IPM - International Perforation Management
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IPM Patents

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Optische online Permeabilitäts- oder Porositätsmessung
Da die naturporösen oder zu perforierenden Bahnmaterialien sich mit Bahngeschwindigkeiten bis zu 600 m/min und in Bahnbreiten bis zu 2000 mm bewegen, gestaltet sich eine pneumatische, also bahn berührende Porositätsmessung, exorbitant schwierig. Hinzukommend sind diese Messmethoden mit Nachteilen der Bahnzugserhöhung, des Materialabriebs, Faltenbildung, Undichtigkeit im Messkopfbereich, starken Verschmutzungen, Nichtlinearitäten und Schwierigkeiten stets verbunden.

Daher bieten sich optische Messverfahren zur Transmissionsmessung als Funktion der pneumatisch, statischen Gasdurchlässigkeit für naturporöse oder Nano, Mikro bzw. Makro perforierte Bahnen an. Dabei sind die gestellten Anforderungen aufgrund der eingangs genannten Produktverarbeitung und online Kontrolle, extrem kleinen geometrischen Porenabmessungen, relativ hohen Bahngeschwindigkeiten und guter Messwertreproduktion mit der optischen Porositätsmesstechnik in idealer Weise zu lösen.

Hierzu hat IPM eine Reihe neuer, patenangemeldeter optischer Messverfahren und Systeme in stationärer oder traversierender Ausführung als OPSS-1 und OPRL-1, entwickelt, weltweit im Markt eingeführt und mit der DE10251610 sowie auch in China 200310104764 zur Patentanmeldung geführt.

Details http://www.microperforation.com/opss-1-optical-online-porosity.html

   

Porositätsmessbereiche von 80 C.U. bis 5000 C.U. mit Multispektral Sensoren, Perforationslochreihenerfassungen mit Auflösungen < 0.1 mm mit Präzisionslinienlaser, Scanning Speeds von 20 bis zum 300 mm/Sek., intelligente Multicontroller Elektronik im Sensorkopf, high speed RS-232 Link sowie Auswerteeinheiten sichern die qualitative, quantitative online Kontrolle nach ISO 9001/9002 an verschiedenen Produktionsmaschinen.

IPM – International Perforation Management – hat verschiedene laser- und elektrostatische Perforationsverfahren, insbesondere auch für neue Produkteigenschaften, entwickelt, deren Systeme und Produktionsmaschinen weltweit im Einsatz sind.

OPSS-1 optical online porovision control - download OPSS-1

Zukunftsperspektiven
Die elektrostatische ESP Nano- oder Mikroperforation findet vorzugsweise ihre Anwendung in Bereichen der Veredelung von Feinpapieren, Verpackungsbahnen, Vliesstoffen, Non-Woven, Filter-, Sack- oder Kraft- sowie Spezialpapiere verschiedenster Art, insbesondere bei der zusätzlichen Behandlung von Bahnmaterialien zur Erzielung besonderer Eigenschaften, welche aus physikalischen oder prozesstechnischen Gründen NICHT mit anderen Verfahrenstechniken erreichbar sind.

Die state-of-the-art, industrietaugliche und im Dreischichtbetrieb zuverlässig arbeitende ESP Perforationstechnik, deren Integrationsmöglichkeit in vorhandene Umroller- oder sonstige Bahnlaufanlagen sowie auch als völlig eigenständig arbeitende Perforationsmaschinen möglich sind, wird zukünftig neue Anwendungsbereiche erschließen und Produkte mit besonderen Eigenschaften entstehen lassen.

Optical online permeability or porosity control

Patent pending DE10251610 – China patent grant 200310104764 - download

Since naturally porous web materials or web materials to be perforated are processed with speeds of up to 600 m/min and web widths of up to 2000 mm are used, a pneumatic porosity measuring, hence measuring whilst touching the web are highly difficult. Further difficulties of pneumatic measurements are the disadvantages of rising of web tension, material abrasion, folding, leakage at measuring head, impurities, non linear processing and calibration problems.

Thus, optical measuring offers better ways for transmission measuring the pneumatic static permeability for naturally porous or nano, micro or macro perforated webs. The conditions mentioned above can be easily met by using the optical porosity measuring technology thanks to the mentioned product processing and online control, extremely small pore dimensions, relatively high track speeds and a good value repetition.

That full independent from principle material facts as consistence, thickness, weight, colouring, formation, smoothness, brightness, opacity, and other influences.

Therefore, IPM – International Perforation Management – has developed a number of new, patent pending, stationary and transverse optical measurement processes and systems which working with multiple colour sensors, a precision line laser, scanning speeds from 20 – 200 mm per second, porosity ranges from 80 up to 3000 C.U., perforation lines detection by 0.1 mm, nano/micro holes sizes from 0.5 up to 2000 µm diameter and up to 250 holes/cm2 to determine all data in real time with an internal controller unit in order of multiple light transmissions and perforation profiles to determine envelope curves as well porosity integrals.

