DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Einsatz der Ultraschalltechnik bei der Produktion von Faserverbundteile

Jarlath McHugh, Joachim Döring, Wolfgang Stark
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
Kontakt: McHugh Jarlath Dipl.-Ing.

1. Einleitung

Faserverbundteile umfassen einen großen Herstellungsbereich der Kunststoffe. Die in diesem Paper beschriebenen Kunststoffe sind bekannt als Duroplaste. Bei der Herstellung solcher Faserverbund-Kunststoffe (FVK), z.B. auf der Basis von Epoxydharz, findet eine chemische Härtungsreaktion statt. Dabei wird aus einer niedermolekularen Verbindungen ein dicht vernetztes Makromolekülsystem. Mit hochgefüllten Harzen lassen sich formstabile Teile herstellen, die zudem eine sehr gute Medienbeständigkeit haben und gute thermomechanische Eigenschaften aufweisen. Angesichts ihrer hohen Belastbarkeit und ihres geringen Gewichts kommen Faserverbundwerkstoffe immer häufiger bei Verkehrsfahrzeugen zum Einsatz.

Zwei Methoden zur Herstellung vom Kraftfahrzeugteilen werden hier beschreiben. Die erste ist das Harzinjektionsverfahren für die Serienfertigung von komplexen und großflächigen Faserverbundteilen, wie z.B. Strukturbauteile für die Luftfahrt. Die zweite ist das Spritzgießverfahren für die Herstellung von meist kleineren Teilen bei hohen Stückzahlen, typische Beispiele sind Zündungsteile, Kommutatoren oder Pumpenteile. Bei der Herstellung von FVK-Bauteilen hängt die Qualität in entscheidendem Maße von Injektions- und Fliess- als auch Härtungsvorgängen ab. Ein in der BAM entwickeltes Ultraschallverfahren, das diese Vorgänge erfasst, hat sich als geeignete Methode für die online Prozessüberwachung von Reaktionharz-Granulatgemischen bewährt [1]. In diesem Beitrag wird der Schwerpunkt auf den industriellen Einsatz dieses Verfahrens zur Überwachung der Herstellung von LKW Dächer (Fa. Fritzmeier, Bild 1) mittels RTM (Resin Transfer Moulding) und Automobilscheinwerfer (Bild 2) gelegt. Bei der Herstellung von Autoscheinwerfer ist das System erst kurze Zeit im Einsatz und deshalb kann eine komplette Auswertung nicht vorgestellt werden. Die erste Ergebnisse wurden hier präsentiert.


Bild 1: Dachmodul für MAN LKW Fa. Fritzmeier.

Bild 2: Automobilscheinwerfer.

2. Harzinjektions- und Spritzgießverfahren

Es gibt zwei Arten von Harzinjektionsverfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen. Die eine arbeitet mit Kurzglasfasern und die andere mit Langfasern. Während bei den Kurzfasern das Matrixmaterial und die Fasern bereits vorgemischt werden, haben die Langfasern ihre erste Berührung mit dem Kunststoffmatrixmaterial (Flüssigharz) im Werkzeughohlraum.

Resin Transfer Moulding (RTM): Verfahren und Überwachungsziele
Der RTM-Prozess verläuft prinzipiell in fünf Stufen: Der Preform (textiles Halbzeug aus Kohlenstoff- oder Glasfasern) wird in das geöffnete Werkzeug gelegt. Das Werkzeug wird geschlossen und die entsprechende Zuhaltekraft aufgebracht. Danach wird das Matrixmaterial (Harz/Härter -Gemisch) in die Kavität injiziert. Nach der vollständigen Füllung des Werkzeuges erfolgt die Aushärtung bei der vorgegebenen Verarbeitungstemperatur. Das Härten des Formteils beansprucht mit etwa 50% einen Großteil der Zykluszeit. Im letzten Prozessschritt folgt das Entformen des fertigen Teiles.


Bild 3: Der RTM Prozess[2].

