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Überwachung von spritzgegossenen Kunststoffen mittels integrierten faseroptischen Sensoren


Kurzfassung

Der Spritzgussprozess ist das wichtigste vollautomatische Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Kunststoffprodukten mit komplexer Geometrie in der kunststoffverarbeitenden Industrie.

Momentan gibt es kein Verfahren, welches Prozesstemperaturen und innere Dehnungen (aufgrund von Materialschwindungen) während des Spritzgussprozesses im Bauteil selbst erfasst und somit eine Aussage über den Zustand kritischer Stellen im Bauteilinneren erlaubt.

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz besteht in der Erfassung von Prozesstemperaturen und inneren Dehnungen in der Formmasse während des Spritzgießens bzw. am spritzgegossenen Bauteil. Dies ermöglicht es Aussagen zu Temperaturverteilungen, Fließgeschwindigkeiten, Schwindung und Eigenspannungen im spritzgegossenen Bauteil zu gewinnen. Die integrierte Sensorik erlaubt ebenso die Zustandsbewertung des Bauteils bzw. der spritzgegossenen Komponente während der Nutzungsphase.


Hintergrund

Der Spritzgussprozess ist das wichtigste vollautomatische Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Kunststoffprodukten mit komplexer Geometrie in der kunststoffverarbeitenden Industrie. Die Formteilqualität beim Kunststoffspritzguss wird maßgeblich durch die kunststoffspezifischen Prozessparameter und das Werkzeugdesign bestimmt. Die Optimierung des Spritzgussprozesses erfolgt somit vorwiegend über die Bewertung der Qualität des Endproduktes.


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Problemstellung

Momentan gibt es kein Verfahren, welches Prozesstemperaturen und innere Dehnungen (aufgrund von Materialschwindungen) während des Spritzgussprozesses im Bauteil selbst erfasst und somit eine Aussage über den Zustand kritischer Stellen im Bauteilinneren erlaubt.

Speziell aber bei komplexen Spritzgussprozessen (wie z.B. dem Hybridspritzgießen) und anspruchsvollen Spritzgussprodukten sind Aussagen zum Temperatur- und Dehnungsverlauf in den Bauteilen wichtig, um gegen Prozessschwankungen stabile Spritzprodukte mit definierten Eigenschaften zu entwickeln.

Insbesondere in der Prototypenphase sowie bei der Umstellung auf die Serienfertigung ist eine gezielte Prozessoptimierung mit schwindungsoptimierten Bauteilen notwendig, um unkontrollierten Bauteilverzug aufgrund von Schwindverhalten (innere Dehnungen und Eigenspannungen) des polymeren Materials  zu reduzieren bzw. zu verhindern.


Lösung

Der erfindungsgemäße Lösungsansatz besteht in der Erfassung von Prozesstemperaturen und inneren Dehnungen in der Formmasse während des Spritzgießens bzw. am spritzgegossenen Bauteil. Dies ermöglicht es Aussagen zu Temperaturverteilungen, Fließgeschwindigkeiten, Schwindung und Eigenspannungen im spritzgegossenen Bauteil zu gewinnen. Die integrierte Sensorik erlaubt ebenso die Zustandsbewertung des Bauteils bzw. der spritzgegossenen Komponente während der Nutzungsphase.

 Über die Einkopplung und Auswertung von Licht können Informationen über den Zustand der optischen Glasfasern gewonnen werden. An der optischen Glasfaser angreifende Spannungen (Dehnungen) bzw. Temperatur (Temperaturdehnung) bewirken Änderungen der Lichteigenschaften, die messtechnisch erfasst werden können. Somit sind Rückschlüsse auf Temperaturen und Dehnungen quasi-kontinuierlich über eine optische Glasfaser möglich. Dazu können Faser-Bragg-Gitter genutzt oder die Messungen über die Rayleigh-Streuung mittels OFDR-Technik erfolgen. Es können auch Polymerfasern eingesetzt werden.

Aufgrund der Baugröße (geringes Gewicht, geringer Durchmesser) sind faseroptische Sensoren in Strukturen prima integrierbar und beeinflussen die Eigenschaften des Bauteils unerheblich. Das ermöglicht eine hohe Anzahl an Messpunkten, entweder an definierten Positionen oder quasi-kontinuierlich verteilt zu erfassen. Zeitsynchron können mehrere Messwerte erfasst und ausgewertet werden.

Die qualitative Bewertung des Spritzgussprozesses und des Zustandes spritzgegossener Bauteile während der Nutzungsphase für komplexe und hybride Spritzgussbauteile ermöglicht eine Qualitätssteigerung spritzgegossener Produkte sowie eine automatisierte Erfassung und Bewertung von Eigenschaftsänderungen.


Vorteile

  • Rückschlüsse auf Temperaturen und Dehnungen sind quasi-kontinuierlich möglich,
  • Nutzung von Faser-Bragg-Gitter oder Messungen über Rayleigh-Streuung mittels OFDR-Technik möglich,
  • Integrierbar in Bauteile ohne Beeinflussung der Eigenschaften des jeweiligen Bauteils unerheblich,
  • hohe Anzahl an Messpunkten möglich,
  • Zeitsynchrone Erfassung und Auswertung von mehreren Messwerten,
  • Qualitative Bewertung des Spritzgussprozesses und des Zustandes spritzgegossener Bauteile während der Nutzungsphase für komplexe und hybride Spritzgussbauteile möglich,
  • Qualitätssteigerung spritzgegossener Produkte,
  • Automatisierte Erfassung und Bewertung von Eigenschaftsänderungen.

Anwendungsbereiche

Vollautomatische Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von Kunststoffprodukten mit komplexer Geometrie in der kunststoffverarbeitenden Industrie.


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Entwicklungsstand

Funktionsnachweis


Patentsituation

  • DE 10 2016 205 099.0 anhängig

Stichworte

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Kontakt | Geschäftsstelle

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(Geschäftsstellenleiterin)

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Schloßstr. 11-15
D-45468 Mülheim an der Ruhr