Drum prüfe, ob sich Kunststoff ewig bindet

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Einsatzmöglichkeiten der Terahertz-Spektroskopie zur zerstörungsfreien Prüfung von stoffschlüssigen Kunststoffverbindungen“ hat das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum (SKZ) in Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochfrequenztechnik (IHF) der Technischen Universität Braunschweig ein neues zerstörungsfreies Prüfverfahren für geschweißte und geklebte Kunststoffprodukte entwickelt. Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung einer Messmethode auf Basis der Terahertz(THz)-Zeitbereichsspektroskopie, mit welcher stoffschlüssige Kunststoffverbindungen umfassend und zuverlässig, zerstörungsfrei sowie berührungslos auf Qualität geprüft werden können.

Die in der Forschungsarbeit neu entwickelte Technik ermöglicht eine zerstörungsfreie Qualitätsprüfung von geschweißten und geklebten Kunststoffverbindungen hinsichtlich Verunreinigungen und Einschlüssen. Das Messsystem wurde im Rahmen des Projektes so erweitert, dass sich auch komplexe Bauteilgeometrien in einem rauen industriellen Umfeld untersuchen lassen.

Die THz-Technik ist besonders für die zerstörungsfreie Prüfung von Kunststoffen geeignet, da alle unpolaren und einige polare Polymere für THz-Wellen nahezu transparent sind. Dies erlaubt grundsätzlich den zerstörungsfreien und berührungslosen Nachweis von Einschlüssen und Fehlstellen, die andere THz-Eigenschaften wie optische Dicke oder Absorptionskoeffizient aufweisen, und eröffnet der Kunststoffindustrie ein enormes Potenzial.

Mit der Software des neuen THz-Systems ist eine bildgebende Darstellung der Messergebnisse möglich. Dabei können verschiedene Fehler wie etwa Sand-, Metall-, Luft- und Glasfasereinschlüsse in der Fügezone eindeutig erkannt werden. Die in die Fügeebene von zwei miteinander geschweißten Kunststoffplatten aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) eingebrachten Metalldrähte mit einem Durchmesser von 0,4 mm lassen sich mit den geeigneten THz-Parametern einzeln detektieren und im Rahmen der Wellenlängenbegrenzung gut auflösen. Auch bei geklebten Kunststoffen zeichnen sich Einschlüsse in der Fügefläche wie Glasfasern oder Luft kontrastreich ab. Klar zu erkennen sind lunkertypische Merkmale, wie zum Beispiel helles Inneres, umgeben von dunklen Rändern. Der im Projekt entwickelte Ansatz für industrietaugliche Systeme erkennt Defekte auch mit Information über deren Tiefe. Ein Algorithmus zur Analyse von Mehrschichtsystemen erlaubt darüber hinaus, Klebstoffschichtdicken zerstörungsfrei zu bestimmen.

Auch in der Medizintechnik sind für die THz-Technologie verschiedene Anwendungen denkbar, da Wasser im THz-Bereich absorbierend wirkt und aufgrund verschiedener Absorptionsverhalten von zum Beispiel organischen Gewebe Unterschiede festgestellt werden können. So könnte man die Wasserkonzentration beobachten und messen beziehungsweise verschiedene Gewebearten voneinander unterscheiden.

Mit herkömmlichen mechanischen Verfahren lassen sich heute zwar alle aufgeführten Fehlerarten zuverlässig erkennen, jedoch sind diese Methoden weder zerstörungsfrei noch berührungslos oder bildgebend. Auch der Zeitaufwand ist beträchtlich, da die mechanische Prüfung neben der Probekörperherstellung einen statistischen Stichprobenumfang erfordert. Die Ultraschallprüfung ist zwar zerstörungsfrei, erfordert jedoch einen manchmal schwer realisierbaren Kontakt zur Probe. Davon können sich CT- und THz-Prüfung eindeutig absetzen. Allerdings bedingt der Einsatz von Röntgenstrahlung ein hohes Maß an Sicherheitsvorkehrungen und hohe Investitionskosten.

Dr. Benjamin Baudrit, Dipl.-Ing. Eduard Kraus SKZ, Würzburg