Experten für Dickenmessung in der Rohrextrusion

Für die Digitalisierung und Automatisierung der Extrusion von Rohren sind laut SKZ berührungslose Messtechniken für Dickenmessungen gefragt.

Am SKZ werden seit über 15 Jahren die Terahertz- und die Radar-Technologie genutzt, um Kunststoff – etwa bei der Schichtdickenmessung in der Rohrextrusion – zu untersuchen. Im Rahmen zahlreicher Forschungsprojekte konnte dabei gezeigt werden, dass diese Techniken zur Bestimmung von verschiedensten Parametern bei der Kunststoffverarbeitung sowie am Endprodukt genutzt werden können; und zwar mit den Zielen Ressourcenschonung, Zeitersparnis von Produktionsschritten und Qualitätskontrolle.

Die Vorteile gegenüber anderen Messtechniken liegen auf der Hand: Eine zerstörungsfreie und berührungslose Arbeitsweise macht die Terahertz-Technik gut anwendbar. Berührende Messverfahren per Ultraschall, Wirbelstrom oder magnet-induktiv sind auf mechanischen Kontakt angewiesen und daher häufig schwer einsetzbar beziehungsweise weniger flexibel. Fotothermische Verfahren arbeiten zwar auch berührungslos, sind aber sehr von der Oberflächenbeschaffenheit (nass, glänzend, rau) des Produkts abhängig und ermöglichen beispielsweise nicht die sichere Quantifizierung von Mehrschichtsystemen. Röntgenverfahren eignen sich zwar zur tomografischen Untersuchung von Kunststoffprodukten, sind aber aufgrund des Strahlenschutzes als Inline-Verfahren im industriellen Umfeld nur schwer umzusetzen und erfordern relativ lange Messzeiten sowie gegebenenfalls Probenpräparationen.

Terahertz-Strahlung ist dagegen gesundheitlich völlig unbedenklich. Diese Vorteile der Technik gegenüber den genannten klassischen Messverfahren haben etablierte Hersteller von Messtechniken erkannt und unter anderem in Zusammenarbeit mit dem SKZ Rohrwanddickenmessgeräte entwickelt.

Der Terahertz-Frequenzbereich liegt zwischen dem Infrarot- und dem Mikrowellenbereich. Die Erzeugung von Terahertz-Wellen erfolgt häufig optisch, mit Hilfe von Femtosekundenlasern und Halbleitern oder vollelektronisch, zum Beispiel in Form eines frequenzmodulierten Radars. Optische Systeme haben eine große Frequenzbandbreite von mehreren Terahertz, was diesen Systemen ermöglicht, sehr dünne Mehrschichtsysteme mit Einzel-Schichten im Mikrometerbereich zu charakterisieren und aufgrund der hohen Frequenzen laterale Auflösungen von 1,0 mm zu erreichen. Dies trifft zum Beispiel auf das Messgerät Quantum 360 von Inoex zu.

Allerdings können optische Terahertz-Messsysteme gegenüber Umwelteinflüssen wie Schmutz oder Vibrationen empfindlich sein. Dagegen sind vollelektronische Terahertz-Systeme wie etwa das Centerwave 6000 von Sikora und das Warp 100 von Ineox, sogenannte Radarsysteme, robuster gegenüber dem industriellen Umfeld, weisen höhere Messraten auf und sind zudem meist kostengünstiger.  Der Nachteil der geringen lateralen und longitudinalen Auflösung von wenigen Millimetern wird bei Radarsystemen in Kauf genommen, da diese Eigenschaften für eine Vielzahl von Produkten ausreichend sind.

Bei den Messsystemen werden elektromagnetische Wellen an Grenzflächen von Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes beziehungsweise Dichten reflektiert und transmittiert. Diese Eigenschaft wird bei der Schichtdickenmessung zu Nutze gemacht. Dabei ergibt sich für jede Grenzschicht ein Reflexionssignal, aus dessen zeitlichen Abstand und, unter Berücksichtigung des Brechungsindexes und der Vakuumlichtgeschwindigkeit, die zurückgelegte Wegstrecke und damit die Rohrwanddicke ermittelt werden kann.

