Eine konsistente und genaue Temperaturmessung ist in der Kunststoffindustrie von entscheidender Bedeutung, um die korrekte Endbearbeitung thermogeformter Produkte sicherzustellen.Sowohl bei stationären als auch rotativen Thermoformanwendungen führt eine niedrige Umformtemperatur zu Spannungen im geformten Teil, während zu hohe Temperaturen zu Problemen wie Blasenbildung und Farb- oder Glanzverlust führen können.
In diesem Artikel besprechen wir, wie Fortschritte bei der berührungslosen Infrarot-Temperaturmessung (IR) Thermoformbetrieben nicht nur dabei helfen, ihre Herstellungsprozesse und Geschäftsergebnisse zu optimieren, sondern auch die Einhaltung von Industriestandards für die Qualität und Zuverlässigkeit des Endprodukts ermöglichen.
Thermoformen ist der Prozess, bei dem eine thermoplastische Folie durch Erhitzen weich und biegsam gemacht und durch Zwingen in eine dreidimensionale Form biaxial verformt wird.Dieser Vorgang kann in Anwesenheit oder Abwesenheit eines Schimmels stattfinden.Das Erhitzen der thermoplastischen Folie ist einer der wichtigsten Schritte im Thermoformvorgang.Die Umformmaschinen verwenden typischerweise Sandwich-Heizungen, die aus Platten von Infrarotheizungen über und unter dem Blechmaterial bestehen.
Die Kerntemperatur der thermoplastischen Folie, ihre Dicke und die Temperatur der Herstellungsumgebung beeinflussen alle, wie Kunststoffpolymerketten in einen formbaren Zustand übergehen und sich in eine teilkristalline Polymerstruktur umwandeln.Die endgültige gefrorene Molekularstruktur bestimmt die physikalischen Eigenschaften des Materials sowie die Leistung des Endprodukts.
Idealerweise sollte sich die thermoplastische Folie gleichmäßig auf die entsprechende Umformtemperatur erwärmen.Das Blech wird dann zu einer Formstation transportiert, wo ein Gerät es gegen die Form drückt, um das Teil zu formen, entweder unter Verwendung von Vakuum oder Druckluft, manchmal mit Hilfe eines mechanischen Stopfens.Schließlich wird das Teil für die Abkühlphase des Prozesses aus der Form ausgeworfen.
Der Großteil der Thermoformproduktion erfolgt mit Rollenmaschinen, während Bogenmaschinen für kleinere Volumenanwendungen vorgesehen sind.Bei sehr großen Produktionsvolumina kann ein vollständig integriertes Inline-Thermoformsystem mit geschlossenem Kreislauf gerechtfertigt sein.Die Linie erhält Rohmaterial Kunststoff und Extruder führen es direkt der Thermoformmaschine zu.
Bestimmte Arten von Thermoformwerkzeugen ermöglichen das Zuschneiden des geformten Artikels innerhalb der Thermoformmaschine.Mit dieser Methode ist eine höhere Schnittgenauigkeit möglich, da Produkt und Skelettreste nicht neu positioniert werden müssen.Alternativen bestehen darin, dass das geformte Blatt direkt zur Zuschneidestation weitergeleitet wird.
Ein hohes Produktionsvolumen erfordert typischerweise die Integration eines Teilestaplers in die Thermoformmaschine.Nach dem Stapeln werden die fertigen Artikel in Kartons verpackt und zum Endkunden transportiert.Der abgetrennte Skelettabfall wird zum anschließenden Zerkleinern auf einen Dorn gewickelt oder durchläuft eine Zerkleinerungsmaschine in Reihe mit der Thermoformmaschine.
Das Thermoformen großer Bleche ist ein komplexer und störungsanfälliger Vorgang, der die Anzahl der Ausschussteile erheblich erhöhen kann.Die heutigen strengen Anforderungen an die Oberflächenqualität, Dickengenauigkeit, Zykluszeit und Ausbeute der Teile sowie das kleine Verarbeitungsfenster neuer Designerpolymere und Mehrschichtplatten haben Hersteller dazu veranlasst, nach Möglichkeiten zu suchen, die Steuerung dieses Prozesses zu verbessern.
