AT520658B1 - PROCESS MONITORING IN THE MANUFACTURING OF INJECTION MOLDED PARTS - Google Patents

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AT520658B1 ATA51018/2017A AT510182017A AT520658B1 AT 520658 B1 AT520658 B1 AT 520658B1 AT 510182017 A AT510182017 A AT 510182017A AT 520658 B1 AT520658 B1 AT 520658B1
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Abstract

Im Folgenden wird ein Messsystem zur Überwachung eines Gießprozesses beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Messsystem einen Ultraschall-Transducer (8) auf, der dazu ausgebildet ist, Ultraschall-Pulse in ein Gusswerkzeug (7) einzukoppeln. Das Messsystem weist weiter eine mit dem Ultraschall-Transducer (8) gekoppelte Sensorschaltung (22) auf, die dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung der Ultraschall-Pulse den Ultraschall-Transducer (8) mit einem Ansteuersignal, das eine Sequenz von Pulsen aufweist, anzusteuern und ein von dem Ultraschall-Transducer (8) (oder einem weiteren Ultraschall-Transducer) (8) bereitgestelltes Empfangssignal (u(t)), das im Gusswerkzeug reflektierte Ultraschall-Pulse repräsentiert, zu verarbeiten. Das Empfangssignal (u(t)) weist eine mit dem Ansteuersignal korrespondierende Sequenz von Pulsen auf, die jeweils aus einen Hauptpuls und Nachschwingen umfassen. Die Verarbeitung des Empfangssignals beinhaltet unter anderem – für jeden Puls des Empfangssignals (u(t)) – das Erzeugen eines ersten Messwertes (UH(t)), , der die Amplitude des Hauptpulses repräsentiert, und eines zweiten Messwertes (UN(t)), , der die Amplitude des Nachschwingens repräsentiert.A measuring system for monitoring a casting process is described below. According to one exemplary embodiment, the measuring system has an ultrasonic transducer (8) which is designed to couple ultrasonic pulses into a casting tool (7). The measuring system also has a sensor circuit (22) coupled to the ultrasonic transducer (8), which is designed to control the ultrasonic transducer (8) with a control signal that has a sequence of pulses in order to generate the ultrasonic pulses and to process a received signal (u (t)) provided by the ultrasonic transducer (8) (or a further ultrasonic transducer) (8), which represents ultrasonic pulses reflected in the casting tool. The received signal (u (t)) has a sequence of pulses which corresponds to the control signal and which each comprise a main pulse and post-oscillation. The processing of the received signal includes - for each pulse of the received signal (u (t)) - the generation of a first measured value (UH (t)), which represents the amplitude of the main pulse, and a second measured value (UN (t)) , which represents the amplitude of the ringing.

Description

Beschreibungdescription

PROZESSÜBERWACHUNG BEI DER HERSTELLUNG VON SPRITZGUSSFORMTEILEN PROCESS MONITORING IN THE MANUFACTURING OF INJECTION MOLDED PARTS

TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA

[0001] Die vorliegende Beschreibung betrifft die Überwachung eines Spritzgussprozesses mittels eines Ultraschallsensors. [0001] The present description relates to the monitoring of an injection molding process by means of an ultrasonic sensor.

HINTERGRUND BACKGROUND

[0002] Spritzgießen ist einer der wichtigsten Herstellungsprozesse in der Kunststoffverarbeitung. Immer höher werdende Qualitätsanforderungen an die gefertigten Bauteile bezüglich mechanischer und/oder optischer Eigenschaften, die Minimierung von Ausschuss (Stichwort „Nullfehlerproduktion“) sowie die selbstständige Optimierung (also die Verkürzung der Produktionszeiten bzw. der automatisierte Ausgleich sich veränderbarer äußerer Einflüsse) spielen in zunehmendem Maße eine Rolle, um geforderte Qualitätsanforderungen gerecht zu werden. Injection molding is one of the most important manufacturing processes in plastics processing. Increasingly higher quality requirements for the manufactured components with regard to mechanical and / or optical properties, the minimization of rejects (keyword "zero defect production") as well as the independent optimization (i.e. the shortening of production times or the automated compensation of changeable external influences) play an increasing role a role to meet the required quality requirements.

[0003] Eine sogenannte Formgebungseinheit besteht prinzipiell aus einer Spritzgießmaschine und dem Spritzgießwerkzeug. Während das Spritzgießwerkzeug mindestens eine Negativform die sogenannte Kavität - des herzustellenden Formteils aufweist, verarbeitet die Spritzgießmaschine das meist granulatförmige Kunststoffgrundmaterial in eine fließfähige Schmelze und spritzt dieses Material unter hohen Drücken in das Werkzeug ein, wo es in der Kavität auskühlt (bzw. in Reaktion gebracht wird). In vielen Fällen kann aus dem Werkzeug das fertige Formteil herausgelöst (entformt) werden. Bei dem Spritzgießwerkzeug und der Spritzgießmaschine handelt es sich häufig um eine rein bauliche Einheit ohne jegliche Verbindung mittels Sensorik. A so-called molding unit basically consists of an injection molding machine and the injection molding tool. While the injection molding tool has at least one negative mold - the so-called cavity - of the molded part to be produced, the injection molding machine processes the mostly granular plastic base material into a flowable melt and injects this material under high pressure into the tool, where it cools down (or reacts) in the cavity becomes). In many cases, the finished molded part can be detached (demolded) from the tool. The injection molding tool and the injection molding machine are often a purely structural unit without any connection by means of sensors.

[0004] Falls auf eine Überwachung des Prozesses mittels Sensoren nicht verzichtet werden kann - sei es aus Gründen der nötigen/vorgeschriebenen Qualitätssicherung oder weil für die Steuerung des Spritzgießprozesses Sensordaten benötigt werden - haben sich am Markt sogenannte Forminnendrucksensoren und Formteiltemperatursensoren etabliert. If monitoring of the process by means of sensors cannot be dispensed with - be it for reasons of the necessary / prescribed quality assurance or because sensor data are required to control the injection molding process - so-called internal mold pressure sensors and molded part temperature sensors have become established on the market.

[0005] Für eine genaue Messung ist es jedoch in der Regel notwendig, dass der Sensorkopf das Kunststoffformteil berührt, wofür eine Bohrung in die Kavität hinein notwendig ist. Um eine fehlerfreie Messung und Dichtheit der Kavität bei hohen Drücken zu garantieren, werden an die Bohrungen in das Werkzeug strenge Toleranzanforderungen gestellt, was entsprechende Kosten zur Folge hat. Der resultierende, am fertigen Formteil sichtbare Abdruck des Sensorkopfes ist für viele Anwendungen, bei denen eine Messung sinnvoll wäre - wie optischer Komponenten (z.B. Linsen, Autoscheinwerfergehäuse, etc.) - ein Ausschließungsgrund. For an accurate measurement, however, it is usually necessary that the sensor head touches the molded plastic part, for which a hole into the cavity is necessary. In order to guarantee error-free measurement and tightness of the cavity at high pressures, strict tolerance requirements are placed on the bores in the tool, which results in corresponding costs. The resulting imprint of the sensor head visible on the finished molded part is a reason for exclusion for many applications in which a measurement would be useful - such as optical components (e.g. lenses, car headlight housings, etc.).

[0006] Darüber hinaus dienen die Sensordaten von Forminnendrucksensoren üblicherweise der Prozessüberwachung, die im besten Fall mit den Produkteigenschaften des gefertigten Formteils korrelieren jedoch nicht müssen. Die standardmäßig eingesetzten Formteiltemperatursensoren sind in der Regel nicht geeignet, die für die Produkteigenschaften wichtige Abkühlrate (Abkühlgeschwindigkeit) quantitativ zu bestimmen. Die hohen Drücke beim Spritzgießen erfordern eine massive Ummantelung des eigentlichen Sensorelementes (z.B. Thermoelemente), was große Ansprechzeiten im Sekundenbereich zur Folge hat. Der Sensorkopf steht auch in Berührung mit dem (temperierten) Werkzeug, was ebenfalls das Ergebnis der Temperaturmessung verfälschen kann. In addition, the sensor data from internal mold pressure sensors are usually used for process monitoring, which in the best case do not have to correlate with the product properties of the molded part produced. The molded part temperature sensors used as standard are generally not suitable for quantitatively determining the cooling rate (cooling rate) that is important for the product properties. The high pressures in injection molding require a massive coating of the actual sensor element (e.g. thermocouples), which results in long response times in the range of seconds. The sensor head is also in contact with the (temperature-controlled) tool, which can also falsify the result of the temperature measurement.

[0007] Eine vielversprechende Möglichkeit zur gleichzeitigen Überwachung von Prozess- und Produkteigenschaften während des Spritzgießens besteht in der Verwendung von gepulsten Ultraschall-Sensorsystemen. In einer Vielzahl von Publikationen (z.B. DE 197 37 276 C2, DE 198 34 797 C2, EP 2 657 801 A2, DE 20 2012 008 359 U1, US 5,951,163 A, WO 03/089214 A2) wird direkte oder indirekte die Messung der Schallgeschwindigkeit- und der Schalldämpfung in einer Reflexionsanordnung (d.h. Ultraschallsender = Ultraschallempfänger) oder einer Transmissionsanordnung beschrieben. Die direkte Kopplung viskoelastischer bzw. thermodynamischer Eigenschaften mit der Schalldämpfung bzw. Schallgeschwindigkeit ermöglicht theoretisch eine Vielzahl A promising possibility for the simultaneous monitoring of process and product properties during injection molding consists in the use of pulsed ultrasonic sensor systems. In a large number of publications (e.g. DE 197 37 276 C2, DE 198 34 797 C2, EP 2 657 801 A2, DE 20 2012 008 359 U1, US 5,951,163 A, WO 03/089214 A2) the measurement of the speed of sound is direct or indirect - and the sound attenuation in a reflection arrangement (ie ultrasonic transmitter = ultrasonic receiver) or a transmission arrangement. The direct coupling of viscoelastic or thermodynamic properties with sound damping or sound velocity theoretically enables a large number

von Rückschlüssen auf den Prozess- und Materialzustand während des Spritzgießens. Als problematisch kann die starke Dämpfung des Ultraschalls in Kunststoffschmelzen gesehen werden; die Dämpfung kann die Ermittlung akustischer Kenngrößen erschweren bzw. verunmöglichen, beispielsweise bei größeren Wandstärken sowie bei Vorhandensein von Füllstoffen (z.B. Glasfasern, Talk, etc.) in der Kunststoffschmelze. Daher hat diese Art der Ultraschallmessung beim Spritzgießen auch keine relevante Verbreitung in der industriellen Praxis gefunden. Conclusions about the process and material condition during injection molding. The strong attenuation of the ultrasound in plastic melts can be seen as problematic; The attenuation can make the determination of acoustic parameters difficult or impossible, for example in the case of larger wall thicknesses as well as the presence of fillers (e.g. glass fibers, talc, etc.) in the plastic melt. For this reason, this type of ultrasonic measurement in injection molding has not found any relevant use in industrial practice.

[0008] Die Publikation DE 2716833 A1 beschreibt ein System zur Überwachung eines von z.B. hydrometallurgischen Prozessen mittels Ultraschalltechnik, wobei in einen Behälter ein Ultraschallimpuls eingespeist wird und im Empfangssignal jener Signalteil ausgewertet wird, der Mehrfachreflexionen des Ultraschallimpuls repräsentiert. Publication DE 2716833 A1 describes a system for monitoring one of e.g. hydrometallurgical processes by means of ultrasound technology, whereby an ultrasound pulse is fed into a container and that part of the signal that represents multiple reflections of the ultrasound pulse is evaluated in the received signal.

