Einsatz von Fluoreszenzdotierungen zur hochpräzisen und dreidimensionalen Temperaturverteilungsmessung beim Kunststoffschweißen zur Verifizierung von Modellen und Simulationen
Messsysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Niedrige Farbstoffkonzentrationen führen dazu, dass die Intensität der Lumineszenz äußerst gering ist. Dies könnte dahingehend kompensiert werden, in dem entweder die Dotierkonzentration erhöht wird, was zu unerwünschten Änderungen der Materialeigenschaften (z. B. Farbänderung) führen kann, die Integrationszeiten signifikant verlängert werden müssen, was zu nicht praktikabel langen Messzeiten führt, oder die Anregungsleistung des Lasers erhöht wird. Letzteres hat jedoch zur Folge, dass die Fluoreszenzfarbstoffmoleküle vermehrt degradieren bzw. ausbleichen und so ihre Lumineszenzfähigkeit dauerhaft verlieren. Insbesondere in Kombination mit erhöhten Temperaturen nimmt der Effekt der Degradierung/Fotobleichung signifikant zu. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Transitivität des spektralen Filters stark nichtlinear und in den Grenzbereichen sehr gering ist (< 10 %). Dies hat zur Folge, dass die Integrationszeiten während einer Messung sehr lange gewählt werden müssen (einige Sekunden pro Frequenzschritt). Folglich dauert eine gesamte Messung über den relevanten Spektralbereich mehrere Minuten und ist für die angedachte Anwendung zur Temperaturmessung während des Schweißvorgangs nicht praktikabel. Teilweise könnte dies durch die Vergrößerung der Frequenzschritte kompensiert werden, was jedoch einen Verlust der Genauigkeit bei der Temperaturmessung zur Folge hat. Die Fluoreszenzfarbstoffe emittieren im sichtbaren Bereich, weshalb die Matrix im gleichen Spektralbereich transparent sein muss, um temperaturabhängige Lumineszenz aus dem Inneren der Probe äußerlich erfassen zu können. Folglich ist dieses Verfahren, wie im Antrag beschrieben, ausschließlich bei optisch transparenten Kunststoffen anwendbar. Hinzu kommt, dass aufgrund der Absorption der Farbstoffmoleküle die Eindringtiefe exponentiell abnimmt. Einerseits ist eine große Absorption notwendig um die Farbstoffmoleküle effizient anzuregen. Andererseits limitiert dies die Eindringtiefe des Anregungslasers und somit den praktischen Einsatz signifikant auf wenige Millimeter. Zusammenfassend kann konstatiert werden, dass im Rahmen des Forschungsvorhabens die prinzipielle Funktionsweise der volumenorientierten Temperaturmessung mit fluoreszierenden Farbstoffmolekülen demonstriert werden konnte, jedoch bleibt festzuhalten, dass die Messtechnik für die geplanten praktischen Anwendungen zur hochpräzisen Temperaturmessung beim Kunststoffschweißen nicht geeignet scheint. Jedoch hat sich während der ersten Projektphase bei zusätzlich durchgeführten Versuchen ein alternatives Anwendungsfeld für diese Art der Messtechnik ergeben. Ziel ist die Erfassung von Oberflächenverunreinigungen von Kunststoffen anhand des Fluoreszenzspektrums. Basierend auf der unterschiedlichen Fluoreszenz von sauberer und verunreinigter Oberfläche kann anhand des Spektrums nicht nur die Position erfasst, sondern teilweise auch eine stoffliche Analyse vorgenommen werden.
