Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Temperaturunabhängige Inline-Charakterisierung von Kunststoffschmelzen mittels Lock-in-Ultraschall

Insbesondere in der kunststoffverarbeitenden Industrie mit einem Anteil von 92 % kleiner und mittelständischer Unternehmen (kmU), ist der Wunsch nach Messmethoden, die Produktqualität inline zu erfassen, sehr groß. Ultraschall- (US)-Methoden erfüllen alle Anwendungsvoraussetzungen wie z. B. die Inline-Fähigkeit oder die Robustheit gegenüber Schmutz und Vibrationen. Eine Etablierung scheitert derzeit an wesentlichen Limitierungen wie z. B. dass industrierelevante Füllstoffgehalte und Partikelgrößenverteilungen nicht quantifiziert und produktionsbedingte Temperaturänderungen der Schmelze nicht von eigentlich relevanten Materialeigenschaften unterschieden werden können.

Mithilfe eines neuen auf Lock-in-Technik basierenden Messansatzes soll das bisher kleine Signal-zu-Rausch-Verhältnis, was die Ursache für sehr viele bisherigen Limitierungen darstellt, maßgeblich gesteigert werden. Ein ähnlicher Ansatz wurde in den letzten Jahrzehnten bei verschiedenen anderen Prüfmethoden erfolgreich integriert, sodass von einer hohen Erfolgswahrscheinlichkeit ausgegangen wird.

Werden die Ziele des Vorhabens erreicht, so können in der Kunststoffverarbeitung zukünftig Ausschussmengen minimiert und die Qualitätsgüte gesteigert werden. Ebenso profitieren Anlagenhersteller und Automatisierer von der Integration der US-Technik in neue und als Retrofit in bestehende Produktionsanlagen. Weiterhin erhält der US-Markt entscheidende Impulse für mögliche Funktionserweiterungen und Entwicklungen neuer Sensorkonzepte, die zu einer Vergrößerung des Marktes und des Umsatzes führt.

Aufgrund der Bekanntheit von US-Methoden in der Industrie wird von einer großen Anwenderakzeptanz ausgegangen. Dies wird zudem durch das stufenartig aufgebaute Projekt – gegliedert in Laborversuche, Technikumtests und reale Anwendungen – gefördert, da hier abschnittsweise die Vorteile des neuen Messansatzes gegenüber dem Stand der Technik für alle Interessenten nachvollziehbar dargestellt wird.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des durchgeführten Forschungsprojekts konnte gezeigt werden, dass mithilfe der Ultraschalltechnik eine Prozessüberwachung der Kunststoffverarbeitung möglich ist. Sowohl die Inline-Ermittlung des Füllstoffgehalts, der Partikelgröße und damit im Zusammenspiel der Dispergiergüte konnten im Labor- und Realmaßstab demonstriert werden. Dabei wurden v. a. Ultraschallkennwerte wie die Amplitude und Laufzeit betrachtet und mit den relevanten Prozessgrößen korreliert. Die empirisch ermittelten Ergebnisse stimmen dabei mit denen aus vorangegangenen Simulationen auf Basis verschiedener Streutheorien und solcher aus signaltheoretischer Sicht überein. Durch die Ermittlung des bestehenden Zusammenhangs mit weiteren Rahmenbedingungen wie der Schmelzetemperatur und des -drucks ist eine Kompensation dieser Einflussgrößen möglich, was die Leistungsfähigkeit und Einsetzbarkeit des vorgestellten Verfahrens im industriellen

Umfeld begünstigt. Durch Entwicklung des auf Lock-in-Technik beschriebenen Ansatzes konnte das

Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu konventionellen Messungen verbessert werden, was erstmals den Einsatz metallischer Vorlaufstrecken von Ultraschallwandler ermöglicht. Diese sind aufgrund ihrer Beschaffenheit deutlich robuster als bisher verwendete aus Hochleistungskunststoffen, was sich insbesondere in einer höheren Dauereinsatztemperatur, Druck- und Verschleißfestigkeit zeigt. Es wird davon ausgegangen, dass die vorgestellten Ergebnisse eine wesentliche Grundlage für industrielle Kommerzialisierungen darstellen und damit aufgrund der Zusammensetzung der relevanten Marktteilnehmer insbesondere KMU zu Gute kommen.