[0009] In der Publikationen US 7,017,412 B2 wird beschrieben, die oben angeführten Probleme gepulster Ultraschallsysteme durch ein kontinuierlich arbeitendes Ultraschallsystem zu umgehen. Die Ergebnisse sind hier jedoch immer stark abhängig von den örtlichen Gegebenheiten (z.B. Abstand zur Kavität, Kavitätendicke, Ankopplungseffizienz, individuelle Sensorcharakteristik, etc.), und für jede Einbausituation und Werkzeugtemperatur muss eine Resonanzfrequenz am System bestimmt werden, was ein derartiges System wenig effizient für die industrielle Praxis macht. In der Publikation US 5,951,163 wird erstmals qualitativ über die Möglichkeit der Verwendung einfacher Reflexionsmessungen zur Fließfrontdetektion berichtet, wobei eine quantitative Auswertemethodik sowie Vorschläge zu Kalibrierung des Systems, um Sensoralterungseffekte und Abnahme der Ankopplungseffizienz zu berücksichtigen fehlen, was allerdings für dauerhafte Messungen in der industriellen Praxis unabdingbar ist. [0009] The publication US Pat. No. 7,017,412 B2 describes how to circumvent the above-mentioned problems of pulsed ultrasound systems by means of a continuously operating ultrasound system. However, the results are always strongly dependent on the local conditions (e.g. distance to the cavity, cavity thickness, coupling efficiency, individual sensor characteristics, etc.), and a resonance frequency must be determined on the system for each installation situation and mold temperature, which makes such a system less efficient industrial practice makes. The publication US 5,951,163 reports qualitatively for the first time about the possibility of using simple reflection measurements for flow front detection, with a quantitative evaluation method and suggestions for calibrating the system to take into account sensor aging effects and a decrease in coupling efficiency, which are, however, indispensable for permanent measurements in industrial practice is.

[0010] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die Signalverarbeitung/-auswertung bei gepulsten Ultraschall Reflexionsmessungen in Spritzgießwerkzeugen zu verbessern, sodass diese für eine größere Anzahl von Kunststoffen (mit oder ohne Füllstoffen) und Formteilwandstärken zur Prozessführung- und Produktüberwachung verwendet werden können und des weiteren Sensoralterungseffekte und Anderung der Ankopplungseffizienz des Sensors an das Werkzeug durch geeignete Signalnormierung kompensiert werden können. The inventors have set themselves the task of improving the signal processing / evaluation of pulsed ultrasound reflection measurements in injection molding tools, so that they can be used for a larger number of plastics (with or without fillers) and molded part wall thicknesses for process management and product monitoring Furthermore, sensor aging effects and changes in the coupling efficiency of the sensor to the tool can be compensated for by suitable signal normalization.

ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY

[0011] Die oben genannte Aufgabe wird durch das Messsystem gemäß Anspruch 1 oder das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The above-mentioned object is achieved by the measuring system according to claim 1 or the method according to claim 6. Various exemplary embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

[0012] Im Folgenden wird ein Messsystem zur Überwachung eines Gießprozesses beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Messsystem einen Ultraschall-Transducer auf, der dazu ausgebildet ist, Ultraschall-Pulse in ein Gusswerkzeug einzukoppeln. Das Messsystem weist weiter eine mit dem Ultraschall-Transducer gekoppelte Sensorschaltung auf, die dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung der Ultraschall-Pulse den Ultraschall-Transducer mit einem Ansteuersignal, das eine Sequenz von Pulsen aufweist, anzusteuern und ein von dem Ultraschall-Transducer (oder einem weiteren Ultraschall-Transducer) bereitgestelltes Empfangssignal, das im Gusswerkzeug reflektierte Ultraschall-Pulse repräsentiert, zu verarbeiten. Das Empfangssignal weist eine mit dem Ansteuersignal korrespondierende Sequenz von Pulsen auf, die jeweils aus einen Hauptpuls und Nachschwingen umfassen. Die Verarbeitung des Empfangssignals beinhaltet unter anderem - für jeden Puls des Empfangssignals - das Erzeugen eines ersten Messwertes, der die Amplitude des Hauptpulses repräsentiert, und eines zweiten Messwertes, der die Amplitude des Nachschwingens repräsentiert. A measuring system for monitoring a casting process is described below. According to an exemplary embodiment, the measuring system has an ultrasonic transducer which is designed to couple ultrasonic pulses into a casting tool. The measuring system also has a sensor circuit which is coupled to the ultrasonic transducer and which is designed to control the ultrasonic transducer with a control signal that has a sequence of pulses in order to generate the ultrasonic pulses and to control a signal from the ultrasonic transducer (or a further ultrasonic transducer) to process the received signal provided, which represents ultrasonic pulses reflected in the casting tool. The received signal has a sequence of pulses corresponding to the control signal, each of which comprises a main pulse and post-oscillation. The processing of the received signal includes - for each pulse of the received signal - the generation of a first measured value which represents the amplitude of the main pulse and a second measured value which represents the amplitude of the ringing.

[0013] Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren, das folgendes aufweist: das Einkoppeln einer Sequenz von Ultraschall-Pulsen in ein Gusswerkzeug; das Empfangen einer korrespondierenden Sequenz von reflektierten Ultraschall-Pulsen und Erzeugen eines Empfangssignals, das eine korrespondierende Sequenz von Pulsen aufweist, die jeweils einen Hauptpuls und ein Nachschwingen aufweisen. Für jeden Puls des Empfangssignals wird ein erster Messwert und ein zweiter Messwert erzeugt, die jeweils die Amplitude der Hauptpulses bzw. die die Amplitude des Nachschwingens repräsentieren. A further exemplary embodiment relates to a method which has the following: coupling a sequence of ultrasonic pulses into a casting tool; receiving a corresponding sequence of reflected ultrasonic pulses and generating a received signal which has a corresponding sequence of pulses, each of which has a main pulse and a ringing. A first measured value and a second measured value are generated for each pulse of the received signal, each representing the amplitude of the main pulse and the amplitude of the ringing.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0014] Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird darauf Wert gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrundeliegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt: In the following, exemplary embodiments are explained in more detail with reference to figures. The illustrations are not necessarily true to scale and the exemplary embodiments are not limited to the aspects shown. Rather, emphasis is placed on illustrating the principles on which the exemplary embodiments are based. In the pictures shows:

[0015] Figur 1 enthält Zeitdiagramme zur Illustration von Ultraschallpulssignalen und deren Hüllkurve. FIG. 1 contains timing diagrams to illustrate ultrasonic pulse signals and their envelope curve.

[0016] Figur 2A ist ein Zeitdiagramm zur Illustration eines von einem Ultraschallempfänger empfangenen Ultraschallpulses, der an der Wand einer Kavität eines Spritzgusswerkzeugs reflektiert wurde. FIG. 2A is a time diagram to illustrate an ultrasonic pulse received by an ultrasonic receiver, which was reflected on the wall of a cavity of an injection molding tool.

[0017] Figur 2B illustriert die Entstehung von Interferenzen durch Mehrfachreflexion in der Wandschicht des abkühlenden Kunststoffformteils. FIG. 2B illustrates the occurrence of interferences due to multiple reflections in the wall layer of the cooling molded plastic part.

[0018] Figur3 ist ein Blockdiagramm zur Illustration eines Beispiels einer Schaltung zur Signalverarbeitung und Signalauswertung eines reflektierten Ultraschallpulses. [0018] FIG. 3 is a block diagram to illustrate an example of a circuit for signal processing and signal evaluation of a reflected ultrasonic pulse.

[0019] Figur 4 enthält Zeitdiagramme zur Illustration der resultierenden Messsignale im Verlauf eines Spritzgießvorganges. FIG. 4 contains time diagrams to illustrate the resulting measurement signals in the course of an injection molding process.

[0020] Figur 5 illustriert den messbaren Einfluss der Temperatur des Spritzgießwerkzeugs auf das Wachstum der Randschicht des abkühlenden Kunststoffformteils. FIG. 5 illustrates the measurable influence of the temperature of the injection molding tool on the growth of the edge layer of the cooling molded plastic part.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

[0021] Bevor auf die Abbildungen näher eingegangen wird, werden zunächst einige allgemeine Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert. Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen werden mittels eines Ultraschall-Transducers wiederholt kurze Ultraschallpulse erzeugt und in Richtung der Kavität des Spritzgusswerkzeugs ausgesendet. Der Ultraschall-Transducer kann im Spritzgusswerkzeug oder an dessen Oberfläche angeordnet sein. Das Spritzgusswerkzeug besteht üblicherweise aus Metall, z.B. Stahl. Vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze befindet sich in der Kavität Luft. Aufgrund der sehr hohen Dichteunterschiede zwischen Metall und Luft wird an der Metall/Luft-Grenzschicht (d.h. an der Innenwand der luftgefüllten Kavität) die Schallenergie nahezu vollständig reflektiert. Das reflektierte Signal kann von demselben Ultraschall-Transducer empfangen und in elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses Signal kann nun von einer Signalverarbeitungseinheit weiterverarbeitet und ausgewertet werden. Gemäß den hier beschriebenen Beispielen wird z.B. ein Messwert ermittelt, der die Amplitude des reflektierten Signals (ein sogenannter Puls oder Burst) repräsentiert. Für eine luftgefüllte Kavität (vor dem Einspritzen der Kunststoffschmelze) kann dieser Messwert als Referenzwert herangezogen werden; weitere Messungen während eines Spitzgießvorgangs werden mit diesem Referenzwert normiert (skaliert). Dadurch können Alterungseffekte des UltraschallTransducers und der Ankopplungsmedien, Temperaturunterschiede im Werkzeugstahl und andere mögliche Effekte eliminiert werden, was einen Vergleich von Messwerten über lange Zeiträume ermöglicht. Before going into more detail on the figures, some general aspects of the exemplary embodiments described here will first be explained. According to the exemplary embodiments described here, short ultrasonic pulses are repeatedly generated by means of an ultrasonic transducer and emitted in the direction of the cavity of the injection molding tool. The ultrasonic transducer can be arranged in the injection molding tool or on its surface. The injection mold is usually made of metal, e.g. Steel. Before the plastic melt is injected, there is air in the cavity. Due to the very high density differences between metal and air, the sound energy is almost completely reflected at the metal / air boundary layer (i.e. on the inner wall of the air-filled cavity). The reflected signal can be received by the same ultrasonic transducer and converted into an electrical signal. This signal can now be further processed and evaluated by a signal processing unit. According to the examples described here e.g. a measured value is determined that represents the amplitude of the reflected signal (a so-called pulse or burst). For an air-filled cavity (before the injection of the plastic melt), this measured value can be used as a reference value; further measurements during an injection molding process are normalized (scaled) with this reference value. In this way, aging effects of the ultrasonic transducer and the coupling media, temperature differences in the tool steel and other possible effects can be eliminated, which enables the comparison of measured values over long periods of time.

[0022] Während des Spritzgießvorganges wird Kunststoffschmelze in die Kavität des Werkzeugs unter Druck eingespritzt, wodurch der Kunststoff sukzessive die Luft aus dem Werkzeug verdrängt und die Kavität ausfüllt. Sobald die Kunststoffschmelze während dieses Vorgangs jene Position erreicht, an welcher der Ultraschall-Puls reflektiert wird, kann eine Verringerung des erwähnten Messwertes, der die Amplitude des reflektierten Signals repräsentiert, beobachtet werden, da ein Teil der Schallenergie nun durch die Grenzschicht Metall/Kunststoff (d.h. durch die nun mit Kunststoff bedeckte Innenwand der Kavität) in die Kunststoffschmelze hinein transmittiert wird. In der Praxis können rund 1 - 5 % der eingekoppelten Schallenergie in die Kunststoffschmelze hinein transmittiert werden. During the injection molding process, plastic melt is injected into the cavity of the tool under pressure, whereby the plastic successively displaces the air from the tool and fills the cavity. As soon as the plastic melt reaches the position at which the ultrasonic pulse is reflected during this process, a reduction in the above-mentioned measurement value, which represents the amplitude of the reflected signal, can be observed, as part of the sound energy now passes through the metal / plastic interface ( ie through the inner wall of the cavity, which is now covered with plastic, into the plastic melt. In practice, around 1 - 5% of the coupled sound energy can be transmitted into the plastic melt.

