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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bestimmung von
Materialeigenschaften eines Werkstücks während
seiner Fertigung, beispielsweise eine Analyse der bei der Herstellung
eines Werkstücks in die Umgebungsluft diffundierenden Gase.
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Vielfältige
Werkstücke werden als Halbzeuge durch endlos hergestellte
Strangprofile dargestellt, beispielsweise Kunststoffextrudate, Holzwerkstoffplatten
wie Faserplatten, Spanplatten, OSB-Platten und dergleichen mehr.
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Viele
der genannten Produkte gasen bei dem Verlassen einer Fertigungsstraße
wie einem Extruder oder einer Presse aus, beispielsweise diffundieren bei
Kunststoffen Weichmacher oder bei den Holzwerkstoffplatten Inhaltsstoffe
wie Formaldehyd, in die Umgebung. Um Gesundheits- und Umweltrisiken vorzubeugen,
werden für eine Vielzahl solcher ausgasender Stoffe durch
den Gesetzgeber Grenzwerte bei der Fertigung und für die
Endprodukte vorgeschrieben, für die es eine Vielzahl von
Analysemethoden gibt, die in den einschlägigen Normen zumeist
auch festgelegt sind.
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Regelmäßig
erfolgt eine solche Qualitätskontrolle an einem fertigen
Endprodukt, das hierzu häufig zu zerstören ist,
um Proben definierter Größe für Emissionsversuche
zu erhalten oder um eine definierte Masse bereitstellen zu können.
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Ein
weiteres Problem besteht zumeist darin, dass es sich bei derartigen
Analyse um solche des Endproduktes handelt, mithin keine unmittelbaren Aussagen über
den eigentlichen Fertigungsprozess gemacht werden können.
Infolgedessen kann durch solche Analysen des Endproduktes der Herstellungsablauf
selbst nicht überwacht werden.
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Vor
diesem technischen Hintergrund macht die Erfindung es sich zur Aufgabe,
ein Verfahren für die Bestimmung von Materialeigenschaften
zur Verfügung zu stellen, dass eine schnelle, zerstörungsfreie
und wirtschaftliche Analyse der Materialeigenschaften, insbesondere
bei einer Ausgasung, ermöglicht.
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Gelöst
wird diese technische Problematik durch ein Verfahren für
die Bestimmung von Materialeigenschaften eines Werkstücks
während seiner Fertigung, insbesondere durch eine Analyse
der bei der Herstellung eines Werkstücks in die Umgebungsluft
diffundierenden Gase, gemäß des Anspruchs 1 durch
die Verfahrensschritte, dass bei einem endlos hergestellten Strangprofil
nach Verlassen einer Fertigungsstraße eine materialabtragende
Besäumung und/oder Werkstückabtrennung erfolgt
und dass das abgetragene Material des Strangprofils in einem Materialstrom
abgeführt, separiert und für eine Analyse herangezogen
wird, wobei der Materialstrom bevorzugt kontinuierlich, oder zumindest über
bestimmte Zeitintervalle quasi-kontinuierlich abgeführt
wird.
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Das
Verfahren nach der Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen. So
ist zunächst eine permanente Überwachung der Fertigung
gegeben, da Analysen zeitnah mit der Fertigung vorgenommen werden können.
Darüber hinaus bedarf es bei der Probeentnahme für
die Analyse keiner Zerstörung eines End- bzw. Fertigprodukts.
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Weiter
von Vorteil ist die materialabtragende Besäumung immer
dann, wenn bei dem Werkstück eine formgebende, entgratende
oder vergleichbare Bearbeitung noch erfolgen muss. Diese kann, wie auch
die Werkstückabtrennung, problemlos mit herkömmlichen
Techniken bewerkstelligt werden, beispielsweise durch Fräsen,
Schleifen, Sägen oder dergleichen. Dieses zumeist als Abfall
zu entsorgendes Material, zumeist in Form von Spänen, wird
regelmäßig aus der Produktionslinie durch Absaugung entfernt
und wird nunmehr gemäß der Erfindung durch separates
Auffangen beispielsweise in Filtern oder durch Abtrennung mittels
eines Zyklons aus dem Abluftstrom für die Analyse bereitgestellt.
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Neben
der zeitnahen Überwachung des Produktionsablaufes ist ferner
auch die Kontrolle des Endproduktes dann gegeben, wenn vorgesehen
ist, dass das Ergebnis der Analyse einem bestimmten Werkstück
zuordbar ist. Aufgrund einer solchen Korrelation kann bei einer
Registrierung bzw. Aufzeichnung aller wesentlichen Parameter ein
Vergleich mit den herkömmlichen Standardverfahren vorgenommen
werden, die dann auch Aussagen über die Materialeigenschaften
des Endprodukts selbst zulassen.
