Ultraschallbasierte Prozessüberwachung im Spritzgießprozess / eingereicht von Lukas Hofmair

Institute of Polymer Injection Moulding and Process Automation Beurteiler Univ.-Prof. DI Dr. Georg Steinbichler Mitbetreuung DI Dr. Bernhard Praher DI Dr. Klaus Straka Dezember 2020 JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ Altenbergerstraße 69 4040 Linz, Österreich www.jku.at DVR 0093696

Ultraschallbasierte

Prozessüberwachung im

Spritzgießprozess

zur Erlangung des akademischen Grades Diplom-Ingenieur

im Masterstudium

Eidesstattliche Erklärung

Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Masterarbeit selbstständig und ohne fremde Hilfe verfasst, andere als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt bzw. die wörtlich oder sinngemäß entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Die vorliegende Masterarbeit ist mit dem elektronisch übermittelten Textdokument identisch.

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die mich auf meinem Weg zu diesem Abschluss beziehungsweise bei dieser Abschlussarbeit unterstützt haben.

Zuerst gilt mein Dank Herr Prof. Steinbichler, der mir diese Abschlussarbeit am Institut für Polymer - Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung ermöglicht hat. Weiters möchte ich mich bei allen Kolleginnen und Kollegen des Instituts für viele lustige und lehrreiche Stunden, allen voran aber bei Dr. Bernhard Praher für die erstklassige Zusammenarbeit, Betreuung, zahlreiche Denkanstöße und die Begutachtung meiner Arbeit bedanken; Dr. Klaus Straka will ich in diesem Zusammenhang ebenfalls meinen Dank aussprechen. Auch Ing. Alfred Mayr möchte ich für gemeinsame Umbauten der Maschine und Tipps praktischer Natur erwähnen, ich konnte viel davon lernen.

Natürlich muss ich auch meinen Eltern Dank aussprechen, die es mir immer ermöglicht haben, meinen Interessen nachzugehen und an dieser Universität zu studieren; Ihr seid die Besten! Und zu guter Letzt möchte ich meine Freundin Verena hervorheben, die immer ein offenes Ohr hatte, wenn etwas nicht rund lief, mir immer zur Seite stand und mir, wenn nötig, den Rücken stärkte.

Zusammenfassung

Die voranschreitende Digitalisierung und Automatisierung industrieller Prozesse führt in der Kunst-stoffindustrie zu steigenden Anforderungen an die Prozessüberwachung und -optimierung. Im Kon-text dazu befasst sich die vorliegende Masterarbeit mit dem Einsatz ultraschallbasierter Messsyste-me und prüft deren Anwendung im Bereich des Spritzgießens. Im Zuge dessen wurden die nötigen Grundlagen mittels eingehender Literaturrecherche und der bisherige Kenntnisstand am Institut für Polymer - Spritzgießtechnik und Prozessautomatisierung der Johannes Kepler Universität Linz aufgearbeitet. Physikalische Effekte und deren Auswirkung auf das Ultraschallsignal werden gezeigt und diskutiert. Ausgehend davon wurden Versuche, unterteilt in drei Experimentalblöcke, vorge-nommen und deren Resultate im Kapitel Ergebnisse I präsentiert.

Der erste Block befasst sich mit dem Standard - Thermoplastspritzguss von teilkristallinen (PE und PP) und amorphen (PS und PC) Polymeren. Neben dem Material wurde die Werkzeuggeometrie und Sensorposition, der Nachdruck, die Werkzeugtemperatur und das Umschaltvolumen variiert. Im zweiten Block wurde Polypropylen durch ein chemisches Treibmittel im Niederdruckverfahren geschäumt und vermessen. Dabei wurde der Einfluss des CBA - Gehalts, der Einspritzgeschwin-digkeit, Schmelze- und Werkzeugtemperatur geprüft. Der letzte Experimentalblock untersuchte den Vernetzungsvorgang von Liquid Silicone Rubber anhand eines dafür angefertigten Messaufbaus. Es wurden sowohl Aufheizvorgänge, als auch Messungen bei aufgeheiztem Versuchsaufbau durchge-führt.

Der Fokus der Messmethodik lag dabei auf Reflexionsmessungen am Spritzgießwerkzeug, also Mes-sungen mit einem Ultraschallsensor, und der Auswertung der ersten Hauptreflexion der Grenzfläche Stahl/Polymer. Zusätzlich wurde bei geschäumten Formteilen der Dämpfungsfaktor und bei LSR - Prüfkörpern die relative Laufzeit im Transmissionsmodus bestimmt. In weiterer Folge wird auch genau auf die Signalverarbeitung und -interpretation eingegangen.

Eine eingehende Analyse der Messdaten führte zu einer erfolgreichen Korrelation des Ultraschallsi-gnals mit zugehörigen Forminnendruckdaten, sowohl für konstante als auch variable Temperaturen. Des Weiteren wird auch eine Abschätzung der Randschichtwachstumsgeschwindigkeit von teilkris-tallinen Kunststoffen in Ergebniskapitel II präsentiert.

Abschließend werden die Vor- und Nachteile der Ultraschallsensorik im Spritzgussprozess abgewo-gen, mögliche Ansatzpunkte zukünftiger Projekte und ein Ausblick für diese Art der Messtechnik geliefert.

Abstract

Advances in digitalization and automation of industrial processes lead to rising requirements in process control and optimization in all fields of polymer processing. In this context the thesis at hand revolves around the usage of ultrasound - based measurement systems for monitoring polymer injection moulding processes. Firstly the scientific foundation, as a result of a thorough literature research, and the present knowledge of the Institute of Polymer Injection Moulding and Process Automation of the JKU Linz on the topic is summed up. Physical effects and their impact on the ultrasound signal are shown, described and discussed. On that basis, experiments, divided into three blocks, were conducted with their results being presented in chapter ’Ergebnisse I’.

The first block discusses standard thermoplast injection moulding of semi - crystalline (PE and PP) and amorphous (PS and PC) polymers. Aside from the material the mouldgeometry, sensor position, holding pressure, mould temperature and switch over volume were varied. The second block dealt with measurements of Polypropylene that was foamed with the aid of a chemical blowing agent in a low-pressure process. Thereby the influence of CBA - fraction, injection speed, melt and mould temperature were studied. The last set of experiments examined the crosslinking process of liquid silicone rubber with a newly designed test set - up. Heating-up processes from room temperature as well as measurements with a heated set - up were carried out.

In terms of measurement methodology this thesis focuses on reflection measurements, which require only one ultrasound probe, and the evaluation of the first main reflection of the steel/polymer interface. Additionally the attenuation coefficient of foamed parts in reflection and relative transit - time of LSR - specimen in transmission mode was determined. Furthermore signal processing and interpretation is closely described.

A comprehensive analysis of the measurement data then led to a successful correlation between ultrasound signal and cavity pressure for both constant and variable temperature. Moreover a growth speed estimation of the solidified layer of semi - crystalline polymers is presented. Results of both are discussed in chapter ’Ergebnisse II’.

Lastly pros and cons of ultrasonic measurement systems with regards to injection moulding, starting points of future projects and an outlook are given.

Eidesstattliche Erklärung i

Formelzeichen und Indizes vii

Abkürzungen viii

1 Einleitung 1

2 Stand der Technik 2

2.1 Spritzgießprozess . . . 2

2.1.1 Forminnendruckverlauf im Spritzgießwerkzeug . . . 2

2.1.2 Schaumspritzguss . . . 3

2.2 Liquid Silicone Rubber . . . 6

2.2.1 LSR - Spritzgießprozess . . . 7

2.3 Ultraschallmesstechnik . . . 8

2.3.1 Gegenüberstellung Ultraschall- und konventionelle Messtechnik im Spritzgieß-prozess . . . 9

3 Theoretische Grundlagen 13 3.1 Messprinzip . . . 13

3.2 Signalinterpretation . . . 15

3.2.1 Akusto - elastischer Effekt . . . 15

3.2.2 Interferenzen durch Randschichtbildung . . . 16

3.2.3 Temperaturabhängigkeit der Schalldämpfung . . . 17

3.2.4 Wirkungsgrad der Ultraschallsensoren . . . 19

3.3 Zusammenfassung . . . 19

4 Messtechnik 21 4.1 Ultraschall Sende- und Empfangseinheit . . . 21

4.2 Forminnendrucksensoren . . . 22

5 Experimentalblock I: Standardspritzguss 23 5.1 Aufbau . . . 23

5.2 Versuchsplan . . . 25

6 Experimentalblock II: Schaumspritzguss 28 6.1 Aufbau . . . 28

6.2 Versuchsplan . . . 28

7 Experimentalblock III: Liquid Silicone Rubber 29 7.1 Aufbau . . . 29 7.2 Versuchsplan . . . 30 8 Signalverarbeitung 32 9 Ergebnisse I 34 9.1 Experimentalblock I: Standardspritzguss . . . 34 9.1.1 PP HE125MO . . . 34 9.1.2 PE MG9647S . . . 40 9.1.3 PS BASF 143E . . . 42 9.1.4 PC Lexan LS2 . . . 44

