Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET

Forschungsschwerpunkt

Material- und Schadensanalyse mittels Computertomographie und Elektronenmikroskopie

Warum hat ein Bauteil versagt? Liegt die Ursache des Problems im Herstellungsprozess? Wie lässt sich die Maßhaltigkeit oder Festigkeit eines Bauteils optimieren? Das finden wir für Sie heraus. Wir prüfen Werkstoffe und Bauteile zerstörungsfrei auf Qualitätsmerkmale und Schäden, die zum Beispiel durch unerwünschte Poren oder ungünstige Faserverteilung hervorgerufen werden. Das Untersuchungsangebot umfasst unter anderem die Digitalisierung und Vermessung von Bauteilen, Defekterkennung, Faseranalytik und in-situ-Untersuchungen mittels Computertomographie und Rasterelektronenmikroskop. Entscheidender Vorteil: Wir können in das Bauteil schauen, ohne es zu zerstören.

Computertomographie

© Foto Fraunhofer WKI | Florian Bittner

Computertomograph

© Foto Fraunhofer WKI | Florian Bittner

Wandstärkenanalyse an einem Kunststoff-Spritzgussbauteil

© Foto Fraunhofer WKI | Florian Bittner

Orientierungsanalyse eines langfaserverstärkten Kunststoffes

Die Computertomographie (CT) ist eine schnelle und zerstörungsfreie Methode zur Material- und Bauteiluntersuchung. Sie ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung der inneren und äußeren Struktur von Objekten mit einer Detailerkennbarkeit bis hinab in den Mikrometerbereich. Die CT-Analytik ist von großem Wert für die effiziente Neu- und Weiterentwicklung von Materialien und Produktionsprozessen. Anhand von Materialproben kann innerhalb von kurzer Zeit ermittelt werden, ob beispielsweise bei der Herstellung von Organoblechen eine gute Infiltration der Verstärkungsfasern mit der Kunststoffmatrix erfolgt ist und ob der Werkstoff Poren oder andere Fehlstellen enthält. Als Konsequenz können beispielweise Verarbeitungstemperaturen und -drücke angepasst werden oder unterschiedliche Matrixpolymere in ihrer Verarbeitbarkeit verglichen werden. Der Erfolg der Verfahrensadaption kann wiederum anhand von CT-Aufnahmen überprüft werden.

Da sich die CT weitgehend unabhängig vom Material einsetzen lässt, bietet sich über diese Beispiele hinaus ein nahezu unbegrenztes Anwendungsspektrum. Mit ihr lassen sich nicht nur klassische Materialien wie Kunststoffe, Holzwerkstoffe, Baustoffe oder Metalle untersuchen, sondern insbesondere auch Hybridwerkstoffe, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Bei Hybridbauteilen aus Faserverbundkunststoffen und Metall lässt sich beispielsweise neben der Faser-Matrix-Anbindung im Verbundwerkstoff auch die Grenzflächenqualität zwischen Kunststoff und Metall bewerten. Darüber hinaus ist die CT auch für geologische, biologische oder archäologische Proben geeignet.

Unser Computertomograph ist durch seine Ausstattung mit einer großen Messkammer, zwei Röntgenröhren und zwei Detektoren sehr flexibel einsetzbar. Einerseits können große Objekte bis zu einem Durchmesser von 500 mm erfasst werden, andererseits sind Auflösungen bis in den unteren Mikrometerbereich möglich.

 

Messprinzip

Die CT bedient sich der Eigenschaft von Röntgenstrahlung, Objekte zu durchdringen und dabei material- und weglängenabhängig abgeschwächt zu werden. Aus einer Reihe von 2D-Röntgenaufnahmen des Untersuchungsobjekts aus verschiedenen Aufnahmewinkeln, i. d. R. durch schrittweise Rotation des Prüfobjekts, wird die 3D-Volumendarstellung des Objektes computergestützt rekonstruiert. Das 3D-Volumen setzt sich aus einer großen Anzahl von sogenannten Voxeln – den 3-dimensionalen Analoga zu Pixeln – mit absorptionsspezifischen Grauwerten zusammen. Die Kantenlänge der Voxel bestimmt dabei die Detailerkennbarkeit der CT-Aufnahme. Die Messdauer beträgt messaufgabenabhängig zwischen einer halben und zwei Stunden.