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In
praktischer Umsetzung des Verfahrens nach der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass einem Materialstrom des abgetrennten Materials regelmäßig
Stichproben für eine Analyse entnommen werden. Diese Analysen
können im wesentlichen nach herkömmlichen Verfahren
durchgeführt werden, wobei von Vorteil ist, dass eine Probe
des abgetragenen Materials aus Teilen kleiner Volumina mit großen Oberflächen
besteht, nämlich zumeist aus Spänen, was Prozess-
und Zeitvorteile bei bzw. während der Analyse mit sich
bringt.
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Wird
dabei vorgesehen, dass die Stichproben durch den Takt hergestellter
Werkstücke und/oder Werkstückabschnitte bestimmt
dem Materialstrom entnommen werden, so ist eine Zuordnung des Ergebnisses
einer Analyse zu einem Werkstück bzw. Werkstückabschnitt
problemlos ermöglicht. Dabei kann daran gedacht sein, bis
zu drei Stichproben pro Werkstückabschnitt vorzunehmen,
beispielsweise bei einer ersten Abtrennung von einem vorangehenden
Werkstück, während des Besäumens und während
des Abtrennens eines nachfolgenden Werkstücks.
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Zusätzlich,
insbesondere jedoch alternativ, kann vorgesehen sein, dass ein Materialstrom
des abgetrennten Materials kontinuierlich einer Analyse unterzogen
wird, in dem der Materialstrom beispielsweise an Gassensoren vorbeigeführt
wird. Hierdurch werden kontinuierlich Messdaten gewonnen und kann
eine Veränderung im Prozessablauf sofort erkannt und auf
eine solche Veränderung reagiert werden.
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Des
weiteren kann problemlos das separierte Material vor und/oder bei
einer Analyse einer Konditionierung unterzogen werden, beispielsweise
hinsichtlich der Temperatur, der Feuchtigkeit oder dergleichen mehr,
so dass eine Analyse sehr schnell und sehr exakt durchführbar
ist.
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Bevorzugt
erfolgt eine Konditionierung des Materialstroms in einem Strömungsrohr,
einer Schnecke oder ähnlich wirkenden Transportvorrichtungen,
wobei sowohl eine Konditionierung des Materialstroms vor Eintritt
als auch während des Verweilens in dem Strömungsrohr
erfolgen kann. Auch kann eine Analyse des Materialstroms in einem
Strömungsrohr oder dergleichen in einem konditionierten Gasstrom
erfolgen, der mit der Transportrichtung des abgetragenen Materials
strömt oder auch entgegengesetzt. Dies kann bei einer Gasanalyse
ein konditionierter Luftstrom sein, bei perforatorähnlichen
Verfahren für den Nachweis von Formaldehyd Toluol.
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In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung ist vorgesehen,
dass das abgetrennte Material, aufgetrennt auf mehrere Materialströme,
für verschiedene Analysen der Materialbeschaffenheit zur
Verfügung steht. So ist beispielsweise eine Gasanalyse
und eine Bestimmung der Feuchte weitestgehend gleichzeitig und unabhängig voneinander
möglich.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren nach der Erfindung
bei der Bestimmung von austretendem Formaldehyd bei der Herstellung
von Faserplatten gezeigt. Dies wird nachstehend weiter erläutert,
wobei die Ausführungen lediglich beispielhaft sind.
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Holzwerkstoffplatten
wie Faserplatten, Spanplatten, OSB-Platten usw. werden heute zumeist
auf kontinuierlich arbeitenden Pressen wie Kalandern hergestellt.
Dabei wird ein endloser Plattenstrang produziert, der unmittelbar
nach dem Verlassen der Pressen in einzelne Platten der gewünschten
Länge aufgetrennt wird. Gleichfalls wird der Rand des Plattenstranges
besäumt. Sowohl bei dem Abtrennen der Platten als auch
bei dem Besäumen fallen Holzwerkstoffabfälle an,
die den selben Produktionsprozess wie die Holzwerkstoffplatten durchlaufen
haben. Diese Abfälle stehen damit für Analysen
gemäß des Verfahrens nach der Erfindung zur Verfügung.
