Das Kunststoff-Zentrum (SKZ) in Würzburg nimmt in der Entwicklung von neuen faserverstärkten Materialien eine führende Rolle für die Industrie ein. Dabei werden moderne Fertigungsverfahren und neue Technologien im Bereich der Mess- und Prüftechnik eingesetzt. Im Bereich Forschung und Entwicklung stehen für die Qualitätsanalyse von geschweißten Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPC) am Kunststoff-Zentrum zwei Exact Computertomographen des Herstellers Wenzel Volumetrik, Singen/Hohentwiel, bereit. WPC sind neuartige thermoplastisch verarbeitbare und verstärkte Werkstoffe, die aus unterschiedlichen Anteilen von Holz, Kunststoffen und Additiven bestehen. Diese finden häufig ihre Verwendung im Baugewerbe, aber auch in der Automobil- und Möbelindustrie. Dabei zeichnen sich diese Materialien durch ihre sehr gute dreidimensionale Formbarkeit aus.

Sie haben, verglichen mit traditionellen Holzwerkstoffen, eine höhere Feuchte- und UV-Resistenz und besitzen gegenüber unverstärkten Kunststoffen eine deutlich höhere Steifigkeit. Um verkaufsfähige Artikel, wie beispielsweise Fensterrahmen, Gehäuse, Endplatten, Verbindungselemente für den Küchenbereich oder Verkleidungen für die Automobilindustrie zu produzieren, müssen sehr häufig Fügeverfahren angewendet werden. Für diese neuartigen Materialien werden derzeit das Schweißen und das Kleben erprobt. Fehler in den Fügeflächen können allerdings Fügeverbindungen schnell zur Schwachstelle im WPC-Bauteil werden lassen und damit dessen Lebensdauer stark beeinträchtigen. Da in Deutschland sehr unterschiedliche WPC-Rezepturen eingesetzt werden, müssen die Schweißparamater beim Fügen des Materials
abhängig von der WPC-Zusammen-setzung optimiert werden. Auf diese Weise kann ein Zusammenhang zwischen Rezepturtypen, eingesetzten Schweißverfahren und resultierenden Nahtqualitäten hergestellt werden. Die Qualität einer WPC-Fügenaht lässt sich mit dem Verfahren der Computertomographie (CT) feststellen.

Vollständige und zerstörungsfreie Defektanalyse

Mit industriellen Computertomographen ist eine ganzheitliche Analyse durch eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion des Prüfobjektes möglich um kleinste innere Strukturen und Defekte zu analysieren, ohne dabei das Objekt zu zerstören.
Für den CT-Scan wird das Objekt im Computertomographen zwischen Röntgenquelle und Detektor platziert. Der Prüfkörper wird schrittweise um 360° gedreht. Nach jedem Schritt wird ein zweidimensionales Durchstrahlungsbild auf dem Detektor erzeugt.

Dabei handelt es sich um so genannte Projektionen. Aus den einzelnen zweidimensionalen Bildern wird im Anschluss ein dreidimensionales Volumenmodell rekonstruiert. Aus diesem Volumenmodell werden Oberflächendaten erzeugt, welche die Basis für alle folgenden Auswertungen darstellen. Mittels der CT-Daten kann die Qualität der Fügenähte von Holzfaser-Verbundwerkstoffen überprüft werden. Ausschlaggebende Kriterien sind dabei die räumliche Orientierung der Holzpartikel, Lunker, Einschlüsse und die Stoffschlüssigkeit der Naht. Aufgrund der unterschiedlichen Dichtegrade des Matrixmaterials und der Holzfasern, sind die Holzpartikel deutlich in der Kunststoffkomponente des WPC zu erkennen. Durch die visuelle Analyse solcher Schnittansichten ist es möglich auf die Qualität der Schweißnaht zu schließen. Dabei ist davon auszugehen, dass senkrecht zur Schweißnaht ausgerichtete Holzpartikel eine höhere Festigkeit der Schweißnaht bewirken. Wohingegen parallel zur Schweißnaht liegende Partikel auf eine weniger hohe Festigkeit der Verbindung schließen lassen.

Farbkodierung hilft beim Beurteilen der Defekte

In einem weiteren Analyseschritt wird die Schweißnaht hinsichtlich bestehender Defekte untersucht. Einschlüsse werden durch die Auswertesoftware automatisch erkannt und durch eine Farbkodierung verschiedenen Größenkategorien zugeordnet. Diese Methode ermöglicht eine vollständige und zerstörungsfreie Defektanalyse zur Beurteilung von Anzahl, Verteilung und Größe der vorhandenen Einschlüsse. Die Ergebnisse dieser Analyse dienen der Beurteilung der Qualität und Eignung der Kombination von dem verwendeten Holzfaserverbundwerkstoff und der Fügemethode.

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Über den Autor

Eduard Kraus ist in der Abteilung Fügen am SKZ in Würzburg tätig. e.kraus@skz.de Benjamin Baudrit ist Geschäftsfeldleiter Fügen von Kunststoffen am SKZ. b.baudrit@skz.de Svenja Schadek ist Produktmanagerin bei der Wenzel-Gruppe in Wiesthal. svenja.schadek