用测厚仪解决上游加工问题

作者:NDC公司 Hector Marchand 文章来源:PT《现代塑料》 发布时间:2014-10-09
除了测量料片的厚度外,测厚系统还有一个经常被忽视但同样重要的作用——可作为一种诊断工具,排解片材挤出和薄膜吹塑工艺过程中的故障。

如今,对大多数薄膜和片材挤出生产而言,在线测厚设备已经成为一个不可分割的组成部分。事实上,现在几乎每条双向拉伸和流延薄膜生产线都配备了某种类型的扫描在线测厚系统,以测量和控制料片的厚度变化,并调整其平均厚度。很多片材和吹塑薄膜生产线还采用了某种在线测厚仪。

一台位于流延聚丙烯薄膜生产线上的、典型的在线测量系统厚度扫描仪​

通常,这些测厚系统被设备操作人员作为一种工具来使用,以确保产品符合要求。虽然这是一种非常有效的方式,且能节省原材料、降低废品率,并优化能源和人力的使用,但是测厚系统还有一个经常被忽视但同样重要的作用:可以作为一种诊断工具来排除工艺过程中的问题。

不“照章办事”的SPC

现在,许多制造商都使用诸如统计过程控制(SPC)的工具进行质量管理。但是,SPC专为典型的“批次”或“流”过程而设计——在一个批次中,抽出一个或几个样本进行测量,所获得的数据用于确定该批次的整体质量;同理,在一个“流”中,样品以特定的频率从“流”中获取,并进行分析和制图,以确定该产品是否符合要求。SPC可以为这些相对简单的过程提供有效的控制。

但薄膜和片材的工艺过程明显更加复杂。有些人认为,评判料片挤出过程的理想方法是将其看作具有许多“通道”或一批过程“流”。实际上,挤出加工商不可避免地担心产品在两个维度上同时发生变化——横跨料片的宽度和沿着它的长度。他们可以通过调整生产线速度或螺杆转速,控制沿料片长度方向上产品厚度的缓慢变化。但高速下的厚度波动对于任何测厚系统或加工商而言都发生得太快,因此无法进行有效控制。

如果想要控制这些高频率的变化,加工商应该试着去了解它们,如此才能消除它们,获得高质量的产品。通常,挤出过程的产品变化主要有3种:

1.断面变化(PRO):整个料片的厚度发生变化,也被称为横向机器变化或CD变化。

2.机器方向上的短期变化(STMD):高频率下发生的周期性或随机的厚度变化,周期时间常在1min或更短的时间内。

3.机器方向上的长期变化(LTMD):周期时间为几分钟到几小时甚至几天的、周期性或随机的厚度变化。

PRO变化的原因包括:模唇或限流器调整不当、整个模面出现温度梯度或模头设计不当等。在薄膜吹塑过程中,膜泡周围的温度梯度也会造成断面变化。断面变化的一种特殊情况是由于狭窄但剧烈的厚度差异而导致的条纹,这种厚度差异是由模唇中的碳堆积(细条纹)或是模面中的凿孔和划痕(厚条纹)引起的。

STMD变化的原因包括:由于聚合物/模头设置不匹配而引起的熔体拉伸共振,由于设计问题或安装不当而引起的挤出机脉动流(螺杆浪涌),以及由于卷筒用完、坏轴承/轴颈或速度/驱动调节问题而引起的引出装置的高速周期性变化。除了熔体拉伸共振外,这些高速变化的原因通常与它们相关联的确定频率有关。

LTMD变化的原因包括:由于控制器失调、加热器或热电偶安装不当导致挤出机或模头出现温度波动;材料配方的改变,包括回用料或“绒毛”比例;由于污垢堆积导致网叠压力增加;操作人员对设备的调整;树脂进料系统前后不一致;在吹塑薄膜过程中,由于环境温度、湿度和气压引起的大气变化。

在操作人员的日常使用中,测厚系统可以控制大多数的(即使不是全部)断面变化(除条纹外)和LTMD变化。测厚系统和操作人员不能直接控制的是高速下的STMD变化和断面条纹。但是,如果可以确定并隔离导致这些厚度变化的来源,那我们就能对过程进行纠正,尽可能地减少或消除它们带来的不利影响。

测厚仪如何提供帮助

如何确定并隔离STMD变化和断面条纹的来源?STMD变化可以通过一种所谓的“内嵌”或“单点”模式的测厚系统进行隔离和可视化。在这种模式下,扫描传感器可临时停留在料片中一个确定的点上,并在一段特定的周期(通常为1min或2min)内收集数据。它通常会在整个料片的3个位置(左、中和右)上收集有关STMD变化的数据,这样做的原因是,某些形式的STMD变化可能只影响料片的一部分或某一面(如冷却叠辊机一侧的一个坏轴承)。

