プラスチック業界では、熱成形製品を正しく仕上げるために、一貫した正確な温度測定が重要です。固定熱成形と回転熱成形の両方の用途において、成形温度が低いと成形部品に応力が生じますが、温度が高すぎると膨れや色や光沢の損失などの問題が発生する可能性があります。
この記事では、赤外線 (IR) 非接触温度測定の進歩が、熱成形作業の製造プロセスと業績の最適化にどのように役立つだけでなく、最終製品の品質と信頼性に関する業界標準への準拠をどのように可能にするかについて説明します。
熱成形とは、熱可塑性プラスチックシートを加熱することで柔らかく柔軟にし、強制的に三次元形状に二軸変形させる加工です。このプロセスは、金型の有無にかかわらず行われます。熱可塑性シートの加熱は、熱成形操作において最も重要な段階の 1 つです。成形機は通常、シート素材の上下にある赤外線ヒーターのパネルで構成されるサンドイッチ型ヒーターを使用します。
熱可塑性シートの中心温度、その厚さ、製造環境の温度はすべて、プラスチックポリマー鎖がどのように成形可能な状態に流れ、半結晶性ポリマー構造に再形成されるかに影響します。最終的に凍結された分子構造は、材料の物理的特性と最終製品の性能を決定します。
理想的には、熱可塑性シートは適切な成形温度まで均一に加熱される必要があります。次に、シートは成形ステーションに移送され、そこで真空または加圧空気を使用し、場合によっては機械プラグの助けも借りて、装置がシートを金型に押し付けて部品を形成します。最後に、部品はプロセスの冷却段階で金型から取り出されます。
熱成形生産の大部分はロールフィード機によって行われますが、枚葉機は少量の用途に使用されます。非常に大量の作業では、完全に統合されたインラインの閉ループ熱成形システムが正当化されます。このラインは原材料のプラスチックを受け取り、押出機が熱成形機に直接供給します。
特定のタイプの熱成形ツールを使用すると、熱成形機内で成形品をトリミングできます。この方法を使用すると、製品と骨格スクラップの位置を変更する必要がないため、より高い精度の切断が可能になります。別の方法では、形成されたシートがトリミング ステーションに直接インデックスされる場合もあります。
大量生産には通常、部品スタッカーと熱成形機の統合が必要です。完成品は積み重ねられた後、最終顧客に輸送するために箱に詰められます。分離された骨格スクラップは、その後の細断のためにマンドリルに巻き付けられるか、熱成形機とインラインの細断機を通過します。
大型シートの熱成形は摂動の影響を受けやすい複雑な作業であり、不合格となる部品の数が大幅に増加する可能性があります。部品の表面品質、厚さの精度、サイクルタイム、歩留まりに対する今日の厳しい要件に、新しいデザイナーポリマーや多層シートの小さな加工範囲が加わり、メーカーはこのプロセスの制御を改善する方法を模索するようになりました。
熱成形中、シートの加熱は放射、対流、伝導によって発生します。これらのメカニズムは、熱伝達ダイナミクスに多大な不確実性をもたらし、時間変動や非線形性をもたらします。さらに、シート加熱は空間的に分散されたプロセスであり、偏微分方程式で最もよく説明されます。
熱成形では、複雑な部品を成形する前に、正確なマルチゾーン温度マップが必要です。この問題は、シートの厚さ方向の温度分布が主なプロセス変数であるのに対し、通常は加熱要素で温度が制御されるという事実によってさらに悪化します。
たとえば、ポリスチレンなどの非晶質材料は、溶融強度が高いため、成形温度まで加熱しても通常その完全性を維持します。その結果、取り扱いや成形が容易になります。結晶材料を加熱すると、溶融温度に達すると固体から液体に急激に変化するため、成形温度範囲が非常に狭くなります。
周囲温度の変化も熱成形に問題を引き起こします。許容できる成形品を製造するためのロール送り速度を見つける試行錯誤の方法は、工場の温度が変化した場合 (夏の間など) に不適切であることが判明する可能性があります。成形温度範囲が非常に狭いため、10°C の温度変化は出力に大きな影響を与える可能性があります。