9.2 Experimentalblock II: Schaumspritzguss . . . 46

9.2.1 1% CBA . . . 46

9.2.2 0.5% CBA . . . 50

9.2.3 2% CBA . . . 53

9.2.4 Reflexion der Gegenseite/Dämpfung . . . 57

9.3 Experimentalblock III: Liquid Silicone Rubber . . . 58

9.3.1 Testaufbau . . . 58

10 Ergebnisinterpretation 62 10.1 Druckkorrelation . . . 62

10.1.1 Druckkorrelation bei konstanten Temperaturen . . . 62

10.1.2 Druckkorrelation bei veränderlichen Temperaturen . . . 64

10.2 Randschichtwachstum . . . 67

11 Ergebnisse II 70 11.1 Druckkorrelation . . . 70

11.2 Randschichtwachstum . . . 73

12 Fazit und Ausblick 75

Literatur 77

Formelzeichen und Indizes

k Proportionalitätsfaktor zwischen Druck und Reflexionskoeffizient l1 Länge Medium 1

pM/N/ref Medien- / Nach- / Referenzdruck

r12 Reflexionskoeffizient an der Grenzfläche Medium 1 nach Medium 2

RA Sensitivität Ultraschallsensor A

RR Verstärkung Ultraschallsensor A (Reflexion)

si Randschichtdicke

t12 Transmissionskoeffizient an der Grenzfläche Medium 1 nach Medium 2

tL,i Laufzeitunterschied des Randschichtechos i

tN Nachdruckzeit

TM Schmelzetemperatur

TW Werkzeugwandtemperatur

v spezifisches Volumen

v_R/E Randschichtwachstums- / Einspritzgeschwindigkeit Z Akustische Impedanz

α Dämpfungsfaktor

∆ti Periodendauer des ausgewerteten Signals

ρ Dichte

Abkürzungen

ADC Analog Digital Converter bzw. beziehungsweise

CBA chemical blowing agent d.h. das heißt

etc. et cetera

HTV High Temperature Vulcanization rubber Hz Hertz

LSR Liquid Silicone Rubber max. maximal ND Nachdruck PC Polycarbonat PE Polyethylen PP Polypropylen PS Polystyrol sog. so genannt

TPE thermoplastisches Elastomer u.a. unter anderem

USV Umschaltvolumen uvm. und viele mehr w.E. willkürliche Einheit z.B. zum Beispiel

1

Einleitung

Das Spritzgießverfahren gehört zu den Urformverfahren und wird hauptsächlich in der Kunststoff-verarbeitung eingesetzt. Aufgrund der kostengünstigen Herstellung hoher Stückzahlen, hoher De-signfreiheit, sowie der großen Auswahl an Materialien, ist es eines der wichtigsten formgebenden Verfahren der Kunststofftechnik. Damit einher geht eine Fülle von Prozessparametern, die optimal auf das vollautomatisierte Verfahren abgestimmt sein müssen, um die gewünschte Bauteilqualität zu erhalten.

In Zeiten der Digitalisierung, Industrie 4.0, autonomer Fabriken, etc. sind Prozessüberwachung und -optimierung zentrale Begriffe zum Erreichen verschiedenster Meilensteine. Dabei bleibt das grundlegende Ziel die gleichbleibend hohe Produktqualität, bei gleichzeitiger Minimierung der Aus-schussraten und damit Kosten. So gibt es auch im Bereich der Spritzgießtechnologie eine Fülle an Sensortechnik zur Erfüllung bereits bestehender Qualitätsnormen. In diesem Zusammenhang ist zwischen Maschineneinstellparametern, die vom Anwender als Soll - Werte festgelegt werden, und den sich tatsächlich einstellenden Prozessparametern, den Ist - Werten, zu unterscheiden. Vor allem Messtechnik zur Bestimmung von Prozessparametern, z.B. der Forminnendruck im Spritzgießwerk-zeug, ist schwerer realisierbar und stellt für Kunden ein hohes Investment dar, weshalb diese von Endnutzern in vielen Fällen nicht angewandt werden. Um jedoch die zukünftig steigenden Anforde-rungen zu erfüllen, ist dies, und damit auch neue Entwicklungen im Bereich der Prozessüberwachung, unabdinglich. In dem Kontext befasst sich diese Abschlussarbeit mit der Prozessüberwachung mit-tels Ultraschallmessungen:

Ultraschalltechnologie stellt in vielen Bereichen eine etablierte Sensortechnik dar, sei es die Sonogra-phie als Teil medizinischer Befundung oder zur Prüfung der Schweißnahtqualität, zur Durchfluss-messung, etc.; die Anwendungsgebiete sind vielfältig und die Vorteile, die Ultraschallmessungen mit sich bringen, eröffnen auch großes Potential im Spritzgießprozess. Die Messungen können On-Line, also während des Prozesses, durchgeführt werden; sie sind berührungsfrei, hinterlassen also keinen Abdruck auf der Oberfläche des Bauteils; die Montage der Sensoren ist vergleichsweise einfach zu realisieren und die Abhängigkeit der Schallkenngrößen von Druck, Temperatur und Dichte erlaubt die Ermittlung bzw. Überprüfung eben dieser Größen im Spritzgießprozess. Dies ist natürlich mit Herausforderungen verbunden, die im Zuge dieser Arbeit erläutert und aufgearbeitet werden. Es werden Versuche im Bereich des Standardspritzgusses mit teilkristallinen bzw. amorphen Polyme-ren und im Bereich der SonderverfahPolyme-ren Schaum- und LSR - Spritzguss durchgeführt und dePolyme-ren Ergebnisse präsentiert. Abschließend wird ein Fazit und Ausblick für diese Messtechnik gegeben.

2

Stand der Technik

2.1 Spritzgießprozess

Mit einem Anteil von rund einem Viertel der Kunststoff Weltproduktion ist das Spritzgießen einer der wichtigsten Prozesse der Kunststoffverarbeitung. Ein Grund dafür ist die hohe Flexibilität, so-wohl bei der Bauteilgestaltung in der Größe von µm bis m, als auch bei der Wahl des Werkstoffs. Ein breites Spektrum an Thermoplasten, Duromeren und Elastomeren können bei entsprechender Vorbereitung verarbeitet werden. Sonderverfahren wie der Schaumspritzguss, gas- oder wasserun-terstütztes Spritzgießen, etc. erhöhen die Designfreiheit erheblich. Im Gegensatz zu konkurrierenden Press- bzw. Gussverfahren und spanender Verarbeitung, können beim Spritzgießen hohe Stückzah-len bei kurzer Herstellungsdauer mit geringem bzw. keinem Nachbearbeitungsaufwand hergestellt werden. All diese Faktoren begünstigen die Entwicklung von hoch automatisierten Prozessen in der Verpackungs- und Fahrzeugindustrie, der Medizintechnik und vielen weiteren Branchen.

Für einen vollautomatischen Produktionsablauf ist die Stabilität des Prozesses bei gleichbleibender Produktqualität von essentieller Bedeutung. Die Qualität der produzierten Formteile hängt natürlich sehr stark von den gewählten Maschineneinstellparametern ab. Daraus ergeben sich Prozesspara-meter im Spritzgießwerkzeug, die wiederum vom Anwender, der Maschine, der Werkzeuggeometrie und den rheologischen und thermodynamischen Eigenschaften des gewählten Werkstoffs abhängig sind. Um den fortwährend steigenden Qualitätsanforderungen gerecht zu werden, ist ein besonderes Verständnis der Vorgänge im Spritzgießwerkzeug notwendig, welches über Simulationen und geeignete Messtechnik gewonnen werden kann. Im Allgemeinen durchläuft der Standardthermoplast -Spritzgießprozess folgende Schritte: [25]

Abbildung 2.1: Schritte des Spritzgießprozesses, übernommen aus [25].

Zuerst wird das Werkzeug geschlossen und die benötigte Schließkraft aufgebracht. Anschließend fährt das Spritzaggregat vor und presst die Düse gegen den Angusskanal des Werkzeugs. Nun kann die zuvor plastifizierte Schmelze eingespritzt, nachgedrückt und abgekühlt werden. Während des Kühlvorgangs wird im Plastifizieraggregat das benötigte Volumen plastifiziert und im Schnecken-vorraum bis zum nächsten Schuss gespeichert. Nach dem Ablauf der Kühlzeit wird die Schließkraft abgebaut, das Werkzeug geöffnet und das Formteil ausgeworfen, der Prozess kann erneut starten.

2.1.1 Forminnendruckverlauf im Spritzgießwerkzeug

Da es im weiteren Verlauf dieser Arbeit wichtig ist, wird an dieser Stelle noch einmal genau auf den allgemeinen Verlauf des Forminnendrucks in einem Spritzgießwerkzeug eingegangen, siehe Ab-bildung 2.2:

Das Einströmen der Schmelze über die Düse in den Angusskegel und die Verteilerkanäle des Werk-zeugs beginnt mit der Vorwärtsbewegung der Schnecke, ausgelöst durch einen zuvorigen Anstieg des Hydraulikdrucks (pH2). Erst wenn die Schmelze den Drucksensor in der Kavität erreicht (Punkt 4), ist auch ein Anstieg des Forminnendrucks (pW 1) erkennbar. Der Druck im Inneren des Werk-zeugs nimmt mit der durchströmten Länge zu, bis die volumetrische Füllung erreicht ist. Aufgrund der Kompressibilität von Kunststoffschmelzen baut sich das Forminnendruckmaximum verzögert auf und ist deutlich geringer als der spezifische Hydraulikdruck (Punkt 5 bis 6). Kurz vor dem Erreichen des Forminnendruckmaximums erfolgt das Umschalten von der Einspritzphase auf die Nachdruck-phase. Zur Kompensation der thermischen Schwindung aufgrund der Abkühlung des Kunststoffs, wird heiße Kunststoffschmelze unter konstant gehaltenem Hydraulikdruck nachgedrückt. Die gezeig-te Kurve des Drucksensors in der Kavität sinkt aus zwei Gründen: Ersgezeig-tens infolge der Abkühlung der Kunststoffschmelze und zweitens aufgrund des erhöhten Druckverlustes durch den zunehmend kleiner werdenden Querschnitt der plastischen Seele bis zum endgültigen Zufrieren des Angusses. Die schraffierte Fläche zeigt die Druckdifferenz zwischen Schneckenvorraum und dem Werkzeuginneren und soll verdeutlichen, dass der spezifische Spritzdruck keine Information über die Bedingungen in der Kavität liefert. Sobald der Siegelpunkt erreicht ist, sinkt der Forminnendruck mit zunehmender Abkühlung des Bauteils schlussendlich auf 1 Bar ab.

Abbildung 2.2: Beispielhafte Druckverläufe im Hydraulikzylinder (pH2) und Forminnendruck des gefüllten

Werkzeugs (pW 1), übernommen aus [25]. 2.1.2 Schaumspritzguss

Der (Thermoplast-) Schaumspritzguss stellt ein Sonderverfahren des Standardspritzgießprozesses dar, dessen Ziel die Herstellung von Formteilen mit geschäumtem Kern, sog. Integralschäumen, ist. Um diese Schaumstruktur zu erhalten gibt es prinzipiell 2 Arten von Treibmittel: chemische und physikalische.