Beim Thermoformen erfolgt die Blecherwärmung durch Strahlung, Konvektion und Leitung.Diese Mechanismen führen zu großen Unsicherheiten sowie zeitlichen Schwankungen und Nichtlinearitäten in der Wärmeübertragungsdynamik.Darüber hinaus ist die Blecherwärmung ein räumlich verteilter Prozess, der am besten durch partielle Differentialgleichungen beschrieben werden kann.
Beim Thermoformen ist vor der Umformung komplexer Teile eine präzise Mehrzonen-Temperaturkarte erforderlich.Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass die Temperatur typischerweise an den Heizelementen gesteuert wird, während die Temperaturverteilung über die Dicke des Blechs die Hauptprozessvariable ist.
Beispielsweise behält ein amorphes Material wie Polystyrol aufgrund der hohen Schmelzfestigkeit im Allgemeinen seine Integrität bei, wenn es auf seine Formungstemperatur erhitzt wird.Dadurch ist es einfach zu handhaben und zu formen.Wenn ein kristallines Material erhitzt wird, geht es bei Erreichen seiner Schmelztemperatur dramatischer vom festen in den flüssigen Zustand über, wodurch das Temperaturfenster für die Bildung sehr eng wird.
Auch wechselnde Umgebungstemperaturen verursachen Probleme beim Thermoformen.Die Versuch-und-Irrtum-Methode zur Ermittlung einer Walzenvorschubgeschwindigkeit zur Herstellung akzeptabler Formteile könnte sich als unzureichend erweisen, wenn sich die Fabriktemperatur ändern würde (z. B. während der Sommermonate).Eine Temperaturänderung von 10 °C kann aufgrund des sehr engen Umformtemperaturbereichs einen erheblichen Einfluss auf die Leistung haben.
Traditionell verlassen sich Thermoformer auf spezielle manuelle Techniken zur Steuerung der Blechtemperatur.Allerdings führt dieser Ansatz hinsichtlich der Produktkonsistenz und -qualität häufig zu weniger als den gewünschten Ergebnissen.Die Bediener stehen vor einem schwierigen Balanceakt, bei dem es darum geht, den Unterschied zwischen der Blechkern- und der Oberflächentemperatur zu minimieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass beide Bereiche innerhalb der minimalen und maximalen Umformtemperaturen des Materials bleiben.
Darüber hinaus ist der direkte Kontakt mit der Kunststofffolie beim Thermoformen unpraktisch, da er zu Fehlern auf Kunststoffoberflächen und inakzeptablen Reaktionszeiten führen kann.
Die Kunststoffindustrie entdeckt zunehmend die Vorteile der berührungslosen Infrarottechnologie zur Messung und Steuerung der Prozesstemperatur.Infrarotbasierte Sensorlösungen sind für die Temperaturmessung unter Umständen nützlich, in denen Thermoelemente oder andere Sondensensoren nicht verwendet werden können oder keine genauen Daten liefern.
Berührungslose IR-Thermometer können eingesetzt werden, um die Temperatur schnell ablaufender Prozesse schnell und effizient zu überwachen und die Produkttemperatur direkt statt im Ofen oder Trockner zu messen.Anschließend können Benutzer die Prozessparameter einfach anpassen, um eine optimale Produktqualität sicherzustellen.
Für Thermoformanwendungen umfasst ein automatisiertes Infrarot-Temperaturüberwachungssystem typischerweise eine Bedienerschnittstelle und eine Anzeige für Prozessmessungen vom Thermoformofen.Ein IR-Thermometer misst die Temperatur der heißen, sich bewegenden Kunststoffplatten mit einer Genauigkeit von 1 %.Ein digitales Einbaumessgerät mit eingebauten mechanischen Relais zeigt Temperaturdaten an und gibt Alarmsignale aus, wenn die Solltemperatur erreicht ist.
