FASERN & COMPOSITE PAPIERWIRTSCHAFT 4.0 PRÜFUNG & ANALYTIK
» VERPACKUNGEN
UND KONFORMITÄT »DRUCK UND
FUNKTIONALE OBERFLÄCHEN » MATERIALPRÜFUNG
UND ANALYTIK
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COMPOSITE » INNOVATIVE
MESSTECHNIK
Faserbasierte Lösungen
für die Produkte von Morgen
P. Plew, J.-P. Majschak:
Bestimmung von inneren Spannungszuständen in nicht durchsichtigen, faserbasierten Nonwoven- Materialien
„THz - innere Spannungen„
PTS-Forschungsbericht 18/16
Papiertechnische Stiftung (PTS) Heßstraße 134
D - 80797 München www.ptspaper.de
Download-Information:
Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:
www.ptspaper.de/forschungsdatenbank
Ansprechpartner:
Dr. Patrick Plew Tel. (03529) 551-666 patrick.plew@ptspaper.de
Prof. Dr.-Ing. Jens-Peter Majschak Tel. (0351) 463 34746
jens-peter.majschak@tu-dresden.de Papiertechnische Stiftung PTS
Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37
01809 Heidenau
Technische Universität Dresden Institut für Naturstofftechnik
Professur Verarbeitungsmaschinen/ Verar- beitungstechnik
01062 Dresden
Das Forschungsvorhaben IGF 18452 BR der kooperierenden AiF- Forschungsvereinigungen PTS und INT wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemein- schaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.
Bestimmung von inneren Spannungszuständen in nicht durchsichtigen, faser- basierten Nonwoven-Materialien
P. Plew, J.-P. Majschak
Inhalt
1 Zusammenfassung 2
2 Abstract 3
3 Einleitung 5
3.1 Hintergrund 5
3.2 Ausgangssituation 6
3.3 Stand der Technik 6
4 Material und Methoden 7
4.1 Material 7
4.2 Papieranalytik 8
4.2.1 Normverfahren ... 8 4.2.2 Bildanalytische Offline-Formationsmessung ... 8 4.2.3 Beta-Formation ... 8
4.3 Regressionsanalyse und mathematische Modellierung 9
5 Entwicklung THz-Methode zur Messung von Faserorientierungen 9 6 Entwicklung von Ersatzversuche für Einzelbelastungen 13
7 Referenzmessungen 14
7.1 Referenzmethode für dynamische Prozesse 14
7.2 Referenzmessungen für Dicke 14
8 Mathamatische Bearbeitung und Darstellung 16
9 Entwicklung von Ersatzversuchen und zugehöriger Terahertz-Methode für
kombinierte Belastungszustände 17
10 Umformversuche und Vermessung 3D-Formteile mittels Terahertz- Methode 18 11 Evaluation Ersatzversuch für kombinierte Belastungszustände 19 12 Durchführung Ersatzversuch und Terahertz- Messungen und Korrelation zwischen
Messdaten aus Ersatz- und Umformversuchen 20
1 Zusammenfassung
Thema Bestimmung von inneren Spannungszuständen in nicht durchsichtigen, faserbasierten Nonwoven-Materialien
Ziel des
Projektes Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Messmethode (inkl. Prüfregimes) zur Evaluation von Spannungszuständen in faserbasierten Materialien, welche durch umformende Verarbeitungsverfahren verursacht werden. Hierfür sollten hinreichend aufgelöste Messdaten eines THz-Systems bezüglich der Material- dicke, Flächenmasse, sowie Faserorientierung mit konventionell erfassten Kraftmessgrößen während bzw. unmittelbar nach der Beanspruchung verknüpft werden. Aus der Verknüpfung von Kraftkenngrößen und THz-basierten Mess- daten sollten mathematische Modelle entstehen, die in Folge die Grundlage für Simulationsansätze darstellen und zur zweckentsprechenden Rezeptierung für die Umformung dienen sollen.
Messtechnische
Umsetzung Wichtigstes und zentrales Ergebnis des Projektes ist der Aufbau einer Mess- methodik zur simultanen Charakterisierung von Formteilen aus Tiefziehverfah- ren hinsichtlich Faserorientierung, Dicke, Flächenmasse und inneren Struktu- ren bei einer räumlichen Auflösung von 1 mm. Diese Daten können räumlich überlagert werden und zur Ableitung von Spannungszuständen als Vorausset- zung einer Modellierung dienen. Ebenso können nun zeitabhängige Verände- rungen dieser Materialeigenschaften während und nach dem Fertigen verfolgt werden.
Ersatzversuchsst rategien
Parallel dazu wurde eine Ersatzversuchs-Strategie zur Darstellung der Belas- tungssituation beim Tiefziehen von Fasermaterial bezüglich des Stempelverlaufs als Referenzgröße aufgebaut sowie ein Lösungsansatz zur Modellierung des Formänderungskraftverlaufs bezüglich des Stempelwegs aus den Daten der Ersatzversuchs-Strategie und Etablierung als Validierungsgröße erstellt.
Grundlage war an dieser Stelle ein Zugversuch als Referenz für gleichzeitige Messung der Faserorientierung und der Kraftkenngrößen während einer definier- ten mechanischen Belastung. Weiterhin wurde eine normfähige Prüfmethode zur Darstellung der komplexen Belastungssituation während der Faltenbildung unter biaxialer Zug-Druck-Beanspruchung in Blattebene und gleichzeitiger Kompressi- on orthogonal zur Blattebene entwickelt.
Resumee Die THz-Messung, speziell im zeitaufgelösten Modus, kann unter zusätzlicher Verwendung der Polarisationseigenschaften der THz-Pulse zu einer umfassen- den Bewertung von Rohpapieren und -kartons im Verhältnis zu daraus geform- ten Teilen beitragen. Vor dem Einsatz in einer Produktionsumgebung sind somit vor allen noch mechanisch-konstruktive Aufgaben umzusetzen. Für die offline- Vermessung von Mustern betrifft dies vor allem die weitere Erhöhung der Mess- geschwindigkeit um mindestens eine Größenordnung.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthem as für kleine und mittlere
Unternehmen (kmU)
Die Forschungsergebnisse können vorrangig in folgenden Bereichen genutzt werden:
1. für die Verarbeiter faserbasierten Materialien zu innovativen Leichtbau- und Verpackungsprodukten mit hoher Material- und Energieeffizienz 2. für Maschinen- und Anlagenbauer
3. für Messtechnikhersteller 4. für (Spezial-)Papierhersteller.