Es gibt eine Reihe von zusätzlichen Faktoren, die den Prozess und somit die Qualität des Bauteiles beeinflussen, z.B. Lufteinschlüsse und Permeabilität. Die Einflüsse solcher Faktoren wurden von Döring et al. [3] ausführlich beschrieben. Am wichtigsten für die Herstellung von LKW Dächer ist die Verfolgung der Fliessfront (Homogenität/Geschwindigkeit der Füllung) und Aushärtung mittels Ultraschall. Die Wahl der Härtungszeit ist nicht nur für die Qualität des Endproduktes sondern auch für die Effektivität der Anlage von entscheidender Bedeutung, z. B. führt eine Reduzierung der Härtezeit auf Grund einer sensorgesteuerten Prozesskontrolle unmittelbar zu einer Erhöhung der Produktivität der Anlage.

Die Sensoren sind so im Werkzeug positioniert (Bild 4), dass sie möglichst viel Information über Fliessfront und Zustand der Härtung liefern, wobei ein Sensorpaar am Angußkanal (1) und jeweils ein Paar in den 4 Ecken positioniert wurde. Ihre Lage ist in der Darstellung rot markiert. Die Sensoren sind hinter der Werkzeugwand platziert um Sensorabdrücken auf dem fertigen Bauteil zu vermeiden.


Bild 4: Fritzmeier RTM-Serienwerkzeug und rot markierte Sensorpositionen.

Spritzgießen
Beim Spritzgießen wird die Duroplastmischung (hauptsächlich bestehend aus Harz/Härter und Faser) meist automatisch in den Schneckenzylinder eingeführt (schematische Darstellung Bild 5). Das Granulat wird vorgewärmt und plastifiziert und bei hohem Druck ins Werkzeug eingespritzt. Die Formasse muss von ca. 90 °C im Zylinder auf ca. 165 - 175 °C im Werkzeug aufgeheizt werden. Die fertigen Teile werden dann heiß entformt. Zykluszeiten unter 1.5 Minuten sind üblich. In Bild 7 ist das Werkzeugnest für die Herstellung von Autoscheinwerfern dargestellt. Die Sensoren sind hinter der Werkzeugwand eingebaut, um, wie beim Harzinjektionsverfahren, keine Abdrücke an den fertigen Teile zu hinterlassen.


Bild 5: Spritzgießmaschine.


Bild 6: Automobilscheinwerfer im Detail.

Bild 7: Werkzeug zur Herstellung von Automobilscheinwerfern.

3. Messtechnik

In den letzten Jahren sind die Anforderungen hinsichtlich der Oberflächenqualität (Class A) von FVK ständig gestiegen. Auftretende Oberflächenfehler müssen durch arbeitsintensive Handarbeit, die nicht automatisierbar ist, ausgeglichen werden. Um diesen hohen Kostenaufwand zu vermeiden, wurden von der Fa. Krautkrämer Sensoren entwickelt, die verdeckt, d.h. hinter der Werkzeugwand, eingebaut werden können. Dadurch werden Sensorabdrucke auf dem Bauteil vermieden. Die Sensoren in Bild 1 haben eine mittlere Frequenz von 4 MHz und sind mit einer dünnen Kupfer-Folie an die Werkzeugwand gekoppelt. Gemessen wird im Durchschallungsmodus. Durch einen an der BAM entwickelten Multiplexer [5] und mit speziell für dieses Anwendungsgebiet entwickelter Software können bis zur 8 Sensorstrecken gleichzeitig überwacht und aufgezeichnet werden. Die verwendete Ultraschalltechnik US-plusâ [4] ist auf Basis der Durchschallungsmethode aufgebaut, um eine Fehlinterpretation von reflektierten Signalen im konventionellen Pulse-Echo-Betrieb bei der Verarbeitung zu vermeiden. Das Systemarbeitet nach seiner Installation automatisch. Der Software und Auswertealgorithmus wird bei Döring et al. [3] beschrieben.


Bild 8:Ultraschallmesssystem:US-plusÒ [4].

Bild 9: Longitudinal-wellensensor [4].

