Optischer Partikelsensor zur Echtzeitüberwachung in der Kunststoffverarbeitung

Die Firma TOPAS GmbH Dresden, ein langjähriger enger F&E-Kooperationspartner des IPF, hat im Wettbewerb um den Sächsischen Innovationspreis 2007 eine herausragende Platzierung belegt. Der in Zusammenarbeit mit dem IPF Dresden und der Technischen Universität Dresden, Lehrstuhl Mechanische Verfahrenstechnik entwickelte und von der TOPAS GmbH Dresden zur Marktreife gebrachte optische Partikelsensor zur Online/Inline-Analyse von Partikeln/Inhomogenitäten unterschiedlichster Art, Größe und Konzentration in fließenden, transparenten und hochviskosen Kunststoffschmelzen bei Kunststoffextrusion und -spritzgießen wurde von der hochkarätigen Jury aus insgesamt 72 Bewerbungen als eine der zehn besten ausgewählt und mit einer Ehrenurkunde des Sächsischen Staatsministers für Wirtschaft und Arbeit ausgezeichnet.

Der „Innovationspreis des Freistaates Sachsen“ wurde in diesem Jahr zum vierzehnten Mal verliehen. Mit der Auszeichnung sollen herausragende Erfolge mittelständischer Unternehmen bei der Entwicklung und Umsetzung neuer Ideen eine öffentliche Anerkennung finden.

Die Grundidee zu dem Partikelsensor stammt von Prof. Dr.-Ing.-habil. Michael Stephan, der im Jahr 2000 das neue Forschungsthema Extrusion Monitoring am IPF etablierte. Ausgangspunkt dafür waren die wachsenden Anforderungen an die Produktqualität in der Kunststoffverarbeitung und das sich daraus ergebende Bedürfnis nach neuen Methoden der Prozess- und Qualitätskontrolle.

Statt der bisherigen zeitlich und örtlich vom eigentlichen Produktionsprozess entkoppelten Offline-Laboranalysen vereinzelter Stichproben sollten prozessfähige Inline- und Online-Messtechniken entwickelt werden, die eine lückenlose, objektive und prozesszeitkonforme Verfahrenskontrolle und Qualitätssicherung gewährleisten, ein unmittelbares Eingreifen in den Prozess bei Abweichungen von der Sollqualität ermöglichen und größere Fehlchargen so von vornherein vermeiden helfen.

Die Herausforderungen bei der Entwicklung einer solchen neuartigen Messtechnik bestand darin, die prinzipiell bekannten, aber sehr empfindlichen optischen Messprinzipien zur Partikelanalyse in robuste und langzeitstabile Systeme zu integrieren, die den rauen Prozessbedingungen der Kunststoffverarbeitung mit hohen Temperaturen, hohen Drücken sowie auftretenden Vibrationen und Verschmutzungen unter realen Produktionsbedingungen standhalten.

Realisiert werden konnte das letztlich in Kooperation mehrerer Partner, neben dem IPF Dresden der Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik der Technischen Universität Dresden (Dr.-Ing. habil. Michael Stintz) sowie insbesondere die Firma TOPAS GmbH Dresden (Geschäftsführer Dr.-Ing. Andreas Rudolph).

Am IPF Dresden wurden, u.a. im Rahmen von durch Prof. Stephan betreute Doktor- und Diplomarbeiten (TU Dresden sowie FH Lausitz Senftenberg) die wissenschaftlich-technischen Grundlagen erarbeitet und das Projekt koordiniert. Mit den laboranalytischen Partikelmethoden an der TU Dresden konnten die optisch relevanten Daten der zu untersuchenden Produkte (Matrix und Partikel) unabhängig bestimmt werden. Die Fa. TOPAS GmbH Dresden war insbesondere dafür verantwortlich, den neuen Sensor zu entwerfen, zu konstruieren, zu fertigen und an den Laborextrudern im IPF zu erproben.

Dass das Partikelmesssystem inzwischen bereits an mehrere Kunden weltweit verkauft wurde, zeigt, dass es gelungen ist, ein leistungsfähiges, effizient einsetzbares und letztlich auch in Bezug auf die Kosten wettbewerbsfähiges Produkt zu entwickeln.

Am IPF Dresden werden die Partikelsensorsysteme in Zukunft in dem eben begonnenen EU-Projekt „MULTIHYBRIDS“ (integrated project) von wesentlicher Bedeutung sein. Das Projekt zielt auf die Entwicklung von neuen, sensor-basierten Herstellungstechnologien für multifunktionale Hybrid- und Verbundmaterialien, die Eigenschaftsoptimierungen für zahlreiche Anwendungen versprechen. Die Untersuchung von Nanopartikel-Systemen steht dabei im Mittelpunkt der Arbeitsaufgaben des IPF Dresden. Diese Nanopartikelsysteme sollen u.a. durch reaktive Extrusionsprozesse in situ in strömenden Kunststoffschmelzen erzeugt werden. Unsere Partikelsensorsysteme, die an verschiedenen Positionen des Reaktionsextruders adaptiert werden, sollen dann die Veränderungen in der Partikelsituation entlang des Reaktionsextruder-Verfahrensteils in Abhängigkeit von den zu variierenden stofflichen und verfahrenstechnischen Parameter in Echtzeit detektieren. Damit ist eine wichtige Voraussetzung gegeben, diese reaktiven Extrusionsprozesse hocheffektiv zu kontrollieren, zu steuern zu optimieren und eine hohe und stabile Produktqualität zu gewährleisten.

Eine detaillierte Darstellung zu den Partikelsensorsystemen finden Sie u.a im Jahresbericht 2006 des IPF (Druckversion S. 37 bis 45, im Internet auf www.ipfdd.de unter Publikationen – Jahresbericht).

Von Juni bis Oktober 2007 wird der Partikelsensor innerhalb der Wanderausstellung „einfallsREICH – Sachsen!“ an verschiedenen Orten in Sachsen präsentiert. Auftakt zur Wanderausstellung war am 12. Juni 2007 in der Landesvertretung des Freistaates Sachsen beim Bund in Berlin.