Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Terahertz-Prozesstomografie bei der Extrusion von Kunststoffhalbzeugen

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung eines Terahertz (THz)-Tomografie-Systems für den Einsatz in der kontinuierlichen Prozessüberwachung bei der Kunststoffextrusion. Dabei werden insbesondere die Anwendungen von Rohr-, Schlauch-, Kabel- und Profilextrusion betrachtet.

Die kunststoffverarbeitende Industrie in Deutschland ist sehr mittelständisch geprägt und besteht zu großen Teilen aus KMU. Die Entwicklung der Prozessüberwachung mithilfe von THz-Tomografie kann den Extrusionsprozess erheblich optimieren und automatisieren. Relevante Qualitätskenndaten sollen in Echtzeit verfügbar sein und so zeitintensive Offline-Kontrollen ersetzen. Ebenso Anbieter und Hersteller von THz-Messtechnik, die in Deutschland ausschließlich durch KMU abgedeckt werden, profitieren davon. Neben der Erschließung neuer Absatzmärkte erhöht sich auch die Innovationstiefe gegenüber ausländischen Konkurrenten.

Das Projekt soll in enger Abstimmung mit dem PA die Entwicklung eines bildgebenden, echtzeitfähigen Messsystems für konkrete Anwendungsfelder vorantreiben. In diesem Bereich bietet die THz-Prozesstomografie eine Alternative zu konventionellen Röntgen- und Ultraschallverfahren. Die THz-Komponenten rotieren um das extrudierte Messobjekt. Es wird kontinuierlich die transmittierte wie auch reflektierte Strahlung gemessen. Nach der Auswertung von Amplitude und Phase sollen Aussagen zu unterschiedlichen Materialparametern wie Dichteunterschiede, Füllstoffgehalt, Partikelverteilung sowie Feuchtegehalt getroffen werden. Zudem können Fehler wie Blasen und Lunker, Verformungen und Risse detektiert werden. Die tomografische Bildgebung bietet außerdem die Möglichkeit zur Bestimmung der Geometrie von Bauteilen. Die zum Einsatz kommende vollelektronische THz-Technik bietet wesentliche Vorteile gegenüber optischen Systemen: Sie sind vergleichsweise kostengünstig, robust bzw. wartungsfrei und ermöglichen extrem kurze Messzeiten.

Die Ergebnisse sind insbesondere von KMU nutzbar und die Interessen der KMU an diesem Vorhaben werden angemessen berücksichtigt.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde ein Terahertz-Tomografiesystem mit einer Sendeeinheit und drei Empfängereinheiten aufgebaut und in Betrieb genommen. Die Messtechnik basiert dabei auf einem FMCW-Radar, welches zwischen 110 GHz und 170 GHz abstrahlt. Durch Verwendung einer Phasenregelschleife konnte ein konstantes Signal erzeugt werden. Des Weiteren wurde ein mechanischer Aufbau konstruiert, welcher mittels eines Schleifrings sich kontinuierlich drehen kann und über induktive Kontakte die erzeugten Messdaten überträgt. Das Messsystem wurde durch Optimierung an einigen Stellen in deren Messgeschwindigkeit verbessert, so dass eine 360 Grad Messung maximal 60 Sekunden dauert.

Softwareseitig wurde ein benutzerfreundliches Programm geschrieben, mit welchem die mechanische Einheit sowie das Radar angesteuert werden können. Die Messdaten werden mit Hilfe verschiedener implementierter Algorithmen verarbeitet, damit die relevanten Messsignale erkannt werden können. Es werden die Amplitude und Laufzeit des Terahertz-Signals in Transmission sowie die Position in Reflexion ausgegeben.

Weiterverarbeitung der Messdaten:

Es wurde ein Algorithmus zur Anomalie Detektion entwickelt und implementiert, um Defektbereiche zu lokalisieren. Hierbei kamen Aspekte des Maschinellen Lernens zum Tragen. Der Algorithmus wurde anschließend anhand der realen Messdaten getestet. Die erzielten Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen großes Potential für den Einsatz in Inline-Prozessen auf. Zum Abschluss des Projektes wurde ein unbekanntes Vollrohr auf Defektstellen untersucht und der Algorithmus konnte die Fehlerbereiche erkennen.

Die Ausbreitung der Terahertz-Strahlung wurde in einer weiteren Untersuchung durch das physikalische Modell der Eikonalgleichung simuliert. Die partielle Differenzialgleichung wurde unter Verwendung der Fast Marching Methode numerisch gelöst und implementiert. Ein Vergleich von simulierten und realen Daten zeigt, dass das Modell die Wegdifferenz der Strahlung sehr gut annähert.