PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK_MF 110069ENTWICKLUNG EINES MESSGERÄTES ZUR BESTIMMUNG DER FORMATION FÜR PAPIERE MIT HOHEN FLÄCHENGEWICHTEN » » » »

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PTS-FORSCHUNGSBERICHT IK_MF 110069

ENTWICKLUNG EINES MESSGERÄTES ZUR BESTIMMUNG DER FORMATION FÜR PAPIERE MIT HOHEN FLÄCHENGEWICHTEN

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13

Titel

Entwicklung eines Messgerätes zur Bestimmung der Formation für Papiere mit hohen Flächengewichten

B. Zimmermann

Inhalt

1 Zusammenfassung ... 2

2 Abstract ... 3

3 Einleitung... 5

4 Stand der Technik ... 7

5 Aktuelle Entwicklungen im Bereich der THz-Messtechnik ... 11

6 Material und Methoden ... 14

7 Bau einer THz-Messeinrichtung ... 14

8 Vermessung Referenzproben ... 15

9 Modellentwicklung ... 15

10 Untersuchung Störeinflüsse und Optimierung Messsystem ... 17

11 Überblick Projektergebnisse ... 18

12 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ... 19

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1 Zusammenfassung

Thema Entwicklung eines Messgerätes zur Bestimmung der Formation für Papiere mit hohen Flächengewichten

Zielstellung Ziel des beantragten Forschungsprojektes war die Entwicklung eines Messgerä- tes zur Bestimmung der Formation für massegefärbte Papiere und Papiere mit hohen Flächengewichten, bei denen eine optische Messung nicht angewendet werden kann.

Ergebnisse Im Rahmen des Projektes wurde die Basis für ein neues, innovatives Messgerät erarbeitet. Dieses nutzt die THz-Technik und kann deshalb schneller und detaillierter die Formation bestimmen und stellt eine wirtschaftliche Alternative zu den radiometrischen Messgeräten dar. Das Messverfahren ist für Materialien mit Flächenmassen bis zu 1.000 g/m² und unabhängig von Durchfärbung einsetzbar.

Der Messfleckdurchmesser und entsprechend der Rasterabstand von 0,7 mm wurde wie geplant erreicht. Auf Basis dieser hohen Auflösung konnte die An- wendbarkeit des Formationsstandards nach Zellcheming-Merkblatt umgesetzt werden. Ein Messaufbau zur Realisierung des Messverfahrens liegt bei der PTS vor.

Schluss-

folgerung Das neu entwickelte Messverfahren kann die Formation schneller und detaillierter bestimmen als die bislang am Markt verfügbaren radioaktiven Messgeräte. Es vermeidet dabei die Notwendigkeit behördlicher Auflagen zum Umgang mit radioaktiven Isotopen und stellt eine wirtschaftliche Alternative für die Papier und Karton produzierenden Betriebe dar.

Abschließend liegen alle für eine Serienproduktion notwendigen Informationen vor. Die Produktion soll im Anschluss des Projektes durch einen Industriepartner (KMU) erfolgen, der auch andere Labormessgeräte für die Papierindustrie herstellt.

Zielerreichung Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Danksagung Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens MF 110069

gewonnen, das im Programm zur "Förderung von Forschung und Entwicklung bei Wachstumsträgern in benachteiligten Regionen" mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger EuroNorm Gesellschaft für Qualitätssicherung und Technologie mbH aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert wurde. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferindust- rie für die Unterstützung der Arbeiten.

2 Abstract

Theme Development of a measuring system for the determination of paper formation for papers with a high basis weight

Project objective Objective of the research project was the development of a measuring system for the determination of paper formation for mass colored papers and papers with a high basis weight where optical measurements cannot be used.

Results During the project PTS built up the basis for a new and innovative measuring system. It is using THz technology. This system can measure the formation faster and more detailed and is also an economic alternative to the radiometric measuring systems.

The measuring system can be used for materials with basis weights up to 1.000 g/m² and independent of colors. The measuring diameter and also the measuring points distance of 0.7 mm were reached as planned. With such a high resolution the Zellcheming Technical Leaflet for formation measurement could be applied. PTS has now a measuring utility for the realization of such measurements.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Conclusion The new measuring system can determine paper formation faster and more

detailed than radiometric measuring systems today available on the market. The new system avoids thereby the necessity of official requirements for using radioactive isotopes. It is furthermore an economic alternative for the paper and board producing companies.

