Pipeline zur dreidimensionalen Auswertung und Visualisierung der Faserverteilung in glasfaserverstärkten Kunststoffteilen aus µ-Röntgen-Computertomografiedaten

Durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen können enorme Gewichtsreduktionen an technischen Bauteilen realisiert werden. Daher haben faserverstärkte und insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) in verschiedensten industriellen Bereichen eine sehr große Bedeutung erlangt. Für die Qualitätskontrolle dieser Materialien ist die dreidimensionale Erfassung der Verteilung der Fasern in realen Bauteilen sehr wichtig, damit die Fasern tatsächlich die mechanischen Eigenschaften des Bauteils optimal verstärken. Während des Füllvorgangs treten beispielsweise beim Spritzgießen an Durchbrüchen Änderungen der Faserorientierung auf. Weiters kann die Faserorientierung und in weiterer Folge der Verzug des Formteils durch Prozessparameter wie die Einspritzgeschwindigkeit beeinflusst werden. Im Rahmen dieser Arbeit setzen wir Microfokus-Röntgen-Computertomografie (µ-CT) ein, um die dreidimensionale Verteilung von Glasfasern in realen Bauteilen zu erfassen. Um ein möglichst großes CT-Messvolumen und damit ein möglichst große praktische Umsetzbarkeit der Ergebnisse dieser Untersuchungen zu erhalten, sind die CT-Messungen mit einer Auflösung knapp unter der Hälfte des Faserdurchmessers durchgeführt worden. Mit derartigen CT-Auflösungen sind die Fasern im CT-Datensatz sehr verrauscht, aber doch noch zu erkennen. Diese CT-Datensätze werden mit verschiedenen dreidimensionalen Filteroperationen wie anisotroper Diffusionsfilter, Schwellwertverfahren, Thinning und Faserextraktion weiterverarbeitet. Der Zweck des Diffusionsfilters ist es, das Intensitätsverhältnis zwischen Fasern und Kunststoff zu erhöhen. Dadurch können die Fasern durch Schwellwertoperationen extrahiert und die mediale Achse jeder einzelner Faser durch die Anwendung eines Thinningalgorithmus ermittelt werden. An Hand der medialen Achsen kann die Faserlänge und Faserorientierung jeder einzelnen Faser ermittelt werden. Das Ergebnis der ausgewerteten CT-Datensätzen ist eine dreidimensionale Auswertung und Visualisierung der Faserverteilung. Für die Visualisierung werden hierbei verschiedene Ansätze wie farbcodierte Darstellungen und Glyphen herangezogen. Weiters werden die Ergebnisse der CT-Messungen mit Ergebnissen der Simulationssoftware Moldflow verglichen. Moldflow ermöglicht die Berechnung der dreidimensionalen Faserorientierungen in Spritzgießteilen. Die Unterschiede zwischen CT-Messung und Simulation werden dreidimensional visualisiert und analysiert. Durch diesen Vergleich kann einerseits eine optimale Verteilung der Fasern im Bauteil realisiert werden sowie anderseits die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der mit Moldflow berechneten Faserorientierung überprüft werden