Die Qualitätssicherung für thermoplastische Kunststoffe beginnt schon bei der Kontrolle der produzierten Granulate mit der Bestimmung der Fließrate. Ein neues Schmelzindex-Prüfgerät, das für hohes Prüfaufkommen ausgelegt ist, bietet stufenlos einstellbare Prüflasten, wählt automatisch die Steuerungsart und erkennt Gaseinschlüsse. Je nach Aufgabenstellung kann aber auch der Einsatz eines anderen Messverfahrens oder Geräts sinnvoll sein. 

Schmelzindexprüfung von Kunststoffgranulaten je nach Anforderungen wählen 

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Messgeräte für Viskosität

Zum Dahinschmelzen 

Analysieren & Prüfen, Mahlen & Dispergieren sowie Pumpen & Systeme

Netzsch Gerätebau GmbH Thermische Analyse 

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Lack- und Schichtdickenmessungen werden sowohl im hochgenauen Bereich in der Luftfahrt als auch in der Industrie durchgeführt. Die mikrowellenbasierten Schichtdickenmessgeräte der Reihen FSC und ISC von Micro-Epsilon ermöglichen zerstörungsfreie und exakte Messungen.

Lackkontrolle in der Luftfahrt

Alles im Lack – wenn Sensoren dünnste Schichten messen

Um das Innenleben seiner Produkte zu durchleuchten, nutzt ein Hersteller von Elektro-Kleingeräten mit der Metrotomografie eine zerstörungsfreie Prüftechnik zur Qualitätssicherung. Das Verfahren, das die Computertomografie mit der Koordinatenmesstechnik verbindet, reduziert den Prüfaufwand und erweitert die Prüfmöglichkeiten von der Produktentwicklung bis zur Montagekontrolle. 

Koordinatenmessgeräte

Computer-Tomografie-Systeme

Röntgenprüfgeräte

Qualitätsnachweise

Metrotomografie: Mit Röntgenblick auf Spurensuche 

Das Laser-Durchstrahlschweißen hat sich als besonders präzises und hygienisches Verfahren neben anderen Fügeverfahren etabliert und bietet bereits während des Prozesses mehrere Methoden zur Qualitätsüberwachung. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit Prüfmöglichkeiten nach dem Schweißen. 

Qualitätsüberwachung beim Laser-Durchstrahlschweißen 

Laserschweißen

Zug-und Druckfestigkeitsprüfgeräte

Medizintechnik

Prüfen nach dem Fügen 

Faserkunststoffverbunde (FKV) haben großes Potenzial, Kraftfahrzeuge der Zukunft noch leichter und sparsamer zu machen. Es ist wichtig, sich bereits heute Gedanken über die zerstörungsfreie Prüfung (zfP) der Faserkunststoffbauteile von morgen zu machen. Ziel ist der zuverlässige, zeit- und kostengünstige Nachweis typischer Materialdefekte vor und während des Gebrauchs. 

Anforderungen und Herausforderungen der Qualitätssicherung und Überwachung heutiger Leichtbaustrukturen 

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Faserkunststoffverbunde  zerstörungsfrei prüfen 

Für die Prüfung von Verbundwerkstoffen mit Wabenstruktur, von Metall-Metall-Verbindungen oder von laminaren Verbundwerkstoffen bietet die Olympus Deutschland GmbH , Hamburg, das Prüfgerät BondMaster 600 an. Es kombiniert die Eigenschaften einer Bindungsprüfsoftware für mehrere Prüftechniken mit digitaler Elektronik sowie der Anzeige eines durchgängigen Signals. Das Prüfgerät verfügt über Direktzugriffstasten und einer klar strukturierten Bedieneroberfläche. Auf Grund der Benutzeroberfläche und dem vereinfachten Arbeitsfluss ist die Anwendung der Funktionen Archivieren und Berichterstellung laut Hersteller auch für unerfahrenere Prüfer möglich.