4. Auswertung und Analyse von Ergebnisse

Harzinjektionsverfahren
Bei der Härtungsreaktion interessieren den Verarbeiter hauptsächlich zwei physikalische Übergänge [6, 7]. Der erste heißt Gelierung und beschreibt den Übergangsbereich von einer Flüssigkeit zu einem Gel (einem gummiartiger Zustand) und der zweite ist der Glas-Gummi-Übergang, bei dem sich die Härtungsreaktion stark verlangsamt und das Material glasartig erstarrt.. Beide Übergänge sind für die Harzverarbeitung wichtig. Der erste charakterisiert die Gelierung und damit die für die Werkzeugfüllung zur Verfügung stehende Zeit. Ist die Gelierung zu weit fortgeschritten, so ist die Fließfähigkeit des Harzes eingeschränkt und es kommt zu trockenen Bereichen oder Lufteinschlüssen innerhalb des Bauteils. Der zweite Übergang bestimmt, nach welcher Zeit das Bauteil formstabil ist und das Werkzeug aufgemacht werden kann. Obwohl im konkreten Fall weitere Faktoren hinzukommen können,, wie zum Beispiel der Ausdehnungskoeffizienten der Materialien bei komplexe Sandwichbauteile ist der Glasübergang der Hauptfaktor zur Bestimmung der Öffnungszeiten.

Bild 10 zeigt die Aushärtung des reinen Epoxydharzes bei drei verschiedenen Temperaturen, gemessen mit dem Ultraschallgerät und dem Rheometer. Die Messbalken sind farbkodiert und geben den normierten Wert des Longitudinalwellen- und Schermoduls an deuteten bei den Rheometer Ergebnissen die Farben Schwarz/Rot/Blau die Bereiche (definiert durch bestimmte Modulwerte). Die sehr gute Korrelation beider Farbbalken bestätigt die Annahme, das die Ultraschallmethode sich gut zur Verfolgung der Härtungsreaktion eignet. Der Verarbeiter kann anhand einer solchen Darstellung sofort ablesen, welchen Einfluss z.B. die Temperatur hat. Ziel ist es, durch die Integration von Ultraschallsensoren genau diese Art von Auswertung in den Prozess umzusetzen.


Bild 10: Vergleich US- und Rheometer-Messung.

Bei dem Werkzeug für die LKW-Hochdächer wurden die Sensoren ca. 10 mm hinter der Werkzeugwand eingebaut. Die Vorlaufstrecken von Werkzeugwand und Sensor müssen gemessen werden, um möglichst genau die Schallgeschwindigkeit zu berechnen. Im Labor ist dieses Problem einfach durch eine Referenzmessung bei geschlossenem Werkzeug zu berücksichtigen. Dazu wird die Zeitdifferenz zwischen dem Signal bei leerer und bei gefüllter Form mit Hilfe einen Kreuzkorrelation berechnet. Gemessen wird die Verschiebung der Referenzimpulse. Im industriellen Einsatz ist es in der Regel nicht möglich, die Werkzeuge so zuzufahren, dass die Sensoren einen akustischen Kontakt zueinander haben. Deshalb wurde die Laufzeit bis zur Werkzeugwand mit Hilfe eines externen Sensors, der von Hand aufgesetzt wurde, für jeden einzelnen Sensor ermittelt. Diese Laufzeitmessungen sind bei Betriebstemperatur durchgeführt worden, um zu verhindern, dass Messungenauigkeiten, durch Materialausdehnung bei höheren Temperaturen auftreten. Die Materialdicke des fertigen Bauteils wurde an den Sensorpositionen von Hand nachgemessen und im Programm abgespeichert. Sobald Materialdicke und Schalllaufzeiten im Werkzeug bekannt sind, erfolgt die Schallgeschwindigkeitauswertung online. Diese Vorbereitungen sind nur einmal für jedes Werkzeug erforderlich.

