Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozessnahe Bestimmung des Vernetzungs- und Aushärtegrades mittels optischer Verfahren (OptiXlink)

Durch das Vernetzen von Standardthermoplasten werden gezielt und kostengünstig deren mechanische, thermische und chemische Eigenschaften verbessert. Am häufigsten findet dieses Verfahren bei vernetztem Polyethylen (PE-X), z. B. für Rohre, aber auch bei Polyamid im Automobilbereich Anwendung. Außerdem steigt durch Zukunftstrends wie Leichtbau und E-Mobilität der Bedarf an Faserverbundkunststoffen (FVK) und Klebstoffen ebenfalls stetig. Die wichtigste Qualitätskennzahl für FVK bzw. Klebstoffe ist der Aushärtegrad bzw. im Falle von PE-X der Vernetzungsgrad. Die bis dato verwendeten (Norm-)Prüfmethoden für diese Eigenschaften liefern gute Ergebnisse, sind aber teilweise sehr zeitaufwändig, zerstörend und stichprobenartig. Von Seiten der Industrie und Forschung bestehen bereits seit längerem Bestrebungen, alternative Verfahren zur beschleunigten Vernetzungsgradprüfung einzusetzen. Einen vielversprechenden neuartigen Lösungsansatz zur prozessnahen, zerstörungsfreien und schnellen Vernetzungsgradbestimmung direkt an fertigen Bauteilen bieten optische Verfahren, wie die Transmissions-/Remissionsmessung mittels Ulbrichtkugel, die Streifenprojektion oder die kollimierte Transmission. Dabei wird das sich verändernde Streu- und Absorptionsverhalten von Kunststoffen beim Vernetzen bzw. Aushärten ausgenutzt. Basierend auf den Erkenntnissen der aktuellen Forschung und Vorversuchen soll die Nutzbarkeit dieser zerstörungsfreien, optischen Verfahren und deren Grenzen beim Einsatz zur prozessnahen Bestimmung von Vernetzungs-/Aushärtegrad systematisch evaluiert werden. Als Referenz dienen dafür verschiedene in der Praxis gängige Messverfahren.

Ziel ist es, der Industrie und insbesondere KMU mit dieser Technologie eine verbesserte Qualitätskontrolle und somit einen Wettbewerbsvorteil zu ermöglichen. Das Forschungsvorhaben kommt v. a. Anwendern und Herstellern von vernetzten Produkten sowie den Anbietern optischer Messsysteme zu Gute.

Ergebniszusammenfassung:

Die Ergebnisse der Untersuchungen mit Ulbrichtkugel und kollimierter Transmission an vernetztem Polyethylen (HDPE und UHMWPE) zeigen, dass sich die verschiedenen Materialien anhand ihrer Absorption und Streuung im visuellen bzw. nahinfraroten (NIR) Wellenlängenbereich gut unterscheiden lassen. Ebenso sind Rückschlüsse auf den Vernetzungsgrad möglich.

Des Weiteren kann die Aushärtung von Duroplasten bzw. Klebstoffen anhand der Absorption mit der Ulbrichtkugel überwacht werden. Darüber hinaus eignet sich die Raman-Spektroskopie sehr gut zur Überwachung des Aushärtezustands dieser Materialien. Durch die getrennte Erfassung Absorption und Streuung kann der Einfluss von Füllstoffen bewertet werden.

Um einen effizienten Ergebnistransfer zu ermöglichen, wurde ein Ulbrichtkugel-Demonstrator aufgebaut. Dieser eignet sich zur zerstörungsfreien Bestimmung des Vernetzungsgrades bzw. der Aushärtung und hat das Potenzial, als Atline-System zur prozessbegleitenden Qualitätssicherung eingesetzt zu werden. Die hierfür notwendige Weiterentwicklung kann zusammen mit interessierten Unternehmen (kmU) erfolgen.

Die ebenfalls betrachtete Streifenprojektion, welche sich prinzipiell für die Prozessüberwachung und Tiefenmessungen eignet, ist in ihrem aktuellen Entwicklungsstadium noch nicht robust genug. Hierzu sind weitere Forschungsarbeiten notwendig.

Die Potenziale und Weiterentwicklungsmöglichkeiten der absoluten optischen Spektroskopie (getrennte Messung von Absorption und Streuung) wurden aufgezeigt und legen den Grundstein für zukünftige Entwicklungsarbeiten. Die Nutzung der Ulbrichtkugel, kann auf das mittlere Infrarot ausgeweitet werden. Auch hier können im Vergleich zum NIR Kunststoffe mit unterschiedlichen Streu- und Absorptionseigenschaften ohne zusätzlichen Kalibrationsaufwand untersucht werden. Ebenso

lässt sich die getrennte Erfassung von Streuung und Absorption für die Raman-Spektroskopie umsetzen, welche sich besonders für Duroplaste eignet.