Dicke und Flächengewicht gleichzeitig messen

In der industriellen Produktion von Flachmaterialien wie Kunststoff- oder Schaumplatten, Nonwovens, Papier, Glas- oder Steinwolle ist entweder die Materialdicke oder das Flächengewicht des Materials eine entscheidende Qualitätsgröße, die während der Produktion überwacht und immer wieder optimiert werden muss. Wird zu wenig Material verwendet, werden Vorgaben aus den Datenblättern nicht eingehalten, wird zur Sicherheit mehr Material als notwendig verwendet, kostet jedes Gramm zu viel Material automatisch Geld. Gerade bei Schaumplatten wie XPS-Dämmstoffen ist die Kombination aus Dicke und Gewicht, also die Dichte, der entscheidende Qualitätsfaktor. Weicht diese ab, können die thermischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigt werden.

Bislang werden diese Parameter häufig getrennt voneinander erfasst: Manuell erfolgt dies dann über einfaches Wiegen eines Samples und die Abmessung der Geometrie. Das bedeutet durch Bindung von Personal erheblichen Zusatzaufwand und zeitverzögerte Messergebnisse, da der laufende Prozess erst Minuten später angepasst werden kann. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Qualitätssicherung und Ressourceneffizienz. Hersteller müssen – idealerweise inline und berührungslos – immer präziser produzieren, Material sparen und Qualität dokumentieren.

Soll dieser Prozess automatisiert werden, kann Dicke auch direkt im Prozess über taktile Messgeräte oder Lasersensoren sowie das Gewicht über strahlungsbasierte Quellen wie Röntgengeräte bestimmt werden. Die Radartechnologie von 2pi-Labs ermöglicht all dies in einer einzigen und gleichzeitig für den Bediener völlig ungefährlichen Messung.

Radar für präzise Inline-Messungen

Radar – in der modernen Fahrzeugtechnik im Straßenverkehr flächendeckend im Einsatz – behauptet sich seit Jahren auch in der industriellen Inline-Messtechnik: Ein Radar sendet elektromagnetische Wellen aus, die in das Material eindringen und an seinen Grenzflächen reflektiert werden. Aus den Laufzeitunterschieden und der Signalintensität lässt sich je nach Bandbreite des Radars die Dicke des Materials mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich bestimmen.

Der Clou in der Radartechnologie von 2pi-Labs: Durch die Verwendung eines physikalischen Reflektors hinter dem zu messenden Objekt lässt sich zusätzlich die Masse pro Flächen-einheit (g/m²) bestimmen. In Kombination mit der gemessenen Dicke ergibt sich daraus die Dichte (kg/m³) in einer einzigen, berührungslosen Messung.

Der 2piSense-Radarsensor ermöglicht µm-genaue Messungen. Die hohe Bandbreite ist essenziell für die Auflösung dünner Medien wie Kunststoff. © 2pi-Labs

Die Bandbreite von 56 GHz (126 bis 182 GHz) dieses Radars ermöglicht es, den in der industriellen Praxis geforderten Genauigkeiten gerecht zu werden. Dank patentiertem Oszillatorkonzept wird eine Langzeitstabilität von 100 ppb (parts per billion) erreicht, eine Abweichung, die in der Praxis nahe-zu nicht erkennbar ist.

Dadurch sind Messungen über Stunden und Tage hinweg ohne Drift oder Nachkalibrierung möglich, was der mit Abstand wichtigste Faktor für den langfristigen industriellen Einsatz unter realen Produktionsbedingungen ist.

Vom Labor zur industriellen Anwendung

Ein wesentlicher erster Schritt hin zur industriellen Umsetzung der Radarmesstechnik in einem schlüsselfertigen Flachmaterialscanner war die Kooperation mit Meareg. Gemeinsam wurde ein kompakter, industrietauglicher C-Rahmen gefertigt, der die Radartechnologie direkt in jegliche Produktionslinie in unterschiedlichen Breiten integrieren lässt.

Der C-Rahmen ermöglicht die präzise Positionierung des Materials innerhalb des Aufbaus und ist für den Dauerbetrieb in verschiedensten Industrieumgebungen ausgelegt. Das System misst Dicke, Gewicht und Dichte simultan, also inline, berührungslos und in Echtzeit.

Muss nur ein einzelner Parameter wie beispielsweise die Dicke des Materials erfasst werden, kann wahlweise auch ein einfacher O-Rahmen verwendet werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Dicke direkt aus den Grenzflächen des Materials bestimmt werden soll, unabhängig von der mechanischen Genauigkeit des Aufbaus.

Inoex verwendet die Radartechnologie von 2pi-Labs für Inline-Rohrmesssysteme, um Prozessschwankungen sichtbar zu machen. Toleranzen können bei gleichbleibender Qualität reduziert und Materialkosten gesenkt werden. © Inoex

Die gemeinschaftliche Entwicklung ist bereits im industriellen Umfeld im Einsatz und soll dort Dicke, Gewicht und Dichte gemeinsam vermessen.

Beispiele aus der Praxis

Die Radartechnologie von 2pi-Labs lässt sich überall dort einsetzen, wo Flachmaterialien kontinuierlich gefertigt oder weiterverarbeitet werden.

