يعد قياس درجة الحرارة المتسق والدقيق أمرًا بالغ الأهمية في صناعة البلاستيك لضمان التشطيب الصحيح للمنتجات المشكلة بالحرارة.في كل من تطبيقات التشكيل الحراري الثابتة والدوارة، تنتج درجة حرارة التشكيل المنخفضة ضغوطًا في الجزء المُشكل، في حين أن درجات الحرارة المرتفعة جدًا يمكن أن تسبب مشاكل مثل ظهور تقرحات وفقدان اللون أو اللمعان.
في هذه المقالة، سنناقش كيف أن التطورات في قياس درجة الحرارة غير المتصلة بالأشعة تحت الحمراء (IR) لا تساعد عمليات التشكيل الحراري على تحسين عمليات التصنيع ونتائج الأعمال فحسب، بل تتيح أيضًا الامتثال لمعايير الصناعة لجودة المنتج النهائي وموثوقيته.
التشكيل الحراري هو العملية التي يتم من خلالها جعل لوح البلاستيك الحراري ناعمًا ومرنًا عن طريق التسخين، ويتم تشويهه ثنائي المحور عن طريق إجباره على تشكيل شكل ثلاثي الأبعاد.قد تتم هذه العملية في وجود أو عدم وجود العفن.يعد تسخين لوح اللدائن الحرارية أحد أهم المراحل في عملية التشكيل الحراري.تستخدم آلات التشكيل عادةً سخانات من النوع الساندويتش، والتي تتكون من ألواح سخانات الأشعة تحت الحمراء أعلى وأسفل مادة الصفائح.
تؤثر درجة الحرارة الأساسية لصفيحة اللدائن الحرارية وسمكها ودرجة حرارة بيئة التصنيع على كيفية تدفق سلاسل البوليمر البلاستيكية إلى حالة قابلة للتشكيل وإعادة تشكيلها إلى هيكل بوليمر شبه بلوري.ويحدد التركيب الجزيئي المجمد النهائي الخصائص الفيزيائية للمادة، فضلا عن أداء المنتج النهائي.
من الناحية المثالية، يجب أن يتم تسخين لوح اللدائن الحرارية بشكل موحد إلى درجة حرارة التشكيل المناسبة.يتم بعد ذلك نقل الورقة إلى محطة التشكيل، حيث يضغطها أحد الأجهزة على القالب لتشكيل الجزء، إما باستخدام الهواء المضغوط أو الفراغي، وأحيانًا بمساعدة سدادة ميكانيكية.وأخيرا، يتم إخراج الجزء من القالب لمرحلة التبريد من العملية.
غالبية إنتاج التشكيل الحراري يتم عن طريق آلات التغذية باللف، في حين أن آلات التغذية بالصفائح مخصصة للتطبيقات ذات الحجم الأصغر.مع العمليات ذات الحجم الكبير جدًا، يمكن تبرير نظام التشكيل الحراري المتكامل والمتكامل تمامًا والمغلق الحلقة.يستقبل الخط المواد البلاستيكية الخام ويتم تغذية الطارد مباشرة إلى آلة التشكيل الحراري.
تتيح أنواع معينة من أدوات التشكيل الحراري إمكانية قص المادة المشكلة داخل آلة التشكيل الحراري.يمكن تحقيق دقة أكبر في القطع باستخدام هذه الطريقة لأن المنتج وخردة الهيكل العظمي لا يحتاجان إلى إعادة تحديد موضعهما.البدائل هي حيث يتم فهرسة الورقة المشكلة مباشرة إلى محطة الاقتصاص.
يتطلب حجم الإنتاج المرتفع عادةً دمج مكدس الأجزاء مع آلة التشكيل الحراري.بمجرد تكديسها، يتم تعبئة العناصر النهائية في صناديق لنقلها إلى العميل النهائي.يتم لف خردة الهيكل العظمي المنفصلة على مغزل لتقطيعها لاحقًا أو تمريرها عبر آلة تقطيع متوافقة مع آلة التشكيل الحراري.
يعد التشكيل الحراري للصفائح الكبيرة عملية معقدة عرضة للاضطرابات، والتي يمكن أن تزيد بشكل كبير من عدد الأجزاء المرفوضة.إن المتطلبات الصارمة اليوم لجودة سطح الجزء، ودقة السُمك، ووقت الدورة والإنتاج، بالإضافة إلى نافذة المعالجة الصغيرة للبوليمرات المصممة الجديدة والألواح متعددة الطبقات، دفعت المصنعين إلى البحث عن طرق لتحسين التحكم في هذه العملية.
