DE102017221602A1 - Method and device for characterizing a deformation part made of an entropy-elastic material - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (110) zur Charakterisierung eines Umformteils (112) aus einem entropieelastischen Werkstoff während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils (112) in einem Umformverfahren. Das Verfahren weist hierbei die folgenden Schritte auf:
a) Bereitstellen mindestens eines für das Umformverfahren eingerichteten Werkzeugs (114), wobei das Werkzeug (114) mindestens eine Kavität (116) zur Aufnahme eines entropieelastischen Werkstoffs aufweist, und wobei in das Werkzeug (114) ferner eine Prüfeinrichtung (140) zur Bereitstellung und zum Nachweis von Ultraschall integriert wird, wobei durch die Prüfeinrichtung (140) geführte Ultraschall-Wellen bereitgestellt werden;
b) Einbringen eines Werkstoffs unter Druck in die Kavität (116) und Aufrechterhaltung des Drucks und einer Temperatur über einen Zeitraum derart, dass das den entropieelastischen Werkstoff umfassende Umformteil (112) hergestellt wird; und
c) Beaufschlagen der Kavität (116) während des Zeitraums und/oder oder nach dem Zeitraum mit Ultraschall, welcher durch die Prüfeinrichtung (140) bereitgestellt wird, und Nachweisen des reflektierten Ultraschalls mittels der Prüfeinrichtung (140), wodurch die Charakterisierung des Umformteils (112) erfolgt.
Das Verfahren und die Vorrichtung (110) ermöglichen eine einfache in-situ Bestimmung von Eigenschaften und/oder Abmessungen entropieelastischer Werkstoffe, insbesondere von Umformteilen (112) aus Elastomeren oder erwärmten, entropieelastischen Thermoplasten, während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils (112) in einem Umformverfahren.
The present invention relates to a method and a device (110) for characterizing a deformation part (112) made of an entropy-elastic material during and / or after production of the deformation part (112) in a forming process. The method has the following steps:
a) providing at least one tool (114) adapted for the forming process, wherein the tool (114) has at least one cavity (116) for receiving an entropy-elastic material, and wherein in the tool (114) further comprises a test device (140) for providing and is integrated for the detection of ultrasound, being provided by the tester (140) guided ultrasonic waves;
b) introducing a material under pressure into the cavity (116) and maintaining the pressure and a temperature for a period of time such that the forming part (112) comprising the entropy-elastic material is produced; and
c) applying ultrasound to the cavity (116) during the period and / or after the period of time provided by the testing device (140) and detecting the reflected ultrasound by means of the testing device (140), whereby the characterization of the forming part (112 ) he follows.
The method and the device (110) enable a simple in-situ determination of properties and / or dimensions of entropy-elastic materials, in particular of formed parts (112) made of elastomers or heated entropy-elastic thermoplastics, during and / or after production of the forming part (112). in a forming process.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Umformteils aus einem entropieelastischen Werkstoff. Die Charakterisierung dient hierbei bevorzugt einer Bestimmung von Eigenschaften und/oder Abmessungen entropieelastischer Werkstoffe, insbesondere von Bauteilen aus Elastomeren oder erwärmten, entropieelastischen Thermoplasten, während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren.The present invention relates to a method and a device for characterizing a deformation part of an entropy-elastic material. The characterization here preferably serves to determine the properties and / or dimensions of entropy-elastic materials, in particular components made of elastomers or heated, entropy-elastic thermoplastics, during and / or after production of the formed part in a forming process.