Geometrieerfassung

Durch eine CT-Messung kann die Geometrie von Formteilen exakt erfasst werden. Dadurch können verschiedenste dimensionelle Messungen präzise durchgeführt werden, z. B. von:

  • ƒƒAbständen
  • ƒƒDurchmessern
  • ƒƒRadien
  • ƒƒWinkeln

Auch innenliegende Strukturen wie Hohlräume sind hierbei erfassbar. Weiterführend lassen sich die Wandstärken eines Bauteils automatisiert bestimmen, farblich kodieren und mit Soll-Wandstärken abgleichen. Der Soll/Ist-Vergleich ermög-licht den umfassenden Abgleich der CT-Volumendaten des Messobjekts mit einem Referenzobjekt. Hierbei kann es sich z. B. um ein CAD-Modell oder auch eine Referenzmessung handeln. Auch kann in umgekehrter Richtung aus einer CT-Messung ein 3D-Modell exportiert werden, z. B. für ein Reverse Engineering.

 

Poren-, Lunker- und Einschlussanalytik

Durch die Eigenschaft der CT, die innere Struktur des Werkstoffs darzustellen, können Defekte wie Risse, Lunker oder Poren nachgewiesen und quantifiziert werden. Dies umfasst die Bestimmung von:

  • ƒƒDefektvolumen
  • ƒƒPositionen der Defekte in der Probe
  • ƒƒGeometrischen Eigenschaften (Durchmesser, Volumen, Spherizität) der einzelnen Defekte

Analog lassen sich diese Auswertungsmöglichkeiten auch auf Einschlüsse wie Fremdpartikel oder Füllstoffe anwenden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Charakterisierung der Struktur von Schäumen.

 

Faseranalytik

In Faserverbundwerkstoffen können mittels CT die einzelnen Verstärkungsfasern aufgelöst werden. Dies eröffnet eine umfassende Charakterisierung der Werkstoffe hinsichtlich u.a.:

  • Faserlänge und -durchmesser, Verhältnis Länge/Durchmesser (aspect ratio)
  • Faserverteilung
  • Faservolumenanteil
  • Faserausrichtung

Darüber hinaus lassen sich morphologische Besonderheiten, z. B. die Oberflächenstruktur von Fasern, Faserondulationen oder die Gefäßstruktur in Holzfasern, erkennen.

 

In-situ-CT

Bei in-situ-CT-Untersuchungen wird nicht wie bei klassischen CT-Anwendungen nur ein stationärer Zustand eines Untersuchungsobjekts erfasst, sondern durch mehrere aufeinander folgende CT-Aufnahmen das Verhalten des Objekts dynamisch verfolgt, während es einer äußeren Belastung ausgesetzt ist. Es kann sich dabei z. B. um eine mechanische, thermische oder korrosive Belastung handeln.

 

Ausstattung

Das System Procon X-Ray CTAlphaDuo ist durch seine Ausstattung mit einer großen Messkammer, zwei Röntgenröhren und zwei Detektoren sehr flexibel einsetzbar. Einerseits können große Objekte bis zu einem Durchmesser von 500 mm erfasst werden, andererseits sind Auflösungen bis in den unteren Mikrometerbereich möglich. 

Eckdaten:

  • 240 kV-Mikrofokus- und 225 kV-High-power-Röntgenröhre
  • 4MP-Detektoren
  • Proben: Durchmesser max. 500 mm, Höhe max. 400 mm, Gewicht max. 25 kg
  • In-situ-stage für 4-Punkt-Biegeversuche
  • Z-Schacht für weitere In-situ-Aufbauten (z. B. Fluide, Druck usw.)

