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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, wie bspw. in der
DE 31 48 800 C2 angesprochen.
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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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Aus Rapp, A. O. et al., Holz als Roh- und Werkstoff 55 (1997), S. 141–147, ist eine Analyse der Staubbelastung holzverarbeitender Betriebe bekannt, bei der Schwerpunkt auf karzinogene Stoffe gelegt wurde. Hierzu wurden vereinzelte Messungen in den Betrieben an unterschiedlichen Bearbeitungsstationen vorgenommen und ausgewertet.
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In Weis, N. et al., Holz als Roh- und Werkstoff 59 (2001), S. 1–8, wird die Schadstoffbelastung bei zu entsorgenden Gebrauchthölzern untersucht.
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Die beiden letztgenannten Artikel beschäftigen sich allgemein mit Analyseverfahren in der Holzwirtschaft, jedoch nicht in dem Sinne einer Überwachung eines Produktionsprozesses.
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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, den Herstellungsprozess begleitende, 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 Anspruch 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 kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich in einem Materialstrom abgeführt und separiert wird, wobei dem Materialstrom regelmäßig, durch den Takt hergestellter Werkstücke und/oder Werkstückabschnitte bestimmt, Stichproben entnommen und für eine Analyse herangezogen werden, so dass das Ergebnis der Analyse einem bestimmten Werkstück zuordenbar ist.
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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 gegeben, da das Ergebnis der Analyse einem bestimmten Werkstück zuordenbar 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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Dem Materialstrom des abgetrennten Materials werden regelmäßig Stichproben für die Analysen entnommen. Die 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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Dabei werden die Stichproben, durch den Takt hergestellter Werkstücke und/oder Werkstückabschnitte bestimmt, dem Materialstrom entnommen, so dass eine Zuordnung des Ergebnisses einer Analyse zu einem Werkstück bzw. Werkstückabschnitt problemlos ermöglicht ist. 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 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, eine Veränderung im Prozessablauf kann sofort erkannt und auf eine solche Veränderung reagiert werden.
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Des weiteren kann das separierte Material vor und/oder bei einer Analyse problemlos 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 ist vorgesehen, dass das abgetrennte Material auf mehrere Materialströme aufgetrennt wird, so dass es 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 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 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 Verfahren 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. Dies wird dadurch erreicht, dass die Stichproben, durch den Takt hergestellter Werkstücke und/oder Werkstückabschnitte bestimmt, dem Materialstrom für eine Analyse entnommen werden.
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Zusätzlich zu den Einzelanalysen erlaubt es das Verfahren, 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.