At the end of the project PTS has all necessary information for mass production of the measuring system. This shall be done in cooperation with an industrial partner (SME) that also produces other laboratory equipment for the paper industry.

The project objective had been reached.

Acknowledge-

ment The research project MF 110069 was funded by the German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy BMWi in the programme for the "Promotion of Research, Development and Innovation in disadvantaged areas" based on the decision of the German Parliament and carried out under the umbrella of Euro- Norm in Berlin. We would like to express our warm gratitude for this support.

We would also like to express our thank to the involved German companies for providing proper samples as well as for supporting project performance.

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3 Einleitung

Bedeutung der

Formation Eine hohe Gleichmäßigkeit der Masseverteilung (Fasern und andere Papierbe- standteile) im Papier bezogen auf kleine Flächen ist eine der wichtigsten Zielstel- lungen des Papierherstellungsprozesses. Der Papiertechniker spricht bei der Beurteilung der Papiergleichmäßigkeit meist von Formation oder Wolkigkeit.

Die Formation hat Einfluss auf die optischen und mechanischen Eigenschaften des Papiers. Sie bestimmt somit wesentliche Eigenschaften für die Weiterverar- beitung wie die Festigkeit oder Bedruckbarkeit.

Im Zusammenhang mit funktionalen Beschichtungen, der Qualität des Auftra- gens und der Haltbarkeit bekommt die Formation zunehmende Bedeutung.

Bestimmung der

Formation Formation als Verteilung der Masse auf eine bestimmte Fläche könnte direkt durch Zerteilung eines Blattes in diskrete, kleine Teile und deren Wägung erfolgen. Das Verfahren ist zerstörend, aufwändig und ungenau durch die Trennung der Flächen. Es ist praktisch nicht im Einsatz.

Zur Bestimmung der Formation wird auf indirekte Messverfahren zurückgegriffen.

Da die Absorption elektromagnetischer Strahlung unmittelbar mit der Masse des Materials, welches von der Strahlung durchdrungen wird, zusammen hängt, kann die Absorption als Maß verwendet werden. Zur Anwendung kommen

• Lichttransmission oder

• Transmission radioaktiver Isotopenstrahlung

Infolge verschiedener Aspekte, wie Kosten, sicherheitstechnische Fragen u. a., hat die lichttechnische Bewertung der Blattformation eine weite Verbreitung gefunden. Die einfachste Art dieser Beurteilung ist die visuelle Betrachtung des Papiers im Durchlicht. Hierbei spielt jedoch der subjektive Einfluss des Beurtei- lenden eine wichtige Rolle, so dass allgemein auf objektivere Methoden der Formationsbewertung mittels bildanalytischer Verfahren orientiert wird.

Bei dicken Papieren wird das Licht in so hohem Maße absorbiert, das keine Messung möglich ist. Für diese Fälle wird die Strahlung radioaktiver Isotope verwendet.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Beeinflussung

der Formations- bestimmung

Neben der flächenbezogenen Masse des Papiers werden die Ergebnisse dieser indirekten Messverfahren beeinflusst von der Zusammensetzung des Papiers (Faserstoff, Füllstoff, Hilfsstoffe).

Sie äußert sich in:

• variierenden Streu- und Absorptionskoeffizienten ,

• Weißgrad / Helligkeit,

• der Farbe des Papiers.

Diese Faktoren lassen die Bewertung der Formation mittels Durchlichtmethoden nur dann sinnvoll erscheinen, wenn die zu vergleichenden Papierproben ähnliche Verarbeitungsstufen durchlaufen haben und aus annähernd identischen Stoffsys- temen hergestellt worden sind [1]. Mit zunehmender Dicke nimmt die statistische Sicherheit der Messung grundsätzlich ab.

Bei dicken Papieren und Karton kommt vorwiegend Betastrahlung zum Einsatz.