Intuitive Prüfung von Verbundwerkstoffen 

Fasern

Chemisches Fügeverfahren

Prüfgerät BondMaster 600 

Die Fill GmbH, Gurten/Österreich, entwickelt in Kooperation mit der Stäubli Bayreuth GmbH, Bayreuth, und der Siemens AG, München, eine neue Generation von Robotern: AccuBot – Accuracy Roboter. Im Fokus der Entwicklung sollen die Integration von direkten Wegmesssystemen an den Roboterachsen, die direkte Steuerung des Roboters mit einer Sinumerik 840 D sowie der Einsatz von Kompensationstools stehen. Diese Maßnahmen bewirkten eine Verbesserung der Genauigkeit, sowohl statisch als auch dynamisch. Dass die Programmierung des Systems in gleicher Weise wie bei Standard CNC Bearbeitungsmaschinen erfolgt, stelle einen weiteren Vorteil für die Kunden dar. Die Robotersysteme sind bereits bei Präzisionsbohroperationen und zerstörungsfreien Prüfungen (NDT Prüfungen) in der Luftfahrt im Einsatz. 

Das Material an der richtigen Stelle 

Roboter für Werkzeugmaschinen

Industrieroboter

Handhabungsroboter

CNC Robotersystem AccuBot 

Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Sicherung einer hohen Bauteilqualität ist der Zugang zu möglichst exakten und effizienten Prüfungen mit modernen Messmethoden und -systemen. Oftmals führt auch die Kombination bereits bekannter Methoden zu neuen Erkenntnissen. 

Fortschritte in der Kunststoffprüfung vervollständigen die Eigenschaftsbilder  

Bruchmechanische Prüfung

Vertrauen ist gut, prüfen ist besser 

Die "Günther Technologie Tage 2015" widmeten sich ganz dem modernen Werkzeug- und Formenbau. Über  250 Teilnehmer nutzten am 11. und 12. November die Gelegenheit, sich im Rahmen der Fachtagung über innovative Verfahren und Materialien zu informieren. 

Eine Fachtagung des Heißkanalherstellers Günther behandelt Praxisbeispiele  für die Wertschöpfungskette im Werkzeugbau 

Normalien und Heißkanaltechnik

Spritzgießwerkzeuge

Spritzgießen

Temperiertechnik

In neue Märkte vordringen 

Vorimprägnierte CFK-Tapes mit thermoplastischer Matrix bieten ein enormes Potenzial für die Produktion von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen mit komplexen Formen. Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart wird derzeit ein Verfahren erforscht, mit dem eine berührungslose 100 %-Prüfung der Tape-Produktion möglich ist. 

Zerstörungsfreie Prüfung von CFK-Tapes mit luftgekoppeltem Ultraschall 

Kohlenstofffasern / -matten

Ultraschallprüfgeräte

Messung am laufenden Band 

Die Qualitätsprüfung von Preforms kann heute, je nach angestrebtem Aufwand und Ergebnis, viele Wünsche erfüllen, was die Prüffrequenz und -genauigkeit angeht. Vor allem die Hersteller mehrschichtiger Preforms erheben jedoch spezielle Anforderungen. Es gilt, die einzelnen Schichten sichtbar zu machen und die Preforms auf Anwesenheit, Sitz und Dicke dieser Schichten zu prüfen – und das möglichst zerstörungsfrei. 

LayerWatcher macht Fehler in Vorformlingen nach Scannen mit Infrarotlicht sofort sichtbar 

Polyethylenterephthalat

IR-Messtechnik

Schichtdickenprüfgeräte

Zerstörungsfreie Prüfung von Multilayerpreforms 

Während der Produktion in Echtzeit erhältliche Daten über die Maßhaltigkeit von Produkten sind Gold wert. Denn sie sparen nicht nur Material, sondern sorgen auch dafür, dass die Produktion innerhalb der Toleranzen verläuft. Moderne Messverfahren können dabei zu überraschend einfach anwendbaren Geräten führen. 

