DE102005014081A1

DE102005014081A1 - Überwachung von Schäum- und Spritzgussprozessen in der Kunststoffverarbeitung

Info

Publication number: DE102005014081A1
Application number: DE200510014081
Authority: DE
Inventors: Rainer Bolte
Original assignee: FRAURECIA INNERAUM SYSTEME GMB; FRAURECIA INNERAUM SYSTEME GmbH
Current assignee: FRAURECIA INNERAUM SYSTEME GMB; FRAURECIA INNERAUM SYSTEME GmbH
Priority date: 2005-03-21
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2006-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Abweichungen eines Prozessverlaufs eines Prozesses zur Herstellung eines Bauteils in einer Werrkzeugkavität, insbesondere eines Schäumprozesses oder eines Spritzgussprozesses. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor Prozessbeginn ein Lichtwellenleiter in der Werkzeugkavität positioniert, wobei zumindest ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich bleibt. Danach wird der Prozess gestartet. Während des Prozessverlaufs und/oder nach Beendigung des Prozesses werden zumindest zeitweilig das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters gemessen und die Messwerte mit Referenzwerten verglichen. DOLLAR A Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, verschiedene Prozesse miteinander zu vergleichen und selbst geringe Unterschiede zwischen den einzelnen Prozessen festzustellen. Dabei können gezielt örtlich kritische Bereiche ausgewählt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Abweichungen eines Prozessverlaufs eines Prozesses zur Herstellung eines Bauteils in einer Werkzeugkavität, insbesondere eines Schäumprozesses oder eines Spritzgussprozesses.

Prozesse, wie beispielsweise Schäumprozesse oder Spritzgussprozesse, werden durch eine Vielzahl von Parametern, wie z.B. Temperatur eines Werkzeugs, Druck im Werkzeug oder Temperatur einer in das Werkzeug eingeführten Masse, beeinflusst. Durch die Messung solcher Parameter und durch den Vergleich mit Referenzwerten ist es möglich, Aufschluss darüber zu erhalten, ob der Prozessverlauf in einem gewünschten Rahmen verlaufen ist, oder ob Abweichungen aufgetreten sind.

Die Anzahl solcher Parameter, die den Prozess kennzeichnen, ist allerdings nicht beschränkt. Insbesondere existieren ortsabhängige Parameter, wie z.B. die Temperatur oder der Druck der in das Werkzeug eingebrachten Masse, die sich zusätzlich während des Prozessverlaufes stark ändern können.

Es ist bekannt, zur Messung verschiedener Parameter, wie Temperatur oder Druck der Masse, an bestimmten Orten des Werkzeugs einzelne Sensoren zu platzieren. In der Regel können mit solchen Sensoren diese Parameter auch über einen gewissen Zeitbereich aufgenommen werden. Nachteil dieser Sensoren ist allerdings, dass diese üblicherweise auf eine Art von Parameter beschränkt sind, wie z.B. ein Drucksensor nur den Druck misst, ein Temperatursensor nur die Temperatur misst, und solche Sensoren den Parameter nur an einem Punkt bzw. Ort aufnehmen. Möchte man den interessierenden Parameter, beispielsweise den Druck im Werkzeug, an verschiedenen Stellen beobachten, ist man gezwungen, mehrere Sensoren einzusetzen. Interessiert man sich z.B. für den Druck in verschiedenen Bereichen innerhalb der in das Werkzeug eingeführten Masse während des Prozessverlaufes, so ist bisher kein Verfahren bekannt, diese Parameter aufzunehmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zu schaffen, mit dem während eines Prozessverlaufs, beispielsweise eines Schäumprozesses oder eines Spritzgussprozesses, in beliebig wählbaren Bereichen innerhalb einer Werkzeugkavität und innerhalb einer in die Werkzeugkavität eingegebenen Masse prozessrelevante Parameter, insbesondere Druck und Scherkräfte, gemessen werden können, die zur Beurteilung des Prozessverlaufs sinnvoll verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Messung von Abweichungen eines Prozessverlaufs eines Prozesses zur Herstellung eines Bauteils in einer Werkzeugkavität, insbesondere eines Schäumprozesses oder eines Spritzgussprozesses. Erfindungsgemäß wird vor Prozessbeginn ein Lichtwellenleiter in der Werkzeugkavität positioniert, wobei zumindest ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich bleibt. Danach wird der Prozess gestartet. Während des Prozessverlaufs und/oder nach Beendigung des Prozesses wird zumindest zeitweilig das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters gemessen und die Messwerte mit Referenzwerten verglichen.

