KOMBINATION VON RÖNTGEN- UND OPTISCHER TECHNOLOGIE ZUR INSPEKTION VON KLEINSTEN VERUNREINIGUNGEN WÄHREND DER HERSTELLUNG UND WEITERVERARBEITUNG VON KUNSTSTOFF-PELLETS

Abstrakt

Verunreinigungen in Polymeren müssen effektiv erfasst und aussortiert werden. Dies macht ein Reinheitsprüfsystem möglich, das sowohl mit Röntgentechnik als auch mit optischer Inspektion arbeitet. Die Kombination beider Technologien erlaubt die Detektion metallischer und organischer Verunreinigungen ab 50 μm in dem Pellet und auf dessen Oberfläche.

Einleitung

Heutzutage haben wir ein insgesamt gestiegenes Bewusstsein für verbesserte Qualität von Konsumgütern aller Art. Kleinste Defekte müssen erkannt werden, bevor sie den Endverbraucher erreichen. Aus diesem Grund muss die Herstellungsindustrie ihre Produktionsprozesse sowie Gesamtlogistik im Zuge von Qualität und Sicherheit verbessern und gleichzeitig Kosten kontrollieren. Viele verschiedene Technologien sind heute im Einsatz, um die Qualität während der Produktion zu prüfen und sicherzustellen. Die Zukunft liegt allerdings in neuen hochmodernen Technologien, die in einem System eingesetzt werden. Ein wichtiges Beispiel für die Qualitätssicherung ist die Nahrungsmittelindustrie. Röntgentechnik wird üblicherweise an Fertigungslinien eingesetzt, um Lebensmittel, die Fremdkörper enthalten oder den Qualitätsstandards des Unternehmens nicht entsprechen [1], auszusortieren. Durch das Röntgen gehen während des Prozesses zwar einige Nährstoffe verloren, das Endprodukt profitiert jedoch von einem reduzierten Risiko der Übertragung von lebensmittelbedingten Erkrankungen sowie einer längeren Haltbarkeit.

Diese Techniken der Qualitätskontrolle in der Nahrungsmittelindustrie werden immer mehr auch in anderen Fertigungsprozessen und Industrien angewendet, zum Beispiel in der Kunststoffindustrie.

Steigende Qualitätsansprüche in der Plastikindustrie

Kunststoffe und insbesondere höchstanspruchsvolle technische Kunststoffe erfordern höchste Qualitäts-standards. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen gilt es, immer kleinere Unregelmäßigkeiten und Verunreinigungen in Kunststoffen und Zwischenprodukten zu detektieren und auszusortieren. Verunreinigungen ab einer Größe von 50µm können Schäden in Fertigungssystemen oder Endprodukten mit hohen Folgekosten verursachen. Ein Beispiel aus der Kabelindustrie: Für die Herstellung von Hochspannungs-Unterseekabeln ist die Verarbeitung von hochreinem Material von entscheidender Bedeutung. Eine Verunreinigung des Kabels während der Produktion kann zu Durchschlägen [2] führen, nachdem es tief unter dem Meeresspiegel verlegt wurde. Die Schäden können in Millionenhöhe liegen. Für die Kabelindustrie ist es wichtig, zwischen den verschiedenen Arten von Kontaminationen, wie metallischen und organischen Verunreinigungen, zu unterscheiden. Neueste Normen und Standards, wie beispielsweise der chinesische Standard IEC 62067 (für 150 – 500kV) für Hochspannungskabel, fordern deshalb den Ausschluss von Verunreinigungen ab 75µm in den zu verarbeitenden Materialien [3].

In den unterschiedlichen Prozessschritten zur Herstellung von Kunststoffprodukten können immer wieder Verunreinigungen entstehen. Dies betrifft die Prozesse der Werkstoff-, der Compound- und Masterbatchhersteller, der Verarbeiter, den Recycling-dienstleister und alle Beteiligten der Zulieferkette.

Bevor die Materialien weiterverarbeitet werden, ist daher eine 100%-Prüfung erforderlich. Stichproben alleine reichen nicht mehr aus. Die Techniken zur Materialüberprüfung sollten alle Verunreinigungen detektieren und entsprechendes Material aussortieren, um eine „Vollprüfung“ und „Reinigung“ des gesamten zu verarbeitenden Materials sicherzustellen.