従来、熱成形機はシートの温度制御に特殊な手動技術を使用していました。ただし、このアプローチでは、製品の一貫性と品質の点で望ましい結果が得られないことがよくあります。オペレータは、シートの中心温度と表面温度の差を最小限に抑えながら、両方の領域が材料の最低成形温度と最高成形温度の範囲内に収まるようにするという、難しいバランスをとる必要があります。
さらに、プラスチック シートとの直接接触は、プラスチック表面に傷がついたり、許容できない応答時間が発生したりする可能性があるため、熱成形では現実的ではありません。
プラスチック業界では、プロセス温度の測定と制御における非接触赤外線技術の利点がますます発見されています。赤外線ベースのセンシング ソリューションは、熱電対やその他のプローブ型センサーが利用できない、または正確なデータが生成されない環境下での温度測定に役立ちます。
非接触 IR 温度計を使用すると、オーブンや乾燥機の代わりに製品の温度を直接測定することで、動きの速いプロセスの温度を迅速かつ効率的に監視できます。ユーザーはプロセスパラメータを簡単に調整して、最適な製品品質を確保できます。
熱成形アプリケーションの場合、自動赤外線温度監視システムには通常、オペレーター インターフェイスと熱成形オーブンからのプロセス測定用のディスプレイが含まれています。IR 温度計は、熱く動くプラスチック シートの温度を 1% の精度で測定します。メカニカルリレーを内蔵したデジタルパネルメーターは温度データを表示し、設定温度に達するとアラーム信号を出力します。
サーモフォーマーは、赤外線システム ソフトウェアを使用して、温度と出力範囲、放射率とアラーム ポイントを設定し、リアルタイムで温度測定値を監視できます。プロセスが設定温度に達すると、リレーが閉じ、表示灯または可聴アラームをトリガーしてサイクルを制御します。プロセス温度データは、分析やプロセス文書化のためにアーカイブしたり、他のアプリケーションにエクスポートしたりできます。
IR 測定データのおかげで、生産ラインのオペレーターは、中央部分を過熱することなく最短時間でシートを完全に飽和させるための最適なオーブン設定を決定できます。実際の経験に正確な温度データを加えた結果、不良品の少ないドレープ成形が可能になります。また、より厚いまたはより薄い材料を使用するより困難なプロジェクトでは、プラスチックが均一に加熱されると、最終的な壁の厚さがより均一になります。
IR センサー技術を備えた熱成形システムは、熱可塑性プラスチックの離型プロセスも最適化できます。これらのプロセスでは、オペレーターがオーブンを高温にしすぎたり、部品を金型内に長時間放置しすぎたりすることがあります。赤外線センサーを備えたシステムを使用することで、金型全体で一貫した冷却温度を維持できるため、生産スループットが向上し、固着や変形による重大な損失を生じることなく部品を取り外すことができます。
非接触赤外線温度測定はプラスチックメーカーにとって実証済みの多くの利点を提供しますが、計測器サプライヤーは新しいソリューションの開発を続け、要求の厳しい生産環境におけるIRシステムの精度、信頼性、使いやすさをさらに向上させています。
IR 温度計の照準の問題に対処するために、機器会社は、統合されたレンズを通したターゲット照準に加えて、レーザーまたはビデオ照準を提供するセンサー プラットフォームを開発しました。この組み合わせたアプローチにより、最も悪条件下でも正しい照準と目標位置が保証されます。
温度計には、リアルタイムのビデオ監視と自動画像記録および保存を同時に組み込むこともできるため、貴重な新しいプロセス情報が提供されます。ユーザーはプロセスのスナップショットを迅速かつ簡単に取得し、温度と日時の情報をドキュメントに含めることができます。
現在のコンパクトな IR 温度計は、以前の大型センサー モデルの 2 倍の光学分解能を備えており、要求の厳しいプロセス制御アプリケーションでの性能を拡張し、接触プローブの直接交換を可能にします。
