Röntgentechnologie in der Qualitätssicherung

Mehrschicht-Verbundrohre durchschaut

Laut einer Studie der KWD Global Pipe 2013 steigt das Produktionsvolumen von Mehrschichtverbundrohre weiter. Gleichzeitig steigen die Qualitätsanforderungen. Dementsprechend sind Prüfsysteme erforderlich, die bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten Fehler sicher detektieren. Ein Mittel dazu kann die Röntgentechnologie sein.

Röntgentechnologie soll in der Produktion von Verbundrohren für gesicherte Qualität und Kostenminimierung sorgen. (Quelle Sikora)

Ab Mitte der 1980er Jahre haben Mehrschicht-Verbundrohre häufig die noch verbliebenen Bleirohre in Hausinstallationen abgelöst, sich aber auch als Alternativen zu Kupferleitungen etabliert. Die verarbeiteten Mengen steigen weiterhin. Die Vorteile der Mehrschichtverbundrohre sind offensichtlich: Sie korrodieren nicht, sind flexibel und, so betonen die Anbieter, vergleichsweise kostengünstig. Trotzdem sind die Anbieter bestrebt, die Kosten weiter zu senken. Verschiedene Technologien der Qualitätssicherung sollen das unterstützen.

Anwendung, Aufbau und Qualitätsanforderungen
Mehrschichtverbundrohre werden unter anderem eingesetzt im Haustechnikbereich für Trinkwasser, als Heizungs- und Kühlungsinstallationen, im Boden und an der Wand. Gängige Durchmesser reichen von 14 bis 63 Millimeter, in Sonderfällen bis 110 Millimeter. Diese werden für die Wasserversorgung verwendet.

Mehrschicht-Verbundrohre bestehen typischerweise aus maximal fünf Schichten – einem Innenrohr aus PE, Haftvermittler, stumpf- oder überlappverschweißten Aluminiumtape, einer weiteren Haftvermittler-Schicht und Außenrohr aus PE. Mess- und Überwachungstechniken müssen das Einhalten der Spezifikationen hinsichtlich Schichtdicken und Geometrien möglichst toleranzarm sicherstellen. Die Wanddicke ist hersteller- und dimensionsabhängig. Spezifikationskonforme Rohre sind besonders für eine problemlose Weiterverarbeitung erforderlich, unter anderem für die problemlose Verbindung der Leitungen mit Fittings. Weiteres Ziel der Prüftechnik ist das Minimieren des Materialeinsatzes ohne Verlust an Produktqualität und -sicherheit.

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Die per Röntgentechnik gemessenen Werte stellt das System in Echtzeit dar. (Quelle Sikora)

Konventionell verfügbare Technologien zur Qualitätssicherung in Verbundrohr-Extrusionslinien basieren beispielsweise auf Ultraschalltechnik, dem Durchmesser-Differenzmessprinzip oder Gravimetrie. Diese Verfahren eignen sich für die klassische Durchmessermessung einlagiger Produkte, stoßen aber aufgrund ihrer Funktionsweise und Abhängigkeiten von Umgebungseinflüssen an ihre Grenzen.

Die Ultraschalltechnik ist für die Prüfung von Verbundrohren nur bedingt einsetzbar, da der Ultraschall nicht die als Dampfsperre eingesetzte Aluminiumschicht durchdringt. Somit sind die Wanddicken von Innenrohr, Dampfsperre und Außenrohr nicht messbar. Das Durchmesserdifferenz-Messprinzip basiert auf einem Vergleich der Messwerte, die vor und nach dem Extruder gemessen werden und ist daher nur für die äußere Schicht einsetzbar. Zudem liefert dieser Ansatz zwar Informationen über die Wanddicke, die Exzentrizität kann mit diesem Verfahren jedoch nicht ermittelt werden. Dementsprechend sind die Möglichkeiten, die Produktion hinsichtlich Qualität und Materialeinsparung zu optimieren, sehr begrenzt. Die gravimetrisch gesteuerte Materialmenge in der Extrusion liefert ebenfalls lediglich Anhaltspunkte für die Wanddicken, Exzentrität und andere Fehler lassen sich damit nicht ausschließen.

Die präzise und ausreichend schnelle Inline-Messung aller relevanten Produktparameter, ohne Abhängigkeiten von Umgebungs- oder Materialeinflüssen, verspricht der Einsatz der Röntgentechnologie.

Unterschiedliche Dämpfungen der Werkstoffe führen zu sichtbaren Kontrasten im Röntgenbild. (Quelle Sikora)

Röntgentechnik variabel einsetzbar
Je nach Anforderung wird die Prüftechnik direkt nach dem Extruder (Heißmessung) oder am Ende der Linie (finale Prüfung) installiert. Unmittelbar mit der 4-Punkt-Online-Messung werden Werte für Wanddicke, Exzentrizität, Innen- und Außendurchmesser und Ovalität ermittelt. Das Messsystem von Sikora reicht Daten an das Steuerungssystem Ecocontrol weiter, das die Werte in Echtzeit darstellen kann. Das System misst bis zu drei unterschiedliche Materialschichten. Bei den Verbundrohren entspricht das dem Außendurchmesser und der Wanddicke des PE-Innenrohrs, der Aluminimumschicht und des PE-Außenrohrs. Diese Messwerte sowie die Exzentrizität werden an acht Punkten am Prozessorsystem numerisch oder grafisch als Rohrquerschnitt angezeigt und ermöglichen dem Bediener, das Werkzeug optimal zu zentrieren.

