SB_21544NLP

2023
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Die ECT-Tomographie
alsVerfahren zur
kontinuierlichen
Inline-Überwachung
der Homogenität von
Klebstoffen und
Vergussmassen

Die ECT-Tomographie als
Verfahren zur kontinuierlichen
Inline-Überwachung der
Homogenität von Klebstoffen
und Vergussmassen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.544 N
DVS-Nr.: 08.3339
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik
und Angewandte Materialforschung
IFAM -
Klebtechnik und Oberflächen
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.544 N / DVS-Nr.: 08.3339 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 581
Bestell-Nr.: 170691
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Schlussbericht vom 07.12.2023
zu IGF-Vorhaben Nr. 21.544 N
Thema
Die ECT-Tomographie als Verfahren zur kontinuierlichen Inline-Überwachung der
Homogenität von Klebstoffen und Vergussmassen
Berichtszeitraum
01.12.2020 bis 31.05.2023
Forschungsvereinigung
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS
Forschungseinrichtung(en)
1. Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (Bremen)

Seite i des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
Danksagung und Förderhinweis
An dieser Stelle wird dem projektbegleitenden Ausschuss für die gute Zusammenarbeit und die
produktive Diskussion während der gesamten Projektlaufzeit gedankt. Darüber hinaus gebührt den
Firmen des projektbegleitenden Ausschusses ein großer Dank für die Bereitstellung von Anlagen,
Klebstoffen sowie sonstiger Verbrauchsmaterialien.
Das IGF-Vorhaben 21.544 N der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des
DVS wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK)
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für die finanzielle Förderung und die
organisatorische Betreuung sei an dieser Stelle gedankt. Weiterer Dank gilt allen kooperierenden
Industriepartnern für die gute Zusammenarbeit im Rahmen des Projektes.

Seite iii des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
Inhaltsverzeichnis
1. Problemstellung und Zielsetzung ........................................................................................... 1
1.1. Problemstellung und Zielsetzung ............................................................................................ 1
1.2. Lösungsansatz .......................................................................................................................... 2
2. Technischer Hintergrund ....................................................................................................... 3
2.1. Einführung: Qualitätssicherung in der Klebtechnik ................................................................. 3
2.2. Allgemeine Einführung Tomografieverfahren ......................................................................... 6
2.3. Elektrische Kapazitätstomografie .......................................................................................... 12
2.3.1. Einführung in die elektrische Kapazitätstomografie ............................................................. 12
2.3.2. Definition und Messung von Permittivitäten ........................................................................ 13
2.3.3. Permittivität von Mischungen ............................................................................................... 15
2.3.4. Relative Permittivität von Klebstoffen .................................................................................. 18
2.3.5. Ablauf einer ECT-Messung .................................................................................................... 19
2.3.6. Normierungsverfahren .......................................................................................................... 20
2.3.7. Rekonstruktionsverfahren ..................................................................................................... 26
3. Ergebnisse Arbeitspaket 1 ................................................................................................... 31
3.1. Anforderungen für den Einsatz der ECT in der Klebtechnik .................................................. 32
3.2. Klebstoffauswahl ................................................................................................................... 33
4. Ergebnisse Arbeitspaket 2 ................................................................................................... 34
4.1. Beurteilung einer kommerzielle ECT ..................................................................................... 35
4.2. Schutz der Sensorik ............................................................................................................... 37
4.2.1. Liner ....................................................................................................................................... 37
4.2.2. Einfluss des Liners .................................................................................................................. 38
4.3. Entwicklung einer klebtechnisch orientierten Software zur Auswertung
von ECT-Messungen ................................................................................................................. 42
4.3.1. Zielsetzung der Softwareentwicklung ................................................................................... 42
4.3.2. Umsetzung und Implementierung ........................................................................................ 43
4.3.3. Anpassung der ECT ................................................................................................................ 45
4.3.4. Test der klebtechnischen Anpassungen ................................................................................ 49
4.3.5. Grenzen der Liner-Korrektur ................................................................................................. 53
4.3.6. Betrachtung der Rekonstruktionsalgorithmen...................................................................... 54
iii