Aus den Ergebnissen des Projektes lassen sich für die Packstoffhersteller, also die Papier- und Kartonindustrie neue Produkte mit überlegener Eignung für den Tiefziehprozess generieren und die breiteren Anwendungspotenziale in der Verpackungsindustrie lassen einen entsprechenden Markt mit ausreichendem Produktionsvolumen erwarten.
2 Abstract
Theme Determination of internal stress states in non-transparent, fiber-based nonwoven materials
Project objective The aim of the project was the development of a measuring method (including a testing regime) for the evaluation of stress states in fiber-based materials, which are caused by reshaping processing methods. For this purpose, adequately measured data of a THz system should be linked to the material thickness, surface mass, as well as fiber orientation with conventionally recorded force measuring variables during or immediately after the stress. Mathematical models should be developed from force characteristics and THz-based measured data, which are the basis for simulation approaches and are intended to be used for the appropriate formulation for the reshaping.
Measurement technology implementation
The most important and central result of the project is the construction of a measuring methodology for the simultaneous characterization of moldings from deep drawing processes with regard to fiber orientation, thickness, surface mass and internal structures with a spatial resolution of 1 mm. These data can be spatially superimposed and serve as a prerequisite for a modeling for the deriva- tion of stress states. Likewise, time-dependent changes in these material proper- ties during and after manufacture can now be followed.
Stratgies for substitutional testing
At the same time, a substitute experiment strategy was developed to illustrate the loading situation during the thermoforming of the fibrous material with respect to the stamping process as a reference variable, as well as a solution approach for modeling the shape change force profile with respect to the stamping path from the data of the replacement experiment strategy and establishment as a valida- tion variable.
The basis was at this point a tensile test as a reference for the simultaneous measurement of the fiber orientation and the force characteristics during a defined mechanical load. Furthermore, a standard test method was developed to illustrate the complex stress situation during wrinkling under biaxial tensile compressive stress in the plane of the sheet and simultaneous compression orthogonal to the sheet plane.
Resume The THz measurement, especially in the time-resolved mode, can additionally contribute to a comprehensive assessment of base papers and cartons relative to parts formed therefrom, with the additional use of the polarization characteris- tics of the THz pulses. Prior to the use in a production environment, mechanical- constructive tasks must be implemented. For the offline measurement of pat- terns, this mainly affects the further increase in the measuring speed by at least one order of magnitude.
Economic relevance of this research subject for small and medium enter- prises (SME)
The research results can be used primarily in the following areas:
1. for the processors of fiber-based materials for innovative lightweight construction and packaging products with high material and energy efficiency
2. for machine and plant builders
3. for measurement equipment manufacturers 4. for (special) paper manufacturers.
From the results of the project, new products with superior suitability for the thermoforming process can be generated for packaging manufacturers, ie the paper and cardboard industry, and the broader application potentials in the packaging industry allow a corresponding market with a sufficient production volume to be expected.
3 Einleitung
3.1 Hintergrund Charakterisierun g faserbasierter Materialien mittels THz
Ende 2011 veröffentlichte die Philipps-Universität Marburg Ergebnisse zur Entwicklung von THz-Bauteilen auf der Basis von Papier [1]. Kern der Arbeit war die Aussage, dass Papier in Form eines definiert hohen Stapels mit Luftspalten in der Lage ist, die Polarisationsrichtung von Licht, speziell im Terahertz- Wellenlängenbereich zu verändern. Dabei wird direkt auf eine Veröffentlichung von 2006 Bezug genommen, die die Effekte und deren Ursachen (Anisotropien aus der Wachstumsrichtung von Holz und Faserorientierung im Papier) detailliert darlegt [2].
Da industriell hergestelltes Papier Anisotropien aufweist, konnte der Marburger Versuchsaufbau an der PTS in umgekehrter Weise benutzt werden, um aus der Drehung der Polarisationsebene von THz-Strahlung richtungsabhängige Para- meter von Papier abzuleiten. Diese Messungen wurden in Vorversuchen mit quadratzentimetergroßen Papieren durchgeführt. Theoretisch gibt es aber keinen Grund, warum diese Messungen nicht in Millimeter-Auflösung erfolgreich durchzuführen wären. Die dabei mögliche kontaktlose Messung und die Anbin- dung der Messköpfe über Glasfasern bieten im Zusammenspiel mit einer Positi- onierungseinheit die Voraussetzung für die Abtastung auch dreidimensional komplexer Formkörper aus Papier oder Verbundmaterial, so dass eine neue Möglichkeit für die Materialcharakterisierung erstellt werden kann.
Umformung von faserbasierten Materialien
Die Umformung naturfaserbasierter Materialien zu dreidimensionalen Gebilden ist eine besondere Herausforderung, zugleich aber Voraussetzung für die Herstellung von komplexen Formteilen für die Konsumgüterdistribution. Geringe Zugfestigkeit im Vergleich zu Metallen, hohe Bruchanfälligkeit, Delamination von Lagen, anisotropes Materialverhalten, Hygroskopizität und Inhomogenität sind typische Eigenschaften, die bei Beanspruchung von naturfaserbasierter Materia- lien mit mehrdimensionalen Spannungszuständen zu Defekten führen. Diese Spannungszustände sind bei der 3D-Umformung von Karton zu komplexen Formgeometrien, wie sie in vielen Anwendungen gefordert werden, zwangläufig.