Dieses Verfahrenen ist vergleichsweise unempfindlich gegen Änderung der Zusammensetzung des Papiers. Zur Erzielung einer statistisch genauen Mes- sung muss jedoch die mit der Masse steigende Absorption durch längere Mess- zeit pro Messposition (Pixel) kompensiert werden. Das führt zu einem langsamen Step-by-step-Betrieb.

Bei der Online-Bestimmung der Formation im Produktionsprozess, also in der Papiermaschine, ist die Einbeziehung der jeweiligen Bahngeschwindigkeit von großer Bedeutung. Die Bild- bzw. Messwertaufnahme muss in jedem Fall an die Geschwindigkeit angepasst werden. Die derzeit schnellsten Papiermaschinen arbeiten bei Bahngeschwindigkeiten von bis zu 2200 m/min.

Beispielbilder In Abbildung 1 sind Durchlichtaufnahmen von drei Papieren mit unterschiedlicher Formation dargestellt. An diesen Bildern wird das für eine automatische Formati- onsbewertung problematische, sortenspezifisch unterschiedliche Grauwerteni- veau der Papiere deutlich.

Abbildung 1: Beispiele für gute, mittlere und schlechte Formation

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Forschungsziele Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung eines Messgerätes zur

Bestimmung der Formation für massegefärbte Papiere und Papiere mit hohen Flächengewichten, bei denen eine optische Messung nicht angewendet werden kann.

Das Messverfahren sollte für Materialien mit Flächenmassen bis zu 1.000 g/m² einsetzbar sein.

Es sollte ein Messfleckdurchmesser und entsprechend ein Rasterabstand von 0,7 mm erreicht werden.

Auf Basis einer möglichst hohen Auflösung sollte die Anwendbarkeit des Forma- tionsstandards nach Zellcheming-Merkblatt geprüft und ggf. umgesetzt werden.

Zusätzlich sollte geprüft werden, ob gleichzeitig Informationen über die einzelnen Lagen mehrlagiger Papiere ermittelt werden können, ohne diese Papiere erst aufwendig wieder in ihre einzelnen Lagen aufzutrennen.

Die Messzeit je Messpunkt sollte 10ms betragen.

Dieses neue Messgerät sollte auf Basis der neuen THz-Technik schneller und detaillierter die Formation bestimmen und eine wirtschaftliche Alternative zu den Messgeräten mit radioaktiven Isotopenstrahlern darstellen.

Des Weiteren sollte im Rahmen des Projektes geprüft werden, ob sich dieses Messverfahren auch für den Online-Einsatz eignet.

Umsetzung Am Projektende liegen alle für eine Serienproduktion notwendigen Informationen vor. Die Produktion soll im Anschluss des Projektes durch einen Industriepartner erfolgen, der auch andere Labormessgeräte für die Papierindustrie herstellt.

4 Stand der Technik

Offline - Online Die klassische Bewertung der Formation erfolgt offline durch die Betrachtung einer Stichprobe. Diese Stichprobe wird aus dem Produktionsprozess gezogen und anschließend ausgewertet. Bildanalytische Aufnahme- und Auswerteverfah- ren haben eine zunehmende Objektivität geschaffen. Reaktionen im Produkti- onsprozess sind mit erheblicher Verzögerung möglich.

Mit hochauflösenden, schnellen und empfindlichen Kameras steht mittlerweile Sensorik für die Messung an der bewegten Papierbahn in der Maschine zur Verfügung. Diese Technik eignet sich für Papiere, welche im Durchlichtverfahren ausreichend Licht passieren lassen.

Die Messung der Formation mittels Isotopenstrahlung ist für den Online-Einsatz ungeeignet. Um eine ausreichende Auflösung mit der geforderten statistischen Genauigkeit der Messwerte zu erzielen, müssen lange Messzeiten je Pixel verwendet werden, was der Online-Messung widerspricht. Ein anderer Weg wäre, Quellen mit extrem hoher Aktivität einzusetzen. Das ist aus sicherheits- technischen Gründen praktisch nicht möglich.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 DOMAS -

Optische Bestimmung der Formation offline

Für die Formationsbewertung mit dem papiertechnischen Bildanalysesystem DOMAS werden mit einem Flachbettscanner oder einer Kamera Aufnahmen der Papierprobe im Durchlichtverfahren gemacht.