Chemische Treibmittel werden dem Kunststoffgranulat beim Einzug in fester Form beigemengt, mit dem Polymer aufgeschmolzen und in das Werkzeug eingespritzt. Durch das Überschreiten einer, vom Treibsystem abhängigen, Temperaturgrenze während des Plastifiziervorgangs werden Zersetzungs-reaktionen des chemischen Treibmittels initiiert, die zur Gasbildung führen. Ein Druckabfall nach

dem Einspritzen erzwingt, durch eine thermodynamische Instabilität, die Expansion des gelösten Gases; je nach Nuklierungsdichte entsteht ein klein- bzw. großzelliger Schaum.

Physikalische Treibmittel, wie z.B. CO2 oder N2, werden mittels eines Injektors unter hohem Druck in die Schmelze eingebracht und bis in den Schneckenvorraum vollständig gelöst. Danach gilt wie-derum: Durch einen Druckabfall nach dem Einspritzvorgang muss das gelöste Gas expandieren und führt so zur Bildung einer Gasphase. Abbildung 2.3 zeigt den Querschnitt eines geschäumten Bauteils unter einem Rasterelektronenmikroskop.

Abbildung 2.3: REM Aufnahme eines geschäumten ABS Bauteils mit einer 42%igen Dichtereduktion, über-nommen aus [1]

Der eben erwähnte Druckabfall ist ausschlaggebend für die Schaum/Bauteilqualität und kann auf verschiedene Arten realisiert werden: [1], [26]

• Niederdruckverfahren:

Im Niederdruckverfahren entsteht der Druckabfall durch eine unvollständige Werkzeugfül-lung. Es gibt keine Nachdruckphase, die vollständige Kavitätenfüllung und Kompensation der Schwindung wird durch die Schaumbildung erreicht. Das Niederdruckverfahren ist aufgrund der leichten Realisierbarkeit und niedrigen Kosten das am weitesten verbreitete Schaumspritz-gussverfahren. Nachteile sind eine hohe, ungleichmäßige Zellgröße und eine niedrige Zelldichte, welche in schlechten mechanischen Eigenschaften resultiert und eine zumeist schlechte Ober-flächenqualität.

• Hochdruckverfahren:

Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken wird beim Hochdruckverfahren vorerst die Bildung einer Gasphase durch eine vollständige Werkzeugfüllung, gefolgt von einer kurzen Nachdruck-phase verhindert. Danach ermöglicht ein Öffnungshub des Werkzeugs den Druckabfall und die gewünschte Schaumbildung. Der besseren Schaum- und Oberflächenqualität stehen höhere Werkzeugkosten und Limitationen der Formteilgeometrie gegenüber.

• Gasgegendruckverfahren:

Beim Gasgegendruckverfahren wird das Innere des geschlossenen Werkzeugs vor dem Ein-spritzen mithilfe eines Gases unter Druck gesetzt. Während des Füllvorgangs wird durch den konstant gehaltenen Gasgegendruck das in der Polymerschmelze gelöste Treibmittel von der Expansion behindert. Erst wenn die Form vollständig gefüllt und die gewünschte Randschicht-dicke erreicht ist, wird der Gasgegendruck abgebaut und die Schaumbildung startet. Dieses Verfahren liefert die beste Schaumqualität, ist aber auch mit dem größten Aufwand verbunden.

• Co-Injektiosverfahren:

Das Co-Injektionsverfahren umfasst das aufeinander folgende Einspritzen eines ’Haut-’ und eines damit kompatiblen ’Kernmaterials’ mithilfe von zwei Plastifiziereinheiten. Der zuerst eingespritzte Kunststoff wird vom nachfolgenden, gasbeladenen Kernmaterial aufgrund des ’fountain flow’ Effekts an die Wand der Kavität gedrängt, während das Kernmaterial die Schaumstruktur im Inneren des Bauteils ausbildet. Dieses Verfahren erlaubt die optimale Nutzung verschiedener Kunststoffe, um somit z.B. die Kosten eines voluminösen Bauteiles mithilfe eines billigen Kernmaterials zu reduzieren oder trotz geschäumten Kerns eine erst-klassige Oberflächenqualität zu garantieren.

Diese Weiterentwicklung des Standardverfahrens eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten zur Pro-duktion gänzlich neuer bzw. Optimierung bestehender Produkte. Heutzutage ist der Einsatz von geschäumten Kunststoffen in vielen Branchen der Kunststoffindustrie Stand der Technik; rund 10% der europäischen Kunststoffverarbeitung sind auf Schäumverfahren zurückzuführen. Vor allem die Fahrzeugindustrie hat das Verfahren zum Hinterspritzen von Folien und anderen Sichtteilen für sich entdeckt. All das ist auf konkrete Vorteile zurückzuführen: [1], [26]

• Gewichts- und Kostenreduktion durch Materialersparnis:

Das durch Schaumbildung eingesparte Material resultiert in einer Gewichts- und Kostenre-duktion des Bauteils.

• Verbesserung von Materialeigenschaften:

Durch den Integralaufbau des Schaums (kompakte Randschicht, geschäumter Kern) ergibt sich einerseits eine Erhöhung von mechanischen Kenndaten, wie z.B. der spezifischen Steifig-keit und andererseits eine Verbesserung verschiedenster physikalischer Eigenschaften, wie z.B. akustische Dämpfung, thermische Isolation, etc.

• Verbesserte Maßhaltigkeit und Reduktion von Einfallstellen:

Im Anschluss an die Einspritzphase wirkt der Schaumdruck anstelle des Nachdrucks. Dieser entfaltet seine Wirkung auch nach dem Zufrieren des Angusses, weshalb geschäumte Formteile im Hinblick auf Einfallstellen und Maßhaltigkeit im Allgemeinen eine Verbesserung darstellen. • Verringerung der Zykluszeit:

Das Wegfallen der Nachdruckzeit bzw. die geringere Kühlzeit aufgrund der Materialreduktion führen zu einer Verringerung der Zykluszeit.

• Verringerung des Werkzeuginnendrucks:

Das Ersetzen des Nachdrucks durch den Schaumdruck resultiert in deutlich niedrigeren Werk-zeuginnendrücken.

• Verlängerung der Fließwege:

Die Lösung des Treibgases in der Polymerschmelze bewirkt eine Reduktion der Viskosität und damit eine Verlängerung der Fließwege.

Durch die Änderung des Prozesses ergeben sich jedoch auch neue Herausforderungen. So entsteht oftmals eine Schlierenoberfläche aufgrund des Treibmittels, welche bei Sichtteilen inakzeptabel ist. Weiters ergibt eine suboptimale Prozessführung fehlerhafte Schaumstrukturen, die drastische Aus-wirkungen auf die Bauteileigenschaften haben. Somit ist das Know-How über das Verfahren aus-schlaggebend um gezielt Produktanforderungen zu erreichen. Die physikalischen Vorgänge der Nu-klierung und Schaumbildung sind nach wie vor Gegenstand intensiver Forschung. Zuletzt sind die prozesstechnischesn Mehrkosten durch zusätzliches Equipment anzuführen, die das jeweilige Ver-fahren ermöglichen. [1]

2.2 Liquid Silicone Rubber

Elastomere gehören, mit Ausnahme der thermoplastischen Elastomere (TPEs), zur Gruppe der ver-netzenden Kunststoffe. Der Begriff charakterisiert natürliche (z.B. Naturkautschuk) oder künstlich hergestellte (z.B. Styrol-Butadien-Kautschuk) Werkstoffe mit niedrigem E-Modul und hoher Dehn-barkeit/Elastizität. Diese sog. Entropieelastizität ist einerseits auf eine, verglichen mit Duromeren, weitmaschige Vernetzung der Markomoleküle untereinander und andererseits auf Glasübergang-stemperaturen, die zumeist weit unter 0°C liegen, zurückzuführen. Im Gegensatz zu thermoplastisch verarbeitbaren Polymeren, zeigen vernetzende Kunststoffe erst im Bereich thermischer Zersetzung ein Fließverhalten und sind aus diesem Grund nach abgeschlossener Vernetzungsreaktion nicht mehr umformbar. [6]

Verglichen mit anderen Elastomeren, haben Flüssigsilikone (Liquid Silicone Rubber, LSR) eine vergleichsweise kurze Geschichte: Nach deren Entwicklung in den 1970er Jahren ersetzten Zwei -Komponenten LSR Systeme schnell konkurrierende Werkstoffe. Flüssigsilikone gehören zur Grup-pe der HTVs (High TemGrup-perature Vulcanization rubbers) und liegen aufgrund vieler Vorteile in einem breiten Anwendungsspektrum vor. Diese sind auf deren einzigartige molekulare Struktur zurückzuführen: Das Rückgrat besteht aus alternierenden Silizium und Sauerstoff Atomen, sog. Si-loxanbindungen; sie sorgen für den anorganischen Charakter. Die zwei freien Valenzelektronen der Siliziumatome tragen organische, zumeist Methylgruppen; dadurch entsteht der organische Charak-ter von Silikonen. Flüssigsilikone werden in flüssiger, pastöser Form als zwei Komponentensystem (A und B Komponente) angeliefert um vorzeitige Vernetzung zu verhindern. Eine Komponente enthält dabei das langkettige, z.B. Vinyl - funktionelle, Polymer inklusive Katalysator, zumeist ein Platin Katalysator und Inhibitor, der die Vernetzungsreaktion unter einer bestimmten Temperaturgrenze unterbinden soll. Die andere den Vernetzer, z.B. kurzkettige SiH - Siloxane, siehe Abbildung 2.4.

