In der Extrusion lassen sich Kosten gezielt durch den Einsatz geeigneter Messtechnologie abfangen, wie eine Beispielrechnung von Sikora zeigt.

Die Preise für Kunststoffe steigen. Extrudeure stehen dem nicht machtlos gegenüber, rechnet Sikora vor.

Wie Unternehmen steigende Rohstoffpreisen abfedern können

Extrusion

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Rohr- und Profilextrusion

Inline-Messtechnik

Messtechnik

Messtechnik ermöglicht erhebliche Materialersparnis in der Rohrextrusion

Der weiterentwickelte Schichtdickenmesser IndiSpectro Sensor der BST ProControl GmbH, Wenden, misst mit einer Genauigkeit von 0,02 µm. Er kommt vor allem im Zuge der Online-Messung bei der Produktion sehr dünner Folien, bei der Fertigung flachbahniger und nicht faseriger Materialien sowie bei Beschichtungen zum Einsatz. 

Mit einer Genauigkeit von 0,02 µm messen 

Lichtwellenmesstechnik

Dickenmessgeräte

Form- / Oberflächenmesstechnik

Schichtdickenprüfgeräte

Schichtdickenmessgerät IndiSpectro  

Die Ringstruktur macht das Wellrohr zum biegsamen Multitalent in Maschinen, Geräten und Fahrzeugen, ist für die Qualitätsüberwachung bis dato allerdings ein schwieriges Gelände. Durch die Ringe wechseln sich auf der Produktoberfläche glatte und gewellte Strukturen ab, die automatisch erkannt und nach unterschiedlichen Qualitätsmerkmalen kontinuierlich geprüft werden müssen. Genau das leistet nach Angaben der Pixargus GmbH, Würselen, nun ihr System ProfilControl 7 S CorrugatedTube. 

Ausschuss und Prozesskosten senken 

Bildverarbeitung, Machine Vision

Bildverarbeitungssysteme

Inline-Qualitätskontrolle von Wellrohren  

Das Angebot auf der K 2019 war vielfältig und reichte von ausgeklügelten Detailanwendungen bis hin zu prozessumfassenden Gesamtlösungen. In der Extrusionsbranche wurde der Aspekt Kreislaufwirtschaft von Entwicklungen zum Thema Industrie 4.0 dominiert.

Wo die Ausmaße zählen: das größte verfügbare Rohrwerkzeug mit verstellbarem Massespalt

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Qualität und Effizienz im Fokus von Weiter- und Neuentwicklungen

Farbmessgeräte

Optische Mess- und Prüftechnik

Messgeräte für Farbe

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung Kunststoff

Farbstoffe und Pigmente

Kunststoff Werkstoffe

Additive

Farbsensor

Sensoren / Messwertaufnehmer

Simulation

Software

Flachfolienanlagen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Extrusionsanlagen

Blasfolienextrusion

Farbkonzentrate (Batches)

Farbdosiergeräte

Spritzgießsimulation

Elektrische / Magnetische Messtechnik

Extrusionswerkzeuge

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Farben, flüssig

Compoundieren

Kunststoff-Aufbereitung

Neue Dimensionen in der Extrusion

Systeme zur Stichproben- oder Wareneingangskontrolle liefern Materialherstellern und -verarbeitern zentrale Informationen über Kontaminationen und eigene Herstellprozesse.

Probenträger mit Pelletprobe: Detektierte Kontaminationen werden farblich markiert. Am Monitor ausgewählte Pellets werden auf dem Probenträger per Fadenkreuz visualisiert

Mit automatischer Stichprobenkontrolle kombinierter Leuchttisch für Offline-Inspektion

Optische Mess- und Prüfverfahren

Verunreinigungen automatisch finden

Thermoplastischen Tapes wird Großes zugetraut. Sie sollen die nächste Generation der thermoplastischen Composites prägen. Dazu muss das Legen der Tapes hochgenau erfolgen. Allerdings darf die Tapeverarbeitung nicht zu aufwendig werden, damit die Wirtschaftlichkeitsrechnung aufgeht. Durch Kombination hochpräziser Steuerungssoftware mit Kameratechnik beim Tapelegen leistet Engel einen wichtigen Beitrag für den Durchbruch dieser Technologie.

