Analyse kleinster Verunreinigungen im Kunststoffmaterial

Automatisiertes Leuchttischsystem zur offline Inspektion und Analyse von Kunststoffmaterial. (Foto: Sikora)

Die Qualitätsstandards in der kunststoffverarbeitenden Industrie stellen sowohl die Kunststoffhersteller als auch die verarbeitende Industrie vor große Herausforderungen. Die Inspektion und Analyse des Rohmaterials, bereits bevor es in den Produktionsprozess gelangt, ist daher industrieller Standard. Um eine hohe Qualität des Materials und somit des Endproduktes sicherzustellen, setzen Kunststoffhersteller online Inspektions- und Sortiersysteme ein. Diese inspizieren das Material, detektieren Kontaminationen, farbliche Auffälligkeiten sowie Inhomogenitäten im laufenden Produktionsprozess und sortieren kontaminiertes Material automatisch aus. Weiterhin werden Systeme zur Stichproben- oder Wareneingangskontrolle und Analyse von Kunststoffmaterial eingesetzt. Diese offline Inspektion und Analyse liefert Materialherstellern und verarbeitern zentrale Informationen über die Kontaminationen, die Ursachen von Verunreinigungen sowie die eigenen Herstellungsprozesse.

Steigende Qualitätsansprüche in der Kunststoffindustrie

Kunststoffe, wie sie im Medizinbereich oder in der Flugzeug- und Automobilindustrie eingesetzt werden, erfordern hohe Qualitätsstandards sowie eine zuverlässige Kontrolle und Verarbeitung von Rohmaterialien. In den unterschiedlichen Prozessschritten zur Herstellung von Kunststoffprodukten können Verunreinigungen auftreten. Beispielsweise entstehen während des Pelletextrusionsprozesses durch Temperaturspitzen Vercrackungen wie Stippen/Black Specks im Material. Gelangen diese in den weiteren Produktionsprozess, ist eine absolute Reinheit des Endproduktes nicht mehr gegeben – mit zum Teil drastischen Konsequenzen. Bei der Herstellung von Medizinschläuchen etwa führen Verunreinigungen im Rohmaterial zu einem kompletten Ausfall der Produktion. Bevor diese wiederaufgenommen werden kann, muss die gesamte Produktionsanlage gereinigt werden. Auch im Bereich Spritzgießen stellt Reinheit ein essentielles Kriterium dar. So können Spritzdüsen durch Verunreinigungen verstopfen, was hohe Folgekosten verursachen kann.

Konventionelle Technologien zur offline Inspektion und Analyse

Bei den etablierten Technologien zur Stichprobeninspektion und Analyse von Kunststoffmaterial kann man zwischen manuellen Leuchttischen sowie automatisierten optischen Inspektionssystemen unterschieden.

Der Einsatz manueller Leuchttische für eine visuelle Stichprobenprüfung und Wareneingangskontrolle von Kunststoffmaterial ist in der Industrie weit verbreitet. Das zu prüfende Material wird auf einem Tisch beleuchtet und manuell durch den Bediener auf Kontaminationen untersucht. Diese sehr zeitintensive Methode ist abhängig vom Prüfer. Tagesform, Erfahrungswerte und Einsatzdauer des Bedieners sind nur einige Faktoren, die die Qualität des Prüfergebnisses beeinflussen, sodass nur eine eingeschränkte Wiederholbarkeit vorliegt. Reflektierende und hochtransparente Pellets erschweren ferner die manuelle Sichtkontrolle. Weitere Grenzen sind die für das menschliche Auge erfassbare Größe der Kontamination sowie deren Einteilung in Größenklassen.

Alternativ am Markt verfügbare optische Inspektionsgeräte führen das Prüfmaterial in einen Trichter und durch einen Kanal in den Inspektionsbereich. Dabei werden Bilder des Materials schrittweise nacheinander aufgenommen. Eine eindeutige Zuordnung der Kontamination zum aufgenommenen Bildmaterial sowie eine Nachkontrolle sind nicht möglich.

