Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die mechanischen Eigenschaften kurzfaserverstärkter Polymerwerkstoffe werden wesentlich durch die beim Spritzgießen zugesetzten Fasern sowie durch deren Ausrichtung während des Einspritzvorgangs bestimmt. Letzteres führt zu mechanischer und dielektrischer Anisotropie im Werkstück.
Aufgrund der unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften in Faserrichtung und senkrecht dazu eignen sich linear polarisierte Mikrowellen zur Erfassung der lokalen Anisotropie. Mit einer Rastermessung wird die Orientierungsverteilung über das gesamte Werkstück ermittelt und anschaulich dargestellt. Auch zur Erkennung und Verfolgung von Schäden, die in diesen Werkstoffen die lokale Anisotropie verändern, eignet sich das Mikrowellenverfahren. Es leistet somit einen Beitrag zur Qualitätssicherung während der Produktion und auch später bei Inspektionen in der Nutzungsphase.
An spritzgegossenen Platten ermittelte Faserorientierungsfelder sowie der Zusammenhang zwischen Schädigungsverhalten und Mikrowellenmeßergebnissen werden im folgenden dargestellt. Auch in Papier findet sich herstellungsbedingte Anisotropie, deren Messung wird am Beispiel von Zeitungspapier erläutert.
Zahlreiche Werkstoffe (z.B. Kunststoffe, Gummi, Papier...) zeigen Anisotropien, die auf dem inneren Aufbau beruhen und die die Werkstoffeigenschaften maßgeblich beeinflussen. So werden im Spritzgießverfahren hergestellte Kunststoffe mit Kurzfasern verstärkt, die mit dem Polymer zusammen in das Werkstück eingespritzt werden und der mechanischen Verstärkung des Bauteils dienen. Aufgrund der Ausrichtung der Fasern finden sich ausgeprägte Anisotropien, die zudem lokal stark variieren können. Die Qualität eines solchen Bauteils, im Extremfall sein Versagen, hängt somit von der Faserorientierung ab.
Als besonders geeignet für die Untersuchung dielektrischer Werkstoffe haben sich Mikrowellenverfahren erwiesen, weil sie im Unterschied zu optischer Strahlung weniger gestreut werden. Für die zerstörungsfreie Anisotropiemessung werden linear polarisierte Mikrowellen eingesetzt, deren Ausbreitungsverhalten in anisotropen Werkstoffen richtungsabhängig ist. Am Beispiel kurzfaserverstärkter Polymerwerkstoffe und von Papier werden Einsetzbarkeit und Möglichkeiten des Verfahrens erläutert.
Die Anisotropiemessung dielektrischer Werkstoffe mit Mikrowellenverfahren beruht auf der richtungsabhängigen Polarisierbarkeit des Werkstoffes [1]. Wie in der Optik führen die richtungsabhängig unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften zu einem doppelbrechenden Verhalten des Materials. Das Reflexions- und Transmissionsverhaltens linear polarisierter Mikrowellen eignet sich daher zur Erfassung der lokalen Anisotropie. Die am IKP entwickelte Meßvorrichtung verwendet eine offene Resonatoranordnung (Abbildung 1) [2], die eine besonders hohe Empfindlichkeit ermöglicht [3].
Abb 1: Prinzipieller Messaufbau.
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Diese Anordnung erlaubt scannende Anisotropiemessungen an plattenförmigen Bauteilen. Der Sender (und mit ihm die Polarisationsrichtung der Mikrowellen) dreht sich relativ zur Probe im offenen Resonator. Mit Hilfe eines beweglichen Reflektors wird die Resonatorlänge beim Drehen auf den jeweiligen winkelabhängigen Resonanzfall eingestellt, da die "optische Dicke" der Probe vom Winkel abhängt. Die Auftragung der Resonanzlänge über dem Drehwinkel b liefert ein doppelperiodisches Signal, aus dessen Lage und Modulationstiefe auf die Orientierungsrichtung a und den Orientierungsgrad geschlossen werden kann (Abbildung 2). Beide Größen sind über die Probendicke gemittelte Werte. Das Ergebnis läßt sich in Form eines Striches anschaulich darstellen, wobei die Strichrichtung der Orientierungsrichtung und die Strichlänge dem Orientierungsgrad entspricht. Durch rasterartiges Verschieben der Probe erhält man ein Anisotropiebild des gesamten Bauteils.
Abb 2: Signalverlauf über dem Drehwinkel b : Auswertung und Darstellung.
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Faserorientierungsmessung zur Bauteilcharakterisierung
Faserverstärkte Polymerwerkstoffe sind klassische Beispiele für anisotrope dielektrische Werkstoffe mit industriellen Anwendungen. Bei der Herstellung kurzglasfaserverstärkter Spritzgießbauteile kommt es aufgrund der Strömungsverhältnisse während des Einspritzvorgangs zur Ausrichtung der Fasern in der Schmelze. Da (Glas)Faser und Polymermatrix unterschiedliche Polarisierbarkeiten aufweisen, hängt die effektive Polarisierbarkeit des Werkstoffs von der Faserausrichtung ab. Diese Eigenschaft läßt sich wie oben beschrieben zur Erfassung des dickengemittelten Faserorientierungsfeldes mit Mikrowellen nutzen.
Das Ergebnis der Mikrowellenmessung (Abbildung 3) an einer kurzglasfaserverstärkten Polycarbonat-Probe mit 40% Fasergehalt zeigt anschaulich, wie die Faserorientierung im Bauteil von den Herstellungsbedingungen abhängt.
Abb 3: Mikrowellenorientierungsmessung an kurzglasfaserverstärkter Polycarbonat-Probe mit 40% Fasergehalt [4].