Thus direct feedback into the perforation system makes it possible to compensate any changes in terms of porosity and perforation locations so that each jumbo production roll up to 25,000.00 meters as well single or quad bobbin sets can be produced/controlled without intermediate stops and certificated in quantity und quality on their end.

Introduction

A German-Thai-Chinese high-tech, engineering company has developed an optical online porosity or permeability scanning system. It works with two different multiple sensors units, i.e. precise line laser, color sensors and internal controller unit for real-time positioning and porosity control in light transmission mode whilst scanning across the fast running webs up to 600 m/min.The main advantage compared to existing technologies is the measurement of perforation zone/line positions and porosity levels in the same time while the scanner system across the running material web up to 2000 mm width. Science, R&D, Universities, industrial partners for a license agreement and / or technical co-operation are sought.

Working principle

The porosity control of natural porous and/or perforated web material in laser or electrostatic perforation systems which are produced in speed ranges up to 600 m/min and web widths up to 2000 mm is difficult to measure with pneumatic systems because of following disadvantages: web tangency, web toughing, material flaking, formation of folds, dust and dirt entering the system. These difficulties can be overcome with stationary or scan, optical porosity measurement systems for porosity ranges from 80 up to 5,000 Coresta units (ml/2cm2/min) respectively 3 to 50 l/m2/Sec. (Franksystem) by nano, micro or macro holes sizes from 0.5 up to 500 microns and hole densities from 10 macro holes per cm up to 400 holes per cm2.

The optical online porosity control technology is designed to scan perforation zones with a multiple sensor and their positions with a precision line laser to determine all data in real time with an internal controller unit. It controls roll material or bobbin formats, either as a stand-alone unit or mechanically coupled with existing scanning units which measure the material weight, thickness, opacity, density, brightness, smoothness, formation, etc.

By laser and electrostatic perforation in bobbins and wide paper web formats optical online control processes and their devices are indicated with transverse movements across the web and simultaneously collections of perforation positions and porosities by two different sensor systems.

Both measuring systems move transversely between 50 up 400 mm/Second over the fully web width. They consist of a line laser detect the quality and position of single holes, groups of holes or defined perforation zones into the measuring gap of 5.0 mm. At the same time, the multiple light transmission sensors monitor all porosity profiles and determines envelope curve and calculate the integrals.

Applications and Advantages

Thus direct feedback into the perforation system makes it possible to compensate any changes in terms of porosity and perforation locations so that each jumbo production roll up to 25,000.00 meters as well single or quadruple bobbin sets can be produced and controlled without intermediate stops and certificated in quantity und quality on their end.

Natural porous or perforated web material as cigarette, tipping, plug-wrap, filter, packaging, non-woven, flees, coated paper as well micro or macro perforated plastic films as BOPP, LDPE, PP, EVA, HDPE, etc. are controllable with the OPSS-1 scanning system.

 

Patent download OPSS-1 http://www.microperforation.com/englishengineerreport.html

OPSS-1 optical online porovision control - download OPSS-1

optische online Porositätsmessung an laufenden Papierbahnen
publiziert im Fachmagazin Sensor Report 1/1993

IPM NEWS http://www.microperforation.com/germannews.html

Patent download OPSS-1 http://www.microperforation.com/englishengineerreport.html

1.0 Einleitung
Für verschiedene Anwendungsbereiche werden bahnförmige Materialien wie Zigaretten-,  Mundstückbelag-, Filterpapierpapiere, Vliesstoffe  oder auch Kunststoffe mittels elektro- statischer Funkenstrecken mikro- oder durch fokussierte Laserstrahlen makroperforiert.  Die  nach außen nicht sichtbaren Perforationen können flächen- wie auch zonenförmig innerhalb der Bahn angeordnet sein, wobei die Lochgrößen 10 - 40 µm und respektive 50 - 80 µm für Laserperforationen betragen . Flächenperforationen können Lochdichten bis zu 1 Mio./Poren pro m² generieren und Zonenanordnungen, deren  Breite 2 - 8 mm beträgt, in der Regel bis 300 Löcher/ mm² erreichen.

Da die zu perforierenden und dünnen Bahnmaterialien  mit hohen Geschwindigkeiten bis zu 15 m/sek. an mehrspurigen Perforationsmaschinen laufen, sind die Anforderungen an die benötigten Porositätsmeßsysteme außerordentlich hoch . Das opto elektronische Porositätsmesssystem erfüllt die gestellten Messanforderungen in idealer Weise.