Abbildung 2: Farb-Flachbettscanner der Fa. Epson

Mittels bildanalytischer Software erfolgt die Berechnung von Formationsindizes.

0 2 4 6 8 10

1 2 3

Co-occurrence-Index

Co-occurrence PTS-Methode Powerspektrum Datum Probenbezeichnung Formationsindex Formationsindex Formationsindex

Fri Aug 27 10:08:34 20 Messung1 (Bild1) 9,24 19,72 2928,49

Abbildung 3: Formationsmuster und Bewertungsergebnisse

Das Verfahren eignet sich für Papiere mit einer Flächenmasse von bis zu 200g/m². Bei massegefärbten Papieren liegen die Grenzen für eine aussagefähi- ge Bestimmung der Formation niedriger.

Optische Bestimmung der Formation - online

Mit Hilfe schneller hochauflösender Kameras kann die optische Bestimmung der Formation an der Maschine erfolgen. Mehrfachanordnungen in Messrahmen erlauben die Überwachung großer Bereiche bzw. der gesamten Bahn. Meist wird die Formationsmessung parallel zu anderen Auswertungen durchgeführt.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Abbildung 4: Online-Formationsbestimmung mit einer Kamera, Kamera

und Messrahmen von Procemex [2]

Das Verfahren eignet sich für Papiere mit Flächenmassen bis zu 150 g/m². Bei massegefärbten Papieren liegen die Grenzen für eine aussagefähige Bestim- mung der Formation niedriger.

Bestimmung der Formation mit Hilfe radioaktiver Isotope

Unter Verwendung von Betastrahlern erfolgt die Bewertung der Formation für dickere Papiere bis 350g/m² (Pm-147) bzw. bis 800 g/m² (Kr-85). Bei der Mes- sung handelt es sich um eine Punktmessung, die Proben werden auf einem XY- Tisch abgerastert. Die Messung benötigt je Messpunkt fast eine Sekunde und somit mehrere Minuten bis zu einer Stunde um zur Bewertung der Formation eine ausreichende Anzahl von Punkten zu erhalten.

Des Weiteren wird für den Betrieb eines solchen Gerätes eine Umgangsgeneh- migung mit radioaktiven Stoffen benötigt. Entsprechende Sicherheitsvorkehrun- gen und Auflagen sind vom Betreiber zu erfüllen.

Abbildung 5: Messgerät „Beta Formation Tester“ von Ambertec [3]

Eine Onlinemessung ist mit diesem Messverfahren auf Grund der langen Mess- zeit nicht möglich.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Messgeräte von

Ambertec

Der Marktführer in diesem Bereich ist die finnische Firma Ambertec. In der folgenden Tabelle sind die technischen Daten der Messgeräte von Ambertec im Detail aufgeführt:

Stand der Technik: Ambertec Beta Formation Analyzer Ambertec Board Formation Profiler

Maximales

Flächengewicht 350 g/m² 800 g/m²

Messfläche A4 A4, Streifen

Anzahl Messpunkte 4.900 für

70 x 70 mm 400 für 70 x 70 mm

Durchmesser

Messpunkt 1 mm 3,5 mm

Dauer der Messung

für 70 x 70 mm Ca. 1 Stunde Ca. 5 Minuten

Standardisierung Ebenso wie die manuelle visuelle Bewertung der Formation zu subjektiv gepräg- ten Ergebnissen führt, haben in der Vergangenheit die Hersteller optischer Bewertungssysteme sehr verschiedene Parameter zur Kennzeichnung der Formation eingeführt. Diese trugen unterschiedlichen wissenschaftlichen Ansich- ten und den unterschiedlichen praxisorientierten Ansichten der Papiererzeuger und –verarbeiter Rechnung.

Im Ergebnis jahrelanger Bemühungen wurde 2011 in Abstimmung der Papierin- dustrie und der Messtechnikhersteller ein Standard für die Bestimmung der Formation vereinbart. Dieser ist im Zellcheming-Merkblatt: Optische Online- Bestimmung der Formation [4] formuliert.

Für die Beta-Messung existiert ein Scan-Standard für die radiometrische Forma- tionsbestimmung [5].

