Lehká konstrukce pomocí počítačové tomografie kvalifikovat

Obrázek 1: KUZ je k dispozici počítačový tomograf (CT) Werth TomoScope® XS.

Obrázek 2: CT snímek PP dlouhých vláknových kompozitů. Červené elipsy ukazují orientační rozložení vláken. K tomu byla tloušťka stěny vzorku o 2 mm rozdělena do 10 vrstev. Modrá šipka ukazuje směr toku při vstřikování. / Obrázek 3: Z CT snímku vzorku PP dlouhých vláken jsou zde vybrána vlákna. To umožňuje mimo jiné stanovení místního podílu objemu vláken.

Obrázek 4: V tomto podélném řezu vzorku PA6GF30 jsou znázorněny rozložení hustoty, struktura pórů a orientace vláken (zleva doprava)

Obrázek 5: vlevo: bodová mrak (STL soubor); vpravo: přesné zaměření (odchylka cca 3 µm)

Obrázek 6: Výstuhy s různými tvary hlavic závaží. Dutiny v hlavici závaží (vlevo). Svorky v kontaktní oblasti mezi hlavicí závaží a kolíkem (uprostřed a napravo).

Plasty jsou předurčené materiály pro lehké konstrukce. Aby bylo možné co nejlépe využít lehkost a pevnost materiálu, musí být jeho potenciál cíleně využíván.

Mechanické vlastnosti jsou závislé na směru. Velkou roli hraje především orientace vláken. U vstřikování pěnového termoplastu (TSG) jsou navíc důležité místní rozdíly, například hustota a geometrie bublin, které ovlivňují mechanické chování výlisku. Pokud se tyto faktory zohlední, lze vytvářet velmi lehké a ohybově pevné výlisky. Aby bylo možné lépe pochopit vlivy a souvislosti při TSG procesu, zkoumá Centrum plastů v Lipsku (KUZ) výlisky pomocí počítačové tomografie (CT). Díky tomu lze detailně zobrazit a vyhodnotit vlákna, bubliny a rozložení hustoty ve výliscích.

V stopách vláken

S pomocí výkonného CT (TomoScope® XS od Werth) a nejmodernějšího analytického softwaru (Avizo od FEI) lze CT skeny s rozlišením 2 µm třídit a měřit na složky skenovaných výlisků. Tím je například možné určit orientaci vláken a jejich objemový podíl. Na obrázku 2 je zobrazen sken z dlouhovláknového polypropylénového vzorku. V něm jsou vlákna znázorněna světlými odstíny šedé, zatímco polypropylénová matice je v tmavších odstínech.

Vzorek byl rozdělen do 10 vrstev o stejné tloušťce 2 mm. V každé vrstvě byla pomocí Avizo určena orientace vláken a znázorněna červeným elipsoidem. Nejdelší osa elipsoidu ukazuje průměrnou preferovanou směr vláken. Další dvě osy elipsoidu jsou kolmé na tuto preferovanou směr. Čím více je vláken orientováno jedním směrem, tím je tato osa delší. Pokud by byla všechna vlákna teoreticky orientována stejným směrem, vznikne z elipsoidu čára. Pokud jsou vlákna rovnoměrně rozložena ve všech směrech, vznikne z elipsoidu koule.

Šipka na obrázku 2 ukazuje směr toku. Je patrné, že typicky při vstřikování jsou vlákna v okrajové oblasti (smyková zóna) preferenčně orientována ve směru toku, zatímco vlákna uprostřed jsou kolmá na něj. Na obrázku 3 jsou vlákna znázorněna jako objemové selekce. Díky tomu je možné lokalizovaně určit objemový podíl vláken a zohlednit i rozdíly uvnitř výlisku.

Podrobnější pohled na pěnu

TSG výlisky se vyznačují kompaktními okrajovými vrstvami a pěnovým jádrem. Díky tomu mají pěnové výlisky vysokou specifickou ohybovou tuhost na hmotnost. Na obrázku 4 jsou znázorněny tři hlavní strukturální vlastnosti. Vidíme podélný řez polyamidu 6 s 30 % krátkých skleněných vláken. Nahoře a dole jsou patrné kompaktní okrajové vrstvy, mezi nimi je pěnové jádro. Vlevo na obrázku 4 je znázorněna hustota. Světle šedé odstíny představují vysokou hustotu v okrajových vrstvách. Tmavší odstíny označují oblasti s nižší hustotou v oblasti pěny. Uprostřed na obrázku 4 jsou vybrány bubliny. Geometrie každé bubliny může být měřena samostatně a dále zpracována. Na pravé straně je zobrazena distribuce orientace vláken, jak již bylo popsáno výše.

S využitím těchto informací je například možné porovnat výsledky s výpočty vstřikovací simulace. Dále lze provádět mechanické simulace s anizotropními, tj. směrem závislými, materiálovými vlastnostmi.

Další potenciál počítačové tomografie

Pomocí CT lze dále zkoumat i další důležité otázky v oblasti plastů. Podobně jako u analýzy bublin a vláken je možné zkoumat i funkční přísady, například kovové částice.

Nezbytná a nepoškozující kontrola umožňuje pomocí CT 3D měření vnějších kontur a nepřístupných vnitřních kontur, kontrolu polohy v sestavách a srovnání s CAD modelem. Obrázek 5 ukazuje ozubené kolo, u kterého byly měřeny relevantní části.

Také při analýze poškození se CT osvědčuje. Je možné odhalit nehomogenity, jako jsou lunker, dutiny, praskliny nebo spojovací vlákna. Díky širokým znalostem v KUZ lze z toho odvodit strategie pro odstranění vad a zlepšení procesů.