Automatisierte Qualitätssicherungskette bei der Compoundierung von technischen Kunststoffen

Prof. Dr. Ralph Stengler, Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik

Farbe erfüllt Funktionen
Der Mensch nimmt Farben meist als dekoratives oder Signalelement war. Ein leuchtendes Grün weist ihm den Fluchtweg, ein intensives Rot warnt ihn vor Gefahr, die Produkte seiner täglichen Umgebung wählt er in den ihm speziell angenehmen und für ihn als schön empfundenen Farben.

Farbmessung ist notwendig
Besonders zwei Aspekte machen eine genaue und reproduzierbare Farbmessung erforderlich:

  1. Wiedererkennungsfunktion: Fluchtwegweiser haben ein immer gleiches Grün, dies hilft der schnellen Orientierung im Notfall. Konsumartikelhersteller setzen auf den Wiedererkennungswert „Ihrer“ Farbe, die dem Verbraucher ihres Markenartikels gewohnte Qualität und Zuverlässigkeit suggeriert. Banken, Tankstellen, Werkzeughersteller nutzen „Ihre“ Farben zur Wiedererkennung, selbst Lebensmitteln (Käse, Spinat etc.) wird zu immergleicher Farbe verholfen um gleichbleibende Qualität zu „sichtbar“ zu machen.

  2. Austausch- und Kombinierbarkeit: Bei der Badezimmereinrichtung muß das WC zur Duschtasse und zum Waschbecken passen, ein Büromöbelsystem muß auch nach Jahren noch in gleicher Farbe ergänzbar sein, das Auto sollte nach einem kleinen Missgeschick ohne allzu große Farbtonunterschiede reparabel sein. Nur so lässt sich die Kundenzufriedenheit bei dessen Ästhetikempfinden herstellen.

Moderne Qualitätssicherung
Die heutigen Qualitätsmanagementsysteme zielen insbesondere darauf ab, Mängel und Fehlerquellen so früh als möglich im Produktionsprozess zu erkennen und zu beseitigen. Je früher man eine mögliche Qualitätsabweichung erkennt, desto kostengünstiger ist deren Beseitigung.
Im Falle der Herstellung von Kunststoffartikeln definierter Farbe lässt sich bereits bei der Granulierung und Compoundierung des Grundmaterials sowie der Wareneingangskontrolle der Rohmaterialien, die Farbe kontrollieren und so die spätere Produktqualität sicherstellen.

Eingesetztes Farbmessverfahren

Bislang war ein frühzeitiges Eingreifen in den Produktionsprozess mit der herkömmlichen photospektrometrischen Farbmessmethode nicht möglich. Die unterschiedlichen geometrischen Gestalten der Granulatkörner und Effekte wie Weißbruch etc. ließen am Granulat selbst keine exakte Farbmessung zu, so dass stets ein Umweg über die Herstellung von Prüfplättchen gegangen werden musste, um zuverlässige Farbwerte zu ermitteln; dieser Umweg kostet Zeit, und somit auch viel Geld.
In einem neuentwickelten Verfahren wird am Fachbereich Kunststofftechnik der Hochschule Darmstadt das Color-Control-System der Firma ROC zur Farbmessung direkt am Granulat eingesetzt. Auf eine Platte automatisch aufgestreutes Material fährt, diffus ausgeleuchtet, an einer hochauflösenden Farbkamera vorbei.

Eine intelligente Bildverarbeitung sorgt dafür, dass Granulatkörner nicht nur vom Hintergrund unterschieden, sondern auch Fehlstellen, Weißbruchkanten, Streueffekte der Geometrie etc. erkannt und nicht zur eigentlichen Farbmessung herangezogen werden. Im folgenden (Bild 1) sind die zur Messung herangezogenen Pixel farblich gekennzeichnet.


Die Messwerte können direkt zur Regelung des Compoundierprozesses verwendet werden und ersparen damit den teuren und zeitintensiven Umweg über spritzgegossene Probeplatten. Mit dem automatischen Probenzuführungssystem kann eine Messrate von mehreren Messungen pro Minute erreicht werden. Ebenso ist eine gleichzeitige Überwachung mehrerer Produktionslinien möglich. Mit diesem System gelang erstmals eine schnelle Prozesskontrolle schon beim Compoundieren.

Stand der Untersuchungen

An der Hochschule Darmstadt wurden für die Erprobung und Weiterentwicklung des Color-Control-Systems in der ersten Projekthälfte Reproduzierbarkeitstests, Korrespondenzmessungen zu herkömmlichen Messsystemen durchgeführt und der Einfluss von Farbdosierungen, sowie Verarbeitungsparametern erforscht.

Neben der Präsentation der Entwicklung auf der Hannovermesse Industrie wurde von der Hochschule Darmstadt, die dosierende Aufbring- und Entsorgungsvorrichtung für die zu prüfenden Materialien entwickelt, konstruiert und gefertigt. Entscheidende Bausteine für die Vollautomatisierung der Anlage. Die Bilder 2-4 zeigen Detailaufnahme der technischen Lösungen und den Messestand mit den Industriepartnern ROC, Greiwing und Hörtig.

Absorptionsspektren

Um dem Kunden im Rahmen des TQM (Total Quality Management) ein Gerät an die Hand zu geben, das über die exakte Farbbestimmung hinaus, auch noch im gleichen Prüfvorgang die übrige Rezeptur an Additiven (Zuschlagsstoffen wie etwa Weichmacher, Stabilisatoren, UV-Schutz, Lösemittel etc. pp.) bestimmt, arbeitet die Hochschule Darmstadt aktuell daran, diese Analyse mittels NIR-Spektroskopie zu realisieren. Die NIR (Nahinfrarot)-Spektroskopie beruht auf der Anregung von Molekülschwingungen durch elektromagnetische Strahlung. Der Wellenlängenbereich liegt zwischen dem sichtbaren Licht und der IR-Strahlung. Das NIR-Spektrum einer Substanz ist, ähnlich einem Fingerabdruck, zur Identifikation geeignet. Mit Hilfe einer angelegten Referenzdatenbank wird mittels mathematischer Verfahren (z. B. Chemometrie, PLS-Agorithmus) die Auswertung durchgeführt und die Gehalte bestimmt. Bild 5 zeigt beispielhaft solche „Fingerabdrücke“ im Messdiagramm.

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