 

Max. Scanvolumen abhängig von Aufnahmemodus:

  • 500 mm Durchmesser, 250 mm Höhe
  • 250 mm Durchmesser, 400 mm Höhe
  • Minimale Voxelgröße: < 1 μm

Beispiele aus der Forschungspraxis

© Foto Fraunhofer WKI | Florian Bittner

Faservolumengehalt und Faserorientierung in einem holzfaserverstärkten Spritzgussbauteil

Verfahrensoptimierung faserverstärkter Spritzgussbauteile

Bei der Herstellung von holzfaserverstärkten Lesezeichen konnte durch die CT-Analyse eine strukturgerechte Orientierung der Verstärkungsfasern insbesondere in kritischen beanspruchten Bereichen nachgewiesen werden. Auch der angestrebte Faservolumenanteil wurde bestätigt.

Der in der CT-Analyse deutlich erkennbare Freistrahl (faserarmer Bereich ausgehend vom Anspritzpunkt) veranlasste eine Optimierung der Verfahrensparameter im Spritzgussprozess.

© Foto Fraunhofer WKI | Florian Bittner

Innere Struktur von Hybridorganoblechen vor und nach der Verfahrensoptimierung

Verfahrensoptimierung Hybridorganobleche

Bei der Herstellung von Organoblechen für Leichtbauanwendungen wird eine gute Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit der Kunststoffmatrix angestrebt, um möglichst gute Verbundeigenschaften zu erreichen.

Für ein am HOFZET entwickeltes Hybridorganoblech, das Carbon- und Naturfasern miteinander kombiniert, lieferte die CT die entscheidenden Bewertungsmerkmale, um den Herstellungsprozess für eine optimale Faser-Matrix-Anbindung beider Faserarten zu adaptieren.

Während in einem frühen Stadium der Verfahrensentwicklung zahlreiche Poren in der Matrix und zwischen einzelnen Faserbündeln bestanden, konnte durch eine Weiterentwicklung des Verarbeitungsverfahrens eine für beide Faserarten deutlich verbesserte Imprägnierung erreicht werden.

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Anbindungsqualität zwischen Aluminium und Organoblech in einem Hybridwerkstoff

Anbindung zwischen Aluminiumschaum und Organoblech

Im Rahmen des Kooperationsprojekts »FunTrog« ist ein Hybridwerkstoff entstanden, in welchem ein Aluminiumschaum mit einem Glasfaser-Organoblech kombiniert wurde.

Mittels CT konnten die einzelnen Bestandteile der Probe (Glasfasern, Kunststoffmatrix, Aluminium) simultan gemessen und hochauflösend dargestellt werden. Für die strukturell wichtige Grenzfläche zwischen der Polymermatrix und dem Aluminium zeigte sich in den CT-Aufnahmen eine formschlüssige Anbindung.

Elektronenmikroskopie und Elementanalyse

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REM-Aufnahme von Naturfasern an der Bruchfläche eines Verbundwerkstoffs

Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) kann mit nur geringem Präparationsaufwand die Oberflächenmorphologie von Proben in hoher Auflösung (bis in den Nanometerbereich) und mit hoher Schärfentiefe dargestellt werden. Anwendungsbeispiele sind Untersuchungen von Partikelgrößen und -morphologien, Faserstrukturen oder Bruchflächen.

In Kombination mit der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) ist eine ortsgenaue Analyse der elementaren Zusammensetzung von Proben, z. B. in Form von Linescans oder Mappings möglich.

Das Elektronenmikroskopie-Labor des Anwendungszentrums HOFZET wird im Verbund mit der Hochschule Hannover betrieben und verfügt über ein modernes Rasterelektronenmikroskop mit EDX-Detektor  und umfangreiche Ausstattung zur Probenvorbereitung (u. a. Mikrotom, Sputteranlage, Ionenätze). Das Elektronenmikroskop kann auch im ESEM-Modus unter verringertem Vakuum betrieben werden, wodurch die Untersuchung von Proben ermöglicht wird, die nicht hochvakuum-kompatibel sind.