In der Praxis hat das Ziehen als 3D-Umformvorgang aufgrund der komplexen physikalischen Zusammenhänge zunächst geringe Verbreitung erlangt und steht bisher etablierten Verfahren, wie dem Falten, Biegen und Wickeln in Kombinati- on mit separaten Klebevorgängen, gegenüber, welche bezüglich der geometri- schen Gestaltungsmöglichkeiten aber nur geringe Spielräume zulassen. Im Gegensatz hierzu ermöglichen Fasergussverfahren einen größeren Gestal- tungsspielraum, weisen allerdings eine deutlich ungünstigere Energiebilanz auf.
Die Entwicklung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung innerer Spannungen als Reaktion des Materials auf komplexe Belastungszustände durch das Verar- beitungsverfahren würde die Einsatzfähigkeit des Materials in Bezug auf das Verarbeitungsverfahren deutlich verbessern und potentiell neue Anwendungsfäl- le erschließen. Damit verbunden wären Möglichkeiten zur gezielten Anpassung der Materialzusammensetzung und -charakterisierung, wodurch sich auch die Prozessfähigkeit verbessern ließe, was insgesamt zu einer Erhöhung der Wertschöpfung führt.
3.2 Ausgangssituation Innere
Spannungen in isotropen Kunststoffen
Viele isotrope Materialien haben die Eigenschaft, unter mechanischer Beanspru- chung doppelbrechend zu werden und damit die Polarisationsebene einfallenden Lichtes zu drehen. Diese Beanspruchungen, die im Herstellungs- und Verarbei- tungsprozess entstehen, werden in den Formteilen meist eingefroren und beeinflussen deren Eigenschaften nachhaltig. Schwachstellen im Produkt werden meist in den Bereichen höherer Spannungszustände auftreten. Das Wissen um diese Schwachstellen bildet die Voraussetzung, Materialversagen zu verstehen, Herstellungsprozesse zu optimieren und die Produktqualität zu erhöhen.
Optisch durchsichtige Materialien, wie sie die meisten Kunststoffe darstellen, werden hinsichtlich ihrer Spannungszustände mittels polarisierten Lichts unter- sucht [3]. Die entstehenden Bilder bzw. Daten werden heute dazu benutzt, mittels mathematischer Methoden – meist Finite-Elemente-Methoden – Modelle zu erstellen, um diese auf virtuelle oder reale Körper anwenden zu können.
3.3 Stand der Technik THz-Technik -
Grundlagen Als Terahertz-Frequenzbereich wird die Region des elektromagnetischen Spektrums zwischen etwa 100 GHz und 10 THz bezeichnet. Terahertz-Wellen können demnach als sehr hochfrequente Mikrowellen oder äußerst langwellige Wärmestrahlung angesehen werden. Technisch zugänglich ist derzeit für den Endanwender ein Frequenzbereich von ca. 60 GHz bis maximal 3 THz mit einem ausgeprägten Intensitätsmaximum bei ca. einem Terahertz. Im Ver- gleich zum mittleren und Nahen Infrarot werden bei Terahertz-Wellenlängen nicht die Moden kovalenter Bindungen angeregt, sondern kollektive Schwin- gungen größerer Molekülgruppen oder ganzer Moleküle, vor allem von kristal- linen Substanzen. So sind aber auch die meisten Stoffe aus den Bereichen Papier und Kunststoff nahezu durchsichtig. Wasser hingegen absorbiert die Terahertz-Strahlung sehr gut und kann auf diese Weise einfach nachgewiesen werden.
Verarbeitungsver fahren
Bei Formfaserguss (z.B. Eierverpackung) wird die Faserstoffsuspension mit niedriger Stoffdichte in siebartige Formen gegossen, mechanisch mittels Vaku- um entwässert und schließlich getrocknet. Mittels Fasergusstechnik hergestellte Produkte weisen eine Reihe prozessbedingter und ökonomischer Nachteile und Einschränkungen auf. Aus diesen Gründen hat sich der Faserguss in der Ver- gangenheit nur in wenigen Anwendungen durchgesetzt [4].
Umformen durch Tiefziehen
Der Prozessablauf beim Ziehen von Fasermaterial ähnelt hingegen dem klassi- schen Tiefziehen. Der Tiefziehprozess von Metallblech ist wissenschaftlich durch die Fertigungstechnik und insbesondere durch die stete Forschung in der Automobilindustrie historisch weiter entwickelt und Gegenstand intensiver wissenschaftlicher Arbeiten [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].
Das Ziehen von Karton unterscheidet sich davon, da das Formteil durch eine Ziehbüchse hindurch gezogen und in einer Kalibrierbüchse nachgetrocknet werden kann. Zudem bildet die Faltenbildung durch Überschreiten des Formän- derungsvermögens in der Blattebene einen festen Verfahrensbestandteil und wird als Mittel für die Herstellung neuer Bindungen im umgeformten Zustand genutzt. Um diese Bindungen herzustellen wird mit Hilfe eines gezielten Spalt- maßes eine Komprimierung der Falten erzeugt, was gegenüber der Blechum- formung einen wesentlichen Unterschied im Verfahrensablauf und der Bean- spruchungssituation im Material darstellt. Als wesentliche Einflussparameter werden die Materialfeuchte, Umformtemperatur, Ziehspaltgeometrie bezüglich Einlaufradius und Stempelabrundung sowie die Beschaffenheit der Werkzeug- oberfläche benannt [12, 13, 14, 15, 16]. Durch den sich daraus ergebenden komplexen Verfahrensablauf hat der Prozess in der Praxis zunächst nur eine geringe Verbreitung erfahren. Neuere Untersuchungen zum Ziehen von Karton zeigen jedoch vielversprechende Ergebnisse. Im Rahmen der Forschungsarbei- ten [Fehler! Textmarke nicht definiert., Fehler! Textmarke nicht definiert., Fehler! Textmarke nicht definiert.] wurden zahlreiche relevante Prozesspara- meter mit Hilfe einer gemeinsam mit der Fa. Manz Automation Tübingen GmbH in [17] entwickelten hochflexiblen Versuchseinrichtung systematisch analysiert und optimiert. Es wurden Grenzen bei der Formteilherstellung besonders bezüg- lich der optischen Qualität und Formstabilität und damit auch ein deutlich erwei- tertes Anwendungspotenzial aufgezeigt.
