Thermografie an Kunststoffen in Herstellungs- und -verarbeitungsprozessen
Bei der Verarbeitung von Kunststoffen und bei der Herstellung von Kunststoffprodukten beeinflusst die Temperaturführung maßgeblich die Eigenschaften und die Qualität der Erzeugnisse. Die Thermografie eignet sich in diesen Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen hervorragend für eine kontinuierliche und großflächige Temperaturmessung. Die rückwirkungsfreie Methode trägt so zur Prozessstabilität sowie zu einer höheren Produktqualität und zu geringeren Ausschussraten bei.
Die Thermografie an Kunststoffen ermöglicht es,
Mängel frühzeitig zu erkennen,
Prozesse effizient zu überwachen und zu steuern sowie
den Ausschuss und den Energieverbrauch zu reduzieren.
Kunststoffe zählen heute zu den wichtigsten Werkstoffen, die in allen Lebensbereichen Anwendung finden. Typische kunststoffbasierte Produkte, die in großen Stückzahlen gefertigt werden, sind beispielsweise Rohre, Dichtungen, Kleb-, Füll- und Isolierstoffe, Verpackungen sowie Formteile.
Bei der Herstellung von Kunststoffprodukten und bei der Kunststoffverarbeitung wird die Thermografie eingesetzt zur
Kontrolle der thermischen Verfahrensführung,
Steuerung und Optimierung prozessrelevanter Temperaturen sowie zur
Qualitätssicherung und -kontrolle im laufenden Herstellungs- oder Verarbeitungsprozess.
Mit der rückwirkungsfrei arbeitenden Mess- und Prüfmethode können zudem Fehlstellen wie Lunker und Risse erkannt und verschiedene Materialeigenschaften zerstörungsfrei geprüft werden. Auch bei der Weiterentwicklung von Kunststoffprodukten leistet die Thermografie wertvolle Dienste.
Kunststoffanwendungen bei denen Thermografie eingesetzt wird
Anwendung der Thermografie bei verschiedenen Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren
Kontaktierende Messungen oder Pyrometer liefern stets nur wenige diskrete Messpunkte. Eine Wärmebildkamera bietet demgegenüber den großen Vorteil, zu jedem Zeitpunkt ein vollständiges Bild der Temperaturverteilung liefern zu können, ganz ohne Rückwirkungen auf das Prüfstück. Mit Hilfe der Thermografie lässt sich so z. B. sicherstellen, dass Spritzguss- oder Tiefziehformen die gewünschte Temperatur bzw. Temperaturverteilung aufweisen und die darin gefertigten Bauteile die vorgegebenen technischen Eigenschaften aufweisen.
Die Thermografie lässt sich zur Temperaturmessung in zahlreichen Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen einsetzen. So unterschiedlich die einzelnen Technologien auch sind, die Methode kann stets verlässliche Temperaturmessdaten für die Steuerung und Optimierung der Prozesse liefern, gelegentlich auch auf „Umwegen“*.
* Da Formen aus Metall, wie sie z. B. beim Spritzgießen eingesetzt werden, die Umgebungsstrahlung stark reflektieren, sind sie für direkte thermografische Messungen weniger gut geeignet. Eine häufig angewandte Alternative besteht darin, die Temperatur des Werkstücks unmittelbar nach dem Öffnen der Form zu messen.
Kunststoffschweißen
Das Kunststoffschweißen ist ein Verfahren zum dauerhaften Verbinden von Thermoplasten, bei dem die zu verbindenden Flächen mittels Wärme und Druck stoffschlüssig verschmolzen werden. Zum Aufschmelzen kommen Wärmequellen wie elektrische Induktionsheizungen, heiße Druckluft, Licht- oder Laserstrahlung zum Einsatz. Alternativ lässt sich der Kunststoff auch durch Reibung aufschmelzen.
Wird der Schmelzpunkt des Materials nicht erreicht, kommt keine stabile Verbindung zustande. Zu hohe Temperaturen können hingegen zur thermischen Zersetzung des Kunststoffes und damit zum Versagen der Schweißverbindung führen. Aus diesem Grund ist eine präzise Überwachung der Temperaturen beim Kunststoffschweißen unerlässlich. Der Einsatz einer Wärmebildkamera trägt dazu bei, gleichbleibend hochwertige Endprodukte zu erzeugen und die Ausschussrate zu senken. Darüber hinaus lassen sich mithilfe der Thermografie Potenziale zur Energieeinsparung identifizieren.