Die Sensorpaare sind durch temperaturstabile Koaxialkabel an das Gerätesystem US Plusâ angeschlossen. Durch eine Verknüpfung mit der Maschinensteuerung laufen alle Ultraschallmessungen automatisch ab und werden zur weiteren Verarbeitung automatisch abgespeichert. Das Harz wird vorgemischt , auf 60 °C temperiert und über einen zentralen Anguss verteilt. Das Werkzeug ist auf 80 °C vorgeheizt, so dass ein Abnahme des Moduls (Schallgeschwindigkeit) des Harzes am Anfang zu erwarten ist. Der Messung wird automatisch beim Einspritzen getriggert. Das erste Signal wird nach 15 s während des Injektionsvorgangs in Angussnähe lokalisiert (Bild 11). Die voranschreitende Fliessfront kommt ca. 30 s später bei den Sensorpositionen 2 und 3 gleichzeitig an, sowie nach insgesamt einer Minute bei den Sensoren 4 und 5. Die Sensorpaare 2 und 3 sind in der vorderen Formteilhälfte positioniert, d.h. das Harz muss eine kürzere Strecke vom Anguss aus zurücklegen als zu den Sensorpositionen 4 und 5. Die Fliessfront wird im Prozess zum gleichen Zeitpunkt an den Sensorpositionen 2 und 3 sowie den Positionen 4 und 5 registriert. Dieses Ergebnis beruht auf einer sehr gleichmäßigen Formteilfüllung und weist auf ein sehr ausbalanciertes Angusssystem hin.


Bild 11: Fliessfrontüberwachung im RTM Werkzeug.

Der gesamte RTM-Prozessablauf kann, wie in Bild 12 dargestellt, anhand der Ultraschallkurven aufgezeichnet und kontrolliert werden. Dargestellt sind vier Ultraschalkurven für vier nacheinander hergestellte LKW Dachmodule. Die Reproduzierbarkeit der Messung ist gut und bei den hergestellten Teilen waren keine visuellen Fehler erkennbar, d.h. die Fertigung fand unter stabilen Bedingungen statt. Bei ca. 140 s (Punkt 3) erfolgt das Austreten des Harzes durch die Entlüftungen. Kurz danach wird der Anguss verschlossen und das Formteil härtet aus. Die Schallgeschwindigkeit steigt deutlich an und erreicht nach ca. 25 Minuten ein Plateau mit nur noch sehr geringfügigem Zuwachs. Das heißt, hier ist das Harz verglast, so dass sich die Reaktion verlangsamt. Das Bauteil ist nun formstabil und kann entformt werden.


Bild 12: Verlauf der Schallgeschwindigkeit im RTM-Serienprozess.

Spritzgießen
Bei duroplastischen Formmassen, im Gegensatz zum Harzinjektionsverfahren, laufen Formgebung und chemische Vernetzungsreaktion zusammen (sehr schnelle Reaktion) ab. Die Qualität der Formteile, z.B. Oberfläche und mechanische Eigenschaften, wird im wesentlichem Maße durch das Fliessverhalten und vom erreichtem Vernetzungszustand beeinflusst. Oft ist es schwierig, die Entformungszeit genau zu bestimmen, d.h. zu welchem Zeitpunkt kann man bei gleichbleibende Qualität entformen. Wenn z. B. ein Teil zu früh entformt wird, kann es zu weich oder deformiert sein. Bei zu langen Härtungszeiten können die Teile spröde werden. Zusätzlich können Maschinenschwankungen oder Chargenunterschiede zu Ausschuss führen. Die Ultraschalltechnik ist sehr gut geeignet für die Prozesskontrolle des Spritzgießens von duroplastischen Formmassen. In Bild 13 ist ein an der BAM gemessenes Beispiel mit den gleichen Material (ungesättigtes Polyesterharz) in einem Kompressionspresse dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen beiden Prozessen besteht darin, dass beim Spritzgießverfahren der Kunststoff bei höheren Temperaturen vorplastifiziert wird, während beim Pressen das kalte Material ins heiße Werkzeug gegeben wird. Das bedeutet, dass der Erweichungsprozess beim Pressen stärker ausgeprägt ist und die Zykluszeiten länger sind. In Bild 13 wird der Einfluss der Werkzeugwandtemperatur auf den Härtungsverlauf dargestellt. Mit zunehmender Temperatur wird der Erweichungsbereich, d.h. der Abfall in Schallgeschwindigkeit, kleiner und ist auch nicht mehr so stark ausgeprägt, da die Härtungsreaktion zunehmend schneller wird und oft den Erweichungsprozess überdeckt. Die Härtungsreaktion verläuft sehr schnell und ist bei 150 C nach 100 Sekunden zu Ende. Anhand solcher Kurvenverläufe in Kombination mit Anwendungsqualitätskriterien, z.B. Biegefestigkeit oder elektrischen Kennwerten, kann man die passende Werkzeugtemperatur auswählen, um bei gleichbleibender Qualität die Zykluszeiten zu verkürzen. Bei der industriellen Anwendung hat der Einsatz dieser Technik zu einer Reduktion der Zykluszeit von 20 % geführt.


