Zerstörungsfreie Prüfmethode

Entwicklung zur Charakterisierung metallisch gefüllter Kunststoff-Verbundwerkstoffe

Kunststoffe sind heute aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Nachdem sie andere Materialien im niedrigen und mittleren Beanspruchungsbereich substituiert haben, werden sie zunehmend mit Fasern gefüllt und kommen verstärkt bei komplexeren Anforderungen sowohl im Bereich der Luft- und Raumfahrt als auch im Automobilbau oder Bauwesen zum Einsatz. Ein Nachteil solcher Verbundwerkstoffe bleibt jedoch die geringe oder nicht vorhandene elektrische Leitfähigkeit.

Mit Hilfe von extrinsisch leitfähigen Kunststoffen können die elektrischen Eigenschaften der Kunststoff-Verbundwerkstoffe deutlich verbessert werden. Für eine gute Funktionalität und den Einsatz fasergefüllter Kunststoffe auf dem Markt ist es daher nicht nur interessant, den Herstellungsprozess zu kennen, sondern auch den Fasergehalt, die örtliche und flächige Verteilung sowie die Ausrichtung der Fasern. Die heute verwendeten Prüfverfahren für Verbundwerkstoffe wie z. B. Thermografie, Röntgen, Ultraschall sind sehr aufwendig und schwierig automatisierbar.

Im Rahmen eines von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen geförderten Forschungsvorhabens entwickeln die Firma imq-Ingenieurbetrieb für Materialprüfung, Qualitätssicherung und Schweißtechnik GmbH und das Steinbeis- Innovationszentrum Anwendungsorientierte Material-, Fertigungs- und Prozesstechnik eine neue zerstörungsfreie Prüfmethode mittels Wirbelstrom zur Charakterisierung metallisch gefüllter Kunststoff-Verbundwerkstoffe.

Bei diesem Verfahren wird die Rückwirkung der im Material induzierten Wirbelströme auf die Prüfsonde ausgewertet. Die mit metallischen Fasern gefüllten Kunststoffe bewirken eine Änderung des Wirbelstroms, der zur Signalentstehung aus Verschiebungsströmen und aus Leitungsströmen in und zwischen den Fasern beiträgt. Während Leitungsströme von den Fasern selbst sowie deren Volumenanteil und Kontakt untereinander abhängen, werden Verschiebungsströme durch die dielektrischen Eigenschaften der Kunststoffmatrix, Faserdurchmesser, -länge und –abstand bestimmt und äußern sich als kapazitive Komponente im Messsignal. Im Rahmen der Untersuchungen wurde analysiert, in wie weit diese Effekte messbar sind und welcher Informationsgehalt abgeleitet werden kann. Die ersten Ergebnisse haben gezeigt, dass mit diesem Prüfverfahren nicht nur der Fasergehalt eines Verbundwerkstoffes ermittelbar ist, sondern auch die örtliche und flächige Verteilung sowie die Ausrichtung der Fasern bei Langfaserverbunden. Weitere umfangreiche experimentelle Untersuchungen werden derzeit durchgeführt. Somit wird es nicht nur möglich sein, metallische Fasern in Kunststoffen zu detektieren, sondern auch Metallstrukturen zu orten. Dies ist insbesondere für nicht sichtbare Bauteile und das damit bedingte Positionieren sowie für Hybrid- bzw. Mischstrukturen mit metallischen Bereichen wie Inserts und Krafteinleitungselemente von hohem Interesse. Das Wirbelstromverfahren kann für die zerstörungsfreie Prüfung von Verbundwerkstoffen hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften und/oder vorhandener Unregelmäßigkeiten erfolgreich eingesetzt werden. Es ist gut automatisierbar und erfüllt die Anforderungen an ein fertigungsbegleitendes Prüfverfahren. In Kombination mit der Analyse von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen stellt es ein durchaus gängiges Verfahren zur Untersuchung und Charakterisierung von Kunststoffverbundwerkstoffen dar.

Kontakt

Dipl.-Ing. Alexandru Söver
Prof. Dr.-Ing. Lars Frormann

Steinbeis-Innovationszentrum Anwendungsorientierte Material-, Fertigungs- und Prozesstechnik (Zwickau)
stz1145@stw.de

Dipl.-Ing. (FH) Christopher Seidel
Dr. rer. nat. Antje Zösch
Dr. sc. techn. Dr. rer. nat. Martin Seidel

imq-Ingenieurbetrieb für Materialprüfung, Qualitätssicherung und Schweißtechnik GmbH (Crimmitschau)
info@imq-gmbh.com

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