(a) (b)

Abbildung 2.4: Komponente A: Vinyl-funktionelles Polymer (a), Komponente B: SiH - Polysiloxan (b) Miteinander vermengt vernetzen die Edukte, abhängig von der herrschenden Umgebungstempera-tur, innerhalb von Tagen (RaumtemperaUmgebungstempera-tur, sog. Topfzeit) bis Sekunden (160-200°C) in Form einer Additionsreaktion, also ohne Nebenprodukte, zu einem dreidimensionalen, hoch elastischen Netz-werk. Liquid Silicone Rubber zeichnen sich vor allem durch hohe Temperaturbeständigkeit (-45°C bis 250°C, kurzzeitig 300°C) bei gleichzeitig niedriger Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaf-ten aus. Sie sind farblos und transparent, geruchs- und geschmackslos, beständig gegen Chemikalien

und Alterung, und zählen in vielen Fällen zur Klasse der bioinerten Werkstoffe. Diese und viele wei-tere Vorteile, auch durch Modifikation mit Additiven, begründen den Erfolg der Werkstoffklasse in Bereichen wie der Flug- und Fahrzeugtechnik, Medizintechnik, uvm. [5],[12],[20],[29]

2.2.1 LSR - Spritzgießprozess

Aufgrund der Anlieferung der zähflüssigen A und B LSR - Komponenten in zwei getrennten Gebin-den, unterscheiden sich die Produktionsverfahren stark von denen klassischer Elastomertypen, die oftmals mit hohem maschinellem und vor allem personellem Aufwand verbunden sind. Anstatt der Compoundierung, die in vielen Fällen beim Produzenten vor der Verarbeitung stattfindet, können die Flüssigsilikonkomponenten direkt aus der Lieferform gepumpt, im Verhältnis 1:1 vermischt und verarbeitet werden. Des Weiteren findet die Vernetzungsreaktion von LSR unter optimalen Bedin-gungen innerhalb von Sekunden und ohne der Bildung von Nebenprodukten statt.

Aufgrund dieser Faktoren ist es naheliegend, dass sich der Spritzgießprozess als Hauptverarbeitungs-verfahren von Flüssigsilikonkautschuk etabliert hat. Es sind allerdings eine Reihe von Modifikationen des Standardspritzgießprozesses, bei Maschinenequipment und Prozessführung, notwendig. Abbil-dung 2.5 stellt den für Liquid Silicone Rubber modifizierten Spritzgießprozess schematisch dar:

• Dosier- und Einspritzvorgang:

Wie schon erwähnt erfolgt die Dosierung mithilfe eines Pumpensystems, das beide Komponen-ten zu gleichen Teilen über Druckleitungen durch einen Mischblock (statische oder dynamische Mischung) in das Schneckenaggregat pumpt. Die Vermengung der beiden Komponenten fin-det erst vor dem Formgebungsprozess statt, um vorzeitige Vernetzungsreaktionen möglichst lange hinauszuzögern. Während des Mischprozesses können dem Material auch Farbstoffe oder Additive beigemengt werden, um das Rohmaterial weiter zu modifizieren. Da kein Auf-schmelzvorgang erfolgen muss, übernimmt das Schneckenaggregat lediglich die Aufgabe des Einspritzvorgangs. Daher wird bei den Schnecken weitestgehend auf eine Kompression durch die Schneckensteigung verzichtet; des Weiteren ist eine Rückstromsperre unbedingt nötig. Da das eingespritzte Material durch die Temperaturerhöhung und Vernetzungsreaktion expan-diert, ist kein Schmelzepolster, wie im Thermoplastspritzguss, nötig.

• Temperierung:

Da beim Überschreiten einer, vom Material abhängigen, Temperaturgrenze die Vernetzungs-reaktion startet, ist die Temperierung der Maschinenkomponenten umgekehrt zum Standard-spritzgießprozess! Das Dosier-, Einspritz- und Verteilersystem wird mithilfe von Wasserkanälen auf 20 - 50°C gekühlt, um Vernetzungsreaktionen zu unterbinden und das Spritzgießwerkzeug wird auf rund 160 - 200°C erhitzt.

• Viskosität:

Flüssigsilikonkautschuk ist bekannt für außergewöhnlich niedrige Viskositäten bei hohen Tem-peraturen und Drücken. Spritzdrücke über 1000 bar sind im LSR - Spritzguss keine Seltenheit, weshalb zusätzliche Maßnahmen im Werkzeugbau und hohe Schließkräfte notwendig sind um das Überspritzen der Form zu verhindern. So ist aufgrund der hohen Fließfähigkeit an Dicht-flächen bzw. der Trennebene eine Spalthöhe von nur 5µm erforderlich, um eine Gratbildung zu verhindern. Weiters stellt die Werkzeugtemperatur von bis zu 200°C höhere Anforderungen an die Werkzeugfestigkeit und die Fertigungsgenauigkeit.

• Entformung:

Aufgrund der niedrigen Viskosität und der, in manchen Fällen außergewöhnlichen Haftung von LSR - Formteilen, ist oftmals ein Entformungssystem durch Auswerferstifte unzureichend. Häufig ist ein kombiniertes System aus mechanischer und pneumatischer Entformung notwen-dig.

Abbildung 2.5: schematische Darstellung des LSR Spritzgießprozesses, übernommen aus [10] Es resultiert ein vollautomatisierter Prozess, dessen Produkte keine Nachbearbeitung maschineller oder händischer Natur benötigen. Zusätzlich wird daran gearbeitet, den LSR - Spritzguss mit an-deren Formen des Spritzgießens zu verbinden. So ist der Zwei - Komponenten Spritzguss, bei dem Flüssigsilikon ohne Vorbehandlung des Substrats durch Haftvermittler z.B. auf ein Thermoplast-formteil aufgebracht wird, bereits ein etabliertes und profitables Verfahren. Des Weiteren können hohle Formteile mithilfe der Gasinjektionstechnologie produziert werden. [10],[12],[19]

2.3 Ultraschallmesstechnik

Die Akustik, also die Lehre der Entstehung und Ausbreitung von Schall, ist ein Teilbereich der Physik und beschreibt Vorgänge mechanischer Schwingungen in Stoffen jedes Aggregatszustandes. Ultraschall definiert mechanische Schwingungen mit Frequenzen, die 20kHz übersteigen; mithilfe moderner Methoden können Frequenzen von 1011_{Hz und mehr erzeugt und nachgewiesen werden.} Durchläuft eine Schallwelle ein Medium, einen Prüfkörper, etc., verändern sich dessen akustische Parameter (Schallgeschwindigkeit c, Dämpfungskoeffizient a,..) in Abhängigkeit z.B. des Drucks, der Temperatur und der Morphologie. Diese Veränderungen werden genutzt, um Informationen über das durchlaufene Medium zu gewinnen. Weiters besteht die Option, bei entsprechend hohen Leistungen, auch Einfluss auf das beschallte Medium zu nehmen. Das ist möglich, da Ultraschallwellenlängen sich im Größenbereich von zwischenmolekularen Abständen befinden. Praktische Anwendungen von Ultraschalltechnologien können also grob in zwei Kategorien unterteilt werden: [11],[24]

1. Technologien mit einer bestimmten Wirkung auf einen Stoff (Ultraschall hoher Leistung) z.B. Reinigung einer Oberfläche, Schweißen, Stoßwellentherapie,..

2. Technologien zur Untersuchung eines Zustands bzw. einer Eigenschaft (Ultraschall niedriger Leistung)

z.B. Untersuchung metallischer Bauteile auf Risse, Durchflussmessung, (medizinische) Sono-graphie,..

Da sich diese Masterarbeit ausschließlich mit dem Ziel der Prozessüberwachung bzw. -optimierung auseinandersetzt, wird in weiterer Folge lediglich auf Ultraschalltechnologien der letzteren Gruppe eingegangen.

Wie bereits erwähnt, wird bei Messtechniken dieser Art Ultraschall niedriger Leistung eingesetzt, um den untersuchten Prozess/Zustand möglichst wenig zu beeinflussen. Im Fall von Kunststoffschmelzen

bewirken mechanische Schwingungen niedriger Amplitude im MHz Bereich Partikelverschiebungen und Polymerkettenbewegungen von wenigen Nanometern. Es kann daher angenommen werden, dass Ultraschallmessungen keinen Einfluss auf Materialeigenschaften und den Spritzgießprozess haben. [22],[31]

Grundsätzlich kann zwischen Messmethoden im Reflexions- (Impulsechoverfahren) oder Transmis-sionsmodus (Durchschallungsverfahren) unterschieden werden. Reflexionsmessungen benötigen nur einen Sensor, der sowohl die Aufgabe des Senders, als auch die des Empfängers übernimmt. Trans-missionsmessungen erfordern zwei gegenüberliegende Sensoren, wobei die Rollen des Senders und Empfängers getrennt sind. Ultraschallsensoren basieren meist auf dem piezoelektrischen Effekt: Piezoelektrische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass aufgrund mechanischer Deformationen eine elektrische Spannung entsteht. Umgekehrt (reziproker piezoelektrischer Effekt) löst das Anlegen einer Wechselspannung periodische Deformationen der Kristallflächen aus. Im Fall von Ultraschall-sensoren verdichten und verdünnen diese periodisch das Umgebungsmedium und lösen bei geeignet hoher Spannung und Frequenz einen Ultraschallimpuls aus. Auf den Ultraschallsensor eintreffende Impulse liefern ein Spannungssignal, das aufgezeichnet und analysiert werden kann. Folglich werden, je nachdem, ob der Ultraschallsensor als Sender oder Empfänger operiert, beide Seiten des piezo-elektrischen Effekts genutzt. Anders als im Gebiet des Hörschalls, der sich das Aussenden eines breiten Frequenzspektrums zum Ziel gesetzt hat, werden Ultraschallgeber im Resonanzbereich an-geregt um hochenergetischen Ultraschall mit möglichst hohem Wirkungsgrad abzustrahlen. Daher ist die Bandbreite an möglichen Frequenzen eines einzelnen Sensors stark eingeschränkt. [24]

