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Vernetzen statt Verglasen
(2000)
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird zunächst die für die on-line Prozesskontrolle an duroplastischen Formmassen entwickelte Ultraschallmesstechnik vorgestellt. Die Methode basiert auf der Durchschallung des vernetzenden Materials mit Hilfe von in das Werkzeug integrierten druck- und temperaturfesten 4 MHz-Ultraschallsensoren. Die Auswertung von Schalllaufzeit und Signalamplitude erfolgt vollautomatisch und dient der Berechnung von Schallgeschwindigkeit und -dämpfung. Beide Größen repräsentieren die änderung der mechanischen Eigenschaften infolge der Vernetzungsreaktion. Durch Anwendung auf vulkanisierende Materialien sollte die Anwendbarkeit der bewährten Methode erweitert werden. Im Ergebnis wird gezeigt, dass die Größe des Messeffekts von der Menge an Vernetzer (Schwefelkonzentration) abhängt. Bei ausreichend hohem Vernetzungsgrad zeigt die Ultraschallgeschwindigkeit signifikante, gut auswertbare Resultate, die den Ablauf der Vulkanisation on-line zu verfolgen gestatten. Ein Vergleich mit Vulkameterkurven zeigt große ähnlichkeiten und berechtigt zu der Hoffnung, dass die Methode industriellen Einsatz finden kann.
Ultraschallwellen durchdringen Festkörper, ohne sie zu schädigen. Der Einsatzbereich von Ultraschall reicht von der Darstellung der inneren Organe in
der Medizin bis zur Prüfung des Inneren von Bauteilen im Maschinen- und
Anlagenbau. Ultraschall-Systeme können jedoch auch genutzt werden, um
sichtbar zu machen, wie sich mechanische Eigenschaften von Reaktionsharzen
während ihrer Verarbeitung im Werkzeug verändern.
Zusammenfassung
Der Ausgangspunkt für diese Arbeiten ist eine in [1] beschriebene Ultraschall-(US)-Sensorik zur Aushärtungskontrolle. Sie wurde für rieselfähige Formmassen entwickelt [2,3]. Darauf aufbauend ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit, die Voraussetzungen für den Einsatz dieser Sensorik beim Harzinjektionsverfahren zu schaffen und ihre Kalibrierung durch rheologische und DSC-Messungen zu ermöglichen.
Der erste Teil des Beitrages beschäftigt sich mit dem technologischen Ablauf des Harzinjektionsverfahren und den Einsatzmöglichkeiten der US-Sensorik bei dieser Technologie. Ergebnisse von Schallgeschwindigkeits- und Dämpfungsmessungen für EP-Harze werden vorgestellt.
Im zweiten Teil wird auf das Kalibrieren der US-Sensorik für den Verarbeiter eingegangen. Es kann mittels der bisherigen Prozessführung oder durch Vergleich mit den Ergebnissen anderer Mess-Verfahren wie Rheometer- oder Differential-Scanning-Calerometry-(DSC)-Messungen erfolgen.
Grundlagen zur Charakterisierung von Harzsystemen und deren Verarbeitungsprozessen mit Ultraschall
(2005)
Einfluss hoher Temperaturen und Drücke auf die Ultraschalleigenschaften eines Komposit-Prüfkopfes
(2004)
Charakterisierung der Wandler für Luftultraschallprüfung aus zellulärem Polypropylen-Ferroelektret
(2011)
In den letzten Jahren stieg die Anfrage für zerstörungsfreie Prüfung (ZIP) mit Luftultraschall deutlich. Die klassische ZfP mit Ultraschall nutzt Flüssigkeiten als Koppelmittel zwischen dem Wandler und dem Prüfkörper. Für die Prüfung von Gegenständen mit empfindlicher Oberfläche, die das Koppelmittel beschädigen oder verunreinigen kann, ist deswegen Luftultraschall besser geeignet. Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise der Nachweis von Delaminationen in glas- und kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen sowie Sandwichbauteilen, die in der Luftfahrt- und der Automobilindustrie eingesetzt werden.