أثناء التشكيل الحراري، يحدث تسخين الصفائح من خلال الإشعاع والحمل الحراري والتوصيل.تقدم هذه الآليات قدرًا كبيرًا من عدم اليقين، فضلاً عن التغيرات الزمنية واللاخطية في ديناميكيات نقل الحرارة.علاوة على ذلك، فإن تسخين الصفائح هو عملية موزعة مكانيًا بشكل أفضل من خلال المعادلات التفاضلية الجزئية.
يتطلب التشكيل الحراري خريطة دقيقة لدرجة الحرارة متعددة المناطق قبل تشكيل الأجزاء المعقدة.وتتفاقم هذه المشكلة بحقيقة أنه يتم التحكم في درجة الحرارة عادة في عناصر التسخين، في حين أن توزيع درجة الحرارة عبر سمك الورقة هو المتغير الرئيسي للعملية.
على سبيل المثال، مادة غير متبلورة مثل البوليسترين سوف تحافظ بشكل عام على سلامتها عند تسخينها إلى درجة حرارة التشكيل بسبب قوة الذوبان العالية.ونتيجة لذلك، فمن السهل التعامل معها والشكل.عندما يتم تسخين المادة البلورية، فإنها تتغير بشكل كبير من الحالة الصلبة إلى السائلة بمجرد الوصول إلى درجة حرارة الذوبان، مما يجعل نافذة درجة حرارة التشكيل ضيقة للغاية.
التغيرات في درجات الحرارة المحيطة تسبب أيضًا مشاكل في التشكيل الحراري.قد تكون طريقة التجربة والخطأ للعثور على سرعة تغذية اللفة لإنتاج قوالب مقبولة غير كافية إذا تغيرت درجة حرارة المصنع (أي خلال أشهر الصيف).يمكن أن يكون لتغير درجة الحرارة بمقدار 10 درجات مئوية تأثير كبير على الإنتاج بسبب نطاق درجة حرارة التكوين الضيق للغاية.
تقليديًا، اعتمدت أدوات التشكيل الحراري على تقنيات يدوية متخصصة للتحكم في درجة حرارة الألواح.ومع ذلك، غالبًا ما يؤدي هذا النهج إلى نتائج أقل من النتائج المرجوة من حيث اتساق المنتج وجودته.يواجه المشغلون عملية موازنة صعبة، والتي تتضمن تقليل الفرق بين درجات الحرارة الأساسية والسطحية للورقة، مع ضمان بقاء المنطقتين ضمن الحد الأدنى والحد الأقصى لدرجات حرارة التشكيل للمادة.
بالإضافة إلى ذلك، يعد الاتصال المباشر بالصفيحة البلاستيكية أمرًا غير عملي في التشكيل الحراري لأنه يمكن أن يسبب عيوبًا على الأسطح البلاستيكية وأوقات استجابة غير مقبولة.
تكتشف صناعة البلاستيك على نحو متزايد فوائد تقنية الأشعة تحت الحمراء غير المتصلة لقياس درجة حرارة العملية والتحكم فيها.تعتبر حلول الاستشعار المعتمدة على الأشعة تحت الحمراء مفيدة لقياس درجة الحرارة في ظل الظروف التي لا يمكن فيها استخدام المزدوجات الحرارية أو أجهزة الاستشعار الأخرى من نوع المسبار، أو التي لا تنتج بيانات دقيقة.
يمكن استخدام موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء غير المتصلة لمراقبة درجة حرارة العمليات سريعة الحركة بسرعة وكفاءة، وقياس درجة حرارة المنتج مباشرة بدلاً من الفرن أو المجفف.يمكن للمستخدمين بعد ذلك ضبط معلمات العملية بسهولة لضمان جودة المنتج المثلى.
بالنسبة لتطبيقات التشكيل الحراري، يشتمل نظام مراقبة درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء الآلي عادةً على واجهة مشغل وشاشة عرض لقياسات العملية من فرن التشكيل الحراري.يقيس مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء درجة حرارة الصفائح البلاستيكية الساخنة والمتحركة بدقة تصل إلى 1%.يعرض عداد اللوحة الرقمية المزود بمرحلات ميكانيكية مدمجة بيانات درجة الحرارة ويخرج إشارات الإنذار عند الوصول إلى درجة الحرارة المحددة.
باستخدام برنامج نظام الأشعة تحت الحمراء، يمكن للمشكلات الحرارية ضبط نطاقات درجة الحرارة والإخراج، بالإضافة إلى نقاط الانبعاث والإنذار، ثم مراقبة قراءات درجة الحرارة على أساس الوقت الفعلي.عندما تصل العملية إلى درجة الحرارة المحددة، يتم إغلاق المرحل ويقوم إما بتشغيل ضوء مؤشر أو إنذار مسموع للتحكم في الدورة.يمكن أرشفة بيانات درجة حرارة العملية أو تصديرها إلى تطبيقات أخرى للتحليل وتوثيق العملية.
