Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines Systems zur Online-Mechanik-Messung am Kunststoffstrang (Online-Mech)

Bei Kunststoffen stellen die mechanischen Eigenschaften meist die wichtigsten Qualitätskenngrößen dar. Sie sind grundlegend verantwortlich für die Funktionserfüllung eines Endprodukts. Bei den bisherigen genormten Offline-Prüfungen werden die mechanischen Eigenschaften häufig an spritzgegossenen Probekörpern bestimmt. Im Gegensatz zur Offline-Messung ist bei einer Online-Messung ein schneller und direkter Eingriff in den laufenden Herstellungsprozess zur Rezeptur- bzw. Verfahrenskonfiguration möglich. Dabei kann in Echtzeit auf vorliegende Mess- und Qualitätsergebnisse zurückgegriffen werden, da ein zusätzlicher Schritt für die Probenherstellung entfällt.

Bislang existiert keine geeignete Prozessmessmethode, mit der produktionsnah die mechanischen Eigenschaften von typischen Compounds ermittelt werden können. Zahlreiche Prozessmessmethoden (spektroskopische Verfahren, Ultraschall, Softsensorik etc.) lassen keine direkten Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften und nur indirekte Schlussfolgerungen zu. Bisherige Ansätze sind nur bei niedrig gefüllten Compounds einsetzbar, verwenden nicht gängige Mischprozesse zur Kunststoffaufbereitung (z. B. Compoundieren auf einer Probekörper herstellenden Spritzgießmaschine) und/oder liefern Kennwerte, die nur schwer zu konventionellen Normprüfungen zu korrelieren sind.

Im Rahmen dieses Projekts soll erstmals ein Online-Messverfahren entwickelt werden, das es erlaubt, die mechanischen Eigenschaften (Schlagzähigkeit, Druckfestigkeit) in Anlehnung an Normen direkt an der Extrusionslinie in Echtzeit zu ermitteln. Als „Probekörper“ dient dabei der extrudierte Strang eines Kunststoffcompounds oder ein Halbzeug. Für die Schlagzähigkeits- und Druckfestigkeitsmessung wird hierbei jeweils ein Demonstrator ausgelegt, gebaut und an der Extrusionslinie erprobt. Das Verfahren soll auch temperaturabhängige Messungen erlauben.

Ergebniszusammenfassung:

Derzeit können die mechanischen Materialeigenschaften eines Compounds nur mittels zeitaufwändiger Labormessmethoden bestimmt werden. Die in diesem Forschungsvorhaben vorgestellten Messansätze bieten Möglichkeit mittels zweier Messanordnungen im Prozess die Materialqualität (Shore-Härte sowie Izod- und Charpy-Schlagzähigkeit) direkt am Strang zu bestimmen. Im Zuge des Vorhabens konnte aufgezeigt werden, dass mittels der konzipierten Demonstratoren auf die mechanischen Eigenschaften des Compound Materials geschlossen werden kann. Die Online-Messverfahren kommen dem Compoundieren in zwei Anwendungsfällen zugute. Für die Materialrezeptur bzw. Verfahrensoptimierung, welche in iterativen Schritten auf den vorherigen Versuchsergebnissen aufbaut, muss bisher aufgrund der Referenzmessungen ein großer Zeitbedarf zwischen den einzelnen Iterationsschleifen eingeplant werden. Durch die sofortige Materialcharakterisierung bei der Versuchsdurchführung kann diese deutlich effizienter und kürzer umgesetzt werden. Hierfür ist bereits eine relative Bestimmung von Änderungen der Materialeigenschaften, wie es im Forschungsvorhaben möglich war, ausreichend. Der andere Anwendungsfall ist die Produktionsüberwachung bei der Compoundierung. Mittels der Online-Messung kann eine direkte Prüfung zu Soll-Vorgaben erfolgen und eine konstante Prozessüberwachung stattfinden. Hierbei ist ebenfalls, wie bereits im Forschungsvorhaben umgesetzt, das Erkennen von relativen Änderungen der Materialeigenschaften im Prozess ausreichend. Die Online-Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften ermöglichen dabei nicht nur eine Qualitätsverbesserung durch Online-Kontrolle im Prozess und Zeitersparnis bei der Verfahrens- und Rezepturentwicklung, sondern führt infolgedessen auch zu wirtschaftlichen Vorteilen (höhere Produktqualität, weniger Ausschussmaterial, kürzere Entwicklungszeit etc.) für die Compoundeure.