Das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters wird durch den Druck bzw. durch die Kräfte, die auf den Lichtwellenleiter ausgeübt werden, beeinflusst. Betroffen sind nicht nur einzelne Punkte des Lichtwellenleiters, sondern die gesamte Länge des Lichtwellenleiters ist diesen äußeren Einflüssen ausgesetzt. Das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters spiegelt somit nicht nur den Zustand an vereinzelten Punkten wider, sondern gibt Aufschluss über den Zustand im gesamten Bereich des Lichtwellenleiters.

Erfindungsgemäß ist der Lichtwellenleiter in der Werkzeugkavität positioniert. Nach Starten des Prozesses zur Herstellung des Bauteils füllt sich die Werkzeugkavität mit einer Masse, beispielsweise einer Kunststoffmasse. Die Masse umschließt den Lichtwellenleiter. Während des Füllvorgangs und nach dem Füllvorgang übt die Masse Druck auf die von der Masse umschlossen Bereiche des Lichtwellenleiters aus. Diese Ausübung des Drucks der Masse auf den Lichtwellenleiter ist orts- und zeitabhängig: Ortsabhängig deswegen, weil man davon ausgehen kann, dass an zwei unterschiedlichen Punkten des Lichtwellenleiters unterschiedliche äußere Zustände herrschen, zeitabhängig deswegen, weil es sich in der Regel um einen dynamischen Prozess handelt, wie beispielsweise Einfüllen einer heißen Kunststoffmasse in die Werkzeugkavität mit nachfolgendem Abkühlvorgang.

Der Druck an einem bestimmten Ort innerhalb der Werkzeugkavität zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Prozessverlaufs ist charakteristisch für den Prozess. Dies gilt insbesondere für die Gesamtheit der Werte des Drucks an vielen unterschiedlichen Orten innerhalb der Werkzeugkavität zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten. Je höher die Anzahl der Werte ist, desto genauer lässt sich der Prozess kennzeichnen, d.h., lässt sich der Prozess von ähnlichen Prozessen unterscheiden: Würde oben beschriebener Prozess wiederholt werden, aber unter leicht unterschiedlichen Bedingungen ablaufen, so würden sich diese beiden Prozesse anhand der aufgenommenen Parameter unterscheiden lassen, gesetzt den Fall, dass die Anzahl der Parameter genügend hoch ist, und die Parameter an geeigneten Orten und zu geeigneten Zeitpunkten aufgenommen wurden.

Ein Lichtwellenleiter kann aufgrund seiner Flexibilität beliebig positioniert werden, so auch in den Bereichen der Werkzeugkavität, die für den jeweiligen Prozess relevant oder besonders kritisch sind. Des Weiteren ist es mit einem Lichtwellenleiter möglich, Parameter entlang der gesamten Linie des Lichtwellen leiters aufzunehmen, und dies über jeden beliebigen Zeitbereich. Diese Eigenschaften ermöglichen es, eine Vielzahl prozessrelevanter Werte aufzunehmen, wodurch es möglich ist, verschiedene Prozesse miteinander zu vergleichen, und auch sehr kleine Abweichungen festzustellen.

