Browsing by Author "Predak, Sabine"
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Item Open Access Mikrowellen-Orientierungsmessungen zur zerstörungsfreien Charakterisierung kurzfaserverstärkter Kunststoffe(2007) Predak, Sabine; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Mikrowellen eignen sich in der zerstörungsfreien Prüfung zur Untersuchung dielektrischer Werkstoffe, in die sie eindringen können. Dabei haben sich besonders polarisierte Mikrowellen zur berührungslosen Messung von Werkstoffanisotropien bewährt. Sie sprechen auf den richtungsabhängig unterschiedlichen Brechungsindex im anisotropen Werkstoff an. Der Einsatz eines in Reflexion betriebenen Hohlleitersensors in Kombination mit einem offenen Resonator variabler Länge ermöglicht scannende Untersuchungen an Proben unterschiedlicher Dicke und ist damit flexibler als andere Mikrowellenmethoden zur Anisotropiemessung wie die Störkörpermethode für Hohlraumresonatoren. In der vorliegenden Arbeit wird die Mikrowellenmethode zur Untersuchung von Anisotropien in kurzfaserverstärkten Kunststoffen genutzt, die zahlreiche industrielle Anwendungen finden (z.B. im Fahrzeugbau). Kennt man die Anisotropie, so können Schwachstellen im Bauteil wie Bindenähte detektiert oder die Produktqualität beurteilt werden. Auch langfaserverstärkte Kunststoffe oder Holz sind so charakterisierbar. Der Einsatz des Mikrowellenverfahrens war erfolgreich bei der Bestimmung der Orientierungsrichtung, zeigte aber eine unzureichende Reproduzierbarkeit hinsichtlich des Anisotropiegrades. Deshalb wurden Verbesserungsmöglichkeiten der Reproduzierbarkeit untersucht, um die Methode praxistauglicher zu machen. Um eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erzielen, wurden Maßnahmen zur Optimierung der Justage ergriffen, was sich aber als nicht ausreichend erwies. Daher wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das Messsignal am Detektor systematisch untersucht. Variiert wurden dabei Resonatorlänge sowie Brechungsindex, Probendicke und Position der Probe im Resonator. Ein neuer, flexiblerer Messaufbau ermöglichte dabei eine bessere Einstellbarkeit dieser Größen, die nun über weitere Bereiche verändert werden können. Als wesentlicher störender Faktor in Bezug auf die Messung des Anisotropiegrades erwies sich dabei die Probenposition. Ein Schichtmodell des Messaufbaus, das qualitativ eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Abhängigkeiten ergab, zeigte, dass die stehende Welle im Resonator und damit auch das Detektorsignal von allen oben genannten Größen bestimmt wird. Wenn Messung und Ergebnisse des Schichtmodells auch nicht ausreichen, um den Brechungsindex der Probe exakt anzugeben, wird die Aussagefähigkeit über den Anisotropiegrad einer Probe und die Interpretierbarkeit von Messergebnissen doch erheblich verbessert. So gelang auch die Anpassung der Mikrowellenmethode zur Fasergehaltsmessung. Die Messergebnisse zeigten eine besondere Empfindlichkeit der Methode im Fall einer relativ kurzen Resonatorlänge, weshalb die Orientierungsrichtung bei Proben mit geringem Anisotropiegrad hier am zuverlässigsten bestimmt werden kann. Mit dem flexibleren Messaufbau ließ sich auch der Einsatz eines in der Frequenz verstimmbaren Sensors für die Anisotropiemessung erfolgreich testen, wegen seiner zu geringen Bandbreite wurde aber für die Anwendungen das herkömmliche Messprinzip der Längenanpassung des offenen Resonators beibehalten. In der Materialcharakterisierung hat sich die Mikrowellenmethode bei der Faserorientierungsmessung an kurzfaserverstärktem PUR-RRIM bewährt. Da die integral messende Mikrowellenmethode schneller ist als die bekannten Referenzverfahren, war eine systematische Untersuchung möglich, wie sich verschiedene Prozessparameter bei der Herstellung auf die Faserorientierungsverteilung im Endprodukt auswirken. Vergleichsmessungen mit Ultraschallverfahren und thermische Ausdehnungsmessungen bestätigten die Mikrowellenergebnisse, die dann als Eingangsdaten für den Vergleich mit Simulationsverfahren dienten. Dies ermöglichte die Kalibrierung von Simulationsergebnissen und die Optimierung des Herstellungsprozesses. Bei Faserorientierungsmessungen an kurzfaserverstärkten Thermoplasten wurden die Ergebnisse des Mikrowellenverfahrens mit Schliffbild- und Ultraschalluntersuchungen kombiniert. Die Kenntnis der integral oder tiefenaufgelöst mit unterschiedlicher lateraler Auflösung ermittelten Orientierungen ermöglicht die Vorhersage von Bauteileigenschaften. Neue praxisrelevante Anwendungen der Mikrowellenanisotropiemessung ergeben sich in der Schädigungscharakterisierung kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste. Es zeigte sich, dass Faser-Matrix-Ablösungen zu einem Anstieg der Mikrowellenanisotropie führen. Die Methode ermöglicht also neben der Schädigungsdetektion eine Aussage über die Schadensart. Der mit der Mikrowellenmethode bestimmte Anisotropiegrad des intakten Materials erlaubt die Vorhersage des Schädigungsablaufs und des Ortes des späteren Versagens. Zur Schädigungscharakterisierung dieser Werkstoffe hat es sich auch bewährt, verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren einzusetzen. Die gegenseitige Ergänzung mikroskopischer Methoden, Ultraschallmethoden und die Messung von Oberflächentemperatur und -dehnung während eines Zugversuchs ermöglichten ein umfassendes Verständnis des Schädigungsprozesses.