Technische Fortschritte machen neue Anwendungen in der Qualitätskontrolle möglich 

Bildverarbeitung, Machine Vision

Bildverarbeitungssysteme

Optoelektronische Bilderkennung, Bildverarbeitungssysteme

Kameras

Dickenmessgeräte

Radiografie-Geräte

Hightech beflügelt die Echtzeit-Messung 

Die Methoden der zerstörungsfreien Bauteilprüfung werden stetig weiterentwickelt, und so steht den Anwendern bereits heute ein breites Spektrum an Verfahren zur Verfügung. In der Kunststofffertigung liegt ein besonderes Augenmerk auf der Prüfung der Fügestellenqualität. In Abhängigkeit von Fügeverfahren, Material und Fehlertyp ergibt sich das für die jeweilige Anwendung passende Prüfverfahren. Das Kunststoff-Zentrum (SKZ) gibt einen kurzen Überblick. 

Möglichkeiten und Grenzen der zerstörungsfreien Prüfung in der Kunststofffügetechnik 

Verbindungstechnik

Thermographie

Thermografiegeräte

Drum prüfe, was sich ewig verbindet 

Der Prüfmaschinenhersteller ZwickRoell baut sein Portfolio im Bereich der Materialprüfung weiter aus und lässt einen familienfremden Geschäftsführer ans Ruder.

Zum 1. Januar 2021 übernimmt ZwickRoell die Mehrheit der Anteile der Emco-Test Prüfmaschinen GmbH übernehmen, deren Firmenstandort in Kuchl/Österreich liegt

16:9

Werkstoff-Prüfstände

Prüfen von Kunststoffen

Werkstofftechnische Prüfungen

Personen

kunststoffe.de

Unternehmen

ZwickRoell baut Portfolio aus und vollzieht Führungswechsel

Defekte in Faserverbundstrukturen detektieren

Durch eine neu entwickelte Methode lassen sich in Zukunft über große Flächen hinweg berührungsfrei und in sekundenschnelle Defekte in Faserverbundstrukturen detektieren. Dabei wird die sogenannte lokale Defektresonanz genutzt: Defekte wie beispielsweise Impactschäden weisen eine individuelle Resonanzfrequenz auf und schwingen – bei richtiger Anregung – mit einer überproportional hohen Amplitude. Diese lokale Schwingung lässt sich in Sekundenschnelle über eine spezielle Mikrofonanordnung orten.

Das IKT und CAE Software entwickeln eine neue Methode zur Detektion von Defekten in Faserverbundstrukturen, die in Sekunden Ergebnisse liefert.

Die zerstörungsfreie Prüfung spielt eine wichtige Rolle bei Strukturbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff. Schäden oder Fehlstellen bei der Herstellung von Bauteilen oder während des Einsatzes können zu technischen Ausfällen bis hin zu katastrophalen Unfällen führen.

Aus diesem Grund müssen Methoden bereitstehen, die typische Schadensbilder detektieren können. Leider geht eine turnusmäßige Prüfung immer mit einer nicht Einsetzbarkeit des Bauteils einher. Es ist daher ein stetes Bestreben, die zerstörungsfreie Prüfung zu optimieren, um Stillstand durch Prüfungen so kurz wie möglich zu halten. Bei Prüfungen, bei denen üblicherweise ein Prüfer mit einem Ultraschallprüfkopf manuell die Oberfläche abgerastert hat, steht nun oft ein mechanisches System, das den Prüfkopf schneller und genauer von Position zu Position führt. Eine noch größere Zeitersparnis kann durch eine Erhöhung der Anzahl an Prüfköpfen erreicht werden. Bei modernen sogenannten Arraysystemen werden viele Ultraschallsender in einem Prüfkopfgehäuse untergebracht. Hierdurch wird eine Prüfung durch die Parallelisierung nicht nur schneller, sondern auch genauer. Durch spezielle Algorithmen lässt sich hierbei der Schall zwischen den einzelnen Elementen hin- und her senden, wodurch Defekte aus unterschiedlichen Richtungen betrachtet werden können.

