Schliffbilder an Kunststoffbauteilen: Wandstärke, Schichtaufbau und Verbundfolien im Querschnitt vermessen

Von außen sieht ein Extrusionsprofil, eine Verbundfolie oder ein umspritztes Bauteil in Ordnung aus. Ob die Wandstärke an der dünnsten Stelle noch im Rahmen liegt, ob alle Lagen der Folie vorhanden und richtig dick sind, ob die Siegelnaht durchgeschweißt ist und ob unter der Oberfläche Blasen sitzen, zeigt erst der Schnitt. In vielen Betrieben geht dieser Schnitt heute an ein externes Labor, und die Antwort kommt Tage später zurück.

Dieser Beitrag richtet sich an Extrusion, Folienverarbeitung, Beschichtung und Verbundtechnik sowie an die QS- und Prüflabore dieser Betriebe. Er beschreibt, wie ein Querschnitt an Polymerbauteilen vorbereitet, abgebildet und vermessen wird, worauf es bei Verbundfolien und Siegelnähten ankommt und wie Übersicht und Detail in einem Bericht zusammenkommen.

Wichtige Punkte im Überblick

Kein Mikroskop rettet einen schlechten Schnitt: Weiche Polymere verschmieren an der Messkante, Kanten runden sich beim Polieren ab, und die zu messende Grenzfläche muss schon beim Einbetten senkrecht zur Schnittebene ausgerichtet werden.
Wandstärke und Schichtdicke werden senkrecht zur Grenzfläche und an mehreren definierten Stellen gemessen, weil die Streuung über Umfang oder Bahnbreite die eigentliche Information ist.
Der Lagenaufbau einer Verbundfolie wird am Dünnschnitt im Durchlicht mit Polarisation sichtbar: Dort unterscheiden sich Polymere und Kleberschichten in Helligkeit und Farbe, wo sie im Auflicht als eine graue Fläche erscheinen.
Der Querschnitt einer Siegelnaht zeigt die tatsächlich verbundene Zone, die Restdicke im Siegelbereich, Einschlüsse in der Naht und den Übergang an der Nahtkante, der als Kerbstelle wirken kann.
Bei Poren und Schaumstrukturen liefert die automatische Flächenmessung Anzahl, Einzelflächen und Flächenanteil, und die Detailaufnahme trennt gewachsene Poren mit glatter Wandung von Ausbrüchen aus der Präparation.

Der Querschnitt entscheidet sich in der Vorbereitung: Probenpräparation als Engpass

Kein Mikroskop rettet einen schlechten Schnitt. Das ist die unangenehmste Aussage über diese Prüfaufgabe und in dokumentierten Anwendungen der wiederkehrende Engpass.

Bei Polymeren kommen dabei eigene Schwierigkeiten hinzu, die aus der Metallografie nicht bekannt sind. Weiche und thermoplastische Werkstoffe verschmieren unter dem Schnitt, und die verschmierte Zone liegt genau an der Kante, die gemessen werden soll. Beim Schleifen und Polieren wird Wärme eingetragen, und die Kante rundet sich ab. Elastomere reißen eher aus, als dass sie sich schneiden lassen. Bei dünnen Folien und Beschichtungen ist zusätzlich der Halt in der Einbettung das Problem, weil die Lage an der Grenzfläche ausbricht.

Aus der Praxis haben sich einige Grundsätze bewährt. Denken Sie den Ablauf von hinten: Welche Grenzfläche soll später gemessen werden, und liegt sie nach dem Einbetten senkrecht zur Schnittebene? Ein schräg getroffener Schnitt zeigt jede Schicht dicker, als sie ist. Kühl und mit scharfem Werkzeug trennen, und bei dünnen Aufbauten mit einem Stützmaterial arbeiten, das eine ähnliche Härte hat wie die Probe. Bei Folien ist ein Dünnschnitt oft der bessere Weg als ein eingebetteter Schliff, weil er im Durchlicht betrachtet werden kann.

Wandstärke und Schichtdicke wiederholbar messen

Am Bild eines Querschnitts ist das Messen selbst der einfache Teil. Wiederholbar wird es erst über den Ablauf.

Ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX bildet den Schnitt im Auflicht ab, bei dünnen Proben zusätzlich im Durchlicht, und misst Wandstärke und Schichtdicke im Bild. In dokumentierten Anwendungen liegen die gemessenen Schichten ab wenigen Mikrometern aufwärts, von einer funktionalen Beschichtung auf einem Polymersubstrat bis zur Einzellage in einem Verbund.

Vier Punkte machen die Messung belastbar:

Senkrecht zur Grenzfläche messen. Jede Abweichung von der Senkrechten macht den Wert zu groß.
An mehreren definierten Stellen messen. Eine Einzelstelle sagt nichts über die Verteilung. Interessant ist meist die Streuung über den Umfang oder über die Bahnbreite.
Die Kante sauber definieren. Polarisation und angepasste Beleuchtung heben die Grenzfläche hervor, wo sich zwei Polymere im Grauwert kaum unterscheiden.
Die Messvorlage speichern. Positionen, Auswertebereiche und Einstellungen gehören zum Prüfschritt, damit das nächste Muster identisch bewertet wird und die Einzelwerte als Liste in den Bericht gehen.