Für eine hohe Fertigungseffizienz wird eine Tapelegezelle vorzugsweise mit zwei Robotern und einer Kamerastation ausgerüstet

Softwarebasiertes Tapelegen mit Kamera bereitet thermoplastischen Composites den Weg

Spritzgießen

Anlagen zur Composite-Herstellung

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

UD-Tapes

Verstärkungsstoffe

Kameras

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Automatisierungstechnik

Blick fürs Essenzielle

Das Auftreten von prozessspezifischen Fehlstellen im Nasswickelverfahren erfordert eine Überdimensionierung der Bauteile. Im vorgestellten Beitrag wird die Entwicklung einer Qualitätskontrolle zusammen mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus auf Basis einer Industriekamera vorgestellt, mit welchen sich Fertigungsabweichungen im zylindrischen Bereich von Druckbehältern ermitteln lassen.

Mit einer Industriekamera wird ein Druckbehälter während des Einlaufens von Faserbändern auf Fertigungsabweichungen untersucht.

Bildverarbeitungs-Software

Wickelmaschinen

Faserverarbeitung

Einsatz einer Industriekamera zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung des zylindrischen Bereichs von Typ-IV Druckbehältern im Nasswickelverfahren

Bislang sind die für eine Haftung zwischen thermoplastischen Kunststoffen und Metalloberflächen relevanten Wechselwirkungen in der Grenzfläche nicht vollständig erforscht. Dieser Beitrag beschreibt mögliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Thermoplasten und Metalloberflächen, die für eine Haftung zwischen den Materialien wichtig sind. Die erreichbare Haftung zwischen Kunststoff und Metalloberfläche wird experimentell an spritzgegossenen Verbunden aus Polyamid 6 bzw. Polybutylenterephthalat und Aluminium untersucht und durch Ausreißversuche quantifiziert.

Intermolekulare Wechselwirkungen durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einer Carbonylgruppe in Polyamid und einer Metallhydroxidoberfläche

Polybutylenterephthalat

Thermoplaste

Hybridwerkstoffe

Polyamide

Aluminium

Metall Werkstoffe

NE-Metalle

Kupfer

Oberflächentechnik

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Intermolekulare Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Haftung zwischen Kunststoffen und Metalloberflächen

Ziel der Arbeit war es transparente PC/PMMA-Blends mittels kontinuierlicher Reaktivextrusion unter Verbesserung mechanischer und optischer Eigenschaften herzustellen.

Blend

Kunststoffe

Photonik

Optik

Polymethylmethacrylat

Polycarbonat

Transparente PC/PMMA Blends: Einfluss der Funktionalisierung auf optische, morphologische und mechanische Eigenschaften

Am 20. und 21. Juni 2012 feierte die Firma Stein Maschinenbau ihr 50-jähriges Firmenjubiläum. Aus diesem Anlass wurde neben einer Abendveranstaltung mit etwa 100 geladenen Gästen, darunter auch Vertreter aus Politik und Wirtschaft, ein Open House mit Fachvorträgen und Vorführungen durchgeführt. 

Extrusions-Zubehör

Flachfolien- und Plattenextrusion

Extrusion: Jubiläum und Open House 

Steigende Energiekosten und verknappende Ressourcen stehen im Fokus der Entwicklungen von Maschinen- und Anlagenbauern. Begleitet wird dieser Trend durch den anhaltenden Wunsch nach Produktauslieferungen “just in time”. Diese Themen ziehen sich dabei durch sämtliche Anlagenkomponenten vom Extruder bis hin zu den Nachfolgeeinrichtungen. 

Rohr- und Profilextrusion: Energieeffiziente Produktion just in time 

Thermoplastische Rohre, die mit Polyurethan isoliert sind, eignen sich hervorragend, Medien zu transportieren, die sich hinsichtlich der Temperatur von der Umgebung unterscheiden. Wird als Mediumrohr ein hitzebeständiger vernetzter Kunststoff eingesetzt, kann das Gesamtrohr mit Isolierung und Schutzmantel sehr flexibel verlegt werden. 

Herstellung von thermoplastischen Rohren mit PUR-Isolation 

PUR-Schäummaschinen

Endlose Rohre im Mantel 

Kalibriertische zur Aufnahme von Kalibrierwerkzeugen und zur Versorgung der verschiedenen Bäder oder Tanks mit Vakuum und Kühlwasser übernehmen die Abkühlung der extrudierten Profile und sind mitverantwortlich für die Sollgeometrie. Da Kalibriertische nach dem Extruder die energieintensivsten Anlagenteile sind, bietet sich hier auch ein großes Potenzial an Energieeinsparungsmöglichkeiten. 

