Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Produktivität und der Folienqualität in der Flachfolienextrusion durch Vermeidung der Belagsbildung auf Kühlwalzen mithilfe eines mit einem optischen Inspektionssystem gekoppelten Walzenreinigungssystems

Bei der Verarbeitung von Kunststoffen in der Flachfolienextrusion bildet sich häufig ein Belag an den Kühlwalzenoberflächen. Dieser Belag kann sich in unvorhersehbaren Intervallen ablösen und haftet an der produzierten Flachfolie an. Infolgedessen kommt es zu fleckigen oder gestreiften Folien, die als Ausschuss aus der Produktion entfernt werden müssen. Die für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses entscheidende Abkühlleistung wird ebenfalls durch die Belagbildung beeinträchtigt, sodass die Anlage in unregelmäßigen, nicht vorhersehbaren Zeitabständen abgeschaltet und gereinigt werden muss. Ziel dieses Vorhabens ist es, die Anlagenproduktivität und die Folienqualität bei der Flachfolienextrusion durch frühzeitige und automatische Erkennung sowie Beseitigung von Walzenbelag zu steigern. Dies soll durch die Entwicklung eines mit einem optischen Inspektionssystem gekoppelten Walzenreinigungssystem erfolgen. Dazu wird zunächst ein optisches Messsystem zur automatischen Erfassung der Belagbildung entwickelt. In einem weiteren Schritt wird ein automatisierbares Walzenreinigungssystem konstruiert und über eine Kommunikationsschnittstelle mit der entwickelten Messtechnik gekoppelt. Damit haben Folienhersteller die Möglichkeit, eine zuverlässige und gleichmäßige Walzenreinigung ohne Produktionsausfall durchzuführen. Als weiteres Ziel sollen durch den Einsatz des entwickelnden Messsystems quantitative Zusammenhänge zwischen den material- und prozesstechnischen Einflussfaktoren und der Belagbildung ermittelt werden, was den Folienhersteller eine Optimierung der Folienrezepturen und der Prozessführung ermög-lichen kann. Die Ergebnisse bieten einen großen Nutzen für KMU entlang der gesamten Wertschöpfungskette zur Herstellung von Folien. Folienhersteller profitieren von der Reduzierung von Ausschussproduktion und Anlagenstillständen sowie von der erhöhten Produktqualität. Anlagenhersteller wiederum können ihre Anlagen entsprechend verbessern und ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Während der Flachfolienextrusion besteht je nach eingesetztem Material di Herausforderung, dass sich im zeitlichen Verlauf ein Belag auf den metallischen Kühlwalzen bildet, welcher dabei über die Zeit lokal zunimmt und oftmals zu reduzierten Folieneigenschaften führt. Deshalb wurde untersucht, wie die Ablagerungen auf der Walzenoberfläche während der Extrusion zuverlässig detektiert werden können, um einen automatischen Reinigungsprozess auslösen. Dazu wurde auf der Grundlage des Funktionsprinzips der Erfassung von Glanzveränderungen auf der Walzenoberfläche mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung und hohem Kontrast aufnehmen zu können. Aufgrund der hochglänzenden metallischen Oberflächen der Walzen mussten sowohl der Abstand als auch der Blickwinkel der Kameras und der Beleutungen flexibel und reproduzierbar einstellbar sein. Daher wurde eine Einhausung aus Aluminiumprofilen konstruiert, an der die Messkomponenten befestigt werden können. Zudem konnte so eine Abschirmung gegen Fremdlichteinflüsse durch Hallenlicht und Sonneneinstrahlung realisiert werden. Darauf aufbauend wurden Bildverarbeitungsalgorithmen entwickelt, welche die zunächst die Aufnahme der Walzenoberfläche ermöglichen und darauf aufbauend eine objektive Qualifizierung der Belagsbildung auf der Kühlwalzenoberfläche vornehmen. Um den während der Extrusion entstehenden Walzenbelag in vergleich zu einer sauberen und gereinigten Walzenoberfläche zuverlässig quantisieren zu können, musste das Erfassungssystem aufgrund vielfältiger Einflussfaktoren auf die Erfassungsqualität kalibriert werden. Ziel war dabei die Maximierung des Kontrast zwischen gereinigten und belagsbehaften Walzenoberfläche. Zur Beeinflussung der Kontrastierung wurden "äußere Einflussfaktoren" von "inneren Einflussfaktoren" unterschieden, deren Einfluss im Rahmen einen systematischen Einstellstrategie des Inspektionssystems ermittelt wurden. Es wurde festgestellt, dass die Belichtungszeit (exposure time) sowie das digital gain nach optimaler Kameraausrichtung den größten Einfluss auf ein optimales Belichtungsergebnis haben. Darauffolgende Extrusionsversuche konnten die Leistungsfähigkeit des Inspektionssystems zur Erfassung und Quantifizierung von Walzenbelägen bestätigen. Eine Variation der Schmelze- Walzentemperatur zeigt, dass sich je nach Prozesspunkt unterschiedliche Belagswachstumsraten einstellen. Beispielweise lässt sich postulieren, dass eine herabgesetzte Schmelzetemperatur zu einer geringeren Walzenbelagsbildung führt als bei höheren Temperaturen. Weiterhin wurde der während der Versuche quantifizierte Walzenbelag mit optischen Eigenschaften der produzierten Folie untersucht. Der Glanzschleier (Haze) der Folie ist dabei je nach Prozzespunkt nicht eindeutig mit dem quantifizierten Walzenbelag zu korrelieren, was möglicherweise auf die begrenzte Extrusionszeit zurückzuführen ist. Abschließend erfolgte die Konstruktion und Erprobung eines berührenden Walzenreinigungssystems. Es konnte gezeigt werden, dass das Reinigungssystem einen geringen Einfluss auf die Folienqualität während des Reinigungsprozesses aufweist als eine manuelle Reinigung der Walzenoberfläche. Die effiziente Herstellung von Kunststofffolien ist eine zentrale Voraussetzung für die Wettbewerbsfähigkeit und Rentabilität der KmU, die einem zunehmenden Internationalen Weltwerbsdruck ausgesetzt sind. Die in dem Forschungsprojekt erarbeitete ganzheitliche Lösung aus einem optischen Messsystem zur Quantifizierung der Walzenbeläge in Kombination mit dem Walzenreiningungssystem bietet KmU die Möglichkeit, den Reinigungsprozess zum wirtschaftlichsten Zeitpunkt auszuführen, wodurch Ausschussproduktion reduziert werden kann. Zudem bedeutet die Verkürzung der Stillstandzeiten auch unmittelbar eine Erhöhung der Anlagenproduktivität. Da die Beschaffungskosten des Gesamtssystems weniger als 10.000 Euro betragen, ist mit einer Amortisierten Walzenreinigung für KmU. Als sechs Monaten zu rechnen. Diese Szenarien verdeutlichen das große Potenzial der Möglichkeit einer zuverlässigen, automatisierten Walzenreiningung für KmU.