Taktile Schichtdickenmessgeräte sind hier die üblichen Vorgänger. In einem dokumentierten Fall war das Verfahren über die verlangte Spanne von wenigen bis zu einigen Dutzend Mikrometern nicht wiederholbar, was der Anlass für den Wechsel zur bildgestützten Messung am Schnitt war.

Verbundfolien und Kaschierungen: Lagenaufbau sichtbar machen

Bei Verbundfolien und kaschierten Aufbauten ist nicht nur die Gesamtdicke gefragt, sondern die Reihenfolge und die Dicke jeder Lage, dazu die Qualität der Haftung zwischen ihnen.

Sichtbar wird das im Durchlicht am Dünnschnitt, ergänzt um Polarisation. Unterschiedliche Polymere und Kleberschichten unterscheiden sich dort in Helligkeit und Farbe, wo sie im Auflicht als eine graue Fläche erscheinen. Typische Befunde sind eine zu dünne Barriere-Lage, ein fehlender Kleberauftrag über eine Strecke, ein Delaminationsspalt zwischen zwei Lagen und Lufteinschlüsse in der Kaschierung.

Für die Bewertung gehören zu jeder Lage die Dicke und ihre Position im Aufbau, gezählt von einer definierten Seite. Legen Sie diese Zählrichtung im Prüfplan fest, weil sonst zwei Berichte über dieselbe Folie unterschiedlich aussehen. Wo der Aufbau dreidimensional charakterisiert werden soll, etwa bei sehr dünnen Funktionsschichten oder bei einer strukturierten Grenzfläche, kann ein 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X die Betrachtung am Schnitt ergänzen.

Siegel- und Schweißnähte an Folie im Schnitt beurteilen

Eine Siegelnaht wird im Alltag über die Siegelfestigkeit geprüft. Warum eine Naht schlecht ist, zeigt aber erst der Schnitt.

Im Querschnitt lassen sich vier Dinge ablesen. Erstens die Breite der tatsächlich verbundenen Zone, die schmaler sein kann als die Werkzeugbreite. Zweitens die Restdicke im Siegelbereich, weil eine zu stark gequetschte Naht dünn und damit schwach wird. Drittens Einschlüsse und Fehlstellen in der Naht, etwa Produktreste oder eingeschlossene Luft. Viertens der Übergang an der Nahtkante, wo eine scharfe Einkerbung als Kerbstelle wirkt.

Bei laserbearbeiteten und geschweißten Folien kommt die Wärmeeinflusszone hinzu. In dokumentierten Anwendungen liegen die dabei beurteilten Breiten von Nähten und Kanälen im Bereich von Zehntelmillimetern, wobei die konkrete Aufgabe am eigenen Muster festzulegen ist. Gemessen wird jeweils senkrecht zur Folienebene und an mehreren Stellen entlang der Naht, weil die Naht über die Länge schwankt.

Poren, Blasen und Schaumstrukturen unter der Oberfläche

Was unter der Oberfläche liegt, ist an gefüllten und schwarzen Bauteilen optisch von außen nicht zugänglich. Der Schnitt macht es zählbar.

Bei Blasen und Poren in Spritzgussteilen und Profilen interessiert nicht die größte Blase, sondern die Verteilung. Die automatische Flächenmessung erfasst alle Hohlräume im gewählten Bereich und gibt Anzahl, Einzelflächen und Flächenanteil aus. Ein Punkt braucht Aufmerksamkeit: Ausbrüche aus der Präparation sehen im Bild wie Poren aus. Eine Detailaufnahme mit Tiefenzusammensetzung zeigt meist den Unterschied, weil eine gewachsene Pore eine glatte Wandung hat und ein Ausbruch eine frisch gebrochene Kante.

Bei Schaumstoffen ist die Struktur selbst die Messgröße. Zellgröße, Zellverteilung und Stegbreite bestimmen die mechanischen Eigenschaften, und alle drei kommen aus derselben Auswertung am Schnitt. Bei Faserverbunden gilt dasselbe für Faseranteil und Faserorientierung in der Schnittebene.

Übersicht und Detail im gleichen Bericht: Stitching und Tiefenschärfe

Ein Berichtsbild muss zwei Dinge leisten. Es soll den gesamten Schnitt zeigen, damit die Lage des Befunds erkennbar ist, und es soll im Detail genug auflösen, damit der Befund beurteilbar bleibt. Ein einzelnes Bild bei der nötigen Vergrößerung schafft das nicht.