Beim Kunststoffschweißen kommen Wärmebildkameras im mittel- oder langwelligen Spektralbereich zum Einsatz, die eine detaillierte Darstellung der Temperaturverteilung ermöglichen. Abkühlvorgänge lassen sich komfortabel mithilfe einer temperaturgesteuerten Bildaufnahme dokumentieren. Das Softwarepaket IRBIS® 3 stellt hierfür leistungsfähige Werkzeuge zur Auswertung bereit.
Vorteile durch Thermografie beim Kunststoffschweißen
Schmelztemperatur exakt einhalten
Schweißprozesse lückenlos überwachen
Ausschuss und Nacharbeit reduzieren
Energieverbrauch senken
Spritzgießen
Eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus unterschiedlichen thermoplastischen Kunststoffen ist das Spritzgießen. Bei der Verarbeitung der Kunststoffe müssen exakt die vorgegebenen Temperaturen eingehalten werden. Das Gleiche gilt für die Temperatur der eingesetzten Spritzgussformen: Abweichungen aufgrund fehlerhafter Prozessparameter oder z. B. infolge von Defekten im Kühlsystem der Form können zu deutlichen Qualitätseinbußen führen.
Beim Spritzgießen ist die thermografische Messung der Oberflächentemperatur an den häufig hochpolierten metallischen Spritzgussformen im laufenden Produktionsprozess meist schwierig bzw. sehr aufwendig. Die Messung am Kunststoffteil, die bei geöffneter Form kurz vor der vollständigen Entformung erfolgt, führt dagegen zu gut interpretierbaren Ergebnissen. Dies ist besonders wichtig bei der Herstellung von Werkstücken aus Kunststoffen wie Polyphenylensulfid (PPS), bei denen sehr enge Toleranzen einzuhalten sind.
Die Qualität der beim Spritzgießen entstehenden Kunststoffprodukte wird stark von Parametern wie Einspritztemperatur, Formtemperatur und Abkühlzeit beeinflusst. Wird das Werkstück z. B. zu früh aus der Form entnommen, kann die im Material gespeicherte Wärme zu einem Verzug führen. Eine unregelmäßige Abkühlung hat hingegen häufig unterschiedliche Dichten innerhalb des Spritzgussteiles zur Folge. Die Temperatur der Werkzeuge beeinflusst zudem maßgeblich den Oberflächenglanz und die kristalline Struktur der Kunststoffe.
Um Temperatur-Zeit-Verläufe taktgenau aufzeichnen und die geometrische Übereinstimmung der einzelnen Formteilmessungen gewährleisten zu können, muss die Wärmebildkamera mechanisch an der Anlage fixiert werden. In Verbindung mit einer externen Triggerung entsteht ein exaktes Temperaturabbild der Formoberfläche, welches gleichzeitig die geometrische Zuordnung zum Bauteil ermöglicht.
Vorteile der Thermografie beim Spritzgießen
Prozesstemperatur exakt einhalten
Qualität des Formteils sichern (Festigkeit, Maßhaltigkeit, Oberflächenbeschaffenheit)
Defekte frühzeitig erkennen (z. B. verursacht durch ungleichmäßige Temperierung oder Fehler im Kühlsystem)
Ausschuss reduzieren und Prozessstabilität erhöhen
Extrusion
Neben dem Spritzgießen ist das Extrudieren eines der wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Kunststoffprodukten. Dabei werden die Kunststoffe im zähflüssigen Zustand kontinuierlich durch eine Düse gepresst. Mittels Extrusion lassen sich so u. a. Platten, Rohre und Profile in großen Stückzahlen wirtschaftlich produzieren.
Die Thermografie kann zur Inline-Überwachung der Qualität der extrudierten Produkte eingesetzt werden. Durch die Analyse der Temperaturverteilung beim Austritt aus dem Werkzeug lassen sich Oberflächenfehler wie Schlieren oder Dellen zuverlässig erkennen. Mängel im Material wie Einschlüsse von Luft oder Fremdstoffen sind im Thermogramm ebenfalls deutlich sichtbar. Diese Fehlstellen sind anhand der Abweichung von den typischen Temperaturverläufen identifizierbar.
Vorteile der Thermografie beim Extrudieren
Materialfehler frühzeitig erkennen (z. B. Lufteinschlüsse)
Produktqualität sichern (gleichmäßige Wandstärken, homogene Oberflächen)
Kontinuierliche Inline-Überwachung zur Reduzierung von Ausschuss
Tiefziehen
Beim Tiefziehen von Kunststoffen (Thermoformen, Vakuumtiefziehen oder Vakuumformen) wird eine in einen Rahmen eingespannte thermoplastische Platte oder Folie beidseitig z. B. durch Wärmestrahlung erhitzt. Ist die Erweichungstemperatur des Kunststoffs erreicht, wird das Material durch Unterdruck in eine temperierte Form gesaugt oder durch Überdruck in diese gepresst. Der Kunststoff passt sich dabei der Werkzeugkontur an. Anschließend wird das Werkzeug unter die Erweichungstemperatur des Kunststoffs abgekühlt – das tiefgezogene Werkstück behält die erzeugte Form dauerhaft bei.
