Eine konsistente, genaue Temperaturmessung ist in der Kunststoffindustrie entscheidend, um die korrekte Endbearbeitung von thermogeformten Produkten sicherzustellen.Sowohl beim stationären als auch beim rotativen Thermoformen führt eine niedrige Umformtemperatur zu Spannungen im geformten Teil, während zu hohe Temperaturen zu Problemen wie Blasenbildung und Farb- oder Glanzverlust führen können.
In diesem Artikel werden wir erörtern, wie Fortschritte bei der berührungslosen Infrarot (IR)-Temperaturmessung nicht nur Thermoformbetrieben helfen, ihre Herstellungsprozesse und Geschäftsergebnisse zu optimieren, sondern auch die Einhaltung von Industriestandards für Endproduktqualität und -zuverlässigkeit ermöglichen.
Thermoformen ist das Verfahren, bei dem eine thermoplastische Folie durch Erhitzen weich und biegsam gemacht und biaxial verformt wird, indem sie in eine dreidimensionale Form gezwungen wird.Dieser Prozess kann in Anwesenheit oder Abwesenheit einer Form stattfinden.Das Erhitzen der thermoplastischen Folie ist einer der wichtigsten Schritte beim Thermoformen.Die Umformmaschinen verwenden typischerweise Heizungen vom Sandwich-Typ, die aus Platten von Infrarotheizungen über und unter dem Blechmaterial bestehen.
Die Kerntemperatur der thermoplastischen Folie, ihre Dicke und die Temperatur der Herstellungsumgebung beeinflussen alle, wie Kunststoffpolymerketten in einen formbaren Zustand fließen und sich in eine halbkristalline Polymerstruktur umformen.Die endgültige gefrorene Molekularstruktur bestimmt die physikalischen Eigenschaften des Materials sowie die Leistung des Endprodukts.
Idealerweise sollte sich die thermoplastische Folie gleichmäßig auf ihre geeignete Umformtemperatur erwärmen.Die Folie wird dann zu einer Formstation transportiert, wo eine Vorrichtung sie gegen die Form drückt, um das Teil zu formen, entweder unter Verwendung von Vakuum oder Druckluft, manchmal mit Unterstützung eines mechanischen Stopfens.Schließlich wird das Teil für die Kühlphase des Prozesses aus der Form ausgeworfen.
Der Großteil der Thermoformproduktion erfolgt auf Rollenmaschinen, während Bogenmaschinen für kleinere Volumenanwendungen vorgesehen sind.Bei Vorgängen mit sehr großem Volumen kann ein vollständig integriertes Inline-Thermoformsystem mit geschlossenem Kreislauf gerechtfertigt sein.Die Linie erhält das Rohmaterial Kunststoff und Extruder führen es direkt der Thermoformmaschine zu.
Bestimmte Arten von Thermoformwerkzeugen ermöglichen das Abschneiden des geformten Artikels innerhalb der Thermoformmaschine.Mit diesem Verfahren ist eine größere Schnittgenauigkeit möglich, da das Produkt und der Skelettabfall nicht neu positioniert werden müssen.Alternativen bestehen darin, dass die geformten Blätter direkt zur Schneidestation weitergeschaltet werden.
Ein hohes Produktionsvolumen erfordert in der Regel die Integration eines Teilestaplers in die Thermoformmaschine.Nach dem Stapeln werden die fertigen Artikel für den Transport zum Endkunden in Kartons verpackt.Der abgetrennte Skelettabfall wird zum anschließenden Zerkleinern auf einen Dorn gewickelt oder durchläuft eine mit der Thermoformmaschine in Reihe geschaltete Zerkleinerungsmaschine.
Das Thermoformen großer Bleche ist ein komplexer Vorgang, der anfällig für Störungen ist, was die Anzahl der zurückgewiesenen Teile stark erhöhen kann.Die heutigen strengen Anforderungen an die Oberflächenqualität, Dickengenauigkeit, Zykluszeit und Ausbeute von Teilen, verbunden mit dem kleinen Verarbeitungsfenster neuer Designerpolymere und Mehrschichtplatten, haben Hersteller dazu veranlasst, nach Wegen zu suchen, um die Kontrolle über diesen Prozess zu verbessern.
