INDUSTRIELLE AUTOMATION 6/2020

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Im Blick nik im Rahmen ihrer Untersuchungen u. a. das reine Epoxidharzsystem. Zur Modellvalidierung dienen ihnen Temperaturmessungen an Epoxidharzproben der Aushärtung. Dazu setzen sie eine Wärmebildkamera Vario- Cam HD research 800 mit einem 60-mm- Teleobjektiv von Infratec ein. Gesteuert wird die Kamera über die Thermografiesoftware IRBis 3 (Infratec). Berührungsfreie Messung auf der ganzen Probenoberfläche Häufig wird die Aushärtung von Epoxidharzsystemen durch eine berührende Temperaturmessung überwacht. Dabei können zwar Temperaturen im Bauteilinneren durch Thermoelemente aufgenommen, jedoch lediglich lokal bestimmt werden. Zudem weisen solche Methoden stets Einflüsse auf das Messobjekt auf. Thermografiesysteme messen hingegen rückwirkungsfrei und liefern detaillierte Oberflächentemperaturen. Dadurch eignen sie sich hervorragend zur Modellvalidierung von heiß aushärtenden Epoxidharzproben. Wissenschaft: TU Clausthal untersucht das Aushärtverhalten von Epoxidharz mithilfe thermografischer Verfahren Epoxidharz wird in zahlreichen Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Es wird meist in fließfähigem Zustand verarbeitet, seine Steifigkeit erhält das Material erst im anschließenden Aushärteprozess. Diesen Prozess kennzeichnet eine exotherme, chemische Reaktion mit ausgeprägter Temperaturabhängigkeit. Um die Temperatur zu überwachen, setzen die Wissenschaftler an der TU Clausthal auf eine Wärmebildkamera und Thermographiesoftware von Infratec. Während der Aushärtung wird ein Polymer mit einer stark vernetzten Struktur gebildet – auch Duromer genannt. Polymere weisen im Allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Gerade bei dickwandigen Bauteilen führen diese Eigenschaften zu einer inhomogenen Temperaturverteilung mit Hotspots. Dies birgt die Gefahr, dass sich die Materialeigenschaften der Polymere verschlechtern, beispielsweise sinkt ihre Festigkeit, steigt ihre Porosität oder sie sind sogar entflammbar. Darüber hinaus geht die vernetzende Aushärtereaktion von Epoxidharzen mit einem Volumenschwund des Materials einher. Diese können teils starke mechanische Eigenspannungen im Material hervorrufen, welche bereits vor dem eigentlichen Belasten zum Versagen des Bauteils führen können. Eine genaue numerische Vorhersage der Temperaturentwicklung in Bauteilen ist essenziell, um geeignete Temperaturführungen im Herstellungsprozess von Faserverbundbauteilen zu entwickeln. Prozess- und Bauteilverhalten fundiert vorhersagen Das Institut für Technische Mechanik der TU Clausthal entwickelt mathematische Modelle auf Grundlage experimenteller Untersuchungen. Diese Materialmodelle geben das mechanische, thermische und in diesem Fall auch chemische Verhalten des Polymers wieder. Implementiert in eine Finite-Elemente-Software, ermöglichen sie die Vorhersage des Prozess- oder Bauteilverhaltens. Vor dem Hintergrund der Herausforderungen an die Prozessführung bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen betrachten Dipl.-Ing. Chris Leistner und seine Kollegen am Institut für Technische Mecha- Freie optische Zugänglichkeit zur Temperaturmessung erforderlich „Für diese Anwendung haben wir einen speziellen Versuchsaufbau entwickelt“, sagt Leistner. „Zusätzlich müssen die Geometrie und die Randbedingungen des Experiments möglichst exakt vorgegeben werden.“ Die Wissenschaftler nutzen einen zylindrischen Probenbehälter aus Aluminium als Kavität, der mit einem zuvor angemischten Epoxidharzsystem befüllt wird. Die für die Aushärtung nötige Wärme wird über die äußeren Flächen des Aluminiumbehälters zugeführt. Um an diesen Flächen eine möglichst konstante Temperatur zu gewährleisten, wird der Probenbehälter in einen auf eine feste Temperatur vorgeheizten Aluminiumblock eingelassen, der als Wärmespeicher dient. An den Kontaktflächen aufgebrachte Wärmeleitpaste senkt den thermischen Kontaktwiderstand zwischen beiden Medien. Das Thermografiesystem ist mit Hilfe eines Stativs rechtwinklig zur Oberfläche der Epoxidharzprobe ausgerichtet. Die Messung der Oberflächentemperatur erfordert die freie optische Zugänglichkeit. Somit liegen Konvektion und Wärmestrahlung als Randbedingung der Oberfläche vor. Bevor die Forscher mit der thermo grafischen Temperaturmessung beginnen, möchten sie den Emissionsgrad der Oberfläche kennen. Der ist jedoch unbekannt, da er vom Aushärtezustand des Harzes abhängen kann. „Folglich wäre die Bestimmung des Emissionsgrades sehr aufwendig“, sagt Leistner. „Stattdessen bringen wir eine sehr dünne Schicht einer bis etwa 200 °C beständigen Polymerfolie mit bekanntem Emissi- 42 INDUSTRIELLE AUTOMATION 06/2020 www.industrielle-automation.net