Stand der TechnikState of the art
Entropieelastizität oder Gummielastizität bezeichnen einen Widerstand kautschukähnlicher Werkstoffe gegen ihre Verformung. Der Widerstand beruht hierbei insbesondere auf einer reversiblen Entropieänderung in den teilvernetzten Werkstoffen, die als Elastomere bezeichnet werden, in Folge einer aufgeprägten Deformation. Gemäß der Theorie zur Gummielastizität werden bei der Deformation von Elastomeren die Winkel zwischen den Molekülen an Vernetzungspunkten reibungsfrei geändert, wobei der Werkstoff in Folge der Deformation dabei einen Zustand mit geringerer Unordnung annehmen kann, wodurch sich die Entropie vermindert. Wird im Anschluss die Kraft, die zur Deformation führt, entfernt, so kann eine Energieaufnahme aus der Umwelt, insbesondere eine Wärmezufuhr, dazu führen, dass sich die Moleküle wieder verdrehen und einen Zustand höherer Entropie annehmen.Entropy elasticity or rubber elasticity refers to a resistance of rubber-like materials to their deformation. The resistance is based in particular on a reversible entropy change in the partially crosslinked materials, which are referred to as elastomers, as a result of an imposed deformation. According to the theory of rubber elasticity, in the deformation of elastomers, the angles between the molecules are changed frictionless at crosslinking points, whereby the material can assume a state of less disorder as a result of the deformation, thereby reducing the entropy. If, subsequently, the force leading to the deformation is removed, an energy intake from the environment, in particular a supply of heat, can cause the molecules to twist again and assume a state of higher entropy.
Das beobachtbare Deformationsverhalten ist dabei charakteristisch für Elastomere oder teilvernetzte Kunststoffe. Darüber hinaus kann auch bei erwärmten Thermoplasten die Entropieelastizität beobachtet werden. Im Fall von erwärmten Thermoplasten können hierbei Vernetzungspunkte durch temporäre Verhakungen und Verschlaufungen langkettiger Moleküle gebildet werden. Die Anzahl der Vernetzungspunkte bestimmt dabei das Deformationsverhalten sowohl von Elastomeren als auch von unvernetzten, erwärmten Thermoplasten, welche in amorpher oder teilkristalliner Form vorliegen können.The observable deformation behavior is characteristic of elastomers or partially cross-linked plastics. In addition, the entropy elasticity can be observed even with heated thermoplastics. In the case of heated thermoplastics, crosslinking points can be formed by temporary entanglements and entanglements of long-chain molecules. The number of crosslinking points determines the deformation behavior of both elastomers and non-crosslinked, heated thermoplastics, which may be in amorphous or partially crystalline form.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung eines Vernetzungsgrades von Elastomeren bekannt. Die Bestimmung des Vernetzungsgrades in Elastomeren wird hierbei häufig zur Überwachung einer Aushärtung von Elastomeren während eines Spritzgießverfahrens, welche auch als „Monitoring“ bezeichnet wird, eingesetzt. In dieser Art von Verfahren wird ein Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast, ein Duroplast oder ein Elastomer, in einen Schmelzzustand erwärmt und anschließend in dem Schmelzzustand unter einer Anwendung von Druck in eine Kavität eines Werkzeugs eingebracht. Aus einer Kunststoffschmelze in der Kavität des Werkzeugs, welche zumindest teilweise bei hohem Druck und Temperatur gehalten wird, erfolgt eine Ausbildung eines Umformteils, welcher schließlich durch Entformen aus der Kavität des Werkzeugs entnommen werden kann. Mit dem Spritzgießverfahren lassen sich sowohl einfache als auch komplexe dreidimensionale Umformteile herstellen.Devices and methods for determining a degree of crosslinking of elastomers are already known from the prior art. The determination of the degree of crosslinking in elastomers is frequently used here for monitoring a curing of elastomers during an injection molding process, which is also referred to as "monitoring". In this type of process, a plastic, in particular a thermoplastic, a thermoset or an elastomer, is heated to a molten state and then introduced in the molten state under application of pressure into a cavity of a tool. From a plastic melt in the cavity of the tool, which is held at least partially at high pressure and temperature, there is a formation of a Umformteils, which can be finally removed by demolding from the cavity of the tool. The injection molding process can be used to produce both simple and complex three-dimensional formed parts.
