Planlagemessstand zum Erfassen der Folientopografie mit Lasertriangulation. [6] (Bildquelle: IKV)

Planlagemessstand zum Erfassen der Folientopografie mit Lasertriangulation. [6] (Bildquelle: IKV)

Fehler in der Planlage können zu erheblichen Prozessstörungen bei den Weiterverarbeitungsschritten wie Bedrucken oder Laminieren bis hin zu Produktretouren führen. Trotz ihrer Bedeutung wird die Planlage in der industriellen Praxis meist nur stichprobenartig durch eine visuelle Inspektion des Prüfpersonals bewertet. Diese Methodik ist für ein systematisches Untersuchen der Ursachen für Planlagefehler ungeeignet, da die Sichtprüfung durch das Prüfpersonal rein subjektiv ist und keine reproduzierbaren, quantitativen Angaben über die Planlagequalität erlaubt.

Eine Alternative hierzu bietet die Längsstreifenmessung, bei der die Folienbahn in einzelne schmale Streifen in Extrusionsrichtung aufgeteilt und ihre Längenvariation bewertet wird. In der industriellen Praxis wird diese Bestimmung aufgrund des hohen Aufwandes jedoch nur in Einzelfällen eingesetzt. Die Durchführung der Längsstreifenmessung sowie eine Kennzahl zur Quantifizierung der Planlagequalität sind in der Norm ASTM D1604 (zurückgezogen in 1982) grundsätzlich beschrieben [1]. Abgesehen davon existieren keine gemeinsamen, anerkannten Definitionen oder Normen zum Charakterisieren der Planlagequalität. So haben sich diese Bewertungsverfahren trotz ihrer Nachteile aufgrund fehlender Messtechnik als Standard in der Folienindustrie durchgesetzt [2].

Beurteilung der Planlage

Vor diesem Hintergrund wird am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen, eine neuartige Messtechnik entwickelt, die die Folientopografie optisch erfasst. Die Topografie wird nach dem Prinzip der Lasertriangulation aufgenommen und einer weiteren Analyse unterzogen, um die Abweichungen von einer Soll-Geometrie zu bestimmen [3]. Zur Prüfung einer Folienbahn wird diese auf einem flachen, formstabilen Auflagetisch positioniert. Parallel zur Folienoberfläche verfährt ein Lasertriangulationssystem, um eine Höhenkarte der Folienbahn zu erstellen. Die Lasertriangulation macht sich hierbei zunutze, dass im Kamerabild aufgrund der Planlagefehler die Form einer auf die Folienoberfläche projizierten Laserlinie nicht gerade, sondern verzerrt erscheint. Die Form der Laserlinie im Kamerabild kann mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung bestimmt werden, um das Höhenprofil der Folie unterhalb der Laserlinie zu erhalten. Durch Auswerten und Zusammensetzen einzelner Höhenprofile lässt sich die Oberfläche der Folie nach dem Scanvorgang längenge treu rekonstruieren.

Das Längenprofil wird anhand der Rekonstruktion der Folienoberfläche bestimmt. (Bildquelle: IKV)

Das Längenprofil wird anhand der Rekonstruktion der Folienoberfläche bestimmt. (Bildquelle: IKV)

Durch Bildverarbeitungsalgorithmen ist es möglich, die Folienprobe anhand der Lasertriangulationsdaten ohne arbeitsintensive Streifenerstellung in beliebig schmale Streifen zu teilen. Werden nun die Längen der einzelnen digitalen Streifen ermittelt, kann das Längenprofil der Folienbahn, ähnlich wie bei der konventionellen Längsstreifenmessung, bestimmt werden. Da die Ursache für Planlagefehler in lokal unterschiedlichen Längen der Folienbahn liegt, kann die maximale Abweichung des Längenprofils von seinem Mittelwert (LΔ) zur Planlagebeurteilung herangezogen werden [1]. Da eine gute Planlagequalität erfordert, dass die Längenunterschiede in der Folienbahn möglichst klein sind, weisen kleinere Werte von LΔ auf eine höhere Planlagequalität hin.

Entstehung der Planlagefehler in der Flachlegung

Eine wichtige, prozessinhärente Ursache für die Planlagefehler in der Blasfolienextrusion sind die geometrischen Verhältnisse in der Flachlegung. Wie schon von Zielonkowski [4] gezeigt wurde, ergibt sich aus der asymmetrischen, keilförmigen Blasenform bei der Folienflachlegung, dass die Strecke LM in der Mitte der Leitebene und die Strecke LR am Rand der Folienbahn unterschiedlich lang sind. Das führt dazu, dass ein Punkt auf dem Folienschlauch je nach Umfangsposition unterschiedliche Strecken bis zum Abzugswalzenspalt zurücklegen muss. Ein Verringern des Öffnungswinkels zum Erzielen kleinerer Längenunterschiede über den Folienumfang ist nicht immer möglich, da kleinere Öffnungswinkel aufgrund der größeren Kontaktflächen in der Regel zu höheren Reibungswiderständen zwischen der Folienbahn und den Leitebenen führen, was ebenfalls die Planlagequalität beeinträchtigen kann [5].

