Sicherstellung einer präzisen Temperaturregelung im industriellen Thermoformprozess

Die Kontrolle der Glasübergangstemperatur beim Thermoformen mit Infrarotstrahlern

Thermoformen ist ein Herstellungsprozess, bei dem thermoplastische Materialien geformt werden, indem eine Kunststoffplatte erhitzt wird, bis sie formbar ist, und anschließend in eine bestimmte Form gebracht wird. Dieser Prozess ist entscheidend in der Verpackungsindustrie, wo er zur Herstellung von Lebensmittelverpackungen, medizinischen Trays und Konsumgüterverpackungen eingesetzt wird. In der Automobilindustrie werden thermoformte Kunststoffe für Komponenten wie Armaturenbretter, Türverkleidungen und Innenbauteile eingesetzt. In der Baubranche sind sie wesentlich für die Produktion von Fensterprofilen, Rohren und Dämmmaterialien. Außerdem finden sich thermoformte Kunststoffe in zahlreichen Konsumgütern, darunter Getränkeflaschen, funktionale Schuhfolien und andere Alltagsprodukte.

Der Thermoformprozess beginnt damit, dass eine thermoplastische Platte erhitzt wird, bis sie weich und formbar wird und ihre Glasübergangstemperatur erreicht. Dieser Schritt ist essenziell, da er es ermöglicht, das Material problemlos in die gewünschte Form zu bringen. Infrarotstrahler werden hierfür typischerweise eingesetzt, da sie effizient sind und eine kontrollierte Erwärmung ermöglichen. Sobald die thermoplastische Platte formbar ist, wird sie mittels eines Werkzeugs durch Verfahren wie Tiefziehen, Druckformen oder mechanisches Formen in die gewünschte Gestalt gebracht.

Jede Methode hat spezifische Anwendungsfälle und Vorteile, beruht jedoch darauf, den erhitzten Kunststoff durch Druck oder Vakuum zu formen. Nach der Formgebung muss die Platte abgekühlt werden, damit die neue Form aushärtet und der Kunststoff seine Struktur und Formstabilität behält. Das abgekühlte Teil wird aus dem Werkzeug entnommen und kann anschließend weiter beschnitten und nachbearbeitet werden, um die endgültigen Produktspezifikationen zu erreichen. Häufig verwendete Materialien beim Thermoformen sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyethylenterephthalat (PET), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polyvinylchlorid (PVC). Die Sicherstellung einer homogenen Temperatur ist entscheidend, um Defekte im Endprodukt zu vermeiden, da gleichmäßige Erwärmung garantiert, dass die gesamte Kunststoffplatte den gleichen Grad an Formbarkeit erreicht und keine Schwachstellen oder Unregelmäßigkeiten entstehen. Eine ausreichende Wärme­durchdringung ist ebenfalls erforderlich, um die nötige Formbarkeit ohne Überhitzung zu erreichen.

Infrarotsensoren sind notwendig, um sicherzustellen, dass der Kunststoff seine Glasübergangstemperatur erreicht. Die Temperaturüberwachung ist jedoch schwierig, da die Kunststoffe oft weniger als 400 µm dick sind und der Prozess Infrarotstrahler beinhaltet. Infrarotstrahler übertragen Wärme bzw. Energie berührungslos mittels gerichteter Infrarotstrahlung. Damit Infrarot-Heizprozesse so effizient wie möglich genutzt werden, muss die Emissivität des Kunststoffmaterials berücksichtigt werden, um festzulegen, ob der IR-Emitter im kurz-, mittel- oder langwelligen Infrarotbereich arbeiten soll. Die Emissivität hängt vom Material, der Oberflächenqualität, der Wellenlänge, dem Winkel und in manchen Fällen von der jeweiligen Konfiguration ab.

Die Anforderungen an den Strahler/Infrarotstrahler unterscheiden sich je nach Wellenlänge der IR-Strahlung und dem Material des Produkts. Eine Herausforderung besteht darin, dass ein Infrarotsensor, der im gleichen Wellenlängenbereich arbeitet, Reflexionen des Heizers empfangen könnte. Zudem wird für das Thermoformen dünne Kunststofffolie verwendet, die in einigen Spektralbereichen transparent sein kann. Dies macht die Anwendung noch anspruchsvoller, da ein IR-Temperatursensor mit falscher spektraler Empfindlichkeit möglicherweise nicht die Infrarotstrahlung der Kunststofffolie erfasst.

Kosteneffizientes Temperaturmanagement im Thermoformen mit einfach zu installierenden und thermoschock-unempfindlichen Pyrometern

CT LT Sensoren wurden in einer Anwendung eingesetzt, bei der preisgünstige Kunststoffverpackungen für Lebensmittel hergestellt werden. Langwellige Sensoren sind ausreichend, da die Kunststofffolie dicker als 400 µm ist. Der Hersteller hat mehrere Pyrometer in einer Linie integriert, um Temperaturinhomogenitäten zu überwachen. Wenn sich die Messwerte unterscheiden, passt die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) die Leistung der Infrarotstrahler basierend auf den über analoge Eingänge empfangenen Temperaturdaten an. Die Online-Thermometer sind neben den Infrarotstrahlern installiert, wo die Kunststofffolie ihre maximale Temperatur erreicht, um parasitäre Reflexionen zu vermeiden. Dennoch ist die Umgebungstemperatur hoch, weshalb der Sensor hohen Temperaturen standhalten muss.

Das thermoschock-unempfindliche Feature des Optris-Pyrometers ist in dieser Anwendung entscheidend, da es genaue und zuverlässige Temperaturmessungen selbst in Umgebungen mit schnellen Temperaturschwankungen oder nahe gelegenen Wärmequellen gewährleistet. Optris bietet eine Reihe mechanischer Zubehörteile an, die die Integration der Sensoren in bestehende Thermoformmaschinen erheblich erleichtern. Dazu gehören Montagehalterungen, verstellbare Stative, Schutzfenster und Gehäuse, wodurch Hersteller Infrarot-Temperaturmesssysteme ohne große Modifikationen in ihre Maschinen integrieren können. Zudem kann der Sensorkopf vom Elektronikgehäuse getrennt werden, was Installation und Wartung in komplexen Maschinenumgebungen vereinfacht. Dies spart nicht nur Zeit, sondern senkt auch die Installationskosten.