Precyzyjna kontrola temperatury w przemysłowym procesie termoformowania
Termoformowanie cienkich folii z tworzyw sztucznych wymaga precyzyjnej kontroli temperatury za pomocą promienników podczerwieni, gdzie interferencja widmowa i przezroczystość materiału utrudniają dokładny, bezkontaktowy pomiar temperatury.
Zastosowanie pirometrów o czułości widmowej dopasowanej do pasm absorpcji tworzyw sztucznych zapewnia dokładne odczyty temperatury, unikając zakłóceń ze strony promienników podczerwieni i rozwiązując problemy związane z przezroczystością charakterystyczną dla danego materiału.
Uzyskiwane korzyści
- Równomierne nagrzewanie arkuszy tworzyw sztucznych, zapewniające stałą jakość produktu
- Minimalizacja strat materiału spowodowanych przegrzaniem lub niedogrzaniem
- Sterowanie procesem w czasie rzeczywistym dzięki integracji z systemami PLC
- Zmniejszenie zużycia energii poprzez optymalizację mocy grzałek
- Uproszczenie modernizacji i konserwacji dzięki łatwym w integracji konfiguracjom czujników
Kontrola temperatury zeszklenia w termoformowaniu za pomocą promienników podczerwieni
Termoformowanie to proces produkcyjny polegający na kształtowaniu materiałów termoplastycznych poprzez podgrzewanie arkusza tworzywa sztucznego do momentu, aż stanie się on plastyczny, a następnie formowanie go do określonego kształtu. Proces ten ma kluczowe znaczenie w branży opakowań, z której powstają opakowania żywności, tacki medyczne i opakowania dóbr konsumpcyjnych. W przemyśle motoryzacyjnym tworzywa termoformowane są wykorzystywane do produkcji takich elementów jak deski rozdzielcze, panele drzwiowe i elementy wykończenia wnętrz. Są one niezbędne do produkcji profili okiennych, rur i materiałów izolacyjnych w budownictwie. Ponadto tworzywa termoformowane znajdują zastosowanie w różnych dobrach konsumpcyjnych, takich jak butelki na napoje, funkcjonalne folie do obuwia i inne produkty codziennego użytku.
Proces termoformowania rozpoczyna się od podgrzania arkusza tworzywa termoplastycznego do momentu, aż stanie się miękki i plastyczny, osiągając temperaturę zeszklenia. Ten etap jest niezbędny, ponieważ pozwala na łatwe formowanie materiału do pożądanego kształtu. Do tego celu są zwykle wykorzystywane promienniki podczerwieni ze względu na ich wydajność i możliwość kontrolowanego ogrzewania. Gdy arkusz termoplastyczny stanie się giętki, formuje się go do pożądanego kształtu za pomocą formy, stosując metody takie jak formowanie próżniowe, formowanie ciśnieniowe lub formowanie mechaniczne.
Każda metoda ma specyficzne zastosowania i zalety, ale polega na formowaniu ogrzanego tworzywa sztucznego ciśnieniem lub podciśnieniem. Po uformowaniu arkusz musi zostać schłodzony w celu zestalenia nowej formy, co zapewnia zachowanie kształtu i integralności strukturalnej tworzywa sztucznego. Schłodzony element jest wyjmowany z formy i może zostać poddany dodatkowemu przycinaniu i wykańczaniu w celu uzyskania finalnych specyfikacji produktu. Materiały powszechnie stosowane w termoformowaniu to polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS), politereftalan etylenu (PET), kopolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy (ABS) oraz polichlorek winylu (PVC). Zapewnienie jednorodności temperatury jest kluczowe dla uniknięcia wad w produkcie końcowym, ponieważ równomierne nagrzewanie gwarantuje, że cały arkusz tworzywa sztucznego osiągnie ten sam poziom giętkości, zapobiegając słabym punktom lub niespójnościom. Wystarczająca penetracja ciepła jest również niezbędna do uzyskania niezbędnej giętkości bez przegrzania.
Pirometry są niezbędne do zapewnienia, że tworzywo sztuczne osiągnie temperaturę zeszklenia. Monitorowanie temperatury może być jednak trudne, ponieważ tworzywa sztuczne mają często grubość mniejszą niż 400 µm, a proces wymaga użycia promienników podczerwieni. Promienniki podczerwieni przekazują ciepło lub energię bezkontaktowo za pomocą ukierunkowanego promieniowania podczerwonego. Aby maksymalnie efektywnie wykorzystać procesy ogrzewania podczerwienią, należy wziąć pod uwagę emisyjność tworzywa sztucznego, decydując, czy emiter podczerwieni powinien działać w zakresie podczerwieni krótkiej, średniej czy długiej. Emisyjność zależy od materiału, jakości powierzchni, długości fali, kąta padania promieni oraz, w niektórych przypadkach, zastosowanej konfiguracji.