Mithilfe der Thermografie kann die gleichmäßige Temperaturverteilung während des Erwärmungsvorgangs kontinuierlich überwacht werden. Die Temperaturmessung erfolgt direkt nach dem Öffnen des Werkzeuges. Bei Abweichungen lässt sich die Temperaturregelung anpassen und damit die Qualität der Erzeugnisse sichern.
Vorteile der Thermografie beim Tiefziehen
Temperatur des Werkstücks präzise überwachen
Formgenauigkeit und Maßhaltigkeit sicherstellen
Qualität der Oberfläche sichern
Fehler frühzeitig erkennen und Ausschuss vermeiden
Additive Fertigung von Kunststoffprodukten
Bei additiven Fertigungsverfahren wird ein Bauteil anhand von 3D-CAD-Daten durch das schichtweise strukturierte Hinzufügen von aufgeschmolzenem Material erzeugt. Die Temperatur ist ein maßgeblicher Prozessparameter sowohl beim Auftrag der Schmelze als auch beim Erstarren des Kunststoffes. Sie kann mithilfe von Wärmebildkameras prozessbegleitend mit hoher geometrischer Auflösung und hoher Messgeschwindigkeit erfasst und überwacht werden.
Mehr erfahren über Thermografie in der additiven Fertigung
Vorteile der Thermografie bei der additiven Fertigung
Stabile Bauteilqualität durch präzise Prozessführung
Frühzeitige Erkennung von Fehlern in Echtzeit
Hohe Präzision auch bei komplexen Geometrien
Angewandte Thermografische Verfahren
In den meisten Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren weist das zu untersuchende Werkstück oder das eingesetzte Material zumindest partiell erhöhte Temperaturen auf. Mittels passiver Thermografie können diese Temperaturen großflächig und schnell gemessen und mit den Vorgaben verglichen werden. Die Methode eignet sich daher hervorragend zur kontinuierlichen Prozessüberwachung, kann aber auch als passive Wärmefluss-Thermografie zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Die aktive Thermografie fokussiert hingegen immer auf das zeitliche thermische Verhalten nach einer externen Anregung. Die Methode wird deshalb bevorzugt für die stichprobenartige Qualitätskontrolle von Werkstücken angewandt.
Passive Thermografie
Die prozess- oder umgebungsbedingt beeinflussten Oberflächentemperaturen des Prüfobjektes werden mittels Thermografie bildhaft dargestellt. Thermische Auffälligkeiten können ein Hinweis auf Fehler wie eine unzureichende Erwärmung sein, aber auch auf Fehlstellen innerhalb des Prüfobjektes. Diese wirken wie Barrieren und stören den Wärmefluss im Inneren, was sich im zeitlichen Verlauf der Temperaturverteilung auf der Oberfläche äußert.
Aktive Thermografie
Für die aktive Thermografie ist es erforderlich, das Prüfstück mithilfe einer externen Quelle (Blitzlampe, Halogenstrahler etc.) anzuregen. Durch den Energieeintrag wird ein Wärmefluss im Werkstück ausgelöst. Weist das Werkstück keine gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit auf, äußert sich dies anhand einer inhomogenen Temperaturverteilung an seiner Oberfläche. Eine mit der Anregungsquelle synchronisierte Wärmebildkamera kann so einen abweichenden Schichtaufbau, Fehlstellen oder Lufteinschlüsse detektieren.
Außer zur Prozess- und Qualitätskontrolle lassen sich passive und aktive Thermografie auch für die Forschung und Entwicklung an Kunststoffen einsetzen. Zudem können Kunststoffe zur Analyse und Optimierung ihrer Eigenschaften mittels thermomechanischer Belastungstests (Stresstests, auch Thermoelastic Stress Analysis, TSA) untersucht werden. Dabei wird das mechanische und thermische Verhalten des Prüfstückes bei zyklischer elastischer Verformung betrachtet.
