Entwicklung eines Luftultraschall-Messverfahrens zur Qualitätssicherung bei der Produktion von PUR-Verbundbauteilen
Final Report Abstract
Strukturintegrierte Isolationsbauteile auf Basis von Polyurethanschaum sind leicht, robust, günstig und deshalb als Wärmedämmelemente weit verbreitet. Stand der Technik zur Charakterisierung von PUR-Verbundbauteilen waren bisher Messmethoden, die ausschließlich offline, d. h. außerhalb der zur Herstellung von PUR-Verbundbauteilen genutzten Doppelbandanlagen, eingesetzt werden. Mangels Möglichkeiten der Prozessüberwachung in der Produktion und zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) des fertigen Bauteils kommt es zu teuren Sanierungen aufgrund fehlerhafter Bauteile. Zudem ließen sich die Produktionskosten bei geeigneter Prozesskontrolle reduzieren. Im geförderten Projekt sollte daher als Lösung eine Messmethodik entwickelt und genutzt werden, um ein Prozess-Monitoring bereits während der Herstellung solcher Verbundbauteile zu gewährleisten und die Produktqualität vorherzusagen. Der im Projekt entwickelte Sensor, der auf der luftgekoppelten Lambwellenmethodik beruht, wurde in Vorversuchen an offenen Blechen erprobt und soweit möglich miniaturisiert, um eine spätere Integration des Messverfahrens zu vereinfachen. In einem Kompromiss zwischen den Anforderungen an eine zerstörende Prüfung nach DIN 53292 und den Möglichkeiten für die Luftultraschallmessung wurden die Anforderungen an den Probekörper spezifiziert sowie eine Schäumzelle entwickelt und konstruiert. Mit dieser Zelle ist im Labormaßstab die Herstellung von PUR-Verbundbauteilen bei gleichzeitigem Prozess-Monitoring mittels Luftultraschall möglich. Darüber hinaus wurde auch die Zugprüfung an den Probekörper angepasst und eine entsprechende Prüfvorrichtung entwickelt. Nach Entwicklung und Integration der Messtechnik sowie der Prüfstände erfolgten systematische Untersuchungen zur Haftungsqualität von PUR-Verbundbauteilen. Hierfür wurden als Substrat mit Lack beschichtete Stahlbleche und ein wassergetriebenes PUR-System eingesetzt. Es wurden systematisch das Polyol-Isocyanat-Verhältnis variiert sowie zusätzliches Wasser als Treibmittel zugemischt. Die Anwendung des in dem Projekt entwickelten Luftultraschallverfahrens zur zerstörungsfreien Prozessanalyse von PUR-Verbundbauteilen hat gezeigt, dass Ultraschall durchaus einige Voraussetzungen für ein Prozess-Monitoring des Schäumvorgangs mitbringt. Allerdings ist beim heutigen Stand der Technik keine spezifische Deutung des Signalverlaufs möglich. Der Schäumprozess von Polyurethanen ist deutlich komplexer als bisher bekannt und war mit gängigen Messmethoden nicht vollständig erfassbar. Die hier erprobte neue Messmethode ließ allerdings noch keine Vorhersagen aus dem Ultraschallsignal auf die Produktqualität (Haftfestigkeit) von PUR-Verbundbauteilen zu. Eine direkte wirtschaftliche Verwertbarkeit der Ergebnisse ist daher nicht gegeben. Es bedarf weiterer Grundlagenforschung, um die Komplexität des Schäumprozesses und der Schaumdynamik vollständig verstehen zu können.
Publications
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Werkstoffcharakterisierung und Prozessverfolgung mit luftgekoppelten Platten- und Oberflächenwellen, 21. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 2009
Döring, D.; Solodov, I.; Busse, G.
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Air-Coupled Ultrasonic Lamb Waves for Process Monitoring, ECNDT 2010, Moskau, 2010
Döring, D.; Siegmund, F.; Rheinfurth, M.; Solodov, I.; Busse, G.; Haber-Stroh, E.