Während des Thermoformens erfolgt die Folienerwärmung durch Strahlung, Konvektion und Leitung.Diese Mechanismen bringen eine große Unsicherheit sowie Zeitvariationen und Nichtlinearitäten in die Wärmeübertragungsdynamik ein.Darüber hinaus ist die Flächenerwärmung ein räumlich verteilter Prozess, der am besten durch partielle Differentialgleichungen beschrieben wird.
Das Thermoformen erfordert vor dem Formen komplexer Teile eine präzise Mehrzonen-Temperaturkarte.Dieses Problem wird durch die Tatsache verschlimmert, dass die Temperatur typischerweise an den Heizelementen gesteuert wird, während die Temperaturverteilung über die Dicke des Blechs die Hauptprozessvariable ist.
Beispielsweise behält ein amorphes Material wie Polystyrol im Allgemeinen seine Unversehrtheit, wenn es auf seine Formgebungstemperatur erhitzt wird, da es eine hohe Schmelzfestigkeit aufweist.Dadurch ist es einfach zu handhaben und zu formen.Wenn ein kristallines Material erhitzt wird, ändert es sich dramatischer von fest zu flüssig, sobald seine Schmelztemperatur erreicht ist, wodurch das Formgebungstemperaturfenster sehr eng wird.
Auch Änderungen der Umgebungstemperaturen verursachen Probleme beim Thermoformen.Das Trial-and-Error-Verfahren zum Finden einer Walzenvorschubgeschwindigkeit zur Herstellung akzeptabler Formteile könnte sich als unzureichend erweisen, wenn sich die Fabriktemperatur ändern würde (dh während der Sommermonate).Eine Temperaturänderung von 10 °C kann aufgrund des sehr engen Umformtemperaturbereichs einen erheblichen Einfluss auf die Leistung haben.
Herkömmlicherweise haben sich Thermoformer auf spezialisierte manuelle Techniken zur Steuerung der Folientemperatur verlassen.Dieser Ansatz liefert jedoch oft weniger als die gewünschten Ergebnisse in Bezug auf Produktkonsistenz und -qualität.Bediener haben einen schwierigen Balanceakt, der darin besteht, den Unterschied zwischen der Kern- und Oberflächentemperatur des Blechs zu minimieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass beide Bereiche innerhalb der minimalen und maximalen Umformtemperaturen des Materials bleiben.
Darüber hinaus ist ein direkter Kontakt mit der Kunststofffolie beim Thermoformen unpraktisch, da er Fehler auf Kunststoffoberflächen und unannehmbare Reaktionszeiten verursachen kann.
Die Kunststoffindustrie entdeckt zunehmend die Vorteile der berührungslosen Infrarot-Technologie zur Prozesstemperaturmessung und -regelung.Auf Infrarot basierende Sensorlösungen sind zur Temperaturmessung unter Umständen nützlich, in denen Thermoelemente oder andere Sondensensoren nicht verwendet werden können oder keine genauen Daten erzeugen.
Berührungslose IR-Thermometer können zur schnellen und effizienten Überwachung der Temperatur schnelllebiger Prozesse eingesetzt werden, indem die Produkttemperatur direkt anstelle des Ofens oder Trockners gemessen wird.Benutzer können dann Prozessparameter einfach anpassen, um eine optimale Produktqualität sicherzustellen.
Für Thermoformungsanwendungen umfasst ein automatisiertes Infrarot-Temperaturüberwachungssystem typischerweise eine Bedienerschnittstelle und eine Anzeige für Prozessmessungen aus dem Thermoformungsofen.Ein IR-Thermometer misst die Temperatur der heißen, sich bewegenden Kunststoffplatten mit einer Genauigkeit von 1 %.Ein digitales Messgerät mit eingebauten mechanischen Relais zeigt Temperaturdaten an und gibt Alarmsignale aus, wenn die Solltemperatur erreicht ist.