2.3.1 Gegenüberstellung Ultraschall- und konventionelle Messtechnik im Spritzgieß-prozess

In der Kunststofftechnik stellen Ultraschalltechnologien eine neue Art von Messtechnik dar, die sich vor allem dadurch auszeichnet, dass Prozessparameter nicht - invasiv ermittelt werden können, d.h. der Sensor mit dem Kunststoff in keinem direkten Kontakt stehen muss. Prozessparameter bezeich-nen die physikalischen Bedingungen, die als Resultat der vom Anwender gewählten Maschibezeich-nenein- Maschinenein-stellungen z.B. im Spritzgießwerkzeug oder dem Schneckenvorraum auftreten. Wie in Abbildung 2.6 dargestellt, ist kein Kontakt zwischen Sensor und Formteil notwendig. Es entstehen also kei-ne Sensormarker auf der Produktoberfläche, wie oftmals bei konventiokei-nellem Messequipment der Fall, was vor allem bei Sichtteilen die Designfreiheit erhöht. Des Weiteren sind die Sensoren oh-ne Adaption (z.B. mithilfe von Magoh-netschuhen) bzw. mittels geringer mechanischer Bearbeitung (z.B. Sacklochbohrungen) des Werkzeugs montierbar. Zuletzt zeichnet sich Ultraschallmesstechnik durch außergewöhnliche Vielseitigkeit aus; die Auswertung der Signale dieser Sensorik erlauben den Rückschluss auf eine Vielzahl von Parametern. [30]

Abbildung 2.6: Einbausituation Ultraschallmesstechnik und konventionelle Sensorik

Die einfachste Anwendung ist wohl die der Fließfrontdetektion: Pro Position im Werkzeug, an der die Fließfront detektiert werden soll, ist ein Ultraschallsensor im Reflexionsmodus notwendig. Wie in Abbildung 2.6 bereits angedeutet, entsteht an jeder Grenzfläche zweier Medien eine Reflexion, d.h. ein Teil des Schalls wird reflektiert und der restliche Anteil transmittiert (nähere Informationen dazu in Kapitel Theoretische Grundlagen 3). Ist die betreffende Position in der Kavität noch luftgefüllt, wird näherungsweise 100% des Ultraschallimpulses reflektiert, siehe Abbildung 2.7(a). Sobald Kon-takt der Werkzeugwand mit Kunststoff besteht, ist ein deutlicher Abfall im Signal zu erkennen, da ein Teil des Pulses in den Kunststoff transmittiert wird; Abbildung 2.7(b). Somit ist der Zeitpunkt, zu dem das Polymer vorbeifließt, berührungsfrei charakterisiert. Dies kann z.B. im RTM (Resin Transfer Molding) Verfahren oder zur Regelung eines Kaskadenangusssystems genutzt werden. Die Genauigkeit dieses Messverfahrens kann durch den Abkühlvorgang verdeutlicht werden: Sobald das Formteil im Zuge der Kühlung abschwindet und sich ein Luftspalt >1µm zur Werkzeugwand bildet, angedeutet in Abbildung 2.7(c), geht das Signal auf den Ursprungswert zurück.

(a) (b) (c)

Abbildung 2.7: luftgefüllte Kavität (a), Kavität gefüllt mit Kunststoff (b), abgekühltes Formteil und Luft-spaltbildung (c)

Dies kann auch zur Optimierung der Kühlzeit genutzt werden, da für effiziente Wärmeleitung di-rekter Kontakt zwischen heißem Kunststoff und kalter Werkzeugfläche nötig ist. Sobald ein Luft-spalt entsteht, ist die Wärmeabfuhr ineffizient und das Formteil kann unter Umständen bereits ausgeworfen werden. Messungen dieser Art erlauben also neben der Fließfrontdetektion auch neue Erkenntnisse im Bereich der Kühlanforderungen von Werkzeugen. [30]

Das RTM Verfahen zählt zu den LCM (Liquid Composite Molding) Technologien und ist ein weit verbreiteter Prozess zur Herstellung faserverstärkter Formteile. Dabei wird ein zuvor in das Werk-zeug eingelegter, trockener Faser - Preform mit einem Harzsystem umspritzt. Schwankungen in den Fließeigenschaften des eingesetzten Harzes bzw. der internen Struktur dieser Textilien kön-nen in ungewollten Fließmustern resultieren, die nicht getränkte Stellen oder Hohlräume zur Folge haben können und somit mechanische Eigenschaften stark herabsetzen. Um die Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit der Produktqualität zu verbessern, wird daher oftmals ein System zur Auf-zeichnung und Simulation des Füllverhaltens eingesetzt, um während des Prozesses eingreifen zu können. Im Rahmen konventioneller Messtechnik wird die Fliefrontdetektion z.B. durch eine Rei-he von Forminnendrucksensoren erreicht. Um den nötigen Kontakt zum Harz Rei-herzustellen, muss das Werkzeug vollständig durchbohrt und die Sensoren bündig abschließend montiert werden (siehe Abbildung 2.6, konventionelle Sensorik). Das ist kostenintensiv und mit hohem Zeitaufwand ver-bunden. Eine günstige Variante ist der Einsatz von schnell reagierenden Thermoelementen in der Nähe der Kavitätenoberfläche; dabei ist jedoch die Reaktionszeit in vielen Fällen zu langsam. Selten, vor allem zu Forschungszwecken, wird ein Kamerasystem mit transparentem Werkzeug eingesetzt. Das letzte Beispiel zeigt, dass das Bedürfnis nach effektiver und kostengünstiger Fließfrontdetektion existiert und Thema intensiver Forschung ist. [3],[14],[15]

Ein weiteres Beispiel und gleichzeitiger Beweis für die Vielseitigkeit der Ultraschallmesstechnik ist die Bestimmung der mittleren Schmelzetemperatur in der Plastifiziereinheit. Dazu wird ein Ul-traschallsensor im Reflexionsmodus an der gewünschten Stelle der Plastifiziereinheit platziert, siehe Abbildung 2.8. Mithilfe der Laufzeitunterschiede zwischen den Reflexionen der Zylinderwand und dem Schneckengrund und der Gangtiefe der Schnecke kann die Schallgeschwindigkeit des Polymers bestimmt werden. Die Schallgeschwindigkeit eines Mediums ist eine Funktion der Temperatur und des Drucks bzw. näherungsweise der Dichte und der adiabaten Kompressibilität. Aufgrund zuvor gewonnener pvT (DruckVolumenTemperatur) Daten, z.B. durch Hochdruckkapillarrheometer -Messungen, kann eine Kalibrierkurve des vermessenen Materials erstellt werden, worüber auf die mittlere Schmelzetemperatur rückgerechnet wird. Ebenfalls möglich ist die Messung des Aufschmelz-verlaufs entlang der Schnecke. Derartige Temperaturmessungen können auch im Schneckenvorraum durchgeführt werden um Schmelzetemperaturinhomogenitäten zu detektieren. [21]

Abbildung 2.8: Aufbau Schmelzetemperaturmessung im Massezylinder.

Zur Ermittlung der Schmelzetemperatur muss bei konventioneller Messtechnik Kontakt zur Schmel-ze bestehen. Da sich die Schnecke im Plastifizieraggregat axial vor und zurück bewegt, ist es nur möglich bündig abschließende Sensoren zu montieren. Herrschende Drücke von bis zu 1000 bar und Temperaturen über 200°C schränken die Auswahl konventioneller Sensorik weiter ein. Eine Alternative zur Ultraschallmesstechnik sind Infrarot - Temperatursensoren, welche die Schmelze-temperatur an der Zylinderwand bestimmen können. Das ist zum Einen aufgrund aufwändiger Kalibriermessungen der Emissivität des verwendeten Materials nicht wirtschaftlich. Zum Anderen repräsentiert die Schmelzetemperatur an der Zylinderwand nur in seltenen Fällen auch die mittlere Schmelzetemperatur. Bündig abschließende Thermoelemente kommen für diese Anwendung wegen der Wärmeübertragung von der heißen Zylinderwand und der daraus resultierenden Verfälschung nicht in Frage.[21]

Anhand dieser Beispiele zeigen sich also einige interessante Anwendungsbeispiele der Ultraschall-technik in der Kunststoffverarbeitung. Die Hauptproblematik besteht derzeit im Fehlen von kom-merziellen Anbietern von Ultraschallsensorik in diesem Fachbereich. Am Institut für Polymerspritz-gießtechnik und Prozessautomatisierung wurde, finanziert durch die FFG, erstmals ein industriell einsetzbarer Prototyp eines ultraschallbasierten Werkzeugsensoriksystems entwickelt, deren poten-tiellen Anwendungsmöglichkeiten in dieser Masterarbeit untersucht wurden.

3

Theoretische Grundlagen

3.1 Messprinzip

Die Ausbreitung ebener Wellen über eine oder mehr Grenzflächen bildet die physikalische Grund-lage aller Messmethoden mit akustischer Referenzstrecke (mit bekannter akustischer Impedanz). Wird ein Schallimpuls ausgesandt, entsteht, wie zuvor bereits erwähnt, an jeder Grenzfläche zwei-er Medien eine Reflexion. Die Enzwei-ergie des Pulses teilt sich also in einen reflektizwei-erten und einen transmittierten Teil auf, siehe Abbildung 3.1. Dieses Verhältnis wird durch den Reflexions- bzw. Transmissionskoeffizienten beschrieben. A0 bezeichnet die Amplitude des vom Ultraschallsensor ge-nerierten Pulses. A1, in blau gekennzeichnet und im weiteren Verlauf der Arbeit wichtig, ist die Amplitude der ersten Hauptreflexion; es ist das Echo, das an der ersten Grenzfläche Stahl/Kunst-stoff entsteht und durchläuft somit nur das Medium Stahl! In weiterer Folge versteht man unter der zweiten und dritten Hauptreflexion den Teil des Echos, das zwei bzw. drei Mal an der Grenzfläche von Medium 1 zu Medium 2 reflektiert wird. A2 steht für die Amplitude des Teilsignals, das den Stahl und Kunststoff ein Mal hin und zurück durchwandert, also für die Reflexion der Gegenseite;

A3 durchläuft Medium 2 ein zweites Mal, bevor es wieder auf den Sensor trifft. Alle Echos dieser Art können mithilfe eines Sensors (Sensor A) im Reflexionsmodus gemessen werden. Möchte man transmittierte Teile des eingekoppelten Pulses untersuchen, ist ein zweiter Sensor (Sensor B) an der gegenüberliegenden Seite notwendig. A2∗ bezeichnet hier die Amplitude des Teils, der die Strecke

Sensor A zu Sensor B einmalig durchläuft. A3∗ ist der transmittierte Anteil von A3. [7],[28]