[0023] Die oben erwähnte Normierung auf die gemessene Amplitude des reflektierten Signals bei luftgefüllter Kavität entspricht im Wesentlichen der Berechnung des Reflexionskoeffizienten The above-mentioned normalization to the measured amplitude of the reflected signal in the case of an air-filled cavity essentially corresponds to the calculation of the reflection coefficient

R an der Innenwand der Kavität, der angibt, wieviel Prozent der eingekoppelten akustischen Energie an einer Grenzfläche reflektierten wird. Da dieser Reflexionskoeffizient R bei einer Metall/Luft-Grenzschicht praktisch 1 (100%) ist, kann er sehr einfach ermittelt werden, indem die Messwerte für die Amplituden des reflektierten Signals ausgedrückt werden als Vielfaches des erwähnten Referenzwertes, der die Amplitude des reflektierten Signals bei luftgefüllter Kavität repräsentiert. Ein normierter Messwert von 1 entspricht also einem Reflexionsfaktor von 100% und weist auf eine Luftgefüllte Kavität hin. Ein normierter Messwert kleiner 1 (z.B. zwischen 0,95 und 1) weist auf eine kunststoffgefüllte Kavität hin. Mithilfe des Reflexionskoeffizienten R und dessen Veränderung können Rückschlüsse auf die Dichte des Kunststoffes während des Spritzgießprozesses gemacht werden. Ultraschall-Transducer können an mehreren Stellen eines Spritzgusswerkzeugs angeordnet sein, was Messungen an unterschiedlichen Positionen der Kavität ermöglicht. In derartigen Anwendungen können die Ultraschall-Messungen z.B. zur Detektion der Fließfront der Kunststoffschmelze verwendet werden. R on the inner wall of the cavity, which indicates what percentage of the coupled acoustic energy is reflected at an interface. Since this reflection coefficient R is practically 1 (100%) for a metal / air boundary layer, it can be determined very easily by expressing the measured values for the amplitudes of the reflected signal as a multiple of the reference value mentioned, which is the amplitude of the reflected signal at air-filled cavity. A standardized measured value of 1 therefore corresponds to a reflection factor of 100% and indicates an air-filled cavity. A normalized measured value less than 1 (e.g. between 0.95 and 1) indicates a plastic-filled cavity. With the help of the reflection coefficient R and its change, conclusions can be drawn about the density of the plastic during the injection molding process. Ultrasonic transducers can be arranged at several points on an injection molding tool, which enables measurements at different positions in the cavity. In such applications the ultrasonic measurements can e.g. can be used to detect the flow front of the plastic melt.

[0024] Neben der Detektion der Fließfront der Kunststoffschmelze in der Kavität kann durch eine geeignete Signalverarbeitung auch der Zeitpunkt der vollständigen Füllung der Kavität mit Kunststoffschmelze bestimmt werden. Ist die Kavität vollständig mit Kunststoffschmelze gefüllt führt ein Druckanstieg in der Kunststoffschmelze zu einem Dichteanstieg und somit zur weiteren Verringerung des Reflexionskoeffizienten. Der Zeitpunkt der vollständigen Füllung der Kavität ist beim Spritzgießen ein wichtiger Prozessparameter. Zu diesem Zeitpunkt wird üblicherweise von geschwindigkeitsgeregeltem Einspritzen der Kunststoffschmelze auf den sogenannten „Nachdruck“ umgeschaltet. Dabei wird üblicherweise ein (z.B. konstanter) Druck auf die Kunststoffschmelze in der Kavität ausgeübt, um eine Volumenkontraktion aufgrund der Abkühlung des Kunststoffes zu reduzieren. Die Ultraschall-Messungen können verwendet werden, um den Umschaltzeitpunkt zu steuern. Zu frühes Umschalten kann zu unvollständig gefüllten Kavitäten führen und zu spätes Umschalten zur UÜberfüllung und damit zur Gratbildung am fertigen Formteil an der Werkzeugtrennebene oder im ungünstigsten Fall zur Uberspritzung des Werkzeuges, wodurch sich die Werkzeughälften an der Trennebenen während des Prozesses Öffnen; dies kann zu schweren Beschädigungen am Werkzeug führen. In addition to the detection of the flow front of the plastic melt in the cavity, suitable signal processing can also be used to determine the point in time when the cavity is completely filled with plastic melt. If the cavity is completely filled with plastic melt, an increase in pressure in the plastic melt leads to an increase in density and thus to a further reduction in the reflection coefficient. The time at which the cavity is completely filled is an important process parameter in injection molding. At this point in time, the speed-controlled injection of the plastic melt is usually switched to what is known as "holding pressure". Usually a (e.g. constant) pressure is exerted on the plastic melt in the cavity in order to reduce a volume contraction due to the cooling of the plastic. The ultrasonic measurements can be used to control the switching time. Too early switching can lead to incompletely filled cavities and too late switching to overfilling and thus to burr formation on the finished molded part at the mold parting line or, in the worst case, to overmolding of the mold, which causes the mold halves to open at the parting line during the process; this can lead to severe damage to the tool.

[0025] Mit Hilfe des hier beschriebenen Konzepts kann der optimale Umschaltzeitpunkt mit Hilfe des Ultraschall-Messsystem detektiert werden, und z.B. durch Aussenden eines Trigger-Signals an die Spritzgießmaschine signalisiert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der erwähnte Umschaltzeitpunkt detektiert werden, indem detektiert wird, dass der normierte Messwert für die Signalamplitude des reflektierten Signals einen Schwellenwert unterschreitet. With the aid of the concept described here, the optimum switching point in time can be detected with the aid of the ultrasonic measuring system, and e.g. be signaled by sending a trigger signal to the injection molding machine. According to one exemplary embodiment, the aforementioned switchover time can be detected by detecting that the normalized measured value for the signal amplitude of the reflected signal falls below a threshold value.

[0026] Die durch das Messsystem ermittelten Messwerte für die Amplitude der reflektierten Signale (Ultraschall-Pulse) können auch dazu verwendet werden, um die Homogenität der Kunststoffschmelze hinsichtlich unerwünschter Gaseinschlüsse oder unaufgeschmolzenem Kunststoffgranulat zu beurteilen. Diese beiden Fehler werden vor allem durch feuchtes Kunststoff-Grundmaterial (Granulat) oder durch Fehler bei der Plastifizierung des Grundmaterials verursacht und führen zu gravierenden optischen und/oder mechanischen Fehler im produzierten Kunststoffformteil. Gaseinschlüsse haben eine Erhöhung des Reflexionskoeffizienten (wegen Dichteabnahme im Vergleich zur Kunststoffschmelze) zur Folge und führen im reflektierten Signal zur Zunahme der Amplitude. Umgekehrt führt unaufgeschmolzenes Granulat zur Verringerung des Reflexionskoeffizienten (wegen Dichtezunahme im Vergleich zur Kunststoffschmelze). The measured values determined by the measuring system for the amplitude of the reflected signals (ultrasonic pulses) can also be used to assess the homogeneity of the plastic melt with regard to undesired gas inclusions or unmelted plastic granulate. These two errors are primarily caused by moist plastic base material (granulate) or by defects in the plasticization of the base material and lead to serious optical and / or mechanical defects in the plastic molded part produced. Gas inclusions increase the reflection coefficient (due to a decrease in density compared to the plastic melt) and lead to an increase in the amplitude in the reflected signal. Conversely, unmelted granulate leads to a reduction in the reflection coefficient (because of the increase in density compared to the plastic melt).

[0027] Eine weitere detektierbare Größe ist der Zeitpunkt des Abschwindens des Formteils von der Kavitätenwand. Die zunehmende Abkühlung des Formteils erlaubt ab einen gewissen Zeitpunkt keinen weiteren Transport von Kunststoffschmelze in das auskühlende Formteil durch den angelegten Nachdruck. Dadurch kann die Volumenkontraktion durch die Abkühlung nicht mehr ausgeglichen werden und das Formteil schrumpft und löst sich von der Innenwand der Kavität ab. Dieser Zeitpunkt ist deshalb von Bedeutung, da sich durch die bildende Luftschicht zwischen Kavitätenwand und Formteil die Kühlwirkung auf das Formteil drastisch verschlechtert und ein weiteres Verweilen in der Kavität gegebenenfalls die Zykluszeit unnötig verlängert. Der Zeitpunkt des Abschwindens ist durch eine sprunghafte Zunahme des die Amplitude des reflektierten Signals repräsentierenden Messwerts detektierbar. Another detectable variable is the point in time when the molded part disappears from the cavity wall. From a certain point in time, the increasing cooling of the molded part does not allow any further transport of plastic melt into the cooling molded part due to the applied holding pressure. As a result, the volume contraction caused by the cooling can no longer be compensated for and the molded part shrinks and becomes detached from the inner wall of the cavity. This point in time is important because the air layer that forms between the cavity wall and the molded part drastically worsens the cooling effect on the molded part and a further stay in the cavity may unnecessarily increase the cycle time. The point in time of disappearing can be detected by a sudden increase in the measured value representing the amplitude of the reflected signal.

[0028] Eine zusätzliche Information, die mit Hilfe des hier beschriebenen Konzepts bestimmt werden kann, sind die Dicke und die Wachstumsgeschwindigkeit der abkühlenden Randschicht des Formteils in der Kavität. Im Inneren des Kunststoffs kommt es in der Nähe der Kavitätenwand zu einer weiteren Reflexion des Ultraschallsignals an der Grenzschicht zwischen erstarrtem Kunststoff und Kunststoffschmelze. Diese weitere Reflexion kann sich einem Teil der Hauptreflexion (die an der Kavitätenwand stattfindet) konstruktiv oder dekonstruktiv überlagern, wodurch bei Auswertung der Messwerte für die Signalamplituden Interferenzen beobachtet werden können. Diese Interferenzen geben Auskunft über die Wachstumsgeschwindigkeit der bereits erstarten Randschicht des Formteils in der Kavität. Eine Anderung der Wachstumsgeschwindigkeit im Formteil kann Hinweise auf eine Störung der Werkzeugkühlung geben (siehe auch Fig. 5). Durch das hier beschriebene Konzept der Überwachung eines Gießprozesses können Abweichungen von einem Sollverlauf beim Randschichtwachstum der erstarrenden Schmelze detektiert werden. Derartige Abweichungen können wie beschrieben auf Inhomogenitäten (z.B. Blasen, unvollständig geschmolzenes Kunststoffgranulat, etc.) in der Schmelze oder auf eine fehlerhafte Kühlung des Gusswerkzeugs hindeuten. Additional information that can be determined with the aid of the concept described here is the thickness and the growth rate of the cooling edge layer of the molded part in the cavity. Inside the plastic, near the cavity wall, there is a further reflection of the ultrasonic signal at the boundary layer between the solidified plastic and the plastic melt. This further reflection can constructively or deconstructively superimpose a part of the main reflection (which takes place on the cavity wall), whereby interferences can be observed when evaluating the measured values for the signal amplitudes. These interferences provide information about the growth rate of the already solidified surface layer of the molded part in the cavity. A change in the growth rate in the molded part can indicate a malfunction in the tool cooling (see also FIG. 5). With the concept of monitoring a casting process described here, deviations from a desired course during the growth of the surface layer of the solidifying melt can be detected. Such deviations can, as described, indicate inhomogeneities (e.g. bubbles, incompletely melted plastic granulate, etc.) in the melt or incorrect cooling of the casting tool.

