Hele 10 af emnets egenskabsparametre er afhængige af procestemperaturen, der derfor er nøglen til høj kvalitet.
Artiklen har været bragt i Plast Panorama nr. 9, 2015 og kan læses uden illustrationer herunder.
Af seniorkonsulent Mikkel Bo Nielsen, Teknologisk Institut/ Installation og Kalibrering
I mange brancher opstår der med mellemrum en manglende påskønnelse af, hvor meget procesforholdene kan betyde for de endelige egenskaber af produktet. Procesforholdene kan være altafgørende, når der fokuseres på kvalitet og gennemløb, og ikke i ret mange brancher har procesforholdene større indvirkning end i plastbranchen. Processen er umiddelbart simpel: smeltning af materialet, lade materialet passere gennem et passende udstyr og genstørkne det i formen.
Temperaturerne er dog afgørende – ikke kun for de æstetiske egenskaber, men også for de fysiske og mekaniske egenskaber af produktet: krybning, slidstyrke, krystallinitet, slagfasthed, endelig molekylevægt, cyklustid, indstøbt stress, stress-crack modstand, dimensionel stabilitet og levetid.
Afhængig af blandt andet procestemperaturerne kan disse egenskaber afvige betragteligt fra databladsopslag, hvilket i kvalitetsøjemed kan være både en med- og modspiller. Også energiøkonomisk har procestemperaturerne selvfølgelig et markant fingeraftryk i de grønne regnskaber, og derfor er temperaturen også her et vigtigt målepunkt.
Aktuel og målt temperatur
Det er her vigtigt at skelne mellem den aktuelle temperatur, målt temperatur og setpunkt. Den aktuelle temperatur er en definitiv, fysisk parameter for formen og smeltet. Den målte temperatur er et estimat – et rimeligt estimat håber vi, men målingen er tilknyttet en usikkerhed, som opstår på grund af flere faktorer – vekselvirkning med mediet, det omgivende miljø, udstyrets måleevne, repræsenterbarhed af målepunkterne for den aktuelle temperatur, drift over tid osv.
Når to målinger skal sammenlignes er det afgørende, at usikkerheden – tilknyttet de to målinger – er kendt og retvisende. Er usikkerheden stor, bevirker det i en sammenligning af resultater, at det bliver kompliceret at drage entydige konklusioner, og i produktionsmiljøer bevirker store usikkerheder varierende kvalitet, høj kassationsrate/ombearbejdning og i nogle tilfælde forøget energiforbrug. Setpunktet er her et værktøj til at styre de målte temperaturer på plads og nå frem til en optimeret aktuel temperatur af smeltet og af form.
Aldrig overensstemmende temperaturer
Ganske sjældent eller aldrig er der dog overensstemmelse mellem målte temperaturer, setpunkter (der styrer de målte temperaturer på plads) og de aktuelle temperaturer. Det er derfor nyttigt i procesmæssig sammenhæng at tage et kritisk blik på sensorernes kvalitet (fx gennem regelmæssig kalibrering og validering), men i særdeleshed også på de installationsusikkerheder, der opstår, når de genindsættes i produktionslinjen.
To samarbejdsprojekter
Teknologisk Institut deltog i 2011-2014 i to europæiske projekter: »Metrology to Asses the Durability and function of Engineered Surfaces« (MADES) med henblik på blandt andet at estimere in situ overfladetemperaturen i tribologiske testsetups. I dette projekt blev indlejret en termoresistor i overfladen af testemnet, som var en keramisk skive. I det andet projekt: »Intelligent and Customized Tooling« (IC2) blev der arbejdet med at indlejre termoelektriske sensorer i værktøjer – blandt andet støbeforme.
Begge projekter var et samarbejde mellem Teknologisk Institut, industrien, universiteter og europæiske metrologilaboratorier. Teknologisk Institut er udpeget af Sikkerhedsstyrelsen til Nationalt Metrologiinstitut (NMI) for »temperaturmåling ved berøring« og repræsenterer således den metrologiske infrastruktur på det område i forhold til resten af verden.
De to projekter adskilte sig ud over formål og anvendte teknologier også i den metrologiske indfaldsvinkel. I IC2-projektet blev teknologierne anvendt med henblik på en gennemførlighedsvurdering, og i MADES-projektet blev der lagt meget arbejde i at kvantificere, hvor gode sensorerne og deres målinger var.
I figur 1 ses konfigurationen af et termopar på en støbeform og det resulterende plastemne samt et termopar på et testemne. I grafen figur 2 ses temperaturudviklingen af formen i to forskellige målepunkter under produktion. Hver periode svarer til et emne.
I MADES-projektet blev der fremstillet 11 ens sensorer, som blev sammenlignet med hinanden, og der blev foretaget termisk ældning, repeterbarheds- og reproducerbarhedstest. Nogle termoresistorer – afhængig af konstruktion – udviser hysterese, hvorfor dette også blev testet.