Am Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart wurde in einem öffentlich geförderten ZIM-Projekt mit der Firma CAE Software und Systems GmbH eine Methode entwickelt, bei der ein Empfangsarray Ultraschallwellen über die umgebende Luft detektiert und die Schallquellen genau orten kann. Es werden dabei ähnliche Algorithmen wie bei der Kontaktultraschallarraytechnik eingesetzt. Durch 72 Mikrofone lassen sich die Schallquellen genau abbilden, die durch die Schwingung der Defekte bei ihrer lokalen Defektresonanzfrequenz hervorgerufen werden.

72 Mikrofone und eine Kamera:  Wie die Methode funktioniert

Schwingende ebene Bauteile zeigen bei Schwingungsanregung definierte Schwingungsbäuche und Schwingungsknoten an, die sich je nach Anregungsfrequenz örtlich verschieben. Die Frequenz, die notwendig ist, um Resonanzen im Bauteil zu erzeugen, ist abhängig von den Werkstoffeigenschaften (Dichte, E-Modul oder Querkontraktionszahl) und von der Geometrie des Bauteils. Unabhängig von globalen Schwingungen können an Stellen mit lokalen Abweichungen der Steifigkeit unabhängige Schwingungen mit definierten Resonanzfrequenzen entstehen. Eine lokale Abweichung der Steifigkeit kann bei faserverstärkten Kunststoffen (FKV) beispielsweise durch Materialschäden wie Delaminationen entstehen. Aber auch Schäden durch Hagel oder Steinschlag sind sogenannte Impactschäden. Diese schwingen bei gezielter Anregung mit ihrer sogenannten lokalen Defektresonanzfrequenz.

Wenn diese Frequenz gefunden wird, lassen sich verborgene Defekte detektieren. Die Herausforderung liegt in der Wahl der richtigen Anregungsfrequenz und dem lokalen Auflösen der Bauteilschwingungen. Die Bauteilschwingungen lassen sich lokal mit einem Laserdopplervibrometer messen. Hierbei wird der Laserstrahl eines Interferometers rasternd über die Bauteiloberfläche geführt und die frequenzabhängige Geschwindigkeit der Oberfläche gemessen. Die Geschwindigkeiten lassen sich farbcodiert mit der Bauteiloberfläche überlagern und so die Stellen mit spezifischen lokalen Defektresonanzfrequenzen bestimmen. In Bild 1 wird der Messaufbau und das Ergebnis einer Messung mittels eines Laserdopplervibrometers gezeigt, bei dem eine PMMA-Platte mit Flachbodenbohrungen zum Schwingen angeregt wurde. Diese „künstlichen Defekte“ eigenen sich besonders gut, um die Grenzen der Methode der lokalen Defektresonanz (LDR) zu untersuchen. Bei einem Laserdopplervibrometer handelt es sich um ein teures System, das aufgrund seines sechsstelligen Preises häufig nur in Forschung und Entwicklung zu finden ist. Daher liegt der Fokus bei der Industrialisierung auf alternativen akustischen Detektionsverfahren. Eine direkt bildgebende Möglichkeit zur Detektion starker lokaler Schwingungen ist die Nutzung einer akustischen Kamera. Mit einer akustischen Kamera können Positionen von Schallquellen genau bestimmt werden.

Schwingende Oberflächen, wie sie beispielsweise von lokalen, resonanten Schwingungen hervorgerufen werden, erzeugen lokale Schallquellen. Diese können direkt mit einer akustischen Kamera geortet werden.

