Zerstörungsfreie Mikrostrukturanalyse für Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff

Faserorientierung beeinflusst Materialeigenschaften

Durch die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Fasern und der Kunststoffmatrix ändern sich – je nach Anordnung der Fasern in einer Probe – die Materialeigenschaften: Parallel liegende Fasern ergeben eine hohe Zugbelastbarkeit des Verbundes in Faserrichtung, während vollkommen zufällig orientierte (isotrope) Fasersysteme Verbundstoffe ergeben, deren mechanische Belastbarkeit richtungsunabhängig ist. Deshalb sind für das Bauteilverhalten faserverstärkter Kunststoffteile vor allem die lokale Volumendichte und die lokale Orientierung der Verstärkungsfasern entscheidend.

Eine räumliche Abbildung mit Mikro-Computertomografie liefert diese Information. Die tomografische Rekonstruktion erzeugt aus Projektionen 3D-Bilder, deren Grauwerte im Wesentlichen die lokale Röntgenabsorption widerspiegeln. Glasfasern erscheinen deshalb in einer Polymermatrix deutlich heller. Einzelne Fasern können im Dreidimensionalen nicht als Bildobjekte identifiziert werden, die Faserkomponente lässt sich aber gut von der Matrix trennen. Der lokale Faservolumengehalt ergibt sich aus der Anzahl von Faservoxeln zur Gesamtzahl der Voxel im untersuchten Bereich.

Algorithmen errechnen Vorzugsrichtung aus Grauwerten

Weiterentwickelte Bildverarbeitungs-Algorithmen werden aus den lokalen Grauwerten für jedes Voxel in der Faserkomponente eine Vorzugsrichtung im Raum berechnet. Daraus leiten wir den Orientierungstensor zweiten Ordnung ab. Für diese Analyse muss der Faserdurchmesser von 10-20 µm mit mindestens drei Voxeln aufgelöst werden. Deshalb mussten bisher kleine Proben mit Kantenlängen von wenigen Millimetern geschnitten werden, um sie im Kegelstrahl mit dieser hohen Auflösung abzubilden. Damit wird die Methode zu aufwändig für die Serienprüfung. Vor allem aber ist sie für große Bauteile nicht zerstörungsfrei und damit für die Qualitätsprüfung ungeeignet.

Bildbeispiele

Im Folgenden wurden drei Ausschnitte des langglasfaserverstärkten Trägers mittels Region-of-Interest-Mikro-Computertomografie abgebildet. Zu sehen sind die Volumenrenderings und virtuellen Schnitte. Farbig: Orientierungstensorkomponente in Fließrichtung.

»3d Volant« vermeidet Abbildungsartefakte und beschreibt Materialeigenschaften zutreffend

Mikro-Computertomografie bildet bei geeigneter Konfiguration des Tomografen auch kleine Probenausschnitte aus einem Bauteil räumlich ab, ohne diese tatsächlich auszuschneiden. Diese Tatsache ist schon lange bekannt, in der Praxis führten jedoch Abbildungsartefakte zu Qualitätseinbußen, die die quantitative Analyse der 3D-Bilder solcher »Regions-of-Interest« verhinderten.

Im MEF-Projekt »3d Volant« lösen wir gemeinsam mit der Projektgruppe »NanoCT-Systeme« des Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS dieses Problem. Erstmals konnten wir praxisrelevante Bauteile aus der Automobilindustrie mit Mikro-Computertomografie so gut räumlich abbilden, dass wir die resultierenden Volumenbilder besonders interessanter Bauteilbereiche quantitativ analysieren konnten. Durch die 3D-Bilder ist es möglich auch Simulationen des Fließverhaltens im ganzen Bauteil mit der tatsächlichen lokalen Mikrostruktur zu vergleichen.