IR-Messungen der Kunststofftechnik

Infrarot-Sensoren messen besser

Fertigung prozesssicher mit exakt geführter Temperatur
Thermoformen – mehrere Infrarot-Sensoren messen in Echtzeit das Temperaturprofil über die gesamte Bahnbreite.
In vielen kunststoffspezifischen Verarbeitungsverfahren ist das Einhalten vorgegebener Temperaturen ein prozess- und qualitätsbestimmender Faktor. Berührungslos arbeitende Messmethoden haben sich in verschiedenen Anwendungen besonders bewährt.

In der Kunststoffindustrie unterliegt das Herstellen und Prüfen von Produkten zahlreichen thermischen Prozessen. Sind die kritischen Stellen im Prozess bekannt, werden Pyrometer (Punkt-Messgerät) zur Temperaturmessung und -regelung eingesetzt. Zum Aufdecken von Schwachstellen haben sich Wärmebildkameras etabliert, beispielsweise die kompakte und schnelle PI-Wärmebildkamera von Optris. Mit Wärmebildkameras können thermische Abläufe visualisiert und so Prozesse optimiert oder überwacht werden.

Kunststoffverarbeiter produzieren ein ungeheuer breites Spektrum an Folien-basierten Produkten und nutzen dazu eine Vielzahl von Verfahrensvarianten. Je nach Rahmenbedingungen lassen sich Pyrometer und Wärmebildkameras in verschiedener Weise nutzen, um die Prozesse gezielt zu verbessern und abzusichern.

Prozesssteuerung beim Thermoformen

Ein wichtiges Einsatzfeld von Infrarot-Temperatursensoren ist der Einbau von Pyrometern in Thermoformmaschinen und Verpackungsanlagen. Beim Thermoformen wird das Ausgangsmaterial mit IR-Strahlern auf etwa 190 Grad Celsius erwärmt und thermisch homogenisiert. Eine hohe Homogenität über die Fläche und eine korrekte Einstellung der Umformtemperatur führen zu qualitativ hochwertigen Umformergebnissen. Ein definiertes Abkühlen in einer Kühlzone beendet den Prozess. Um eine gleichförmige Produktqualität des Materials zu erreichen und lokale Verbrennungen und Rissbildungen zu vermeiden, wird zunächst per PI-Wärmebildkamera das Temperaturregime beim Einfahren von Anlagen ermittelt und dann mit Pyrometern an ausgewählten Messpunkten geregelt. So ist es für den Anlagenbediener möglich, fortlaufend ein komplettes Temperaturprofil für alle verwendeten Produktchargen zu überwachen. Als Beispiel kann das Unternehmen Erkodent dienen, das Tiefziehmaschinen für Dentallabore liefert, auf denen unter anderem Mundschutz-Einlagen zum Schutz der Zähne bei sportlichen Aktivitäten hergestellt werden. Vor dem Formen des Einlagenrohlings einer Kunststofffolie wird er von einem Infrarotstrahler auf die Solltemperatur erwärmt. In bisherigen Anlagen wurde die Temperatur mit berührender Messung am Strahler ermittelt. Neuerdings nutzt Erkodent die Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung. Ein unterhalb der Infrarotheizung eingebautes Pyrometer Optris CS erfasst die Temperatur der Folie während der Erwärmung. Bei Erreichen einer vorgewählten Temperatur wird die Beheizung beendet und der Thermoform-Prozess beginnt.

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Oberflächenveredelung am Prägekalander überwachen

In dieser Anwendung wird Kunststoffmasse mit Breitschlitz-Extrudern zu einem Band extrudiert und anschließend mit gekühlten und beheizten Kalanderwalzen in mehreren Schritten auf die gewünschte Breite und Dicke kalandriert. Eine Oberflächenstruktur (Textur) wird vom Prägekalander eingebracht. Wie beim Thermoformen wird das Ausgangsmaterial im IR-Strahlerofen auf etwa 190 Grad Celsius erwärmt und thermisch homogenisiert. Über Rollen gelangt es zum beheizten Prägekalander, wo es seine produktspezifische Struktur erhält. Das definierte Abkühlen in einer Kühlzone beendet den Veredelungsprozess.

