Lichtgewichtbouw kwalificeren door computertomografie

Figuur 1: Het KUZ beschikt over de computertomograaf (CT) Werth TomoScope® XS.

Fig. 2: CT-scan van een PP-langvezelcomposiet. De rode ellipsen tonen de oriëntatieverdeling van de vezels. Hiervoor is de wanddikte van het monster van 2 mm onderverdeeld in 10 lagen. De blauwe pijl wijst in de stroomrichting tijdens het spuitgieten. / Fig. 3: Uit de CT-scan van het PP-langvezelmonster zijn hier de vezels geselecteerd. Dit maakt onder andere de bepaling van het lokale vezelvolumepercentage mogelijk.

Afbeelding 4: In deze lengtesnede door een PA6GF30-proef zijn de dichtheidsverdeling, de bellenstructuur en de vezeloriëntatie weergegeven (v.l.n.r.)

Fig. 5: links: puntenwolk (STL-bestand); rechts: nauwkeurige maatvoering (afwijking ca. 3 µm)

Figuur 6: Nietverbindingen met verschillende kopvormen. Lunker in de kop van de bout (links). Bindnaden in het contactgebied tussen de kop van de bout en de pen (midden en rechts).

Kunststoffen zijn voorbestemde materialen voor lichte toepassingen. Om het lichteffect van het materiaal optimaal te benutten, moeten de potentieel doelgericht worden benut.

De mechanische eigenschappen zijn richtingsafhankelijk. Daarbij speelt vooral de vezeloriëntatie een grote rol. Bij thermoplast-schuim-injectie (TSG) zijn daarnaast lokale verschillen, zoals bijvoorbeeld de dichtheid en de geometrie van de bellen, belangrijk voor het mechanische gedrag van het onderdeel. Wanneer hiermee rekening wordt gehouden, kunnen zeer lichte en buigvaste onderdelen worden geproduceerd. Om de invloeden en verbanden bij het TSG-proces beter te begrijpen, onderzoekt het Kunststof Centrum in Leipzig (KUZ) de onderdelen met behulp van computertomografie (CT). Hiermee kunnen de vezels, de bellen en de dichtheidsverdeling van de onderdelen gedetailleerd worden afgebeeld en geëvalueerd.

De vezels op het spoor

Met behulp van een krachtige CT (TomoScope® XS van Werth) en geavanceerde analysetools (Avizo van FEI) kunnen de CT-scans, met een resolutie van 2 µm, worden gesegmenteerd en gemeten in de componenten van de gescande onderdelen. Op deze manier kan bijvoorbeeld de oriëntatie van de vezels en hun volumebijdrage worden bepaald. In afbeelding 2 is een scan van een polypropyleen-langvezelmonster weergegeven. Daarin zijn de vezels in lichte grijstinten en de polypropyleenmatrix in donkere grijstinten te zien.

Het monster is verdeeld in 10 gelijke lagen van 2 mm wanddikte. In elke laag is de vezeloriëntatie met Avizo bepaald en weergegeven met een rood ellipsoïde. De langste as van het ellipsoïde geeft de gemiddelde voorkeursrichting van de vezels aan. De twee andere assen van het ellipsoïde staan loodrecht op deze voorkeursrichting. Hoe meer vezels in één richting georiënteerd zijn, des te langer wordt deze as weergegeven. Als theoretisch alle vezels in dezelfde richting liggen, wordt uit het ellipsoïde een lijn. Als de vezels gelijkmatig over alle richtingen verdeeld zijn, wordt uit het ellipsoïde een bol.

De pijl in afbeelding 2 wijst in de stroomrichting. Het is te zien dat, typisch voor spuitgietwerk, de vezels in de randzone (schersone) bij voorkeur in de stroomrichting liggen en de vezels in het midden er haaks op. In afbeelding 3 zijn de vezels als volume geselecteerd. Hierdoor is het mogelijk om het vezelvolume lokaal te bepalen en ook verschillen binnen het onderdeel mee te nemen.

Het schuim onder de loep nemen

TSG-onderdelen kenmerken zich door compacte randlagen en een geschuimd kern. Hierdoor hebben de geschuimde onderdelen een hoge gewichtspecifieke buigvastheid. In afbeelding 4 worden de drie belangrijkste structurele eigenschappen weergegeven. Te zien is een dwarsdoorsnede door een polyamide 6 met 30% shortglasvezels. Boven en onder zijn de compacte randlagen zichtbaar, met daartussen de schuimkern. Links in afbeelding 4 wordt de dichtheid weergegeven. Lichte grijstinten staan voor hoge dichtheid in de randlagen. Donkere grijstinten voor gebieden met lage dichtheid in het schuim. In het midden van afbeelding 4 zijn de bellen geselecteerd. De geometrie van elke bel kan afzonderlijk worden gemeten en verder worden verwerkt. Tot slot is rechts de visualisatie van de vezeloriëntatieverdeling weergegeven, zoals eerder beschreven.

Met behulp van deze informatie kan bijvoorbeeld de vergelijking met de resultaten van spuitgietsimulaties worden uitgevoerd. Daarnaast kunnen mechanische simulaties met anisotrope, dat wil zeggen richtingsafhankelijke, materiaaleigenschappen worden gekwalificeerd.

Meer potentieel van computertomografie

Met CT kunnen daarnaast nog andere belangrijke vragen binnen de kunststoftechniek worden onderzocht. Net als bij de analyse van bellen en vezels kunnen ook functiedodende additieven zoals bijvoorbeeld metaaldeeltjes worden bestudeerd.

Door de contactloze en niet-destructieve controle maakt CT 3D-metingen mogelijk van buitencontouren en niet-toegankelijke binnencontouren, de positiebepaling in assemblages en de vergelijking tussen het ontwerp en het werkelijke object. Afbeelding 5 toont een tandwiel waarvan de relevante secties zijn gemeten.

Ook bij schadeanalyse toont CT zijn kracht. Zo is het mogelijk om inhomogeniteiten zoals insluitsels, holtes, scheuren of bindnaden aan te tonen. Met de brede expertise van het KUZ kunnen hieruit strategieën worden afgeleid voor het oplossen van fouten en het verbeteren van processen.