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In diesem Beispiel bestimmen hauptsächlich der Angußort im mittleren Bereich der Probe sowie die Angußart (Punktanguß) die Ausrichtung der Fasern.
Außer dem Anguß spielen Polymer- und Fasermaterial, Fasergehalt, Geometrie des Werkstücks und Prozeßgrößen wie Druck- und Temperaturverhältnisse eine wesentliche Rolle. Die Einstellung der Faserorientierung ist Folge des komplexen Wechselspiels dieser Größen. Abbildung 4 zeigt die Abhängigkeit der Faserausrichtung von der Einspritzgeschwindigkeit. An der dem Anguß gegenüberliegenden Wandung kommt es bei hoher Einspritzgeschwindigkeit (=kurzer Füllzeit) zu einer stärkeren Ausrichtung der Fasern (Pralleffekt).
Abb 4: Faserorientierung in Abhängigkeit von der Einspritzgeschwindigkeit [5].
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Das Mikrowellenverfahren ermöglicht die systematische Untersuchung des Einflusses der Herstellungsparameter. Durch gezielte Variation der Prozeßgrößen kann deren jeweiliger Einfluß abgeschätzt und den Anforderungen an das Bauteil entsprechend optimiert werden. Die Kopplung experimenteller Ergebnisse mit den Ergebnissen der Prozeßsimulation ist für die erfolgreiche Optimierung eine wichtige Voraussetzung.
Schädigungscharakterisierung
In kurzfaserverstärkten Polymerwerkstoffen finden sich weitere Effekte, die zu Materialanisotropie führen. Der Anisotropiebeitrag, den die Ausrichtung der langkettigen Moleküle selbst verursacht, ist deutlich kleiner als die faserbedingte Anisotropie und somit in faserverstärkten Polymeren vernachlässigbar. Bei starker mechanischer Belastung bis hin zur Schädigung kann man jedoch einen teilweise dramatischen Anstieg der lokalen Anisotropie beobachten [6].
Im folgenden sind die Ergebnisse der Mikrowellenmessung an einem schrittweise bis über den elastischen Bereich hinaus geschädigten Zugstab aus Polypropylen (30% Glasfasern) dargestellt. Die Zugrichtung lag quer zur Hauptfaserrichtung. Abbildung 5 zeigt die Anisotropie entlang der Mittellinie des Zugstabes. Die Messung erfolgte jeweils nach Entlastung der Probe vor der nächsten Laststufe. Bei höheren Dehnungen findet sich in der gesamten Probe ein leichter, in einigen Bereichen sogar sehr starker Anstieg der Anisotropie, verbunden mit einem Abfall der Dielektrischen Dicke (ohne Abbildung).
Abb 5: Mikrowellenanisotropie entlang der Zugprobe.
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Der Grundanstieg der Anisotropie und der Anstieg am Ort maximaler Schädigung ist in Abbildung 6 und 7 dargestellt.
Abb 6: Grundanstieg der Anisotropie in dergesamten Probe, aufgetragen für drei Proben.
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Abb 7a: Anstieg der Anisotropie an sechs Schädigungsorten (drei Proben).
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Die änderungen im Mikrowellensignal lassen sich mit dem Auftreten von Faser-Matrix-Ablösungen im Werkstoff erklären. Die dabei zusätzlich entstehenden Grenzflächen führen zur Streuung der Mikrowellen. Diese Streuung ist aufgrund der Ausrichtung der Grenzflächen entlang der Fasern stark richtungsabhängig und trägt wesentlich zur mit Mikrowellen gemessenen Anisotropie bei.
Anisotropie von Papier
Anisotropiemessungen an Zeitungspapier zeigen die Empfindlichkeit des Mikrowellenverfahrens. In Abbildung 7 ist das Mikrowellenmeßsignal (hier die Abweichung von der Dielektrischen Dicke) über dem Drehwinkel b dargestellt. Die Modulationstiefe des Signals steigt mit der Anzahl der Papierblätter (Abbildung 8). Um den Einfluß von Druckerschwärze abzuschätzen, wurden sowohl schwarze als auch unbedruckte, weiße Bereiche gemessen. Die Unterschiede liegen im Rahmen der Meßgenauigkeit. Die Messung erfolgte in 0 und 90 Grad Ausrichtung relativ zur Apparatur, um Artefakte auszuschließen.
Abb 7b: Mikrowellenmeßsignal über dem Drehwinkel b für 1-12 Blatt Papier.
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Abb 8: Anstieg des Anisotropiesignals mit der Anzahl der Papierblätter.
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Messungen der Faserorientierung, Schädigung in Polymeren und Papieranisotropie haben gezeigt, daß sich das Mikrowellenmeßverfahren zur Anisotropiecharakterisierung dielektrischer Werkstoffe vielfältig einsetzen läßt. Die Anwendungen reichen von der Grundlagenforschung (Schädigungscharakterisierung, im SFB 381) bis zum industrierelevanten Einsatz. Kurzfaserverstärkte Polymerwerkstoffe sind wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit z.B. aus dem Fahrzeug- und Luftfahrtbereich nicht mehr wegzudenken. Die Faserorientierungsmessung mit Mikrowellen ist eine zuverlässige und zerstörungsfreie Alternative zu häufig eingesetzten zerstörenden Verfahren (Schliffbildauswertung). Zur Einsetzbarkeit des Mikrowellenverfahrens in der Qualitätssicherung von Papier sind weitere Untersuchungen nötig, z.B. hinsichtlich Reproduzierbarkeit, Einfluß von Papierart, Herstellungsverfahren, Feuchte, usw..
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Unterstützung dieser Arbeiten im Rahmen des SFB 381 und TFB 28.
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