Die Wärembildkamera erlaubt die berührungslose Bestimmung des Wärmeübergangs durch die Ermittlung des thermischen Verhaltens des Messobjektes; das Beispiel zeigt die Aufnahme eines Plattenwärmeübetragers onsgrad auf die zunächst flüssige Epoxidharzprobe auf. Auf dem Epo-xidharzsystem schwimmend, dient die Folie als Trägermaterial für den Tetenal-Kamera lack. Dieser ist von Infratec mit einem Emissionsgrad von 0,96 im Spektralbereich von acht bis 14 μm bestimmt worden und bis etwa 200 °C einsetzbar.“ Die so vorbereitete Probe wird zum Beginn der Messung in den auf 100 °C temperierten Aluminiumblock eingesetzt. Jetzt kommen die Wärmebild kamera und die Thermografiesoftware von Infratec zum Einsatz. Anhand von Temperatur- Zeit-Verläufen lassen sich die Messungen, die im Kalibrierbereich von - 40 bis + 120 °C bei einer Aufnahmefrequenz von 1 Hz stattfinden, detailliert verfolgen. Thermografische Methode löst das Rätsel Aufgrund der Geometrie der Kavität und der Randbedingungen erwartet Leistner eine nahezu rotationssymmetrische Temperaturverteilung über den gesamten Versuch. Erste Oberfläche spüren sie innerhalb des kurzen Zeitbereichs, in dem das Epoxidharzsystem noch gering viskos ist, konvektive Strömungen in der Probe auf. Diese Strömungen wären in punktuellen Temperaturmessungen durch Thermoelemente nur schwer zu erkennen. Die einsetzende exotherme Reaktion lässt die Temperatur beschleunigt ansteigen, sodass nach ca. 1 000 s die Maximaltemperatur der Probe erreicht ist. Anschließend kühlt die Probe wieder ab und erreicht einen stationären Zustand. Wärmebildkamera gibt tiefe Einblicke in die Thermodynamik Thermografie erlaubt detaillierte Einblicke in das Temperaturverhalten aushärtender Epoxidharzproben HYGIENIC DESIGN. DER PMS AUS EDEL- STAHL. PMS Ergebnisse widersprechen dieser Annahme. Schnell steht auch die Ursache dafür fest: Um die Proben später aus der Kavität entfernen zu können, wird zunächst ein Trennmittel verwendet. Die Wärmebilder zeigen, dass sich die Probe aufgrund von Schwund von der Behälterwand ablöst und kein gleichmäßiger Wärmeübergang über die Wandung möglich ist. Ohne den Einsatz von Trennmittel an den Behälterinnenflächen weist die Temperaturverteilung dagegen eine deutlich ausgeprägtere Rotationssymmetrie auf. Im Rahmen ihrer Analysen erwärmen die Forscher die zylindrische Epoxidharzprobe initial, ausgehend von den äußeren Flächen. Durch die thermografische Temperaturmessung mit der Wärmebildkamera auf der Mit ihren bisherigen Arbeiten haben die Forscher der TU Clausthal bereits jetzt wichtige Grundlagen für thermografische Temperaturmessung von flüssigen Materialien unter sich ändernden Emissionsgraden geschaffen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Infrarotthermografie im Allgemeinen und der Einsatz der Wärmebildkamera Vario- Cam HD research 800 im Speziellen detaillierte Einblicke in das Temperaturverhalten von aushärtenden Epoxidharzproben liefern. So lassen sich Temperaturen nahezu ohne rückwirkenden Einfluss auf die sensible und stark temperaturabhängige Aushärtereaktion bei Epoxidharzproben während der Aushärtung messen. Zusätzlich können Strömungen in den Proben aufgedeckt und Randbedingungen überprüft werden. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für eine Ermittlung des Wärmeübergangskoeffizienten anhand von realen Temperaturdaten und den Vergleich mit empirischen Werten. Bilder: Aufmacher gelilewa – stock.adobe.com, sonstige InfraTec GmbH www.Infratec.de Der neue Ultraschallsensor pms aus Edelstahl ist mit seinem intelligenten Hygienic Design prädestiniert für anspruchsvolle Aufgaben in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. + 4 Tastweiten: von 20 – 1.300 mm + 3 Ausgangsstufen: Push-Pull-Schaltausgang mit IO-Link oder Analogausgang + 2 Gehäusevarianten: D12-Adapterschaft und D12-Bajonettverschluss microsonic.de/pms