Seite iv des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
4.4. Definition ECT-Eignungsindex................................................................................................ 57
5. Ergebnisse Arbeitspaket 3 ................................................................................................... 59
5.1. Übersicht ............................................................................................................................... 59
5.2. Methode zur Messung der Permittivität von Klebstoffen .................................................... 60
5.2.1. Vorüberlegungen und Konstruktion ...................................................................................... 60
5.2.2. Messablauf ............................................................................................................................ 62
5.2.3. Kalibrierung und Verifikation ................................................................................................ 63
5.3. Messung der Permittivität von Klebstoffkomponenten ....................................................... 66
5.4. Messung der Permittivität von Gemischen ........................................................................... 69
5.4.1. Ausführliche Darstellung der Systematik am Beispiel von EPX_A2 ....................................... 69
5.4.2. Bestimmung ECT-Eignungsindex ........................................................................................... 72
5.4.3. Ergebnisse und Daten weiterer Klebstoffe............................................................................ 73
5.5. Einfluss des Härtungsgrades .................................................................................................. 74
5.6. Einfluss von Füllstoffen .......................................................................................................... 75
6. Ergebnisse Arbeitspaket 4 ................................................................................................... 81
6.1. Detektion des Mischungsverhältnisses ................................................................................. 82
6.1.1. Setup ...................................................................................................................................... 82
6.1.2. Referenzmessung am Klebstoff EPX_A2 ............................................................................... 84
6.1.3. Einfluss der Normierung ........................................................................................................ 86
6.1.4. Einfluss der Value-Korrektur ................................................................................................. 87
6.1.5. Einfluss der Liner-Korrektur................................................................................................... 88
6.1.6. Einfluss des Liners .................................................................................................................. 89
6.1.7. Optimierte Referenzierung ................................................................................................... 91
6.2. Detektion der Inhomogenität „Luftblasen“........................................................................... 96
6.2.1. Setup ...................................................................................................................................... 96
6.2.2. Ergebnisse.............................................................................................................................. 98
6.3. Detektion der Mischungsgüten ........................................................................................... 101
6.4. Zusammenhänge Betrachtung ............................................................................................ 104
6.4.1. Parameterstudie zum ECT-Eignungsindex und zur Eignung von Klebstoffen ..................... 105
7. Ergebnisse Arbeitspaket 5 .................................................................................................. 109
7.1. Übersicht ............................................................................................................................. 109
7.2. Konzept zur Integration in Applikationsprozesse ................................................................ 110
iv

Seite v des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
7.3. Softwarekonzept ................................................................................................................. 112
7.4. Konzept zur Visualisierung .................................................................................................. 115
7.5. Bewertung des Konzeptes anhand der Anforderungen ...................................................... 116
8. Ergebnisse Arbeitspaket 6 .................................................................................................. 117
8.1. Übersicht ............................................................................................................................. 117
8.2. Ziel der Versuche ................................................................................................................. 118
8.3. Anlage und Aufbau .............................................................................................................. 118
8.4. Ergebnisse............................................................................................................................ 121
8.4.1. Messung des Mischungsverhältnisses bei Strömung .......................................................... 121
8.4.2. Einfluss der Temperatur ...................................................................................................... 122
8.4.3. Einfluss des Volumenstroms ............................................................................................... 123
8.4.4. Einfluss von eingebrachter Luft im Klebstoff ...................................................................... 124
8.4.5. Kombinierter Einfluss .......................................................................................................... 125
8.4.6. Einfluss des Linerwechsels .................................................................................................. 126
9. Ergebnisse Arbeitspaket 7 .................................................................................................. 127
9.1. Übersicht ............................................................................................................................. 127
9.2. Aufbau des Technologie-Versuchsstandes .......................................................................... 128
9.3. Funktionstest ....................................................................................................................... 130
9.3.1. Einfahren der Anlage ........................................................................................................... 130
9.3.2. Betrachtung des Startverhaltens und Fehldosierungen ...................................................... 131
9.3.3. Simulation instationärer Zustände ...................................................................................... 132
9.4. Investitionskosten des Systems ........................................................................................... 133
10. Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen ............................................................... 134
11. Zusammenfassung des Projektverlaufes ............................................................................. 136
11.1. Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und der Ergebnisse mit den Zielen ....... 136
11.2. Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung der Forschungsergebnisse für kleine
und mittlere Unternehmen (KMU) ......................................................................................... 137
11.3. Verwendung der Zuwendung .............................................................................................. 138
11.4. Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten .......................................... 138
11.5. Ergebnistransfer .................................................................................................................. 139
11.5.1. Spezifische Transfermaßnahmen während der Projektlaufzeit .......................................... 139
11.5.2. Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach Ablauf des Vorhabens ............................ 140
v