Die Ausbildung des Umformteils aus der Kunststoffschmelze erfolgt hierbei durch eine Vernetzungsreaktion. Die Vernetzungsreaktion findet unter Wahl bestimmter Parameter, insbesondere von Druck und Temperatur der Kunststoffschmelze statt, wobei eine Verknüpfung der Makromoleküle in dem Umformteil in der Regel stetig zunimmt. In Folge der Vernetzungsreaktion ergibt sich eine Veränderung der chemischen, physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs, insbesondere eine Erhöhung von Härte, Zähigkeit und Schmelzpunkt des Kunststoffs bei gleichzeitiger Verringerung seiner Löslichkeit. Als Maß für die Veränderung wird im Allgemeinen ein Wert für einen Vernetzungsgrad angegeben, wobei der „Vernetzungsgrad“ durch einen Anteil an vernetzten Stellen in Bezug auf eine Gesamtmenge des Kunststoffs definiert ist.The formation of the Umformteils from the plastic melt takes place here by a crosslinking reaction. The crosslinking reaction takes place with the choice of certain parameters, in particular of the pressure and temperature of the plastic melt, with a linkage of the macromolecules in the formed part generally increasing steadily. As a result of the crosslinking reaction results in a change in the chemical, physical and / or mechanical properties of the plastic, in particular an increase in hardness, toughness and melting point of the plastic while reducing its solubility. A measure of the degree of crosslinking is generally given as a measure of the change, the "degree of crosslinking" being defined by a proportion of crosslinked sites with respect to a total amount of the plastic.
Zur Herstellung von Umformteilen, welche über die gewünschten Eigenschaften verfügen, ist es erforderlich, die Parameter, insbesondere Druck und Temperatur, während des Spritzgießverfahrens so einzustellen und beizubehalten, dass durch den Ablauf der Vernetzungsreaktion der zugehörige Vernetzungsgrad in dem Elastomer erzielt werden kann. Wird die Vernetzungsreaktion in dem Kunststoff zu früh unterbrochen, erfährt der Elastomer in der Regel keine vollständige Vulkanisierung, so dass im Umformteil Bereiche mit ungünstigen Eigenschaften auftreten können, wodurch Funktion und/oder Lebensdauer des Umformteils beeinträchtigt sein kann. Dauert dagegen die Vernetzungsreaktion in dem Kunststoff über das notwendige Maß der Vulkanisierung hinaus an, so kann aufgrund der während der Vernetzungsreaktion herrschenden hohen Temperaturen ein Degradationsprozess auftreten, wodurch das gut ausvulkanisierte Umformteil bereits wieder zersetzt werden kann.In order to produce formed parts which have the desired properties, it is necessary to set and maintain the parameters, in particular pressure and temperature, during the injection molding process in such a way that the degree of crosslinking in the elastomer can be achieved by the course of the crosslinking reaction. If the crosslinking reaction in the plastic is interrupted too early, the elastomer generally does not undergo complete vulcanization, so that regions with unfavorable properties can occur in the shaped part, which may affect the function and / or life of the formed part. On the other hand, if the crosslinking reaction in the plastic exceeds the necessary degree of vulcanization, a degradation process may occur due to the high temperatures prevailing during the crosslinking reaction, as a result of which the well-vulcanized formed part can already be decomposed again.
