Consistente, nauwkeurige temperatuurmeting is van cruciaal belang in de kunststofindustrie om een correcte afwerking van thermogevormde producten te garanderen.Bij zowel stationaire als roterende thermovormtoepassingen veroorzaakt een lage vormtemperatuur spanningen in het gevormde onderdeel, terwijl te hoge temperaturen problemen kunnen veroorzaken zoals blaasvorming en verlies van kleur of glans.
In dit artikel bespreken we hoe de vooruitgang op het gebied van contactloze infrarood (IR) temperatuurmeting niet alleen helpt bij thermovormactiviteiten om hun productieprocessen en bedrijfsresultaten te optimaliseren, maar ook om naleving van industrienormen voor de kwaliteit en betrouwbaarheid van het eindproduct mogelijk te maken.
Thermovormen is het proces waarbij een thermoplastische plaat zacht en buigzaam wordt gemaakt door verhitting, en biaxiaal vervormd door in een driedimensionale vorm te worden gedwongen.Dit proces kan plaatsvinden in de aanwezigheid of afwezigheid van een schimmel.Het verwarmen van de thermoplastische plaat is een van de meest cruciale fasen in het thermovormproces.De vormmachines maken doorgaans gebruik van sandwich-type verwarmers, die bestaan uit panelen van infraroodverwarmers boven en onder het plaatmateriaal.
De kerntemperatuur van de thermoplastische plaat, de dikte ervan en de temperatuur van de productieomgeving hebben allemaal invloed op hoe plastic polymeerketens in een vormbare staat vloeien en zich hervormen tot een semi-kristallijne polymeerstructuur.De uiteindelijke bevroren moleculaire structuur bepaalt de fysieke kenmerken van het materiaal, evenals de prestaties van het eindproduct.
Idealiter zou de thermoplastische plaat gelijkmatig moeten opwarmen tot de geschikte vormtemperatuur.De plaat wordt vervolgens overgebracht naar een vormstation, waar een apparaat het tegen de mal drukt om het onderdeel te vormen, met behulp van vacuüm of perslucht, soms met behulp van een mechanische plug.Ten slotte wordt het onderdeel uit de mal geworpen voor de afkoelfase van het proces.
Het merendeel van de thermovormproductie vindt plaats door machines met rolaanvoer, terwijl machines met vellentoevoer bestemd zijn voor toepassingen met kleinere volumes.Bij bewerkingen met zeer grote volumes kan een volledig geïntegreerd, in-line thermovormsysteem met gesloten lus gerechtvaardigd zijn.De lijn ontvangt grondstof plastic en extruders worden rechtstreeks in de thermovormmachine ingevoerd.
Bepaalde soorten thermovormgereedschappen maken het bijsnijden van het gevormde artikel binnen de thermovormmachine mogelijk.Met deze methode is een grotere snijnauwkeurigheid mogelijk omdat het product en het skeletschroot niet opnieuw hoeven te worden gepositioneerd.Alternatieven zijn waar het gevormde vel rechtstreeks naar het bijsnijdstation indexeert.
Een hoog productievolume vereist doorgaans de integratie van een onderdelenstapelaar met de thermovormmachine.Eenmaal gestapeld worden de afgewerkte artikelen in dozen verpakt voor transport naar de eindklant.Het gescheiden skeletschroot wordt op een doorn gewikkeld om vervolgens te worden gehakt of gaat door een hakmachine in lijn met de thermovormmachine.
Het thermovormen van grote platen is een complexe bewerking die gevoelig is voor verstoringen, waardoor het aantal afgekeurde onderdelen aanzienlijk kan toenemen.De huidige strenge eisen op het gebied van oppervlaktekwaliteit, nauwkeurigheid van de dikte, cyclustijd en opbrengst, in combinatie met de kleine verwerkingstermijn van nieuwe designerpolymeren en meerlaagse platen, hebben fabrikanten ertoe aangezet manieren te zoeken om de controle over dit proces te verbeteren.