4 Material und Methoden
4.1 Material Verwendete tiefziehfähige Kartons
Unter der Maßgabe, dass für eine sichere Messmethodenentwicklung und deren Test ein möglichst gleichmäßiges und in seiner Qualität gleichbleibendes Materi- al Verwendung finden sollte, wurde für die Hauptarbeiten auf zwei Kartonproduk- te zurückgegriffen, die gut charakterisiert und in hinreichender Menge vorhanden waren:
Trayforma 350
450 – 475 µm Dicke 340 – 350 g/m2 PTS-Karton 5.2
625 – 675 µm Dicke 420 – 430 g/m2
(höhere Ungleichmäßigkeit als Trayforma)
Darüber hinaus wurden Papiere und Kartons aus den vAW sowie eigenen Produktdatenbanken verwendet.
4.2 Papieranalytik 4.2.1 Normverfahren
Messverfahren Neben einigen spezifischen Messmethoden, die im Folgenden genannt bzw. den entsprechenden Kapiteln beigefügt sind wurden folgenden Norm-Messverfahren angewandt:
Parameter Messmethode
Flächenbezogene Masse DIN EN ISO 2286-2
Dicke DIN EN ISO 534
Zugversuch Papier DIN EN ISO 1924-2 Durchreißfestigkeit DIN EN ISO 1974
Biegesteifigkeit DIN 53121
Mitgeltend waren:
Probenahme Papier DIN EN ISO 186
Feuchtegehalt Papier ISO 287
Normklima DIN EN 20187
4.2.2 Bildanalytische Offline-Formationsmessung
Prinzip Papiermuster werden im Durchlicht gescannt und mit dem Bildverarbeitungs- und Bildanalysesystem DOMAS analysiert [18]. Grundlage ist die Erfassung der Schwankung der optischen Dichte im Papier durch partielle Lichttransmissions- messung. Die Auflösung liegt bei 150 µm. Bei diesem Verfahren wird ein Forma- tionsindex berechnet, der die Wolkigkeit und die Kontrastunterschiede vereint.
Verwendete Berechnungs- algorithmen
Zur Bewertung der optischen Formation im Durchlicht der Papiermuster stehen unterschiedliche Bewertungsmethoden zur Verfügung. Im Forschungsvorhaben wurde die Powerspektrumsanalyse verwendet. Diese beruht auf der Auswertung der Amplitudenquadrate des Frequenzspektrums eines Fast-Fourier-
transformierten Originalbildes.
4.2.3 Beta-Formation
Prinzip Der Beta-Formation-Tester der Firma AMBERTEC® bestimmt die Abweichung von der mittleren flächenbezogenen Masse mittels Beta-Strahlung bis zu einer flächenbezogenen Masse von 350 g/m2.
4.3 Regressionsanalyse und mathematische Modellierung Regressions-
modelle Im Forschungsvorhaben wurden lineare multivariable Regressionsmodelle verwendet. Liegt eine relativ geringe Anzahl von Datensätzen vor, liefern diese in der Regel gute Ergebnisse. Kollinearität im Input-Block sowie Ausreißer-Daten, die eine untypische Variabilität aufweisen, können die Modellkalibrierung jedoch negativ beeinflussen und die Prognosesicherheit der linearen Modelle herabset- zen.
Die mathematische Form von multivariablen linearen Regressionsmodellen ist gegeben durch
∑
=+ +
=
Kk
b
kx
kf b
y
1 0
,
y Output (zu modellierende Endprodukteigenschaft), xk (k = 1,...,K) Inputs (als Einflussgrößen), b0, b1,...,bK Regressionskoeffizienten, f als Kalibrierungsfeh- ler.
5 Entwicklung THz-Methode zur Messung von Faserorientierungen
Auswahl geeig- neter einfacher Referenzmuster
Es wurde eine Reihe an verschiedenen Materialien daraufhin untersucht, ob sie für die Methodenentwicklung oder auch die Kalibration/Justage des Mess- Systems geeignet sind. Dabei wurden überwiegend polymerbasierte flächige Muster verwendet (Woven, Nonwoven und Kunststoff-Folien). Diese wurden referenzanalytisch auf ihre Vorzugsrichtung hin untersucht.
Umrüstung des Labor-THz- Aufbaus
Der THz-Messplatz wurde unter Verwendung von Linear- und Rotationsachsen so umgerüstet, dass eine Materialprobe für eine Punktmessung um einen Winkel von bis zu 180° gedreht werden kann, wobei der Messpunkt auf einer Blende von 1 mm Durchmesser stabil gehalten werden kann. Um die THz-Messung und die mechanischen Aktionen zu entkoppeln wurden die Bewegungseinrichtungen komplett an der Einhausung des Messplatzes befestigt und der THz-Aufbau schwingungsgedämpft auf dem Boden des Labors befestigt. Unter Verwendung Kamera- und Lasertechnik wurde sichergestellt, dass die beiden unabhängigen Systeme optimal geometrisch aufeinander abgestimmt bleiben. Messungen zur Stabilität wurden durchgeführt.
Messdatener- fassung und Rekonstruktion
Die Messdatenerfassung wurde in der Weise betrieben, dass während der Bewegung der Probe um 180° ca. 300 THz-Einzelmessungen durchgeführt werden. Diese Messdaten werden in beiden Drehrichtungen kontinuierlich aufgezeichnet und später mittels Software-Tool so zusammengestellt, dass eine korrekte Abbildung der Daten möglich ist.
