Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Prozesssicherheit in der Kunststoffverarbeitung durch Inline-Detektion von Gelpartikeln und Bestimmung des Aufschmelzgrades mittels Terahertz-Wellen (THz-Gel)

Gelpartikel treten häufig bei der Verarbeitung von Kunststoffen auf und führen zu Qualitätsproblemen z. B. bei Verpackungsanwendungen. Als Gelpartikel werden nicht aufgeschmolzenes Material, Fremdmaterial oder teilvernetztes Material bezeichnet. Neben der Detektion von Gelpartikeln soll zusätzlich der Aufschmelzgrad des Polymers untersucht werden, was insbesondere im Compounding Arbeitsschritte verkürzen und somit eine nachhaltigere Prozessführung sicherstellen würde.

Im geplanten Forschungsvorhaben soll dazu die Terahertz (THz)-Messtechnik inline am Extruder eingesetzt werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine schnelle, kontinuierliche 100%-Kontrolle während der Verarbeitung. Die Vorteile der THz-Technik liegen in einer berührungslosen Arbeitsweise, welche im Vergleich zur Röntgenstrahlung nicht ionisierend und gesundheitsgefährdend ist, sowie im Vergleich zur Ultraschalltechnik in einer hohen Eindringtiefe in Polymeren und Temperaturunabhängigkeit.

Da Gelpartikel in der Regel einen anderen Aggregatszustand (fest) als die umgebende Schmelze (flüssig) aufweisen, können diese durch Laufzeitmessungen aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes erkannt werden. Außerdem können die THz-Wellen in Abhängigkeit der Größe der Gelpartikel gestreut werden, welche als veränderte Dämpfung in Erscheinung treten. Der Aufschmelzgrad der Kunststoffschmelze macht sich durch unterschiedliche Absorptionseffekte bemerkbar. Werden diese Effekte auf physikalische Wechselwirkungsmechanismen (z. B. Mie-Streuung, Fresnel-Gleichungen) reduziert und in ein Systemmodell überführt, können Aussagen über den Aufschmelzgrad und Gelpartikelart sowie -geometrie getroffen werden.

Das Forschungsvorhaben kommt insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen zu Gute, die auf Seiten der THz-Systemanbieter und der dazugehörigen Komponentenlieferanten sowie kleinen Compoundeuren mit häufig wechselnden zu verarbeitenden Materialien den Markt dominieren.

Ergebniszusammenfassung:

Als wesentliches Ergebnis des Forschungsprojekts wurde ein Adapter konstruiert, mit welchem es möglich ist, direkt am Extruder bzw. am Hochdruck-Kapillar-Rheometer THz-Messung in Kontakt zu der Kunststoffschmelze durchzuführen. Aufgrund des''/2"-20 UNF-Gewindes der THz-Schmelzsonden, was ein gängiger Gewindetyp bei Extrudern darstellt, kann das Messsystem an sehr viele Extruder adaptiert werden. Weiterhin ist die THz-Sonde für Drücke bis 300 bar und Temperaturen bis 300 °C ausgelegt, was die Verarbeitung des Großteils der Kunststoffe abdeckt. Damit steht für Unternehmen nun eine Möglichkeit bereit deren Extrusionsprozesse mit einer Inline-Messmethode direkt zu überwachen und Aussagen über deren Aufschmelzgrad zu erhalten und ggf. Gelpartikel zu identifizieren.

Durch das Erreichen der Forschungsziele und der offensichtlichen Eignung der THz-Technik zur Inline-Qualitätskontrolle in der Extrusion ist der THz-Technik ein komplett neuer Markt zugänglich. Das hohe Interesse in der Industrie wurde durch konstruktive pbA-Treffen und die dabei geführten Diskussionen verdeutlicht. Zukünftig gibt es daher weitere Bestrebungen, mit diesen Firmen die Forschungsergebnisse in einem weiteren Projekt messtechnisch in Form eines noch zu entwickelnden kommerziellen Messsystems industriell umzusetzen.

Die im Zuge des Forschungsprojektes gewonnenen Erkenntnisse können direkt für weitere THz-Forschungsarbeiten im Kunststoffbereich genutzt werden. Dies betrifft vor allem THz-Systemanbieter. Das Forschungsprojekt kann somit Impulse für weitere Qualitätsüberwachungsmaßnahmen im Kunststoffverarbeitungsprozess mittels THz-Messung bieten. Durch eine kontinuierliche Inline-Kontrolle der Produkt- und Prozesskennwerte können Trends in Bezug auf Abweichungen vom Sollwert ermittelt werden. Dadurch können direkt Änderungen bzw. Korrekturen an den verfahrenstechnischen Prozesseinstellungen vorgenommen werden, was nicht nur signifikante Mengen an Zeit und Kosten spart, sondern auch Ausschuss verringert.