Tijdens het thermovormen vindt plaatverwarming plaats door straling, convectie en geleiding.Deze mechanismen introduceren veel onzekerheid, evenals tijdsvariaties en niet-lineariteiten in de warmteoverdrachtsdynamiek.Bovendien is plaatverwarming een ruimtelijk verdeeld proces dat het beste kan worden beschreven door partiële differentiaalvergelijkingen.
Thermovormen vereist een nauwkeurige temperatuurkaart met meerdere zones voorafgaand aan het vormen van complexe onderdelen.Dit probleem wordt nog verergerd door het feit dat de temperatuur doorgaans wordt geregeld bij de verwarmingselementen, terwijl de temperatuurverdeling over de dikte van de plaat de belangrijkste procesvariabele is.
Een amorf materiaal zoals polystyreen zal bijvoorbeeld in het algemeen zijn integriteit behouden wanneer het wordt verwarmd tot de vormtemperatuur vanwege de hoge smeltsterkte.Hierdoor is het gemakkelijk te hanteren en te vormen.Wanneer een kristallijn materiaal wordt verwarmd, verandert het dramatischer van vast naar vloeibaar zodra de smelttemperatuur ervan wordt bereikt, waardoor het temperatuurvenster voor het vormen erg smal wordt.
Veranderingen in de omgevingstemperatuur veroorzaken ook problemen bij het thermovormen.De methode van vallen en opstaan om een rolaanvoersnelheid te vinden om aanvaardbare vormstukken te produceren, zou ontoereikend kunnen blijken als de fabriekstemperatuur zou veranderen (dat wil zeggen tijdens de zomermaanden).Een temperatuurverandering van 10°C kan een aanzienlijke invloed hebben op de productie vanwege het zeer smalle temperatuurbereik voor het vormen.
Traditioneel vertrouwden thermovormers op gespecialiseerde handmatige technieken voor de controle van de plaattemperatuur.Deze aanpak levert echter vaak minder dan de gewenste resultaten op in termen van productconsistentie en kwaliteit.Operators hebben een moeilijke evenwichtsoefening, waarbij ze het verschil tussen de kern- en oppervlaktetemperatuur van de plaat moeten minimaliseren, terwijl ze ervoor moeten zorgen dat beide gebieden binnen de minimale en maximale vormtemperaturen van het materiaal blijven.
Bovendien is direct contact met de kunststoffolie onpraktisch bij thermovormen, omdat dit vlekken op kunststofoppervlakken en onaanvaardbare reactietijden kan veroorzaken.
De kunststofindustrie ontdekt steeds vaker de voordelen van contactloze infraroodtechnologie voor het meten en regelen van procestemperaturen.Op infrarood gebaseerde detectieoplossingen zijn nuttig voor het meten van de temperatuur onder omstandigheden waarin thermokoppels of andere sensoren van het sondetype niet kunnen worden gebruikt of geen nauwkeurige gegevens produceren.
Contactloze IR-thermometers kunnen worden gebruikt om de temperatuur van snel bewegende processen snel en efficiënt te bewaken, waarbij de producttemperatuur rechtstreeks wordt gemeten in plaats van in de oven of droger.Gebruikers kunnen vervolgens eenvoudig procesparameters aanpassen om een optimale productkwaliteit te garanderen.
Voor thermovormtoepassingen omvat een geautomatiseerd infrarood temperatuurbewakingssysteem doorgaans een operatorinterface en een display voor procesmetingen van de thermovormoven.Een IR-thermometer meet de temperatuur van de hete, bewegende plastic platen met een nauwkeurigheid van 1%.Een digitale paneelmeter met ingebouwde mechanische relais geeft temperatuurgegevens weer en geeft alarmsignalen af wanneer de ingestelde temperatuur wordt bereikt.