بفضل البيانات المستمدة من قياسات الأشعة تحت الحمراء، يمكن لمشغلي خطوط الإنتاج تحديد إعداد الفرن الأمثل لتشبع الطبقة بالكامل في أقصر فترة زمنية دون ارتفاع درجة حرارة القسم الأوسط.إن نتيجة إضافة بيانات دقيقة لدرجة الحرارة إلى الخبرة العملية تمكن من تشكيل الستارة مع عدد قليل جدًا من عمليات الرفض.والمشاريع الأكثر صعوبة التي تحتوي على مواد أكثر سمكًا أو أنحف يكون لها سمك جدار نهائي أكثر اتساقًا عندما يتم تسخين البلاستيك بشكل موحد.
يمكن لأنظمة التشكيل الحراري المزودة بتقنية مستشعر الأشعة تحت الحمراء أيضًا تحسين عمليات إزالة القوالب البلاستيكية الحرارية.في هذه العمليات، يقوم المشغلون أحيانًا بتشغيل أفرانهم على درجة حرارة عالية جدًا، أو ترك الأجزاء في القالب لفترة طويلة جدًا.باستخدام نظام مزود بمستشعر الأشعة تحت الحمراء، يمكنهم الحفاظ على درجات حرارة تبريد ثابتة عبر القوالب، مما يزيد من إنتاجية الإنتاج ويسمح بإزالة الأجزاء دون خسائر كبيرة بسبب الالتصاق أو التشوه.
على الرغم من أن قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء غير المتصلة يوفر العديد من المزايا المؤكدة لمصنعي المواد البلاستيكية، إلا أن موردي الأجهزة يواصلون تطوير حلول جديدة، مما يزيد من تحسين الدقة والموثوقية وسهولة الاستخدام لأنظمة الأشعة تحت الحمراء في بيئات الإنتاج الصعبة.
ولمعالجة مشاكل الرؤية باستخدام موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء، طورت شركات الأجهزة منصات استشعار توفر رؤية متكاملة للهدف عبر العدسة، بالإضافة إلى رؤية بالليزر أو فيديو.يضمن هذا النهج المشترك التصويب الصحيح والموقع المستهدف في ظل أكثر الظروف المعاكسة.
قد تتضمن موازين الحرارة أيضًا مراقبة متزامنة بالفيديو في الوقت الفعلي وتسجيل وتخزين الصور آليًا - وبالتالي تقديم معلومات عملية جديدة قيمة.يمكن للمستخدمين التقاط لقطات للعملية بسرعة وسهولة وتضمين معلومات درجة الحرارة والوقت/التاريخ في وثائقهم.
توفر موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء المدمجة اليوم دقة بصرية مضاعفة لنماذج المستشعرات الضخمة السابقة، مما يزيد من أدائها في تطبيقات التحكم في العمليات الصعبة ويسمح بالاستبدال المباشر لتحقيقات الاتصال.
تستخدم بعض تصميمات مستشعرات الأشعة تحت الحمراء الجديدة رأس استشعار مصغر وإلكترونيات منفصلة.يمكن أن تحقق المستشعرات دقة بصرية تصل إلى 22:1 وتتحمل درجات الحرارة المحيطة التي تقترب من 200 درجة مئوية دون أي تبريد.يتيح ذلك قياسًا دقيقًا لأحجام البقع الصغيرة جدًا في الأماكن الضيقة والظروف المحيطة الصعبة.أجهزة الاستشعار صغيرة بما يكفي لتركيبها في أي مكان تقريبًا، ويمكن وضعها في حاوية من الفولاذ المقاوم للصدأ للحماية من العمليات الصناعية القاسية.أدت الابتكارات في إلكترونيات مستشعرات الأشعة تحت الحمراء أيضًا إلى تحسين قدرات معالجة الإشارات، بما في ذلك الانبعاثية والعينة والاحتفاظ وعقد الذروة وإمساك الوادي ووظائف المتوسط.وفي بعض الأنظمة، يمكن تعديل هذه المتغيرات من واجهة مستخدم بعيدة لمزيد من الراحة.
يمكن للمستخدمين النهائيين الآن اختيار موازين الحرارة التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء مع التركيز على الهدف المتغير المزود بمحرك والذي يتم التحكم فيه عن بعد.تسمح هذه الإمكانية بضبط سريع ودقيق لتركيز أهداف القياس، إما يدويًا في الجزء الخلفي من الجهاز أو عن بعد عبر اتصال RS-232/RS-485 بالكمبيوتر.