观察STMD的周期(s)往往有助于精确定位变化的来源,其周期性通常与某个工艺参数相关联。例如,如果已确定一个STMD变化的主要特点是每分钟发生61次,且主挤出机的运行速度为61r/min,那么就可以合理地假定挤出机是引起STMD变化的原因之一。

测厚系统可以告诉加工商问题的严重程度(厚度周期变化的幅度)和寻找问题的线索(通过把频率与加工设备的运行速度相关联),但它不能明确真正的原因,这需要加工商们自己来确定。

如果工艺过程比较复杂(例如,采用多台挤出机的共挤生产线),那么STMD变化可能是多种来源的厚度变化共同作用的结果,而且每个变化都有自身的周期和振幅,如果这些因素全部合并成一个复杂的在线显示读数,可能很难通过肉眼来确定过程中的哪台设备是可变性的来源。此时,一种快速傅立叶变换(FFT)工具可能会给加工商提供很大的帮助。FFT是一种数学工具,能将通过时间域收集的数据转换为频域内的数据,此工具能告诉加工商哪些周期性的变化影响最大,以及它们将在什么频率下发生。

大多数的测厚系统都有一个有效的FFT工具(可作为一个标准功能或可选功能)。如果加工商的测厚系统不具有FFT功能,也不用烦恼——PC应用中就可以获得FFT,有时该工具作为Microsoft Excel附加分析工具包中的一部分存在。要使用一个外置的FFT程序,加工商需要与测厚仪供应商合作,以确定如何从测厚系统中提取在线数据,并传输至PC中。

本文不研究如何使用Excel来获得FFT,但有一个建议:某些FFT程序可能无法正常运作或只能勉强工作,除非输入的数据组大小是2的乘方(这会简化执行FFT程序的数学运算)。这也是许多测量系统的断面或内嵌显示器的断面桶(profile buckets)包含512个或1024个数据点的原因。

一旦确认了STMD变化的主要来源,加工商们需要进一步确定其实际发生的原因。如果他们在某个点上发现自己不能判断是什么原因造成的这种变化,那么可以向设备供应商咨询,或联系专业的挤出顾问。

这听起来很麻烦,但考虑到这种明显的厚度变化可能会造成质量问题、产生更多的废料,并使过程更加不可控,那么花费咨询费来消除这些问题会给加工商带来更大的回报。

在这个屏幕截图中,测厚仪正在显示厚度为214mil(1mil=0.0254mm)的片材的周期性变化,从顶峰到谷底的变化幅度超过5mil。从图中显示结果可知,在2min的时间里,周期性变化发生的频率为6.5次/min。当线速度为8.6ft/min (1ft=30.48cm)时,相当于每1.3ft就有5mil的变化。然而,这一测量结果看上去存在1个以上的差频,因此需要进行FFT分析

图中的FFT输出结果显示,这个过程中有2个主要来源会导致周期性STMD变化,一个是每隔0.9s产生0.74mil的变化;另一个是每隔0.4s产生约0.56mil的变化

解决条纹问题

断面条纹是需要解决的另一个问题,当然,并不是每一次都能很容易地检测到它们。首先,测量传感器必须达到检测这些条纹的分辨率,且能以全扫描的速度进行相关操作;第二,测量系统必须能够过滤掉其他的变化来源(如测量仪噪声或STMD厚度变化),从而使这些窄条纹可以被准确地检测到。某些测量系统具有可执行专门分析任务(检测条纹)的软件功能,这些功能利用特殊的数学模型,寻找那些在过程噪声下连续发生的重复、狭窄的图案。

一旦检测到条纹,加工商们就可以采取相应的行动。如果条纹是由粉尘或积碳引起的,操作人员可用黄铜清洁工具来清洁模唇,这种方式对过程和产品的损坏更小。如果不能执行此操作,加工商们需要考虑是否能在关机清洗模头之前忍受这些条纹带来的影响。如果条纹是模面的永久性损坏造成的,需要联系模具制造商,以确定整修模具的成本。

控制与诊断

在线测厚系统是一个功能强大的设备,不管是执行正常的过程控制功能,还是用作诊断工具,它都能为加工商带来诸多好处。学会使用全部功能,这一工具将有助于提升工艺的整体性能。

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