Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Inline-Qualitätskontrolle der Oberflächenvorbehandlung von Kunststoffen mittels Thermografie

Es existiert bisher keine universell einsetzbare online- oder inlinefähige Qualitätskontrolle der Vorbehandlung und Oberflächenaktivierung von Kunststoffoberflächen, welche die behandelte Oberfläche nicht kontaminiert. Zwar existieren für einzelne Vorbehandlungsmethoden Qualitätskontrollen oder kostenintensive Offline-Charakterisierungsmöglichkeiten im Labor, jedoch werden diese Methoden industriell aus technischen und wirtschaftlichen Gründen nicht angewendet. Stattdessen werden bei Verdacht auf eine unzureichende Vorbehandlung oder Überbehandlung Bauteile aus Vorsorgegründen häufig entsorgt, was zu einem wirtschaftlichen Verlust führt.

Das Ziel des geplanten Vorhabens besteht darin, das Potenzial der passiven Thermografie als schnelles, kostengünstigeres, berührungsloses und zerstörungsfreies Inline-Messsystem zur Qualitätskontrolle bei Oberflächenvorbehandlungen von Kunststoffen zu untersuchen. Anhand Beflammen, Atmosphärendruckplasmaanwendung und Coronabehandlung sollen geeignete temperaturgeregelte Prozessfenster definiert werden. Dadurch soll die Detektion von Unterbehandlungen, Überbehandlungen in Verbindung mit niedermolekularen, adhäsionsmindernden Zersetzungsprodukten bzw. Prozessunterbrechungen ermöglicht werden. Am Beispiel von praxisrelevanten Klebungen (z. B. Polypropylen bei weißer Ware im Haushaltsbereich) soll der Einsatz der passiven Thermografie als Qualitätskontrolle abschließend etabliert werden.

Die nach einer Oberflächenvorbehandlung stehenden Fertigungsprozessschritte wie das Verkleben, Bedrucken, Lackieren, Laminieren, Beschichten und Färben erfolgen meist am Ende der Fertigungskette und gehören zum Großteil der mittelständischen Industrie. Steigende Bedeutung von Qualitätssicherungssystemen und sinkende Preise bei Wärmebildkameras steigern weiterhin das Interesse bei KMU‘s. Es soll letztendlich ein weiterer Schritt in Richtung 100 % Kontrolle durch zerstörungsfreie Prozessüberwachung gegangen und der Automatisierungsgrad erhöht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen der Untersuchungen wurden Oberflächenlinienvorbehandlungen mittels Atmosphärendruckplasmajets,

Coronajets, Beflammen und kaltaktiven Plasmajets auf den Kunststoffsubstraten Polypropylen (PP), Polypropylencompound (PPc), Polyethylen (PE) und Polyamid 6 (PA) durch eine thermische Kamera begleitet. Hierzu wurde ein automatisierter Oberflächenvorbehandlungsstand gebaut, welcher einen schnellen Wechsel der Behandlungssysteme, verschiedene Kamerapositionierungen sowie definierte Behandlungsprozessparameter ermöglicht und auch für zukünftige Versuche und Vorführungen im SKZ-Technikum zur Verfügung steht.

Je nach Behandlungsverfahren wurden Auswertemethodiken entwickelt, um verschiedene Behandlungsintensitäten und damit auch potenzielle Unter- sowie Überbehandlungen thermografisch nachzuweisen. Neben den thermischen Aufnahmen wurden die aktivierten Oberflächen mittels Referenzcharakterisierungen und Klebfestigkeiten untersucht. Dabei zeigte sich bei Kontaktwinkelmessungen und der Auswertung nach verschiedenen

Modellen, dass der Ansatz des modifizierten Acididätsparameters nach Berger bei den verschiedenen Behandlungsverfahren im Vergleich zur Oberflächenenergie nach OWRK oder vOCG keinen Mehrwert liefert und Überbehandlungen erst bei relativ starken Behandlungsintensitäten detektiert, bei welchen auch optisch bereits eine Unterscheidung möglich ist. Klebfestigkeiten der Zentrifugalprüftechnik waren gegenüber Kontaktwinkelmessungen zudem sensitiver hinsichtlich Überbehandlungen. Wesentliches Kriterium zur Nutzung der Thermografie als QS-Methode für die Oberflächenbehandlungen stellt somit eine geeignete Referenzierung dar. Die Definition einer substratabhängigen, aber allgemein gültigen Oberflächendifferenztemperatur je nach Kunststofftyp war nicht möglich. Es wurde abschließend eine Mess- und Auswertesoftware für Oberflächenvorbehandlungen programmiert, in welche die bisherigen Ergebnisse eingeflossen sind und eine Live-Auswertung möglich ist.