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| 20.09.2024, 06:00 Uhr | Lesedauer: ca. 4 Minuten |
  
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KIMW: Neuer Ansatz zur zerstörungsfreien Prüfung von geschäumten Kunststoffteilen
 Geschäumte Produkte werden im Vergleich zum klassischen Spritzgießteil vor allem zur Reduzierung des Bauteilgewichtes eingesetzt. Aber auch hinsichtlich der akustischen und thermischen Eigenschaften sowie in Bezug auf die Optik stellt dieses Verfahren eine Alternative dar. Einen entscheidenden Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften hat die individuelle Struktur des Schaumes eines Bauteils, die auch den Grad der Qualität bestimmt. Im Markt existieren allerdings laut Kunststoff-Institut Lüdenscheid aktuell keine etablierten zerstörungsfreien Prüfmethoden, die valide Ergebnisse zur qualitativen Beschaffenheit hinsichtlich der Schaumblasengröße sowie der Blasenverteilung von geschäumten Produkten liefern. Das ZIM-Projekt "Q-Schaum" unter der Leitung der Gemeinnützigen KIMW Forschungs-GmbH sollte daher gemeinsam mit vier Projektpartnern dazu eine zerstörungsfreie Prüfung entwickeln, die die Qualität der Bauteile unter Betrachtung der Eigenwertanalyse in Zusammenhang mit der Blasenstruktur bringt. Am ZIM-Kooperationsprojekt waren die Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH (KIMW-F), die Hochschule Schmalkalden, die Kunststofftechnik Krug GmbH, die Formconsult Werkzeugbau GmbH und die DynaTec Gesellschaft für CAE und Dynamik mbH als Projektpartner beteiligt. Anzeige Zunächst galt es, optische und mechanische Prüfungen festzulegen, die für die Beurteilung der Bauteilqualität relevant sind. Auf Basis der zu untersuchenden Qualitätskriterien wurden die erforderlichen Prozessparameter ausgearbeitet, die den größten Einfluss auf die Schaumstruktur haben. Der Einfluss der resultierenden Schaumstruktur (sowohl Blasengröße als auch Blasenverteilung) musste hierfür eingehender analysiert werden. Dafür wurden geschäumte Normprobekörper nach ISO 20753 Typ 1a gefertigt, in Abhängigkeit der Versuchsreihe katalogisiert und im Anschluss optisch untersucht. Diese Untersuchung erfolgte mithilfe der Auflichtmikroskopie zur Randschichtdicken- und Blasengrößenvermessung sowie der Computertomographie zur Berechnung der Blasenvolumina und Ermittlung der Blasenverteilung. In Kombination mit der durchgeführten mechanischen Analyse sowie der Eigenwertuntersuchung resultierte in der Folge ein detaillierter Versuchsplan.
Dieser Versuchsplan wurde mit unterschiedlich gefertigten geschäumten Demonstratorbauteilen umgesetzt, basierend auf den einflussreichsten Parametern. Hierzu zählten das verwendete Treibgas, die Gasmenge und der Einspritzvolumenstrom. Unter anderem wurden dafür Zugstäbe aus Polypropylen (PP) mit einem 40-prozentigen Glasfaseranteil mit einer Prüffläche von 50 mm2 mit einer Gesamtlänge von jeweils 150 mm gefertigt. Untersucht wurde, ob diese Prüfkörper sich für die zerstörungsfreie Prüfung durch eine Frequenzanregung eignen und wie groß der Einfluss der Schaumstruktur auf das Schwingungsverhalten ist. Es folgten zehn Versuchsreihen mit jeweils 46 unterschiedlichen Prüfkörpern. Ausgewertet wurden insgesamt 21 Probekörper je Versuchsreihe, die anschließend auf speziell dafür gefertigten Einspannungen auf die Struktur des entstandenen Schaumes hin analysiert wurden. Zur Beurteilung der Eigenfrequenz und der Schwingungsamplitude wurden je Prüfkörper drei Positionen in die Auswertung mit einbezogen. Die Ergebnisse daraus wurden anschließend arithmetisch gemittelt, um das jeweilige Formteil bewerten zu können. Weitere Untersuchungen zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften erfolgten an der Hochschule Schmalkalden durch Zug- und Dreipunktbiegeversuche. Schwingungsanalysen (Dynatec) im Frequenzband 25 Hz bis 2.000 Hz und CT-Analysen (KIMW-F) komplettierten die vielfältigen Prüfungen. Gefertigt wurden anschließend weitere Formteile mit praxisnahen Geometrien. Die in den Versuchsreihen ermittelten Kennzahlen wurden untereinander verrechnet und somit ein Zusammenhang zwischen den Resonanzfrequenzen und der Schaumgröße sowie dessen Verteilung hergestellt. Das Fazit der Projektpartner lautet: Eine Beurteilung der Schaumqualität ist grundsätzlich möglich. Durch die zahlreichen Prüfungen bleibe festzuhalten, dass eindeutige Zusammenhänge zwischen den angestrebten Zielgrößen untereinander und zu den Prozessführungsgrößen bestehen. Über die Verrechnung der Ergebnisse aus der Eigenwertanalyse mit Blasengröße, Blasenvolumina und Gesamtbauteilvolumen, soll sich die Qualität der Schaumstruktur beurteilen lassen. Ein Nachteil im aktuellen Projektzustand sei, dass sich diese Zielgrößen nur mit einem größeren und unverhältnismäßigen Aufwand ermitteln lassen. Die Projektpartner waren sich darin einig, dass die Ermittlung der Ergebnisse durch eine Vereinfachung der zerstörungsfreien Schwingungsanalyse wünschenswert ist. Zudem könne noch kein direkter messbarer Zusammenhang zwischen den Qualitätskriterien unabhängig von der Geometrie hergestellt werden. Als Beispiel sind hier die mechanischen Bauteileigenschaften massiv ausgeführter Bauteile und deren Schaumstruktur zu nennen. Dafür, so die Meinung der Projektbeteiligten, müssten weitere Untersuchungen mit Material und Bauteilgeometrien durchgeführt werden. Erst dann sollen auch aussagekräftige Ergebnisse zur Verwendung im industriellen Umfeld möglich sein. Hier könnten Folgeprojekte mit Unternehmen ein Ansatz sein, die Berechnungsmodelle zu vereinfachen und die Auswertesensorik derart zu optimieren, dass eine einfache und schnelle Qualitätskontrolle möglich sei. Nähere Informationen dazu gibt es auf dem Stand des KIMW auf der Fakuma 2024. Fakuma 2024, Friedrichshafen, 15.-19. Oktober 2024, Halle A5, Stand 5312 |
Kunststoff-Institut für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH, Lüdenscheid
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