Basierend auf der physikalischen Tatsache, dass Werkstoffe bei Verformung eine thermische Reaktion zeigen, lassen sich mit Wärmebildkameras typische Temperaturänderungen und damit thermische Signaturen erfassen. Zu beachten ist hierbei, dass die TSA strenggenommen nur für isotrope Werkstoffe angewandt werden kann, Polymer- und Faserverbundwerkstoffe jedoch häufig anisotrop oder orthotrop sind (richtungsabhängige Eigenschaften). Daher gelten für Untersuchungen an diesen Werkstoffen Einschränkungen bzw. müssen hier abweichende Modelle zur Beschreibung des Zusammenhanges zwischen Verformung und thermischer Reaktion angewandt werden.
Online-Events on demand: Thermografie in der Kunststoffindustrie
Optimising Additive Manufacturing Technologies Using Thermography
Additive Fertigung: Definition, Vorteile, Arten, Verbreitung und Zukunft
Herausforderungen bei der Additiven Fertigung von Metallen
Einsatz von Thermografie zur Verbesserung von Fertigungstechnologien
Ergänzender Fachvortrag "Influence of Laser Intensity Distribution on Process- and Parts Properties in the L-PBF – New Process Insights through Thermography" von Dr.-Ing. Florian Eibl, Aconity 3D GmbH
Thermography and Digital Image Correlation – A Winning Team in the Materials and Components Testing Field.
Aktive Thermografie für zerstörungsfreie Prüfungen
Synchronisierung von Hightech-Sensoren: ZEISS/GOM ARAMIS und Infrarotkameras von InfraTec
Verfolgung der Temperatur an homologen Punkten im 3D-Raum
Anwendungen in der Material-, Bauteil- und Elektronikprüfung
Ergänzender Fachvortrag "The IGI EcoMapper – High-Precision Aerial Survey in Five Spectral" von Dr. rer. nat. Jens Kremer, Manager R&D, IGI mbH, Germany
Thermografie für die industrielle Automation
Effiziente Qualitätskontrolle durch schnelle, berührungslose Temperaturmessung während der laufenden Produktion
Flexible Systemlösungen von modularen Komponenten bis hin zu vollständig kundenspezifischen schlüsselfertigen Anlagen
Integrierte Software für die automatisierte Auswertung, Dokumentation und Auslösung von Folgeprozessen
Spectral Thermography – Basics and Applications
Allgemeine Informationen zur Infrarot-Thermografie und InfraTec
Definition der Spektralthermografie
Vorteile und Herausforderungen der Spektralthermografie
Spezifische Anforderungen an Kamerasysteme für die Spektralthermografie
Efficient Material Testing – Non-destructive and Contactless
Theoretischer Hintergrund – mechanische Kraft, Spannung und Temperatur Methoden zur Analyse
Beispiele aus der Praxis mit Anwendungsbeispielen – elastische periodische Belastungsprüfung und Ermüdungsprüfung
Kurzer Überblick über die Produkte von InfraTec
Ergänzender Fachvortrag
"Contribution of Thermoelastic Stress Analysis in mechanics of materials and structures: some illustrations" from Prof. Vincent Le Saux, École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne
Herausforderungen und Einflussfaktoren bei der Thermografie an Kunststoffen
Je nach Ausgangsmaterial, Herstellungsverfahren und verwendeten Zusatzstoffen unterscheiden sich Kunststoffe in Hinblick auf ihre Oberflächenbeschaffenheit, den Emissionsgrad, die Temperaturbeständigkeit und andere Eigenschaften. Das erschwert die thermografische Temperaturmessung an Kunststoffen und deren zerstörungsfreie Prüfung – Standardlösungen führen hier selten zum Ziel. Das eingesetzte Thermografiesystem muss daher exakt auf die Messaufgabe abgestimmt werden oder sich flexibel an diese anpassen lassen.
Welche besonderen Herausforderungen und Einflussfaktoren sind bei der Thermografie von Kunststoffen zu berücksichtigen?
Die Vielfalt der verfügbaren Kunststoffe und ihrer Variationen durch Füll- und Farbstoffe macht es unmöglich, einen allgemein verwendbaren Emissionsgrad anzugeben. In der Praxis kann jedoch insbesondere für massive Materialien mit einem Emissionsgrad von (0,90 ... 0,95) gerechnet werden. Dies gestattet eine problemlose Messung an den Oberflächen mit einer sehr hohen Messsicherheit. Bei der Untersuchung von Kunststofffolien ist hingegen die Abhängigkeit des Emissionsvermögens von der Foliendicke zu beachten (siehe spektrale Eigenschaften).
Wie bei anderen Werkstoffen auch können Kunststoffe abhängig vom Bearbeitungszustand oder der Objekttemperatur eine abweichende Oberflächenbeschaffenheit und damit unterschiedliche Emissionsgrade aufweisen. Um dennoch zuverlässige Messergebnisse zu erhalten, müssen diese Abweichungen durch Korrekturmodelle berücksichtigt werden.