Mit der Infrarot-Systemsoftware können Thermoformer Temperatur- und Leistungsbereiche sowie Emissionsgrad und Alarmpunkte einstellen und dann die Temperaturmesswerte in Echtzeit überwachen.Wenn der Prozess die Solltemperatur erreicht, schließt ein Relais und löst entweder eine Kontrollleuchte oder einen akustischen Alarm aus, um den Zyklus zu steuern.Prozesstemperaturdaten können zur Analyse und Prozessdokumentation archiviert oder in andere Anwendungen exportiert werden.
Dank der Daten aus den IR-Messungen können Produktionslinienbetreiber die optimale Ofeneinstellung bestimmen, um das Blech in kürzester Zeit vollständig zu durchtränken, ohne den Mittelteil zu überhitzen.Das Ergebnis der Kombination genauer Temperaturdaten mit praktischer Erfahrung ermöglicht ein Drape-Molding mit sehr wenig Ausschuss.Und schwierigere Projekte mit dickerem oder dünnerem Material weisen eine gleichmäßigere Endwandstärke auf, wenn der Kunststoff gleichmäßig erhitzt wird.
Thermoformsysteme mit IR-Sensorik können auch thermoplastische Entformungsprozesse optimieren.Bei diesen Prozessen lassen die Bediener ihre Öfen manchmal zu heiß laufen oder lassen Teile zu lange in der Form.Durch den Einsatz eines Systems mit Infrarotsensor können sie konstante Kühltemperaturen über alle Formen hinweg aufrechterhalten, den Produktionsdurchsatz erhöhen und die Entnahme von Teilen ohne nennenswerte Verluste durch Anhaften oder Verformung ermöglichen.
Obwohl die berührungslose Infrarot-Temperaturmessung viele bewährte Vorteile für Kunststoffhersteller bietet, entwickeln Instrumentierungsanbieter weiterhin neue Lösungen, um die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit von IR-Systemen in anspruchsvollen Produktionsumgebungen weiter zu verbessern.
Um Visierprobleme bei IR-Thermometern zu lösen, haben Instrumentenhersteller Sensorplattformen entwickelt, die eine integrierte Zielvisierung durch die Linse sowie entweder eine Laser- oder Videovisierung ermöglichen.Dieser kombinierte Ansatz gewährleistet die korrekte Ausrichtung und Zielortung auch unter widrigsten Bedingungen.
Thermometer können auch über eine gleichzeitige Echtzeit-Videoüberwachung sowie eine automatische Bildaufzeichnung und -speicherung verfügen und so wertvolle neue Prozessinformationen liefern.Benutzer können schnell und einfach Schnappschüsse des Prozesses erstellen und Temperatur- und Zeit-/Datumsinformationen in ihre Dokumentation aufnehmen.
Die heutigen kompakten IR-Thermometer bieten eine doppelt so hohe optische Auflösung wie frühere, sperrige Sensormodelle, wodurch ihre Leistung bei anspruchsvollen Prozesssteuerungsanwendungen erweitert wird und ein direkter Austausch von Kontaktsonden möglich ist.
Einige neue IR-Sensordesigns verwenden einen Miniatur-Sensorkopf und separate Elektronik.Die Sensoren können eine optische Auflösung von bis zu 22:1 erreichen und Umgebungstemperaturen von annähernd 200 °C ohne Kühlung standhalten.Dies ermöglicht die genaue Messung sehr kleiner Punktgrößen auf engstem Raum und unter schwierigen Umgebungsbedingungen.Die Sensoren sind klein genug, um nahezu überall installiert zu werden, und können zum Schutz vor rauen Industrieprozessen in einem Edelstahlgehäuse untergebracht werden.Innovationen in der IR-Sensorelektronik haben auch die Signalverarbeitungsfähigkeiten verbessert, einschließlich Emissionsgrad-, Sample-and-Hold-, Peak-Hold-, Valley-Hold- und Mittelungsfunktionen.Bei einigen Systemen können diese Variablen für zusätzlichen Komfort über eine Remote-Benutzeroberfläche angepasst werden.
Endbenutzer können jetzt IR-Thermometer mit motorisierter, ferngesteuerter variabler Zielfokussierung wählen.Diese Funktion ermöglicht eine schnelle und genaue Einstellung des Fokus von Messzielen, entweder manuell an der Rückseite des Instruments oder aus der Ferne über eine RS-232/RS-485-PC-Verbindung.
