Inlinefähige, zerstörungsfreie Prüfung erhöht Prozesssicherheit bei Dichtmassen

Dichtmassen übernehmen in zahlreichen industriellen Anwendungen wichtige Funktionen. Sie werden zur Abdichtung von Fugen, zur Verbindung von Bauteilen, als Isolatoren oder zur Optimierung von Strömungseigenschaften eingesetzt. Die Qualitätssicherung stellt dabei nach wie vor eine Herausforderung dar: Häufig wird das Aushärteverhalten anhand separater Proben bewertet oder über konservative Sicherheitszuschläge bei Prozesszeiten abgesichert. Eine gezielte Detektion von Defekten findet kaum statt. Inlinefähige, zerstörungsfreie Prüfmethoden stehen bislang nur eingeschränkt zur Verfügung. Genau hier setzte das Forschungsprojekt „SteP-in“ vom Kunststoff-Zentrum SKZ, einem Mitglied der Zuse-Gemeinschaft, und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM an.

Ziel des Projekts war die Entwicklung von Verfahren, mit denen sich der Zustand von Dichtmassen direkt am Bauteil und während der Fertigung erfassen lässt. Dazu untersuchten die Forschungsinstitute drei vielversprechende Technologien: den luftgekoppelten Ultraschall zur Überwachung der Aushärtung, die optische Profilometrie zur Analyse von Schrumpfprozessen sowie die aktive Thermografie zur Erkennung von Fehlstellen in Dichtmassen. Ergänzend wurden Methoden zur intelligenten Datenauswertung und KI-basierte Modelle zur Bestimmung des Aushärtegrades entwickelt.

Die im Projekt durchgeführten Arbeiten mit luftgekoppeltem Ultraschall zeigten, dass Veränderungen in der Intensität und Laufzeit der Signale sowie deren Ableitungen wichtige Informationen über den Aushärtefortschritt liefern. Charakteristische Zeitpunkte der Aushärtung wie der sogenannte Gelpunkt, also der Übergang von flüssigen zu festen Materialeigenschaften, konnten reproduzierbar bestimmt werden. Gleichzeitig wurden Grenzen und weiterer Forschungsbedarf bei komplexen Fugengeometrien identifiziert.

Auch die berührungslose und inlinefähige Profilmessung von Dichtnähten liefert wichtige Informationen zum Schrumpfverhalten und zum Aushärtezustand. Dadurch lassen sich Wartezeiten während der Aushärtung verkürzen und zugleich die Qualität strömungsoptimierter Abdichtungen erhöhen. Die gemessenen Profile können mit klassischen Härtemessungen korreliert werden, um den Aushärtegrad mithilfe eines KI-Modells zuverlässig zu bestimmen. „Gegenüber bislang eingesetzten berührenden oder zerstörenden Messverfahren ist dies eine deutliche Verbesserung und ein wichtiger Schritt in Richtung automatisierter Fertigungssysteme“, sagt Christian Tornow, Wissenschaftler am Fraunhofer IFAM.

Mit der aktiven Thermografie konnten darüber hinaus Oberflächendefekte, Lufteinschlüsse oder Delaminationen erkannt und mit dem passenden Auswerteverfahren auch hinsichtlich ihrer Geometrie und Tiefe charakterisiert werden (s. Bild). Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen eröffnen sich damit neue Möglichkeiten zur Überwachung der Bauteilqualität.

„Mit den im Projekt entwickelten Messansätzen konnten wir wichtige Grundlagen für eine zukünftige inlinefähige Qualitätssicherung von Dichtmassen schaffen. Unternehmen können dadurch ihre Fertigung transparenter gestalten, Ausschuss reduzieren und Ressourcen effizienter einsetzen“, erklärt Daniel Hoffmann, Senior Scientist am SKZ. Durch die anwendungsnahe Ausrichtung des Projekts konnten wichtige Erkenntnisse für den späteren industriellen Einsatz gewonnen werden. Von den Ergebnissen profitieren zahlreiche Industriezweige, in denen Dichtmassen eingesetzt werden, darunter die Automobil-, Luftfahrt-, Bau-, Elektronik- und Energieindustrie. Aktuell sind die Forschungsinstitute auf der Suche nach Firmen, mit denen die entwickelten Prüfmethoden an konkreten Anwendungen erprobt und weiter optimiert werden können.

Das IGF-Forschungsvorhaben mit der Fördernummer 01IF23269N “SteP-in – Steigerung der Prozesssicherheit bei Applikation von Dichtmassen mittels inlinefähiger, zerstörungsfreier Prüfung” wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.