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Undichte Stelle – Lichtmikroskopie zeigt Ursache

Am Beispiel des undichten Verschlusses eines kosmetischen Stifts wird die problemorientierte Schadensanalyse mittels mikroskopischer Methoden beschrieben. Die Lichtmikroskopie erlaubt es, durch unterschiedliche Abbildungs­bedingungen weitreichende Analysen an Kunststoffen und Spritzgussteilen vorzunehmen.

Mikroskopische Schadensanalyse

Ein Schaden ist definiert als eine Veränderung an einem Bauteil, durch die seine vorgesehene Funktion beeinträchtigt wird. Dabei muss es sich nicht unbedingt um einen Bruch handeln. Auch kleinere Verunreinigungen oder Verfärbungen können ausreichen, damit ein Bauteil nicht mehr akzeptiert wird. Die problemorientierte Vorgehensweise zur Ermittlung der Schadensursache lässt sich an folgendem Beispiel darstellen: Der Verschluss eines kosmetischen Stifts ist undicht, so dass Flüssigkeit im Bereich der Kappe austritt. Die Undichtigkeit soll dem Vernehmen nach erst nach einigen Tagen auftreten, aber nicht jedes Bauteil ist gleich stark betroffen. Die problemorientierte Schadensanalyse beginnt im Allgemeinen mit einer Informationsphase, innerhalb welcher der Schaden dokumentiert und beschrieben wird, sowie Hintergrundinformationen zum Bauteil (zum Beispiel Funktionsprinzip) und seiner Vorgeschichte ermittelt werden.

Die Flüssigkeit in dem Stift wird über eine Kugel aufgetragen. Immer wenn sich die Kugel dreht, wird etwas Flüssigkeit mit der Kugel an die Spitze transportiert. Die Abdichtung erfolgt nicht über das Gewinde, sondern ein Ring innerhalb der Kappe drückt die Kugel nach unten, so dass diese auf der Unterseite fest gegen eine Dichtfläche gepresst wird. Die Analyse mehrerer Verschlusskappen zeigt, dass diese Funktion bei allen getesteten Kappen gegeben ist. Nach dem Aufschrauben der Kappe ließ sich die Kugel nicht mehr bewegen.

Lichtmikroskopische Analyse

In einem nächsten Schritt wurde die Dichtfläche unterhalb der Kugel lichtmikroskopisch analysiert. Bei einem Neuteil erschien diese auf den ersten Blick unauffällig. Bei den undichten Stiften ist an der Dichtfläche jedoch immer einseitig ein feiner Riss zu erkennen, der sich bei Druckbelastung durch die Kugel aufweitet, sodass hierdurch prinzipiell Flüssigkeit austreten kann. Der Riss liegt exakt gegenüber des Anspritzpunktes und somit genau an der Bindenaht, also der Stelle, an der sich bei der Spritzgieß-Fertigung die Polymerfronten treffen, wenn sie auf beiden Seiten das Loch umfließen.

Die Bindenaht und die im Bauteil vorhandenen Spannungen können mit der Polarisationslichtmikroskopie auch am Neuteil sichtbar gemacht werden. Durch die Vorzugsorientierung der Polymerketten kommt es zur optischen Doppelbrechung, die sich als Farbe in der Aufnahme widerspiegelt. Die Bindenaht ist je nach Nest unterschiedlich stark ausgeprägt. Eine Bindenaht stellt prinzipiell eine Schwachstelle eines Bauteils dar, speziell wenn folgende Spritzguss-Parameter zu niedrig sind: Einspritzgeschwindigkeit, Nachdruck, Massetemperatur und/oder Werkzeugtemperatur.

Eine Simulation mit Neuteilen ergab: Direkt nach dem festen Zuschrauben der Verschlusskappe ist noch kein Riss in der Dichtfläche zu erkennen. Dieser bildet sich erst über einen Zeitraum von einigen Tagen. Unter rein mechanischer Belastung ist die Rissbildung noch so gering, dass kein Austreten von Flüssigkeit zu erwarten wäre. Bei mechanischer Einwirkung und gleichzeitigem Kontakt mit der Flüssigkeit wird die Spannungsrissbildung im Bereich der schlecht ausgeprägten und damit geschwächten Bindenaht verstärkt, und der Riss ist nach einigen Tagen deutlich größer.

Das Beispiel zeigt, dass die Lichtmikroskopie durch unterschiedliche Abbildungs­bedingungen weitreichende Analysen an Kunststoffen und Spritzgussteilen erlaubt. Mit ihrer Hilfe war es im vorliegenden Fall möglich, die Schadensursache zu ermitteln und Maßnahmen zur Schadensabhilfe und Schadensvorbeugung abzuleiten. Dabei kommt es jedoch nicht nur auf die richtige Vorgehensweise, sondern auch auf die fachgerechte Interpretation und die Erfahrung des Mikroskopikers an.

Weitere Methoden
Neben der Lichtmikroskopie stehen bei Analytik Service Obernburg weitere Techniken zur Schadensaufklärung Verfügung. Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM-EDX) kann die Elementzusammensetzung von Verunreinigungen ermittelt werden, und die IR-Spektroskopie hilft organische Komponenten genauer zu analysieren. Kombiniert mit der richtigen Präparationstechnik (zum Beispiel Mikrotomquerschnitte) lassen sich auch kleine Einschlüsse punktgenau analysieren. Manche Fragestellungen lassen sich aber auch erst durch die Kombination verschiedener Techniken lösen. Die kompetente Schadensanalyse in einem unabhängigen Labor entlastet die Verantwortlichen und hilft, durch Schadensvorbeugung die Qualität zu verbessern, Ausfallzeiten zu vermeiden und Kosten zu sparen.

Das Bild zeigt die Bindenaht und visualisiert Spannungen in einem Neuteil mittels Polarisationslichtmikroskopie.
(Foto: Analytik Service Obernburg)
 

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Ansprechpartner:

Rainer Ziel
Rainer Ziel
Schadensanalytik, Mikroskopie und Oberflächenanalytik
+49 6022 81-2645
r.ziel@aso-skz.de
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