Darüber hinaus bietet diese Meßsystemtechnik auch die Möglichkeit, nicht nur eine perforierte Zone stationär und kontinuierlich zu messen, sondern auch als rechnergeführtes Traversiersystem bis zu 50 sequentiell nebeneinander angeordnete Perforationszonen einer bis zu 2000 mm breiten Bahn automatisiert zu detektieren und Messwert gerecht auszugeben.

Ein zukünftiger Systemeinsatz zur Porositätsmessung von Flächenperforationen und zur optischen Permeabilität Überwachung von nicht perforierten,  schmalen Bobienen- und auch Breitbahnen bis zu 2000 mm ist ebenfalls möglich.

2.0 Meßsystemaufbau
Das opto elektronische Porositätsmeßsystem ( s. Abb.1 und 2 ) besteht im wesentlichen aus den Grundkomponenten :

Unterhalb der zu messenden Bahn befindet sich die Perforationszonen separierte Lichtquellenzuführung, welche zur Strahlaufweitung und zum Fremdlichtschutz tubusförmig ausgebildet ist. Das Sensorgehäuse ist unsymmetrisch zur optischen Achse aufgebaut und befindet sich oberhalb der längs durchlaufenden Bahn. Beide Grundkomponenten sind mechanisch fest mit einen speziellen Haltewinkel so zueinander angeordnet, dass sich eine lichter Messspalt,  je nach  Messapplikation, von 3 bis 5 mm ergibt. Die eigentliche Messkopfaufnahme ist den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten der Perforations- oder Verarbeitungsmaschine anpassbar und  mittels Standard-Führungsstangen an deren Maschinenrahmen so zu befestigen, dass die gesamte Messeinrichtung mit ihrer optischen Achse auf die jeweilige Perforationszone mittig ausricht- und fixierbar ist .

Abb. 2 zeigt die Meßsystemanordnung für einen zweispurigen Bobienenstreifen.

Das Sensorgehäuse beinhaltet alle opto elektronischen Komponenten einschließlich der elektrischen Echtzeitsignalaufbereitung. Über einen mehrpoligen Stecker und von außen zugänglichen Spindelpotis wird das Meßsystem vom Hersteller kalibriert. Ein weiterer Stecker dient der externen Spannungsversorgung von +/- 15 V und der vierkanaligen, analogen Messsignalausgabe. In einer zukünftigen Systemausführung erfolgt die Messwertdigitalisierung und automatisierte Kalibrierung über ein integriertes real time Hochgeschwindigkeits-Messwerterfassungssystem und digitaler Datenübertragung zum übergeordneten Rechner.

3.0 Funktionsweise
Prinzipiell arbeiten opto elektronische Porositätsmeßsysteme für perforierte Zonen oder naturporöse Papierbahnen auf Basis der optischen Transmission als Funktion der pneumatischen Gasdurchlässigkeit nach der Gleichung:


(1) Xpneu = a + b * Xopt.
      Xpnue = pneumatische Luftdurchlässigkeit
      Xopt.  = optische Transmission und Korrelation zur Luftdurchlässigkeit
      Hierbei bestimmt a den Anfangspunkt und b die Steigung der Funktionsgleichung .

Zur Unterdrückung der materialspezifischen und sich permanent ändernden optischen Eigenschaften des Rohmateriales besitzt das System eine duale Streulichterfassung, die eine moderate Echtzeitkompensation der unterschiedlichen  Bahnmaterialien gewährleistet .

Wie aus Abb. 1 und 2 zu sehen ist, projektiert die Halogen-Kaltlichtquelle über den LWL einen ca. 25 mm großen Weißlichtkreis mit homogener Ausleuchtung unterhalb der zumessenden  Perforationszone. Ein optisches Linsensystem auf der Bahnoberseite bildet die jeweiligen Lichtanteile, die direkt durch die Perforationszone transmittiert und deren achsferneren links und rechts neben der Zone und den Perforationslöchern durchtretenden  Streulichtanteile auf die zugehörigen Fotodioden- Elemente, ab. Die elektrische Eingangsschaltung ist mit schnellen, selektierten und rauscharmen QUAD-J-FET-OP's temperaturkompensiert aufgebaut und verstärkt die unterschiedlich detektierten Lichtanteile nach Lage und Betrag, so dass eine echtzeitfähige Untergrundkompensation als Differenzbildung zum eigentlichen Nutzsignal stattfindet.

Die durch den optischen Aufbau und deren Komponenten verursachten Streuungen der Lichtanteile und Intensitäten werden durch die vom Hersteller ausgeführte Erstkalibrierung kompensatorisch berücksichtigt und sind langzeitlich als konstante Größe anzusehen.

Durch die Verwendung von Weißlicht und applikationsspezifisch angepasstem Wellenlängen Bereich haben die Streuungen der Mikrolöcher im Durchmesser von 10 - 80 µm nach der jeweiligen Kalibierung und Korrelation keinen signifikanten Einfluss auf die Messergebnisse.