Messaufbau (Theorie)
Die Theorie zum Messaufbau geht von der Tatsache aus, dass die THz- Strahlung zu ca. 90 % in einem polarisierten Zustand vorliegt. Die Verwendung von Polarisationsfiltern ist hier somit nicht erforderlich. Die nachfolgenden Abbildung zeigt schematisch den Strahlengang mit den Brennpunkt, in dem die Probe (Papier) vermessen wird, und rechts den Ansatz, dass die
Übereinstimmung von Polarisationsrichtung und Faserorientierung die höchste Durchlässigkeit zulässt, sowie den entsprechenden andere Extrempunkt
Messaufbau (Praxis)
Der Messaufbau musste so gestaltet werden, dass eine Rotation der Probe von 180° bei gleichzeitiger Beibehaltung des Messpunktes möglich ist. Die
gewonnenen THz-Daten einer Liniemessung zeigt die folgende Abbildung.
Bei der untersuchten Probe (Büropapier, 80 g/m2) kommt es an den einzelnen Messpunkten zu Unterschieden im Signal, die z.T. deutlich unter 1 % des Signales liegen.
Software zur
Rekonstruktion Für erste Messungen zur Analyse des Messaufbaues wurden hochwertige gezogene (nicht
gegossene) Kunststofffolien verwendet. Diese liefern eine klare Zuordnung der Signale zur Vorzugsrichtung in der Folie. Die
nebenstehende Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus der Benutzeroberfläche und nennt Parameter, die zu korrekten Wiedergabe der Vorzugsrichtungen der Probe nötig sind.
Vergrößert dargestellt ergibt sich im Verhältnis von Probenbewegung (links) und Datenrekonstruktion (rechts) das folgende Bild.
Optimierungen im Aufbau Optimierung der Wahl der
Messposition am THz-Puls
Im Vergleich zu Probenmessungen wurde der Einfluss des Messaufbaues auf die Ergebnisse untersucht,
wobei sich keine Probe im Aufbau befand.
Erst eine nahezu komplette Überarbeitung des
Messaufbaues konnte die Einflüsse auf ein Minimum reduzieren, wie die
nebenstehenden Abbildungen verdeutlichen.
Ebenso wie der Aufbau wurde auch die Signalaufnahme optimiert. Dazu wurde eine Kunststoffprobe vermessen, deren Vorzugsrichtung sich auf der Messspur um 90°
sprunghaft drehte (durch Anneinanderreihung zweier Kunststoffteile). An dieser Probe
wurden Linienmessungen durchgeführt und dabei verschiendene Punkte am THz-Puls zur Auswertung herangezogen. Im Gegensatz zur Erwartung zeigte sich, dass die Ergebnisse bei einer Messung an der Pulsflanke deutlich besser ausfallen, wie am Maximum des Pulses.
Vergleichsmessu
ngen Die folgenden kleinen Bilder zeigen bei identischer Farbkodierung die Ergebnisse von Linienmessungen an verschiedenen Proben.
Im Gegensatz zu den orientierten Mustern links ist das Bild eines isotropen
2-D-Messungen Die Vermessung von 2-dimensionalen Proben wurde durch den Einbau einer weiteren Achse vorbereitet. Diese hat die Aufgabe, nach Ende einer
Zeilenmessung die Probe um ein bestimmtes Maß zur nächsten Zeile hin zu verschieben. Dieser Prozess konnte vorerst nicht mit einer automatisierten Achse umgestzt werden.
2-D-Darstellung Im beschriebenen Messaufbau wurden Messungen an größeren Proben unternommen. Dargestellt ist hier das Ergebnis zu einer 3 x 9 cm großen Papierprobe (60 g/m2). Die Auswertung erfolgte über Excel. Die
Maschinenlaufrichtung ist entlang der y-Achse, die Länge der Richtungsangabe wurde so normiert, dass die bildliche Darstellung nicht beeinträchtigt wird. Zu sehen sind im oberen Teil alle Messpunkte, in der mittleren Zeile der Mittelwert (sowohl der Richtung als auch der Intensität) entlang der Laufrichtung und im unteren Teil extrem intensive lokale Faserorientierungen.
Abb.: 3 x 6 cm Papier mit Faserorientierungen (oben: alle Messungen, mittig:
Mittelwerte, unten: extreme Orientierungen
Wie die Abbildung zeigt, wird auch bei diesem vergleichsweise dünnen Muster die Vorzugsorientierung gut wiedergegeben. Entlang der Querrichtung der Papierbahn sind Bereiche zu erkennen, in denen die Orientierung im Mittel relativ gering ausgeprägt ist und solche, die eine hohe Orientierung aufweisen.
THz-Aufbau Am Ende der Arbeiten stand sowohl die Technik als auch die weitgehend automatisierten Bediensoft- ware zur Messung der geplanten Basisparameter zur Verfügung.
Die mathematischen Lösungen wurden in diesem Arbeitspaket in einem einfachen Modus erarbeitet und sind Voraussetzung für 2D- und 3D-Messungen in den folgenden Arbeitspaketen.
6 Entwicklung von Ersatzversuche für Einzelbelastungen
Anpassung und Vorbereitung zur Kombination der Versuchsstände mit Terahertz- Komponenten
Es wurden Arbeiten unternommen, die es ermögli- chen, miniaturisierte Versuchsstände in den THz- Aufbau einzubinden. Dazu wurde der Probenraum erweitert, so dass Objekte von bis zu 20 cm Länge integrierbar und in der nötigen Weise bewegbar untergebracht werden können. Ein wesentlicher Nachteil ist dabei, dass keine Blende für den THz- Mess-Strahl eingebaut werden kann.
Um sicherzustellen, dass auch ohne Blende ein geeigneter Fokus erreicht werden kann, wurde der
THz-Strahl in seinem Fokus vermessen. Wie die nebenstehende Abbildung veranschaulicht, ist der THz-Strahl nicht breiter als 2 mm, wobei ein Großteil der Energie im Bereich von 1 mm2 auf eine Probe aufgebracht werden kann.
Zugversuch Bei Prüfung von Proben im entlasteten Zustand kann nur zuvor eingebrachte plastische Verformung gemessen werden. Bei den geringen Unterschieden der Faserorientierung bei maximalen rissfreien Dehnungswerten zwischen 2% in MD und 5% in CD stellt die Messbarkeit der Reorientierung der Fasern eine Heraus- forderung dar.