[0029] Die Zeitdiagramme in Fig. 1 dienen zur Illustration eines Ultraschallpulses und eines Beispiels der Messung der Signalamplitude. Das Diagramm (a) in Fig. 1 zeigt einen Ultraschallpuls, genau genommen den Signalverlauf (d.h. den Momentanwert des Signals abhängig von der Zeit) eines elektrischen Signals A(t), das von einem Ultraschall-Transducer in ein akustisches Signal umgewandelt und abgestrahlt wird oder das von dem Ultraschall-Transducer empfangen und durch Umwandlung des empfangenen (reflektierten) akustischen Signals erzeugt wird. Ein gepulstes Ultraschallsignalsignal besteht in der Regel aus einer Sequenz von Pulsen. Aufgrund der begrenzten Bandbreite realer Ultraschall-Transducer hat ein Puls in der Regel den Signalverlauf eines Burst-Signals (kurz: Burst), d.h. ein Puls umfasst einige wenige Schwingungen mit einer rasch ansteigenden und dann wieder abfallenden Amplitude, wobei die Frequenz der Schwingung z.B. der Resonanzfrequenz des Transducers entspricht. In Fig. 1 ist die maximale Amplitude (ca. in der Mitte eines Pulses) mit Ap bezeichnet. The timing diagrams in FIG. 1 serve to illustrate an ultrasonic pulse and an example of the measurement of the signal amplitude. Diagram (a) in FIG. 1 shows an ultrasonic pulse, more precisely the signal course (ie the instantaneous value of the signal as a function of time) of an electrical signal A (t) which is converted into an acoustic signal by an ultrasonic transducer and emitted or that is received by the ultrasonic transducer and generated by converting the received (reflected) acoustic signal. A pulsed ultrasonic signal signal usually consists of a sequence of pulses. Due to the limited bandwidth of real ultrasonic transducers, a pulse usually has the signal course of a burst signal (short: burst), i.e. a pulse comprises a few oscillations with a rapidly increasing and then decreasing amplitude, the frequency of the oscillation e.g. corresponds to the resonance frequency of the transducer. In Fig. 1, the maximum amplitude (approximately in the middle of a pulse) is denoted by Ap.

[0030] Der erwähnte Reflexionskoeffizient R kann (bei Vernachlässigung der Dämpfung der Schallwelle) als Quotient Ap/At der Amplitude Art eines emittierten Ultraschall-Pulses und der Amplitude Ar des korrespondierenden reflektierten Ultraschallpulses definiert werden. Berücksichtigt man die Dämpfung, ist R gleich (Ar/Art)-e?-* (a>0), wobei L der Abstand zwischen Ultraschall-Transducer 8 und der reflektierenden Kavitätenwand ist und a einen Dämpfungskoeffizienten repräsentiert (siehe auch Fig. 2B). Da wie in Fig. 1 dargestellt die Amplitude eines UltraschallPulses A(t) nicht konstant ist kann statt der Amplitude auch die maximale Amplitude A» für die Bestimmung des Reflexionskoeffizienten verwendet werden. Eine Möglichkeit der messtechnischen Bestimmung der maximalen Amplitude Ap eines Burstsignals besteht darin, das Signal zuerst gleichzurichten und dann einer Tiefpassfilterung zu unterziehen. Das gleichgerichtete Signal |A(t)| ist in Diagramm (b) der Fig. 1 dargestellt und das gefilterte gleichgerichtete Signal in Diagramm (c) der Fig. 1. Dieses gefilterte gleichgerichtete Signal repräsentiert auch die Hüllkurve (envelope) des Ultraschall-Pulses und wird hier mit env{]A(t)|} bezeichnet. Die Amplitude der Hüllkurve entspricht der maximalen Amplitude Ap des Ultraschall-Pulses A(t), d.h. Ap=max{env{|A(t)|}. Die Amplitude der Hüllkurve kann also als Messwert für die Amplitude des Ultraschall-Pulses A(t) verwendet werden (und folglich auch für die Bestimmung des Reflexionskoeffizienten). The mentioned reflection coefficient R can be defined as the quotient Ap / At of the amplitude type of an emitted ultrasonic pulse and the amplitude Ar of the corresponding reflected ultrasonic pulse (neglecting the attenuation of the sound wave). Taking into account the attenuation, R is equal to (Ar / Art) -e? - * (a> 0), where L is the distance between the ultrasonic transducer 8 and the reflective cavity wall and a represents an attenuation coefficient (see also Fig. 2B) . Since, as shown in FIG. 1, the amplitude of an ultrasonic pulse A (t) is not constant, the maximum amplitude A »can also be used instead of the amplitude to determine the reflection coefficient. One possibility of determining the maximum amplitude Ap of a burst signal by measurement is to first rectify the signal and then subject it to low-pass filtering. The rectified signal | A (t) | is shown in diagram (b) of FIG. 1 and the filtered rectified signal in diagram (c) of FIG. 1. This filtered, rectified signal also represents the envelope of the ultrasonic pulse and is here denoted by env {] A ( t) |}. The amplitude of the envelope corresponds to the maximum amplitude Ap of the ultrasonic pulse A (t), i.e. Ap = max {env {| A (t) |}. The amplitude of the envelope can therefore be used as a measured value for the amplitude of the ultrasonic pulse A (t) (and consequently also for determining the reflection coefficient).

[0031] Alternativ kann auch die schraffierte Fläche unter der Hüllkurve env{|A(t)|} als Messwert für die Amplitude verwendet werden. Da die Pulsdauer te» im Wesentlichen konstant und durch die Eigenschaften (u.a. die Bandbreite) des Transducers gegeben ist, ist die Fläche näherungsweise proportional zur maximalen Amplitude Ap. Diese Fläche kann auch als Messwert für die Signalenergie (genau genommen für die Quadratwurzel der Signalenergie) des Ultraschall-Pulses A(t) interpretiert werden. Ein Messwert für die Amplitude des Ultraschall-Pulses A(t) kann demnach ermittelt werden, indem das Hüllkurvensignal env{|A(t)|} über die Pulsdauer tr integriert wird. Statt der Gleichrichtung (Diagramm (b) aus Fig. 1) könnte alternative das Signal A(t) auch quadriert werden. In diesem Fall würde der erhaltene Messwert proportional zum Amplitudenquadrat Ap* der Hüllkurve (d.h. der Signalenergie) sein, was nichtsdestotrotz ein geeigneter Alternatively, the hatched area under the envelope curve env {| A (t) |} can also be used as a measured value for the amplitude. Since the pulse duration te »is essentially constant and given by the properties (including the bandwidth) of the transducer, the area is approximately proportional to the maximum amplitude Ap. This area can also be interpreted as a measured value for the signal energy (to be more precise, for the square root of the signal energy) of the ultrasonic pulse A (t). A measured value for the amplitude of the ultrasonic pulse A (t) can accordingly be determined by integrating the envelope signal env {| A (t) |} over the pulse duration tr. Instead of rectification (diagram (b) from FIG. 1), the signal A (t) could alternatively also be squared. In this case, the measured value obtained would be proportional to the amplitude square Ap * of the envelope (i.e. the signal energy), which is nevertheless a suitable one

Messwert für die Amplitude des Ultraschall-Pulses A(t) ist. The measured value for the amplitude of the ultrasonic pulse A (t) is.

[0032] Fig. 2A zeigt einen realistischeren Signalverlauf eines von einem Ultraschall-Transducer erzeugten elektrischen Signals u(t) (z.B. eine elektrische Spannung), das den Signalverlauf eines empfangenen Ultraschall-Pulses repräsentiert, der zuvor an der Kavitätenwand eines Spritzgusswerkzeugs reflektiert wurde. Wie man in Fig. 2A sehen kann weist das Signal u(t) (reflektierter Ultraschall-Puls) zwei voneinander unterscheidbare Abschnitte auf, einen ersten Abschnitt, der als „Hauptpuls“ (main pulse) bezeichnet wird und einen zweiten Abschnitt, der als „Nachschwingen“ (ringing) bezeichnet wird. Der Hauptpuls hat eine Pulslänge t-, z.B. kann die Zeitdauer ty einige wenige (z.B. die ersten drei) Halbwellen des Signals u(t) umfassen. Das Nachschwingen hat seine Ursache in der endlichen Bandbreite des Ultraschall-Transducers und die Dauer des Nachschwingens ist mit tv bezeichnet. Im Bereich dieser Nachschwingphase kommt es bei Mehrfachreflexionen in der erstarrenden Randschicht des Formteils zu Interferenzen (siehe auch Fig. 2B). Das Ende des zweiten Abschnittes ist am Signalverlauf nicht klar zu erkennen, da das Nachschwingen langsam abklingt. Jedoch kann man beispielsweise das Ende des zweiten Abschnittes als jenen Zeitpunkt definieren, zu dem die Amplitude der Schwingung unter einen gewissen Schwellenwert gefallen ist (z.B. 10% der Maximalamplitude). Beispielsweise kann die Zeitdauer tn eine bestimmte Anzahl z.B. zehn) von Halbwellen nach dem Hauptpuls umfassen. Die Zeiten ty und ty sind für einen bestimmten Messaufbau (Pulsgenerator, Ultraschall-Transducer, Geometrie des Werkzeugs und der Kavität, etc.) annähernd konstante Größen und sind daher bekannte Systemparameter. 2A shows a more realistic waveform of an electrical signal u (t) generated by an ultrasonic transducer (e.g. an electrical voltage), which represents the waveform of a received ultrasonic pulse that was previously reflected on the cavity wall of an injection molding tool. As can be seen in FIG. 2A, the signal u (t) (reflected ultrasonic pulse) has two sections which can be distinguished from one another, a first section, which is referred to as the "main pulse" and a second section, which is called " Nachschwingen "(ringing) is called. The main pulse has a pulse length t-, e.g. the time period ty can comprise a few (e.g. the first three) half-waves of the signal u (t). The ringing has its cause in the finite bandwidth of the ultrasonic transducer and the duration of the ringing is denoted by tv. In the area of this post-oscillation phase, interference occurs in the case of multiple reflections in the solidifying edge layer of the molded part (see also FIG. 2B). The end of the second section cannot be clearly seen from the signal curve, as the reverberation slowly subsides. However, one can define, for example, the end of the second section as the point in time at which the amplitude of the oscillation has fallen below a certain threshold value (e.g. 10% of the maximum amplitude). For example, the duration tn can be a certain number e.g. ten) of half-waves after the main pulse. The times ty and ty are approximately constant values for a specific measurement setup (pulse generator, ultrasonic transducer, geometry of the tool and cavity, etc.) and are therefore known system parameters.