Kunststoffe weisen entsprechend ihrer chemischen Zusammensetzung und molekularen Struktur einen charakteristischen spektralen Verlauf des Emissions- bzw. Transmissionsgrades auf. Abhängig von der Wellenlänge wechseln sich breite Bereiche mit hoher Durchlässigkeit und schmale Absorptionsbänder ab. Die hohen Emissionsgrade in diesen Absorptionsbändern ermöglichen die verlässliche Infrarot-Temperaturmessung bereits an dünnen Folien.
Für die Temperaturmessung an Kunststoffen empfiehlt es sich, die Wärmebildkameras mit speziellen Spektralfiltern auszustatten, die nur die IR-Strahlung in den charakteristischen Absorptionsbändern durchlassen. Eines der wichtigsten, praktisch nutzbaren Spektralbänder liegt bei 3,4 µm. Es kann z. B. für die Messung an dünnen Folien aus PE oder PTFE verwendet werden.
Die Temperaturunterschiede bei der Prüfung von Kunststoffteilen sind oft so gering, dass die zum Einsatz kommenden Thermografiekameras über eine hohe thermische Empfindlichkeit verfügen müssen. So können auch Fehlstellen, die sich nur durch geringste Temperaturdifferenzen an der Bauteiloberfläche äußern, sicher detektiert werden. Durch Verfahren wie die Lock-in-Thermografie (eine Form der aktiven Thermografie) lassen sich darüber hinaus selbst Temperaturunterschiede im mK- und µK-Bereich sichtbar machen.
Viele Prozesse bei der Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen laufen mit hoher Geschwindigkeit ab. Um auch kleine Temperaturunterschiede bei schnellen Änderungen sicher und verzerrungsfrei erkennen zu können, sind Wärmebildkameras mit hohen Bildwiederholraten und kurzen Integrationszeiten erforderlich.
Die richtige Thermografiekamera auswählen
Für die Thermografie an Kunststoffen stehen unterschiedliche Thermografiesysteme zur Verfügung:
Kompaktmodelle (z. B. TarisIR® mini)
→ Optimal für die dauerhafte Integration in FertigungsanlagenSystemkameras (z. B. VarioCAM® HD head)
→ Präzise Messungen mit hoher geometrischer AuflösungHigh-End-Kameras (z. B. ImageIR®-Serie)
→ Ideal für schnelle, dynamische Prozesse
Die wichtigsten Auswahlkriterien sind:
Thermische und geometrische Auflösung der Thermografiekamera
Prozessgeschwindigkeit (Integrationszeit)
Intelligente Steuerung und Auswertung
Abhängig vom konkreten Ziel der Prüfung spielen unterschiedliche Eigenschaften der Wärmebildkameras eine zentrale Rolle für die Auswahl:
Qualitätssicherung
Hohe thermische Auflösung notwendig, um kleinste Fehlstellen sichtbar zu machen (Detektion minimaler Temperaturunterschiede von bis zu 20 mK)
Hohe Messgeschwindigkeit bei schnellen Prozessen
Sicherung der Präzision in der Fertigungslinie
Hohe geometrische Auflösung = exakte Zuordnung von Messpunkten zu Bauteilen
Reproduzierbare, vergleichbare Messungen über die gesamte Fertigung
Unabhängigkeit der Messung vom Abstand der Kamera zum Messobjekt
Thermografie bei dynamischen Prozessen
Hohe Bildwiederholraten für schnelle Fertigungsabläufe (z. B. additive Fertigung)
Integration stationärer Wärmebildkameras in Produktionsprozesse
Sofortige Korrektur durch intelligente Software bei Temperaturabweichungen
Bei der großen Vielfalt an Kunststoffen ist es grundsätzlich sinnvoll, flexible Thermografiesysteme einzusetzen. Das bedeutet: Parameter wie Abstand, Fokussierung, Bildwiederholung oder Emissionsgrad können ohne großen Aufwand an die jeweilige Messaufgabe angepasst werden. Einige Kameramodelle von InfraTec verfügen beispielsweise über einen integrierten Motorfokus. Durch das automatische Scharfstellen des ausgewählten Messbereichs wird effizientes Arbeiten und die Aufnahme exakter Temperaturmessdaten unterstützt.
Flexibilität des Thermografiesystems bei unterschiedlichen Kunststoffen
Anpassbare Parameter: Abstand, Fokussierung, Bildwiederholung, Emissionsgrad
Motorfokus für automatisches Scharfstellen und effiziente Messungen
Hohe Datenqualität bei variierenden Anforderungen
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