Erforschung und Validierung einer neuartigen dynamisch mechanischen Messmethodik zur Bestimmung des Vernetzungsgrads von Kautschukhalbzeugen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459314224

Der Vernetzungsgrad von Elastomeren ist eine zentrale Qualitätsgröße in der Kautschukverarbeitung. Er hängt neben der Mischungsrezeptur primär von dem Temperaturverlauf des Materials während der Vulkanisation ab. Insbesondere bei der kontinuierlichen Vulkanisation zur Herstellung von Gummiprofilen und vulkanisierter Bahnenware ist es bislang nicht möglich, die Temperatur oder den Vernetzungsgrad des Vulkanisats inline zu messen. Das macht die kontinuierliche Vulkanisation zu einem „Black Box“ Prozess. Die Verarbeiter tragen das Risiko, unbemerkt Ausschuss zu produzieren, solange keine Qualitätskennwerte vorliegen.Die etablierten Verfahren zur Vernetzungsgradmessung basieren auf chemischen, kalorimetrischen oder mechanischen Ansätzen. Keines dieser Verfahren kann prozessintegriert und in Echtzeit umgesetzt werden, da die Messdauer zu lang oder die Messung nicht automatisierbar ist. Die akustische Resonanzfrequenz stellt einen mechanischen Kennwert dar, der mit dem Vernetzungsgrad von Kautschukhalbzeugen korreliert. Die Messung erfolgt berührungslos mit einem Laser-Vibrometer. Die Messdauer liegt unter einer Sekunde. Ein solches Messsystem kann somit grundsätzlich in eine Vulkanisationsstrecke zur Prozessüberwachung integriert werden. Im beantragten Forschungsvorhaben soll diese neue akustische Messmethodik entwickelt und validiert werden. Um eindeutige Rückschlüsse von den gemessenen Resonanzfrequenzen auf den Vernetzungsgrad zu ermöglichen, müssen die Effekte sämtlicher relevanter Einflussgrößen, wie z. B. die Materialtemperatur, auf das Körperschallverhalten quantifiziert werden. Dazu werden stabförmige Probekörper unter Variation der Dichte, des Weichmachergehalts, der Geometrie und des Vernetzungsgrads in einer Heizpresse hergestellt und ihre Resonanzfrequenzen bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Für diese grundlegenden Untersuchungen wird ein stationärer Körperschallprüfstand mit einer Temperierkammer verwendet, bei dem die Proben an einem elektrodynamischen Shaker zur definierten Anregung fixiert werden.Mit Verfahren des maschinellen Lernens sollen auf diesen Messdaten basierend die Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Prozesseinflüssen und der gemessenen Resonanzfrequenz bestimmt werden. Des Weiteren wird ein Regressionsmodell entwickelt, mit dem der Vernetzungsgrad im Anschluss an die akustische Messung berechnet werden kann.Am Ende wird die Eignung der neuen Messmethodik für die Überwachung des Vernetzungszustands bewertet. Dazu erfolgt ein Vergleich mit den etablierten mechanischen Messmethoden hinsichtlich ihrer Reproduzierbarkeit, Genauigkeit, Messgeschwindigkeit sowie eine Analyse der Grenzen des Messsystems.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen