Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Kunststoffen auf Spannungsrisse und Oberflächenfehler sowie ein Prüfmittel.

Spannungsrisse und Oberflächenfehler treten bei vielen polymeren Werkstoffen auf. Da sie die Verwendungseigenschaften der Werkstoffe erheblich beeinträchtigen können, ist das Auffinden von Spannungsrissen und Oberflächenfehlern für die Qualitätssicherung und -verbesserung von besonderer Bedeutung.

Aus dem Stand der Technik sind vor allem Verfahren und Prüfmittel bekannt, die sich mit der Detektion von Spannungsrissen in Metallen befassen. Den bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass ein Prüfmittel eingesetzt wird. Dieses Prüfmittel enthält in der Regel niedrig- oder hochsiedende Lösungmittel und Farbstoffe. Zum überwiegenden Teil können die Farbstoffe erst nach Behandlung mit einem Entwickler wahrgenommen und analysiert werden. Das Prüfmittel wird auf das zu prüfende Werkstück aufgetragen; es wirkt ein, indem es durch Kapillareffekte in die haarfeinen Risse aufgesogen wird. Der Entwickler wird dann, in der Regel nach zwischengeschalteten Reinigungsstufen, aufgetragen. Risse können durch Analyse des Farbumschlags beobachtet werden. Sämtliche Verfahren zählen zu den Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Die DE-OS 26 35 483 beschreibt ein solches Verfahren, bei dem nacheinander ein farbstoffhaltiges Prüfmittel und ein Emulgator aufgetragen werden. In der DE 197 52 576 wird ein Verfahren zum Prüfen auf Fehlstellen vorgeschlagen.

Eine Prüfflüssigkeit oder -paste wird auf das Werkstück aufgetragen und einem Energie- oder Wärmestrahlimpuls ausgesetzt. Anschließend erfolgt die Fehlstellen-Analyse. Die DE 44 21 277 betrifft ein Verfahren zur Eindring-Prüfung, bei dem das Prüfmittel nach dem Eindringen in Spannungsrisse durch einen Entwickler sichtbar gemacht wird, damit Spannungsrisse analysiert werden können. Vergleichbare Verfahren werden in der EP 0 978 719 und PCT/EP84/00362 sowie JP 10267815A beschrieben, teilweise zur unmittelbaren Prüfung von Werkstücken, teilweise zum Prüfen von Prüfkörpern.

Zur Überprüfung der Verarbeitungsqualität von Kunststoffen werden neben instrumentellen Untersuchungen ebenso visuelle Kontrollen von Artikeln nach Warmlagerungsversuchen, Medienbeständigkeitstest, Spannungsrißtests und dergleichen durchgeführt (Quelle: Kunststoff-Institut Lüdenscheid, "Störungsratgeber für Oberflächenfehler an thermoplastischen Spritzgußteilen"; Kunststoff- Institut Lüdenscheid K. I. M. W.). Bei diesen Verfahren werden nach Medieneinwirkung oder Umwelteinwirkung die Artikel auf Risse mittels einer Lupe untersucht. Bei der Auswertung der am K. I. M. W. im Jahre 1999 durchgeführten Schadensanalysen an Kunststoff-Formteilen zeigte sich, daß 26% aller Ausfälle auf die Bildung von Spannungsrissen zurückzuführen waren.

Die im Stand der Technik beschriebenen Prüfmittel für Metalle umfassen regelmäßig ein Lösungsmittel bzw. ein Lösungsmittelgemisch aus hoch- oder niedrigsiedenden, organischen Substanzen und einen Farbstoff sowie ggf. weitere Hilfsstoffe. Das Prüfmittel wird entweder nachträglich mit einem Entwickler behandelt, um analysiert zu werden, oder - wie in der PCT/EP84/00362 beschrieben, es handelt sich um einen Farbstoff, der mit Hilfe geeigneter Geräte sichtbar gemacht und analysiert werden kann.

Im vorgenannten Stand der Technik findet sich kein Hinweis auf die Eignung der Verfahren oder Prüfmittel für die Prüfung von Kunststoffen, obwohl die Prüfung von Metallen stets nur als bevorzugte Anwendung genannt wird. Tatsächlich findet sich in diesem Stand der Technik aber kein Hinweis auf spezifische Probleme, wie sie sich dem Fachmann auf dem Gebiet der Prüfung von Kunststoffen stellen.

So wird die Eignung der Prüfmittel zur Verwendung für Kunststoff-Werkstoffe stets davon abhängen, ob das Prüfmittel mit seinem hohen Gehalt an organischen Substanzen den Werkstoff angreift, etwa verfärbt, versprödet, ggf. sogar an- oder auflöst. Weiter ist anzugeben, ob das Prüfmittel den Kunststoff ausreichend benetzt. Schließlich ist sicherzustellen, ob die dem Prüfmittel zugrundeliegenden Reaktionen mit dem Entwickler nicht durch den Kontakt mit Kunststoffen gestört werden. Hinweise hierzu finden sich im Stand der Technik nicht.

Zur Untersuchung auf bereits vorhandene Risse kann aus dem Bereich der Metallprüfung die sog. Eindringprüfung erfolgen. Hierbei wird eine eingefärbte Flüssigkeit auf das Bauteil aufgetragen. Nach dem Eindringen des Systems in die Risse treten diese als farbige Linien hervor. Bei Kunststoffen wird dieses Verfahren bisher wegen der begrenzten Aussagekraft lediglich in Ausnahmen angewandt (Quelle: "Fiat Auto normazione", Process Standard 0.00025). Da das Bauteil nicht verändert wird, handelt es sich um eine zerstörungsfreie Prüfung.

Latente Materialschwächen spielen bei Kunststoffen - anders als bei Metallen - eine bedeutende Rolle. Ungünstige Produktionsbedingungen oder falsche Verarbeitung von Rohstoffen führen zu Produkten, die bei einer einfachen Sichtkontrolle ohne weiteres für gut und geeignet befunden werden. Im Gebrauch zeigt sich aber, dass das Produkt schnell versagt, sehr häufig durch Bruch infolge von Spannungsrissen. Das Aufdecken und Erkennen von latent vorhandenen Spannungsrissen ermöglicht ein frühzeitiges Vermeiden falscher Verarbeitung und, durch die Verbesserung von Produktionsbedingungen, eine bessere Produktqualität. Gleiches gilt für Oberflächenfehler, die erst unter Beanspruchung im Gebrauch sichtbar werden.

So können beispielsweise in einzelnen, ausgewählten Kunststoff-Sorten Spannungsrisse durch geeignete Chemikalien induziert werden. Bei bisherigen Tests sind hierfür allerdings große Chemikalienmengen erforderlich, denn die zu prüfenden Kunststoffartikel werden in die entsprechenden Lösungen eingetaucht und nach einer definierten Zeit mittels einer Lupe auf Risse untersucht (Quelle: G. W. Ehrenstein; "Kunststoff-Schadenanalyse", Hanser-Verlag). Da bei diesem Verfahren im Bauteil latente Risse geöffnet werden, handelt es sich um eine zerstörende Prüfung.

Bei der herkömmlichen Spannungsrißprüfung mit zahlreichen verschiedenen, organischen Lösungsmitteln, die jeweils für einzelne Kunststoff-Sorten einsetzbar waren, ergeben sich neben den vorstehend genannten Fragen folgende Probleme:

• - Für jede Kunststoffsorte muß bisher ein eigenes, definiertes Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelgemisch verwendet werden.
• - Es werden große Mengen der spannungsrißauslösenden Medien zum Eintauchen der Artikel benötigt
• - Viele Medien sind giftig, feuergefährlich oder haben weitere Nachteile, die die Anwendungen einschränken.
• - Viele Medien sind stark flüchtig, was ihre Handhabung kompliziert und bei Lösungsmittelgemischen die Zusammensetzung negativ beeinflussen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Prüfen von Kunststoffen auf Spannungsrisse vorzuschlagen und ein universal einsetzbares Mittel zum Prüfen der Kunststoffe auf Spannungsrisse bereitzustellen, mit dem das Verfahren durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Prüfung von Kunststoffen auf Spannungsrisse, mit den Schritten: Auftragen eines Prüfmittels auf den Kunststoff; Einwirken des Prüfmittels; ggf. Entfernen eines Überschusses an Prüfmittel, und optische Auswertung des Eindringens des Prüfmittels in Risse.

Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die Prüfung von Kunststoffen auf etwa vorhandene Spannungsrisse auf sehr einfache Art erfolgen kann. Ein "Entwickeln" des Prüfmittels, das auf den zu prüfenden Kunststoff aufgetragen wurde, ist nicht erforderlich. Der Verzicht auf einen "Entwickler" stellt eine Vereinfachung der Prüfung dar, die das Verfahren nicht nur beschleunigt, sondern auch zur Kostensenkung beiträgt.

Die Oberflächenqualität von Kunststoff-Formteilen ist häufig das wichtigste Qualitätskriterium. Aufgrund der komplexen Zusammenhänge zwischen Formteil- und Werkzeugkonstruktion, des Rohstoffes und des Verarbeitungsprozesses ist es bei auftretenden Problemen oft nicht möglich, die Fehlerursache zu erkennen und geeignete Abhilfemaßnahmen kurzfristig zu ergreifen. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren entwickelt, das frühzeitig Aussagen zur Verarbeitungsqualität, Spannungsrißempfindlichkeit, Medienbeständigkeit etc. erlaubt.

Zunächst ist das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt und geeignet, im Rahmen einer zerstörungsfreien Prüfung vorhandene Spannungsrisse in Kunststoffen erkennbar zu machen. Da die Prüfung auf einem Penetrationstest beruht, können auch schon vorhandene Risse und Fehlstellen, wie Bindenähte, Mikrolunker und Fließfronten, visualisiert werden. Solche Oberflächenfehler können mit den bisher bekannten Tauchverfahren nicht detektiert werden.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens, die als eigenständige, erfinderische Leistung angesehen wird, können - über die zerstörungsfreie Prüfung hinaus - mit einer Abwandlung desselben Verfahrens auch latent vorhandene Spannungsrisse und Oberflächenfehler in Kunststoffen geöffnet und damit erkannt werden.

Die erfindungsgemäßen Prüfmittel sind - anders als bisher - für eine Vielzahl von Kunststoffen universell anwendbar. Nur beispielhaft sind nachfolgend Kunststoffe aufgezählt, die mit dem erfindungsgemäßen Prüfmittel auf vorhandene und latente Spannungsrisse untersucht werden können. Diese Kunststoffe decken über 95% der marktüblichen Materialien ab. Polystyrol PS Polymethylmethacrylat PMMA Polycarbonat PC Polyethylenterephthalat PET Polybutylenterephthalat PBT Styrol-Copolymere wie ABS, ASA, SAN PC/ABS, SB Polyphenylenether PPE Duromere Polyamid-4,6 PA-4,6 Polyamid-6, -6,6 PA-6, PA6,6 Polyamid-11, -12 PA-11, PA-12 teilaromatische Polyamide PA-6T Polyoxymethylen POM Polyethylen PE, PE-LD, PE-LLD, PE-HD Polypropylen PP etc. Polyurethane PUR, TPU Kautschuk, Polybutadien NR, SB Polyester/-ether TPE, TPE-E

Für Hochleistungswerkstoffe, wie PEEK, PEI, PSU etc., ist das Prüfsystem ebenfalls anwendbar.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, daß die Vielzahl von spannungsrißauslösenden Testmedien reduziert wird. Die neuen Prüfmittel sind weitaus weniger umweltschädlich, unter anderem, weil sie weniger flüchtig sind. Die Applikation kann insbesondere durch Aufsprühen, Aufpinseln oder - falls gewünscht - auch durch Tauchen erfolgen.

Die Testobjekte werden mit dem Prüfmittel eingesprüht. Es handelt sich dabei um Mischungen spannungsrißauslösender Medien mit Farbstoffen. Nach der bestimmten Einwirkungszeit wird ggf. die überschüssige Farbe mit Wasser gründlich abgespült. Nach dem Entfernen von Farbresten und Wasser z. B. mittels eines Papiertuches können bei hellen oder transparenten Proben die Defekte auf einfache Weise direkt beobachtet werden. Es wird als besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens angesehen, dass keine Tauchbäder oder ähnlich aufwendige Untersuchungausrüstung mehr erforderlich ist, weil die Testobjekte einfach eingesprüht oder eingepinselt werden können.

Bei der Verwendung von dunklen, stark eingefärbten bzw. schwarzen Proben kann zusätzlich die Probe mit einem Entwickler besprüht werden, um Risse noch einfacher erkennen zu können. Der Entwickler enthält vorzugsweise poröse Stoffe, welche die Farbe aus den Rissen und Oberflächenfehlern durch Kapillarkräfte an die Oberfläche bringt, und den Farbeindruck verstärkt. Der Kontrast macht die ausblutende Farbe besser sichtbar. Eine weitere Verbesserung ist durch den Einsatz von fluoreszierenden Farbstoffen oder durch Detektion mittels UV-Licht möglich.

Das Prüfmittel enthält vorzugsweise eine spezielle Kombination von Tensiden, Lösungsmitteln und spannungsrißauslösenden Agentien, die eine Aufweitung von Mikrorissen oder latent vorhandenen Rissen bewirken. Hierdurch unterscheidet sich das hier beschriebene Farbsystem von Eindringtests ("liquid penetrant inspection", LPI) für Metalle. Bei diesen Tests für Metalle handelt es sich um zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen. Bei dem erfindungsgemäß weitergebildeten Verfahren werden latent vorhandene Risse durch spezielle Wirkstoffe geöffnet; das zu prüfende Werkstück wird somit zerstört.

Die bisherigen Versuche zeigten, daß mit dem neuen Verfahren Oberflächenfehler visualisiert werden können. Zu den Fehlerbildern, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bisher klassifiziert wurden, gehören Bindenähte, Orientierungen im Anschnittbereich, Schlieren (Feuchtigkeits-, Glasfaser-, Verbrennungsschlieren), Freistrahlbildung, Kaltfließlinien, Verbrennungsstellen (Dieseleffekt), thermische Schädigungen, Weißbruch, Spannungsrisse, Auswerferdeformationen, aber auch Verunreinigungen auf Oberflächen. Als besonderer Vorteil erweist sich, dass nunmehr das Risiko ausgeschlossen ist, durch Verwechslung von Prüfmitteln für verschiedene Kunststoff-Sorten, also klassische Bedienungsfehler, falsche Prüfergebnisse zu produzieren. Weiter ermöglicht der sparsame und umweltschonende Verbrauch an Prüfmitteln in Verbindung mit der universellen Einsetzbarkeit, dass nunmehr auch seltener verarbeitete Kunststoff-Sorten preiswert und einfach geprüft werden können. Zudem wird die mögliche Gesundheitsgefährdung des Bedienpersonals weitgehend verringert, weil keine Tauchbäder mit großen Mengen an Prüfmitteln mehr zu handhaben sind, sondern nur noch minimale Mengen von Prüfmitteln eingesetzt werden.

Die Einwirkzeiten für das erfindungsgemäße Verfahren liegen zwischen ca. einer Minute zur Erfassung vorhandener Spannungsrisse oder Oberflächenfehler und bis zu 48 Stunden für die zerstörende Werkstoffprüfung, bei der sämtliche Spannungsrisse und Oberflächenfehler, auch latent vorhandene Fehler, aufgezeigt werden sollen. Die Einwirktemperaturen für das erfindungsgemäße Verfahren liegen bei Raumtemperatur. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei Einsatz des erfindunggemäßen Prüfmittels für die große Zahl der zu prüfenden Kunststoffe im wesentlichen stets die gleichen Anwendungsparameter gelten. Auch dies schließt eine weitere, bisher unvermeidliche Fehlerquelle bei der Prüfung von Kunststoffen aus. Die gleiche Behandlung der verschiedenen Werkstoffe führt dazu, dass die Richtigkeit der Prüfergebnisse gesteigert wird.

Das Prüfmittel besteht aus ca. 5 bis 95 Volumen-%, insbesondere 15 bis 75 Volumen-%, besonders bevorzugt 20 bis 60 Volumen-% höheren Alkoholen, Ketonen, Glycolethern, Estern oder aromatischen Verbindungen, die zum einen als Lösungsmittel für die Farbstoffe geeignet sind, zum anderen die Spannungsrisse und andere Oberflächenfehler induzieren. Die Auswahl der höheren Alkohole und Ketone richtet sich neben der Bewertung der vorgenannten Eigenschaften auch nach Viskosität, Flammpunkt, Verdunstungsrate, Haltbarkeit bzw. Lagerfähigkeit des Prüfmittels. Als besonders geeignet, insbesondere für die Induzierung von Spannungsrissen, haben sich Mischungen von höheren Alkoholen und Ketonen erwiesen, bei denen ca. 10 bis 50 Volumen-% höhere Alkohole und ca. 10 bis 55 Volumen-% Ketone für die Herstellung des Prüfmittels verwendet werden. Nur als Beispiel für diese gut bekannten Stoffgruppen seien folgende, geeignete Substanzen genannt: Butanol, Aceton, Essigethylester, Benzol.