Beispielsweise könnte man in einem Referenzprozess das optische Dämpfungsverhalten eines in der Werkzeugkavität positionierten Lichtwellenleiters an verschiedenen Zeitpunkten messen. Um zu einem späteren Zeitpunkt zu kontrollieren, ob der Prozess immer noch den selben Prozessverlauf besitzt, würde man erneut ein Lichtwellenleiter in der Werkzeugkavität positionieren und erneut den optischen Dämpfungsverlauf messen. Der Vergleich der Messwerte mit den Referenzwerten gibt Aufschluss darüber, inwieweit die Prozesse voneinander abgewichen sind. Auf diese Weise ist die Stabilität eines Prozesses überprüfbar.

Vorteilhafterweise wird der Lichtwellenleiter bei den zu vergleichenden Prozessen in exakt derselben Lage innerhalb der Werkzeugkavität positioniert. Des Weiteren wird vorteilhafterweise in jedem Prozess der gleiche Lichtwellenleiter verwendet. Übereinstimmen der Position und Übereinstimmen der Lichtwellenleiter erlauben einen direkten Vergleich der aufgenommenen Messwerte.

Das Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters lässt sich mit den bekannten Verfahren messen. Für die Messung kann beispielsweise ein Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) eingesetzt werden. Dadurch, dass zumindest ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich bleibt, kann das Messgerät an den Lichtwellenleiter angeschlossen werden. Das optische Dämp fungsverhalten des Lichtwellenleiters würde somit über eine Reflexionsmessung bestimmt.

Um das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters zu bestimmen, sendet das Messgerät einen Lichtpuls in den Lichtwellenleiter. Im Anschluss daran wird zeitaufgelöst das Licht, das innerhalb des Lichtwellenleiters zurück reflektiert wurde, aufgenommen. Aufgrund der Zeitauflösung können die Orte bestimmt werden, an denen die Reflexionen stattgefunden haben. Die Stärke der Reflexionen richtet sich hierbei nach den Änderungen des Brechungsindex innerhalb des Lichtwellenleiters. Dieser Brechungsindex wird insbesondere durch von außen auf den Lichtwellenleiter ausgeübtem Druck beeinflusst. Die Intensität des reflektierten Lichts und der Druck auf den Lichtwellenleiter stehen somit in direktem Zusammenhang.

Als Lichtwellenleiter können im Prinzip jegliche Arten von Lichtwellenleiter verwendet werden. Vorteilhafterweise werden aber Lichtwellenleiter eingesetzt, die druckempfindlich sind und eine geringe Dämpfung besitzen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass beide Enden des Lichtwellenleiters von außen zugänglich bleiben.

Dadurch ist es möglich, neben Reflexionsmessungen auch Transmissionsmessungen durchzuführen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Lichtwellenleiter in der Werkzeugkavität in einem geraden Verlauf positioniert wird.

Ist der Lichtwellenleiter gekrümmt, so wird durch die Krümmung ein Druck auf diesen Bereich des Lichtwellenleiters ausgeübt. Das durch die Krümmung des Lichtwellenleiters verursachte optischen Dämpfungsverhaltens des Lichtwellenleiters müsste als Untergrund berücksichtigt werden. Positioniert man den Lichtwellenleiter in einer möglichst geraden Lichtwellenführung, so vermeidet man diesen Untergrund.

Insbesondere erlaubt eine gerade Linienführung des Lichtwellenleiters eine genaue Reproduktion dieser Linienführung. Eine gekrümmte Linienführung des Lichtwellenleiters würde eine Reproduktion erschweren.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Durchmesser des verwendeten Lichtwellenleiters im Bereich von 100 bis 400 μm liegt.

Von der Erfindung bevorzugt werden Standardlichtwellenleiter verwendet, die eine hohe Verfügbarkeit haben. Dadurch ist gewährleistet, dass das erfindungsgemäße Verfahren beliebig oft wiederholt werden kann. Insbesondere können die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommenen Referenzwerte über einen langen Zeitraum verwendet werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der verwendete Lichtwellenleiter ein Glasfaser-Lichtwellenleiter ist.