Til sidst blev resultaterne sammenlignet med kommercielle viklede/fladfilmssensorer. I figur 3 ses sensorerne indsat i en tribologisk testmaskine hos NPL1) i England. Indsat ses fire sensorer indlejret på emnet. I grafen figur 4 ses resultater fra tribologitesten. Hver periode svarer til, at temperaturforskelle på grund af friktionsvarmen fra en kugle, der skrider på overfladen, registreres. De to grafer repræsenterer to forskellige hastigheder, og det ses tydeligt, at hvert skred henover sensoren registreres i form af en temperaturstigning.
I grafen figur 5 ses sammenligning med karakteristik fra en konventionel Pt100-føler modelleret efter standarden IEC/EN 60751.
I begge projekter blev sensorerne lagt på enten en relativt tyk elektrisk isolerende overflade eller på emner, der var elektriske isolatorer (AlO3). På ikke elektrisk, isolerende underlag er der stadig udfordringer, idet de isolerende underlag er svære at lægge på en overflade uden at introducere mikroskopiske huller, der giver anledning til lækstrømme, som devaluerer målesignalerne fra sensorerne.
Succesfulde sensorer
I begge projekter var sensorerne en succes.
IC2 viste, at det bestemt kan lade sig gøre at give værdifuld information. Sensorerne kan sågar pålægges på enkeltkrumme overflader. Direct Write Thermal Spray (DWTS) – teknikken, der blev benyttet i IC2-projektet, er umiddelbart mindre brugbar, idet lagtykkelsen er så stor, at den kræver bearbejdning af overfladerne for at få glat overflade – det er dog en billig og nem teknik, hvis sensorerne skal sidde på en støbeform, hvor der ikke er så store krav til udseendet.
MADES-projektet viste, at som sensorer er de termoresistive, indlejrede sensorer fuldt ud i stand til matche de måleevner, man oplever fra fladfilms/viklede termoresistorer, som vi finder i fx en Pt100. Sensorerne blev testet op til 200°C. Fremstillingsprocessen kan producere sensorelementer, der er mikroskopiske.
Teknikkerne, der er udviklet i forbindelse med IC2 og MADES, er generiske og kan benyttes i andre applikationsområder:
● Keramiske forme/emner – plane og enkeltkrumme flader.
● Elektrisk ledende forme/emner, hvor der ikke er krav til overfladebeskaffenheden.
● Elektrisk ledende forme/emner, hvor man kan bearbejde/integrere sensorerne ned i plan med overfladen.
Videre arbejde i EU-regi
Teknologisk Institut arbejder videre med teknikkerne i et europæisk projekt »Enhancing Process Efficiency through Improved Temperature Measurements« (EMPRESS), hvis formål er at skabe en bedre og mere effektiv produktion gennem maksimering af temperaturmåleevnen. Dette vil sige, at de målte temperaturer skal være endnu tættere på de aktuelle temperaturer og udsat for endnu mindre indflydelse fra andet end den aktuelle procestemperatur.
Har du en problemstilling med dine temperaturmålinger, eller vil du gerne have set dine målesystemer igennem med tredjepartsøjne, så kontakt forfatteren – måske er din problemstilling vores næste projekt – tlf. 7220 1256, mbn@teknologisk.dk.
Hvad er en termoresistor?
En termoresistor er en sensor, hvor den ohmske modstand afhænger af temperaturen. En ofte forekommende variant er fx en Pt100-føler. Sensorerne i MADES blev først præpareret ved Tribologicenteret (Teknologisk Institut). Sensormaterialet i MADES blev herefter udlagt ved Acreo (Sverige), herefter blev det laserskåret ved Aarhus Universitet og sidst overfladebelagt ved Tribologicentret.
Hvad er en termoelektrisk sensor?
En termoelektrisk sensor danner en spændingsforskel, som afhænger af temperaturforskellen henover de elektriske ledere. De forekommer kommercielt under betegnelsen termokobler, termopar eller termotråd. Der er forskellige standardiserede typer – fx type K, T og S afhængig af materialesammensætning. Sensorerne i IC2 blev igen præpareret og overfladebelagt ved Teknologisk Institut, og VTT i Finland udlagde de termoelektriske ledere (type K) ved »Direct Write Thermal Spray« (DWTS).
Hvad er NPL?
NPL (National Physical Laboratory) er Englands svar på NIST (National Institut of Standards and Tests) i USA. I Danmark er den metrologiske infrastruktur mere spredt. Teknologisk Institut er udpeget som metrologiinstitut på parametrene »temperatur ved berøring«, »vandflow – inklusive energiflow i vandførende systemer«, »anemometri« og »geometrisk måling«.