Aufgrund der Schichtdicke von wenigen Millimetern sind die Reflexionssignale der Vorder- und Rückwand optisch voneinander getrennt. Wird die Rohrwand dagegen immer dünner, verschmelzen die Reflexionssignale und sind ab gewissen Schichtdicken nicht mehr voneinander unterscheidbar, was zum Beispiel häufig bei Folien der Fall ist.

Um auch solche Schichtdicken ermitteln zu können, werden mathematische Algorithmen genutzt, welche etwa mit Hilfe eines Referenzpulses (maximale Reflexion an einem Spiegel) den Durchgang durch eine Folie simulieren und als Ergebnis das erwartete Reflexionssignal ausgeben. Mittels iterativer Anpassung des simulierten an den real gemessen THz-Puls ergeben sich bei der optimalen Übereinstimmung beider Verläufe die Parameter der Folie, zu welcher auch die Schichtdicke zählt.

Bei Mehrschichtsystemen kommen zusätzliche Grenzschichten hinzu, welche zu weiteren Reflexionssignalen führen. Hierbei ist wichtig, dass der Unterschied der Brechungsindizes der einzelnen Schichten groß genug ist, damit sich ein Reflexionssignal vom Rauschniveau abhebt beziehungsweise erkennbar ist. Vergleichbar zu Einzelschichten können die Schichtdicken anhand der Abstände der Signale oder im Falle von dünnen Mehrschichtfolien über mathematische Algorithmen ermittelt werden.

Eine häufig in der Industrie produzierte Rohrgeometrie sind Wellenrohre. Die Herausforderung für die Terahertz-Technik zur Bestimmung der Schichtdicken besteht hierbei in der Geometrie des Rohres. Fallen elektromagnetische Wellen auf eine Fläche, welche senkrecht zur Wellenausbreitung ausgerichtet ist, wie es bei den „Bergen“ und „Tälern“ der Wellenrohre der Fall ist, sind Reflexionssignale messbar und damit Schichtdicken berechenbar. Bei den Stegen der Wellenrohre ist dies nicht möglich. Unter Berücksichtigung der Messergebnisse der „Berge“ und „Täler“ und unter Einbeziehung des Massedurchsatzes an Kunststoff können jedoch Rückschlüsse auf die Schichtdicken der Stege getroffen werden.

Neben diesen auf die Extrusion von Rohren beziehungsweise das Kalandrieren von Folien bezogenen Einsatz der Terahertz- beziehungsweise der Radar-Technik gibt es weitere zahlreiche Anwendungen, welche das SKZ auch in Rahmen von Forschungsprojekten bewertet hat und bei denen die Terahertz-Technik ein großes Potential besitzt. So konnten die mittlere Zellgröße sowie die Rohdichte von geschäumten Kunststoffen, welche im Bausektor als Isolation oder im Leichtbau zum Einsatz kommen, bestimmt werden. Durch computertomografische Referenzmessungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden.

Im Bereich Tomografie werden meist Röntgenstrahlen eingesetzt, welche mit einem erheblichen betrieblichen Aufwand, etwa in Form der Einstellung eines Strahlenschutzbeauftragten, einhergehen. Hierbei könnten Radarsysteme, welche sich als Tomografieeinheit um ein Bauteil drehen und simultane Messungen in Reflexions- und Transmissionsanordnung ermöglichen, Abhilfe schaffen. Mittels eines nachgeschalteten mathematischen Rekonstruktionsalgorithmus, welcher bei einer Anomalie-Erkennung (Abweichung von einer festgelegten Norm) die Messdaten rekonstruiert, können Qualitätsunterschiede inline erkannt und sofort während der Produktion dreidimensional dargestellt werden.

In einem weiteren Forschungsprojekt am SKZ wird der Aufschmelzgrad der Kunststoffschmelze inline am Extruder ermittelt sowie vorhandene Gelpartikel detektiert. In einem anderen Projekt wird der Aushärtegrad von Klebstoffen ermittelt. Durch eine genauere Erkennung des Aushärtezustands können somit zerstörende Prüfungen vermieden und eine Zeiteinsparung (kürzere Taktzeiten, Kosteneinsparung) generiert werden, da im Regelfall kürzere reale Aushärtedauern, als von den Herstellern angegeben, der Fall sind.

Marcel Mayr, Thomas Hochrein und Giovanni Schober, SKZ