Kalibriertische bieten Möglichkeiten zur Energieeinsparung in der Profilextrusion 

Fundamente für die Profilpräzision 

Der Abkühlprozess bei der Herstellung von Rohren hat entscheidenden Einfluss auf die Qualität und Produktionskosten des Halbzeugs. Wie viel Optimierungspotenzial sich dahinter verbirgt, zeigt eine Abkühlsimulationssoftware, die eine Kühlstrecke als virtuelles Modell abbildet. Mit den Einstellungsempfehlungen werden Eigenspannungen reduziert und nachträgliches Tempern überflüssig. 

Simulationssoftware optimiert die Kühlstrecke bei der Rohrherstellung 

Abkühlvorhersage für Halbzeuge 

Die Herstellkosten extrudierter Halbzeuge werden heute maßgeblich von den Rohstoffkosten verursacht. Technologien zur Reduktion des Materialeinsatzes sind daher von großem Interesse. Mithilfe der Schaumextrusion lassen sich Rohstoffkosten einsparen, ohne zwingend Kompromisse bei der Wertigkeit der Produkte eingehen zu müssen. Nachrüstlösungen zum physikalischen Schäumen mit CO2 oder N2 erlauben die Herstellung geschäumter Produkte mit konventionellen Extrusionsanlagen. 

Gewinnen mit Schaum 

Berührungslose Messung mit Terahertz-Wellen im Mikrometer- bis Zentimeterbereich

Die Terahertz-Technik erlaubt berührungslose Inline-Messungen im Mikrometer- bis Zentimeterbereich. Wanddicken von Rohren, Schläuchen und anderen Extrusionsprodukten können direkt im Produktionsprozess geprüft werden.

Die Terahertz-Technik erlaubt berührungslose Inline-Messungen im Mikrometer- bis Zentimeterbereich. Wanddicken von Rohren, Schläuchen und anderen Extrusionsprodukten können direkt im Produktionsprozess geprüft werden. Unterschreitungen der Mindestdicke werden sofort erkannt, sodass Ausschuss vermieden wird.

Effiziente Produktionsprozesse verlangen einen wirtschaftlichen Rohstoffeinsatz. Der Materialeinsatz muss an der unteren Grenze der definierten Anforderungen liegen, ohne sie jedoch zu unterschreiten.

Bei einem angenommenen durchschnittlichen Massendurchsatz von etwa einer Tonne pro Stunde, 8000 Produktionsstunden im Jahr und einem Materialwert von 1500 EUR pro Tonne führt schon die Einsparung von einem Prozent Material zu einer Kostenersparnis in Höhe von 120 000 EUR im Jahr [1].

Material lässt sich beispielsweise durch reduzierte Wanddicken einsparen. Um Ausschuss zu vermeiden, darf dabei jedoch die Mindestschichtdicke nicht unterschritten werden. Zur Überwachung sind Prüfsysteme erforderlich, die direkt im Produktionsprozess integriert sind. Die Qualität eines Kunststoffrohrs wird durch die Kennzahlen Durchmesser, Wanddicke, Ovalität und Sagging (Absacken der Schmelze während der Erstarrung bei zu hoher Viskosität) definiert, die ein Inline-Prüfsystem möglichst in Echtzeit und frühzeitig im Prozess ermitteln muss.

Lange Zeit dominierten Ultraschallmessungen die Qualitätssicherung und Prozessüberwachung in der Kunststoffrohrproduktion. In das Extrudat werden Ultraschallwellen eingeleitet und deren Laufzeit gemessen. Mithilfe der materialspezifischen Schallgeschwindigkeit wird daraus die Wanddicke berechnet. Die Schallgeschwindigkeit ist stark temperaturabhängig, sodass die in der Extrusion üblichen Temperaturschwankungen eine exakte Wanddickenmessung erschweren. Der apparative Aufwand ist relativ hoch, da Ultraschallverfahren ein Koppelmedium, z. B. Wasser, zwischen dem Prüfkopf und dem Extrudat erfordern. Im Wasser können sich zudem Algen bilden, die die Messung behindern [1]. Alternativ erfassen laserbasierte Sensoren den Außendurchmesser, während röntgenbasierte Sensoren zusätzlich die Wandstärke und Ovalität bestimmen. Die Kombination beider Messtechniken ermittelt alle notwendigen Qualitätskriterien.

Das Terahertz-Verfahren als optische Methode arbeitet berührungslos und zerstörungsfrei und eignet sich dadurch als Inline-Prüfung (Bild 1). In zahlreichen Anwendungen hat das Verfahren bereits seine industrielle Reife und Eignung bewiesen.