Mit der Software des Infrarotsystems können Thermoformer Temperatur- und Ausgabebereiche sowie Emissionsgrade und Alarmpunkte einstellen und dann die Temperaturmesswerte in Echtzeit überwachen.Wenn der Prozess die Solltemperatur erreicht, schließt ein Relais und löst entweder eine Anzeigelampe oder einen akustischen Alarm aus, um den Zyklus zu steuern.Prozesstemperaturdaten können archiviert oder zur Analyse und Prozessdokumentation in andere Anwendungen exportiert werden.
Dank der Daten aus den IR-Messungen können Bediener der Produktionslinie die optimale Ofeneinstellung ermitteln, um die Platte in kürzester Zeit vollständig zu durchtränken, ohne den Mittelteil zu überhitzen.Das Ergebnis der Hinzufügung genauer Temperaturdaten zu praktischer Erfahrung ermöglicht das Drape Moulding mit sehr wenig Ausschuss.Und schwierigere Projekte mit dickerem oder dünnerem Material haben eine gleichmäßigere Endwandstärke, wenn der Kunststoff gleichmäßig erhitzt wird.
Thermoformsysteme mit IR-Sensorik können auch thermoplastische Entformungsprozesse optimieren.Bei diesen Prozessen fahren Bediener ihre Öfen manchmal zu heiß oder lassen Teile zu lange in der Form.Durch die Verwendung eines Systems mit einem Infrarotsensor können sie konstante Kühltemperaturen in allen Formen aufrechterhalten, den Produktionsdurchsatz erhöhen und die Entnahme von Teilen ohne nennenswerte Verluste durch Kleben oder Verformung ermöglichen.
Obwohl die berührungslose Infrarot-Temperaturmessung viele bewährte Vorteile für Kunststoffhersteller bietet, entwickeln Instrumentenanbieter weiterhin neue Lösungen, um die Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit von IR-Systemen in anspruchsvollen Produktionsumgebungen weiter zu verbessern.
Um Sichtproblemen mit IR-Thermometern zu begegnen, haben Instrumentenhersteller Sensorplattformen entwickelt, die eine integrierte Zielsicht durch die Linse sowie entweder Laser- oder Videosichtung bieten.Dieser kombinierte Ansatz gewährleistet die korrekte Ausrichtung und Zielortung unter den widrigsten Bedingungen.
Thermometer können auch eine gleichzeitige Echtzeit-Videoüberwachung und automatische Bildaufzeichnung und -speicherung beinhalten – und so wertvolle neue Prozessinformationen liefern.Benutzer können schnell und einfach Momentaufnahmen des Prozesses machen und Temperatur- und Zeit-/Datumsinformationen in ihre Dokumentation aufnehmen.
Die heutigen kompakten IR-Thermometer bieten die doppelte optische Auflösung früherer, sperriger Sensormodelle, erweitern ihre Leistung in anspruchsvollen Prozesssteuerungsanwendungen und ermöglichen den direkten Austausch von Kontaktsonden.
Einige neue IR-Sensordesigns verwenden einen Miniaturmesskopf und separate Elektronik.Die Sensoren erreichen eine optische Auflösung von bis zu 22:1 und halten Umgebungstemperaturen von annähernd 200 °C ohne Kühlung stand.Dies ermöglicht eine genaue Messung sehr kleiner Messfleckgrößen auf engstem Raum und unter schwierigen Umgebungsbedingungen.Die Sensoren sind klein genug, um nahezu überall installiert zu werden, und können zum Schutz vor rauen Industrieprozessen in einem Edelstahlgehäuse untergebracht werden.Innovationen in der IR-Sensorelektronik haben auch die Signalverarbeitungsfähigkeiten verbessert, einschließlich Emissionsgrad, Sample-and-Hold, Peak-Hold, Valley-Hold und Mittelungsfunktionen.Bei einigen Systemen können diese Variablen für zusätzlichen Komfort über eine entfernte Benutzerschnittstelle eingestellt werden.
Endanwender können jetzt IR-Thermometer mit motorisierter, ferngesteuerter variabler Zielfokussierung wählen.Diese Funktion ermöglicht eine schnelle und genaue Einstellung des Fokus von Messzielen, entweder manuell auf der Rückseite des Instruments oder aus der Ferne über eine RS-232/RS-485-PC-Verbindung.