一部の新しい IR センサー設計では、小型センシング ヘッドと別個の電子機器を利用しています。このセンサーは最大 22:1 の光学解像度を達成し、冷却なしで 200°C に近い周囲温度に耐えることができます。これにより、限られた空間や困難な周囲条件において、非常に小さなスポット サイズを正確に測定することができます。センサーはどこにでも設置できるほど小型で、過酷な工業プロセスから保護するためにステンレス鋼の筐体に収容できます。IR センサー電子機器の革新により、放射率、サンプル アンド ホールド、ピーク ホールド、バレー ホールド、平均化機能などの信号処理機能も向上しました。一部のシステムでは、利便性を高めるためにこれらの変数をリモート ユーザー インターフェイスから調整できます。
エンドユーザーは、モーター駆動の遠隔制御による可変ターゲット焦点調節機能を備えた IR 温度計を選択できるようになりました。この機能により、機器の背面で手動で、または RS-232/RS-485 PC 接続を介してリモートで、測定ターゲットの焦点を迅速かつ正確に調整できます。
遠隔制御の可変ターゲット集束機能を備えた IR センサーは、各アプリケーションの要件に応じて構成できるため、誤って取り付けられる可能性が低くなります。エンジニアは、自分のオフィスの安全な場所からセンサーの測定ターゲットの焦点を微調整し、プロセス内の温度変化を継続的に観察および記録して、直ちに是正措置を講じることができます。
サプライヤーは、ユーザーが現場でセンサーを校正できるようにするフィールド校正ソフトウェアをシステムに提供することで、赤外線温度測定の多用途性をさらに向上させています。さらに、新しい IR システムは、クイック ディスコネクト コネクタや端子接続などの物理接続のためのさまざまな手段を提供します。高温と低温の測定に異なる波長。ミリアンペア、ミリボルト、熱電対信号の選択も可能です。
機器設計者は、放射率の不確実性による誤差を最小限に抑える短波長ユニットを開発することで、IR センサーに関連する放射率の問題に対応してきました。これらのデバイスは、従来の高温センサーほどターゲット材料の放射率の変化に敏感ではありません。そのため、さまざまな温度でさまざまなターゲットにわたってより正確な読み取り値が得られます。
自動放射率補正モードを備えた IR 温度測定システムにより、メーカーは頻繁な製品変更に対応するために事前定義されたレシピをセットアップできます。測定対象内の熱の不規則性を迅速に特定することで、製品の品質と均一性を向上させ、スクラップを削減し、作業効率を向上させることができます。障害または欠陥が発生した場合、システムはアラームをトリガーして修正措置を講じることができます。
強化された赤外線センシング技術は、生産プロセスの合理化にも役立ちます。オペレーターは既存の温度設定値リストから部品番号を選択し、各ピーク温度値を自動的に記録できます。このソリューションにより、仕分け作業が不要になり、サイクル時間が増加します。また、加熱ゾーンの制御が最適化され、生産性が向上します。
熱成形業者が自動赤外線温度測定システムの投資収益率を完全に分析するには、特定の重要な要素に注目する必要があります。最終的なコストを削減するということは、時間、エネルギー、スクラップの削減にかかる量を考慮すること、さらには熱成形プロセスを通過する各シートに関する情報を収集してレポートする機能を考慮することを意味します。自動 IR センシング システムの全体的な利点は次のとおりです。
• 高品質の文書化と ISO 準拠のために、製造されたすべての部品の熱画像をアーカイブして顧客に提供する機能。
非接触赤外線温度測定は新しい技術ではありませんが、最近の技術革新によりコストが削減され、信頼性が向上し、より小さな測定単位が可能になりました。IR 技術を利用した熱成形機は、生産の改善とスクラップの削減の恩恵を受けます。製造業者が熱成形機から得られる厚さがより均一になるため、部品の品質も向上します。
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投稿日時: 2019 年 8 月 19 日