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5 Aktuelle Entwicklungen im Bereich der THz-Messtechnik

Aktuelle

Entwicklungen Auf Basis der fortgeschrittenen Grundlagenforschung hält die THz-Technik zahlreiche innovative und praxisrelevante Anwendungsmöglichkeiten bereit [6].

THz-Kameras werden zukünftig in Sicherheitssystemen u. a. an Flughäfen zu finden sein, da sie neben metallischen auch keramische Waffen oder Sprengstof- fe unter Kleidung und in nicht metallischen Behältern ans Tageslicht fördern. Da THz-Wellen die große Eindringtiefe der Mikrowellen mit der Auflösung des höherfrequenten Infrarotbereiches vereinen, eignen sie sich hervorragend zur Analyse verschiedenster Materialsysteme. Des Weiteren werden von THz- Frequenzen niederfrequente Schwingungen großer Moleküle oder intermolekula- re Schwingungen angeregt, so dass andere Kontrastmechanismen als in anderen Wellenlängenbereichen zugänglich werden. In diesem Alleinstellungsmerk- mal liegen beträchtliche technologische Chancen. Mit der Entwicklung fasergekoppelter Systeme hat die THz-Technik einen Stand erreicht, der den industriellen Einsatz erlaubt.

Technische

Grundlagen In Hinsicht auf die Formationsmessung soll die Methode der Zeitbereichspektro- skopie (TDS) angewendet werden. Die Skizze eines typischen THz- Zeitbereichsspektrometers (Laboraufbau), ist in der folgenden Abbildung zu entnehmen.

Abbildung 6: Schematischer Aufbau eines THz-Zeitbereichsspektrometers Die THz-Pulse werden aufgrund transienter Photoleitung in der Emitterantenne erzeugt. Auf ihr halbleitendes Substrat, z.B. GaAs, sind parallel zwei Metallstrei- fenleitungen photolithographisch aufgebracht, zwischen denen eine Spannung angelegt wird. In den Zwischenraum fokussiert eine Linse optische Laserpulse, die eine zeitliche Dauer von nur wenigen zehn Femtosekunden (fs) aufweisen.

Diese Anregung erzeugt im Halbleiter freie Ladungsträger, die im elektrischen Feld zwischen den Streifenleitungen beschleunigt werden: Es entstehen THz- Pulse, die über eine Optik die Probe im Zwischenfokus durchstrahlen. Die Wechselwirkung mit dem Material verändert den THz-Puls.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Phasen- und Amplitudeninformationen der detektierten THz-Pulse liefern nach Abgleich mit einer Referenzmessung Aussagen über die dielektrischen Eigen- schaften (Brechungsindex, Absorptionskoeffizient) des durchstrahlten Materials.

Vorteile der Terahertz- Technik

Im Gegensatz zu der ebenfalls Material durchleuchtenden Isotopenstrahlung sind THz-Wellen ungefährlich, da sie nicht ionisierend wirken. Außerdem wird ihrer Eindringtiefe in den menschlichen Körper aufgrund der starken Absorption durch Wasser eine natürliche Barriere gesetzt. Zudem sind die Strahlungsleistungen der verwendeten Systeme vergleichweise verschwindend gering.

Praktische

Anwendung Es bestehen drei prinzipielle Möglichkeiten der Aufbereitung und Auswertung von Terahertz-Signalen.

1. Analyse der Pulslaufzeit

Die Auswertung der Pulslaufzeit liefert Information zum Brechungsindex oder zur Schichtdicke eines Materials.

2. Analyse der Pulsabschwächung

Die Schwächung des Terahertz-Pulses durch ein Objekt ist ein Maß für die Menge oder Konzentration eines Materials.

3. Analyse des Spektrums

Das Terahertz-Spektrum selbst liefert auch stoffliche Informationen, die zur Identifikation von Inhaltsstoffen führen.

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Anwendungs-

beispiel Papier

Im Rahmen eines IGF-Projektes [7] wurde von der PTS die Machbarkeit der THz-Messung für Papier untersucht. Die Ergebnisse belegen die Möglichkeit der TDS bei der Vermessung von Papierdimensionen im Querschnitt.