• Massive Kunststoffplatten: Bei kompakten Kunststoffplatten kann die Dicke direkt über die Reflexionen an den Grenzschichten des Materials ermittelt werden. Das Radar misst unabhängig von der Genauigkeit des mechanischen Aufbaus und liefert damit kontinuierlich eine driftstabile Dicke.
• Schaumplatten und Dämmstoffe: In der Produktion von XPS- oder EPS-Platten werden Dicke und Gewicht simultan erfasst, wodurch sich die Dichte in Echtzeit bestimmen lässt. Der Schäumungsgrad kann so unmittelbar geregelt werden, um Materialeinsparungen zu erzielen und dennoch die geforderten Mindesttoleranzen einzuhalten. Das Ergebnis sind stabile Produktqualität bei optimiertem Rohstoffeinsatz.
• Produktion von Nonwovens oder Mineralwolle: Hier liefert die Radarmessung kontinuierlich präzise Werte zu der von den Produkteigenschaften entscheidenden Größe des Flächengewichts. Aufwendige Laborprüfungen entfallen, da die Qualitätskontrolle inline und vollautomatisch erfolgt.
• Herausfordernde Oberflächen: Selbst bei glänzenden oder reflektierenden Materialien, bei denen optische Verfahren wie Laser oder Infrarot an ihre Grenzen stoßen, bleibt Radar zuverlässig. Die elektromagnetischen Wellen durchdringen Staub oder Dampf und messen unabhängig von Farbe, Glanz oder Transparenz des Materials.

Drei Parameter in einer Messung

Peter Koll ist Business Development Manager bei 2pi-Labs in Bochum. © 2pi-Labs

Die Integration des Radarsystems in bestehende Produktionslinien eröffnet diverse technische und auch wirtschaftliche Vorteile, von der berührungslosen Messung bis zur vollständigen Prozessregelung. So werden Dicke, Gewicht und Dichte simultan und in Echtzeit erfasst, um ohne zusätzliche Sensorik oder separate Prüfstationen ein vollständiges Bild des Produktionsprozesses entstehen zu lassen. Das Radar arbeitet vollständig kontaktlos. Dadurch ist das System wartungsarm, für empfindliche Materialien besonders geeignet und selbst bei höheren Temperaturen dauerhaft stabil. Im Gegensatz zu Röntgen- oder radioaktiven Verfahren arbeitet die Technologie sicher, genehmigungsfrei und ohne Strahlenschutzaufwand. Das System liefert physikalisch betrachtet absolute Werte und ist so besonders resistent gegen einen potenziellen Drift des Messwertes durch andere äußere Einflüsse. Dank der Kombination aus kurzfristiger und langfristiger Oszillatorarchitektur bleibt das Radar über Tage und Wochen stabil. Der manuelle Kalibrieraufwand wird damit auf ein Minimum reduziert. Messdaten werden permanent erfasst und können unmittelbar für die Prozessregelung genutzt werden. So wird Qualitätssicherung zu einem integralen Bestandteil der Produktion. Da keine Verbrauchsmaterialien notwendig sind, sind der Wartungsaufwand und die Gesamtkosten über den Produktlebenszyklus hinweg minimal. Und last but not least lässt sich das System durch kompakte C- oder O-Rahmen-Designs flexibel an jede Linienbreite anpassen. Standardisierte Schnittstellen ermöglichen die direkte Anbindung an bestehende Steuerungen.

Inline-Messung in der Rohrbranche

Wie leistungsfähig Radartechnologie in der industriellen Praxis ist, zeigt die Zusammenarbeit mit Inoex, einem Anbieter von Mess- und Regeltechnik für die Kunststoffrohr-Extrusion. Gemeinsam wurde eine Lösung entwickelt, die auf derselben Radartechnologie basiert, wie sie auch in der Flachmaterialproduktion eingesetzt wird. In der Rohrherstellung ermöglicht das System berührungslos und temperatur-unabhängig die präzise Bestimmung von Wanddicke und Durchmesser während der laufenden Extrusion. Die Messwerte werden in Kombination mit gravimetrischen Systemen für die Regelung verwendet, sodass Materialverteilung und Durchmesser permanent optimiert werden. Dieser Regelkreis aus Gravimetrie und Messsystem hat Inoex weltweit in die Position des Technologieführers für die Rohrextrusion gebracht.

Radarmesstechnik in der Industrie

Radar hat sich in den letzten Jahren von einer Nischenlösung zu einer Schlüsselkomponente moderner Industrieproduk-tion entwickelt. Die Fähigkeit, Dicke, Gewicht und Dichte in einer einzigen Messung präzise zu erfassen, verändert die Prozesskontrolle und Qualitätssicherung grundlegend. Gerade in Branchen, in denen Genauigkeit, ein stabiler Prozess, Wirtschaftlichkeit und strahlungsfreie Technologien entscheidend sind, eröffnet die Radarmesstechnik völlig neue Möglichkeiten – von der Kunststoffextrusion hochwertiger Platten oder Dämmstoffen bis hin zu Nonwovens, Papier oder Mineralwolle. Was einst für Forschungszwecke verwendet wurde, wird nun in großem Stil Inline-fähig.