Dann ist der Zusatz von Farbstoffen mit einem Anteil von 0,05 bis 15 Volumen-% erforderlich, um die induzierten und/oder detektierten Spannungsrisse und Oberflächenfehler optisch wahrnehmbar zu machen. Bevorzugt werden 0,5 bis 10 Volumen-%, besonders bevorzugt 1 bis 5 Volumen-% Farbstoff zugesetzt. Organische, insbesondere fluoreszierende Farbstoffe oder solche, die durch UV-Licht erfassbar sind, werden besonders bevorzugt. Handelsübliche Farbstoffe, z. B. diejenigen, die im eingangs erwähnten Stand der Technik genannt sind, sind auch für das erfindungsgemäße Prüfmittel geeignet.

Für die Prüfung von Kunststoffen sind weiterhin oberflächenaktive Substanzen hilfreich, die eine Benetzung der Kunststoff-Oberflächen bewirken und die Penetration in Risse erleichtern. Durch den Zusatz von 0,01 bis 15 Volumen-% Tensiden und/oder Emulgatoren wird die Löslichkeit der Farbstoffe und die Mischung der einzelnen Bestandteile des Prüfmittels untereinander verbessert. Gleichzeitig verbessern die an sich für diesen Einsatzzweck bekannten Tenside und Emulgatoren die Reinigung der Oberfläche vom Prüfmittel vor der Begutachtung der Spannungsrisse und Oberflächenfehler. Bevorzugt werden 0,5 bis 10 Volumen-%, besonders bevorzugt 1 bis 5 Volumen-% mindestens eines Emulgators oder Tensids eingesetzt. Das mindestens eine Tensid oder der mindestens eine Emulgator verbessern zudem die Stabilität und Lagerdauer des Prüfmittels. Nur beispielhaft seien einige geeignete, handelsübliche Tenside oder Emulgatoren genannt: MULSIFAN®, MARSIPAC®, MARLOX®, BYK® oder TEGOWET®.

Die Zugabe von Netzmitteln und Mineralölen reduziert die Oberflächenspannung des Prüfmittels weiter und stellt sicher, dass die Verdunstungsrate so gering wie möglich gehalten wird.

Der Zusatz von Metallsalzen kann hilfreich sein, um entweder die Induzierung von Rissen oder Oberflächenfehlern zu verbessern, z. B. bei Polyamiden, oder um die gewünschte Ionenstärke einzustellen. Als Metallsalze sind beispielsweise Chloride, insbesondere Zink- und Aluminiumchlorid, geeignet.

Schließlich ist für die gewünschte Applikation, also Sprühen, Streichen oder - falls gewünscht - Tauchen die jeweils optimale Viskosität einzustellen. Dies geschieht durch Zusatz von Wasser, ggf. Verdickern und aliphatischen Kohlenwasserstoffen, die jeweils in Mengen von 1 bis 15 Volumen-%, vorzugsweise von 5 bis 10 Volumen-% eingesetzt werden.

Eine Basisrezeptur des erfindungsgemäßen Prüfmittels enthält ca. 60 Volumen-% eines Glycolethers, 30 Volumen-% einer organischen Säure mit darin gelöstem, organischem Farbstoff (25 Volumen-% Linolensäure und 5% organischer Farbstoff) sowie 5% eines handelsüblichen Emulgators und 5% Wasser.

Ein besonders wirksames und breit einsetzbares Prüfmittel zum Detektieren von Spannungsrissen und Oberflächenfehlern in Kunststoffen und ggf. Öffnen und Detektieren latent vorhandener Spannungsrisse und Oberflächenfehler in Kunststoffen weist eine Zusammensetzung von ca. 20 bis 30 Vol.-% höherer Alkohole und Diole, ca. 10 bis 15 Vol.-% aliphatischer Kohlenwasserstoffe, ca. 10 bis 15 Vol.-% Ketone und 5 bis 10 Vol.-% eines Glycolethers als speziellem, spannungsrissauslösendem Medium, jeweils ca. 10 Vol.-% Verdicker und Wasser, jeweils ca. 5 Vol.-% der nachstehenden vier Stoffgruppen a) bis d): a) Farbkonzentrat; b) Tenside und Emulgatoren; c) anorganische Metallsalze; d) pH-Puffer sowie 1 Vol.-% polymere, oberflächenaktive Substanzen auf.