Abb.: Vereinfachter Zugversuch für eindimensionale
Belastung zur Integration in den THz-Aufbau
Flexibler
Versuchsstand Weiterhin wurde im Rahmen des Projekts die Inbetriebnahme de flexiblen
Versuchsstands zur Abbildung verschiedener Einzelbelastungen des Ziehprozesses durchgeführt. Der Versuchsstand zur Reibmessung ist in folgener Abbildung dargestellt.
Abb.: Flexibler Versuchsstand zur Abbildung prozessähnlicher Spannungszustände
7 Referenzmessungen
7.1 Referenzmethode für dynamische Prozesse Dehnfeldmessun
gen Als Vergleichsmessmethode wurde die Dehnfeldmessung mit aufgenommen. Sie ermöglicht die ortsaufgelöste Verfolgung von Verformungsprozessen anhand von Bildvergleichen. Sie kann wie folgte eingesetzt werden:
• Nutzung im Uni-axialen Zugversuch
• Aufzeichnung von Videodateien während der Versuche
• Einteilung der Probenfläche in Messpunktraster mit Messfeldgröße
• Erkennung der Papierstruktur im Bereich des Messpunkts
• Verfolgung der Struktur um den Messpunkt von Bild zu Bild mittels Kreuzkorrelation
• Berechnung lokaler Dehnung
Beispielhaft sind im Folgenden ein visuelles Bild und ein Dehnfeldbild während des Reißens dargestellt.
Neben der Auswertung einer Dehnfeldmessung
hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Effekte, wurden auch die gemittelten Effekte über die gesamte gedehnte Fläche hinweg untersucht.
7.2 Referenzmessungen für Dicke
THz-Dickenmessunge n
Die Dickenmessung im THz-Bereich erfolgt über die mathematische Auswertung der THz-Signale (Pulse), die mit und ohne innere Reflexion durch eine Probe verlaufen. Der durchaus minimale Zeitunterschied dieser Signale, wie auch die kurzzeitige Reduktion der Lichtgeschwindigkeit in den Papierproben können gemessen werden. Bei der Zusammenführung der physikalischen Prozesse folgt, dass die Lichtgeschwindigkeit innerhalb der Probe aus den Betrachtungen herausfallen kann. Die Bestimmung der Dicke ist somit materialunabhängig.
In einer Messung von verschiedensten Papier- und Faserspodukten konnte dies nachgewiesen werden. Die folgende Abbildung zeigt die Gegenüberstellung der Dickenbestimmung nach Norm (DIN EN ISO 534:2012-02) sowie das jeweilige THz-Ergebnis.
Zu erkennen ist die gute Übereinstimmung der
Messergebnisse im Bereich von 100 bis 600 µm. Signifikante Abweichung gibt es
erwartungsgemäß für Proben ohne glatte und planparallele
Oberflächen, wie
Papierhandtücher und Tissue- Material.
Einfluss Feuchte Die Papierfeuchte hat in vielen Messverfahren einen negativen Einfluss auf die Ergebnisse. Dieser beruht hauptsächlich auf den stark absorbierenden optischen Eigenschaften, den Einfluss auf die Quellung und der Veränderung der flächen- bezogenen Masse. Der Einfluss von Feuchtigkeit im THz-Bereich, vor allem in der gepulsten Anordnung ist dagegen gering, wie die nachfolgende Darstellung zeigt.
Dargestellt ist ein Maß für die Verschiebung des Pulses (normiert) gegen die Probenfeuchte. Der Zusammenhang ist offenbar quadratisch, wobei im Bereich kleiner Feuchten der Anstieg der Kurve am geringsten ist. Bei der zu erkennenden Streuung der Daten um die Ideallinie ist im Bereich unter 10 % Feuchte nahezu kein Zusammenhang nachweisbar.
An dieser Stelle muss angemerkt werden, dass bei einem Messfleck um 1 mm2 die Inhomogenitäten von Papieren einen erheblichen Einfluss auf die Zuordnung zu Feuchtewerten haben.
8 Mathematische Bearbeitung und Darstellung
Vergleichend
Untersuchungen Neben dem Winkel der Faserorientierung, der prinzipiell nur einen Wert innerhalb von +/- 90° annehmen kann, ist die Frage der Auswertung und Darstellung hinreichen untersucht bzw. augenfällig. Die Skalierung der Ausprägung der Orientierung, somit ihrer „Stärke“ wurde ebenso untersucht. Beispielhalt ist hier eine Gegenüberstellung von Messungen an 3 verschiedenen Mustern gezeigt.
Die Abbildung zeigt, dass die simple Darstellung der Orientierungen mit Richtung und Stärke nur eine Übersicht bieten kann. Für eine Normierung der Stärke der Orientierungen wurden Konzepte erstellt. Diese wurden allerdings innerhalb des Projektes nicht in die Auswertungssoftware einbezogen.
Zusammenführu ng von
Flächenmasse und Orientierung
Aufgrund des Messablaufes sind die Daten zur flächenbezogenen Masse bereits in den Messdaten der jeweiligen Ortsmessungen enthalten - als mittleres Niveau des THz-Messwertes innerhalb einer 180°-Drehung über dem jeweiligen Mess- punkt. Die Angabe der Flächenmasse ist somit primär eine Relativaussage und kann mit der Angabe der mittleren Flächenmasse und einem kompletten Refe- renz- und Probenpuls in Absolutaussagen umgewandelt werden.
Abb.: Prinzipskizze der Messwerterhebung für Winkel, Betrag der Orientierung
Darstellung und
Auswertung Die Art der Darstellung der Messwerte sowie von daraus abgeleiteten Parame- tern wurde deutlich erweitert. Für eine typische 25 x 85 mm Probe ergibt sich somit folgendes Bild.
Abb.: Primäre Auswertung von THz-Messungen. Oben: Rasterdarstellung mit relativer Flächenmasse, Faserorientierung (Winkel und Betrag), Unten:
Gegenüberstellung von Betrag und Winkel sowie Histogramme
Die Histogramme zeigen für Flächenmasse und Winkel in erster Näherung eine Normalverteilng. Die Beträge der Orientierung hingegen lassen sich mit einer Weibull-Verteilung am besten anpassen.