Abbildung 3.1: Schematische Darstellung von Reflexion und Transmission eines Echopulses. Nach diesem Schema wird ein Schallimpuls reflektiert/transmittiert, bis er aufgrund der Teilung an den Grenzflächen und Dämpfung der jeweiligen Medien nicht mehr messbar ist. Die Höhe des Reflexionskoeffizienten wird durch die spezifische akustische Impedanz Z der beiden Grenzmedien bestimmt. Bei Medien ausreichend kleiner Dämpfung α, ergibt sich Z als Produkt der Dichte ρ und der Schallgeschwindigkeit c des Mediums. Dabei steht ω für die Kreisfrequenz. [2]

α  ω

c ω= 2πf (3.1)

Z= ρc (3.2)

Wird nun der normale Einfall einer Schallwelle auf eine ebene Grenzfläche, wie in Abbildung 3.1, betrachtet, ergibt sich der Reflexionskoeffizient r12 aus dem Verhältnis der Amplitude der

reflek-tierten Welle, z.B. A1 und der Amplitude der einfallenden Welle, z.B. A0; der transmittierte Anteil wird durch den Transmissionskoeffizienten t12 beschrieben:

r12= A1 A0 = Z1− Z2 Z1+ Z2 (3.3) t12= 1 − r12 (3.4)

In unserem Fall ist Medium 1 sowie Medium 3 immer (Werkzeug-)Stahl und Medium 2 der zu untersuchende Kunststoff. Je nach Messmethode müssen unterschiedliche Echos eines Signals zur Auswertung herangezogen werden. Neben der Bestimmung des Reflexionskoeffizienten mithilfe der ersten Hauptreflexion laut 3.3, kann dies z.B. auch anhand von multipler Reflexionen 3.5 oder mit zwei Ultraschallsensoren im Transmissionsmodus 3.6 erfolgen. [8]

r12= 1 + A2₂ A1A3 !−0.5 (3.5) r12= 1 + A2A∗2 A1A∗3 !−0.5 (3.6) Wie bereits erwähnt ist die akustische Dämpfung α eines Mediums ebenfalls ein Parameter, der während eines dynamischen Prozesses Änderungen unterworfen ist. Im Allgemeinen bezeichnet akustische Dämpfung die kontinuierliche Abnahme der Schallamplitude und -intensität während des Ausbreitungsprozesses; die Verringerung ist also unter konstanten Bedingungen lediglich vom zurückgelegten Weg abhängig. Zustandsänderungen des Mediums haben jedoch auch eine Variation des Dämpfung zufolge. Der zugehörige Dämpfungkoeffizient a wird unter anderem definiert als:

a= lg

A1

A2

2l2 (3.7)

Dämpfung ist ein Maß für Energiedissipation, welche in der Akustik zumeist in Form von Absorpti-on oder Streuung des Schalls auftritt. Im Fall vAbsorpti-on Polymeren tritt EnergieabsorptiAbsorpti-on aufgrund vAbsorpti-on innerer Reibung (Viskosität), morphologischen Änderungen der Polymerstruktur bzw. molekularer Umordnungen auf. Streuung ist vor allem auf Heterogenitäten in der Polymerschmelze bzw. dem erstarrten Polymer, z.B. Füllstoffe oder Hohlräume, zurückzuführen. Eine Änderung des Dämpfungs-koeffizienten des Stahls wird vor allem durch Temperaturänderungen, z.B. durch Wärmeentzug des eingespritzten Kunststoffs im Spritzgießwerkzeug, hervorgerufen. Die akustische Dämpfung enthält also reichlich Information über den Zustand des jeweiligen Mediums und ist daher auch Gegenstand intensiver Forschung. [28],[31]

Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wird primär die Auswertung der ersten Hauptreflexion (A1, siehe Abbildung 3.1) und deren Möglichkeiten bzw. Limitationen untersucht. Da es sich bei handels- bzw. in Produktionsprozessen üblichen Kunststoffen um Polymere mit zumeist hohem Füllstoffgehalt han-delt, ist eine hohe Streuung von Echos zu erwarten, die die Kunststoffschmelze durchwandern. Des Weiteren ist im Allgemeinen zwischen der Sensitivität der Messmethode und dem Signal-Rausch-Verhältnis abzuwägen:

Die relative Amplitude eines Echos Arelist einerseits von den Reflexions-/Transmissionskoeffizienten an den Grenzflächen und andererseits von der Dämpfung der durchlaufenen Medien abhängig: [30]

α= RARRe−2nl1d1 (3.9)

Arel= rn12r10n−1t10α (3.10)

An bezeichnet dabei die n-te Hauptreflexion, n die Anzahl der Reflexionen des Echopulses und α wiederum die Dämpfung, die sich aus der Sensitivität RA bzw. der Verstärkung RR des Sensors und dem Dämpfungsterm des Mediums 1, mit Länge l1 und dessen Dämpfungsfaktor d1, zusam-mensetzt. r10/t10symbolisieren den Reflexions-/Transmissionskoeffizienten an der Grenzfläche Stahl (Medium 1)/Sensor (Medium 0). Grundsätzlich gilt: Die Sensitivität von Arel gegenüber r12 nimmt mit steigendem n zu, d.h. wird in diesem Anwendungsbeispiel sensitiver gegenüber Veränderungen an der Grenzfläche Stahl/Kunststoff. Jedoch entstehen bei jedem Prozess unerwünschte Reflexio-nen, sog. Rauschen, die negativen Einfluss auf die gewünschten Nutzsignale nehmen. Während des Spritzgießprozesses werden diese Störungen aufgrund von Kühlkanälen, Auswerferstifen, etc. her-vorgerufen. Obwohl also die Sensitivität der Messmethode mit Reflexionen höherer Ordnung steigt, ist aus diesem Grund unsere Wahl ebenfalls auf A1 gefallen.

3.2 Signalinterpretation

Aufgrund der vielfältigen (teils störenden) Einflüsse auf das Ultraschallsignal, ist neben dem mess-technischen Wissen auch ein vertieftes Wissen über die Vorgänge im Werkzeugstahl und den Form-gebungsprozess unabdingbar, um die Signale sinnvoll interpretieren zu können. Im Folgenden werden verschiedene, in diesem Zusammenhang auftretende Effekte betrachtet:

3.2.1 Akusto - elastischer Effekt

Der akusto - elastische Effekt beschreibt die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der absolu-ten Stauchung bzw. Dehnung und dem Spannungs - Dehnungszustand des durchlaufenen Mediums. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Zugspannung, desto langsamer und je höher die Druckspan-nung, desto schneller breitet sich der Schall im jeweiligen (isotropen!) Medium aus. So kann z.B. die Vor- bzw. Restspannkraft von Schraubverbindungen überprüft werden. Im Fall des Spritzgieß-prozesses tritt dieser Effekt beim Auf- bzw. Abbau des Forminnendrucks im Werkzeugstahl bzw. dem Dosier-/Angusssystem während des Füll-, Nachdruck- und Abkühlvorgangs auf; es kommt also zur Kompression des Stahls und somit zur Erhöhung der Schallgeschwindigkeit. Abbildung 3.2 zeigt die resultierende Amplitudenänderung und Phasenverschiebung aufgrund zunehmender Schließkräfte. Dazu wurde ein Ultraschallsensor über einem Werkzeugsteg der Trennebene posi-tioniert (Grenzfläche Stahl/Stahl, siehe Abbildung 3.3) und Messungen bei unterschiedlich hohen Schließkräften durchgeführt. Tatsächlich sind die in Abbildung 3.2 gezeigten Laufzeitunterschiede jedoch ein Resultat der Überlagerung des akusto - elastischen Effekts mit der makroskopischen Ver-änderung (elastische Stauchung des Stahls) des Laufweges. Die Abnahme der Amplitudenhöhe ist auf den besseren Kontakt der beiden Stahlflächen zueinenader und die damit verbundene Zunahme des Transmissionskoeffizienten zurückzuführen: Ein höherer Teil des Schallpulses wird transmittiert bzw. ein geringerer Anteil reflektiert, die Amplitudenhöhe nimmt ab. Dieser Effekt ist natürlich anfänglich bei niedrigeren Schließkräften höher (100kN auf 200kN) als bei hohen Schließkräften (500kN auf 800kN), da bereits guter Kontakt besteht. [13],[23]

Abbildung 3.2: Amplitudenänderung und Phasenverschiebung durch Erhöhung der Schließkraft, Sensorpo-sition Steg

Abbildung 3.3: Schematische Darstellung der Sensorpositionierung

3.2.2 Interferenzen durch Randschichtbildung

Abbildung 3.4 zeigt den Sachverhalt der Randschichtbildung innerhalb des in der Kavität abküh-lenden Kunststoffs schematisch. Zur Vereinfachung wird nur eine Werkzeughälfte und daher auch

nur eine Randschicht abgebildet:

Der Ultraschallsensor sitzt auf der beweglichen Werkzeughälfte im Bereich der Auswerfer und kop-pelt den Echopuls mit der Amplitude A0 in den Werkzeugstahl ein. Bei Kontakt der heißen Poly-merschmelze mit der kalten Werkzeugwand erstarrt sofort eine Randschicht. In Abhängigkeit der Werkzeugwandtemperatur und anderen Faktoren der Wärmeleitung wächst diese Schicht mit fort-schreitender Zeit bis das Bauteil entformt werden kann. Dabei steht l1,2für die Längen der jeweiligen Medien 1 und 2, also Stahl und Kunststoff, bzw. dRand für die Dicke der Randschicht.

Aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Polymerschmelze und dem erstarrten Kunststoff bilden sich Reflexionen an der Grenzschicht Feststoff/Schmelze, die, aufgrund der kleinen Dimensionen und der endlichen Bandbreite des Ultraschallsensors, zu Pulsüberlagerungen mit der Reflexion der Kavi-tätenwand führen. Diese sind in der Abbildung 3.4 in blau durch AIgekennzeichnet, der Index I steht dabei für Interferenz. Da ab dem ersten Kontakt der Kunststoffschmelze mit der Werkzeugwand eine erstarrte Randschicht existiert, erfolgt eine ständige Superposition der ersten Hauptreflexion

A1 mit AI. Vom Ultraschallsensor wird also lediglich die Überlagerung A1+I der beiden Teilsignale aufgezeichnet.