Geringer Aufwand für die Prozessintegration

Terahertz-Wellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen den Millimeter- und Mikrowellen einerseits und der Infrarotstrahlung andererseits. Erstere werden von Radios, Mikrowellenöfen und Mobiltelefonen genutzt, letztere von Wärmebildkameras und Fernbedienungen. Der Frequenzbereich von Terahertz-Wellen liegt zwischen 100 Gigahertz (GHz) und 10 Terahertz (THz). Das entspricht dem Wellenlängenbereich von 3 mm bis 30 µm.

Zu den besonderen Eigenschaften von Terahertz-Wellen zählt ihr gutes Durchdringungsvermögen elektrischer Isolatoren wie Keramik, Glas und Kunststoff. Insbesondere unpolare Kunststoffe wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) sind für die Wellen weitgehend transparent. Polare Kunststoffe wie Polyamide (PA) weisen hingegen eine relativ starke Absorption auf. Wasser und elektrisch leitfähige Materialien wie Metalle können von Terahertz-Wellen kaum oder nicht durchdrungen werden und wirken oftmals als Spiegel. Terahertz-Wellen sind nicht ionisierend und somit für den Menschen unbedenklich. Das Prüfsystem muss deshalb nicht abgeschirmt werden. Insgesamt ist der apparative Aufwand sehr gering, weil Kopplungsmedien wie bei Ultraschallmessungen nicht erforderlich sind. Das erhöht die Akzeptanz in der Produktion und senkt die Integrationskosten.

Im Gegensatz zur Schallgeschwindigkeit sind die optischen Parameter wie Brechungsindex und Absorptionskoeffizient viel weniger temperaturabhängig. Für viele Materialien kann die Temperaturabhängigkeit sogar in engen Frequenzgrenzen vernachlässigt werden.

Messverfahren für unterschiedlich  dicke Schichten

Prinzipiell kommen zwei unterschiedliche Terahertz-Techniken zum Einsatz. Beim TDS-Verfahren (Time-Domain Spectroscopy) werden sehr kurze Terahertz-Impulse erzeugt, über deren Laufzeit die Dicken einzelner oder mehrerer Schichten bestimmt werden. Der Messbereich reicht von 10 µm bis zu wenigen mm. Die Reproduzierbarkeit ist besser als 1 µm. Mit diesem Verfahren lassen sich bis zu 50 Dickenmessungen in einer Sekunde durchführen [2].

Das zweite Verfahren basiert auf einem FMCW-Radar (frequency modulated continuous wave) und ermöglicht Schichtdickenmessungen im Bereich von 1 mm bis mehreren Zentimetern. Die Dickenmessung erfolgt ebenfalls über eine Laufzeitmessung. Einzelschichten und mehrlagige Schichten werden mit Messfrequenzen von bis zu 5000 Messungen pro Sekunde geprüft [3]. Beide Messverfahren lassen sich in ein Inline-Prüfsystem integrieren.

Für Prüfungen an großen ortsfesten Objekten oder im Feld, z.B. nach dem Schweißen von Kunststoffrohren oder dem Isolieren von Fernwärmerohren, steht ein mobiles System zur Verfügung. Fernwärmerohre können mit Ultraschall nicht geprüft werden, weil die Isolierung aus aufgeschäumten Materialien besteht, die den Schall zu stark dämpft. Für diese Messaufgaben wurde ein mobiles Terahertz-System entwickelt (Bild 2).

Anwendungsbeispiele aus  der Rohrproduktion

In den Beispielen soll die Wanddicke von ein- und mehrschichtigen Glattrohren direkt hinter dem Extruder und noch vor der ersten Kühlstrecke gemessen werden, um die Prozessregelstrecke möglichst kurz zu halten. Übliche Ultraschall-Systeme lassen sich hier aufgrund der erhöhten Rohrtemperatur und der plastischen Seele im Rohrinneren nicht einsetzen. Der Einsatz der Terahertz-Technologie konnte hier jedoch erfolgreich demonstriert werden.

In beiden Beispielen handelt es sich um ein geschäumtes Rohr, allerdings mit unterschiedlichen Wanddicken. Im ersten Beispiel wurde ein PP-Kunststoffrohr mit geschäumtem Kern untersucht (Bild 3). Für die zuverlässige Dickenbestimmung bei geringer Wandstärke wird das Signal durch einen Vergleich von Messung und Simulation in Echtzeit ausgewertet.