Seite vi des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
11.5.3. Veröffentlichungen und geplante Veröffentlichungen ....................................................... 140
11.5.4. Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzeptes .................................................. 141
Literaturverzeichnis ..................................................................................................................... I
Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................. VIII
Tabellenverzeichnis ................................................................................................................... XII
Abkürzungen ........................................................................................................................... XIII
Formelzeichen .......................................................................................................................... XIV
vi

Seite 1 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
1. Problemstellung und Zielsetzung
1.1. Problemstellung und Zielsetzung
Kleben - als innovatives Fügeverfahren - ist in vielen Industrien zum Standard geworden. Dennoch ist
Kleben mehr als das simple Verbinden zweier Fügeteile mit Hilfe eines Klebstoffes. Es ist ein komplexer
Fügeprozess mit vielen qualitätsbeeinflussenden Einflussgrößen und damit vielen potenziellen
Fehlerquellen. Eine qualitativ hochwertige Klebung setzt die Einhaltung definierter Randbedingungen
voraus. Beispielhaft seien hier eine adäquate Vorbereitung der Fügeteile und die Einhaltung definierter
Prozessbedingungen genannt. Abweichungen von diesen Randbedingungen können zu fehlerhaften
Klebungen und immensen Schäden führen. Eine Hauptursache für fehlerhafte Klebungen stellen
Anwendungsfehler dar. Insbesondere die Verarbeitung zweikomponentiger Klebstoffe stellt aufgrund
der zusätzlichen Prozessschritte „Dosieren“ und „Mischen“ erhöhte Anforderungen an den Klebprozess
und das klebtechnische Personal. Die Einhaltung des klebstoffspezifischen Mischungsverhältnisses und
eine homogene, blasenfreie Durchmischung bilden die Basis für eine qualitativ hochwertige Klebung.
Um die Qualität von Klebungen konstant gewährleisten zu können, wird an passenden
Qualitätssicherungskonzepten gearbeitet. Eine lückenlose Überwachung und Dokumentation
prozessrelevanter klebtechnischer Parameter, zu denen das Mischungsverhältnis und die Homogenität
des gemischten Klebstoffes zählen, ist hierbei fundamental. Stand der Technik zur Überwachung des
Mischungsverhältnisses in Dosieranlagen ist die Auswertung anlagenspezifischer Kenngrößen, wie
beispielsweise den Druckverhältnissen an verschiedenen Positionen des Dosierstranges und die
Überwachung charakteristischer Pumpenparameter (Drehzahl / Kolbenposition). Alternativ erfolgt der
Einbau von Messzellen zur getrennten Detektion der Volumenströme von Harz und Härter. Diese
Verfahren haben unter anderem den Nachteil, dass das Mischungsverhältnis nur indirekt ermittelt
werden kann. Zudem sind Fehler in der Durchmischung (Abweichungen der Mischungsgüte) und der
Eintrag von Gasblasen nicht detektierbar. Derzeit gibt es keine direkte Methode zur kontinuierlichen
Überwachung des Mischungsverhältnisses und der Homogenität des Klebstoffes während des
Dosierprozesses.
Im Rahmen des vorliegenden Projektes wird als Lösungsansatz die elektrische Kapazitätstomografie
(ECT) betrachtet. Die ECT ermöglicht im Allgemeinen die Detektion räumlicher Materialverteilungen
mit Hilfe kapazitiver Messungen. Aus der gemessenen Materialverteilung lässt sich im Anschluss das
vorliegende Mischungsverhältnis ableiten. Obwohl die ECT vor über 50 Jahren entwickelt wurde und
in einigen Industrien (Lebensmittel- und Getränkeindustrie) eingesetzt wird, ist diese Technologie für
die Klebtechnik gänzlich neu. Das Ziel des Projektes ist es, die Grundlagen für den Einsatz der ECT in
der Klebtechnik zu schaffen und die ECT praxistauglich zu machen.
1

Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
1.2. Lösungsansatz
Die aufgezeigte Zielsetzung wird in acht Arbeitspaketen verfolgt. Die Bearbeitungsschritte des
Projekts laufen aus der industriellen Praxis kommend, zum Erkenntnisgewinn im Laborversuch und
nach der Optimierung zurück in die industrielle Praxis. Sie beginnen bei der Aufstellung von
Anforderungen an ein inline-Messsystem zur Detektion von Mischfehlern aus der industriellen
Praxis mit Hilfe des PA (AP1). Die Anforderungen des PA werden systematisch durch die
Anpassung des Sensors und der Auswerte-Algorithmen aufgenommen (AP2). Gleichzeitig erfolgt
die dielektrische Charakterisierung von Klebstoffen und die Untersuchung von Möglichkeiten zur
Modifikation ungeeigneter Klebstoffe (AP3). Mit den ausgewählten Sensoren, Algorithmen und
Materialien erfolgen erste Testmessungen der Homogenität im Laboraufbau, dabei ist der Sensor
noch nicht an eine Dosieranlage gekoppelt (AP4). Im nächsten Schritt werden die Erkenntnisse und
das optimierte ECT-System in ein Gesamtkonzept zur Detektion von Mischfehlern überführt
(AP 5). Im Anschluss wird das Konzept zur Messung durchströmender Medien getestet und
fehlende Parameter ermittelt. Geplante Fehler in der Homogenität werden erzeugt und deren
Detektierbarkeit geprüft. Die Prüfalgorithmen werden kontinuierlich optimiert (AP6). Das Projekt
schließt mit dem Aufbau einer praxisnahen Testanwendung (AP7), die für den Transfer der
Ergebnisse in die Industrie auch nach Projektabschluss verfügbar bleibt (AP8).
Abbildung 1 - Projektübersicht
2

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21.544 N
2. Technischer Hintergrund
2.1. Einführung: Qualitätssicherung in der Klebtechnik
Was ist Produktqualität? Für den Laien obliegt die Definition von guter oder schlechter Produktqualität
der individuellen Beurteilung jedes Einzelnen und ist eng mit der Erfüllung bestimmter Erwartungen an
ein Produkt verknüpft. Oft ist mit der Entscheidung für ein bestimmtes Produkt eine Erwartungshaltung
verbunden. Crosby versuchte bereits 1980 den Qualitätsbegriff zu objektivieren und definierte Qualität
als „die Erfüllung von definierten Anforderungen“ [1,p.13-20]. Eine vergleichbare Definition wurde mit
der DIN ISO 9000 eingeführt, welche Qualität als „Grad, in dem ein Satz inhärenter Merkmale eines
Objekts Anforderungen erfüllt“ bezeichnet [2].
Ein Produkt guter Qualität hat demnach nicht zwingend den Anspruch, die höchsten (Kunden-)
Anforderungen zu erfüllen. Vielmehr zeichnet sich ein Produkt guter Qualität dadurch aus, nach der
Produktion und über die gesamte Lebensdauer des Produktes stets über dieselben, vom Hersteller
definierten, charakteristischen Eigenschaften zu verfügen. [3]
Analog kann der Begriff „Qualität“ im Sinne der Klebtechnik definiert werden. Eine qualitativ
hochwertige Klebung verfügt stets über dieselben vorab festgelegten Eigenschaften und erreicht
demnach nicht automatisch maximale Festigkeitskennwerte oder eine maximale Lebensdauer, sondern
die bei der Auslegung definierte Eigenschaften. [4,5]
Eine konstante Qualität während der Herstellung zu gewährleisten, ist Aufgabe der Qualitätssicherung.
Das Ziel der Qualitätssicherung ist es, die zuvor definierten Eigenschaften zu garantieren und deren
Einhaltung zu überprüfen [6]. Im Kontext der Klebtechnik ist diese Anforderung an die
Qualitätssicherung nicht trivial. Kleben gilt im Sinne der DIN 9001 als sogenannter "Spezieller Prozess"
[7]. Dies bedeutet, dass die Qualität von Klebungen, insbesondere deren mechanischen Eigenschaften,
nicht vollständig durch zerstörungsfreie Methoden geprüft werden können. Um die Qualität einer
Klebung dennoch gewährleisten zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, die gesamte
Prozesskette - beginnend bei den Rohstoffen bis zum geklebten Endprodukt - zu betrachten [8,9]. Etwa
90 % der fehlerhaften Klebungen gehen auf Anwendungsfehler zurück [8]. Diese Fehler reichen von
einer ungenügenden Vorbereitung der Fügeteiloberflächen bis zu einer fehlerhaften Verarbeitung des
Klebstoffes.
Daher werden vermehrt technische Möglichkeiten zur automatisierten und inlinefähigen Überwachung
kritischer qualitätsbeeinflussender Parameter entwickelt. Jedes dieser Systeme ist in der Lage, einen Teil
der klebtechnischen Prozesskette zu überwachen. Beispielhaft seien an dieser Stelle der patentierte
Aerosol Wetting Test zur Überwachung der Fügeteiloberfläche [10] oder kamerabasierte Systeme zur
3