Lekka budowa poprzez tomografię komputerową kwalifikować

Abb. 1: Dem KUZ steht der Computertomograf (CT) Werth TomoScope® XS zur Verfügung.

Rys. 2: Tomografia komputerowa kompozytu z długimi włóknami PP. Czerwone elipsy pokazują rozkład orientacji włókien. Do tego podzielono grubość ściany próbki o 2 mm na 10 warstw. Niebieska strzałka wskazuje kierunek przepływu podczas wtrysku. / Rys. 3: Z tomografii komputerowej próbki z długimi włóknami PP wyodrębniono włókna. Umożliwia to m.in. określenie lokalnego udziału objętości włókien.

Abb. 4: W tym przekroju wzdłużnym próbki PA6GF30 przedstawiono rozkład gęstości, strukturę pęcherzyków oraz orientację włókien (od lewej do prawej).

Abb. 5: lewa: chmura punktów (plik STL); prawa: dokładne wymiarowanie (odchylenie ok. 3 µm)

Rys. 6: Połączenia nitowe z różnymi kształtami główek nitów. Ubytki w główce nitów (po lewej). Zacieśnienia w obszarze kontaktu między główką nitów a sworzniem (środek i po prawej).

Tworzywa sztuczne są przeznaczonymi materiałami do zastosowań lekkich. Aby optymalnie wykorzystać efekt lekkości materiału, konieczne jest celowe wykorzystanie jego potencjału.

Właściwości mechaniczne są zależne od kierunku. Kluczową rolę odgrywa w tym przypadku orientacja włókien. W przypadku wtrysku pianek termoplastycznych (TSG) istotne są również lokalne różnice, takie jak gęstość i geometria pęcherzyków, które wpływają na zachowanie mechaniczne elementu formowanego. Uwzględniając te czynniki, można uzyskać bardzo lekkie i sztywne elementy formowane. Aby lepiej zrozumieć wpływy i zależności w procesie TSG, Centrum Tworzyw Sztucznych w Lipsku (KUZ) bada elementy formowane za pomocą tomografii komputerowej (CT). Dzięki temu można szczegółowo obrazować i analizować włókna, pęcherzyki oraz rozkład gęstości elementów formowanych.

Śledzenie włókien

Za pomocą wydajnego tomografu komputerowego (TomoScope® XS firmy Werth) oraz nowoczesnego oprogramowania analitycznego (Avizo firmy FEI) można z rozdzielczością 2 µm wyodrębnić i zmierzyć składniki zeskanowanych elementów formowanych. W ten sposób można na przykład określić orientację włókien oraz ich udział objętościowy. Na rysunku 2 przedstawiono skan próbki z długowłóknistego polipropylenu. Włókna są widoczne jako jasnoszare, a matryca polipropylenowa jako ciemnoszara.

Próbka została podzielona na 10 warstw o równej grubości 2 mm. W każdej warstwie określono orientację włókien za pomocą Avizo i przedstawiono ją czerwonym elipsoidą. Najdłuższa oś elipsoidy wskazuje średni kierunek preferowany włókien. Dwie pozostałe osie elipsoidy są prostopadłe do tego kierunku. Im więcej włókien jest ustawionych w jednym kierunku, tym dłuższa jest ta oś. Gdyby teoretycznie wszystkie włókna były ustawione w tym samym kierunku, elipsoida zamieniłaby się w linię. Gdy włókna są równomiernie rozłożone we wszystkich kierunkach przestrzennych, elipsoida przyjmuje kształt kuli.

Strzałka na rysunku 2 wskazuje kierunek przepływu. Widać, że typowo dla procesu wtrysku, włókna w obszarze brzegowym (strefa ścinania) są ustawione głównie w kierunku przepływu, natomiast włókna w środku są ustawione prostopadle do niego. Na rysunku 3 włókna zostały wyselekcjonowane jako objętości. Dzięki temu możliwe jest lokalne określenie udziału włókien oraz uwzględnienie różnic wewnątrz elementu formowanego.

Przyglądając się piance

Elementy formowane metodą TSG charakteryzują się zwartymi warstwami brzegowymi i piankowym rdzeniem. Dzięki temu piankowe elementy mają wysoką sztywnść zginania w przeliczeniu na masę. Na rysunku 4 przedstawiono trzy najważniejsze właściwości strukturalne. Widać przekrój wzdłużny przez poliamid 6 z 30% krótkich włókien szklanych. U góry i na dole widoczne są zwarte warstwy brzegowe, a pomiędzy nimi rdzeń piankowy. Po lewej stronie na rysunku 4 przedstawiono gęstość. Jasnoszare odcienie oznaczają obszary o wysokiej gęstości w warstwach brzegowych. Ciemnoszare odcienie oznaczają obszary o niskiej gęstości w obszarze pianki. W środku na rysunku 4 zaznaczono pęcherzyki. Geometrię każdego pęcherzyka można zmierzyć oddzielnie i dalej przetwarzać. Na końcu po prawej stronie znajduje się wizualizacja rozkładu orientacji włókien, jak opisano powyżej.

Dzięki tym informacjom można na przykład porównać wyniki z symulacji wtrysku. Ponadto można przeprowadzić symulacje mechaniczne z materiałami anizotropowymi, czyli zależnymi od kierunku.

Inne potencjały tomografii komputerowej

Za pomocą CT można badać również inne istotne zagadnienia w technice tworzyw sztucznych. Podobnie jak w przypadku analizy pęcherzyków i włókien, można również badać dodatki funkcjonalne, takie jak np. cząstki metalowe.

Dzięki bezdotykowej i bezinwazyjnej kontroli CT umożliwia trójwymiarowe pomiary konturów zewnętrznych oraz trudno dostępnych konturów wewnętrznych, kontrolę pozycji w zespołach oraz porównanie z modelem CAD. Na rysunku 5 pokazano koło zębate, którego istotne fragmenty zostały zmierzone.

W analizie uszkodzeń CT również odgrywa ważną rolę. Umożliwia wykrycie niejednorodności, takich jak wtręty, puste przestrzenie, pęknięcia czy zacieki. Dzięki szerokiej wiedzy w KUZ można opracować strategie usuwania tych usterek i poprawy procesów.