Zur Herstellung der Umformteilen mit den gewünschten Eigenschaften ist es daher erforderlich, einen Zeitraum, innerhalb dessen die gewählten Parameter, insbesondere Druck und Temperatur, auf das herzustellenden Umformteil einwirken, möglichst optimal innerhalb eines Zeitfensters festzulegen. In der Praxis werden hierzu in der Regel empirische Erfahrungswerte eingesetzt. Durch den hohen Grad an Empirie ist eine Automatisierung oder Prozesskontrolle jedoch nur schwer durchzuführen. Alternativ können Proben entnommen und zur Bestimmung des Vernetzungsgrades mittels chemischer Analysemethoden, wie z.B. eine Sol-Gel-Analyse, zerstört werden. Eine derartige Bestimmung des Vernetzungsgrades wird daher häufig erst nach Ablauf des Herstellungsprozesses vorgenommen und ist insbesondere bei aufwändigen und wertvollen Umformteilen von Nachteil. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Vernetzungsgrades mittels bekannter physikalischer Analysemethoden, wie z.B. einer in der
Erwärmte Thermoplaste, unabhängig davon, on sie in einem amorphen oder teilkristallinen Zustand vorliegen, zeigen in einem Temperaturbereich unterhalb des thermoplastischen Zustands ein ähnliches Deformationsverhalten wie Elastomere. Ein gutes Verstreckverhalten in dem entropieelastischen Zustandsbereich ist dabei Grundlage verschiedener umformender Verfahren aus der Kunststoffverarbeitung. Typische Umformverfahren sind hierbei Thermoformen, Extrusionsblasformen oder Spritzstreckblasen, bei welchen zuerst ein Kunststoff auf den entropieelastischen Temperaturbereich erwärmt und anschließend mittels Druckdifferenzen, welche sich insbesondere mittels Druckluft und/oder eines Vakuums erzeugen lassen, und/oder mittels Verstreckhilfen behandelt wird. Die Erwärmung kann hierbei mittels Heizeinrichtungen, insbesondere mittels mindestens einer Kontakt-, Konvektions- und/oder Strahlungsheizung, oder mittels einer Inline-Extrusion, insbesondere während des Extrusionsblasformens oder des Inline-Thermoformens, erfolgen.Heated thermoplastics, regardless of whether they are in an amorphous or semi-crystalline state, exhibit similar deformation behavior as elastomers in a temperature range below the thermoplastic state. Good stretching behavior in the entropy-elastic state region forms the basis of various forming processes in plastics processing. Typical forming processes here are thermoforming, extrusion blow molding or injection stretch blow molding, in which first a plastic is heated to the entropy-elastic temperature range and then treated by means of pressure differences, which can be generated in particular by means of compressed air and / or a vacuum, and / or by means of stretching aids. The heating can in this case by means of heaters, in particular by means of at least one contact, convection and / or radiant heating, or by means of an in-line extrusion, in particular during the extrusion blow molding or inline thermoforming, take place.
Die Abformung eines Bauteils kann hierbei vorwiegend, aber nicht ausschließlich, über einen einseitigen Werkzeugkontakt erfolgt. Der einseitige Werkzeugkontakt bedingt dabei geringe Maschinenkosten, sorgt aber auch dafür, dass den Bauteilen nur werkzeugseitig eine maßgenaue Kontur aufgeprägt werden kann. Eine Wanddickenverteilung ist von einer Vielzahl an Einflüssen abhängig, insbesondere Werkzeuggeometrie, Reibung, Temperatur und/ oder Halbzeug-Eigenschaften, uns stellt somit einen wichtigen Kennwert zur Charakterisierung des Thermoformprozesses dar. Weiterhin lassen sich durch die Wanddickenverteilung weitere Eigenschaften der Thermoformteile, insbesondere hinsichtlich Steifigkeit, Barriereeigenschaften und/oder Bauteiloptik, ermitteln.The impression of a component can here predominantly, but not exclusively, via a one-sided tool contact. The one-sided tool contact causes low machine costs, but also ensures that the components can be impressed on the tool side only a dimensionally accurate contour. A wall thickness distribution is dependent on a large number of influences, in particular tool geometry, friction, temperature and / or semifinished properties, and thus represents an important parameter for characterizing the thermoforming process. Furthermore, the wall thickness distribution allows further properties of the thermoformed parts, in particular with regard to rigidity, Barrier properties and / or component optics determine.