An Methoden zur luftgekoppelten Ultraschallprüfung wird seit einigen Jahren mit großer Intensität gearbeitet. Probleme bei der praktischen Realisierung entstehen vor allem durch die großen Unterschiede in der akustischen Impedanz von Wandlermaterial und Luft. Sie führen zu erheblichen Signaldämpfungen. Durch die Verwendung von Kunststoff-Folien z.B. aus porösem Polypropylen kann dieser Unterschied stark reduziert werden.
Im Beitrag werden die akustischen Eigenschaften dieser Folien untersucht und im Hinblick auf ihre Eignung für die Luftultraschall-Technik analysiert.
Das Fließ-Härtungs-Verhalten von Duroplastformmassen wird gegenwärtig nur
unvollständig durch empirische Größen beschrieben. Diese ungenauen und
unsicheren Angaben können zu Schwierigkeiten bei der optimalen Einstellung
der Fertigungsmaschinen des Verarbeiters führen. Insbesondere Veränderungen
der Formmasseeigenschaften während des Transportes und der Lagerung stören
die Produktion. Das vorgestellte Messverfahren mit Ultraschall-sensoren ermöglicht
die schnelle und vollständige Erfassung des Fließ-Härtungs-Verhaltens, auch
während des technologischen Prozesses. Experimentelle Ergebnisse zu
Alterungs-erscheinungen dieser Formmassen illustrieren den Nutzen des
Verfahrens für Formmasse-produzenten und -verarbeiter.
Im Labor für Ultraschallverfahren der BAM wurde ein Gerätesystem zum Betrieb von
linearen Strahlergruppen entwickelt, aufgebaut und erprobt. Es besteht aus einer
Geräteeinheit mit 64 Sende- und 64 Empfangskanälen, einem Steuerrechner mit
integriertem Transientenrekorder und wurde mit einem Linienarray mit 32 Elementen
und einer Frequenz von 17 MHz erprobt. Das Schallbündel einer Gruppe von 8 Elementen
kann per elektronischem Versatz über den Gesamtschwinger bewegt und
dabei gleichzeitig geschwenkt und fokussiert werden. Dabei konnten Wanddicke'n
von 0,5 mm sowie eine Anordnung von Flachbodenbohrungen mit 0,7 mm Durchmesser
mit großer Genauigkeit nachgewiesen werden. Mögliche Anwendungen sind
die Prüfung von Punktschweißverbindungen, die Korrosionsprüfung, die Prüfung von
Flugzeugkomponenten, die Schweißnahtprüfung.
Die Ultraschallmikroskopie von kleinen Bauteilen mit fokussierenden Prüfköpfen
ist seit Jahren gängige Praxis. Leider Ist sie für den Einsatz in der On-Line-
Qualitätskontrolle zu zeitaufwändig. Deshalb wurde an der Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung (BAM) auf der Basis von Polyvinyliden-Fluorid
(PVDF) wurde eine fokussierende Wandlerzeile entwickelt Sie ist Teil eines Prüfgerätes,
das durch die Verbindung von mechanischer und elektronischer Steuerung
des Ultraschallfeldes hohe Abtastgeschwindigkeiten erreicht. Dadurch, können
die Prüfzeiten so stark reduziert werden, dass eine On-line-Nutzung möglich
wird.
Das Ultraschallfeld der Wandlerzeile wurde dreidimensional ausgemessen und
das Ergebnis mit einem numerischen Modell /1/ verglichen. Die Übereinstimmung
zwischen berechnetem und gemessenem Schallfeld war sehr gut. Eine
Optimierung der elektronischen Ansteuerung führte darüberhinaus zu einer
erheblichen Reduzierung der störenden Nebenmaxima. Die Mittenfrequenz der
Prüfimpulse liegt über 15 MHz und der Fokus des Prüfkopfes beträgt weniger als
0,5 mm im Durchmesser.
Mit dieser Wandlerzeile und der entsprechenden elektronischen Steuerung
wurde eine Aluminium-Schweißnaht untersucht, die vorher mit einem konventionellen
fokussierenden Prüfkopf abgetastet worden war. Beide Prüfergebnisse
zeigen die gleiche Strukturauflösung, so dass der Zeitgewinn uneingeschränkt
als Vorteil für die Wandlerzeile zu Buche schlägt.