DE102010009588A1

DE102010009588A1 - Offenzelliger Schaumstoff auf Basis von Aminoplasten als Träger für schwingungsfähige Systeme

Info

Publication number: DE102010009588A1
Application number: DE201010009588
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Quadbeck-Seeger Hans-Jürgen; Dr. Steinke Tobias Heinz; Harald Kunz
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-01

Abstract

Die Verwendung von offenzelligen Schaumstoffen auf Basis von Aminoplasten als Träger zur Lagerung schwingungsfähiger Körper, eine Resonanzprüfvorrichtung sowie Verfahren zur Prüfung von Materialien auf Risse oder Fehlstellen.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von offenzelligen Schaumstoffen auf Basis von Aminoplasten als Träger zur Lagerung schwingungsfähiger Körper, eine Resonanzprüfvorrichtung sowie Verfahren zur Prüfung von Materialien auf Risse oder Fehlstellen.
Für die akustische Resonanzanalyse ist die möglichst ungedämpfte Schwingung des Probenkörpers eine wichtige Vorraussetzung. Dämpfung durch direkten Kontakt des Formteils mit dem Untergrund führt in Abhängigkeit vom Material zur Verringerung oder Verlust der Schwingung und damit auch zur Verringerung bzw. Verlust der Resonanzen. Dadurch wird die Qualitätsbeurteilung eines Werkstücks erschwert bzw. ist nicht mehr möglich.
Eine Verringerung der Dämpfung kann durch Aufhängen des Probenkörpers an einem Faden erzielt werden. Dadurch kann das Formteil nahezu ungehindert schwingen und die Resonanzen können eine starke Amplitude ausbilden. Jedoch lassen sich nicht alle Werkstücke in dieser Form einfach vermessen. Insbesondere größere und schwere Teile sind eine Herausforderung.
Die akustische Prüftechnik zur zerstörungsfreien Materialprüfung ist schon lange bekannt. So regen Verkäufer in Geschäften Gläser oder Porzellan durch Anschlagen zu Schwingungen an und beurteilen durch den Klang die Güte. Bei einem Riss ”scheppert” das Glas anstatt zu klingen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen einfachen und universell einsetzbaren Träger zur Lagerung von schwingungsfähigen Körpern bereitzustellen. Der Träger sollte möglichst ungedämpfte Schwingung eines Probenkörpers zulassen und sich insbesondere zur Herstellung von Musikinstrumenten und Resonanzprüfvorrichtungen eigenen.
Demgemäß wurde die Verwendung eines offenzelligen Schaumstoffes auf Basis eines Aminoplasten als Träger zur Lagerung schwingungsfähiger Körper gefunden. Dieser eignet sich insbesondere als Träger für eine Resonanzprüfanordnung, welche bevorzugt zur zerstörungsfreien Materialprüfung in der Resonanzanalyse eingesetzt werden kann.
Des Weiteren wurde ein Verfahren zur Prüfung von Metallen, Keramik oder Glas auf Risse oder Fehlstellen durch Resonanzanalyse, gefunden, wobei der Prüfkörper auf einen offenzelligen Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten gelagert wird.
Offenzelliger Schaumstoff:
Die Rohdichte des offenzelligen Schaumstoffes liegt in der Regel im Bereich von 3 bis 100 g/l, bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 g/l. Die Zellzahl liegt üblicherweise im Bereich von 50 bis 300 Zellen/25 mm. Die Zugfestigkeit liegt bevorzugt im Bereich von 100 bis 150 kPa und die Bruchdehnung im Bereich von 8 bis 20%.
Bevorzugt werden elastische offenzellige Melamin-Formaldehydharz-Schaumstoffe eingesetzt.
Zur Herstellung eines offenzelligen Schaumstoffes auf Basis des als Aminoplast bevorzugten Melamin/Formaldehyd(MF)-Harzes kann nach EP-A 071 672 oder EP-A 037 470 eine hochkonzentrierte, treibmittelhaltige Lösung oder Dispersion eines Melamin-Formaldehyd-Vorkondensates mit Heißluft, Wasserdampf oder durch Mikrowellenbestrahlung verschäumt und ausgehärtet werden.
Das Molverhältnis Melamin zu Formaldehyd ist in der Regel kleiner als 1:1,0, es liegt bevorzugt zwischen 1:1 und 1:5, insbesondere zwischen 1:1,5 und 1:3,5.
In einer möglichen Ausführungsform kann das Zeltgerüst des offenzellige Melamin-Formaldehydharz-Schaumstoffes hydrophobiert und oleophobiert werden. Dies kann beispielweise, wie in DE-A 100 11 388 beschrieben, mit einem Fluoralkylester als Hydrophobierungs- und Oleophobierungsmittel erfolgen. Hierbei wird nicht nur die Wasser-, sondern auch die Ölaufnahme des Melaminharz-Schaumstoffes vermindert.
Um die anwendungstechnischen Eigenschaften zu verbessern, können die Schaumstoffe anschließend, beispielsweise wie in EP-B 37470 beschrieben, getempert und verpresst werden. Die Schaumstoffe können zur gewünschten Form und Dicke zugeschnitten werden. In den offenzelligen Schaumstoff können auch ein oder mehrere Luftdurchgangskanäle oder kugel- bzw. kegelförmige Vertiefungen gestanzt oder geschnitten werden.
Aufgrund der Elastizität des offenzelligen Schaumstoffes kann dieser auf einfache Weise in bestehende Geräteteile eingefügt werden. Selbst bei tiefen Temperaturen, beispielsweise unter –80°C bleibt der Schaumstoff elastisch. Eine Schädigung durch Verspröden tritt nicht auf.
Akustische Resonanzanalyse
Die akustische Resonanzanalyse gehört zu den zerstörungsfreien Prüfmethoden. Sie wertet die Resonanzfrequenzen aus, die entstehen, wenn das Werkstück durch eine impulshafte Anregung in Schwingung versetzt wird. Im Körper breiten sich Longitudinal- und Transversalwellen aus und der Körper schwingt über einen gewissen Zeitraum in bestimmten charakteristischen Formen und Frequenzen, den so genannten natürlichen Eigen- oder Resonanzschwingungen. Die Resonanzen in einem Körper hängen u. a. vom Material, der Geometrie und dem Zustand des Prüfkörpers ab. Jede Eigenschaft repräsentiert eine stehende Welle mit einer Resonanzfrequenz.
Aus den Resonanzfrequenzen lassen sich werkstückspezifische akustische Kennwerte berechnen und damit Gütemerkmalen zuordnen. Der Vergleich verschiedener Probekörper kann Veränderungen im Klangspektrum messtechnisch aufzeigen und somit Hinweise auf vorliegende Defekte geben. Die Zuordnung erfolgt durch den Vergleich der gemessenen Kennwerte mit den hinterlegten Werten von Prüfobjekten bekannter Eigenschaften. Die Kennwerte sind abhängig von der Geometrie, dem Material und der inneren Struktur des Prüfobjekts. Ändert sich eine dieser Eigenschaften, so ändern sich gleichfalls einzelne oder mehrere Resonanzfrequenzen, die diese Eigenschaft repräsentieren.
Bei der Analyse der Resonanzfrequenzen lassen sich verschiedene Effekte beobachten. Eine oder mehrere Resonanzlinien können sich verschieben, wenn sich Maße verändern oder die Werkstückstruktur. Verändern sich alle Frequenzen um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung, ist dieses ein Hinweis auf eine Gefügeänderung, z. B. Härteänderung oder Zusammensetzung. Beim Fehlen einzelner Linien können im Material Risse sein oder sich die Struktur verändert haben, z. B. durch Abbrüche oder Formänderungen. Eine einzelne Resonanzfrequenz kann sich in zwei Frequenzen aufspalten, d. h. im Spektrum sind zwei statt eine Resonanzfrequenz vorhanden. Dieser Effekt ist manchmal bei Rissen zu beobachten. Der Abstand zwischen zwei Frequenzen ist normalerweise fest. Eine Änderung (größer, kleiner) deutet auf einen Defekt im Körper hin. Die Dauer einer Schwingung bzw. die Geschwindigkeit der Abnahme (Dämpfung) ist ebenfalls ein Maß für die Beschaffenheit des Werkstückes. Da dieses Maß jedoch bei weitem nicht so präzise ist wie die Lage einer Resonanzfrequenz verwendet man die Dämpfung meist nur in Verbindung mit anderen Merkmalen. Ursache für eine veränderte Pegeldämpfung können Gefügeänderungen oder Risse sein. Auch die Dämpfung einzelner Resonanzfrequenzen kann man betrachten. Solche frequenzselektive Abklingverhalten deuten beispielsweise auf Gefügeauflockerungen hin. Als Modulation bezeichnet man die Veränderung von Signaleigenschaften eines Trägers in Abhängigkeit von einem modulierenden Signal: es entstehen neue Frequenzen. In einem durch einen Schlag angeregten Körper entstehen diese durch die Beeinflussung der Resonanzfrequenzen untereinander. Die Ursachen sind abhängig vom jeweiligen Körper.
Der zu untersuchende Probenkörper wird einfach auf den erfindungsgemäß eingesetzten offenzelligen Schaumstoff auf Basis von Aminoplasten gelegt und dieser erlaubt eine ausreichende Schwingung des Probenkörpers im Rahmen der akustischen Resonanzanalyse.
Methoden der akustischen Mess- und Prüftechnik gewinnen durch die steigenden Qualitätsanforderungen zunehmend an Bedeutung. Sie kommen heute in vielen Bereichen zum Einsatz, z. B. bei der Schwingungs- und Geräuschminderung und für die Werkstück-, Material-, Maschinen-, Prozess- und Produktüberwachung zur Störungserkennung.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich beispielsweise zur Prüfung sicherheitsrelevanten Bauteile auf Materialfehler, wie Nodularität, Risse oder Lunker von Gießerei- oder Schmiedeprodukten, wie Bremshalter, Achsschenkel, Nockenwellen, Bremsscheiben, Nockenringe, Federplatten, Pedale, Lenkradskelette, Lenkgehäuse Fahrwerksteile, Zylinderkopf, Felgen, Pleuel, Achszapfen, Synchronringe, Kettenräder, Zahnriemenräder, Steuerscheiben, Planetenträger, Rohrgelenkwellen, Zahnstangen, Airbaghülsen, Auspufftöpfen oder Eisenbahnrädern.
Des Weiteren eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung der Verbindungsgüte bei Turboladerräder, Keramikplatten, Planetenträger sowie Rissen in Ziegel, Industriekeramik, Katalysatoren, Gläsern oder Flaschen
Desweiteren eigen sich der offenzelligen Schaumstoffen auf Basis von Aminoplasten zur Herstellung von Musikinstrumenten. Xylophone sind Schlaginstrumente, die aus Holzstäben bestehen. Durch Anschlagen werden sie zum Schwingen und Klingen angeregt. Eine wesentliche Voraussetzung ist dabei ihre Lagerung. Hierfür hat sich insbesondere Filz bewährt. Die Töne entstehen durch Schwingungen der Klangkörper. Damit die Schwingungen nicht zu sehr gedämpft werden, muss die Lagerung auf einem Untergrund erfolgen, der möglichst wenig Energie abführt. Bei den Xylophonen wird Filz eingesetzt. In billigen Instrumenten sind Metallplättchen eingebaut, die auf Gummibändern aufliegen. Die Struktur des offenzeligen Melaminharzschaumstoffs Basotect^®, bestehend aus unzähligen kleinen und dünnen Stegen, führt dazu, dass sich wenige direkte Kontaktflächen mit dem Klangkörper ausbilden können. Die Schwingung des Klangkörpers wird demnach nur wenig gedämpft.
Als Klangkörper können verschiedene Materialien, beispielsweise Holz-, Kunststoff- oder Metallstäbe zum Klingen gebracht werden.
Der offenzellige Aminoplast-Schaumstoff zeigt eine signifikant geringere Dämpfung im Vergleich zu Polyurethanschaumstoffen unterschiedlicher Dichte und erreicht in bestimmten Versuchsanordnungen bei bestimmten Resonanzen nahezu den Dämpfungsgrad eines frei aufgehängten Werkstücks.
Beispiele
Für die folgenden Beispiele wurde, soweit nicht anders vermerkt, ein offenzelliger Melamin/Formaldehyd-Schaumstoff mit einer Dichte von etwa 10 kg/m³ (Basotect^® der BASF SE) eingesetzt.
1. Mittlere Übertragungsfunktion
Die mittlere Übertragungsfunktion wurde an einem Metallblech der Größe 100 × 100 × 2 mm vermessen. Dazu wurde das Blech zum einen frei aufgehängt und zum anderen mit der gesamten Fläche auf unterschiedliche Schaumstoffe aufgelegt (Basotect^® G und UF sowie PU-Schäume unterschiedlicher Dichte).

