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Die Erfindung betrifft Messfühler zur Messung der Temperatur einer in eine Form eingeschlossenen Masse, insbesondere der Kunststoffschmelze in einem Spritzgusswerkzeug, mit einem an der der Masse zugewandten Endfläche des Messfühlers eine Messstelle aufweisenden vorheizbaren Thermoelement.
Beim Spritzgiessen von thermoplastischen Kunststoffen bildet die Temperatur der Kunststoffschmelze beim Eintritt in das Spritzgiesswerkzeug eine Zustandsgrösse von besonderer Bedeutung. Eine optimale Prozessführung ist nur möglich, wenn neben Viskosität und Druck auch die Temperatur auf einen vorbestimmten Wert eingeregelt werden kann. Schwankungen der Temperatur von einem Spritzvorgang zum nächsten lassen Rückschlüsse auf Veränderungen der Eingangsparameter und Eigenschaften des Spritzgussteiles zu. Die Feststellung solcher Schwankungen ist daher ein wesentliches Hilfsmittel bei der Prozessführung.
Thermoelemente zeichnen sich durch ihre kleinen Abmessungen, den geringen Preis und die einfache Handhabung gegenüber andern Temperaturmessgeräten aus und sind daher das bevorzugte Hilfsmittel bei der Feststellung der Massetemperatur im Spritzgiesswerkzeug.
Werden handelsübliche Thermoelemente wärmeisoliert in die Werkzeugwandung eingebracht, so zeigt sich, dass diese die Temperatur der Masse, insbesondere deren Eintrittstemperatur, viel zu niedrig wiedergeben. Bei tatsächlichen Eintrittstemperaturen von 2250C ist es keineswegs ungewöhnlich, dass vom Messfühler nie höhere Werte als 1100C registriert werden. Wegen dieser enormen Diskrepanz erlaubt die herkömmliche Art der Messung praktisch nur qualitative Aussagen.
Die Ursache für die erwähnte Missweisung der bekannten Geräte liegt zunächst darin, dass eine gewisse Zeit verstreicht, bis das Thermoelement von der heissen Kunststoffschmelze auf deren Temperatur gebracht worden ist. In der Zeit, welche das Thermoelement zur Erwärmung benötigt, hat sich die Kunststoffmasse bereits beträchtlich abgekühlt und nur diese bereits verringerte Temperatur kann ein herkömmlicher Messfühler im besten Fall feststellen. Der Unterschied dieser Temperatur zur tatsächlichen Eintrittstemperatur wird als Trägheitsfehler bezeichnet. In der Praxis zeigt sich, dass das Thermoelement die Temperatur der Schmelze überhaupt nie ganz erreicht, da auf Grund der notwendigerweise unvollkommenen thermischen Isolierung des Messfühlers dauernd Wärme durch den Messfühler zu der ihn umgebenden gekühlten Formwandung abgeleitet wird.
Zu dem erwähnten Trägheitsfehler kommt also noch ein sogenannter Wärmeleitfehler, der die Tatsache widerspiegelt, dass das Thermoelement nicht nur unter dem Einfluss der heissen Kunststoffschmelze sondern auch unter dem Einfluss der kühlenden Formwandung steht.
Um die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden wurde bereits ein Messfühler zur Messung der Temperatur einer in eine Form eingeschlossenen Masse, insbesondere der Kunststoffschmelze in einem Spritzgusswerkzeug, mit einem an der der Masse zugewandten Endfläche des Messfühlers eine Messstelle aufweisenden vorheizbaren Thermoelement vorgeschlagen. Der einzige bisher bekanntgewordene derartige Messfühler ragt mit einem z. B. 6 mm langen Vorsprung in die Form, der an seiner Spitze und an seiner Basis je eine Messstelle aufweist. Mit diesem Gerät lassen sich Trägheits-und Wärmeleitfehler weitgehend vermeiden, wenn man den gesamten Messfühler auf die zu erwartende Massetemperatur vorheizt und durch zusätzliche Heizung das Entstehen eines Temperaturgradienten zwischen den beiden Messstellen verhindert.
Trotz dieser Vorzüge ist das bekannte Gerät nur für Laborversuche und nicht für die Praxis verwendbar. Zunächst ist nämlich der vorspringende Teil des empfindlichen Fühlers dem Spritzdruck ungeschützt ausgesetzt. Der Vorsprung des Fühlers kann überdies nur in Schliessrichtung weisen, da sonst ein Entformen unmöglich wird. Vor allem aber ist es nachteilig, dass ein Abdruck des Fühlervorsprunges im Spritzling entsteht, der wegen seiner Tiefe von mehreren mm nur bei Spritzlinge grosser Wandstärke notfalls in Kauf genommen werden kann.