Gemäß dem bekannten Stand der Technik kann eine Charakterisierung der Wanddickenverteilung in derartigen Bauteilen nur offline mittels taktiler Prüfverfahren erfolgen.According to the known state of the art, a characterization of the wall thickness distribution in such components can only take place offline by means of tactile test methods.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile und Einschränkungen bei einer Charakterisierung eines Umformteils aus einem entropieelastischen Werkstoff während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Umformteils aus einem entropieelastischen Werkstoff vorgeschlagen werden, welche eine einfache in-situ Charakterisierung des Umformteils während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren ermöglichen.The object of the present invention is therefore to at least partially overcome the disadvantages and limitations known from the prior art in a characterization of a deformation part from an entropy-elastic material during and / or after a production of the deformation part in a forming process. In particular, a method and a device for characterizing a deformation of an entropy-elastic material are proposed, which allow a simple in-situ characterization of the Umformteils during and / or after production of the Umformteils in a forming process.
Darüber hinaus sollen das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung sich auch zur Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften von erwärmten Thermoplasten, die in einem entropieelastischen Zustand ein ähnliches Deformationsverhalten wie teilvernetzten Elastomere aufweisen, eignen. Bei bekannten Werkstoffeigenschaften der erwärmten Thermoplaste sollen sich das Verfahren und die Vorrichtung auch zur Bestimmung von Wanddicken in Bauteilen aus erwärmten Thermoplasten anwenden lassen.In addition, the proposed method and apparatus should also be suitable for characterizing the material properties of heated thermoplastics having a deformation behavior similar to partially crosslinked elastomers in an entropy-elastic state. In the case of known material properties of the heated thermoplastics, the method and the device should also be applicable to the determination of wall thicknesses in components made of heated thermoplastics.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Umformteils aus einem entropieelastischen Werkstoff während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a method and a device for characterizing a deformation part of an entropy-elastic material during and / or after production of the deformation part in a forming process with the features of the independent claims. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Charakterisierung eines Umformteils aus einem entropieelastischen Werkstoff während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren. Unter dem Begriff des „Umformteils“ wird hierbei ein zu untersuchendes dreidimensional ausgedehntes Gebilde verstanden, welches aus einem geeigneten Werkstoff in dem Umformverfahren hergestellt wird, wobei das Umformteil eine Form aufweist, welche durch die Form einer Kavität in einem für das Umformverfahren eingerichteten Werkzeug festgelegt wird. Hierbei kann das hergestellte Umformteil einen Werkstoff aufweisen, der während der Herstellung des Umformteils strukturell derart modifiziert wurde, dass er die Form einer Kavität annehmen konnte. Das Umformteil kann hierzu insbesondere in einem Spritzgießverfahren aus Elastomeren oder in einem anderen Umformverfahren, bevorzugt Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen, aus einem Thermoplasten hergestellt werden. Das vorliegende Verfahren ist jedoch auch für weitere Arten von Werkstoffen und Untersuchungen einsetzbar. Bei dem Umformteil kann es sich beispielsweise um Proben oder Werkstücke für ein Labor handeln oder um Produkte oder Prototypen, etwa Teile eines Kraftfahrzeugs, deren Herstellung unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens einem online-Monitoring unterzogen wird.In a first aspect, the present invention relates to a method for characterizing a deformation part of an entropy-elastic material during and / or after a production of the deformation part in a forming process. The term "forming part" is understood to mean a three-dimensionally extended structure to be examined, which is produced from a suitable material in the forming process, wherein the forming part has a shape which is determined by the shape