Abbildung 7: REM-Aufnahme eines dreischichtigen Aufbaus

Abbildung 8: Vergleich der Messergebnisse THz mit alternativen Verfahren

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Folie Kleber Papier Gesamt

Dicke [µm]

Hersteller REM THz DIN

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6 Material und Methoden

Material Zur Entwicklung der Messtechnik wurden bei verschiedenen Herstellern Muster beschafft, die unterschiedliche Formations-Qualitäten aufweisen. Die Muster unterscheiden sich dabei vor allem in:

• Flächenmasse

• Farbe

• Stoffzusammensetzung

• Lagenanzahl

Methoden Zur Bearbeitung des Forschungsprojektes wurden verschiedene Hardwarelö- sungen getestet. Die jeweils genutzten analytischen Methoden sind in den zugehörigen Abschnitten beschrieben.

7 Bau einer THz-Messeinrichtung

Vorgehen In diesem Arbeitspaket wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet:

• Untersuchung von unterschiedlichen Aufbauten der THz-Messeinrichtung (Reflexion / Transmission)

• Untersuchung von Randbedingungen (Flächenmasse, etc.)

• Aufbau der Messeinrichtung (Demonstrator)

• Integration der THz-Einheit und der XY-Probenpositionierung Messaufbau

Abbildung 9: Messaufbau mit Bewegungseinheit

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8 Vermessung Referenzproben

• Herstellung / Beschaffung von Referenzproben

• Aufbau einer Messeinrichtung mit Kr-85 Strahler für Flächenbezogene Masse mit einem speziellen Kollimator

• Vermessung der Referenzproben Beurteilung der

Messergebnisse

Abbildung 10: Messaufbau mit Kr-85 Strahler

Parallel zu den eigenen Messungen konnten die Referenzproben auch mit einem Ambertec-Messgerät vermessen werden. Auf Grund der an der PTS verfügbaren relativ schwachen Beta-Linienquelle und der hohen Kollimierung der Strahlung mit einer 1 mm Blende waren die mit der Ambertec-Messeinrichtung erzielbaren Referenzwerte deutlich genauer und wurden für die weiteren Auswertungen benutzt.

9 Modellentwicklung

• Vermessung der Referenzproben mit der THz-Messeinrichtung

• Untersuchung der THz-Messinformationen

• Korrelationsanalyse mit den herkömmlichen Messergebnissen

• Entwicklung eines Modells zur Bestimmung der Formation gemäß Zellche- ming-Merkblatt aus den THz-Messinformationen

• Umsetzung des Modells in Software

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Beispiele

Korrelations- analysen

Abbildung 11: Beispiele von Signalen für die Korrelationsanalysen

Visualisierung der korrigierten Messdaten

Abbildung 12: Visualisierung der korrigierten Messdaten für eine Probe

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10 Untersuchung Störeinflüsse und Optimierung Messsystem

• Minimierung von Störeinflüssen (Feuchte, Ruß, Erschütterungen etc.) auf das Messverfahren in Hard- und Software

• Test des Messsystems gemäß Teststrategie

• Optimierung von Hard- und Software basierend auf den Erkenntnissen im Umgang mit der Technik

• Erstellung eines Maßnahmenkataloges für die Serienreife Visualisierung

des Einflusses von Störungen

Abbildung 13: Visualisierung des Einflusses von Störungen bei idealen und realen Proben

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11 Überblick Projektergebnisse

Stand der Technik bei Vorhabens- abschluss

Am Markt hat sich im Vergleich zum Stand bei Beantragung des Vorhabens nahezu nichts geändert. Marktführer sind weiterhin die radiometrischen Geräte von Ambertec, wobei sich auch technisch keine Weiterentwicklungen ergeben haben.

Abbildung 14: Messgerät „Beta Formation Tester“ von Ambertec [3]

Technische Lösungen im Vergleich zum Stand der Technik bei Vorhabens- abschluss

Das neu entwickelte Messverfahren kann die Formation schneller und detaillierter bestimmen als die bislang am Markt verfügbaren radioaktiven Messgeräte. Es vermeidet dabei die Strahlenschutzproblematik und stellt eine wirtschaftliche Alternative für die Papier und Karton produzierenden Betriebe dar.