Abbildung 3.4: Interfernzen durch Randschichtbildung.

Allerdings handelt es sich durch die stetig wachsende, erstarrte Randschicht nicht um eine kon-stante Überlagerung, da eine stetig steigende Distanz überwunden werden muss. Die wachsende Randschicht führt zur Erhöhung der Laufzeit und je nach Phasenlage zu einer konstruktiven oder destruktiven Überlagerung mit dem zeitlich konstanten Signal der Kavitätenwand. Das Resultat ist ein wellenförmiges Signal, wobei die Maximalwerte den konstruktiven Überlagerungen, und die Minimalwerte den destruktiven Überlagerungen entsprechen (siehe z.B. Abbildung 9.2).

3.2.3 Temperaturabhängigkeit der Schalldämpfung

In der Physik bezeichnet die Dämpfung die räumliche und bzw. oder zeitliche Abnahme einer Schwin-gung oder Welle, wie z.B. Schall. Dabei wird SchwinSchwin-gungsenergie in andere Energieformen, zumeist Wärme, umgewandelt. Abbildung 3.5 zeigt die Abnahme der gemessenen Amplitude des

Ultraschall-signals bei steigender Werkzeugwandtemperatur. Das liegt vor allem an der Temperaturabhängigkeit der Dichte und der Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Medium. Die unten angeführten Messungen wurden an der beweglichen Werkzeughälfte bei offenem Werkzeug durchgeführt.

Da das Werkzeug bei jedem Spritzgussprozess Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, wird dieser Effekt immer Ergebnisse der Ultraschallmessungen beeinflussen. Sollte es nötig sein, kann diese, nahezu lineare, Abnahme des Signals rechnerisch kompensiert werden, wenn zugehörige Tempera-turdaten aufgenommen werden.

Abbildung 3.5: Abnahme der Schallamplitude über die Werkzeugtemperatur.

Dieser Effekt kann aber auch genutzt werden, um festzustellen ob ein Prozess den eingeschwungenen Zustand erreicht hat bzw. das Kühlsystem intakt ist. Zur Kühlung der heißen Polymerschmelze muss die entzogene Wärme über das Werkzeug und das Kühlmedium des Temperiergeräts abgeführt werden. Zufolge des oben beschriebenen Sachverhalts ergibt sich demnach eine Differenz in der Amplitudenhöhe des Ultraschallsignals bei Start und Ende eines Spritzgießzyklus, siehe Abbildung 3.6. Nach der Einschwingphase sind, bei funktionierendem Kühlsystem, sowohl Amplitudenhöhe der Start- (AStart) und Endamplitude (AEnde) und Amplitudendifferenz konstant. Bei defekter Werkzeugkühlung sinkt die Höhe und Differenz der beiden Referenzamplituden selbst bei hohen Zykluszahlen weiter ab, siehe Diagramm 3.7.

Abbildung 3.7: Amplitudendifferenz bei defekter Kühlung, adaptiert übernommen aus [16]

3.2.4 Wirkungsgrad der Ultraschallsensoren

Ein weiterer Grund für den in Abbildung 3.5 gezeigten Sachverhalt ist die Wirkungsgradänderung der piezoelektrischen Ultraschallsensoren in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur. Das liegt daran, dass hohe Temperaturen die Polarisation des Piezoelements und somit dessen Wirkungsgrad stören. Dieser Effekt ist bei moderaten Temperaturen vernachlässigbar, sollte jedoch bei Messungen im Bereich hoher Temperaturen (150-200°C+) nicht missachtet werden, da die Messgenauigkeit zunehmend einschränkt wird.

3.3 Zusammenfassung

Da es sich bei dem empfangenen Signal um eine Superpositon des Echos der Kavitätenwand mit der Reflexion der Grenzschicht erstarrter Kunststoff/Kunststoffschmelze handelt, wurde folgende Vorgehensweise entwickelt, um die maximale Information über den Prozess zu gewinnen:

• Bilden des Absolutwerts • Auswertung 1:

Integration des Intervalls I1, siehe Abbildung 3.8 am Beginn des empfangenen Pulses

Das dadurch erhaltene Ultraschallsignal ist minimal durch Interferenzen der erstarrten Rand-schicht beeinflusst. Intervall I1 wird im weiteren Verlauf auch Anfangsintervall genannt. • Auswertung 2:

Integration des Gesamtpulses (Intervall I2, siehe Abbildung 3.8)

Das dadurch erhaltene Ultraschallsignal ist eine Superposition aus der Reflexion der Kavitä-tenwand und der erstarrten Randschicht und ergibt ein Interferenzsignal zufolge Kapitel 3.2.2. Intervall I2 wird im weiteren Verlauf auch Gesamtintervall genannt.

4

Messtechnik

4.1 Ultraschall Sende- und Empfangseinheit

Funktionsweise

Abbildung 4.1 zeigt den typischen Aufbau einer Sende-/Empfangseinheit für Ultraschallreflexions-bzw. Ultraschalltransmissionsmessungen. Ein Hochspannungspulser erzeugt den nötigen Anregungspuls, welcher über eine Sende - Empfangsweiche zu dem Ultraschallsensor gesendet wird. Bei der Refle-xionsmessung ist diese Weiche nötig, um die empfindlichen Filter und Verstärker von der Hoch-spannung zu entkoppeln. Nach erfolgter Anregung der Ultraschallsonde verbindet diese Sende-/Empfangsweiche den Ultraschallsensor, der die reflektierten Ultraschallsignale in elektrische Signa-le wandelt, mit der EmpfangseSigna-lektronik bestehend aus einem Bandpassfilter für die Unterdrückung unerwünschter Frequenzanteile und einem rauscharmen Verstärker. Schlussendlich werden die gefil-terten und verstärkten Reflexionssignale mittels eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) digitalisiert. Bei der Transmissionsmessung wird der Ultraschallpuls mittels eines gegenüberliegenden Ultraschall-sensors empfangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und direkt an die Empfangselektronik geleitet. Systeme dieser Art sind heutzutage relativ preisgünstig als PC-Einsteckkarten (über PCI - Bus) bzw. als unabhängige Messsysteme (z.B. über USB - Bus mit Rechner verbindbar) von einer Vielzahl an Herstellern erhältlich.

Abbildung 4.1: Aufbau Sende- und Empfangseinheit

Verwendete Systeme

OPBOX 2.0 (Optel, Polen)

• Flanke Anregepuls: 360V / 20ns • Kanäle Reflexionsmessung: 1 • Abtastfrequenz ADC: 100 MHz • Auflösung ADC: 10 bit

• Kommunikation Messrechner: USB

MoldSonics Base Modul (FFG Projekt MoldSonics, JKU IPIM Eigenentwicklung)

• Flanke Anregepuls: -80V / 60ns • Kanäle Reflexionsmessung: 4 • Abtastfrequenz ADC: 100 MHz

• Auflösung ADC: 8 bit

• Kommunikation Messrechner: USB

Mittenfrequenz und Bandbreite des Ultraschallsensors

In allen Messungen wurde ein A10P20 Ultraschallsensor der Firma Euklit mit einer Resonanzfre-quenz von 40kHz verwendet. Die nominelle FreResonanzfre-quenz des Sensors würde für die durchgeführten Messungen dieser Arbeit deutlich zu geringe Auflösungen bieten. Es zeigte sich jedoch, dass bei geeigneter Anregung mit einem Hochspannungspuls Pulsfrequenzen im notwendigen Megahertz ge-sendet und empfangen werden können. Abbildung 4.2 (a) zeigt den empfangenen Ultraschallpuls im Zeitbereich und abgeleitet aus diesem Signal, die Fourier - transformierte in Abbildung 4.2 (b). Die Mittenfrequenz des Ultraschallsensors ergibt sich daraus mit 4.22 MHz mit einer relativ geringen Bandbreite von 0.49 MHz.

(a) (b)

Abbildung 4.2: Ultraschallpuls im Zeitbereich (a), Frequenzspektrum (b)

4.2 Forminnendrucksensoren

• Spritzgusswerkzeug: Kistler Typ 6157BA

• Liquid Silicone Rubber Messaufbau: Gefran Impact Serie IE / PLc Version

5

Experimentalblock I: Standardspritzguss

5.1 Aufbau

Wie aus Kapitel 3.2 hervorgeht, gibt es mehrere Größen, die auf Ultraschallmessungen Einfluss neh-men können. Um diese Problematik mit den gesetzten Zielen zu vereinen, müssen Änderungen von Parametern im Spritzgießprozess so vorgenommen werden, dass eine eindeutige Korrelation mit den Änderungen im Ultraschallsignal sichergestellt werden kann. Aufgrund bisheriger Erfahrungen am Institut für Polymerspritzgießtechnik und Prozessautomatisierung mit Ultraschallmessungen von PP HD120MO bzw. dessen Nachfolger PP HE125MO, verarbeitet in einem zwei Kavitäten 70x70x4 Plattenwerkzeug, wurde auch in dieser Arbeit dieses Werkzeug für Grundsatzversuche herangezo-gen. Ausgehend von diesem Standardaufbau wurden in weiterer Folge Änderungen vorgenommen. Wie beispielhaft in Abbildung 5.1 gezeigt, wird der Sensor senkrecht zur Kavität positioniert. Dies kann über Kleben, einen Magnetschuh oder eine Sacklochbohrung erfolgen.

Der erste Experimentalblock beschäftigt sich mit dem Standardspritzguss, also der Verarbeitung von teilkristallinen bzw. amorphen Kunststoffen im klassischen Spritzgießverfahren. Es wurden aus-schließlich Messungen mit einem Ultraschallsensor im Reflexionsmodus vorgenommen. Dieser wird an eine Sende- und Empfängereinheit angeschlossen, die wiederum mit einem Messrechner verbun-den ist, der über ein Triggersignal der Spritzgussmaschine und die zugehörige Software Messungen starten kann. In diesem Experimentalblock kam ausschließlich die Sende- und Empfangseinheit OPBOX 2.0 von Optel zur Anwendung. Wie im Kapitel 2.3 bereits erwähnt, induzieren am piezo-elektrischen Sensor eintreffende Schallwellen ein Spannungssignal, das durch den Pulser/Reciever abgetastet, verstärkt, gefiltert und in ein digitales Signal umgewandelt wird. Dem Ultraschallsensor gegenüberliegend wurde ein Forminnendrucksensor der Firma Kistler positioniert. Das Signal des Forminnendrucksensors kann direkt über die Engel Maschinensteuerung ausgelesen und gespeichert werden.