100% Inspektion und Sortierung von Kunststoffpellets durch Röntgen und Optik

In Kunststoffverarbeitungsprozessen kann man viele verschiedene Arten möglicher Kontaminationen finden. In der Regel unterscheidet man zwischen metallischen und organischen Verunreinigungen, wie verbranntes Material, externe organische Kontaminationen und thermische organische Kontaminationen. Diese verschiedenen Arten von Kontaminationen können visuelle sowie funktionale Auswirkungen auf das Endprodukt haben und können außerdem Schäden an hochmodernen Fertigungsmaschinen verursachen, wie beispielsweise am Extruder. Heutzutage stehen die verschiedensten Systeme, Technologien und Maschinen zur Verfügung, um Werkstoffe zu prüfen und auszusortieren. Die meisten dieser Geräte kommen jedoch aus der Nahrungsmittelindustrie und basieren auf optischer Prüftechnik, um Kontaminationen, die sich auf den Pellets befinden, zu detektieren [4] [5] [6]. Aufgrund der Limitationen des optischen Systems, werden neue Lösungswege und Technologien benötigt, um die Bedürfnisse der Kunststoffindustrie voll und ganz zu befriedigen. Kontaminationen im Inneren der Pellets, insbesondere farbigen Pellets, werden durch ein optisches System nicht erkannt. Um eine 100% Inspektion zu gewährleisten müssen Röntgen- und optische Technologie kombiniert werden.

Röntgentechnologie zur Inspektion des Inneren der Kunststoffpellets

Grundlegendes Prinzip der Röntgentechnik ist das unterschiedliche Dämpfungsverhalten von Werkstoff und Verunreinigung, beziehungsweise Fehlern. Die Dämpfung (µ) der Röntgenstrahlung wird maßgeblich durch die Kernladung der Elemente bestimmt, als auch durch die Dicke des zu inspizierenden Materials [7]. Sie ist proportional zur Atomzahl hoch drei (µ~Z3).

Kunststoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff mit einer geringen Dämpfung (Z=6). Eine im Vergleich dazu stark dämpfende Eisenkontamination (Z=26) wird somit deutlich erkannt und aussortiert. Auch ein Additiv wie zum Beispiel Titandioxid beeinflusst die Dämpfung und hebt sich in der Dispersion signifikant vom umgebenden Material ab. Ermöglicht wird dies, da das Titan (Z=22) im Titandioxid einen starken Kontrast zum Kunststoff aufweist.

Mit einem speziell entwickelten Kamerasystem ist es möglich, Verunreinigungen während der laufenden Produktion zu erfassen. Röntgenkameras nehmen Bilder von den Kunststoffpellets auf, die dann in Echtzeit durch mathematische Algorithmen verarbeitet werden. Die unterschiedliche Dämpfung, sogar ab einer Größe von 50µm, wird von den mathematischen Algorithmen klar erfasst. Durch die Verbindung der analytischen Ergebnisse der mathematischen Algorithmen mit einem bestimmten Schwellenwert, erkennt das System deutlich Kontaminationen in Kunststoffpellets und ist somit in der Lage die kontaminierten Pellets auszusortieren (Bild 1).

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Bild 1 Röntgenanalyse eines runden Werkstoffs mit zwei Kontaminationen

Neuartige optische Inspektionstechnologie

Bei der optischen Inspektion spielt die Beleuchtung eine entscheidende Rolle. Der Einsatz einer neuartigen Lichtkonstruktionstechnik ermöglicht eine besonders diffuse Beleuchtung des Materials. Kleinste Kontaminationen und organische Verunreinigungen werden durch moderne Kameratechniken bei industriellen Verarbeitungsgeschwindigkeiten erkannt.

Bei der optischen Inspektion wird eine leistungsfähige Bildverarbeitungssoftware eingesetzt, um Kontaminationen zu erkennen (Bild 2). Dadurch werden alle Verunreinigungen über einem bestimmten Schwellenwert im mathematischen Algorithmus aussortiert.