Met behulp van de infraroodsysteemsoftware kunnen thermoformers temperatuur- en uitgangsbereiken instellen, evenals emissiviteit en alarmpunten, en vervolgens de temperatuurmetingen in realtime volgen.Wanneer het proces de ingestelde temperatuur bereikt, sluit een relais en activeert een indicatielampje of een hoorbaar alarm om de cyclus te regelen.Procestemperatuurgegevens kunnen worden gearchiveerd of geëxporteerd naar andere applicaties voor analyse en procesdocumentatie.
Dankzij gegevens uit de IR-metingen kunnen operators van de productielijn de optimale oveninstelling bepalen om de plaat in de kortst mogelijke tijd volledig te verzadigen zonder dat het middengedeelte oververhit raakt.Het resultaat van het toevoegen van nauwkeurige temperatuurgegevens aan praktijkervaring maakt het vormen van draperie mogelijk met zeer weinig uitval.En moeilijkere projecten met dikker of dunner materiaal hebben een uniformere eindwanddikte wanneer het plastic gelijkmatig wordt verwarmd.
Thermovormsystemen met IR-sensortechnologie kunnen ook thermoplastische ontvormprocessen optimaliseren.Bij deze processen laten operators hun ovens soms te heet draaien of laten ze onderdelen te lang in de mal liggen.Door een systeem met een infraroodsensor te gebruiken, kunnen ze consistente koeltemperaturen over de mallen handhaven, waardoor de productiecapaciteit toeneemt en onderdelen kunnen worden verwijderd zonder noemenswaardige verliezen als gevolg van vastplakken of vervorming.
Hoewel contactloze infraroodtemperatuurmeting veel bewezen voordelen biedt voor kunststoffabrikanten, blijven instrumentatieleveranciers nieuwe oplossingen ontwikkelen, waardoor de nauwkeurigheid, betrouwbaarheid en het gebruiksgemak van IR-systemen in veeleisende productieomgevingen verder worden verbeterd.
Om waarnemingsproblemen met IR-thermometers aan te pakken, hebben instrumentfabrikanten sensorplatforms ontwikkeld die geïntegreerde doelwaarneming door de lens mogelijk maken, plus laser- of videowaarneming.Deze gecombineerde aanpak zorgt voor correct richten en doellocatie onder de meest ongunstige omstandigheden.
Thermometers kunnen ook gelijktijdige real-time videobewaking en geautomatiseerde beeldopname en -opslag omvatten, waardoor waardevolle nieuwe procesinformatie wordt geleverd.Gebruikers kunnen snel en eenvoudig momentopnamen maken van het proces en temperatuur- en tijd-/datuminformatie opnemen in hun documentatie.
De huidige compacte IR-thermometers bieden tweemaal de optische resolutie van eerdere, omvangrijke sensormodellen, waardoor hun prestaties in veeleisende procesbesturingstoepassingen worden vergroot en directe vervanging van contactsondes mogelijk is.
Sommige nieuwe IR-sensorontwerpen maken gebruik van een miniatuursensorkop en afzonderlijke elektronica.De sensoren kunnen een optische resolutie tot 22:1 bereiken en zijn zonder enige koeling bestand tegen omgevingstemperaturen van bijna 200°C.Dit maakt een nauwkeurige meting van zeer kleine vlekgroottes in kleine ruimtes en moeilijke omgevingsomstandigheden mogelijk.De sensoren zijn klein genoeg om vrijwel overal te worden geïnstalleerd en kunnen worden ondergebracht in een roestvrijstalen behuizing ter bescherming tegen zware industriële processen.Innovaties op het gebied van IR-sensorelektronica hebben ook de signaalverwerkingsmogelijkheden verbeterd, waaronder emissiviteit, sample and hold, peak hold, valley hold en middelingsfuncties.Bij sommige systemen kunnen deze variabelen voor extra gemak worden aangepast via een externe gebruikersinterface.
Eindgebruikers kunnen nu kiezen voor IR-thermometers met gemotoriseerde, op afstand bestuurbare variabele doelfocus.Deze mogelijkheid maakt een snelle en nauwkeurige aanpassing van de focus van meetdoelen mogelijk, handmatig aan de achterkant van het instrument of op afstand via een RS-232/RS-485 pc-verbinding.
