Könnyű szerkezetek számítógépes tomográfiával való minősítése

Ábra. 1: A KUZ rendelkezik a Computertomográf (CT) Werth TomoScope® XS készülékkel.

Ábra. 2: CT-scan egy PP hosszú szálú kompozit anyagról. A piros ellipszisek a szálak orientációs eloszlását mutatják. Ehhez a mintát 2 mm vastagságban 10 rétegre osztották. A kék nyíl a fröccsöntés irányában mutat. / Ábra. 3: A PP hosszú szálú mintájának CT-scan-jjából itt a szálakat szelektálták. Ez többek között lehetővé teszi a helyi száltérfogatrész meghatározását.

Ábra. 4: Ebben a hosszanti metszetben egy PA6GF30 próbatestből látható a sűrűségeloszlás, a buborékszerkezet és a szálak orientációja (balról jobbra).

Ábra. 5: balra: pontfelhő (STL fájl); jobbra: pontos méretezés (eltérés kb. 3 µm)

Ábra. 6: Rögzítőelemek különböző fejformákkal. Repedések a fejben (balra). Rögzítőszálak a fej és a tüske közötti érintkezésnél (középen és jobbra).

A műanyagok kiváló alapanyagok könnyű szerkezetű alkalmazásokhoz. Annak érdekében, hogy a anyag könnyűszerkezetes hatását optimálisan kihasználjuk, potenciáljuk célzott kihasználására van szükség.

A mechanikai jellemzők irányfüggőek. Elsősorban a szálirányítás játszik nagy szerepet. A Thermoplast-szivacs-fúvás (TSG) esetében emellett helyi különbségek, például a sűrűség és a hólyagok geometriája is fontosak a formaalkatrész mechanikai viselkedésében. Ennek figyelembevételével nagyon könnyű és hajlítószilárd formadarabokat lehet létrehozni. A TSG eljárás során fellépő hatások és összefüggések jobb megértése érdekében a Lipcsei Műanyagközpont (KUZ) a formadarabokat számítógépes tomográfiával (CT) vizsgálja. Ezzel részletesen ábrázolhatók és értékelhetők a szálak, a hólyagok és a sűrűségeloszlás a formadarabokon.

A szálak nyomában

Egy erőteljes CT (TomoScope® XS a Werth-től) és a legkorszerűbb elemző szoftver (Avizo a FEI-től) segítségével a CT-felvételek, 2 µm felbontással, kiválaszthatók és mérhetők a szkennelt formadarabok alkotóelemei. Így például meghatározható a szálak irányultsága és térfogati aránya. A 2. ábrán egy polipropilén hosszú szálas mintából készült felvétel látható. Ebben a szálak világos szürke árnyalatokban, míg a polipropilén mátrix sötétebb szürke árnyalatokban láthatók.

A mintát 2 mm falvastagságban 10 egyenlő vastagságú rétegre osztották. Minden rétegben a szálirányt az Avizo segítségével határozták meg, és vörös ellipszissel ábrázolták. Az ellipszis legnagyobb tengelye a szálak átlagos irányát mutatja. Az ellipszis két további tengelye merőleges erre az irányra. Minél több szál irányul egy adott irányba, annál hosszabb lesz ez a tengely. Ha elméletileg minden szál ugyanabba az irányba mutat, az ellipszis egy vonallá válik. Ha a szálak minden irányba egyenletesen oszlanak el, az ellipszis gömbbé alakul.

A 2. ábrán a nyíl a folyásirányt mutatja. Látható, hogy a fúvás típusára jellemzően a szálak a szélirányban (sodródási zóna) orientálódnak, míg a szálak a középen merőlegesen. A 3. ábrán a szálak térfogati kiválasztásával láthatók. Ez lehetővé teszi a szál térfogati arányának helyi meghatározását és a formaalkatrész belső különbségeinek figyelembevételét.

A szivacs vizsgálata

A TSG-formadarabok kompakt szélvédő rétegekről és habosított magról ismertek. Ennek eredményeként a habosított formadarabok magas súlyhoz viszonyított merevséget mutatnak hajlításban. A 4. ábrán három legfontosabb szerkezeti jellemző látható. Egy hossz-szelvény egy 30%-os rövid üvegszálas poliamid 6-ról. Felül és alul a kompakt szélvédő rétegek, közöttük a habmag. A bal oldalon a sűrűség látható. A világos szürke árnyalatok magas sűrűséget jeleznek a szélvédő rétegekben. A sötétebb szürke árnyalatok alacsony sűrűségű területeket mutatnak a hab területén. A középen a hólyagokat választották ki. Minden hólyag geometriáját egyedileg mérhetjük és feldolgozhatjuk. Végül jobb oldalon a szálirányítás eloszlásának vizualizációja látható, ahogy az fentebb már ismertetve volt.

Ezen információk segítségével például összevethetjük az eredményeket a fröccsöntési szimulációk eredményeivel. Továbbá mechanikai szimulációk is készíthetők az irányfüggő, azaz irányított anyagjellemzőkkel.

A számítógépes tomográfia további potenciáljai

A CT segítségével további fontos kérdéseket is kutathatnak a műanyagtechnológiában. Hasonlóan a hólyagok és szálak elemzéséhez, funkciókiegészítők, például fémrészecskék vizsgálata is lehetséges.

A kontaktusmentes és kíméletes vizsgálat lehetővé teszi a 3D-s külső és nem hozzáférhető belső felületek mérését, az alkatrészek pozícióellenőrzését az összeszereléseknél, valamint a CAD-modellhez viszonyított összehasonlítást. Az 5. ábra egy fogaskereket mutat, amelyen a releváns szakaszokat mérték.

A károsodásvizsgálatban is kiemelkedő szerepet játszik a CT. Lehetővé teszi inhomogenitások, például lunker, üreg, repedés vagy kötőszálak kimutatását. A KUZ széles körű szakértelmével ezekből hibákból eredő problémák és a folyamatok fejlesztésének stratégiái dolgozhatók ki.