Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Regelungskonzeptes zur verbesserten Prozessführung in der Schaumextrusion durch Inline-Erfassung und Klassifizierung der Schaumstruktur mittels digitaler Bildverarbeitung

Kunststoffschäume sind Werkstoffe, die sich durch ihre geringe Dichte bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften auszeichnen. Die wesentlichen Eigenschaften geschäumter Bauteile werden nicht nur durch den Werkstoff, sondern auch durch die Schaumstruktur stark beeinflusst. Trotz der enormen Bedeutung der Schaumstruktur auf die Bauteileigenschaften existieren für Kunststoffschäume keine durchgängigen Möglichkeiten zur Inline Qualitätssicherung. Die Schaum-struktur wird vom Bedienpersonal manuell vor Ort oder erst im Labor erfasst. Erst mit einer erheblichen Zeitverzögerung können die Prozessparameter mit den finalen Schaumqualitäten korreliert werden.

Ziel des Forschungsvh. ist es, ein Regelungskonzept für den Schaumextrusionsprozess auf Basis der Inline-Analyse der Schaumstruktur durch digitale Bild-verarbeitung aufzubauen. Dazu wird ein optisches Inspektionssystem zur Inline-Erfassung der Schaumstruktur geschäumter Platten und Folien entwickelt. Das Messsystem basiert auf einer bildanalytischen Erfassung der Schaumstruktur in Schnittkanten- und Oberflächenbildern, die mit einem Klassifikationsmodell gekop-pelt wird, um die Schaumstruktur zu charakterisieren. Das Gesamtsystem bietet die Möglichkeit, die Veränderungen in der Schaumstruktur inline zu erkennen. In Kombination mit einer Handlungsempfehlung, die auf dem zu entwickelnden Regelungskonzept auf Basis der zu identifizierenden Prozessparameter beruht, wird dies dem Anlagenbediener zeitaktuell dargestellt.

Von der realisierten Verbesserung der Prozessführung und den neu geschaffenen Möglichkeiten in der Qualitätssicherung geschäumter Produkte profitieren vor allem KMU entlang der Wertschöpfungskette (Polymerschaumverarbeiter, Rohstoff- und Messtechnikhersteller) durch eine gesteigerte Prozessstabilität und Bauteilqualität. Zudem kann der Prozess durch eine Inline Erfassung der Bauteilqualität während des Betriebs optimiert u. an Störungen angepasst werden, wodurch Materialeinsparungen ermöglicht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens 21294 N wurde ein inlinefähiges Messsystem zur automatisierten Analyse der Schaumstruktur von Schaumextrudaten entwickelt. Auf der Basis von 2D Oberflächen- und Schnittkantenbildern von Schaumfolien und Schaumblöcken können mit dem Messsystem wesentliche Schaummerkmale abgeleitet werden. Auf der Basis umfangreicher Versuche mit statistischen Versuchsplänen wurden gezielt Maschineneinstellungen zur Herstellung von Schaumextrudaten variiert und die hergestellten Schaumproben anschließend mit dem entwickelten Messsystem bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die automatisierten Zellsegmentierungen der Bildaufnahmen für Schaumblasfolien nahezu deckungsgleich mit einer händisch durchgeführten Annotation sind. Anhand der hergestellten Proben und deren Analyse konnte weiterhin der Einfluss der variierten Maschineneinstellungen auf einzelne wesentliche Schaummerkmale quantifiziert und für die Entwicklung eines Regelungsansatzes genutzt werden.

Das in diesem Forschungsvorhaben entwickelte Qualitätssicherungssystem eröffnet Polymerschaumverarbeitern viele Möglichkeiten für die Inline-Qualitätsüberprüfung und somit einer neuartigen Prozessführung. Da ein großer Bedarf an einer ganzheitlichen, zuverlässigen Qualitätssicherung von geschäumten Bauteilen besteht, kann auch die Wahrscheinlichkeit zur Ergebnisnutzung als hoch eingestuft werden. Da das entwickelte Qualitätssicherungssystem auf die Verwendung günstiger und handelsüblicher Hardwarekomponenten setzt (Systempreis < 25.000 €), ist eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in ein preisgünstiges, marktreifes System möglich. Da die entwickelte Methodik in lizenzfreien Programmbibliotheken implementiert wurde, entstehen keine direkten Lizenzkosten, was zu einer hohen Akzeptanz seitens der kmU beiträgt.