Bestimmung der Faserorientierung in großvolumigen, kurzfaserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Computertomografie durch den Einsatz von Tracerfasern

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Daniel Leonhard von Kreutzbruck; Professor Dr.-Ing. Sven Simon
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Leichtbau, Textiltechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556215542

Die Festigkeit und Steifigkeit und somit die Leistungsfähigkeit von faserverstärkten Kunststoffen hängt signifikant von der Fasermorphologie (Faserorientierung, -länge und -volumen) ab. Ein etabliertes Verfahren zur Bestimmung der Fasermorphologie ist die Computertomografie (CT), die eine schnelle, hochaufgelöste und zerstörungsfreie 3D-Analyse der Fasermorphologie im gesamten Volumen des Prüfkörpers ermöglicht. Dies stellt einen großen Vorteil zur zerstörenden und aufwändigen Schliffbildanalyse dar, die nur in 2D-Schichten anwendbar ist. Neben diesen vielen Vorteilen der Computertomografie gegenüber dem Alternativverfahren hat die CT den Nachteil, dass typischerweise nur relativ kleine Bauteile im cm-Bereich zerstörungsfrei analysiert werden können, da die Auflösung der Fasern im CT von der Bauteilgröße abhängt und die Fasern in größeren Bauteile (oberhalb des cm-Bereichs) nicht mehr aufgelöst werden können. Eine weitere Auflösungserhöhung mittels Röntgen-Detektoren mit höherer Auflösung stößt an Grenzen, da für eine Auflösungsverdoppelung die Pixel-Fläche um den Faktor vier kleiner wird und das Rauschen dadurch in äquivalenter Weise zunimmt. Weiterhin sind die Möglichkeiten einer darüberhinausgehenden Auflösungserhöhung mit Detektoren mit höherer Auflösung jedoch auch technologisch begrenzt. Demgegenüber soll in diesem Vorhaben eine Verbesserung der maximalen Bauteilgröße, bei der die Fasern noch aufgelöst bzw. erkannt werden können, um mindestens eine Größenordnung (Faktor 10) erreicht werden. Dazu werden exemplarisch bei der Herstellung einiger Bauteile zu den Verstärkungsfasern ein geringer Anteil stark Röntgenstrahlungs- abschwächende Tracerfasern eingebracht, welche sich mechanisch und rheologisch nahezu identisch zur Verstärkungsfaser verhalten. Diese Tracerfasern schwächen Röntgenstrahlung stärker ab als konventionelle Verstärkungsfasern, wodurch diese im Gegensatz zu konventionellen Verstärkungsfasern auch in größerem Prüfvolumen detektiert und analysiert werden können. Durch das rheologisch und mechanisch ähnliche Verhalten von Verstärkungsfasern und Tracerfasern kann aus der Orientierung der detektierten Tracerfasern auf die Orientierung der umliegenden Verstärkungsfasern geschlossen werden. Die Auflösung bei der die Orientierung der Tracerfaser noch erkannt werden kann, soll mit den Methoden der künstlichen Intelligenz unter dem Einsatz neuronaler Netze signifikant erhöht werden. Neuronale Netze sind zur Segmentierung der Tracerfasern insbesondere bei starkem Rauschen, wie in der Computertomographie oftmals der Fall, gut geeignet. Diese Auflösungserhöhung auf Basis der künstlichen Intelligenz ermöglicht in Verbindung mit dem Konzept der Tracerfasern die oben genannte Steigerung der maximalen Bauteilgröße um eine Größenordnung bei der die Faserorientierung des gesamten Bauteils noch erkannt werden kann. Dies ermöglicht es bessere Bauteile durch eine angepasste Konstruktion sowie die Optimierung des Fertigungsprozesses herzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen