Optische Analyse der Schaumstruktur zur Optimierung von PUR-Systemen und zur Prozesskontrolle

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1 Optische Analyse der Schaumstruktur zur Optimierung von PUR-Systemen und zur Prozesskontrolle Dirk Wehowsky, Getzner Werkstoffe GmbH KTWE / Wed 1

2 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 2

3 Motivation Warum Bildanalyse von Schaumstrukturen? Materialeigenschaften von Schaumstruktur abhängig manuelle Analyse zeitaufwendig und nicht objektiv Merkmale erfassbar, die mit manuellen Methoden nur sehr schwer messbar sind großflächige Auswertung möglich => selbst kleine Unterschiede werden sichtbar gegenüber anderen Messverfahren ist die optische Analyse relativ einfach druchzuführen , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 3

4 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 4

5 Optische Messtechnik Voraussetzungen für eine automatische Auswertung: hoher Kontrast zwischen Pore und Matrix keine Strukturen innerhalb der Poren sichtbar gleichmäßige Beleuchtung der betrachteten Fläche plane Probenfläche Messanordnung Auflichtanordnung mit Dunkelfeldbeleuchtung Objektiv Beleuchtung der Probe unter einem flachen Winkel => hoher Kontrast zwischen Pore und Matrix LED LED Schaumstoff- Probe Probe , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 5

6 Optische Messtechnik LEDs Objektiv Probe Halterung auf x/y-tisch gleichmäßige Beleuchtung mittels 5 LEDs unter einem flachen Winkel Eine maschinell gespaltene Probe garantiert eine plane Oberfläche , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 6

7 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 7

8 Strukturmerkmale von Schaumstoffen Schaumstoffstruktur Flächenbezogene Merkmale Porenbezogene Merkmale Zelldichte Porosität Anisotropie Anteil von Zelltrennungen Porenfläche A i Porenrundheit R i Verhältnis l : b Orientierung Zahlenwert / Tabelle Verteilung / Diagramm , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 8

9 Strukturmerkmale von Schaumstoffen Flächenbezogene Merkmale Zelldichte (2D) n = 2 N A 0 0 im Raum (3D): 3 / n 3 = n 2 2 Porosität ε = A p A 0 Anisotropie α = mittlere Ausdehnung der Zellen in vertikaler Richtung mittlere Ausdehnung der Zellen in horizontaler Richtung Anteil der Zelltrennungen t = T N , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 9

10 Strukturmerkmale von Schaumstoffen Objektbezogene Merkmale Porenfläche A i 4 π A Porenrundheit R i i = 2 U i Orientierung φ i Verhältnis Länge : Breite A i l:b φ i U i , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 10

11 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 11

12 Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung Anforderungen an die Auswertesoftware Einlesen des Rohbildes von der Kamera Bildvorverarbeitung Segmentierung von Poren und Matrix Rekonstruktion von Zellwänden Merkmalserfassung für jede einzelne Pore Grafische und tabellarische Darstellung der Messergebnisse mit zugehöriger Probendokumentation , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 12

13 Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung Ablauf der Analyse Einlesen des Rohbildes Festlegung des Auswertebereiches , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 13

14 Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung Ablauf der Analyse Festlegung des Auswertebereiches Binärisierung , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 14

15 Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung Ablauf der Analyse Binärisierung Porenerkennung und Vermessung , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 15

16 Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung Ablauf der Analyse Porenerkennung und Vermessung Rekonstruktion und erneute Vermessung , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 16

17 Auswertung mit digitaler Bildverarbeitung Ablauf der Analyse Porenfläche (Area) Flächendichte [-] Flächensumme [-] E E E E E E E E E+04 Porenfläche [µm²] (log) 5.6E E E E+06 Rekonstruktion und erneute Vermessung Ausgabe der Messdaten , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 17

18 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 18

19 Fehlerbetrachtung Systematische Fehler Die Poren werden zufällig geschnitten, d.h. der Durchmesser der Schnittfläche ist kleiner als der Porendurchmesser. Objektiv Sollte nur der Zellboden stehen bleiben, kann durch den Lichteinfall die Porenfläche verkleinert erscheinen. LED Seite oben LED Für relative Vergleiche zwischen Proben sind diese Fehler nicht relevant! , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 19

20 Fehlerbetrachtung Zufällige Fehler schlechte Probenvorbereitung ungleichmäßige Beleuchtung Abweichung der ausgewerteten Fläche von der Grundgesamtheit Wie viele Poren müssen ausgewertet werden? Fehler (W=95%) 1% 5% 10% Anzahl , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 20

21 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 21

22 Anwendungen Quantifizierung des Einflusses von Zellstabilisatoren Einfluss des Zellstabilisators Zelldichte [1/mm²] / Porosität ε ohne Stabilisator mit Stabilisator Zelldichte Porosität Dichte [kg/m³] Ohne Stabilisator, Dichte 500 kg/m³ Mit Stabilisator, Dichte 500 kg/m³ , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 22

23 Anwendungen Einfluss des Forminnendrucks bei PUR-Formteilen Verhältnis Länge zu Breite (Aspect Ratio) Mengenanteilsdichte Mengenanteilsdichte [-] Anisotropie [-] 0,67 bar 0,88 bar 0,13 bar Probe 0.670,67 bar 0.880,88 bar 1.28 bar 0,13 1,28 bar Mengenanteilssumme Mengenanteilssumme [-] Verhältnis Länge zu Breite [-] Verhältnis Länge : Breite , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 23

24 Anwendungen Einfluss von Prozessparametern Einfluss der Luftbeladung des Polyols auf die Porengrößenverteilung Porengrößenverteilung 1 Q [-] Mengenanteilssumme ,0 SLM 2,5 SLM 2,0 SLM 1,5 SLM 1,2 SLM 0,9 SLM Mengenanteilsdichte q [-] E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+01 Porenfläche [µm²] , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 24

25 Anwendungen Einfluss von Prozessparametern Einfluss der Luftbeladung des Polyols auf die Federcharakteristik Pressung [N/mm²] Kraft SLM Luft / -25.5% 1.2 SLM Luft / -17.5% 1.5 SLM Luft / -8.2% 2.0 SLM Luft / +2.2% 2.5 SLM Luft / -2.1% 3.0 SLM Luft / -7.7% Einfederung [mm] Weg , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 25

26 Anwendungen Einsatz zur Prozessüberwachung Mengenanteilsdichte q [-] E E E E E E E E+02 Porengrößenverteilung Toleranzband: +30% // -15% Abweichung von Sollsteifigkeit des Materials 4.6E E+02 Porenfläche 1.2E E E E E , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur E+04 Porenfläche [µm²] 2.2E E+04 Probe außerhalb der Toleranz: -24% Vergleich der Porengrößenverteilung einer Probe mit Masterkurven ermöglicht eine Abschätzung der späteren Eigenschaften. Voraussetzung: Eigenschaften der Polymermatrix konstant!!!! 5.6E E E E E E E Q [-] Mengenanteilssumme

27 Gliederung Motivation Optische Messtechnik Strukturmerkmale von Schaumstoffen Auswertung mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden Fehlerbetrachtung Anwendungsbeispiele Ausblick , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 27

28 Zusammenfassung und Ausblick Vorteile der Analyse mittels digitaler Bildverarbeitung: Analyse der Porenstruktur wesentlich umfassender, schneller und objektiver messtechnischer Aufwand verhältnismäßig gering. Einsatzbereich: Entwicklung - Der Einfluss von Additiven und Prozessparameter auf die Schaumstruktur wird sichtbar. Einsatz zur Prozesskontrolle bei der Herstellung zelliger PUR-Elastomere denkbar , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 28

29 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 29

30 Einflussfaktoren der Schaumeigenschaften mechanische Eigenschaften chemische Beständigkeit Schaumstruktur Eigenschaften der Polymermatrix Herstellung/ Prozessparameter Additive / Katalyse Rohstoffe Lagerung , KTWE / Wed Optische Analyse der Schaumstoffstruktur 30

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