Der Erfindung liegt nun die überlegung zugrunde, dass entscheidend für die Kontrolle des Spritzgiessvorganges nicht die Kenntnis des gesamten Temperaturverlaufes der eingebrachten Schmelze, als vielmehr die Kenntnis der Einspritztemperatur ist. Diese Temperatur kann jedoch auch dann ohne grössere Abweichung festgestellt werden, wenn man darauf verzichtet, einen geheizten Messfühler mit zwei voneinander distanzierten Messstellen zu versehen. Es genügt hiebei, dass der Messfühler auf die erwartete Einspritztemperatur vorheizbar ist, wie das auch bei dem bekannten heizbaren Messfühler notwendig ist. Die Nachteile des bekannten Messfühlers mit vorheizbarem Thermoelement werden somit erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass die der Masse zugewandte Endfläche des Messfühlers glatt an die Innenfläche der den Messfühler umgebenden Formwandung anschliesst.
Um den Trägheitsfehler gering zu halten, wird dabei vorzugsweise vorgesehen, dass die im Zentrum der Endfläche des Messfühlers angebrachte Messstelle des Thermoelementes aus zwei flächig verbundenen Plättchen zusammengesetzt ist. Die beiden miteinander verbundenen Plättchen können dabei in üblicher Weise aus Eisen bzw. aus Konstantan bestehen.
Für Form und Aufbau des erfindungsgemässen Messfühlers sind verschiedene Ausführungen denkbar, doch ist die Zahl der möglichen Varianten dadurch eingeschränkt, dass die Messstelle gegenüber der metallischen Formwandung thermisch und elektrisch isoliert sein muss, wozu sie am besten auf Kunststoff aufgebracht wird, dass jedoch anderseits die Endfläche des Messfühlers dem Spritzdruck im Werkzeug gewachsen sein muss. Vorzugsweise weist daher der erfmdungsgemässe Messfühler einen eine Heizwicklung tragenden Eisenkern auf, der von einer den eigentlichen Thermodraht tragenden Kunststoffhülle umgeben ist. Den Mantel des zylindrischen
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Messfühlers kann ein in bekannter Weise als Hohlzylinder ausgebildeter Stahladapter bilden, der mittels eines Gewindes in eine geeignete Ausnehmung der Formwandung einschraubbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anschliessend an Hand der Zeichnung dargestellt, die einen Längsschnitt durch einen in eine Form eingeschraubten Messfühler zeigt.
Der dargestellte Messfühler weist eine die Festigkeit der Anordnung garantierenden spulenförmigen Eisenkern--l--auf, der von der nur teilweise dargestellten Wicklung--2--einer regelbaren Heizung umgeben ist. Der Eisenkern--l--mit der darauf angeordneten Wicklung--2--ist in eine aus hitzebeständigem Kunststoff vorzugsweise aus Polyimid bestehende Hülle --3-- eingepasst, die aus mehreren rotationssymmetrischen Teilen zusammengesetzt ist. Durch die Hülle --3-- sind zwei Drähte--4, 4'--aus verschiedenem Material geführt, die in der plättchenförmigen Messstelle-5-grossflächig miteinander verbunden sind.
Ein mit einem Gewinde-6-versehener Stahladapter-7-bildet den äusseren Abschluss des Messfühlers, der glatt an die Innenfläche--8--der Formwandung--9--anschliesst.
Bei einer Heizleistung von 40 W dauert es etwa 5 bis 10 sec, bis sich der Messfühler auf der zwischen 200 und 2500C liegenden Einspritztemperatur befindet. Durch eine Probeeinspritzung lässt sich leicht feststellen, ob, der vorgewählte Temperaturwert zu hoch oder zu niedrig lag, da es je nachdem unmittelbar nach der Einspritzung zu einem Temperatursprung nach unten oder oben kommt. Nach einigen Versuchenn weicht die zu messende Einspritztemperatur nur mehr ganz geringfügig von der vorgewählten Temperatur des Messfühlers ab, so dass auch ein allfälliger Fehler bei der Messung der Differenz dieser beiden Temperaturen nur mehr zu einem relativ geringfügigem Fehler des Gesamtwertes der Temperatur führt. Die Abweichungen liegen in einem Bereich von 5 C von der tatsächlichen Temperatur.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messfühler zur Messung der Temperatur einer in eine Form eingeschlossenen Masse, insbesondere der Kunststoffschmelze in einem Spritzgusswerkzeug, mit einem an der der Masse zugewandten Endfläche des
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die der Masse zugewandte und mit der Messstelle (5) versehene Endfläche des Messfühlers glatt an die Innenfläche (8) der den Messfühler umgebenden Formwandung (9) anschliesst.
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