Um konstante Dicke, homogene Graduation und Tiefe der Struktur zu erhalten, ist ein konstantes und gleichmäßiges Temperaturprofil mit Abweichungen unter 5 K über die Bandbreite während des Prägeprozesses notwendig. Zur Kontrolle des Temperaturprofils beim Prägen nutzt der Verarbeiter bis zu 16 quer zur Vorzugsrichtung angeordnete, punktförmig messende Pyrometer Optris CT. Die Messwerte werden auf der Siemens-Steuerung visualisiert. So ist es möglich, die Temperaturdaten zur Überwachung des Prozesses zu nutzen und als Prozessparameter chargenspezifisch in der SPS zu hinterlegen.
Bei der Herstellung von Spritzgussteilen kommt es auf die Maßhaltigkeit an. Ist beim Entformen noch zuviel Wärme im Bauteil gespeichert, kommt es zum Verzug. Die PI-Wärmebildkameras leisten einen wichtigen Beitrag dazu, die Werkzeugtemperatur über die Heiz- und Kühlsysteme zu optimieren. Eine 100 Hz-Onlineüberwachung kann nach dem Entformen die maximale Bauteiltemperatur detektieren. So kann auf Temperaturschwankungen reagiert werden. Liegt die Temperatur im oberen Bereich der Spezifikation, muss die Schließzeit erhöht werden, liegt sie darunter, kann die Schließzeit verkürzt werden. Bisher wurde meist nur in Stichproben die Temperatur der Bauteile gemessen und sicherheitshalber eine längere Schließzeit eingestellt – eine Verschwendung von Kapazitäten. Abhilfe hat die PI-Wärmebildkamera geschaffen, die ohne Störung der Produktion und ohne die Teile zu berühren, die Temperatur überwacht. Die Produktivität stieg, da in derselben Zeit mehr Teile bei hoher Prozesssicherheit gefertigt werden.

Berührungslose Messung – das Prinzip

Die genannten Anwendungen zeigen deutlich die Vorteile der berührungslosen Temperaturmessung:

– Messen an bewegten, schwer zugänglichen und sehr heißen Objekten möglich.

– Messzeit im Millisekunden-Bereich.

– Rückwirkungsfreies Messen, keine Beeinflussung des Messobjekts.

– Hohe Standzeit und kein Verschleiß der Sensoren.

Die Infrarot-Temperaturmessung nutzt die elektromagnetische Eigenstrahlung der zu messenden Teile beziehungsweise deren Infrarotanteil. Eine Linse oder Eingangsoptik fokussiert die Strahlung auf ein Detektorelement, ähnlich wie eine Lupe sichtbares Licht bündelt. Das Detektorelement erzeugt ein zur einfallenden Strahlung proportionales elektrisches Signal. Der Messwert kann auf einem Display angezeigt oder als Signal ausgegeben werden.
Der Emissionsgrad ε hat zentrale Bedeutung bei der Temperaturbestimmung. Er gibt das Verhältnis aus dem realen Abstrahlwert eines Körpers und dem des „schwarzen Strahlers“ bei gleicher Temperatur an. Er ist maximal 1, was jedoch kaum ein Körper erreicht. Zur Kalibrierung der Sensoren werden in der Praxis häufig Strahlerflächen genutzt, die im gewünschten Wellenlängenbereich Emissionsgrade bis 0,99 erreichen.

Viele Körper haben einen über alle Wellenlängen konstanten Emissionsgrad, emittieren aber im Vergleich zum schwarzen Strahler weniger Strahlung. Sie werden graue Strahler genannt. Körper, deren Emissionsgrad unter anderem von Temperatur und Wellenlänge abhängen, beispielsweise Metalle, sind sogenannte selektive Strahler.

Ein Infrarotsensor empfängt neben der von einer Objektoberfläche abgegebenen Strahlung auch reflektierte Strahlung aus der Umgebung und unter Umständen durch den Körper gelangende Infrarotstrahlung. Es gilt:
ε + ρ + τ = 1
Dabei ist ε der Emissionsgrad, ρ der Reflexionsgrad und τ der Transmissionsgrad. Die meisten Körper haben keine Transmission im Infrarotbereich. Damit vereinfacht sich die Formel zu:
ε + ρ = 1
Das ist besonders praktisch, da es oft einfacher ist, die Reflexion zu messen als den Emissionsgrad zu bestimmen. Ziel sollte es jedoch immer sein, Körper mit einem hohen Emissionsgrad zu messen, um Fremdeinflüsse auszuschließen.

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