Werkstoffprüfung schon während der Polymerschaumextrusion

Rohdichte und Zellgröße sind charakteristische Kenngrößen von polymeren Schäumen; sie bestimmen die Werkstoffqualität. Forscher wollen jetzt mit Luftultraschall eine prozessbegleitende Überwachung bei deren Herstellung ermöglichen.

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Um das Gewicht von Kunststoffbauteilen zu senken und auf diese Weise den Material- und Energiebedarf zu reduzieren sowie die Ökobilanz zu verbessern, nutzt Kunststofftechnik immer häufiger Schäumprozesse. Bei der Herstellung von Polymerschäumen mit dem Extruder kommt es allerdings immer wieder zu Qualitätsschwankungen etwa aufgrund von Chargenwechsel, Temperaturschwankungen oder Werkzeugverschleiß. 

Bislang findet die Werkstoffprüfung in der Regel ex post statt. Die Bewertung des geschäumten Bauteils erfolgt meist klassisch durch zerstörende Probekörperpräparation und anschließende Mikroskopie von Bauteilschnitten. Die Experten des SKZ - Das Kunststoff-Zentrum (FSKZ e. V.), einem Institut der Zuse-Gemeinschaft, das sich auf die Fahnen geschrieben hat, als Forschungspartner mittelständische Unternehmen bei der Herstellung, Verarbeitung und Anwendung von Kunststoffen und Verbundmaterialien zu unterstützen, setzen demgegenüber auf eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Zur Bewertung geschäumter Bauteile stehen ihnen in Würzburg zwei Computertomographen (CTs) zur Verfügung. Die CT-Aufnahmen ermöglichen es, die Größenverteilung und Lage der Poren in der gesamten Schaumstruktur schnell zu quantifizieren und zu visualisieren, um auf dieser Grundlage die Prozessparameter zu optimieren.

Zusammen mit Partnern des FZ-U - Forschungszentrum Ultraschall gGmbh, Halle, – ebenfalls ein Institut der Zuse-Gemeinschaft – wollen die Ingenieure des SKZ jetzt noch einen Schritt weiter gehen und eine prozessbegleitende Qualitätsüberwachung auf Grundlage von luftgekoppeltem Ultraschall entwickeln. Das Vorhaben wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Ultraschallprüfung ohne Koppelungsmedium

Alle klassischen Verfahren der Ultraschallprüfung stehen vor der Herausforderung, dass der zwischen Prüfkopf- und Werkstückoberfläche stets vorhandene Luftspalt durch die Ultraschallwellen überwunden werden muss. Meist erfolgt die Ankopplung der Prüfköpfe an Werkstücke über ein Ankopplungsmedium im flüssigen Zustand. Manchmal genügt es, den Luftspalt durch entsprechenden Druckkontakt so zu reduzieren, dass eine reproduzierbare Übertragung des Ultraschalls zustande kommt. Karlheinz Schiebold beschreibt in "Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung – Ultraschallprüfung" ab Seite 405 wie es gelang, die Herausforderungen hin zu einer Luftschalltechnik zu überwinden und skizziert die inzwischen erreichte Vielfalt der Anwendungen: "Der Einsatz der beschriebenen Luftschalltechnik liegt hauptsächlich im Bereich dünnwandiger Prüfgegenstände, wie Feinbleche, CFK-Gewebe-Sandwiches-Bauteile, keramische Bauteile, Klebverbindungen, Holz und weitere metallische Werkstoffe."

Kontinuierliche Prozessüberwachung

Nun soll also die zerstörungsfreie Prüfung von Polymerschäumen mittels Luftultraschall gelingen. In dem gemeinsamen Projekt von SKZ und Forschungszentrum Ultraschall haben sich die Forscher vorgenommen, einen Demonstrator (Bild 1) basierend auf luftgekoppeltem Ultraschall (LUS) zur kontinuierlichen Prozessüberwachung in der Polymerschaumproduktion weiterzuentwickeln. Vergleichende Messungen mit Referenzmethoden sollen eine Verknüpfung zwischen den schaumspezifischen Kenngrößen und LUS-Spektren möglich machen. Basierend auf den LUS-Messdaten wollen die Entwickler schließlich eine direkte Ausgabe der Schaumkennwerte erreichen, um bei industriellem Einsatz mit einer automatisierten Datenauswertung Informationen über die laufende Produktion in Echtzeit zu erlangen und die Prozessführung im Bedarfsfall entsprechend zu korrigieren.

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