9 Entwicklung von Ersatzversuchen und zugehöriger Terahertz-Methode für kombinierte Belastungszustände
Entwicklung von Ersatzver- suchen
Um das Einlaufverhalten in die Ziehbüchse darstellen zu können, wurde ein Versuchsaufbau realisiert, bei dem der Karton zwischen zwei Druckplatten mit einer Normalkraft belastet wird und von einem Aktuator um einen Radius (zwi- schen 0° und 90°) gezogen wird. Dabei können Rückhaltekraft der unteren Druckplatte und die Zugkraft des Aktuators gemessen werden.
Zur Abbildung der Kompression des Materials in der Blattebene wurde der aus der Metallblechumformung bekannte Keilzugversuch adaptiert. Durch diesen Aufbau sollte die Einbringung der Kompressionskräfte in der Blattebene bei gleichzeitigem Aufbringen von Normalkräften dargestellt werden.
Abb.: Keilzugversuch zur Abbildung der Druckspannung in der Blattebene (links) und Stauchversuch unter Normallast (rechts)
Der adaptierte Keilzug erwies sich allerdings als unpraktikabel, da selbst bei sehr geringen Winkeln der Keile und niedrigen Normalkräften das Auftreten von Rissen nicht zu verhindern war. In einem weiteren Versuchsaufbau (siehe folgende Abbildung) wurden die Kompressionskräfte durch ein vom Aktuator bewegten Faltschwert eingebracht. Bei gleichzeitigem Aufbringen von
Normalkräften konnte eine Faltenbildung erreicht werden, die mit den Falten in der Zargen eines Ziehteils vergleichbar ist.
10 Umformversuche und Vermessung 3D-Formteile mittels Terahertz- Methode
3D-Formteile Es wurde eine Bechergeometrie ausgewählt, die für die Umformversuche genutzt werden soll. Diese soll einen hohen Umformgrad bei gleichzeitig ausrei- chender Probengröße für den Terahertz-
Messaufbau ermöglichen. Daher wurde unter Beachtung des auf 210 mm Durchmesser begrenzten Verarbeitungsraums ein Becher- durchmesser von 110 mm bei einer Becherhöhe von 50 mm gewählt. Entsprechende Werkzeuge wurden konstruiert und gefertigt.
Abb.: Beispielhaftes Bild eines Ziehteils mit opti- mierter Sichtbarkeit der Falten mittels Bildbearbeitung In Voruntersuchungen konnte ermittelt werden, dass die Faltenhalterkraft der Einflussparameter mit der größten Wirkung auf die Ausbildung der Falten ist. Da die Validierung der Messmethode und die Einschätzbarkeit der Erkennbarkeit von Falten (bzw. deren Auswirkung auf die Messung lokaler Faserausrichtung) bei den Messungen im Vordergrund stand, wurden auf die Untersuchung
anderer Einflussgrößen vorerst verzichtet.
Vermessung und
Datenablage Die Muster wurden im Hinblick auf die Messaufgabe untersucht und bewertet. Da aktuell weiterhin nur flächige und ebene Muster im THz-Aufbau untersucht werden können, wurden Arbeiten zu Probenvorbereitung unternommen. Diese wurden getrennt für den Probenbereich der Zarge und des Becherbodens durchgeführt.
Abbildung: Becherzarge (halber Umfang) im THz-Transmissionsbild. Im linken Bereich lag das Original-Material in CD-, im rechten Bereich in MD-Richtung vor.
11 Evaluation Ersatzversuch für kombinierte Belastungszustände
Durchgeführte
Arbeiten Die vom INT bereitgestellten Muster wurden hinsichtlich Faserorientierung und Flächenmasseverteilung hin untersucht. Die Auswertungsalgorithmen wurden angepasst und verbessert, so dass nun auch Absolutaussagen zur Faserorien- tierung möglich sind, die einen Vergleich unterschiedlicher Muster ermöglichen.
Die Faserorientierungsbilder (siehe Abbildung) beschreiben somit durch die Richtung der einzelnen Vektoren die Faservorzugsrichtung in einem 1 x 1 mm großen Bereich des Musters. Die Länge der Vektoren gibt eine bisher einheiten- lose Stärke der Ausprägung dieser Orientierung an. Diese Stärke korreliert u.a.
mit der Flächenmasse des Materials. Untersuchungen zu einer generellen Normierung sind vorgesehen.
Abbildung: Becherzarge (halber Umfang) im THz-Faserorientierungsbild. Im linken Bereich lag das Original-Material in CD- um rechten Bereich in MD- Richtung vor.
Stauchversuch Die von der PTS gemessenen lokalen Faserorientierungen und die an der TU Dresden hergestellten Muster wurden zur Validierung der Messungen verglichen.
Dabei konnte festgestellt werden, das makroskopische Veränderungen der Materialstruktur durch die Faltenbildung im Stauchversuch in der Terahertz- Messung zu deutlichen Abweichungen der gemessenen Faserausrichtung und Stärke der lokalen Orientierung führen. In der folgenden Abbildung ist die Cross- Direction (CD) durch einen Pfeil gekennzeichnet. Die Faserausrichtung des
Durch die Anisotropie des Materials, welche sich aus dem kontinuierlichen Herstellungsverfahren ergibt, kommt es bei der Umformung im Ziehprozess zu unterschiedlicher Ausbildung von Falten auf den verschiedenen Seiten des
Ziehteils. Durch Variation der Ausrich- tung der Proben im Stauchversuch können diese Effekte simuliert werden.
Wenn die Faserhauptrichtung parallel zur Richtung der Falten liegt, so wird der Faltenbildung ein geringerer Widerstand entgegengesetzt.
Abb.: Kompression mit Faltenbildung orthogonal zur Faserhauptrichtung.