Im zweiten Beispiel wurde ein geschäumtes Polyvinylchlorid-Rohr (PVC) geprüft. Hier sind die einzelnen Schichten dicker und somit für beide Terahertz-Techniken zugänglich. Die Messergebnisse beider Methoden stimmen sehr gut überein (Bild 4). Eine zusätzliche Messung mit dem Terahertz-FMCW-Handscanner entlang des Umfangs erfasst die Dickenvariation der einzelnen Lagen.

Mit Ultraschall können Wellrohre aufgrund ihrer Oberflächenstruktur nicht im Produktionsprozess untersucht werden. Je kürzer die Welligkeit, das heißt, je mehr Wellen pro Strecke vorhanden sind, desto schlechter ist das Rohr zu prüfen. Terahertz-Prüfungen hingegen sind berührungslos und eignen sich zur Messung von Wellrohren. Dabei muss beachtet werden, dass nur von Rohrpositionen, die nahezu senkrecht zum einfallenden Messstrahl liegen, ausreichende Signale den Detektor erreichen. Die beiden untersuchten Wellrohre unterscheiden sich in der Zahl der Wellenberge pro Streckeneinheit und der Wellenhöhe (Höhendifferenz zwischen Wellenberg und -tal) sowie in Rohrdurchmesser und Wanddicke als auch in der Vorschubgeschwindigkeit (Bild 5). In beiden Fällen wurden die Wanddicken in Echtzeit ermittelt.

Die Terahertz-Technik ist eine vielfältig nutzbare industriereife Messtechnik, die in der kunststoffverarbeitenden Industrie von großem Nutzen ist und sich in den nächsten Jahren weiter verbreiten wird. Neben der Hardwareentwicklung der letzten Jahre liegt der Schlüssel zur Lösung vieler anwendungstechnischer Herausforderungen in der Signalmodellierung und -verarbeitung. Inzwischen stehen verschiedene Terahertz-Verfahren zur Verfügung. Neben Anwendungen in der Rohrproduktion wird diese Technik auch zur Dickenmessung an Schläuchen und von Beschichtungen auf Kunststoff eingesetzt, z. B. für Lackdickenmessungen an lackierten Stoßfängern.

[1] ZfP-Zeitung, Rubrik „Aus den Mitgliedsfirmen“, Ausgabe 162 (2018), Seite 42

[2] Jonuscheit, J.: Zerstörungsfreie Analyse – Schichtdicke von Mehrfachschichten online messen, QZ 59 (2014) 5, Seite 94 – 96

[3] Schreiner, N. S., Sauer-Greff, W., Urbansky, R. und Friederich, F.: All-Electronic High-Resolution Terahertz Thickness Measurements, 2018, 43rd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Nagoya, 2018, S. 1–2. doi: 10.1109/IRMMW-THz.2018.8510060

Fraunhofer ITWM  

https://www.itwm.fraunhofer.de

Ausgabe-2019-10

Bild 1. Detailaufnahme eines Terahertz-Sensors mit Spüleinrichtung zur Vermeidung von Wasser- und Staubablagerungen am Sichtfenster

Bild 2. Messaufbau mit Terahertz-FMCW-Handscanner: Messungen im Feld, z. B. an Fernwärmerohren, sind mit dem mobilen Terahertz-Sensor möglich

Bild 3. Wanddickenmessung an einem geschäumten PP-Rohr. Links: Messsignal und simulierter Signalverlauf, der zur Auswertung verwendet wird. Rechts: Prüfung der einzelnen Lagen entlang des Rohrs mit 40 Messungen pro Sekunde

Bild 4. Links: Vergleich der Wanddicken entlang des Rohrs. Die optische Weglänge entspricht dem Produkt aus geometrischer Dicke und Brechungsindex (ca. 1,7). Rechts: Verteilung der Wanddicken entlang des Rohrumfangs

Bild 5. Links: Wellrohr-Wanddickenmessung an den Positionen CH 1–4 entlang des Umfangs (3 cm Wellenhöhe, 130 mm Durchmesser, 4 m/min Vorschub). Rechts: 2,3 mm Abstand zwischen zwei Wellenbergen und 400 mm/s Vorschub

Terahertz-Prüfsystem zur Inline-Messung von Rohrwanddicken. Simultan an vier Positionen wird die Wanddicke von ein- und mehrlagigen Rohren ermittelt

07 ITWM - Hauptartikel

<b>Dr. Joachim Jonuscheit</b> ist seit 2006 stellvertretender Leiter der Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung am Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern; <a href="mailto:joachim.jonuscheit@itwm.fraunhofer.de">joachim.jonuscheit@itwm.fraunhofer.de</a>