Optische Stichprobenkontrolle mit automatisiertem Leuchttischsystem

Die Kombination aus visuellem Leuchttisch mit einer automatischen Stichproben-Materialkontrolle stellt eine neuartige Technologie dar. Der Bediener platziert das zu überprüfende Material auf einem Probenträger. Der automatisierte Leuchttisch führt den Probenträger samt Prüfgut durch den mit einer Farbkamera CMOS Line Scan ausgestatteten Inspektionsbereich. Die Inspektion erfolgt automatisch innerhalb von Sekunden. Ein Projektor markiert kontaminiertes Material farblich direkt auf dem Probenträger. Parallel wird es am Monitor mit Angabe der Größe und Fläche der Verunreinigung angezeigt und markiert. Durch die Auswertung der Bildaufnahmen werden Verunreinigungen wie Stippen/Black Specks ab 50 µm und Farbabweichungen in transparentem sowie auf farbigem oder diffusem Material automatisch detektiert, visualisiert und ausgewertet. Alternativ zur optischen Technologie ist ein System mit Röntgentechnologie verfügbar, zur Detektion metallischer Kontaminationen innerhalb sowie auf der Oberfläche intransparenter, farbiger und transparenter Kunststoffmaterialien. Einzelne kontaminierte Pellets können am Monitor ausgewählt und vergrößert angezeigt werden. Auf dem Probenträger werden diese parallel optisch per Fadenkreuz visualisiert. Eine klare Zuordnung der Kontamination und Nachkontrolle sind jederzeit möglich und lassen wichtige Erkenntnisse für den Produktionsprozess zu.

Statistische Auswertung und Speicherung der Messdaten

Das vorgestellte optische Inspektions- und Analysesystem beinhaltet eine eigens entwickelte Analysesoftware zur Detektion, Visualisierung und Auswertung von Verunreinigungen. Diese umfasst eine Bildergalerie detektierter Kontaminationen sowie Statistiken über deren Größe, Fläche und Anzahl. Weiterhin kann bereits zuvor aufgenommenes Bildmaterial importiert und erneut analysiert werden. Das Inspektions- und Analysesystem lässt sich über eine LAN-Schnittstelle mit dem Unternehmensnetzwerk einbinden, sodass die gesammelten Daten exportiert und weiterverarbeitet werden können. Die Daten liefern den Anwendern wertvolle Informationen über den Prozess und die Materialqualität. So sind beispielsweise durch den Aufbau einer zentralen und sich fortlaufend aktualisierenden Datenbank Rückschlüsse auf die Quellen und Ursachen von Verunreinigungen möglich. Darauf aufbauend können bestehende Prozesse im Unternehmen oder bei Lieferanten optimiert werden, sodass eine umfassende Qualitätskontrolle sichergestellt wird.

Anwendungsbereiche des automatisierten Leuchttisches

Der beschriebene automatisierte Leuchttisch bietet ein breites Spektrum an Anwendungsfeldern. Auf dem 295 x 210 mm breiten Probenträger ist eine Inspektion von Flakes, Mikrogranulaten, Folien, Pulver sowie Extrudier- und Spritzgussteilen mit einer Probenhöhe von bis zu 5 mm möglich. Pro Durchlauf können beispielsweise etwa 100 g Pellets inspiziert und analysiert werden. Bei einer Pelletgröße von 4 x 4 x 4 mm entspricht dies bis zu 3.300 Pellets. Neben der Möglichkeit der Analyse zur Ursachenfindung und Prozesskontrolle im klassischen Laborbetrieb eignet sich das System aufgrund der schnellen, automatischen Analyse innerhalb von Sekunden zur Wareneingangskontrolle sowie für den Warenausgang, um die Qualität mit den Anforderungen des Kunden abzugleichen.

Vorteile manueller Sichtkontrolle und automatischer Stichproben-Kontrolle vereint

Die Qualitätsanforderungen in der Kunststoffherstellung und -weiterverarbeitung steigen kontinuierlich bei gleichzeitig steigender Komplexität der Produktionsprozesse. Neben einer permanenten online Überwachung des Produktionsprozesses durch Inspektions- und Sortiersysteme sind regelmäßige offline Stichprobenkontrollen des Kunststoffmaterials erforderlich, um eine gleichbleibende Qualität vom Rohmaterial bis zum Endprodukt sicherzustellen. Bislang werden in der Kunststoffindustrie standardmäßig manuelle Leuchttische sowie automatisierte Sichtprüfgeräte ohne Zuordnung der Kontamination sowie Nachkontrolle zur Qualitätssicherung eingesetzt. Eine neuartige optische Technologie vereint nun die Vorteile der manuellen Sichtkontrolle mit einer automatischen Stichproben-Materialkontrolle. Das automatisierte Leuchttischsystem detektiert und visualisiert automatisch Verunreinigungen ab 50 µm und wertet diese statistisch aus. Die Kontaminationen werden eindeutig zugeordnet und eine Nachkontrolle ist jederzeit möglich. Das System ist präziser, schneller, reproduzierbarer und zuverlässiger als es das menschliche Auge am Leuchttisch sein kann. Es trägt dadurch maßgeblich zur Qualitätskontrolle und effizienten Prozessoptimierung bei.

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