of a cavity in a tool adapted for the forming process , In this case, the formed part produced may have a material which has been structurally modified during the production of the forming part in such a way that it could take the form of a cavity. For this purpose, the forming part can be made from elastomers or in another forming process, in particular by injection molding, preferably by thermoforming, injection stretch blow molding or extrusion blow molding made of a thermoplastic. However, the present method can also be used for other types of materials and investigations. The forming part can be, for example, samples or workpieces for a laboratory or products or prototypes, for example parts of a motor vehicle whose production is subjected to online monitoring using the present method.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eignet sich das vorliegende Verfahren zur Untersuchung von entropieelastischen Thermoplasten, insbesondere zur Bestimmung von Werkstoff-Eigenschaften oder, bei bekannten Werkstoffeigenschaften, für ein Online-Monitoring von Wanddickenverteilungen in einem Umformwerkzeug zur Herstellung der entropieelastische Thermoplasten. Hierbei bezeichnet der Begriff der „entropieelastischen Thermoplaste“ erwärmte Thermoplaste, unabhängig davon, ob sie vor der Erwärmung in einem amorphen oder in teilkristallinen Zustand vorliegen, welche jedoch in einem Temperaturbereich unterhalb des thermoplastischen Zustands ein ähnliches Deformationsverhalten wie Elastomere aufweisen. Derartige Zustände lassen sich hierbei mittels eines in der Kunststoffverarbeitung eingesetzten Umformverfahrens, insbesondere Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen, erzeugen.In a particularly preferred embodiment, the present method is suitable for the investigation of entropy-elastic thermoplastics, in particular for the determination of material properties or, in the case of known material properties, for on-line monitoring of wall thickness distributions in a forming tool for producing the entropy-elastic thermoplastics. Here, the term "entropy-elastic thermoplastics" refers to heated thermoplastics, regardless of whether they are in an amorphous or in a partially crystalline state before heating, but have a similar deformation behavior as elastomers in a temperature range below the thermoplastic state. Such conditions can be produced by means of a forming process used in plastics processing, in particular thermoforming, injection stretch blow molding or extrusion blow molding.
In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das Umformteil in einem für die Herstellung des Umformteils eigens eingerichteten Werkzeug für ein Spritzgießverfahren aus einer in die Kavität eingebrachte Schmelze aus Elastomeren hergestellt. Der Begriff des „Elastomers“ bezeichnet hierbei formfeste, elastisch verformbare Kunststoffe, welche einen Glasübergangspunkt aufweisen, der unterhalb ihrer Einsatztemperatur liegt. Der Begriff des „Glasübergangspunkts“ bezeichnet hierbei eine Temperatur, bei deren Überschreiten das Elastomer aus einem festen Zustand in eine gummiartige Schmelze übergeht. Das Elastomer kann sich somit bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, bei Entlastung jedoch wieder in seine ursprüngliche, unverformte Gestalt zurückgehen. Zu den Elastomeren gehören insbesondere Vulkanisate von Naturkautschuk, Silikonkautschuk oder thermoplastische Elastomere, z.B. thermoplastische Copolymere oder Polymerblends. Elastomere finden üblicherweise Verwendung in Gummibändern, Dichtungsringen oder Reifen.In a further embodiment, which is also particularly preferred, the forming part is produced from an elastomeric melt introduced into the cavity in a mold for an injection molding process specially designed for the production of the forming part. The term "elastomer" here denotes dimensionally stable, elastically deformable plastics which have a glass transition point which is below their use temperature. The term "glass transition point" refers to a temperature above which the elastomer passes from a solid state into a rubbery melt. The elastomer can thus deform elastically under tensile and compressive load, but go back to its original, undeformed shape at discharge. The elastomers include in particular vulcanizates of natural rubber, silicone rubber or thermoplastic elastomers, e.g. thermoplastic copolymers or polymer blends. Elastomers are commonly used in rubber bands, gaskets or tires.