[0033] Während des Spitzgießprozesses werden fortlaufend Ultraschall-Pulse erzeugt, an der Kavitätenwand reflektiert (Hauptpuls) und zum Transducer zurück reflektiert. Manche Prozessparameter beim Spritzgießen lassen sich an der Veränderung der Amplitude des Hauptpulses erkennen. Andere interessante Parameter können aus der Veränderung der Amplitude des Nachschwingens abgeleitet werden. Beispielsweise können durch die Auswertung des Hauptpulses folgende Prozessparameter detektiert werden: Zeitpunkt der Fließfrondetektion, Zeitpunkt der vollständigen Füllung der Kavität mit Kunststoffschmelze, Überprüfung/Detektion des Zeitpunkts des Beginns der Nachdruckphase, Dauer und Ende der Nachdruckphase, Zeitpunkt des Abschwindens des Formteils von der Kavitätenwand, Beurteilung der Homogenität und Dichte der Schmelze. Die Auswertung des Nachschwingens erlaubt die Überwachung der Randschicht der abkühlenden Kunststoffschmelze (Randschichtwachstumsgeschwindigkeit bzw. Randschichtstärke). During the injection molding process, ultrasonic pulses are continuously generated, reflected on the cavity wall (main pulse) and reflected back to the transducer. Some process parameters in injection molding can be recognized by the change in the amplitude of the main pulse. Other interesting parameters can be derived from the change in the amplitude of the ringing. For example, the following process parameters can be detected by evaluating the main pulse: time of flow front detection, time of complete filling of the cavity with plastic melt, checking / detection of the time of the beginning of the holding pressure phase, duration and end of the holding pressure phase, time of the molded part disappearing from the cavity wall, Assessment of the homogeneity and density of the melt. The evaluation of the post-oscillation enables the monitoring of the surface layer of the cooling plastic melt (surface layer growth rate or surface layer thickness).

[0034] Fig. 2B illustriert die Entstehung der erwähnten Interferenzen in der Nachschwingphase eines Ultraschall-Pulses. Fig. 2B zeigt in einer Skizze den Ultraschall-Transducer 8, eine Werkzeug 7 mit einer Kavität 9, die mit Kunststoffschmelze P gefüllt ist. Beim Abkühlen/Erstarren des Kunststoffes bildet sich im Formteil eine von der Wand 9‘ der Kavität 9 ausgehende wachsende Randschicht P‘ aus. Das heißt, die Dicke d der Randschicht wächst während der Abkühlzeit. Wie in Fig. 2B skizziert wird ein Teil der Ultraschallleistung an der Wand 9‘ reflektiert. Der nicht reflektierte Teil dringt in die Randschicht P‘ ein und wird am anderen Ende der Randschicht (am Übergang fest/flüssig) zurückreflektiert. Der in der Randschicht reflektierte Teil des Schalls hat einen (um zwei Mal die Dicke d) längeren Weg als der Schall der an der Kavitätenwand 9‘ reflektiert wird, was einem Laufzeitunterschied von At von 2d/c, entspricht (co bezeichnet die Schallgeschwindigkeit in der Randschicht P°). Der Laufzeitunterschied At ist damit proportional zur Dicke d der Randschicht P‘ und wird während des Abkühlens größer (da die Randschicht P‘ dicker wird). Im Gegensatz dazu bleibt die Laufzeit 2L/cs in der Stahlwand 71 des Werkzeugs 7 konstant (Cs bezeichnet die Schallgeschwindigkeit in der Wand des Werkzeugs, L die Wandstärke). In der Praxis ist der Laufzeitunterschied At kürzer als die Dauer eines Ultraschall-Pulses, sodass der vom Transducer 8 empfangene Puls eine Überlagerung der beiden Reflexionen (an der Kavitätenwand 9‘ und in der Randschicht P‘°) ist, wobei diese Überlagerung im Wesentlichen in der Nachschwingphase auftritt, die in Fig. 2B als Interferenzbereich | bezeichnet ist. Die Veränderung der Interferenzen und deren Bedeutung wird später unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 besprochen. [0034] FIG. 2B illustrates the origin of the aforementioned interferences in the post-oscillation phase of an ultrasonic pulse. 2B shows a sketch of the ultrasonic transducer 8, a tool 7 with a cavity 9 which is filled with plastic melt P. When the plastic cools / solidifies, a growing edge layer P ‘starting from the wall 9‘ of the cavity 9 forms in the molded part. That is, the thickness d of the surface layer increases during the cooling time. As sketched in Fig. 2B, part of the ultrasonic power is reflected on the wall 9 ‘. The non-reflected part penetrates into the boundary layer P ‘and is reflected back at the other end of the boundary layer (at the solid / liquid transition). The part of the sound reflected in the edge layer has a longer path (by twice the thickness d) than the sound reflected on the cavity wall 9 ', which corresponds to a transit time difference of At of 2d / c (co denotes the speed of sound in the Boundary layer P °). The transit time difference At is therefore proportional to the thickness d of the boundary layer P ‘and increases during cooling (since the boundary layer P‘ becomes thicker). In contrast to this, the running time 2L / cs in the steel wall 71 of the tool 7 remains constant (Cs denotes the speed of sound in the wall of the tool, L the wall thickness). In practice, the transit time difference At is shorter than the duration of an ultrasonic pulse, so that the pulse received by the transducer 8 is a superposition of the two reflections (on the cavity wall 9 'and in the edge layer P' °), this superposition being essentially in of the post-oscillation phase occurs, which is shown in FIG. 2B as the interference region | is designated. The change in the interferences and their meaning will be discussed later with reference to Figs.

[0035] Fig. 3 ist ein Blockdiagramm und zeigt exemplarisch eine mögliche Implementierung einer Fig. 3 is a block diagram and shows an example of a possible implementation of a

Sensorschaltung für die oben beschriebenen Ultraschallmessungen in einem Spritzgießwerkzeug. Es versteht sich, dass es viele andere Möglichkeiten gibt, die gleiche oder eine gleichwertige Funktion schaltungstechnisch zu implementieren. Im Hinblick auf die obigen und die folgenden Erläuterungen wird ein Fachmann problemlos in der Lage sein, die dargestellte oder andere geeignete Implementierungen zu realisieren. Sensor circuit for the above-described ultrasonic measurements in an injection molding tool. It goes without saying that there are many other options for implementing the same or an equivalent function in terms of circuitry. In view of the above and the following explanations, a person skilled in the art will be able to easily implement the illustrated or other suitable implementations.

[0036] Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist ein Ultraschall-Transducer 8 in einem Spritzgießwerkzeug 7 oder außen an dessen Oberfläche angeordnet. In Fig. 3 auch dargestellt ist ein Ultraschallpuls, der vom Transducer 8 durch das Spritzgießwerkzeug 7 hin zu einer im Werkzeug 7 angeordneten Kavität 9 läuft, (zumindest) an der Wand 9‘ der Kavität 9 reflektiert wird, zurück zum Transducer 8 läuft und von diesem wieder empfangen wird. Während des Spritzgießprozesses wird Kunststoffschmelze P in das Werkzeug eingepresst. Fig. 3 zeigt die Fließfront der Kunststoffschmelze P in der Kavität 9 und die Fließrichtung. According to the example shown in Fig. 3, an ultrasonic transducer 8 is arranged in an injection molding tool 7 or outside on its surface. Also shown in FIG. 3 is an ultrasonic pulse which runs from the transducer 8 through the injection molding tool 7 to a cavity 9 arranged in the tool 7, is (at least) reflected on the wall 9 'of the cavity 9, runs back to the transducer 8 and from this is received again. During the injection molding process, plastic melt P is pressed into the tool. Fig. 3 shows the flow front of the plastic melt P in the cavity 9 and the flow direction.

[0037] Der Ultraschall-Transducer 8 dient sowohl als Sender als auch als Empfänger. Die mit dem Transducer 8 gekoppelte Sensorschaltung 22 kann folglich als Ultraschall-Transceiver (Sende-Empfänger) angesehen werden. Die Sensorschaltung 22 weist also einen Sendepfad und einen Empfangspfad auf. Der Sendepfad umfasst einen Oszillator 1, der ein Signal s»p(t) mit Pulsen definierter Pulsdauer und einstellbarer Pulswiederholfrequenz PWF erzeugt. Beispielsweise kann der Oszillator 1 ein astabiler Multivibrator (Relaxationsoszillator) sein. Andere Möglichkeiten der Signalerzeugung sind ebenfalls einsetzbar. Die Pulswiederholfrequenz PWF ist über ein am Eingang 2 empfangenes Signal einstellbar. Der Oszillator 1 kann über ein Triggersignal son(t), welches von der Steuerung der Spritzgießmaschine kommen kann aktiviert oder deaktiviert. Es existieren viele Möglichkeiten, diese Aktivierung bzw. Deaktivierung zu implementieren. Im dargestellten Beispiel zeigt das von der Spritzgießmaschine Am Eingang 4 empfangene Triggersignal son(t) über einen bestimmten Logikpegel (z.B. High-Pegel) an, dass der Oszillator aktiv sein soll. Dazu werden das Oszillatorsignal sp(t) und das Triggersignal son(t) einem UND-Gatter 3 zugeführt, welches für das Oszillatorsignal sp(t) transparent ist, solange das Triggersignal son(t) einen High-Pegel aufweist. Wechselt der Pegel des Triggersignals son(t) auf einen Low-Pegel, wird das Oszillatorsignal sp(t) durch das UND-Gatter 3 ausgetastet und der Signalpegel am Ausgang des UND-Gatters 3 ist annähernd null (Low-Pegel). Als Triggersignal son(t) kann z.B. ein Signal verwendet werden, das anzeigt, ob das Werkzeug 7 der Spritzgussvorrichtung geschlossen ist. The ultrasonic transducer 8 serves both as a transmitter and as a receiver. The sensor circuit 22 coupled to the transducer 8 can consequently be viewed as an ultrasonic transceiver (transceiver). The sensor circuit 22 thus has a transmission path and a reception path. The transmission path comprises an oscillator 1 which generates a signal s »p (t) with pulses of a defined pulse duration and an adjustable pulse repetition frequency PWF. For example, the oscillator 1 can be an astable multivibrator (relaxation oscillator). Other signal generation options can also be used. The pulse repetition frequency PWF can be set using a signal received at input 2. The oscillator 1 can be activated or deactivated via a trigger signal son (t), which can come from the control of the injection molding machine. There are many ways to implement this activation or deactivation. In the example shown, the trigger signal son (t) received by the injection molding machine at input 4 indicates via a certain logic level (e.g. high level) that the oscillator should be active. For this purpose, the oscillator signal sp (t) and the trigger signal son (t) are fed to an AND gate 3, which is transparent to the oscillator signal sp (t) as long as the trigger signal son (t) has a high level. If the level of the trigger signal son (t) changes to a low level, the oscillator signal sp (t) is blanked by the AND gate 3 and the signal level at the output of the AND gate 3 is approximately zero (low level). The trigger signal son (t) can e.g. a signal can be used which indicates whether the tool 7 of the injection molding device is closed.

[0038] Der Ausgangssignal sp‘(t) des UND-Gatters 3 (entspricht dem Oszillatorsignal sp(t) falls der Oszillator aktiv ist) ist einem Trigger-Eingang eines Hochspannungspulsgenerator 5 zugeführt. Der Hochspannungspulsgenerator 5 ist dazu ausgebildet, als Reaktion auf einen am Trigger-Eingang empfangenen Puls einen Hochspannungspuls (d.h. ein Burst-Signal) definierter Pulsdauer (z.B. einige wenige Mikrosekunden) zu erzeugen. Solange der Oszillator 1 aktiv ist (d.h. das UND-Gatter 3 das Oszillatorsignal sp(t) nicht austastet), erzeugt der Hochspannungspulsgenerator 5 also Hochspannungspulse mit der Pulswiederholfrequenz PWF. The output signal sp ‘(t) of the AND gate 3 (corresponds to the oscillator signal sp (t) if the oscillator is active) is fed to a trigger input of a high-voltage pulse generator 5. The high-voltage pulse generator 5 is designed to generate a high-voltage pulse (i.e. a burst signal) of a defined pulse duration (e.g. a few microseconds) in response to a pulse received at the trigger input. As long as the oscillator 1 is active (i.e. the AND gate 3 does not blank the oscillator signal sp (t)), the high-voltage pulse generator 5 generates high-voltage pulses with the pulse repetition frequency PWF.

