittlung der Maßhaltigkeit von Spritzguss-Bauteilen in Bezug auf Einfallstellen an der Bauteiloberfläche oder auch bei unzugänglichen Hinterschneidungen. Im Bereich der additiven Fertigungsverfahren ist die zerstörungsfreie Vermessung realer Bauteile an taktil nicht erreichbaren Messstellen unerlässlich, da gerade bei der additiven Fertigung oft nur wenige oder gar einzelne Bauteile hergestellt werden.

Das SKZ ist insbesondere durch zahlreiche anwendungsnahe Forschungsvorhaben sowie Industrieprojekte sehr gut aufgestellt bezüglich der Bedürfnisse der Industrie, vor allem kleinerer und mittlerer Unternehmen, und unterstützt diese von der Idee bis zum Markterfolg. In vergleichsweise schnellen Voruntersuchungen lässt sich feststellen ob sich die Computertomographie für die zerstörungsfreie Prüfung eines Bauteils eignet oder eben auch nicht. Bei Nichteignung wird dann nach einer alternativen Prüftechnik gesucht und diese erprobt.

Weitere Informationen: www.skz.de

SKZ - Das Kunststoff-Zentrum, Würzburg

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