Dies äußert sich in einer gleichmäßige- ren Faltenbildung und durchschnittlich kleineren Abständen zwischen den Falten. Dieses Verhalten ist auch in den beiden Abbildungen von Proben des Stauchversuchs erkennbar.
Abb.: Kompression mit Faltenbildung parallel zur Faserhauptausrichtung.
Evaluation des
Stauchversuchs Es lagen THz-Methoden vor, die weitgehend automatisiert Flächenmasse und Faserorientierung der bereitgestellten Tiefziehmuster bestimmen kann. Die Auflösung in x-y-Richtung beträgt dabei für Standard-Messungen 1 mm. Für ausgewählte Untersuchungen kann diese Auflösung bis auf 0,5 mm verringert werden. Dies kann aus jetziger Sicht als eine Untergrenze angesehen werden, da die mechanischen Komponenten in Summe hier an ihre Grenzen stoßen und der THz-Mess-Strahl nicht weiter fokussiert werden kann.
12 Durchführung Ersatzversuch und Terahertz- Messungen und Korrelation zwischen Messdaten aus Ersatz- und Umformversuchen
Stauchversuche Die farblich Kennzeichnung der lokalen Faserausrichtung erfolgte durch Einteilung in Quantile. Pfeile wurden grün eingefärbt, wenn die Länge eines Pfeils zu den kürzesten 30% gehörten, wenn also die lokale Ausrichtung deutlich unterdurchschnitlich war. Pfeile wurden rot eingefärbt, wenn sowohl die lokale Ausrichtung schwach war und zudem die Abweichung von der durchschnittlichen Ausrichtung groß war. Es ist zu erkennen, dass sich im Bereich der Faltenbildung eine starke Faserorietierung in der Terahertz-Messung ergibt. In Bereichen, in denen sich keine Falten gebildet haben, weicht die gemessene Orietierung stärker ab und zudem wird eine weniger ausgeprägte Orientierung
Abb.: Probe aus Stauchversuch in CD mit lokaler Faserorientierung
Dehnungsversu-
che (plastisch) In der folgenden Abbildung ist Ausbildung der Orientierung durch Faltenbildung noch stärker zu erkennen. Die ursprüngliche vorangige Faserausrichtung liegt in MD, also parallel zur Ausrichtung des Pfeils. In Bereichen ohne Falten ist die ursprüngliche vorrangige Ausrichtung und die geringe Stärker der Ausrichtung klar erkennbar. In den Bereichen mit Falten dagegen zeigt sich eine deutlich Abweichung.
Abb.: Probe aus Stauchversuch in MD mit lokaler Faserorientierung
Neben den Stauchversuchen wurde auch Proben mit einer Zwick-Zugprüfanlage definiert gedehnt. Es wurden in CD Dehnungen von 2% und 5% eingestellt, für MD wurden ungedehnte Referenzproben und Proben mit 2% Dehnung untersucht. In der folgenden Abbildung zeigt sich, dass eine zunehmende Dehnung vor allem zur Spreizung der durchschnittlichen Winkel führt, allerdings lässt sich eine Änderung der durchschnittlichen Faserausrichtung aus den Messdaten nicht ablesen.
Abb.: Durchschnittliche Faserrichtung in Abhängigkeit der plastischen Dehnung
Dehnungsversuc he (plastisch + elastisch)
Unter Verwendung des THz-Versuchstandes mit integriertem Dehnungsversuch wurden Messungen entlang einer eintelnen Linie von 20 mm unternommen.
Dabei wurden die Proben in CD und MD schrittweise gedehnt. Die Ergebisse wurden wie bekannt aufbereitet.
Die 5 Linienmessungen in CD sind im Folgenden aufgezeigt. Darunter findet sich eine Einzelanalyse des Entwicklung von Beträgen, Winkeln und der Winkel- Varianz.
Abb.: Orientierung, Faserausrichtung und Varianz der Faserausrichtung über der Zugkraft in CD
Trotz des zusätzlichen elastischen Anteils der Verformung, der eine größere Änderung von Orientierung und Faserausrichtung erwarten ließ, konnten keine klaren Trends oder statistisch signifikante Ergebnisse gemessen werden.
3D-Formteile In der folgenden Abbildung ist das Ergebnis der Terahertz-Messung über der Zargen eines Ziehteils dargestellt. Bei deutlicher Vergrößerung zeigte sich, dass sich Bereiche mit Falten deutlich durch eine Verstärkung der Orientierung und einer Ausrichtung der gemessenen Oriertierung in Richtung der Falten auszeichneten.
Abb.: Ziehteil mit Messung der lokalen Faserausrichtung
Wie schon bei der Messung von Proben aus dem Stauchversuch festgestellt, konnten makroskopische Strukturveränderungen mit der Terahertz-Messung sucher erkannt werden. In der folgenden Abbildung wurden vom Druchschnitt deutlich abweichende Messwerte für Orientierung und Faserausrichtung markiert. Die Lage und Ausrichtung von Falten im Ziehteil konnte so detektiert werden. Die Falten sind in der Abbildung vornehmlich senkrecht ausgerichtet.
Der obere Rand des Messbereichs zeigt den oberen Zargenrand, wo mehr Material in Falten gelegt worden ist. Folglich ist die Dichte und Anzahl an Falten im oberen Bereich des Messfelds größer.
Abb.: Kennzeichnung der Brereiche mit abweichenden Faserabweichungen und Orientierungen
Es wurden Analysen der Terahertz-Messungen an Ziehteilen und Ersatzversu- chen durchgeführt. Es konnte die Vermutung der Erkennbarkeit der Falten in den Zargen von Ziehteilen bestätigt werden. Somit konnte ermittelt werden, dass die Erkenntnisse aus den Ersatzversuchen auf die Messungen an Ziehtei- len übertragbar sind. Die Erkennbarkeit von Falten in Ziehteilen lässt darauf schließen, dass auch andere makroskopische Veränderungen im Material durch die Messmethode detektierbar sein könnten. Daraus ergeben sich verschiedene Ansätze zur Erweiterung des Einsatzspektrums der Messmethode für Qualitäts- kontrollen
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