Um die Schwingung mit der richtigen Frequenz zu „treffen“, gibt es mehrere Möglichkeiten. Eine Variante ist es, ein Signal zu erzeugen, bei dem sich die Frequenz in einem Bereich kontinuierlich ändert – ein sogenannter Frequenzsweep. Bei der Auswertung müssen alle auftretenden Resonanzfrequenzen analysiert und besonders auf lokal abgegrenzte Schwingungen geachtet werden. Diese Variante ist mit einem hohen zeitlichen Aufwand bei der Suche nach den passenden Frequenzen verbunden. Deshalb wurde eine weitere Methode untersucht, bei der viele Frequenzen gleichzeitig angeregt werden. Eine Möglichkeit ist es, einen sehr kurzen, breitbandigen Puls zu senden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es die bessere Methode ist, mit einem breitbandigen weißen Rauschen zu arbeiten. Hierbei werden sämtliche Frequenzen innerhalb eines Frequenzbandes mit jeweils gleicher Leistungsdichte angeregt, sodass Defekte mit unterschiedlicher Eigenresonanz auch gleichmäßig angeregt werden.

Im Folgenden wird ein typischer Aufbau einer Prüfung eines Bauteils mit der entwickelten und beschriebenen kontaktlosen Defektresonanzmethode vorgestellt. In Bild 2 ist eine Platte (Prüfkörper) aus schwarz eingefärbtem, glasfaserverstärktem Kunststoff dargestellt, in die mittels eines Impactprüfstands ein Schaden eingebracht wurde. Auf der Platte wird ein Vakuumshaker (PS-X-03, Hersteller isi-sys GmbH) aufgesetzt, bei dem mittels Unterdruck ein schwingendes Piezoelement an die Platte angepresst wird. Mittels Hochspannungsverstärker und Frequenzgenerator wird der Shaker mit einem weißen Rauschen betrieben und der Prüfkörper mit der akustischen Kamera (Hersteller CAE Software und Systems GmbH) betrachtet. In Bild 3 ist ein typisches Prüfergebnis dargestellt, in dem das optische Bild mit dem akustischen Signal ortsgetreu überlagert ist. Zu erkennen sind zwei Schallquellen: Im unteren rechten Bereich hervorgerufen durch den Piezoshaker und im unteren mittleren Bereich durch die Schwingung des eingebrachten Defekts.

Bei den Ergebnissen zeigt sich, dass die Schallquellen eindeutig den Defekten und der Schallquelle zugeordnet werden können. Erste Messungen an einem PMMA-Kalibrierprüfkörper mit einer Dicke von 18 mm zeigen, dass Flachbodenbohrungen bei variierender Restwanddicke (1–8 mm) und Durchmesser (10–15 mm) sicher detektiert werden können. Selbst Defekte, die kein komplettes Versagen des Bauteils hervorrufen, können so detektiert werden. Gerade bei den untersuchten FKV-Werkstoffen konnten mit diesem Verfahren Defekte gefunden werden, die nicht mit dem bloßen Auge zu erkennen sind. Allerdings werden diese Bereiche in ihrer Größe nicht exakt dargestellt. In der Regel erscheinen diese in der Anzeige größer, als sie tatsächlich sind. Bild 4 zeigt das Prüfergebnis der PMMA-Platte mit Flachbodenbohrung durch Prüfung mittels Vakuumshaker und akustischer Kamera.

Fazit: Schnelle und günstige Alternative für berührungsempfindliche Teile

Die Methode der lokalen Defektresonanz eignet sich besonders gut bei berührungsempfindlichen Bauteilen, die nicht mittels herkömmlicher Prüfung über beispielsweise Kontaktultraschall geprüft werden können. Der Vorteil der Methode, die Schwingungen indirekt über eine akustische Kamera zu ermitteln, ist immens: Eine Messung ist in wenigen Sekunden abgeschlossen. Andere Verfahren, wie beispielsweise die Laserdopplervibrometrie rastern ein Bauteil Punkt für Punkt ab und die Untersuchung einer 30 cm × 30 cm großen Platte kann durchaus bis zu einer Stunde dauern. Zusätzlich ergibt sich ein deutlicher Preisvorteil. Laserdopplervibrometersysteme sind preislich deutlich im sechsstelligen Bereich angesiedelt, wobei akustische Kameras bereits für unter 10 000 Euro verfügbar sind. Nachgewiesen wurde die Funktionalität bei dünnwandigen Faserverbundstrukturen mit Endlosfaserverstärkung – ein Material, das sehr häufig in Leichtbauanwendungen eingesetzt wird. Die Kombinationsmöglichkeiten von Materialien in Kunststoffverbunden sind jedoch nahezu unbegrenzt. Weitere Projekte müssen jetzt die Einsetzbarkeit an unterschiedlichen Werkstoffkombinationen zeigen.