IR-Sensoren mit ferngesteuerter variabler Zielfokussierung können je nach Anwendungsanforderung konfiguriert werden, wodurch das Risiko einer falschen Installation verringert wird.Ingenieure können den Messzielfokus des Sensors in der Sicherheit ihres eigenen Büros feinabstimmen und kontinuierlich Temperaturschwankungen in ihrem Prozess beobachten und aufzeichnen, um sofortige Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.
Lieferanten verbessern die Vielseitigkeit der Infrarot-Temperaturmessung weiter, indem sie Systeme mit Feldkalibrierungssoftware bereitstellen, die es Benutzern ermöglicht, Sensoren vor Ort zu kalibrieren.Darüber hinaus bieten neue IR-Systeme verschiedene Möglichkeiten für die physische Verbindung, einschließlich Schnelltrennanschlüssen und Klemmenverbindungen;unterschiedliche Wellenlängen für Hoch- und Tieftemperaturmessung;und eine Auswahl an Milliampere-, Millivolt- und Thermoelementsignalen.
Instrumentenentwickler haben auf die mit IR-Sensoren verbundenen Probleme des Emissionsgrads reagiert, indem sie Geräte mit kurzer Wellenlänge entwickelt haben, die Fehler aufgrund der Unsicherheit des Emissionsgrads minimieren.Diese Geräte reagieren nicht so empfindlich auf Änderungen des Emissionsgrads des Zielmaterials wie herkömmliche Hochtemperatursensoren.Dadurch liefern sie genauere Messwerte für verschiedene Ziele und unterschiedliche Temperaturen.
IR-Temperaturmesssysteme mit automatischem Emissionsgrad-Korrekturmodus ermöglichen Herstellern die Einrichtung vordefinierter Rezepte, um häufigen Produktwechseln Rechnung zu tragen.Durch die schnelle Erkennung thermischer Unregelmäßigkeiten innerhalb des Messobjekts ermöglichen sie dem Benutzer, die Produktqualität und -gleichmäßigkeit zu verbessern, Ausschuss zu reduzieren und die Betriebseffizienz zu verbessern.Wenn ein Fehler oder Defekt auftritt, kann das System einen Alarm auslösen, um Korrekturmaßnahmen zu ermöglichen.
Eine verbesserte Infrarot-Sensortechnologie kann auch dazu beitragen, Produktionsprozesse zu rationalisieren.Bediener können eine Teilenummer aus einer vorhandenen Temperatursollwertliste auswählen und jeden Spitzentemperaturwert automatisch aufzeichnen.Diese Lösung macht das Sortieren überflüssig und erhöht die Zykluszeiten.Außerdem wird die Steuerung der Heizzonen optimiert und die Produktivität gesteigert.
Damit Thermoformer den Return on Investment eines automatisierten Infrarot-Temperaturmesssystems vollständig analysieren können, müssen sie bestimmte Schlüsselfaktoren berücksichtigen.Um die Endkosten zu senken, müssen die Zeit-, Energie- und Ausschussmengenreduzierung berücksichtigt werden, die stattfinden kann, sowie die Möglichkeit, Informationen zu jedem Blech, das den Thermoformprozess durchläuft, zu sammeln und zu melden.Zu den allgemeinen Vorteilen eines automatisierten IR-Sensorsystems gehören:
• Möglichkeit zur Archivierung und Bereitstellung eines Wärmebildes jedes hergestellten Teils für Kunden zur Qualitätsdokumentation und ISO-Konformität.
Die berührungslose Infrarot-Temperaturmessung ist keine neue Technologie, aber jüngste Innovationen haben die Kosten gesenkt, die Zuverlässigkeit erhöht und kleinere Maßeinheiten ermöglicht.Thermoformer mit IR-Technologie profitieren von Produktionsverbesserungen und einer Reduzierung des Ausschusses.Auch die Qualität der Teile verbessert sich, da die Hersteller eine gleichmäßigere Dicke aus ihren Thermoformmaschinen erhalten.
For more information contact R&C Instrumentation, +27 11 608 1551, info@randci.co.za, www.randci.co.za
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. August 2019