[0039] Die vom Hochspannungspulsgenerator 5 erzeugte Sequenz von Hochspannungspulsen ist über eine Sende-Empfangsweiche 6 dem Ultraschall-Transducer 8 zugeführt, der dazu ausgebildet ist, korrespondierende akustische Ultraschall-Pulse auszusenden, d.h. in das Werkzeug 7 hinein zu emittieren. Der Ultraschall-Transducer 8 konvertiert das elektrische (Burst-) Signal in ein akustisches Signal. Die Sende-Empfangsweiche 6 ist dazu ausgebildet, ein Einkoppeln von Hochspannungssignalanteilen in den Empfangspfad zu verhindern. Derartige Sende-Empfangsweichen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Der vom Transducer 8 abgestrahlte akustische Ultraschall-Puls läuft durch das Material (z.B. Stahl) des Werkzeugs 7 hin zur Kavität 9, wird dort an der Kavitätenwand 9 reflektiert und läuft zurück zum UltraschallTransducer 8, der den reflektierten akustischen Ultraschall-Puls wieder in ein elektrisches Signal konvertiert. Das empfangene elektrische Signal wird über die Sende-Empfangsweiche 6 einem analogen Filter zugeführt, beispielsweise einem Bandpass 10, um unerwünschte Frequenzanteile zu unterdrücken, und verstärkt (siehe Verstärker 11). Im dargestellten Beispiel ist das bandpassgefilterte und verstärkte Signal mit u(t) bezeichnet; ein exemplarischer Signalverlauf des Signals u(t) wurde z.B. in Fig. 2A bereits dargestellt. Diesbezüglich wird auch auf die obigen The sequence of high-voltage pulses generated by the high-voltage pulse generator 5 is fed via a transmitting / receiving splitter 6 to the ultrasonic transducer 8, which is designed to transmit corresponding acoustic ultrasonic pulses, i.e. to emit into the tool 7. The ultrasonic transducer 8 converts the electrical (burst) signal into an acoustic signal. The transceiver switch 6 is designed to prevent high-voltage signal components from being coupled into the receive path. Such transceiver switches are known per se and are therefore not explained in more detail here. The acoustic ultrasonic pulse emitted by the transducer 8 runs through the material (e.g. steel) of the tool 7 to the cavity 9, is reflected there on the cavity wall 9 and runs back to the ultrasonic transducer 8, which converts the reflected acoustic ultrasonic pulse into an electrical one Signal converted. The received electrical signal is fed to an analog filter via the transceiver switch 6, for example a bandpass filter 10, in order to suppress undesired frequency components, and is amplified (see amplifier 11). In the example shown, the band-pass filtered and amplified signal is denoted by u (t); an exemplary waveform of the signal u (t) was e.g. already shown in Fig. 2A. In this regard, reference is also made to the above

Erläuterungen verwiesen. Auch das empfangene (gefilterte und verstärkte) Signal u(t) beinhaltet eine Sequenz von Pulsen mit der Pulswiderholfrequenz PWF, wobei in den Fig. 2A und 2B nur ein Puls dargestellt wurde. Referred to explanations. The received (filtered and amplified) signal u (t) also contains a sequence of pulses with the pulse repetition frequency PWF, only one pulse being shown in FIGS. 2A and 2B.

[0040] Wie weiter oben erläutert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, einen Messwert zu ermitteln, der die Amplitude eines Pulses im empfangenen Signal u(t) repräsentiert. Im vorliegenden Beispiel wird die Fläche unter der Hüllkurve des Pulses mittels Integration ermittelt, wobei der Hauptpuls und das Nachschwingen (vgl. Fig. 2A) separat ausgewertet werden. Wie erwähnt ist der Hauptpuls das erste empfangene Echo des ausgesendeten Ultraschall-Pulses der aufgrund seiner relativ hohen Amplitude keine messbaren Interferenzerscheinungen mit dem (sehr schwachen) Signal der Grenzschicht erstarrter Kunststoff/Schmelze aus dem Inneren des Formteils besitzt. As explained above, there are various ways of determining a measured value that represents the amplitude of a pulse in the received signal u (t). In the present example, the area under the envelope curve of the pulse is determined by means of integration, with the main pulse and the post-oscillation (see FIG. 2A) being evaluated separately. As mentioned, the main pulse is the first received echo of the emitted ultrasonic pulse which, due to its relatively high amplitude, has no measurable interference phenomena with the (very weak) signal from the boundary layer of solidified plastic / melt from the interior of the molded part.

[0041] Für die Ermittlung der Hüllkurve wird das empfangene Signals u(t) zunächst gleichgerichtet (siehe Fig. 3, Gleichrichter 12) und anschließend tiefpassgefiltert (siehe Fig. 3, Tiefpass 13). Die Wirkung der Gleichrichtung und Tiefpassfilterung wurde weiter oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert und wird hier deshalb nicht wiederholt. Das resultierende Hüllkurvensignal env{lu(t)|} wird einem ersten Integrator 14 und einem zweiten Integrator 15 zugeführt, die regelmäßig am Beginn eines Pulses zurückgesetzt werden. Beispielsweise kann das Oszillatorsignal sp(t) (alternativ auch sp‘(t)) einem Reset-Eingang der Integratoren 14, 15 zugeführt sein. Die Zeitfenster der Integration werden durch die Pulsgeneratoren 16 und 17 vorgegeben, die beispielsweise jeweils eine monostabile Kippstufe und ein Verzögerungselement beinhalten können. Die Pulsgeneratoren 16 und 17 sind dazu ausgebildet, als Reaktion auf den Empfang eines Pulses des Oszillatorsignals sp‘(z) einen Puls mit definierter Länge und definierter Verzögerung (relativ zum Oszillatorsignal) zu erzeugen. Diese Pulse zeigen die Integrationszeitfenster an und können z.B. Enable-Eingängen der Integratoren 14, 15 zugeführt sein. To determine the envelope curve, the received signal u (t) is first rectified (see FIG. 3, rectifier 12) and then low-pass filtered (see FIG. 3, low-pass 13). The effect of the rectification and low-pass filtering was explained above with reference to FIG. 1 and is therefore not repeated here. The resulting envelope signal env {lu (t) |} is fed to a first integrator 14 and a second integrator 15, which are regularly reset at the beginning of a pulse. For example, the oscillator signal sp (t) (alternatively also sp ‘(t)) can be fed to a reset input of the integrators 14, 15. The time windows of the integration are specified by the pulse generators 16 and 17, which can each contain, for example, a monostable multivibrator and a delay element. The pulse generators 16 and 17 are designed to generate a pulse with a defined length and a defined delay (relative to the oscillator signal) in response to the receipt of a pulse from the oscillator signal sp z (z). These pulses indicate the integration time window and can e.g. Enable inputs of the integrators 14, 15 are supplied.

[0042] Die Länge und die zeitliche Lage (relativ zum Oszillatorsignal) der von den Pulsgeneratoren 16 und 17 erzeugten Pulse definieren die Integrationszeitfester für die Integratoren 14 und 15. Für den ersten Integrator 14 ist die Länge des Zeitfensters ty und für den zweiten Integrator 15 ist die Länge des Zeitfensters tn. Diese Zeitfenster sind auch in Fig. 2A dargestellt und entsprechen der Länge des Hauptpulses und des Nachschwingens. Die Länge und die zeitliche Lage der Zeitfensters t4 und tn hängen von der Laufzeit des akustischen Signals sowie von der Frequenz und der Bandbreite des Ultraschall-Transducers 8 ab und sind damit bekannte Systemparameter. Am Ende der Integrationszeitfenster ty und tv wird das Ausgangssignal des zugehörigen Integrators 14 bzw. 15 mittels den Sample & Hold-Schaltungen 18 bzw. 19 abgetastet. Die resultierenden zeitdiskreten Ausgangssignale der Sample & Hold-Schaltungen 18 bzw. 19 werden mit un[k] bzw. un[k] bezeichnet, wobei k ein Zeitindex ist. Die Abtastrate entspricht der Pulswiderholfrequenz PWF. Die Zeitdiskreten Ausgangssignale uH[k] bzw. un[k] können an den Ausgängen 20 bzw. 21 ausgegeben und z.B. digitalisiert und mittels eines Prozessors (nicht dargestellt) weiterverarbeitet werden. Alternativ ist auch eine analoge (quasikontinuierliche) Signalverarbeitung möglich. The length and the time position (relative to the oscillator signal) of the pulses generated by the pulse generators 16 and 17 define the integration time window for the integrators 14 and 15. For the first integrator 14, the length of the time window is ty and for the second integrator 15 is the length of the time window tn. These time windows are also shown in FIG. 2A and correspond to the length of the main pulse and the ringing. The length and the temporal position of the time windows t4 and tn depend on the transit time of the acoustic signal and on the frequency and the bandwidth of the ultrasonic transducer 8 and are therefore known system parameters. At the end of the integration time windows ty and tv, the output signal of the associated integrator 14 or 15 is sampled by means of the sample & hold circuits 18 and 19, respectively. The resulting discrete-time output signals of the sample & hold circuits 18 and 19 are denoted by un [k] and un [k], where k is a time index. The sampling rate corresponds to the pulse repetition frequency PWF. The time-discrete output signals uH [k] or un [k] can be output at the outputs 20 or 21 and e.g. digitized and processed further by means of a processor (not shown). Alternatively, analog (quasi-continuous) signal processing is also possible.

[0043] Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Sensorschaltung 22 als eine Baugruppe ausgeführt, mit einem Anschluss für den Ultraschall-Transducer 8, einem Eingang 4 für das Triggersignal son(t) von der Spritzgussmaschine, einem Eingang 2 für die Wahl der Pulswiederholfrequenz und zwei Ausgängen 20 und 21 für die Ausgangssignale ufn[k] bzw. un[k], welche jeweils die Fläche unter der Hüllkurve des Hauptpulses bzw. des Nachschwingens repräsentieren. Diese Flächen können - wie eingangs unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert - als Messwert für die (maximale) Amplitude des Hauptpulses bzw. des Nachschwingens herangezogen werden. According to one embodiment, the sensor circuit 22 is designed as an assembly, with a connection for the ultrasonic transducer 8, an input 4 for the trigger signal son (t) from the injection molding machine, an input 2 for the selection of the pulse repetition frequency and two outputs 20 and 21 for the output signals ufn [k] and un [k], which each represent the area under the envelope curve of the main pulse and the post-oscillation. As explained at the beginning with reference to FIG. 1, these areas can be used as a measured value for the (maximum) amplitude of the main pulse or of the post-oscillation.

[0044] Die Zeitdiagramme aus Fig. 4 zeigen exemplarisch einen typischen Signalverlauf der (zeitdiskreten, bei hoher Pulswiderholfrequenz quasikontinuierlichen) Ausgangssignale ufn[k] und un[k], die den Verlauf der (maximalen) Amplitude der Hauptpulse und der zugehörigen Nachschwingphasen repräsentieren. Wie eingangs erwähnt wird durch die Normierung auf 100% erreicht, dass Alterungseffekte und eine varlierende Ankopplungseffizienz des Ultraschall-Transducers keine nennenswerte Rolle spielen. Die in Fig. 4 dargestellten Signale UHn[k] und Un([k] sind The timing diagrams from Fig. 4 show an example of a typical signal course of the (discrete-time, quasi-continuous at high pulse repetition frequency) output signals ufn [k] and un [k], which represent the course of the (maximum) amplitude of the main pulses and the associated post-oscillation phases. As mentioned above, normalization to 100% ensures that aging effects and varying coupling efficiency of the ultrasonic transducer do not play a significant role. The signals shown in Fig. 4 are UHn [k] and Un ([k]

demnach bezogen auf die Messwerte für eine leere (luftgefüllte) Kavität (z.B. UH(tk) = un[K]/uH[0] und Un(tk) = un[k]/un[0]). Der Zeitpunkt k=0 (entspricht to=0s) repräsentiert den Start einer Messung bei geschlossener, noch mit Luft gefüllter Kavität vor dem Einspritzen von Kunststoffschmelze und der Zeitpunkt tx entspricht dem Vielfachen des Kehrwertes des Pulswiederholfrequenz (tk=k-PWF“"). therefore based on the measured values for an empty (air-filled) cavity (e.g. UH (tk) = un [K] / uH [0] and Un (tk) = un [k] / un [0]). The time k = 0 (corresponds to to = 0s) represents the start of a measurement with a closed cavity still filled with air before the injection of plastic melt and the time tx corresponds to the multiple of the reciprocal value of the pulse repetition frequency (tk = k-PWF "").