Die zusammengesetzte Aufnahme löst das. Der motorisierte Objekttisch fährt die Schnittfläche ab, und die Einzelbilder werden zu einer durchgehenden Aufnahme verrechnet. Im fertigen Bild sollten keine Kachelgrenzen sichtbar bleiben, weil ein sichtbares Raster in einem Prüfbericht unnötig Fragen aufwirft. Die Tiefenzusammensetzung ergänzt das, weil eine Schnittfläche selten perfekt eben eingebettet ist.

In den Bericht gehören Maßstab, Beleuchtungsart, Vergrößerung und die Auswerteeinstellungen. Wer diese Angaben mitspeichert, kann eine Aufnahme Monate später identisch wiederholen, und ein Kunde oder ein Auditor kann die Auswertung nachstellen. Für Erstmusterprüfberichte ist genau das der Grund, warum die Auswertung ins Haus geholt wird.

Weiter führen der Hauptartikel „Fehleranalyse an Spritzgussteilen: Einfallstellen, Grate, Bindenähte und Risse beurteilen und belegen", der Beitrag „Bruchflächen und Risse an Kunststoffteilen: Schadensursache finden und Reklamationen belegen", der Beitrag „Partikel, Füllstoff und Kunststoffsorten unter dem Mikroskop: Granulat, Mahlgut und Sichtscheiben prüfen" und für Oberflächenkennwerte „Rauheit, Ebenheit und Kontur an Kunststoff und Elastomer berührungslos messen". Den industriellen Rahmen spannt die Übersichtsseite „Automatisierung und Qualitätssicherung in der Kunststoff- und Gummiverarbeitung".

Häufige Fragen

F Warum ist die Probenvorbereitung bei Kunststoffschnitten so kritisch?

Weiche und thermoplastische Werkstoffe verschmieren unter dem Schnitt, und die verschmierte Zone liegt genau an der Kante, die gemessen werden soll. Beim Schleifen und Polieren wird Wärme eingetragen und die Kante rundet sich ab, Elastomere reißen eher aus, und dünne Lagen brechen an der Grenzfläche aus der Einbettung aus. Klären Sie deshalb vor dem Einbetten, welche Grenzfläche gemessen wird, und richten Sie die Probe so aus, dass diese Fläche senkrecht zur Schnittebene liegt.

F Wie misst man eine Wandstärke oder Schichtdicke im Querschnitt zuverlässig?

Gemessen wird senkrecht zur Grenzfläche und an mehreren definierten Stellen, nicht an einer einzigen Position, weil die Streuung über den Umfang oder die Bahnbreite die eigentliche Information ist. Polarisation und angepasste Beleuchtung helfen, die Kante sauber zu definieren, wenn sich zwei Polymere im Grauwert kaum unterscheiden. Eine gespeicherte Messvorlage sorgt dafür, dass das nächste Muster identisch bewertet wird.

F Wie mache ich den Lagenaufbau einer Verbundfolie sichtbar?

Am besten an einem Dünnschnitt im Durchlicht, ergänzt um Polarisation, weil sich Polymere und Kleberschichten dort in Helligkeit und Farbe unterscheiden, wo sie im Auflicht als eine graue Fläche erscheinen. Dokumentiert werden Dicke und Position jeder Lage, gezählt von einer im Prüfplan festgelegten Seite. Typische Befunde sind zu dünne Barriere-Lagen, fehlender Kleberauftrag, Delaminationsspalte und Lufteinschlüsse.

F Was erkennt man an einer Siegelnaht im Querschnitt?

Die Breite der tatsächlich verbundenen Zone, die schmaler sein kann als die Werkzeugbreite, die Restdicke im Siegelbereich, Einschlüsse und Fehlstellen in der Naht sowie den Übergang an der Nahtkante, der als Kerbstelle wirken kann. Gemessen wird senkrecht zur Folienebene und an mehreren Stellen entlang der Naht, weil die Naht über die Länge schwankt.

F Wie unterscheide ich echte Poren von Präparationsausbrüchen?

Ausbrüche aus dem Schneiden, Schleifen und Polieren sehen im Übersichtsbild wie Poren aus und verfälschen den Porenanteil. Eine Detailaufnahme mit Tiefenzusammensetzung zeigt in der Regel den Unterschied, weil eine gewachsene Pore eine glatte Wandung hat und ein Ausbruch eine frisch gebrochene Kante. Im Zweifel hilft ein erneuter Feinschliff derselben Probe.

F Wie erstelle ich ein Übersichtsbild des ganzen Schnitts ohne sichtbares Raster?

Die Schnittfläche wird über einen motorisierten Objekttisch abgefahren und aus den Einzelaufnahmen ein durchgehendes Bild berechnet, kombiniert mit der Tiefenzusammensetzung für gleichmäßige Schärfe auch bei leicht schief eingebetteter Probe. Kachelgrenzen sollten im fertigen Bild nicht erkennbar sein. In den Bericht gehören zusätzlich Maßstab, Beleuchtungsart, Vergrößerung und Auswerteeinstellungen, damit die Aufnahme später wiederholbar ist.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Automatisierung und Qualitätssicherung in der Kunststoff- und Gummiverarbeitung: Der Überblick für Verarbeiter

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