IR-sensoren met op afstand bediende variabele doelfocus kunnen worden geconfigureerd volgens elke toepassingsvereiste, waardoor de kans op onjuiste installatie wordt verkleind.Ingenieurs kunnen vanuit de veiligheid van hun eigen kantoor de meetdoelfocus van de sensor nauwkeurig afstemmen en voortdurend temperatuurvariaties in hun proces observeren en registreren om onmiddellijk corrigerende maatregelen te nemen.
Leveranciers verbeteren de veelzijdigheid van infraroodtemperatuurmetingen verder door systemen te voorzien van veldkalibratiesoftware, waarmee gebruikers sensoren ter plaatse kunnen kalibreren.Bovendien bieden nieuwe IR-systemen verschillende manieren voor fysieke verbinding, waaronder snelkoppelingsconnectoren en terminalverbindingen;verschillende golflengten voor metingen bij hoge en lage temperaturen;en een keuze uit milliampère, millivolt en thermokoppelsignalen.
Instrumentatieontwerpers hebben gereageerd op emissiviteitsproblemen die verband houden met IR-sensoren door kortegolflengte-eenheden te ontwikkelen die fouten als gevolg van de onzekerheid van de emissiviteit minimaliseren.Deze apparaten zijn niet zo gevoelig voor veranderingen in de emissiviteit van het doelmateriaal als conventionele hogetemperatuursensoren.Als zodanig bieden ze nauwkeurigere metingen voor verschillende doelen bij verschillende temperaturen.
IR-temperatuurmeetsystemen met automatische emissiviteitscorrectiemodus stellen fabrikanten in staat vooraf gedefinieerde recepten in te stellen om tegemoet te komen aan frequente productwijzigingen.Door snel thermische onregelmatigheden binnen het meetdoel te identificeren, kunnen ze de productkwaliteit en uniformiteit verbeteren, uitval verminderen en de bedrijfsefficiëntie verbeteren.Als er een fout of defect optreedt, kan het systeem een alarm activeren om corrigerende maatregelen mogelijk te maken.
Verbeterde infrarooddetectietechnologie kan ook helpen bij het stroomlijnen van productieprocessen.Operators kunnen een onderdeelnummer kiezen uit een bestaande lijst met temperatuurinstelpunten en automatisch elke piektemperatuurwaarde registreren.Deze oplossing elimineert sorteren en verhoogt de cyclustijden.Het optimaliseert ook de controle over de verwarmingszones en verhoogt de productiviteit.
Als thermovormers het investeringsrendement van een geautomatiseerd infrarood temperatuurmeetsysteem volledig willen analyseren, moeten ze naar bepaalde sleutelfactoren kijken.Het verlagen van de kosten betekent dat we rekening moeten houden met de tijd, energie en hoeveelheid afvalreductie die kan plaatsvinden, evenals de mogelijkheid om informatie te verzamelen en te rapporteren over elk vel dat het thermovormproces doorloopt.De algemene voordelen van een geautomatiseerd IR-detectiesysteem zijn onder meer:
• Mogelijkheid om klanten te archiveren en te voorzien van een thermisch beeld van elk vervaardigd onderdeel voor kwaliteitsdocumentatie en ISO-naleving.
Contactloze infraroodtemperatuurmeting is geen nieuwe technologie, maar recente innovaties hebben de kosten verlaagd, de betrouwbaarheid vergroot en kleinere meeteenheden mogelijk gemaakt.Thermovormers die gebruik maken van IR-technologie profiteren van productieverbeteringen en een vermindering van schroot.De kwaliteit van de onderdelen verbetert ook omdat producenten een uniformere dikte uit hun thermovormmachines halen.
For more information contact R&C Instrumentation, +27 11 608 1551, info@randci.co.za, www.randci.co.za
Posttijd: 19 augustus 2019