Universität Stuttgart Institut für Kunststofftechnik 

https://www.ikt.uni-stuttgart.de/

Ausgabenartikel KU05-23

Bild 1. Links im Bild ist der Messaufbau zur Schwingungscharakterisierung einer Flachbodenplatte mittels Laserdopplervibrometer zu sehen. Rechts das Prüfergebnis (RMS): Je dünner die Restwanddicken, desto höher ist die Geschwindigkeit der Auslenkung der Schwingung.

Bild 2. Typischer Prüfaufbau mit der neuen Messmethode zur Prüfung der lokalen Defektresonanz mit akustischer Kamera und Vakuumshaker.

Bild 3. Prüfergebnis: in der Mitte leuchtet der Impactschaden deutlich auf. Rechts ist das Signal des Vakuumshakers zu erkennen.

Bild 4. Prüfergebnis der PMMA-Platte mit Flachbodenbohrung durch Prüfung mittels Vakuumshaker und akustischer Kamera.

Hauptartikel IKT

IKT und CAE Software entwickeln neue Messmethode | Defekte in Sekundenschnelle finden | Kunststofftechnik

Fledermausohren: Defekte in Faserverbundstrukturen detektieren

Dipl. Ing. Kai-Uwe Kohn ist Prokurist der CAE Software und Systems GmbH.

Yannick Bernhardt, M.Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Kunststofftechnik (IKT) in Stuttgart und beschäftigt sich dort mit der Erforschung neuer Methoden für die Ultraschallprüfung.

Julian Ehrler, M.Sc., ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IKT und beschäftigst sich mit der Ultraschallprüfung und der Erforschung der lokalen Defektresonanz. <a href="mailto:julian.ehrler@ikt.uni-stuttgart.de">julian.ehrler@ikt.uni-stuttgart.de</a>

Die im Artikel vorgestellten Ergebnisse sind im AiF-ZIM Projekt DIRC als Kooperationsprojekt zwischen dem Institut für Kunststofftechnik, Stuttgart und der CAE Software und Systems GmbH, Gütersloh entstanden und wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.

Akustische Kameras nutzen eine große Anzahl von Mikrofonen, um mit dem Delay and Sum Beamforming-Verfahren Schallquellen zu visualisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass sich Schall mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Für einen angenommenen Fokuspunkt werden die Laufzeiten eines Schallsignals zu jedem Mikrofon berechnet. Werden die Signale um die berechneten Laufzeiten verzögert und summiert, verstärkt sich der Anteil des von dem Fokuspunkt ausgehenden Schalls, während sich Anteile von anderen Orten auslöschen. Dieses Verfahren wird für alle Punkte einer gerasterten Zielfläche ausgeführt. Die berechneten Schallpegel werden als Falschfarbenbild einem Livebild einer Kamera überlagert und auf dem Bildschirm dargestellt.

Die SoundCam der CAE Software und Systems arbeitet mit digitalen MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems)-Mikrofonen, wie sie z.B. in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Dadurch konnten die Kosten im Vergleich zu analogen Systemen drastisch gesenkt werden. Die Mikrofone sind bis in den Ultraschallbereich empfindlich. Dank leistungsstarker Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) arbeitet die SoundCam in Echtzeit, d.h. das Analyseergebnis liegt unmittelbar vor. Ein sonst übliches Postprocessing der aufgezeichneten Daten ist somit nicht mehr notwendig.