Besonders effektiv ist der Einsatz des Röntgenmesssystems in Kombination mit dem Prozessorsystem, wenn die automatische Regelung der Liniengeschwindigkeit oder Extruderdrehzahl unter Berücksichtigung der Minimalwerte installiert ist. Die Regelung auf den Minimalwert ermöglicht es, die eingesetzte Materialmenge auf den Mindestwert zu senken, ohne die Prozesssicherheit einzuschränken, um Kosten zu sparen. Laut Hersteller ist es möglich, typisch 80 Mikrometer bei einem 2 Millimeter-Wanddicken-Übermaß – also 4 Prozent des Materials – einzusparen. Dies entspreche rund 100.000 Euro pro Jahr bei einem Ausstoß von 600 Kilogramm pro Stunde und 6000 Stunden Extruderlaufzeit pro Jahr bei einem zugrunde gelegten Materialpreis von 1,50 Euro pro Kilogramm.

Auch in Extrusionslinien, in denen ausschließlich die Messung einer Materialschicht gefordert ist, lässt sich die Röntgentechnik einsetzen. In diesen Anwendungen wird ein Messkopf mit integriertem Touchscreen genutzt. Er zeigt die relevanten Messwerte grafisch und numerisch an. Auch hier ist in Kombination mit einer Steuerung die automatische Regelung der Liniengeschwindigkeit und Extruderdrehzahl möglich.

Die Technik dahinter
Die Messtechnologie basiert auf einem bildgebenden Verfahren. Zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Röntgenröhren beleuchten das Rohr quer zu dessen Achse. Den beiden Röntgenröhren gegenüber ist jeweils ein Zeilensensor positioniert. Sie sind mit einem Szintillator belegt, der die empfangene Röntgenstrahlung in Licht umwandelt. Innerhalb von Millisekunden entsteht daraus ein Bild des Rohres. Während der laufenden Produktion werden so online kontinuierlich die Messwerte aufgenommen. Die Auswertung geschieht direkt aus dem Röntgenbild. Die Technologie erfordert keine Adaption an Materialien, ein Kopplungsmedium wie in der Ultraschalltechnik ist nicht erforderlich. Darüber hinaus ist die Technologie unabhängig von der Temperatur des extrudierten Materials.

Grundlegendes Prinzip des Röntgenmessverfahrens ist die unterschiedliche Dämpfung von Materialien, angelehnt an das Periodensystem der Elemente. Die Dämpfung (µ) der Röntgenstrahlung ist proportional zur Atomzahl hoch drei (µ~Z3). Beispielsweise besteht das Ethylenmonomer (PE) aus zwei Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen. Dies entspricht einer sehr geringen Dämpfung. Das Metall Aluminium weist 13 Protonen im Kern auf und hat damit eine stärkere Dämpfung als PE. Das Erfassen unterschiedlich dämpfenden Materials, führt letztlich zu einem sichtbaren Kontrast der einzelnen Schichten und eine mikrometer-genaue Messung der Rohrdimensionen.

Drei-Achs-Röntgenmessung
Speziell für die Verbundrohrfertigung bietet sich zur Qualitätssicherung eine Drei-Achs-Messung an. Die Messung in drei Ebenen ermöglicht eine Sechs-Punkt-Wanddickenmessung und in Kombination mit einer hohen Messrate die Detektion von Defekten wie Blasen zwischen Aluminium- und Kunststoffschicht, wie sie durch einen fehlenden Haftvermittler entstehen können. Bläschen reduzieren die Qualität des Produkts und führen zum Ausschuss. Verbundrohre werden typisch mit 30 Meter pro Minute gefertigt. Bei dieser Geschwindigkeit misst das Triax-Röntgenmessgerät das Rohr bei bis zu 100 Hertz im Abstand von 5 Millimeter. Kleine Bläschen und Fehler im Rohr sollen so zuverlässig detektiert werden. Damit sei ein zeit- und kostenaufwendiger Kugeltest, bei dem eine Kugel durch das Rohr geschossen wird, um mögliche Unregelmäßigkeiten im Rohr zu detektieren, nicht erforderlich. Neben Wanddicke, Außen- und Innendurchmesser sowie der Exzentrizität von bis zu drei Wanddicken misst das System die Ovalität des Rohrs. Die heute verfügbare Röntgentechnik deckt Produktdurchmesser von 0,7 bis 650 Millimeter ab, bei Verbundrohren bis 110 Millimeter.

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