Wie eingangs beschrieben, erfolgt die Ausbildung des Umformteils aus der Schmelze mittels einer Vernetzungsreaktion. Der Begriff der „Vernetzungsreaktion“ bezeichnet hierbei eine chemische Reaktion, bei welcher eine Verknüpfung einer Vielzahl von Makromolekülen des Kunststoffs zu einem dreidimensionalen Netzwerk erfolgt, wobei die Verknüpfung beim Aufbau der Makromoleküle und/oder an bereits bestehenden Makromolekülen einsetzen kann. Die Vernetzungsreaktion findet unter Wahl bestimmter Parameter, insbesondere von Druck und Temperatur in der Kunststoffschmelze statt, wobei die Verknüpfung der Makromoleküle mit fortschreitender Vernetzungsreaktion in der Regel stetig zunimmt. In Folge der Vernetzungsreaktion ergibt sich eine Veränderung der chemischen, physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs, welche auch als „Werkstoffparameter“ bezeichnet werden, insbesondere eine Erhöhung von Härte, Zähigkeit und Schmelzpunkt des Kunststoffs bei gleichzeitiger Verringerung seiner Löslichkeit. Als Maß für die Veränderung des Elastomers während der Aushärtung des Umformteils wird im Allgemeinen ein Wert für einen Vernetzungsgrad angegeben, wobei der „Vernetzungsgrad“ durch einen Anteil an vernetzten Stellen in Bezug auf eine Gesamtmenge des Kunststoffs definiert ist. Der Begriff der „Bestimmung“ des Vernetzungsgrades bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ermittlung mindestens eines spezifischen Wertes, welcher mit dem Vernetzungsgrad korreliert ist.As described above, the formation of the formed part takes place from the melt by means of a crosslinking reaction. The term "crosslinking reaction" here denotes a chemical reaction in which a combination of a plurality of macromolecules of the plastic takes place in a three-dimensional network, wherein the linkage in the construction of the macromolecules and / or to existing macromolecules can use. The crosslinking reaction takes place with the choice of certain parameters, in particular of pressure and temperature in the plastic melt, with the linkage of the macromolecules generally increasing steadily as the crosslinking reaction progresses. As a result of the crosslinking reaction results in a change in the chemical, physical and / or mechanical properties of the plastic, which are also referred to as "material parameters", in particular an increase in hardness, toughness and melting point of the plastic while reducing its solubility. As a measure of the change in the elastomer during the curing of the Umformteils is generally given a value for a degree of crosslinking, wherein the "degree of crosslinking" is defined by a proportion of crosslinked sites in relation to a total amount of the plastic. In the context of the present invention, the term "determination" of the degree of crosslinking designates a determination of at least one specific value, which is correlated with the degree of crosslinking.
Das Verfahren zur Bestimmung des Vernetzungsgrades in den Elastomeren während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils aus den Elastomeren in einem Spritzgießverfahren umfasst mindestens die im Folgenden im Einzelnen beschriebenen Schritte a) bis c):
- a) Bereitstellen mindestens eines für das Umformverfahren eingerichteten Werkzeugs, wobei das Werkzeug mindestens eine Kavität zur Aufnahme eines entropieelastischen Werkstoffs aufweist, und wobei in das Werkzeug ferner eine Prüfeinrichtung zur Bereitstellung und zum Nachweis von Ultraschall integriert wird, wobei durch die Prüfeinrichtung geführte Ultraschall-Wellen bereitgestellt werden;
- b) Einbringen eines Werkstoffs unter Druck in die Kavität und Aufrechterhaltung des Drucks und einer Temperatur über einen Zeitraum derart, dass das den entropieelastischen Werkstoff umfassende Umformteil hergestellt wird; und
- c) Beaufschlagen der Kavität während des Zeitraums und/oder nach dem Zeitraum mit Ultraschall, welcher durch die Prüfeinrichtung bereitgestellt wird, und Nachweisen des reflektierten Ultraschalls mittels der Prüfeinrichtung, wodurch die Charakterisierung des Umformteils erfolgt.
