Am Kunststoff-Zentrum in Würzburg wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes die passive Thermographie im Bereich des Kunststoffschweißens untersucht. Die ersten erfolgreichen Anwendungen als zerstörungsfreie Prüfmethode (ZfP) zeigen hohes Potential, dieses Verfahren als Qualitätssystem zu etablieren.

Fehlerhafte Schweißverbindungen ergeben Kunststoffbauteile, die nicht störungsfrei verwendet werden können oder zu Ausfällen bzw. Schäden führen. Dementsprechend besteht seitens der Kunststoffindustrie ein großer Bedarf an zeitnahen und zuverlässigen Prüfungen von Schweißverbindungen. Um Qualitätsmängeln entgegenzuwirken und dem Prüfbedarf Rechnung zu tragen wurde am SKZ ein Forschungsprojekt initiiert. Ein Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines robusten, schnellen und kostengünstigen Prüf- und Messsystems auf Basis der passiven Thermographie-Technik zur Kontrolle der Fügenahtqualität von Kunststoffverbindungen. Hierfür wurden mithilfe einer Wärmebildkamera die beim Schweißen entstehenden Temperaturanstiege und Abkühlvorgänge aufgezeichnet und durch eine hierfür entwickelte Software bewertet. Mögliche Einsatzbereiche eines solchen Messsystems zur zerstörungsfreien Inline- bzw. Online-Prüfung sind z. B. das Fügen von Automobilbauteilen, Rohren, Haushaltsgeräten, Behältern oder Fenstern.

Die Zielsetzung
Im Rahmen des zweijährigen Forschungsvorhabens wurde die Anwendbarkeit der passiven Thermographie für vier verschiedene Schweißverfahren untersucht. In Absprache mit der Industrie wurden das Heizelementstumpfschweißen (HS), das Infrarotschweißen (IR), das Ultraschallschweißen (US) und das Vibrationsschweißen (VIB) mithilfe der passiven Thermographie untersucht und überwacht.
Die Ziele bei der Entwicklung eines QS-Systems für Schweißprozesse durch die Thermographie waren eine Online-Auswertung während der Produktion zu ermöglichen, eine Darstellung von Entscheidungskriterien „gut" bzw. „schlecht" umzusetzen und ein maschinenunabhängiges Triggern der Thermographieaufnahmen zu realisieren. Die Thermographieaufnahmen wurden mit einer kompakten USB-Wärmebildkamera der Firma Micro-Epsilon durchgeführt. Die Programmierung der Auswertesoftware erfolgte mit LabView der Firma National Instruments. Während der Projektlaufzeit wurden verschiedene Auswertemethoden wie z. B. die Differenzbilddarstellung oder die Anzeige der Abkühlgeschwindigkeit pro Pixel programmiert und untersucht.
Ein weiteres Projektziel war es, die Hard- und Software so zu konzipieren, dass Untersuchungen während der Schweißprozesse sowohl stationär als auch mobil durchgeführt werden können. Abbildung 1 zeigt das entwickelte Thermographie-System an einer Heizelementstumpfschweißmaschine.

Auswertungen
Bei Vibrationsschweißungen von Platten aus POM (Polyoxymethylen) wurden zuerst Referenzschweißungen durchgeführt, um die standardmäßig auftretenden Oberflächentemperaturen zu bestimmen. Als Auswertung wurden bei den Vibrationsschweißungen vier Regions of Interest (ROI) festgelegt (Abb. 2) und darin die maximale Temperatur über die Zeit aufgetragen.
Die Auswertung der Vibrationsschweißungen zeigte, dass die Thermographie Änderungen in den Prozessen abbildet. Ebenso ließ sich erkennen, dass Veränderungen der Parameter kaum eine Auswirkung auf die Maximaltemperaturen haben, welche beim Schweißen der Platten entstehen.
Bei seitlicher Betrachtung der Schweißwulst konnten mithilfe der Wärmebildkamera auch eingebrachte Oberflächenfehler detektiert werden. Durch die fehlende Kontaktfläche beim Vibrationsschweißprozess begann an diesen Stellen der Aufschmelzprozess später. Die Fehler konnten in einer Differenzbildbetrachtung oder dem zeitlichen Verlauf, wie in Abbildung 3 zu sehen ist, detektiert werden.
Im Forschungsvorhaben wurden noch weitere Fehlerarten in den Prozess eingebracht und thermographisch untersucht. Abbildung 4 zeigt die Resultate einer gefetteten Fügefläche. Es lässt sich erkennen, dass die Erwärmung der verunreinigten Probekörper deutlich langsamer stattfindet. Die resultierenden Schweißnahttemperaturen zum Ende des Prozesses sind jedoch vergleichbar.

Fazit
Außer für das hier vorgestellte Vibrationsschweißverfahren wurde die Anwendbarkeit der passiven Thermographie beim Schweißen von Kunststoffen auch für das Infrarot-, Heizelementstumpf- und Ultraschallschweißen untersucht. Die passive Thermographie konnte sowohl in der Forschungsstelle als auch im industriellen Einsatz erfolgreich erprobt werden. Bei den durchgeführten Heizelementstumpf- und Infrarotschweißungen fiel auf, dass bereits kleinste Änderungen in den Prozessparametern einen großen Einfluss auf die Oberflächentemperatur der Schweißverbindung hatten und diese sicher erkannt werden konnten. Bei den Vibrationsschweißversuchen konnten Oberflächenfehler durch reduzierte oder zeitlich abweichende Temperaturanstiege detektiert werden. Im Bereich des Ultraschallschweißens war ein Einfluss des Wasseranteils im Kunststoff nach dem Schweißprozess deutlich erkennbar. Dies macht die Thermographie besonders beim Schweißen von hygroskopischen Kunststoffen interessant bzw. relevant.
Durch die Erforschung der Anwendbarkeit der passiven Thermographie wurden die Grundlagen geschaffen, um das Verfahren noch detaillierter für Schweißanwendungen zu nutzen. Es ist klar, dass die Thermographie zur Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen noch viele Möglichkeiten für die Zukunft parat hält. Zukünftig soll durch enge Zusammenarbeit mit der Industrie die Integration der Thermographie in die Maschinensteuerung umgesetzt werden, um die von der Wärmebildkamera gelieferten Daten und deren Auswertung für die Steuerung des Schweißprozesses nutzen zu können.