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Mit Ultraschall in der Kunststofferzeugung

[26.8.2013] Bei der Extrusion (Strangpressen) von Polymeren wird das Rohmaterial erhitzt und geschmolzen. Die so entstandene zähe Schmelze wird an einer Versuchsanlage derJKU durch eine beheizte Düse gepresst und zu einem flachen Band mit nur einem Millimeter Dicke geformt. Bei der Entwicklung neuer Kunststoffe ist eine kontinuierliche Überwachung des Flusses der Schmelze während der Extrusion erforderlich, was durch die vorherr-schenden Bedingungen (Druck bis zu 300 bar, Temperaturen über 200°C) in der Düse erschwert wird. Dr. Veronika Putz, Senior Researcher am ACCM, hat ein Messsystem entwickelt, mit welchem das Strömungsprofil von Polymeren während der Extrusion berührungslos gemessen werden kann.

Ultraschallmethoden zur Messung von strömenden Flüssigkeiten – zum Beispiel in der Medizin zum Auffinden von Durchblutungsstörungen – gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten. Sie konnten bisher aber nicht bei den ungünstigen Bedingungen, die in der verwendeten Düse vorherrschen (Kombination aus der hohen Temperatur des Polymers und dem kleinen Querschnitt der Düse) angewendet werden. Das neu entwickelte Messsystem integriert einen 10 MHz Ultraschallprüfkopf direkt in die beheizte Düse. Da der Prüfkopf nur bei Raumtemperatur verwendet werden darf, ist eine aktive  Wasserkühlung notwendig. Um den Schmelzefluss nicht zu stoppen, darf diese Kühlung die Temperatur des Polymers jedoch nur geringfügig beeinflussen. Deshalb wurde ein mehrere Zentimeter langes Koppelstück entwickelt, welches zwischen Prüfkopf und Strömungskanal liegt. Es ermöglicht einerseits eine gute Übertragung und Bündelung der Schallwellen in die Flüssigkeit und andererseits eine thermische Entkopplung zwischen den gekühlten und beheizten Teilen des Messsystems.

Das Know-How steckt in der Formgebung der geschichteten Struktur und in der Auswahl der verwendeten Materialien. Gemessen wurde bereits erfolgreich an Polymeren mit unterschiedlichen Füllstoffen (Glasfaser, Talkpulver) und bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten. Aus dem so gemessenen Strömungs-profil wird es für KunststofftechnikerInnen möglich, die Viskosität eines neu entwickelten Kunststoffs direkt bei der Extrusion zu messen, was insbesondere dann wichtig ist, wenn dem Polymer alternative Materialien (zB nachwachsende Rohstoffe) beigemengt werden.
Die Arbeit wurde als strategisches Projekt der Area 1 gemeinsam mit der JKU (Institut für Polymer Extrusion and Compounding und Institut für Elektrische Messtechnik) durchgeführt. In einem kürzlich genehmigten FFG-Projekt soll unter anderem das entwickelte Messsystem verbessert werden.

Veronika Putz machte nach der HAK-Matura und ihrem Studium (Elektrotechnik – Toningenieur) an der TU Graz ihre Dissertation "Optimierte Vermessung von 3D Freiformobjekten unter Angabe der objektabhängigen Messunsicherheiten" am Institut für Elektrische Messtechnik der JKU bei Univ.Prof. Dr. Bernhard Zagar.
Die Dissertation wurde mit dem OGMA-Preis 2011 der Österreichischen Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik ausgezeichnet. „Naturwissenschaften und Technik haben mich schon immer interessiert“, sagt sie. Analytisches Denken und eine gewisse Kreativität bei der Auswahl von Messmethoden findet sie für ihre Arbeit in der ACCM-Area „Sensors and Signals“ besonders wichtig. Als „kleine Freuden“ sieht Fr. Putz, „wenn man monatelang einen Messaufbau plant, Materialien auswählt, die Auswertung optimiert, dann das erste Ergebnis sieht und es den Erwartungen entspricht“.