Wymagania dotyczące promiennika podczerwieni różnią się w zależności od długości fali promieniowania podczerwonego i materiału produktu. Wyzwaniem w tym aspekcie jest to, że czujnik pirometru pracujący w tym samym zakresie długości fali mógłby wychwycić odbicie od emitera ciepła. Co więcej, cienkie folie z tworzyw sztucznych są używane do termoformowania elementów o cienkich ściankach, które mogą być przezroczyste w niektórych zakresach widmowych. To jeszcze bardziej komplikuje to zastosowanie, ponieważ czujnik temperatury podczerwieni o niewłaściwej czułości widmowej może nie wychwycić promieniowania podczerwonego folii z tworzywa sztucznego.
Rola promienników podczerwieni i zakresów widmowych pirometrów
Zazwyczaj są stosowane promienniki podczerwieni, ponieważ zapewniają kontrolowane i równomierne nagrzewanie, gwarantując osiągnięcie przez arkusz termoplastycznego tworzywa sztucznego wymaganej temperatury zeszklenia. Zrozumienie stanu nagrzewanej powierzchni ma kluczowe znaczenie dla kontroli procesu nagrzewania. Pirometry podczerwieni monitorują temperaturę zeszklenia tworzywa sztucznego przed jego uformowaniem, oferując najszybszą i najbardziej bezpośrednią metodę pomiaru.
Jednym z wyzwań związanych z pomiarem podczerwieni za pomocą promienników bliskiej podczerwieni jest unikanie pomiaru w tym samym zakresie widmowym, w którym działają promienniki. Promienniki podczerwieni i suszarki zazwyczaj działają w pasmach bliskiej podczerwieni (NIR) i średniej podczerwieni (MIR). Promienniki NIR zazwyczaj działają w zakresie od 0,75 µm do 1,5 µm, zapewniając intensywne i skoncentrowane ciepło, idealne do zastosowań wymagających szybkiego nagrzewania. Promienniki podczerwieni MIR działają w zakresie od 1,5 µm do 5,0 µm, oferując zrównoważone ogrzewanie odpowiednie dla obu powierzchni i nieco głębszą penetrację materiałów. Aby uniknąć przesłuchu, pirometr zazwyczaj działa w zakresie długości fali (LT) od 8 µm do 14 µm w większości zastosowań związanych z suszeniem i ogrzewaniem. Najlepszą praktyką jest użycie pirometru o innym paśmie niż promiennik podczerwieni, aby uniknąć przesłuchu.
Wyzwania pojawiają się również w przypadku cienkich folii z tworzyw sztucznych, które mogą być przezroczyste w niektórych zakresach widmowych. Wymaga to zastosowania czujników o odpowiedniej czułości widmowej.
Ekonomiczne zarządzanie temperaturą w termoformowaniu z łatwą instalacją i pirometrami odpornymi na szoki termiczne
Pirometry CT LT zostały wykorzystane w produkcji niedrogich opakowań plastikowych na artykuły spożywcze. Pirometry długofalowe są wystarczające, ponieważ folia plastikowa jest grubsza niż 400 µm. Producent zintegrował kilka pirometrów w linii, aby monitorować niejednorodności temperatury. Jeśli odczyty temperatury różnią się, programowalny sterownik logiczny (PLC) dostosowuje moc promienników podczerwieni na podstawie danych temperaturowych otrzymanych z wejść analogowych. Termometry online są instalowane obok promienników podczerwieni, gdzie folia plastikowa osiąga maksymalną temperaturę, aby uniknąć odbić pasożytniczych. Mimo to temperatura otoczenia jest wysoka, dlatego czujnik musi być odporny na wahania temperatury.
Odporność pirometru Optris na wstrząsy termiczne ma kluczowe znaczenie w tym zastosowaniu, ponieważ zapewnia dokładne i niezawodne pomiary temperatury nawet w środowiskach o gwałtownych wahaniach temperatury lub w pobliżu emisji ciepła. Firma Optris dostarcza szereg akcesoriów mechanicznych, które znacznie upraszczają integrację pirometrów z istniejącymi maszynami do termoformowania. Akcesoria te obejmują wsporniki montażowe, regulowane stojaki, okienka i obudowy ochronne, ułatwiając producentom integrację systemów pomiaru temperatury na podczerwień z maszynami bez konieczności przeprowadzania rozległych modyfikacji. Co więcej, głowicę pomiarową można odłączyć od skrzynki elektronicznej, co upraszcza instalację i konserwację w złożonych konfiguracjach maszyn. To nie tylko oszczędza czas, ale również obniża koszty instalacji.