Bild 13: Schallgeschwindigkeitsverlauf von ungesättigtem Polyester-Harz.

5. Fazit

Der Einsatz der Ultraschalltechnik für zwei grundsätzlich verschiedene Prozesse zeigt den hohen Entwicklungsstand der Sensoren, der Hardware und auch der Analysesoftware. Das US-Plus-System läuft erfolgreich seit ca. 1 Jahr im Harzinjektionsverfahren und seit ca. 6 Monaten beim Spritzgießen. Dabei ist es möglich, die RTM-Prozessschritte (Fliessfront, Injektions- und Nachdruckphase) sowie den Härtungsablauf zu identifizieren und zu verfolgen. In diesem Fall werden online 5 Messkänale (10 Sensoren) überwacht. Zurzeit ist die Überwachung von 8 Messkanälen möglich, was für die meisten Anwendungen ausreicht . Im Spritzgießprozess herrschen höhere Temperaturen (bis ca. 180 °C) und Drücke (typisch. 100 bar). Der gesamte Verarbeitungsprozess findet oft in Zeitbereichen statt, die unter einer Minute liegen. Dadurch können auch kleine Abweichungen in den Formasseneigenschaften oder Prozessparametern (z.B. der Temperatur) starke Auswirkungen auf die Stabilität des Verarbeitungsprozesses und die Qualität der Produkte haben. Die Ultraschall-Technik bietet hier die Möglichkeit, das Fliess- und Härtungsverhalten im Werkzeug zu verfolgen. Dadurch können Schwankungen im Prozess, die zur Ausschuss führen, früh erkannt und verhindert werden. Zusätzlich kann der Reaktionsverlauf bis zum Ende verfolgt und anhand Qualitätskriterien, wie Entformungszeit, ausgewählt werden. In erwähntem Beispiel der Herstellung von Automobilscheinwerfern konnte eine Reduktion der Zykluszeiten von 20 % erzielt werden.

In beiden Fällen werden die Messungen automatisch abgespeichert und können entweder Vorort am Messrechner begutachtet oder im Excel-Format später ausgewertet werden, so dass eine vollständige Dokumentation des Prozessablaufs und Beurteilung des Bauteilqualität jederzeit möglich ist.

Literatur.

  1. J. Döring, W. Stark, J. McHugh, J. Bartusch, P. Fengler, "Rheologische und akustische Bestimmung der Fließ-Härtungseigenschaften von Injektionsharzen", DGZfP Tagung, Weimar, (2002)
  2. U.Lehman, "Herstellung von endlosfaserverstärkten, hohlen Formteilen mit innendruckbeaufschlagten Kernen im Harzinjektionsverfahren, RWTH, Aachen, Dissertation, (1999)
  3. J. Döring, J. McHugh, E. Schmachtenberg, Jochen Töpker "Optimierung des RTM-Verfahrens mit Ultraschall-Sensorik" Handbuch zur Internationalen AVK/TV Tagung für verstärkte Kunststoffe und Formmassen, Baden Baden, (2000)
  4. Iserlohner Kunststoff-Technologie GmbH, http://www.isk-iserlohn.de/us-plus.htm
  5. J. Bartusch, P. Fengler, J. Mc Hugh, J. Döring "Ultraschallprozesskontrolle an RTM, Mehrkanaltechnik" DGZfP Tagung, Weimar, (2002)
  6. R.P. Tierault, J. Wolfrum, G.W. Ehrenstein, " Härtungsverlauf von Harzsystemen" Kunststoffe, Jahrg. 89, 112, (1999) 11.
  7. J.K. Gillham "The Time-Temperature-transformation (TTT) State Diagram in the role of the polymeric matrix in the processing and structural properties of composite materials" Edts. Seferis, J.C and Nicolais, L., Plenum Press, New York and London (1988)

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