Im Detail konnten dabei folgende technische Ergebnisse realisiert werden:

• Materialien mit Flächenmassen bis zu 1.000 g/m² sind vermessbar

• Messfleckdurchmesser und entsprechend ein Rasterabstand von 0,7 mm wurden realisiert

• Messzeit je Messpunkt beträgt maximal 10ms

• Formationsstandard nach Zellcheming-Merkblatt kann angewendet werden

Realisierte

Aufbauvariante Im Rahmen der Untersuchungen der Aufbauvarianten wurde eine Lösung gefunden, die eine abwechselnde Vermessung der Proben in Transmission und Reflektion erlaubt ohne dazwischen aufwändige Umbauten vornehmen zu müssen. Diese Variante ist auch für die sonstigen Untersuchungen abseits dieses Projektes von Vorteil. So ist es zukünftig zum Beispiel auch möglich, denselben Punkt einer Probe in Transmission und Reflektion zu vermessen.

Der Demonstrator wurde erfolgreich aufgebaut und besteht aus der THz-Einheit und einer XY-Bewegungseinheit zur einfachen Abrasterung der Proben.

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12 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Potenzial- schätzung für Kostenein- sparungen und Erlössteigerun- gen bei

Anwendern

In einem insgesamt stagnierenden Papiermarkt in Zentraleuropa liegt der Haupt- effekt in der Kostensenkung durch die Einsparung von Material, Energie und Produktionszeit. Durch die Anwendung eines Formationsmesssystems werden quantitative Effekte vorrangig bei der Qualitätssicherung in der laufenden Pro- duktion erzielt. Einsparungseffekte entstehen immer aus der Kombination der Messergebnisse mit organisatorischen oder reglungstechnischen Maßnahmen.

Des Weiteren kann dadurch auch der Erlös gesteigert werden.

• Schnelle und objektive Einschätzung der Qualität des produzierten Papiers, darauf aufbauend ein kostenoptimierter Einsatz von Roh- und Hilfsstoffen (zum Beispiel Retentionsmittel) zur Herstellung einer geplanten Produktquali- tät

• Vermeidung von Ausschussproduktion (Material- und Energieverlust)

• Schnellere Bearbeitung bzw. Vermeidung von Reklamationen

Aufgrund der sehr vielfältigen Weiterverwendungen einer Formationsbewertung ist eine spezifische Quantifizierung schwierig. Aus den Erfahrungen mit DOMAS kann davon ausgegangen werden, dass die Einsparungen pro Jahr im Durch- schnitt der verschiedenen Installationen des Formationsmoduls etwa dreimal so hoch wie die Investitionssumme der Messtechnik ist. Eine Amortisationszeit für das Analysesystem in 4 bis 5 Monaten ist eine realistische Erwartung. Die nachfolgende Tabelle zeigt die resultierende Nutzensberechnung. Für das Jahr der Investition wird jeweils nur der halbe Einsparungseffekt angesetzt.

Weitere allerdings schwerer zu quantifizierende Effekte gibt es im Bereich der Forschung und Entwicklung. Sowohl beim Produktdesign als auch bei der Neu- und Umgestaltung von Produktionsprozessen können durch das Analysesystem schneller Informationen zu den Ergebnissen von Entwicklungsschritten generiert werden. Das bringt sowohl Einsparung beim einzelnen Schritt als auch die Einsparung ganzer Entwicklungsschritte (Verringerung der notwendigen Ver- suchstage).

In Hinsicht auf den Folgenutzen bei Drittunternehmen wird die PTS besondere Anstrengungen für die Papierfabriken in den Neuen Bundesländern als Endnut- zer unternehmen. Eine effektive Qualitätssicherung auf Basis internationaler Standards spielt im Wettbewerb eine entscheidende Rolle.

Situation am

Markt Labormessgeräte für die Formation werden bislang mit zwei grundsätzlich verschiedenen Messverfahren am Markt angeboten:

• optische Vermessung

• radiometrische Vermessung

Die optischen Messgeräte im Labor benutzen für die Bildgewinnung handelsübli- che Scanner oder Kameras. Dadurch sind die Gesamtkosten für ein solches Messsystem wesentlich geringer als bei der hier verwendeten THz-Messtechnik.