Mit der entwickelten Planlagemesstechnik wurde der Einfluss der geometrischen Verhältnisse in der Flachlegung auf die Qualität untersucht, indem die Konfiguration der Flachlegung im Rahmen eines Versuchsplans variiert und die so hergestellten Folien mit dem Planlagemessstand vermessen wurden. Weiterhin wurde das Modell von Zielonkowski implementiert, um die während der Versuche vorliegenden geometrischen Bedingungen zu ermitteln und mit der resultierenden Planlagequalität zu korrelieren.

Versuchsdurchführung

Geometrische Verhältnisse bei der Flachlegung nach [4]. (Bildquelle: IKV)

Geometrische Verhältnisse bei der Flachlegung nach [4]. (Bildquelle: IKV)

In den Extrusionsversuchen zum Validieren des vorgestellten Messsystems wurden Monofolien auf einer Blasfolienextrusionsanlage mit der Typenbezeichnung KFB 45/600 von Kuhne Anlagenbau, St. Augustin, hergestellt. Zum Ausformen der Folienblase wurde ein Radialwendelverteilerwerkzeug mit einem Düsendurchmesser von 80 mm verwendet, das von einem 45-mm-Extruder (L = 24D) gespeist wurde. In den Versuchen lag lediglich eine Außenkühlung vor, da die Anlage nicht über eine Blaseninnenkühlung verfügt.

Die Flachlegung wurde durch zwei flache Leitebenen aus Holzlatten ohne reversierenden Abzug realisiert. Als Versuchsmaterialien diente ein Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD) vom Typ 2102 N0W von Sabic Europe, Geelen, Niederlande. Es wurden zwei unterschiedliche Versuchspläne durchgeführt, um den Einfluss der geometrischen Verhältnisse in der Flachlegung auf die Planlage zu untersuchen. Die Prozessparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Im ersten Versuchsplan wurde der Öffnungswinkel α der Flachlegung bei sonst gleichbleibenden Prozessparametern variiert, um beim Flachlegen unterschiedliche Längendifferenzen über den Folienumfang zu erzielen. Im zweiten Versuchsplan wurde der Öffnungswinkel bei α = 13° konstant gehalten und der Folienschlauch in der Flachlegevorrichtung genau an der Unterkante der Leitebenen erfasst, sodass der Übergang von einem zylindrischen Folienschlauch zu einer doppelt flachgelegten Folienbahn möglichst gleichmäßig ist. Bei dieser Konfiguration wurden die Leitebenen um wenige Zentimeter nach innen und außen verschoben, um eine fehlerhafte Einstellung der Leitebenen zu simulieren. So erfuhr der Folienschlauch im Bereich zwischen den Oberkanten der Leitebenen und der Abquetschlinie eine erhöhte Deformation im Vergleich zur theoretisch idealen Geometrie, bei der die Verlängerung der Leitbahnen tangential auf den Abzugswalzenspalt treffen.

Parameter Einheit Versuchsplan 1 Versuchsplan 2
Kunststoff 2102N0W (PE-LD)
Schmelzetemperatur °C 190
Aufblasverhältnis 3
Massendurchsatz kg/h 14
Foliendicke µm 100
Öffnungswinkel α ° 11; 13; 15; 17; 19; 21; 23 13
Verschiebung der
Leitebenen in x-Richtung
mm 0 -10; 0; 10; 20
Tabelle 1: Versuchsplan zur Untersuchung des Einflusses der geometrischen Verhältnisse bei der Flachlegung auf die Planlage von PE-LD Folien

Einfluss der geometrischen Verhältnisse

Modellierung der Blasenform nach dem Modell von Zielonkowski für die durchgeführten Versuche. Die farbigen Linien auf dem Folienschlauch visualisieren beispielhaft die unterschiedlichen Wege bis zur Abquetschlinie bei unterschiedlichen Winkelpositionen auf dem Folienschlauch. (Bildquelle: IKV)

Modellierung der Blasenform nach dem Modell von Zielonkowski für die durchgeführten Versuche. Die farbigen Linien auf dem Folienschlauch visualisieren beispielhaft die unterschiedlichen Wege bis zur Abquetschlinie bei unterschiedlichen Winkelpositionen auf dem Folienschlauch. (Bildquelle: IKV)

Mit dem Ziel, die resultierenden Längenunterschiede infolge der Parametervariation zu bestimmen, wurden die jeweiligen Blasengeometrien nach dem Modell von Zielonkowski modelliert und liegen als Punktewolken in metrischen Einheiten vor [4]. Das Verhältnis zwischen der Strecke L, welche die Folie je nach der Umfangsposition β auf dem Folienumfang bis zur Abquetschlinie zurücklegen muss, und der Flachlegungshöhe H steigt mit zunehmendem Öffnungswinkel, was wiederum zu größeren Längenunterschieden führt. Das Verschieben der Leitebenen nach innen und außen bei einem konstanten Öffnungswinkel α führt ebenfalls zu signifikanten Längenunterschieden über den Folienumfang.