يمكن تكوين مستشعرات الأشعة تحت الحمراء مع التركيز على الهدف المتغير الذي يتم التحكم فيه عن بعد وفقًا لمتطلبات كل تطبيق، مما يقلل من فرصة التثبيت غير الصحيح.يمكن للمهندسين ضبط التركيز المستهدف للقياس الخاص بالمستشعر من أمان مكاتبهم، ومراقبة وتسجيل التغيرات في درجات الحرارة بشكل مستمر في عملياتهم من أجل اتخاذ إجراءات تصحيحية فورية.
يعمل الموردون على تحسين تعدد استخدامات قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من خلال تزويد الأنظمة ببرامج المعايرة الميدانية، مما يسمح للمستخدمين بمعايرة أجهزة الاستشعار في الموقع.بالإضافة إلى ذلك، توفر أنظمة الأشعة تحت الحمراء الجديدة وسائل مختلفة للاتصال المادي، بما في ذلك موصلات الفصل السريع والاتصالات الطرفية؛أطوال موجية مختلفة لقياس درجات الحرارة العالية والمنخفضة؛واختيار إشارات الملي أمبير والميلي فولت والمزدوجة الحرارية.
لقد استجاب مصممو الأجهزة لقضايا الابتعاثية المرتبطة بأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء من خلال تطوير وحدات الطول الموجي القصير التي تقلل الأخطاء بسبب عدم اليقين في الابتعاثية.هذه الأجهزة ليست حساسة للتغيرات في الانبعاثية على المادة المستهدفة مثل أجهزة الاستشعار التقليدية ذات درجات الحرارة العالية.وعلى هذا النحو، فإنها توفر قراءات أكثر دقة عبر أهداف مختلفة في درجات حرارة مختلفة.
تتيح أنظمة قياس درجة حرارة الأشعة تحت الحمراء مع وضع تصحيح الابتعاثية التلقائي للمصنعين إعداد وصفات محددة مسبقًا لاستيعاب التغييرات المتكررة في المنتج.ومن خلال تحديد المخالفات الحرارية بسرعة ضمن هدف القياس، فإنها تسمح للمستخدم بتحسين جودة المنتج وتوحيده، وتقليل الخردة، وتحسين كفاءة التشغيل.في حالة حدوث خطأ أو عيب، يمكن للنظام إطلاق إنذار للسماح باتخاذ الإجراء التصحيحي.
يمكن أن تساعد تقنية الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء المحسنة أيضًا في تبسيط عمليات الإنتاج.يمكن للمشغلين اختيار رقم الجزء من قائمة نقاط ضبط درجة الحرارة الموجودة وتسجيل كل قيمة لدرجة حرارة الذروة تلقائيًا.هذا الحل يلغي الفرز ويزيد من أوقات الدورة.كما أنه يعمل على تحسين التحكم في مناطق التدفئة وزيادة الإنتاجية.
لكي تتمكن شركات التشكيل الحراري من إجراء تحليل كامل لعائد الاستثمار في نظام قياس درجة الحرارة الآلي بالأشعة تحت الحمراء، يجب عليها النظر في بعض العوامل الرئيسية.إن تقليل تكاليف المحصلة النهائية يعني الأخذ في الاعتبار الوقت والطاقة وكمية تقليل الخردة التي قد تحدث، بالإضافة إلى القدرة على جمع المعلومات والإبلاغ عنها حول كل ورقة تمر عبر عملية التشكيل الحراري.تشمل الفوائد العامة لنظام الاستشعار الآلي بالأشعة تحت الحمراء ما يلي:
• القدرة على أرشفة وتزويد العملاء بصورة حرارية لكل جزء تم تصنيعه لتوثيق الجودة والامتثال لـ ISO.
لا يعد قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء بدون اتصال تقنية جديدة، ولكن الابتكارات الحديثة أدت إلى خفض التكاليف وزيادة الموثوقية ومكنت من إنشاء وحدات قياس أصغر.تستفيد أجهزة التشكيل الحراري التي تستخدم تقنية الأشعة تحت الحمراء من تحسينات الإنتاج وتقليل الخردة.تتحسن جودة الأجزاء أيضًا لأن المنتجين يحصلون على سمك أكثر اتساقًا من آلات التشكيل الحراري الخاصة بهم.
For more information contact R&C Instrumentation, +27 11 608 1551, info@randci.co.za, www.randci.co.za
وقت النشر: 19 أغسطس 2019