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03.12.2012

Computertomograf prüft Fügenähte an Faser-Verbund-Werkstoffen

Zerstörungsfreie Defektanalyse

Im Bereich Forschung und Entwicklung am Kunststoffzentrum (SKZ), Würzburg, werden neue Faser-Verbund-Materialien entwickelt und erprobt. Ein Beispiel dafür sind Holz/Kunststoff-Verbundwerkstoffe (Wood Plastic Composites, WPC).

Diese thermoplastisch verarbeitbaren, verstärkten Werkstoffe bestehen aus unterschiedlichen Anteilen von Holz, Kunststoffen und Additiven und zeichnen sich durch hervorragende dreidimensionale Formbarkeit aus. Die Materialien haben im Vergleich zu traditionellen Holzwerkstoffen eine höhere Feuchte- und UV-Resistenz und besitzen gegenüber unverstärkten Kunststoffen eine deutlich höhere Steifigkeit. Sie werden häufig im Baugewerbe sowie in der Automobil- und Möbelindustrie verwendet.

Bild 1. Schnittansicht: CT-Daten eines Testobjekts aus Holzfaser-Verbundwerkstoff

Bei Fensterrahmen, Gehäusen, Endplatten, Verbindungselementen für den Küchenbereich oder Verkleidungen für die Automobilindustrie müssen sehr häufig Fügeverfahren angewendet werden. Für diese neuartigen Materialien werden derzeit das Schweißen und das Kleben erprobt. Durch Fehler in den Fügeflächen können diese Fügeverbindungen jedoch zur Schwachstelle im WPC-Bauteil werden und damit dessen Lebensdauer verkürzen.

Die Bauteile werden daher mit exaCT-Computertomografen von Wenzel Volumetrik, Singen, ganzheitlich analysiert. Damit wird das Prüfobjekt vollständig dreidimensional rekonstruiert. Das ermöglicht es dem Prüfer, kleinste innere Strukturen und Defekte zerstörungsfrei zu analysieren. Für den CT-Scan wird das Objekt im Computertomografen zwischen Röntgenquelle und Detektor platziert und der Prüfkörper schrittweise um 360 Grad gedreht. Nach jedem Schritt wird eine Projektion, ein zweidimensionales Durchstrahlungsbild, auf dem Detektor erzeugt und anschließend ein dreidimensionales Volumenmodell rekonstruiert. Daraus werden Oberflächendaten erzeugt, die Basis für alle folgenden Auswertungen.

Im SKZ werden mit dem Computertomografen beispielsweise Fügenähte an Holzfaserverbundwerkstoffen analysiert. Ausschlaggebende Kriterien sind dabei die räumliche Orientierung der Holzpartikel, Lunker, Einschlüsse und die Stoffschlüssigkeit der Naht.

Bild 2. Defektanalyse: farbkodierte Darstellung von Einschlüssen

Bild 1 zeigt eine Schnittansicht eines Testobjekts aus einem Holzfaser-Verbundwerkstoff, das mittels Ultraschall-Schweißung gefügt wurde. Aufgrund der unterschiedlichen Dichtegrade des Matrixmaterials und der Holzfasern sind die Holzpartikel deutlich in der Kunststoffkomponente des WPC-Bauteils zu erkennen. Durch die visuelle Analyse der Schnittansichten ist es möglich, auf die Qualität der Schweißnaht zu schließen. Dabei ist davon auszugehen, dass senkrecht zur Schweißnaht ausgerichtete Holzpartikel eine höhere Festigkeit der Schweißnaht bewirken. Wohingegen parallel zur Schweißnaht liegende Partikel auf eine weniger hohe Festigkeit der Verbindung schließen lassen.

In einem weiteren Analyseschritt wird die Schweißnaht auf bestehende Defekte untersucht. Einschlüsse werden durch die Auswertesoftware automatisch erkannt und durch eine Farbkodierung verschiedenen Größenkategorien zugeordnet (Bild 2). Diese Methode ermöglicht eine vollständige und zerstörungsfreie Defektanalyse zur Beurteilung von Anzahl, Verteilung und Größe der vorhandenen Einschlüsse. Die Ergebnisse dienen der Beurteilung der Qualität sowie der Eignung der Kombination des verwendeten Holzfaserverbundwerkstoffs und der Fügemethode.

Eduard Kraus, Dr. Benjamin Baudrit, Svenja Schadek,
Dr.-Ing. Martin Simon

Wenzel Volumetrik GmbH
www.volumetrik.com

Unternehmensinformation

Wenzel Volumetrik GmbH

Vogtshalde 7
DE 72336 Balingen
Tel.: 07433 277690

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