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CT in der Kunststoffentwicklung und modernen Produktionstechniken
22. Februar 2021 | Gina Naujokat
Das Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde in Stuttgart (IKT) veranschaulicht anhand mehrerer Beispiele, wie die Computertomographie die Entwicklung neuer Materialien und additive Fertigungsverfahren unterstützt.
Die Entwicklung neuer Werkstoffe im Kunststoffsektor und neuer Produktionstechnologien wie der additiven Fertigung hat in den letzten zehn Jahren rasant an Fahrt aufgenommen. Begleitet wird diese evolutionäre Entwicklung der Technologie von der zerstörungsfreien Prüfung mittels Röntgenstrahlung, die nicht nur in der Qualitätssicherung wichtige Dienste leistet, sondern vor allem auch Forschung und Entwicklung unterstützt – insbesondere durch den Einsatz der hochauflösenden Computertomographie. Anhand der Datensätze eines CT-Scans und der dreidimensionalen Visualisierung des Prüflings lassen sich Materialproben im Detail untersuchen. Neben dem Nachweis von Defekten, Porositäten oder Materialeinschlüssen können Wanddickenabweichungen, Faserverläufe oder die Homogenität von Schäumen präzise analysiert werden. Dies erlaubt Rückschlüsse auf das jeweilige Herstellungsverfahren, das entsprechend korrigiert und optimiert werden kann.
Moderne, faserverstärkte Kunststoffe bieten den großen Vorteil einer massiven Gewichtsreduzierung und kommen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie zum Einsatz. Ziel ist es, Kraftstoff einzusparen oder im Zuge der Elektromobilität von herkömmlichen auf neue Antriebsformen umzustellen. Neben dem gängigen Spritzgussverfahren kommt vor allem bei sehr komplexen Geometrien und für eine effizientere Produktion von Kleinserien und Prototypen häufig die additive Fertigung zum Tragen.
Um die Stabilität und Funktion der Bauteile zu gewährleisten, wird während der Entwicklung und Produktion die Computertomographie eingesetzt. Sie liefert verlässliche Aussagen über die inneren Strukturen, und darüber hinaus lassen sich die Datensätze für entsprechende Funktionstimulationen nutzen.
Das Institut für Kunststofftechnik (IKT) der Universität Stuttgart setzt ein Comet Yxlon FF20 CT-Prüfsystem mit einer 190-kV-Nanofokus-Röntgenröhre ein. Dort werden zahlreiche Anwendungsbereiche der Kunststofftechnik erforscht, darunter Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren sowie die Entwicklung neuer Produkte. Herstellungsverfahren und verschiedene Materialien werden intensiv im Hinblick auf ihre spezifischen Anwendungen untersucht.
[Visualisierungen und Analysen: Amira-Avizo Software]
Fused Deposition Modeling (FDM): Die FDM-Technologie ist ein additives Fertigungsverfahren, das für komplexe Bauteilgeometrien und im Prototypenbau eingesetzt wird. Da diese Bauteile hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften Spritzgussteilen meist noch unterlegen sind, wird die Ablage der einzelnen Filamente per Computertomographie überprüft, um wertvolle Daten für die Optimierung des Herstellungsprozesses zu erhalten.
Schichtverbund: Dieses Detail eines Schichtverbunds zeigt die Struktur von Endlos-Glasfasern, die schichtweise in einer 0°/90°/0°-Orientierung abgelegt wurden. Dieses Herstellungsverfahren findet Anwendung bei Bauteilen im Flugzeug-, Boots- und Automobilbau, da sie die Festigkeit von Metalllegierungen erreichen, dabei jedoch deutlich leichter sind. Im CT-Volumen ist die Faserorientierung klar erkennbar, wodurch das Material zuverlässig auf Delaminationen, Lufteinschlüsse oder Verformungen durch äußere Einwirkungen (z. B. Stoß- oder Schlageinwirkung) untersucht werden kann.
Kurzfaserverstärktes Polyamid: Diese Probe besteht aus ultraschallverschweißtem, kurzfaserverstärktem Polyamid. Die Ausrichtung der Fasern ist ein entscheidendes Kriterium für die Festigkeit eines Bauteils. Mithilfe der Computertomographie lässt sich der Faserverlauf in einem dreidimensionalen Volumen lückenlos ermitteln. Bislang war dies nur über sehr aufwendige Schliffbilder möglich, die jedoch keine vollständige dreidimensionale Ansicht erlauben. Das Verfahren eignet sich zudem hervorragend zur Optimierung von Spritzgussteilen (Bestimmung von Faserorientierung und -länge) sowie zur Validierung von Prozesssimulationen.
Schäume: Schäume werden vor allem zur Wärmedämmung, aber auch im Leichtbau eingesetzt. Durch gezielte Beeinflussung von Porengröße und -verteilung im Herstellungsprozess lassen sie sich optimal auf den jeweiligen Einsatzzweck abstimmen. Dies ist eine Schaumprobe in der Größe eines Maiskorns. Abbildung 1 zeigt das vollständige CT-Volumen, das in Abbildung 2 digital beschnitten wurde, um die Poren freizulegen. In Bild 3 kommt die Ansicht als Negativdarstellung zum Einsatz: Das Material wird ausgeblendet und die Luftbereiche werden farbig visualisiert, um die Porenstruktur zu analysieren. Deutlich zu erkennen ist, dass die Porengröße von innen nach außen abnimmt. Mithilfe der CT-Software lassen sich unter anderem Volumen und Form jeder einzelnen Porenstruktur in Relation zu ihrer Position berechnen. Anhand dieser Daten ist es möglich, die Herstellungsverfahren exakt auf die Anforderungen abzustimmen und die mechanischen oder thermischen Dämmeigenschaften gezielt zu beeinflussen.
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