Längenunterschiede über den Folienumfang bei der Flachlegung für verschiedene Konfigurationen nach dem implementierten geometrischen Modell. (Bildquelle: IKV)

Längenunterschiede über den Folienumfang bei der Flachlegung für verschiedene Konfigurationen nach dem implementierten geometrischen Modell. (Bildquelle: IKV)

Pro Versuchspunkt wurden fünf Folienproben mit einer Länge von 950 mm entnommen und mit dem Planlagemessstand vermessen. Der Einfluss der geometrischen Verhältnisse in der Flachlegung auf die Planlage wurde anhand der Planlagekennzahl LΔ untersucht. Die Konfiguration der Leitebenen für eine hohe Qualität ist entscheidend, obwohl ein Verschieben der Leitebenen nach außen die Längenunterschiede über den Folienumfang verringert. Die geringsten Planlageabweichungen konnten erreicht werden, wenn die Leitebenen in ihrer Verlängerung die Abquetschlinie schnitten. Die Variation des Öffnungswinkels α lässt hingegen keine eindeutigen Trends hinsichtlich der Planlagequalität erkennen. Bemerkenswert ist dabei jedoch, dass die gemessenen Planlagewerte mit den Längenunterschieden infolge der Flachlegungsgeometrie nur geringfügig korrelieren. Das Verschlechtern der Planlage könnte darauf zurückgeführt werden, dass ein Verringern des Öffnungswinkels α zu einer Kontaktflächenvergrößerung zwischen der Folienblase und den Leitebenen führt.

Praxistest noch offen

Einfluss der geometrischen Verhältnisse in der Flachlegung auf die Planlage von 
PE-LD Folien. (Bildquelle: IKV)

Einfluss der geometrischen Verhältnisse in der Flachlegung auf die Planlage von
PE-LD Folien. (Bildquelle: IKV)

Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine gezielte Anpassung der Flachlegungsgeometrie eine gesteigerte Planlagequalität erreicht werden kann. Da die aktuellen Untersuchungen an einem prozessentkoppelten Planlagemessstand durchgeführt wurden, sollte in Zukunft zudem die Prozessintegrierbarkeit des vorgestellten Messprinzips untersucht werden, um eine Inline-Planlagevorhersage im laufenden Prozess zu ermöglichen.

 

Danksagung

Das IGF-Forschungsvorhaben 19776 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

 

Quellen

[1] N.N.: ASTM D 1604: Standard Test Method for Flatness of Plastics Sheet or Collapsed Tubing. American Society for Testing and Materials, 1963.
[2] Ludat, N.; Schult, A.: Nachhaltig stabile Bahnlaufprozesse – Fehlerursachenanalyse und Reaktion. Fachtagung Verarbeitung & Verpackung 4.0. Dresden, 2018.
[3] Hopmann, Ch.; Bakir, C.; Facklam, M.: Entwicklung eines optischen Messverfahrens auf Basis der Lasertriangulation zur quantitativen Planlagemessung an Kunststofffolien. Extrusion 8 (2019) 12, S. 32-35.
[4] Zielonkowski, W.: Kühlen und Flachlegen beim Folienblasen. Kunststoffe 57 (1967) 8, S. 607-611.
[5] Knittel, R.: Blown Film Bubble Collapsing Improvement. Journal of Plastic Film & Sheeting 3 (1987) 1, S. 23-32.
[6] Wang, L.: Aufbau eines Messstandes nach dem Prinzip der Lasertriangulation zur Erfassung und Quantifizierung der Planlage von extrudierten Kunststofffolien. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen, unveröffentlichte Masterarbeit, 2019 – Betreuer: C. Bakir.

 

Über die Autoren

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann

ist Inhaber des Lehrstuhls für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen und Leiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV).

Dipl.-Ing. Can Bakir

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IKV in der Arbeitsgruppe Digitale Bildverarbeitung und Qualitätssicherung in Aachen.

Dr.-Ing. Martin Facklam

ist Abteilungsleiter Extrusion und Kautschuktechnologie am IKV in Aachen.