[0045] Da sich zum Zeitpunkt to Luft in der Kavität befindet, wird praktisch 100% der Schallenergie an der Kavitätenwand 9‘ (vgl. Fig. 3) reflektiert. Das normierte Signal UH(t) kann daher auch als Reflexionskoeffizient R interpretiert werden. Erreicht während des Spritzgießprozesses die Fließfront der Kunststoffschmelze das „Sichtfeld“ des Ultraschall-Transducers 8, nehmen der Reflexionskoeffizient R und damit auch die (maximalen) Amplituden der reflektierten Hauptpulse (sowie die Amplituden des zugehörigen Nachschwingens) signifikant ab. Die Fließfront der Kunststoffschmelze P. (vgl. Fig. 3) kann z.B. dadurch detektiert werden, dass das Signal Upn(t) während des Spritzgießprozesses überwacht und jener Zeitpunkt t-- detektiert wird, an dem das normierte Signal Uk(t) einen vorgebbaren Schwellenwert Sfr unterschreitet. Der Schwellenwert Ser kann z.B. im Bereich von 98-99% liegen. Auf diese Weise ist eine schnelle und genaue Detektion der Fließfront möglich. Zusätzlich oder alternativ kann das Signal Un(t) für die Fließfrontdetektion herangezogen werden. Veränderungen des Messwertes Upy(t) deuten auf Veränderungen des Reflexionskoeffizienten R hin und damit indirekt auch auf Dichteschwankungen in der Schmelze, die z.B. durch die erwähnten Inhomogenitäten verursacht werden können. Für die Prozessüberwachung könnte z.B. ein Ultraschall-Transducer so am Gusswerkzeugs platziert werden (z.B. kurz hinter dem Einspritzpunkt), dass die gesamte eingespritzte Schmelze das Messfeld („Sichtfeld“) des Sensors passieren muss. Kurze, sprunghafte Änderungen des Messwertes Uu(t) (d.h. des Reflexionskoeffizienten) können auf Inhomogenitäten hinweisen. Since there is air in the cavity at the time to, practically 100% of the sound energy is reflected on the cavity wall 9 ‘(cf. FIG. 3). The normalized signal UH (t) can therefore also be interpreted as the reflection coefficient R. If the flow front of the plastic melt reaches the "field of view" of the ultrasonic transducer 8 during the injection molding process, the reflection coefficient R and thus also the (maximum) amplitudes of the reflected main pulses (as well as the amplitudes of the associated ringing) decrease significantly. The flow front of the plastic melt P. (see Fig. 3) can e.g. can be detected in that the signal Upn (t) is monitored during the injection molding process and that point in time t-- is detected at which the standardized signal Uk (t) falls below a predeterminable threshold value Sfr. The threshold value Ser can e.g. are in the range of 98-99%. In this way, rapid and precise detection of the flow front is possible. Additionally or alternatively, the signal Un (t) can be used for the flow front detection. Changes in the measured value Upy (t) indicate changes in the reflection coefficient R and thus indirectly also to density fluctuations in the melt, e.g. can be caused by the aforementioned inhomogeneities. For process monitoring, e.g. An ultrasonic transducer can be placed on the casting tool (e.g. shortly after the injection point) in such a way that the entire injected melt has to pass the measuring field ("field of view") of the sensor. Short, sudden changes in the measured value Uu (t) (i.e. the reflection coefficient) can indicate inhomogeneities.

[0046] Sobald die Kavität 9 vollständig mit Kunststoffschmelze P (vgl. Fig. 3) gefüllt ist, kommt es zu einer deutlichen Verdichtung des Kunststoffmaterials in der Kavität, und folglich nehmen der Reflexionskoeffizient R und damit auch die (maximalen) Amplituden der reflektierten Hauptpulse (sowie die Amplituden des zugehörigen Nachschwingens) weiter signifikant ab. Der zugehörige Zeitpunkt tu der vollständigen Füllung der Kavität 9 kann ebenfalls mittels eines Schwellenwertes Sy detektiert werden, der kleiner ist als der Schwellenwert Ser (z.B. liegt Se: im Bereich von 95-97%). Der Zeitpunkt tu wird demnach dadurch detektiert, dass das normierte Signal Up(t) unter den Schwellenwert Su fällt. Dieser Zeitpunkt tu kann dazu verwendet werden, die Nachdruckphase einzuleiten, in der von einer konstanten Einpressgeschwindigkeit der Kunststoffschmelze auf einen z.B. konstanten Druck umgeschaltet wird. In dieser Nachdruckphase beginnt der Formteil auszukühlen, und es bildet sich eine dicker werdende Randschicht aus, in der die Kunststoffschmelze erstarrt ist. Zusätzlich oder alternative kann das Signal Un(t) für die Detektion des Umschaltzeitpunktes tu herangezogen werden. As soon as the cavity 9 is completely filled with plastic melt P (see. Fig. 3), there is a significant compression of the plastic material in the cavity, and consequently the reflection coefficient R and thus also the (maximum) amplitudes of the reflected main pulses (as well as the amplitudes of the associated ringing) continue to decrease significantly. The associated point in time tu of the complete filling of the cavity 9 can also be detected by means of a threshold value Sy which is smaller than the threshold value Ser (e.g. Se is in the range of 95-97%). The point in time tu is accordingly detected in that the normalized signal Up (t) falls below the threshold value Su. This point in time tu can be used to initiate the holding pressure phase, in which from a constant injection speed of the plastic melt to a e.g. constant pressure is switched. In this holding pressure phase, the molded part begins to cool down and a thicker surface layer is formed in which the plastic melt has solidified. Additionally or alternatively, the signal Un (t) can be used for the detection of the switchover time tu.

[0047] Mit Anlegen des Nachdrucks beginnt im Formteil das Wachstum der Randschicht von der Oberfläche des Formteils ausgehend hinein ins Innere. Aufgrund dieser (wachsenden) Randschicht P‘, kommt es zu einer Reflexion, die sich mit der Reflexion an der Kavitätenwand 9‘ überlagert (siehe Fig. 2B); diese Uberlagerung (Interferenz) macht sich vor allem in der (maximalen) Amplitude des Nachschwingens - also im Signal Un(t) - bemerkbar. Diese Überlagerung (Interferenz) hat eine Art Schwebungssignal zur Folge, welches man nach dem Zeitpunkt tu im Signal UNn(t) erkennen kann. When the holding pressure is applied, the growth of the edge layer begins in the molded part, starting from the surface of the molded part and into the interior. Because of this (growing) edge layer P ‘, there is a reflection which is superimposed with the reflection on the cavity wall 9‘ (see FIG. 2B); this superposition (interference) is particularly noticeable in the (maximum) amplitude of the ringing - that is, in the signal Un (t). This superposition (interference) results in a kind of beat signal, which can be seen in the signal UNn (t) after the time tu.

[0048] Die Wirkung des Nachdrucks auf das Formteil lässt sich am Signal Ux(t), welches die Amplituden der Hauptpulse repräsentiert, erkennen. Kurze Zeit nach dem Umschaltzeitpunkt tu regelt die Spritzgießmaschine den Druck auf den (meist konstanten) eingestellten Nachdruck. Das der Zeitpunkt des Erreichens dieses Druckniveaus ist in dem Signal Ux(t) erkennbar; die Amplitude steigt wieder geringfügig an. Der zugehörige Zeitpunkt ist in Fig. 4 mit tn,starı bezeichnet. Die Dauer der Nachdruckphase wird üblicherweise vom Benutzer an der Spritzgießmaschine eingestellt. Tatsächlich kann sie nur solange wirken wie Kunststoffschmelze durch den flüssigen Kern des Formteils in das Formteil hinein nachgefördert werden kann. Der tatsächliche Zeitpunkt In,ende aN dem der Nachdruck nicht mehr wirkt kann aus dem Verlauf des Signals UH(t) abgelesen werden, da der Druckabfall zu einer Änderung der Dichte und somit sprunghaften Änderung der The effect of the post pressure on the molded part can be seen from the signal Ux (t), which represents the amplitudes of the main pulses. Shortly after the switchover point tu, the injection molding machine regulates the pressure to the (usually constant) set holding pressure. The time at which this pressure level is reached can be seen in the signal Ux (t); the amplitude increases again slightly. The associated point in time is denoted by tn, starı in FIG. The duration of the holding pressure phase is usually set by the user on the injection molding machine. In fact, it can only work as long as plastic melt can be fed into the molded part through the liquid core of the molded part. The actual point in time In, at which the holding pressure no longer acts can be read from the course of the signal UH (t), since the pressure drop leads to a change in density and thus a sudden change in the

maximalen Amplituden der Hauptpulse führt. Die tatsächliche, auf das Formteil wirkende Nachdruckdauer ergibt sich aus der Differenz tn=tn,end - IN,start-maximum amplitudes of the main pulses leads. The actual holding pressure duration acting on the molded part results from the difference tn = tn, end - IN, start-

[0049] Beim Signal Un(t), das die maximalen Amplituden der Nachschwingphasen repräsentiert, ist die oben erwähnte Interferenz zu erkennen, die sich im Signal Un\(t) als Oszillation manifestiert, welche mit dem Beginn der Nachdruckphase (ca. zum Zeitpunkt tn,sar) beginnt. Diese Oszillation ist wie erwähnt ein Resultat der dich überlagernden Reflexion an der Kavitätenwand 9‘ mit der Reflexion an der wachsenden Randschicht P‘ des Formteils (siehe Fig. 2B). In dieser Phase können im Signal Uy(t) (z.B. mittels digitaler Signalverarbeitung) die Zeitpunkte tmax,1, tmaxz der Maxima (zusätzlich oder alternativ auch der Minima) der Oszillation detektiert werden. In the signal Un (t), which represents the maximum amplitudes of the post-oscillation phases, the above-mentioned interference can be seen, which manifests itself in the signal Un \ (t) as an oscillation that occurs at the beginning of the post-pressure phase (approx tn, sar) begins. As mentioned, this oscillation is a result of the overlaying reflection on the cavity wall 9 ‘with the reflection on the growing edge layer P‘ of the molded part (see FIG. 2B). In this phase, the times tmax, 1, tmaxz of the maxima (additionally or alternatively also the minima) of the oscillation can be detected in the signal Uy (t) (e.g. by means of digital signal processing).

[0050] Die Zeitpunkte tmax,1, tmaxz Oder die Periodendauer der Oszillation Atyax können während des Spritzgießprozesses überwacht (und ggf. gespeichert und dokumentiert) werden, um die Konstanz des Wachstums der Randschicht über mehrere Produktionszyklen zu überwachen. Die Periodendauer der Oszillation Atmax kann als Messwert für die Wachstumsgeschwindigkeit der Randschicht dienen. Aus diesem Messwert kann bei unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit im Kunststoff und der Frequenz der Ultraschalls die tatsächliche Wachstumsgeschwindigkeit näherungsweise berechnet werden. The times tmax, 1, tmaxz or the period of the oscillation Atyax can be monitored (and possibly stored and documented) during the injection molding process in order to monitor the constancy of the growth of the surface layer over several production cycles. The period of the oscillation Atmax can serve as a measured value for the growth rate of the surface layer. The actual growth speed can be calculated approximately from this measured value, taking into account the speed of sound in the plastic and the frequency of the ultrasound.