Deshalb wird das neue Messsystem voraussichtlich nicht mit diesen Systemen in Wettbewerb treten können. Allerdings können diese Systeme nur für Papierpro- dukte eingesetzt werden, die optisch durchstrahlt werden können. Dafür gibt es masse- und farbbedingte Obergrenzen: ab einer Flächenmasse von 150 g/m²

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 wird die optische Vermessung sehr schwierig.

Für die optisch nicht vermessbaren Papierprodukte existiert bislang nur die Möglichkeit, die Formation mit Hilfe der Strahlung von radioaktiven Isotopen zu bestimmen. Die finnische Firma Ambertec ist der einzige uns bekannte am Markt vertretene Hersteller von solchen Messgeräten. Die Kosten für ein Messsystem liegen je nach Konfiguration bei jeweils über 80.000 Euro. Ein Hemmnis für den Einsatz des Ambertec-Produktes ist die Notwendigkeit einer behördlichen Genehmigung und die Erfüllung entsprechender Sicherheitsauflagen.

Die im Projekt entwickelte THz-Messtechnik funktioniert schneller und besser aufgelöst und kann zugleich preiswerter als die radiometrischen Messgeräte vertrieben werden.

Verwertung des

FuE-Ergebnisses Schwerpunkt des Forschungsprojektes war die Entwicklung eines Funktionsmus- ters zur Messung der Formation von Papier. Als Resultat des Forschungsprojek- tes stehen somit die hardware- und softwareseitigen Voraussetzungen für eine anschließende Geräteentwicklung und deren nachfolgende Vermarktung zur Verfügung.

Das Formationsmesssystem wird in das Messgeräteproduktportfolio der PTS aufgenommen und vermarktet. Hierbei kann von den Erfahrungen bei der Vermarktung z.B. von DOMAS profitiert werden.

Des Weiteren kann das Formationsmesssystem mit seinen Möglichkeiten zur fortlaufenden Weiterentwicklung der PTS-Dienstleistungsprodukte herangezogen werden.

Transfer der

Ergebnisse Die PTS als gemeinnützige Forschungseinrichtung strebt satzungsgemäß die Unterstützung der Papierindustrie durch die Weiterbildung von Mitarbeitern sowie die Beratung von Firmen an. Neben dem satzungsgemäßen Transfer über Veröffentlichungen und Vorträge ist für die Umsetzung der Forschungsergebnis- se folgendes geplant:

• Vortrag bei Fachseminaren der PTS zu den Themenbereichen Qualitätsprü- fung, Wet-End-Prozesse und Messtechnik,

• Vorstellung und Diskussion der Ergebnisse im Zellcheming FUA „Online- Sensorik“,

• Veröffentlichung auf der Homepage (www.ptspaper.de) und in der PTS- Firmenzeitschrift „PTS-NEWS“ und

• Präsentation der Ergebnisse vor Industrievertretern in den entsprechenden PTS-Forschungsforen.

In den Foren erfolgt die Präsentation und Diskussion der aktuellen Ergebnisse aus drittmittelgeförderten FuE-Projekten sowie die Überprüfung der Relevanz der Projektarbeit für den Industriebedarf sowie die Akquisition von Forschungsauf- trägen.

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Ansprechpartner für weitere Informationen:

Dipl.-Ing. Björn Zimmermann Tel. 03529 / 551-687

bjoern.zimmermann@ptspaper.de Papiertechnische Stiftung PTS Pirnaer Straße 37

01809 Heidenau Tel. 03529 / 551-60 Fax 03529 / 551-899 e-Mail: info@ptspaper.de www.ptspaper.de

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PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de PTS-FB 27/13 Literaturverzeichnis

1 N.N.

PTS DOMAS-Beschreibung, Kapitel 10 2 N.N.

Procemex Twin - Integrated Web Monitoring and Web Inspection System; www.procemex.com 3 N.N.

Brochure Ambertec Beta Formation Tester; www.ambertec.fi 4 N.N.

Zellcheming Merkblatt: Optische Online-Bestimmung der Formation; Juni 2011 5 N.N.

SCAN-P 92:09: Beta-radiation-based grammage formation measurement – Point source method;

2009

6 C. Zandonella

T-ray Specs, Nature (2003), S. 721 7 P. Plew

Abschlussbericht Projekt IGF 16117 (Juli 2011)

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