IR-Sensoren mit ferngesteuerter variabler Zielfokussierung können je nach Anwendungsanforderung konfiguriert werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer falschen Installation verringert wird.Ingenieure können den Messzielfokus des Sensors von der Sicherheit ihres eigenen Büros aus feinabstimmen und Temperaturschwankungen in ihrem Prozess kontinuierlich beobachten und aufzeichnen, um sofort Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.
Lieferanten verbessern die Vielseitigkeit der Infrarot-Temperaturmessung weiter, indem sie Systeme mit Feldkalibrierungssoftware liefern, die es Benutzern ermöglicht, Sensoren vor Ort zu kalibrieren.Darüber hinaus bieten neue IR-Systeme verschiedene Möglichkeiten für die physische Verbindung, einschließlich Schnelltrennsteckern und Terminalverbindungen;unterschiedliche Wellenlängen für Hoch- und Tieftemperaturmessung;und eine Auswahl an Milliampere-, Millivolt- und Thermoelementsignalen.
Instrumentendesigner haben auf Emissionsprobleme im Zusammenhang mit IR-Sensoren reagiert, indem sie Einheiten für kurze Wellenlängen entwickelt haben, die Fehler aufgrund der Unsicherheit des Emissionsgrads minimieren.Diese Geräte sind nicht so empfindlich gegenüber Änderungen des Emissionsvermögens auf dem Zielmaterial wie herkömmliche Hochtemperatursensoren.Als solche liefern sie genauere Messwerte über unterschiedliche Ziele bei unterschiedlichen Temperaturen.
IR-Temperaturmesssysteme mit automatischem Emissionsgrad-Korrekturmodus ermöglichen es Herstellern, vordefinierte Rezepte einzurichten, um häufigen Produktwechseln Rechnung zu tragen.Durch die schnelle Identifizierung thermischer Unregelmäßigkeiten innerhalb des Messziels ermöglichen sie dem Benutzer, die Produktqualität und -gleichmäßigkeit zu verbessern, Ausschuss zu reduzieren und die Betriebseffizienz zu verbessern.Wenn ein Fehler oder Defekt auftritt, kann das System einen Alarm auslösen, um Korrekturmaßnahmen zu ermöglichen.
Verbesserte Infrarot-Sensortechnologie kann auch dazu beitragen, Produktionsprozesse zu rationalisieren.Bediener können eine Teilenummer aus einer bestehenden Temperatursollwertliste auswählen und automatisch jeden Spitzentemperaturwert aufzeichnen.Diese Lösung eliminiert das Sortieren und verlängert die Zykluszeiten.Es optimiert auch die Steuerung der Heizzonen und erhöht die Produktivität.
Damit Thermoformer den Return on Investment eines automatisierten Infrarot-Temperaturmesssystems vollständig analysieren können, müssen sie bestimmte Schlüsselfaktoren berücksichtigen.Die Reduzierung der Endkosten bedeutet, dass Zeit, Energie und die Menge an Abfall, die stattfinden kann, berücksichtigt werden müssen, sowie die Möglichkeit, Informationen zu jeder Platte zu sammeln und zu melden, die den Thermoformprozess durchläuft.Zu den allgemeinen Vorteilen eines automatisierten IR-Sensorsystems gehören:
• Möglichkeit zur Archivierung und Bereitstellung von Wärmebildern jedes hergestellten Teils für Qualitätsdokumentation und ISO-Konformität.
Die berührungslose Infrarot-Temperaturmessung ist keine neue Technologie, aber die jüngsten Innovationen haben die Kosten gesenkt, die Zuverlässigkeit erhöht und kleinere Messeinheiten ermöglicht.Thermoformer mit IR-Technologie profitieren von Produktionsverbesserungen und einer Reduzierung des Ausschusses.Die Qualität der Teile verbessert sich auch, weil die Hersteller eine gleichmäßigere Dicke aus ihren Thermoformmaschinen bekommen.
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Postzeit: 19. August 2019