Mit neuem Terahertz-System die Wandstärke von Kunststoffrohren exakt messen

Gestartetes BMBF-Verbundprojekt T-REX entwickelt THz-Multikanalsystem zur Inline-Prozessregelung in der Rohrextrusion.

Prinzip eines "Time-Domain" THz-Systems zur Wandstärkenmessung von Kunststoffrohren. Bild: Fraunhofer HHI

18.12.14

BMBF-Verbundprojekt T-REX

Vom Schaumrohr bis zum Wellrohr: Das Ergebnis des Anfang November 2014 gestarteten Projekts „T-REX“ wird ein modulares Terahertz-Mess- und Regelsystem sein, das zur Inline-Prozesssteuerung in der Extrusion von Kunststoffrohren eingesetzt werden kann.

Weltweit werden rund 8 Milliarden Meter Kunststoffrohr verbaut. Das sind 15,8 Millionen Tonnen immer knapper und teurer werdende Rohstoffe. Die Länge der Rohre entspricht etwa dem 200-fachen des Erdumfangs, mit einem Gesamtgewicht von 11,4 Millionen VW Golf. Bis zum Jahr 2015 wird die Bedarfsmenge um voraussichtlich 40 % steigen und sich bis 2020 sogar verdoppeln. Die Rohrhersteller setzen daher aus ökonomischen und ökologischen Gründen zunehmend auf intelligente Rohraufbauten.

So werden verstärkt Rohre mit geschäumten Innenschichten eingesetzt, die bei identischer Wanddicke ein geringeres Gewicht aufweisen als Vollmaterial. Zweischichtige Wellrohre mit glatter Innenschicht und wellenförmiger Außenschicht weisen eine deutlich höhere Steifigkeit auf als Glattrohre gleicher Wandstärke.

So groß die Vorteile dieser Rohraufbauten in der Anwendung, beim Rohstoffeinsatz und bezüglich der Herstellungskosten auch sein mögen, so groß sind die Probleme, die sich hier durch das Versagen der etablierten Messverfahren ergeben. Dies gilt insbesondere für die Inline-Messung der Wandstärke bei der Rohrextrusion mittels Ultraschall. Diese ist jedoch notwendig, um Massedurchsatz und Metergewicht einer Extrusionslinie zu regeln und so die Mindestrohrstärke zu gewährleisten und das Rohr auf Ovalität sowie Exzentrizität zu prüfen.

Die essenzielle Bedeutung der Wanddickenmessung wird durch die Materialersparnisse deutlich, die durch den Einsatz dieses Messverfahrens erreicht werden. Empirische Daten der letzten Jahre zeigen, dass durch die Messung der Wandstärke 1,5 % des jährlichen Materialverbrauchs einer Extrusionslinie eingespart werden können. Bezogen auf die weltweite Produktion in 2010 entspricht das einer Einsparung von 237.000 Tonnen Rohmaterial. Bei Großrohrlinien mit 1 Tonne Rohstoffdurchsatz je Stunde ist dies gleichbedeutend mit einer Ersparnis von mehreren 100.000 Euro pro Jahr.

Ein neues Verfahren zur Bestimmung der Wandstärke in der Kunststoffextrusion ist die Terahertz-Technologie, die sich noch nicht im industriellen Einsatz befindet. Ermöglicht wird der Einsatz von THz-Strahlung durch die Transparenz von Polymeren und Kunststoffen im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 3 THz. Signifikante Vorteile gegenüber der Ultraschalltechnik sind die absolut kontaktfreie Funktion, die Temperaturunabhängigkeit der Messung und insbesondere die Möglichkeit auch geschäumte Rohre und Wellrohre zu erfassen.

De facto steht trotz aller Fortschritte der THz-Messtechnik und der bewiesenen Funktionalität der THz-Strahlung zur Wanddickenmessung kein System zur Verfügung, dass die Anforderungen an ein industrielles Sensor- und Regelsystem erfüllt. Dieser Herausforderung kann nur mit neuen Techniken und innovativen Komponenten begegnet werden, die im Rahmen dieses Projektes entwickelt werden sollen.

Das Projektergebnis wird ein modulares Terahertz-Mess- und Regelsystem sein, das zur Inline-Prozesssteuerung in der Extrusion von Kunststoffrohren eingesetzt werden kann. Schwerpunkt des Forschungsvorhaben ist ein modulares faseroptimiertes Lasersystem welches über bis zu 8 Terahertz Sender- und Empfängereinheiten verfügt. Dabei wird vor allem auch auf einen reduzierten THz Leistungsbedarf geachtet.

Das T-REX-Projekt wird von einem Konsortium aus zwei KMUs (iNOEX GmbH in Melle und Menlo Systems GmbH in Planegg) und einem Forschungsinstitut (Fraunhofer Heinrich Hertz Institut in Berlin) bearbeitet. Für Systemtests in der Produktion steht ein assoziierter Partner aus der Großindustrie (AGRU-FRANK GmbH in Wölfersheim) zur Verfügung. Die Partner haben sich das Ziel gesetzt, bis zum Projektabschluss Oktober 2017 einen Mehrkanal THz-Transceiver zu entwickeln. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien“ gefördert.

Ansprechpartner

M.Sc. Ralph Klose
Telefon: 05422 / 60507-119
Mail: ralph.klose@inoex.de

iNOEX GmbH
Maschweg 70
49324 Melle

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt „T-REX“ (PDF)

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