Tabelle 5.1 zeigt die gewählten Konfigurationen des Standardaufbaus im Zuge der durchgeführten Versuche:

Kunststoff Spritzgussmaschine Werkzeug Variation von PP HE125MO Engel Victory 80 70x70x4 Platten, 2-fach ND, TW

Engel e-motion 100 Petrischalen, 4-fach ND

Engel Victory 80 Schulterstab Sensorposition Auswerfer PE MG9647S Engel Victory 80 70x70x4 Platten, 2-fach ND, USV

PS BASF 143E Engel Victory 80 70x70x4 Platten, 2-fach ND PC Lexan LS2 Engel Victory 80 70x70x4 Platten, 2-fach ND, USV

Tabelle 5.1:Versuchsaufbau Standardspritzguss teilkristallin/amorph

Neben dem Polypropylen HE125MO wurde ein zweites teilkristallines Polymer, Polyethylen MG9647S, ebenfalls von Borealis, und zwei amorphe Kunststoffe, Polystyrol 143E von BASF und Polycarbonat Lexan LS2 von Sabic, vermessen (Datenblätter siehe Anhang D). Das PC wurde 3,5h bei 120◦_C getrocknet. Bei jedem Wechsel des verarbeiteten Kunststoffs wurde das Plattenwerkzeug (und da-mit auch die Sensorposition) beibehalten, um andere Einflüsse ausschließen zu können. Die äußerst rechte Spalte zeigt an, was im Zuge der Messungen variiert wurde: ND steht dabei für die Nach-druckhöhe, USV für das Umschaltvolumen und TW für die Werkzeugwandtemperatur. Mit dem zuvor üblicherweise verwendeten Kunststoff PP HE125MO wurden Erfahrungen auf neuen Werk-zeugen gewonnen. Mit der Produktion von Petrischalen mittels Heißkanalangusssystem auf der Engel e-motion 100 wurde die Durchführbarkeit bzw. Messgenauigkeit bei einem Prozess mit kurzer Zykluszeit und dünnem (> 1mm Dicke an der dünnsten Stelle) Formteil untersucht; bei der Stu-die mit dem Schulterstab - Versuchswerkzeug wurde der Ultraschallsensor auf einem Auswerferstift positioniert. Dieser wurde zuvor gekürzt und so fixiert, dass er möglichst bündig mit der Kavität abschließt, siehe Abbildung 5.2.

Abbildung 5.2: Sensorposition Auswerferpaket

5.2 Versuchsplan

Tabelle 5.2 zeigt die verwendeten Maschineneinstellparameter des Standardprozesses, von dem aus Änderungen vorgenommen wurden. Analog zum Versuchsaufbau wird immer nur ein Parameter geändert, um seinen Einfluss auf das Signal zu untersuchen. Weiters wurden die Einstellungen von Polypropylen für Polyethylen und Polystyrol übernommen, um Effekte durch unterschiedliche Temperaturbedingungen zu vermeiden; bei Polycarbonat war dies nicht möglich. Bei der Variation des Nachdrucks mit PP und dem 70x70x4 Plattenwerkzeug wurde zusätzlich der Verlauf des Drucks in der Kavität mithilfe des Forminnendrucksensors aufgenommen.

Kunststoff Werkzeug TM[◦C] TW[◦C] pN[bar] tN[s] vE[cm3/s]

PP HE125MO 70x70x4 Platte 240 20 200 8 50

Petrischalenwerkzeug 240 70 400 2,6 120

Schulterstab 200 20 600 8 45

PE MG9647S 70x70x4 Platte 240 20 200 8 50

PS BASF 143E 70x70x4 Platte 240 20 200 8 50

PC Lexan LS2 70x70x4 Platte 310 70 200 8 50

Tabelle 5.2: Standard Maschineneinstellparameter • Variation des Nachdrucks:

Der Nachdruck wurde sowohl bei Messungen mit dem Platten-, als auch dem Petrischalenwerk-zeug variiert. Im Fall der 70x70x4 Platten wird der Nachdruck von 50 bar in 50er Schritten auf 300 bar angehoben, bei den Petrischalen wird der Druck nur von den üblichen 400 bar in 100er Schritten auf 100 bar verringert.

• Variation des Umschaltvolumens:

Da das Umschaltvolumen natürlich vom verarbeiteten Kunststoff abhängig ist, musste es zuvor jeweils mithilfe einer Füllstudie ermittelt werden. Der auf diesem Weg bestimmte Wert soll einen guten Umschaltzeitpunkt repräsentieren, der dann nach oben und unten abgeändert wurde, um den Sachverhalt zu früh/zu spät umschalten zu untersuchen. Diese Messungen wurden sowohl mit als auch ohne Nachdruck durchgeführt.

• Variation der Werkzeugwandtemperatur:

Zur Untersuchung der mittleren Randschichtwachstumsgeschwindigkeit, wurden Messungen bei verschiedenen Werkzeugwandtemperaturen, 25, 50 und 75◦_{C, durchgeführt. Eine Änderung} der Werkzeugtemperatur dauert mehrere Stunden, um ein gleichmäßiges Temperaturprofil zu garantieren.

• Sensorposition Auswerferstift:

Beim Wechsel der Sensorposition, ähnlich zum Prozess mit kurzer Zykluszeit, stand die Frage der Durchführbarkeit bzw. Messgenauigkeit im Zentrum. Da der eingekoppelte Echopuls in Form eines Kegels ausgesandt wird und der Durchmesser des Auswerferstifts nur wenige Mil-limeter beträgt, kommt es zu Reflexionen an der Grenzfläche Auswerferstift/Werkzeug, siehe Abbildung 5.3, die das Messergebnis wegen unerwünschter Überlagerung negativ beeinflussen.

Abbildung 5.3: Reflexionen durch kegelförmige Ausbreitung des Ultraschalls

Alle Messungen wurden im eingeschwungenen Zustand durchgeführt; pro Messeinstellung wurden drei Messungen vorgenommen.

Auswertung

Wie schon im Unterkapitel Versuchsaufbau beschrieben, wurden in diesem Experimentalblock aus-schließlich Messungen mithilfe eines Ultraschallsensors im Reflexionsmodus durchgeführt. Die Ana-lyse der Versuche beschränkt sich auf die erste Hauptreflexion und deren Auswertung mithilfe des Anfangs- und Gesamtintervalls. Um die Vergleichbarkeit herzustellen werden alle Messergebnisse normiert, sofern alle 3 Messungen einer Versuchseinstellung (im Verlauf) deckungsgleich sind, wer-den diese gemittelt. (Näheres dazu im Kapitel Signalverarbeitung 8)

6

Experimentalblock II: Schaumspritzguss

6.1 Aufbau

Der Aufbau der Schaumspritzguss - Versuche war ähnlich zum Standardaufbau im vorigen Experi-mentalblock. Alle Messungen wurden ausschließlich mithilfe des 70x70x4 Plattenwerkzeugs und der Sende- und Empfangseinheit OPBOX 2.0 auf der Maschine Engel Victory vc80 durchgeführt. Die Sensorposition war analog zu Abbildung 5.1, ebenso das messtechnische Equipment. Der Kunststoff PP HE125MO wurde mithilfe des chemischen Treibmittels TecoCell H1 von Trexel, siehe Datenblatt in Anhang D, geschäumt. Aufgrund fehlender Möglichkeit zu maschineller Dosierung wurde es dem Kunststoffgranulat händisch im gewünschten Gewichtsverhältnis beigemengt.

6.2 Versuchsplan

Im Zuge der Versuche des zweiten Experimentalblocks wurden im Grunde 4 Parameter verändert: Die Schmelzetemperatur TM, die Werkzeugwandtemperatur TW, die Einspritzgeschwindigkeit vE und die Gewichtsprozent des beigemengten Treibmittels. Tabelle 6.1 zeigt den vollfaktoriellen Ver-suchsplan bestehend aus den ersten drei Größen; + steht dabei für den hohen Einstellungswert, - für den niedrigen. Dabei wurden für die Schmelzetemperatur TM = 260/230◦_{C, für die} Werkzeugtem-peratur TW = 50/30◦_{C und für die Einspritzgeschwindigkeit vE = 80/30cm}3_{/s gewählt. Alle acht} Messreihen wurden bei einem Treibmittelgehalt von 1m% durchgeführt. Mit den Treibmittelgehäl-tern 0,5 und 2m% wurden lediglich die fett gedruckten Messreihen 3 und 6 wiederholt. Bei jeder Einstellung wurden zehn aufeinander folgende Schüsse vermessen, nachdem der eingeschwungene Zustand erreicht war. Der Nachdruck wurde deaktiviert und die Kavitäten nicht vollständig gefüllt; es handelt sich dabei also um das Niederdruck - Schaumspritzgussverfahren.

Messreihe TM TW vE 1 - + + 2 - + -3 - - -4 + - -5 + - + 6 + + + 7 + + -8 - - +

Tabelle 6.1: Versuchsplan Schaumspritzguss

Auswertung

Alle durchgeführten Schaumspritzgussversuche erfolgten mit einem Ultraschallsensor im Reflexi-onsmodus und werden mithilfe Auswertung 1 und 2 analysiert. Zusätzlich werden bei ausgewählten Messreihen die Reflexionen der Gegenseite (siehe A2 schematische Darstellung 3.1) bzw. die akus-tische Dämpfung (siehe Formel 3.7) bestimmt. Um die Vergleichbarkeit herzustellen werden alle Messergebnisse normiert, es werden jedoch keine Messungen einer Messreihe gemittelt, um auftre-tende Unterschiede zwischen den einzelnen Schüssen zu detektieren.