a) Frei aufgehängt
b) Basotect^® V3012
c) Basotect^® UF
d) PU-Schaum (50 g/l)
e) PU-Schaum (24 g/l)
f) PU-Schaum (8,6 g/l)

	frei aufgehängt	Basotect V3012 8,7 g/l	Basotect UF 7,2 g/l	PU-Schaum 50 g/l	PU-Schaum 24 g/l	PU-Schaum 8,6 g/l
F1 (703 Hz)	0,025	0,223	0,203	0,216	0,562	0,517
F2 (1230 Hz)	0,068	0,362	0,123	0,478	0,454	0,363
F3 (1780 Hz)	0,028	0,129	0,066	0,198	0,208	0,213

2. Materialprüfung
Zur Beurteilung von Materialfehlern anhand der akustischen Resonanzanalyse wurde das Metallblech (100 × 100 × 2mm)

a) verkleinert (98 × 98 × 2 mm)
b) verbogen und
c) mit einem Riss versehen.

2.1. Verkleinerung
Die Kantenlänge des Blechs wurde auf jeder Seite um 2 mm gekürzt. Es tritt eine Resonanzverschiebung zu höheren Frequenzen sowohl bei dem frei aufgehängten Metallblech als auch bei den untersuchten Schaumstoffen ein. Tabelle 2: Bestimmung des Dämpfungsgrades D anhand von Resonanzfrequenzen

frei aufgehängt Basotect V3012 8,7 g/l Basotect UF 7,2 g/l PU-Schaum 50 g/l

F1 (736 Hz) 0,018 0,466 0,245 0,330

F2 (1280 Hz) 0,051 0,431 0,128 0,417

F3 (1860 Hz) 0,036 0,121 0,075 0,070
Die niedrigste dämpfende Wirkung wird für Basotect UF beobachtet.
2.2. Verbiegung
Das Blech wurde verbogen und mit der konvexen und konkaven Seite vermessen. Die Auswertung zeigt, dass die Resonanzen (konvex und konkav) bei gleichen Frequenzen schwingen und sich im Vergleich zum ebenen Blech deutlich verschoben haben. Demnach kann ein verbogenes Bauteil leicht identifiziert werden.

Die höchste Dämpfung wird für den PU-Schaumstoff (50 g/l) beobachtet. Tabelle 3: Bestimmung des Dämpfungsgrades D anhand von Resonanzfrequenzen

	frei aufgehängt	Basotect V3012 8,7 g/l	Basotect UF 7,2 g/l	PU-Schaum 50 g/l
konvex
F1 (790 Hz)	0,045	0,108	0,131	0,428
F2 (1950 Hz)	0,056	0,071	0,066	0,179
F3 (1960 Hz)	0,023	0,058	0,062	0,197

konkav
F1 (790 Hz)	0,036	0,031	0,029	0,027
F2 (1950 Hz)	0,052	0,019	0,017	0,020
F3 (1960 Hz)	0,072	0,020	0,016	0,017

2.3. Rissbildung
Mittels eines Lasers wurde das Blech mit einem Riss (Breite von 0,35 mm) versehen.

Die Rissbildung führt dazu, dass sich mehr Schwingungen im Vergleich zum ebenen Blech ausbilden können. Die Anzahl der Resonanzen nimmt zu, d. h. ein Bauteil mit „Haarriss” kann leicht identifiziert werden. Tabelle 4: Bestimmung des Dämpfungsgrades D anhand von Resonanzfrequenzen

	frei aufgehängt	Basotect V3012 8,7 g/l	Basotect UF 7,2 g/l	PU-Schaum 50 g/l
F1 (898 Hz)	0,090	0,137	0,131	0,527
F2 (1080 Hz)	0,215	0,277	0,154	0,306
F3 (1640 Hz)	0,036	0,158	0,137	0,168
F4 (2180 Hz)	0,279	0,100	0,148	0,164
F5 (2610 Hz)	0,193	0,248	0,250	0,266
F6 (2930 Hz)	0,037	0,173	0,148	0,197
F7 (3180 Hz)	0,066	0,149	0,156	0,198

Die niedrigste dämpfende Wirkung zeigt Basotect UF.
Musikinstrumente:
Ein Löffel oder eine Gabel wurde so auf ein Stück Basotect^® gelegt, dass sie nichts anderes berühren. Dann wurde der Löffel oder die Gabel angeschlagen. Je nach Größe oder Form erklang ein Ton. Mittels entsprechender Metallteile, Glasrohre oder Hartholzstäbe kann so ein eigenes Musikinstrument zusammengebaut werden. Es ist praktischer, wenn man die Teile zwischen zwei Basotect^®-Stücke legt. Zum Anschlagen eignet sich eine größere Holzperle, die man auf einen Schaschlikspieß steckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 071672 A [0010]
EP 037470 A [0010]
DE 10011388 A [0012]
EP 37470 B [0013]

Claims

Resonanzprüfvorrichtung umfassend mindestens einen Träger aus eine offenzelligen Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten zur Lagerung schwingungsfähiger Körper.
Resonanzprüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der offenzellige Schaumstoff aus einem offenzelliger Malamin-Formaldehyd-Schaumstoff mit eine Rohdichte im Bereich von 3–100 g/l besteht.
Resonanzprüfvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der offenzelliger Schaumstoff aus einem Melamin/Formaldehyd-Kondensationsprodukt mit einem Molverhältnis Melamin/Formaldehyd im Bereich von 1:1 und 1:5 hergestellt wurde.
Verwendung eines offenzelligen Schaumstoffes auf Basis eines Aminoplasten als Träger zur Lagerung schwingungsfähiger Körper.
Verwendung nach Anspruch 4 zur zerstörungsfreien Materialprüfung in der Resonanzanalyse.
Verwendung nach Anspruch 4 zur Herstellung von Musikinstrumenten.
Verfahren zur Prüfung von Metallen, Keramik oder Glas auf Risse oder Fehlstellen durch Resonanzanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper auf einen offenzelligen Schaumstoff auf Basis eines Aminoplasten gelagert wird