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Die
genannten Holzwerkstoffplatten enthalten zumeist formaldehydhaltige
Bindemittel, deren Wirkung auf den menschlichen Organismus umstritten
ist. Entsprechend wurden unterschiedliche Messverfahren und Grenzwerte
des Formaldehydaustrags festgelegt.
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Bei
der Prüfkammer-Methode, in der DIN EN 717-1 festgelegt,
werden große Plattenproben über einen längeren
Zeitraum auf ihre Formaldehyd-Emission in der Prüfkammer
untersucht und es erfolgt eine Angabe in ppm mit 0,01 ppm = 0,0124
mg Formaldehyd/l Raumluft = 12,4 μg Formaldehyd/l Raumluft,
mit einer Bestimmungsgrenze von 0,01 ppm. Bei der Perforator-Methode,
gemäß DIN EN 120, erfolgt eine Angabe
in mg Formaldehyd pro 100 g Probe. Weitere Verfahren werden durch
die Gasanalyse-Methode, nach DIN EN 717-2 oder
der Flaschenmethode nach DIN EN 717-3 vorgegeben.
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Weitere
Varianten sind die Desikkator-Methode, auch Desiccator-Methode,
bei der vergleichsweise kleine Probenstücke Formaldehyd
an Wasser abgeben, sowie die Esikkator-Methoden, die bspw. in Japan
regelmäßig angewendet werden, JIS A 1901.
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Diese
bekannten Methoden lassen sich in zwei Gruppen unterscheiden. Bei
der ersten werden die Emissionen aus dem Holzprodukt untersucht,
wobei die Emissionen in der Luftphase dadurch bestimmt werden, dass
nach dem Übergang in die Gasphase die stärkere
Affinität des Formaldehyds zum Wasser ausgenutzt und anschließend
das Wasser auf seinen Formaldehydgehalt analysiert wird.
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Bei
der zweiten Gruppe der Verfahrens wird der Formaldehydgehalt in
dem Werkstoff analysiert. Hierzu wird das freie Formaldehyd aus
dem Holzwerkstoff beispielsweise mittels Toluol extrahiert, wonach
ebenfalls die höhere Affinität des Formaldehyds zum
Wasser statt zum Toluol genutzt wird, indem der Formaldehydgehalt
des Wassers analysiert wird.
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Den
Verfahren gemeinsam ist es, dass immer nur einzelne Proben des Werkstoffs
analysiert werden.
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Die
Emission bzw. der Gehalt an Formaldehyd eines Holzwerkstoffs nimmt über
die Zeit ab. Somit ändern sich die Messwerte mit zeitlichem
Abstand vom Produktionszeitpunkt durchaus erheblich. Verursacht
wird dies sowohl durch den anhaltenden Reifeprozess der noch warmen
Platte als auch durch eine permanente Ausdunstung des Formaldehyds. Von
daher sind in den genormten Standardverfahren u. a. Analysezeiträume,
beispielsweise bei der Perforator-Methode maximal 72 Stunden oder
auch Definitionen eines konstanten Zustandes angegeben.
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Ein
weiterer Nachteil dieser Verfahren ist darin zu sehen, dass ein
Messwert erst nach Stunden, manchmal gar erst nach Tagen vorliegt,
was an einer langen, aber zur Erniedrigung der Messwerte vorteilhaften
Konditionierungszeit von bis zu 72 Stunden liegt oder an den sehr
langen Messzeiten, z. B. bei der Kammer-Methode von 10 bis 28 Tagen.
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Ein
weiterer Nachteil der herkömmlichen Analysemethoden besteht
darin, dass für eine Probeentnahme ein Produkt zerstört
werden muss, da eine Probe in einer definierten Größe
für eine Emissionsanalyse oder von einer definierten Masse
bereitgestellt werden muss.
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Im
Gegensatz zu diesen herkömmlichen Analysemethoden erlaubt
das Verfahren nach der Erfindung eine direkte Prozessüberwachung
bei gleichzeitiger Verringerung des Prüfungsaufwandes,
der Reaktionszeiten sowie der Durchlaufzeiten der zu analysierenden
und nach einer Prüfung gegebenenfalls erst freizugebende
Produkte.
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Der
Formaldehydgehalt und/oder die Formaldehydemission kann nach der
Erfindung permanent überwacht und einzelnen Produkten auch
zugeordnet werden.
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Hierzu
wird das bei der materialabtragenden Besäumung und/oder
Werkstoffabtrennung abgetragene Material der Holzwerkstoffplatten
kontinuierlich in einem Materialstrom abgeführt, insbesondere
mittels einer Absauganlage, separiert und für die Analyse
herangezogen.
