Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozess- und Qualitätsüberwachung in der Polymerschaumextrusion mittels Luftultraschall

Rohdichte und Zellgröße sind die charakteristischen Kenngrößen von polymeren Schäumen, welche maßgeblich deren Qualität und damit Einsatzfeld bestimmen. Bei der Herstellung wird eine Prozessführung von Faktoren wie z. B. Chargenwechsel, Temperaturschwankungen oder Werkzeugverschleiß beeinflusst. Dies wiederum schlägt sich in den charakteristischen Kenngrößen des geschäumten Polymerwerkstoffes nieder. Die erforderliche Kontrolle der Kenngrößen geschieht bis dato überwiegend offline. Eine Inline-Prozessüberwachung der entscheidenden Parameter Rohdichte und Zellgröße im laufenden Schaumextrusionsprozess ist bislang nicht möglich.

Die Luftultraschall(LUS)-Technologie ist, bedingt durch zahlreiche Alleinstellungsmerkmale im Bereich der Charakterisierung von Schäumen, besonders erfolgsversprechend. Vorteile dieser Technologie liegen z. B. in einer zerstörungsfreien und berührungslosen Arbeitsweise, welche im Vergleich zu Röntgenstrahlung nicht ionisierend und nicht gesundheitsgefährdend sind. Da die verwendeten Frequenzen in der LUS-Technologie niedriger sind als in der konventionellen Ultraschalltechnologie können auch dickere Schaumstrukturen durchdrungen werden. Im Gegensatz zur Terahertz-Technologie zeichnet sich die LUS-Technik durch niedrigere Systemkosten und geringere Messzeiten aus.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines LUS-Messstandes zur kontinuierlichen Prozessüberwachung in der Schaumproduktion. Ein weiteres Ziel ist es die Anwendungsgebiete dieser noch relativ jungen Technologie zu erweitern. Durch eine gezielte und selektive Auswertung der LUS-Messdaten soll eine direkte Ausgabe der Kennwerte des Schaumes erreicht werden. Damit kommt das vorliegende Forschungsvorhaben insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen zu Gute, die auf Seiten der System- und Komponentenanbieter und auf Seiten der Anwender den Markt dominieren.

Ergebniszusammenfassung:

Verschiedene Ansätze zur Luftultraschallcharakterisierung in Transmissionsanordnung und bei einseitiger Zugänglichkeit wurden verfolgt. Dabei zeigte sich, dass die Ultraschallcharakteristiken und die Schaumparameter auf komplexe Weise zusammenhängen, was einfache, auf die Laufzeit oder die Schallamplitude basierende Charakterisierungsverfahren, nur teilweise geeignet erscheinen lässt. Gleichwohl ließen sich zumindest bei einem Teil der verfügbaren Schaumproben Korrelationen herausarbeiten, welche Möglichkeiten zur Anwendung des Verfahrens bieten. Eine vertiefende Datenanalyse erschien deswegen wünschenswert. Dennoch konnten zuverlässig Schäume innerhalb einer Produktreihe unterschieden werden, was in Rücksprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss häufig als Information ausreicht. Im Rahmen einer Pilotuntersuchung wurden dabei erstmals in größerem Umfang vielfältige Methoden des Maschinellen Lernens auf die aufgenommenen Zeitreihen angewendet. Klassifizierungsaufgaben konnten erfolgreich bearbeitet werden. So gelang die Zuordnung zu Materialgruppen. Für einen Teil der untersuchten Schaumproben konnte auch eine genaue Bestimmung der Rohdichte (relative Abweichung kleiner 5%) aus den Zeitreihen erreicht werden. Dabei konnte die grundsätzliche Inline-Fähigkeit der erarbeiteten Methodik nachgewiesen und somit die praktische Anwendung vorbereitet werden. Insgesamt hat das Projekt somit neue Perspektiven der Anwendung der Luftultraschallprüfung eröffnet. Die Charakterisierung von Schäumen mit Luftultraschall ist inline möglich und verspricht für die Anwendung relevante Materialkennwerte liefern zu können. Von diesen Ergebnissen profitieren nicht nur Anbieter von Ultraschallsystemen und Anwender von Luftultraschallsystemen, sondern auch Dienstleister im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung und kunststoffverarbeitende Unternehmen.