[0051] Das Abkühlen des Formteils hat eine Volumenkontraktion zur Folge, die wiederum dazu führt, dass der Formteil schrumpft und sich von der Innenwand der Kavität ablöst („Abschwinden“). Der Zeitpunkt tags, zu dem sich das Formteil von der Werkzeuginnenwand ablöst, ist in beiden Signalen UpH(t) und Ur(t) deutlich erkennbar. Aufgrund des entstehenden Spalts zwischen Kavitätenwand 9° (siehe Fig. 3) und Formteil steigt der Reflexionsfaktor wieder auf annähernd 100% und die Signale steigen wieder auf ihre anfänglichen Werte. The cooling of the molded part results in a volume contraction, which in turn causes the molded part to shrink and detach itself from the inner wall of the cavity (“shrinking”). The point in time at which the molded part is detached from the inner wall of the mold can be clearly seen in both signals UpH (t) and Ur (t). Due to the resulting gap between the cavity wall 9 ° (see FIG. 3) and the molded part, the reflection factor rises again to approximately 100% and the signals rise again to their initial values.

[0052] Die exemplarischen Signalverläufe der normierten Ausgangssignale Um(t) und Un(t) machen deutlich, dass die hier beschriebenen Konzepte sowohl für die Überwachung als auch für die Steuerung eines Spritzgießprozesses verwendet werden können. In den hier beschriebenen Beispielen wird ein Ultraschall-Transducer verwendet, der sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet. Stattdessen können als Sender und Empfänger auch zwei separate Transducer verwendet werden. In diesem Fall wird die Sende- /Empfangsweiche nicht benötigt. Schließlich sei noch angemerkt, dass die hier beschriebenen Konzepte nicht nur für die Uberwachung und Steuerung eines (Kunststoff-) Spritzgießprozesses (injection moudling), sondern analog auch für die Uberwachung und Steuerung eines (Metall-) Druckgießprozesses (die casting) oder anderer Gießprozesse verwendet werden kann. The exemplary signal curves of the standardized output signals Um (t) and Un (t) make it clear that the concepts described here can be used both for monitoring and for controlling an injection molding process. In the examples described here, an ultrasonic transducer is used that works as both a transmitter and a receiver. Instead, two separate transducers can be used as transmitter and receiver. In this case, the send / receive switch is not required. Finally, it should be noted that the concepts described here are not only used for monitoring and controlling a (plastic) injection molding process (injection molding), but analogously also for monitoring and controlling a (metal) die casting process (die casting) or other casting processes can be.

Claims (10)

PatentansprücheClaims 1. Ein Verfahren zur Überwachung eines Gießprozesses, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Einkoppeln einer Sequenz von Ultraschall-Pulsen in ein Gusswerkzeug (7); Empfangen einer Sequenz von reflektierten Ultraschall-Pulsen und erzeugen eines Empfangssignals (u(t)) mit, das eine korrespondierende Sequenz von Pulsen aufweist, die jeweils einen Hauptpuls und ein Nachschwingen aufweisen; Erzeugen - für jeden Puls des Empfangssignals (u(t)) - eines ersten Messwertes (Uw(t)), der die Amplitude der Hauptpulses repräsentiert; und Erzeugen - für jeden Puls des Empfangssignals (u(t)) - eines zweiten Messwertes (UNn(t)), der die Amplitude des Nachschwingens repräsentiert, wobei basierend auf der Veränderung der ersten und/oder zweiten Messwerte (UyH(t), Un(t)) während eines Gießprozesses ein oder mehrere Prozessparameter ermittelt werden. 1. A method for monitoring a casting process, characterized by the following steps: coupling a sequence of ultrasonic pulses into a casting tool (7); Receiving a sequence of reflected ultrasonic pulses and generating a received signal (u (t)) mit having a corresponding sequence of pulses each having a main pulse and a ringing; Generating - for each pulse of the received signal (u (t)) - a first measured value (Uw (t)) which represents the amplitude of the main pulse; and generating - for each pulse of the received signal (u (t)) - a second measured value (UNn (t)) which represents the amplitude of the ringing, based on the change in the first and / or second measured values (UyH (t), Un (t)) one or more process parameters can be determined during a casting process. 2, Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Messwerte (Up(t)) und die zweiten Messwerte (Un(t)) derart normiert werden, dass sie bei einem leeren Gusswerkzeug (7) einen vordefinierten Wert annehmen, der einem Reflexionskoeffizienten an der Innenwand des leeren Gusswerkzeugs von 100 Prozent zuordenbar ist, wobei eine spätere Veränderung der normierten Messwerte eine entsprechende Veränderung des Reflexionskoeffizienten anzeigt. 2, The method according to claim 1, characterized in that the first measured values (Up (t)) and the second measured values (Un (t)) are normalized in such a way that they assume a predefined value when the casting tool (7) is empty a reflection coefficient of 100 percent on the inner wall of the empty casting tool can be assigned, with a later change in the standardized measured values indicating a corresponding change in the reflection coefficient. 3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessparameter mindestens eines der folgenden ermittelt wird: der Zeitpunkt (t--) der Detektion der Fließfront der ins Gusswerkzeug (7) eingespritzten Schmelze, der Zeitpunkt (tu) der vollständigen Füllung einer Kavität des Gusswerkzeug (7) mit Schmelze, Zeitpunkt und Dauer einer Nachdruckphase, Wachstumsgeschwindigkeit der Randschicht der Schmelze im Gusswerkzeug, Zeitpunkt des Abschwindens des Formteils von der Wand der Kavität. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the following is determined as the process parameter: the time (t--) of the detection of the flow front of the melt injected into the casting tool (7), the time (tu) of the complete Filling a cavity of the casting tool (7) with melt, point in time and duration of a holding pressure phase, growth rate of the surface layer of the melt in the casting tool, point in time when the molded part disappears from the wall of the cavity. 4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf der Veränderung der zweiten Messwerte während eines Gießprozesses, bei dem Schmelze in eine Kavität des Werkzeugs (7) eingebracht wird, unerwünschte Abweichungen beim Randschichtwachstum in der Schmelze von einem Sollverlauf detektiert werden, während die Schmelze auskühlt und erstarrt. 4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that based on the change in the second measured values during a casting process in which the melt is introduced into a cavity of the tool (7), undesired deviations in the surface layer growth in the melt from a target profile are detected while the melt cools and solidifies. 5. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem ersten Messwert (UH(t)) und dessen Veränderung, Dichteschwankungen der ins Gusswerkzeug (7) eingespritzten Schmelze detektiert werden, insbesondere um Inhomogenitäten in der Schmelze zu detektieren. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that based on the first measured value (UH (t)) and its change, density fluctuations of the melt injected into the casting tool (7) are detected, in particular to add to inhomogeneities in the melt detect. 6. Ein Messsystem zur Überwachung eines Gießprozesses, das folgendes aufweist: einen Ultraschall-Transducer (8), der dazu ausgebildet ist, Ultraschall-Pulse in ein Gusswerkzeug (7) einzukoppeln; eine mit dem Ultraschall-Transducer (8) gekoppelte Sensorschaltung (22), die dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung der Ultraschall-Pulse den Ultraschall-Transducer (8) mit einem Ansteuersignal, das eine Sequenz von Pulsen aufweist, anzusteuern und ein von dem Ultraschall-Transducer (8) oder einem weiteren Ultraschall-Transducer bereitgestelltes Empfangssignal (u(t)), das im Gusswerkzeug (7) reflektierte Ultraschall-Pulse repräsentiert, zu verarbeiten, wobei das Empfangssignal (u(t)) eine mit dem Ansteuersignal korrespondierende Sequenz von Pulsen aufweist, die jeweils einen Hauptpuls und ein Nachschwingen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschaltung (22) für die Verarbeitung des Empfangssignals (u(t)) dazu ausgebildet ist - für jeden Puls des Empfangssignals (u(t)) - einen ersten Messwert (U}(t)), der die Amplitude der Hauptpulses repräsentiert, und einen zweiten Messwert (Uyn(t)), der die Amplitude des Nachschwingens repräsentiert, zu erzeugen. 6. A measuring system for monitoring a casting process, comprising: an ultrasonic transducer (8) which is designed to couple ultrasonic pulses into a casting tool (7); a sensor circuit (22) coupled to the ultrasound transducer (8), which is designed to control the ultrasound transducer (8) with a control signal that has a sequence of pulses and one of the ultrasound to generate the ultrasound pulses -Transducer (8) or a further ultrasonic transducer provided received signal (u (t)), which represents the ultrasonic pulses reflected in the casting tool (7), to process, the received signal (u (t)) having a sequence corresponding to the control signal of pulses each having a main pulse and a post-oscillation, characterized in that the sensor circuit (22) for processing the received signal (u (t)) is designed - for each pulse of the received signal (u (t)) - one to generate a first measured value (U} (t)), which represents the amplitude of the main pulse, and a second measured value (Uyn (t)), which represents the amplitude of the ringing. 7. Das Messsystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messwert (Uy(t)) jeweils auf der maximalen Amplitude des Hauptpulses und der zweiten Messwert (Un(t)) jeweils auf der maximalen Amplitude des Nachschwingens basiert. 7. The measuring system according to claim 6, characterized in that the first measured value (Uy (t)) is based on the maximum amplitude of the main pulse and the second measured value (Un (t)) is based on the maximum amplitude of the ringing. 8. Das Messsystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messwert (U+H(t)) jeweils auf der Fläche unter der Hüllkurve des Hauptpulses und der zweiten Messwert (Un(t)) jeweils auf der Fläche unter der Hüllkurve des Nachschwingens basiert. 8. The measuring system according to claim 6, characterized in that the first measured value (U + H (t)) in each case on the area under the envelope curve of the main pulse and the second measured value (Un (t)) in each case on the area under the envelope curve of the Post-swing based. 9. Das Messsystem gemäß einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Erzeugen des ersten Messwerts (Ux(t)) die Sensorschaltung (22) dazu ausgebildet ist, die Hüllkurve des jeweiligen Pulses des Empfangssignals (u(t)) in einem ersten Zeitfenster (tn) zu integrieren und wobei für das Erzeugen des zweiten Messwerts (Uyn(t)) die Sensorschaltung (22) dazu ausgebildet ist, die Hüllkkurve des jeweiligen Pulses des Empfangssignals (u(t)) in einem zweiten Zeitfenster (tn) zu integrieren. 9. The measuring system according to one of claims 8, characterized in that the sensor circuit (22) is designed to generate the first measured value (Ux (t)), the envelope of the respective pulse of the received signal (u (t)) in one to integrate the first time window (tn) and wherein, for generating the second measured value (Uyn (t)), the sensor circuit (22) is designed to generate the envelope of the respective pulse of the received signal (u (t)) in a second time window (tn) to integrate. 10. Das Messsystem gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Zeitfenster (t4) eine definierte erste Verzögerungszeit nach dem korrespondierenden Puls im Ansteuersignal beginnt, und wobei das zweite Zeitfenster (tn) eine definierte zweite Verzögerungszeit nach dem korrespondierenden Puls im Ansteuersignal beginnt. 10. The measuring system according to claim 9, characterized in that the first time window (t4) begins a defined first delay time after the corresponding pulse in the control signal, and wherein the second time window (tn) begins a defined second delay time after the corresponding pulse in the control signal. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen In addition 3 sheets of drawings
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