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Bild 2 Kontamination auf der Oberfläche eines runden Werkstoffs

Weitere Möglichkeiten durch Röntgen

Die Produktionsabläufe in der Kunststoffindustrie sind komplex. Verschiedene Materialien werden vermischt, wobei es viele Quellen für Kontaminationen gibt. Röntgentechnologie detektiert nicht nur metallische Verunreinigungen in Kunststoffpellets sondern gibt auch unterschiedliche Informationen über den gesamten Produktionsprozess, wie die Identifikation von Kreuzkontaminationen. Dank des unterschiedlichen Dämpfungsverhaltens sind diese deutlich sichtbar. Ein klarer Vorteil der Röntgentechnologie ist dessen Unabhängigkeit von Farbe.

Tests zeigen, dass auch die Detektion von organischen Kontaminationen, wie ein Stück Gewebe, sowie kleinen metallischen Verunreinigungen möglich ist. Sogar Luftlöcher, ein Indikator darauf, dass Produktionsparameter angepasst werden müssen, werden detektiert.

Experimente zeigen die mögliche Verwendung von Röntgentechnik für die Detektion von Additivagglomeraten in PE-Pellets, die zu großen Problemen in der Weiterverarbeitung führen können. Mit der Röntgentechnik ist es außerdem möglich die Geometrie möglicher Fehler in Plastikpellets zu bestimmen – sogar in schwarzen Polyethylen Pellets.

Jedoch, kann auch die Röntgentechnik an Grenzen stoßen. Während es möglich ist, zwischen den verschiedenen Dämpfungsgraden zu unterscheiden, ist es wesentlich komplexer, unterschiedliche metallische Materialien zu definieren. Um zwischen metallischen Kontaminationen zu unterscheiden sind weitere Analysetechniken nötig.

Fazit

Die Qualitätsanforderungen in der Kunststoffherstellung nehmen kontinuierlich zu. Sogar kleinste Verunreinigungen müssen heute bereits während der Produktion eliminiert werden. Die Kombination von Röntgentechnologie und optischer Inspektion ermöglicht es, Verunreinigungen ab 50 µm auf der Oberfläche sowie im Inneren von Kunststoffpellets zu erfassen. Die Kombination dieser Technologien in ein System bedeutet eine 100% Inspektion des Materialstroms (Bild 3).

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Bild 3 PURITY SCANNER: Die Kombination von Röntgentechnik und einer optischen Inspektion

Das Prinzip ist auf die unterschiedlichsten Materialtypen übertragbar, wie zum Beispiel TPE. Dabei werden Verunreinigungen oder Unregelmäßigkeiten bei üblichen Durchsatzmengen detektiert. Zusätzlich detektierbar ist die Dispersion von Additiven, insbesondere in der Compoundierung. So können Agglomerate und Störungen im nachfolgenden Prozess eliminiert werden. Dadurch kann die Qualität maßgeblich verbessert werden und eine 100% Inspektion aller Produkte ist möglich. Weitere Entwicklungen sind erforderlich, um die Produktionsmitarbeiter besser darüber informieren zu können, an welchen Stellen Kontaminationen in den Produktionsablauf eindringen könnten. Weitere Entwicklungen werden hinsichtlich der Größe der nachweisbaren Verunreinigungen unternommen. Das Ziel ist es, Kontaminationen ab einer Größe von 30µm zu detektieren.

Quellenverzeichnis

1. D-W Sun, Computer Vision Technology in the Food and Beverage Industries (2012)
2. Mr. Omar Monajjed, High Voltage Technical Manager, LIBAN CABLES – NEXANS, Lebanon, Effect of impurities on electric field distribution in HV XLPE insulation, Polymers in Cables 2014, Philadelphia, USA
3. J. Kjellqvist, K.P. Pang, S. Miao, Dow Europe GMBH, Horgen, Switzerland, Dow Chemical (China) Co. Ltd., Shanghai, China, Performance Requirements to Assure Reliable HV and EHV Cables, China International Conference on Electricity Distribution (CICED 2010) Nanjing (20-23 Sep. 2010)
4. Tomra demonstrates optical sorter, https://www.plasticsnews.com/article/20131030/NEWS/131039997/tomra-demonstrates-optical-sorter#, (10/2013)
5. Laura Tarrach, OCS GmbH, Pellet Scanning in “Free Fall”, Kunststoffe international (12/2010)
6. Satake, Pellet Sorter PCS600PFD, https://www.satake-usa.com/images/Pellet_Sorter_Brochure.pdf (2014)
7. Robert Fosbinder, Denise Orth, Lippincott Williams & Wilkins, Essentials of Radiologic Science (01.02.2011)