Zerstörungsfreie Überwachung von Klebeverbindungen mittels Magnetresonanz
Das Kunststoff-Zentrum SKZ hat in den vergangenen zwei Jahren intensiv an der zerstörungsfreien Überwachung der Klebstoffaushärtung in Klebeverbindungen mittels unilateraler Kernspinresonanz (uNMR) geforscht. Die Ergebnisse bestätigen das große Potenzial der Messtechnik für eine prozessnahe Aushärtegradprüfung und skizzieren den Weg zu einer industriellen Umsetzung.
Als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts kommt das Kleben in vielen Bereichen der industriellen Fertigung zum Einsatz. Insbesondere der steigende Bedarf an modernen Designs und immer komplexeren Leichtbau-Lösungen dient hier als treibende Kraft.
„Die richtige Aushärtung ist ein zentrales Kriterium für die optimale Funktionalität von Klebstoffen. Während zur Untersuchung von Klebstoffen zahlreiche Laborverfahren existieren, werden bis dato keine Systeme für die zerstörungsfreie Prüfung von Klebeverbindungen im Produktionsprozess eingesetzt“, erklärt SKZ-Wissenschaftler Dr. Norbert Halmen.
Im abgeschlossenen zweijährigen Forschungsprojekt NMRBond wurde intensiv am Einsatz einer zerstörungsfreien Messtechnik für zahlreiche unterschiedliche Klebstoffe geforscht. Das SKZ nutzte hierzu die unilaterale Kernspinresonanz (uNMR). Das Verfahren ist eine für die Materialprüfung angepasste Sonderform der aus der Medizin bekannten Magnetresonanztomografie. Es nutzt Niederfeld-Permanentmagnete (ca. 0,5 T) und erlaubt in sehr kurzer Zeit eine nicht-invasive Prüfung von Klebschichten – durch die geklebten Bauteile hindurch. Im Forschungsprojekt wurden Klebeverbindungen mit feuchte- und lichthärtenden 1K-Klebstoffen sowie 2K-Klebstoffe unterschiedlicher Klebstoffchemie und Reaktionskinetik betrachtet.
Verschiedene Laborverfahren
Als Referenz für die Aushärtung dienten verschiedene in der Praxis gängige Laborverfahren, u. a. Differential Scanning Calorimetry (DSC), Dielektrische Analyse (DEA), Platte/Platte-Rheometer, Nahinfrarotspektroskopie (NIR-Spektroskopie), Zugscherprüfung und Zentrifugal-Adhäsions-Test (CAT). Die Ergebnisse der uNMR zeigten eine gute Korrelation mit diesen Verfahren, sodass Aushärtegradmodelle gezielt entwickelt werden konnten. Handlungsempfehlungen zeigen auf, wie die uNMR als zerstörungsfreie Prüfmöglichkeit Klebstoffe von der Entwicklung bis hin zur Anwendung begleiten kann und ermöglichen dem zukünftigen Anwender eine prozessnahe Klebstoffüberwachung.
In zukünftigen Forschungsaktivitäten des SKZ soll der Fokus weiter auf die Kunststoffanalytik gelegt werden, da die Niederfeld-NMR auch hierfür vielversprechende Ansätze bietet.
Das Vorhaben 20564 N der Forschungsvereinigung Fördergemeinschaft für das SKZ wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags gefördert.
Neben dem Abschlussbericht des Projekts sind auch eine Dissertation mit vertieften Einblicken in die Thematik sowie ein kostenfreies White Paper für einen schnellen Überblick zur uNMR verfügbar. Interessierte Unternehmen können gerne Kontakt mit dem SKZ aufnehmen, um mehr über die Ergebnisse zu erfahren und den Einsatz der uNMR für eigene Anwendungsfälle zu diskutieren.
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- Schematische Darstellung des Zusammenhangs von NMR-Signal und Klebstoffaushärtung / Foto: SKZ