Ein Lichtwellenleiter enthält einen Kern und einen Mantel, der den Kern umgibt. Mantel und Kern können aus Kunststoff oder auch aus Glas hergestellt sein. Von der Erfindung bevorzugt wird, dass Mantel und Kern aus Glas bestehen. Das optische Dämpfungsverhalten einer Glasfaser liegt weit unter dem einer Kunstfaser, was es ermöglicht, einen im Vergleich zum Kunstfaser-Lichtwellenleiter weitaus längeren Glasfaser-Lichtwellenleiter in dem erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll einzusetzen: Das optische Dämpfungsverhalten kann über einen größeren Bereich bestimmt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für die Messung des Dämpfungsverhaltens des Lichtwellenleiters Infrarotstrahlung verwendet wird.

Infrarotstrahlung ist insbesondere geeignet für Glasfaser-Lichtwellenleiter, da typische Glasfaser-Lichtwellenleiter bei 850 nm oder 1300 nm ein Dämpfungsminimum besitzen. Für die Erzeugung der Infrarotstrahlung wird bevorzugt ein Infrarotlaser verwendet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der verwendete Lichtwellenleiter mit einer Beschichtung versehen ist.

Die Beschichtung, auch "Primärbeschichtung" genannt, umgibt vollständig den Mantel des Lichtwellenleiters. Sie dient als Schutz des Lichtwellenleiters vor äußeren Einflüssen.

Des Weiteren offenbart die Erfindung ein Kunststoffbauteil, das im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird.

Das erfindungsgemäße Kunststoffbauteil enthält einen Lichtwellenleiter, der zumindest an einem Ende von außen zum Messen des optischen Dämpfungsverhaltens dieses Lichtwellenleiters zugänglich ist.