4.0 Einflussgrössen
Bedingt durch das physikalische Arbeitsprinzip der optischen Transmissionsmessung als Funktion der pneumatischen Gasdurchlässigkeit der perforierten Bahnmaterialien nach der Gleichung (1) haben folgende Faktoren einen grundsätzlichen Einfluss auf das Porositätsmessergebnis :

Es ist festzustellen, dass bei höheren Lochdichten und gleicher Porositätslage im Vergleich der elektrostatischen Mikro- zur Laser-Makroperforation stärkere Funktionskrümmungen auftreten, die grundsätzlich mit der optischen Beugung bei der Durchlässigkeit Detektion im Zusammenhang stehen. Bei Änderung der Lochgröße und konstanter Gesamtperforationslochfläche bleibt in erster Nährung der optische Porositätsmesswert konstant, während die  pneumatische Gasdurchlässigkeit exponentiell ansteigt. In zweiter Nährung  liegen die fundamentalen Ursachen für diese nichtlinearen Zusammenhänge in den komplexen Detektion Verhältnissen der optischen Beugung und Streustrahlung durch achsfernere Lichtstrahlanteile.

Durch langjährige Erfahrungen konnten mit einem optimierten optischen Messkopfaufbau und deren Strahlenführung, die Lichtquelleneinrichtung sowie deren LWL Zuführung und applikationsspezifischer Einstellung von Lichtintensität  und Wellenlänge den dargelegten  Einflüssen entgegengewirkt und in weiten Messbereichen auch linear werden.

Abb. 3 dokumentiert die optimierten Linearisierungen dieses Meßsystemes ganz deutlich.

Für den Anwender sind je nach Messanwendung, die gewünschten Verhältnisse von außen einstellbar, so dass keine weiteren Kalibrierungen des opto elektronischen Porositäts- Messsystems notwendig sind.

Verschiedene Grundlagenuntersuchungen mit CCD Bildwandlersystemen zur alternativen opto elektronischen Porositätsmessung haben gezeigt, dass ein vergleichbares Messergebnis unter Berücksichtigung aller genannten Einflussfaktoren gegenüber diesem System nicht erreichbar ist.

5.0  Zusammenfassung der Systemvorteile

6.0 Applikationsmöglichkeiten
Damit die weiter steigenden Qualitäts- und Ausschussminderungsforderungen und den damit verbundenen erhöhten Produktionsvoraussetzungen bei der Perforation von bahnförmigen Materialien auch zukünftig erfüllbar bleiben, sind im zunehmenden Maße durch gezielten  Einsatz von Opto- und Mikroelektronik weitere Automatisierungen  und Produkt Zertifizierungen an diesen Anlagensystemen notwendig. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung lässt sich mit dem neuen opto elektronischen Porositätsmeßsystem als online Ausführung in idealer Weise erfüllen. Dies zeigen die bisherigen praktischen Produktionseinsätze dieser Meßsysteme.

Als automatisiert eingebundenes Istwerterfassungssystem im geschlossenen Regelkreis ist die Porosität der Perforations- Maschine auch bei sehr hohen Bahngeschwindigkeiten bis zu 15 m/sek. in engen Grenzen konstant zu halten. Mittels Rechnerunterstützung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, weitere Messwertverarbeitungen und statistische Datenaufbereitungen durchzuführen.

Für breite Bahnmaterialien ist ein computergesteuerter, traversierender Multikanal- Porositätsmeßsystembetrieb für bis zu 50 Perforationszonen oder mehr eine technisch und auch wirtschaftlich eine erstklassige Lösung. Die zeigen die bisherigen praktischen Einsätze solcher  Systeme. Auch in diesem Applikationsbereich ist das opto elektronische Meßsystem den bisherigen bahn berührenden und damit verbundenen Nachteilen der pneumatischen Systeme vorteilhaft ein zusetzten.

7.0 Anwendungsgebiete

8.0 Zukunftsperspektiven
Mit dem entwickelten opto elektronischen Porositätsmesssystem sind zukünftig die Produkt- Hersteller und Verarbeiter von perforierten Bahnmaterialien in der Lage, ihre Produktqualität kontinuierlich zu überwachen und in engen Grenzen konstant zuhalten. Darüber hinaus besteht  die Möglichkeit, durch Computersysteme de- oder auch zentrale Messdatenerfassungen für diese Produktionsanlagen aufzubauen.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die optische Durchlässigkeitsmessung (Permeabilitätsmessung)  für verschiedene online Opazitäts- oder Defekt Detektionsmessungen, wie sie von mehren Anlagenbetreibern gewünscht werden. Auf Basis der bisherigen optischen Systemausführung  werden weitere Entwicklungsschritte zu einer Messkopf implementierten Datenerfassung,  Messwert Vorverarbeitung und digitaler Schnittstellendatenübertragung folgen .

 
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