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Aus
dem Materialstrom kann das abgetragene Material in Form von Spänen
beispielsweise mittels Filter oder durch Abtrennung mittels eines
Zyklons aus dem Abluftstrom separiert und einem Analyseverfahren
zugeführt werden. Hierzu bieten sich eine Vielzahl von
verschiedenen Kombinationen an.
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So
können gleichsam kontinuierlich Einzelanalysen durchgeführt
und damit der Herstellungsprozess überwacht werden. Dabei
kann eine Messwertbildung über die Emissionen in dem Luftstrom
oder aus einem Extrakt erfolgen.
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Erfolgen
Einzelanalysen ähnlich DIN EN 120, wird
das Formaldehyd mit Toluol extrahiert, in Wasser überführt
und das Wasser auf den Formaldehydgehalt analysiert. Aufgrund höherer
Formaldehydgehalte unmittelbar nach der Produktion können Proben
vom Volumen her kleiner und/oder Analysezeiten kürzer gehalten
werden.
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Im
Falle von Gasanalysen wird die Probe vorzugsweise konditioniert,
wobei von den in der DIN EN 717 angegebenen Bedingungen
prozesstechnisch und aus Zeitgründen vorteilhaft abgewichen werden
kann. Die hierbei ebenfalls zumeist zu konditionierende Analyseluft
wird dann durch die Probe hindurch oder darüber geleitet.
Die im Gegensatz zum Endprodukt, der Holzwerkstoffplatte, größere spezifische Oberfläche
des abgetragenen Materials bietet hier einen deutlichen Prozess-
und Zeitvorteil. Die beladene Analyseluft kann unmittelbar analysiert werden,
beispielsweise über Absorption im Wasser oder durch eine
direkte Analyse aus der Gasphase, beispielsweise durch eine FTIR-Messung.
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Parallel
zu der Formaldehydbestimmung kann bei Bedarf aus einer zweiten Probe
eine Bestimmung der Feuchte noch erfolgen.
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Neben
der Produktionsüberwachung auf Änderungen hier
beispielsweise des Formaldehydgehaltes kann das Ergebnis der Analysen
auch vorteilhaft einem bestimmten Werkstück zugeordnet
werden. Solches kann insbesondere dadurch erreicht werden, wenn
die Stichprobe durch den Takt hergestellter Werkstücke
und/oder Werkstückabschnitte bestimmt dem Materialstrom
für eine Analyse entnommen wird.
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Neben
den Einzelanalysen erlaubt es das Verfahren nach der Erfindung,
eine kontinuierlich Messdaten liefernde Analyse des Formaldehydgehalts
vorzunehmen, so dass noch zeitnäher an der Produktion Veränderungen
des Herstellungsablaufs erfasst werden können.
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Hierzu
wird ein bei dem Besäumen und/oder der Werkstückabtrennung
anfallender Spänestrom, gegebenenfalls nach eine Konditionierung,
beispielsweise die Temperatur oder Feuchte betreffend, einer Schnecke
oder einem anderen Strömungsrohr vergleichbar wirkenden
Behälter zugeführt. Neben dem kontinuierlichen
Transport der Späne mittels der Schnecke kann dieses Strömungsrohr
in oder auch gegen die Transportrichtung der Späne von
einem konditionierten Analysemedium durchströmt werden. Das
kann für perforatorähnliche Verfahren Toluol sein,
für das Gasanalyseverfahren auch ein konditionierter Luftstrom.
Die weitere Analyse des Luftstromes kann an kontinuierlich arbeitenden
Sensoren vorbei direkt aus der Gasphase erfolgen oder nach Absorption
in Wasser, durch kontinuierliche oder quasi kontinuierliche Analyse
des Wasserstroms.
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Ist
ein parallel geführter Spänestrom vorgesehen,
kann aus diesem gleichzeitig eine Feuchtbestimmung erfolgen.
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Die
so gewonnenen Daten können in vorteilhafter Weise für
eine reine Prozessüberwachung herangezogen werden, so dass
Abweichungen im Herstellungsverlauf rasch festgestellt werden können, andererseits
kann auch bei einer Registrierung bzw. Aufzeichnung aller notwendigen
Parameter eine Korrelation mit den Standardverfahren erfolgen, so
dass normvergleichbare und zertifizierbare Ergebnisse erlangt werden
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN EN 717-1 [0020]
- - DIN EN 120 [0020]
- - DIN EN 717-2 [0020]
- - DIN EN 717-3 [0020]
- - DIN EN 120 [0033]
- - DIN EN 717 [0034]