Ist das Kunststoffbauteil auf die erfindungsgemäße Weise mit einem Lichtwellenleiter ausgestattet, so kann mittels Messung des optischen Dämpfungsverhaltens des Lichtwellenleiters das Kunststoffbauteil über einen beliebig langen Zeitraum untersucht werden, wodurch z.B. Langzeiteinflüsse festgestellt werden könnten.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kunststoffbauteil eine Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
Es soll die Stabilität eines Schäumprozesses bei der Herstellung einer Instrumententafel untersucht werden. Es liegen in diesem Falle schon Referenzwerte vor, die auf die gleiche Art und Weise wie im folgendem beschrieben in einem Referenzprozess bestimmt wurden.
Zur Untersuchung der Stabilität des Prozesses wird vor Prozessbeginn ein Lichtwellenleiter geradlinig entlang der gesamten Instrumententafel in die Werkzeugkavität des Werkzeugs eingelegt. Um den Lichtwellenleiter in Form zu halten, werden dessen Enden leicht mit einem Klebestreifen fixiert. An beiden Enden reicht ein Abschnitt des Lichtwellenleiters mit einer Länge von 50 cm über das Werkzeug hinaus.
Danach wird eines der Enden des Lichtwellenleiters mit einem Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) verbunden. Mittels des OTDRs wird nun kurz das Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters gemessen, um die Funktion des Lichtwellenleiters zu überprüfen. In dieser Phase des Verfahrens besteht auch die Möglichkeit, das gemessene optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters mit einer Referenzmessung zu vergleichen. Mittels dieses Vergleichs lässt sich sicherstellen, dass bezüglich des Lichtwellenleiters bei dem Referenzprozess und bei dem nun folgenden Prozess gleiche Anfangsbedingungen vorlagen.
Danach wird der Schäumprozess gestartet. Die Werkzeugkavität wird mit Kunststoffmasse gefüllt. Zu diesem Vorgang parallel laufend misst das OTDR das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters. Die Messungen werden dabei in einem Zeitabstand von 10 s aufgenommen. Diese Messungen werden bis zur Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug fortgesetzt.
Die vom OTDR aufgenommenen Messwerte werden zeitgleich mit der jeweiligen Messung in Form einer Messkurve auf einem Bildschirm dargestellt. Dabei sind die entsprechenden Messkurven des Referenzprozesses den aktuellen Messungen grafisch unterlegt.
Weicht die Messkurve der aktuellen Messung von der Referenzkurve ab, so ist diese Abweichung unmittelbar optisch feststellbar. Auf diese Weise kann nicht nur festgestellt werden, an welchem Ort der Prozess, falls Abweichungen gemessen werden, instabil ist, sondern auch der Zeitpunkt, an dem der Prozess beginnt, instabil zu verlaufen.
Um feinere Abweichungen feststellen zu können, und um quantitative Aussagen treffen zu können, kann zum Vergleich der Referenzwerte und der aktuellen Messwerte ein Rechner eingesetzt werden, der die Messwerte mit geeigneten Algorithmen auswertet. Mittels eines Rechners lassen sich die aufgenommenen Messwerte auch speichern, so dass diese Messwerte zu einem späteren Zeitpunkt zugänglich bleiben. Auf diese Weise kann der abgeschlossene Prozess im Nachhinein mit dem Referenzprozess verglichen werden.
Mit dem eben beschriebenen Prozess wird eine Instrumententafel hergestellt, die einen Lichtwellenleiter enthält, dessen Enden von außen zugänglich sind. Auch nach Beendigung des Schäumprozesses lässt sich ein Messgerät an den Lichtwellenleiter anschließen, und das optische Dämpfungsverhalten des Lichtwellenleiters bestimmen. Auch in diesem Fall erhält man durch einen Vergleich mit einer Referenzmessung Aufschluss darüber, inwieweit der Prozess wunschgemäß verlaufen ist. In diesem Falle ist man nicht an den Standort des Werkzeugs gebunden, so dass eine Messung einfach durchführbar ist.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde ein mit einer Primärbeschichtung versehener Glasfaserlichtwellenleiter verwendet. Der Außendurchmesser des Lichtwellenleiters über der Primärbeschichtung beträgt 250 μm. Mantel und Kern des Lichtwellenleiters bestehen beide aus Glas. Es handelt sich hierbei um einen Standardlichtwellenleiter, der im Handel einfach zu erhalten ist.
Das hier verwendete OTDR enthält einen Infrarotlaser, mittels dem Strahlungspulse erzeugt werden, die in den Lichtwellenleiter eingestrahlt werden. Die Wel lenlänge des Infrarotlasers liegt bei 1300 μm, was in etwa dem Dämpfungsminimum des verwendeten Lichtwellenleiters entspricht.

Claims

Verfahren zur Messung von Abweichungen eines Prozessverlaufs eines Prozesses zur Herstellung eines Bauteils in einer Werkzeugkavität, insbesondere eines Schäumprozesses oder eines Spritzgussprozesses, enthaltend die Schritte: a) Vor Prozessbeginn Positionieren eines Lichtwellenleiters in der Werkzeugkavität, wobei zumindest ein Ende des Lichtwellenleiters von außen zugänglich bleibt, b) Starten des Prozesses, c) während des Prozessverlaufs und/oder nach Beendigung des Prozesses zumindest zeitweiliges Messen des optischen Dämpfungsverhaltens des Lichtwellenleiters und Vergleichen der Messwerte mit Referenzwerten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Enden des Lichtwellenleiters von außen zugänglich bleiben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter in der Werkzeugkavität in einem geraden Verlauf positioniert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des verwendeten Lichtwellenleiters im Bereich von 100 bis 400 Mikrometern liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Lichtwellenleiter ein Glasfaser-Lichtwellenleiter ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung des Dämpfungsverhaltens des Lichtwellenleiters Infrarot-Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Lichtwellenleiter mit einer Beschichtung versehen ist.
Kunststoffbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil einen Lichtwellenleiter enthält, der zumindest an einem Ende von außen zur Messung des optischen Dämpfungsverhaltens dieses Lichtwellenleiters zugänglich ist.
Kunststoffbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil eine Instrumententafel eines Kraftfahrzeugs ist.