- a) providing at least one set up for the forming process tool, wherein the tool has at least one cavity for receiving an entropy-elastic material, and wherein in the tool further comprises a testing device for providing and detecting ultrasound is integrated, guided by the testing device ultrasonic waves to be provided;
- b) introducing a material under pressure into the cavity and maintaining the pressure and a temperature for a period of time such that the forming part comprising the entropy-elastic material is produced; and
- c) applying ultrasound to the cavity during the period and / or after the period of time provided by the testing device and detecting the reflected ultrasound by means of the testing device, whereby the characterization of the forming part takes place.
Hierbei können die Schritte a) bis c) in der angegebenen Reihenfolge, beginnend mit Schritt a), fortführend mit Schritt b) und endend mit Schritt c), ausgeführt, wobei, je nach Wahl der Ausgestaltung, einer oder mehrere der Schritte a) bis c), vorzugsweise die Schritt b) und c), zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können. Weiterhin kann insbesondere der Schritt c) mehrfach wiederholt werden, insbesondere bis eine betreffende Eigenschaft, wie z.B. der Vernetzungsgrad, in dem Umformteil einen gewünschten Wert erreicht oder überschritten hat. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.In this case, the steps a) to c) in the order given, starting with step a), continuing with step b) and ending with step c), wherein, depending on the choice of embodiment, one or more of steps a) to c), preferably the step b) and c), at least partially simultaneously can be performed. Farther In particular, step c) can be repeated several times, in particular until a relevant property, such as the degree of crosslinking, in the forming part has reached or exceeded a desired value. In addition, further steps, whether mentioned in the present application or not, may be additionally performed.
Gemäß Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen des mindestens einen Werkzeugs, welches für ein Umformverfahren, insbesondere ein Spritzgießverfahren oder ein weiteres in der Kunststoffverarbeitung eingesetztes Umformverfahren, insbesondere Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen, eingerichtet ist. Hierzu verfügt das Werkzeug über mindestens eine Kavität zur Aufnahme eines Werkstoffs, der bereits dem entropieelastischen Werkstoff entspricht oder aus welchem während der Herstellung des Umformteils der entropieelastische Werkstoff gebildet wird.According to step a), provision is made of the at least one tool which is set up for a forming process, in particular an injection molding process or another forming process used in plastics processing, in particular thermoforming, injection stretch blow molding or extrusion blow molding. For this purpose, the tool has at least one cavity for receiving a material which already corresponds to the entropy-elastic material or from which the entropy-elastic material is formed during the production of the deformation part.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung, in der Elastomere als entropieelastische Werkstoffe eingesetzt werden, ist die Kavität somit zur Aufnahme einer Schmelze aus den Elastomeren eingerichtet. Während des Spritzgießverfahrens kann das Elastomer bevorzugt in einen Schmelzzustand erwärmt und anschließend gemäß Schritt b) in dem Schmelzzustand unter einer Anwendung von Druck in eine Kavität eines Werkzeugs eingebracht werden. Aus der Kunststoffschmelze in der Kavität des Werkzeugs, welche über einen Zeitraum bei hohem Druck und Temperatur gehalten wird, erfolgt die Ausbildung des Umformteils, welches schließlich durch Entformen aus der Kavität des Werkzeugs entnommen werden kann. Zur Herstellung des Umformteils aus den Elastomeren werden vorzugsweise Temperaturen von 100 °C bis 300 °C, sowie Drücke von 1 MPa bis 3000 MPa, eingesetzt.In a particularly preferred embodiment, in which elastomers are used as entropy-elastic materials, the cavity is thus adapted to receive a melt of the elastomers. During the injection molding process, the elastomer may preferably be heated to a molten state and then introduced into a cavity of a tool in accordance with step b) in the melt state under application of pressure. From the plastic melt in the cavity of the tool, which is held for a period of time at high pressure and temperature, the formation of the forming part, which can be finally removed by demolding from the cavity of the tool. For the production of the Umformteils from the elastomers, preferably temperatures of 100 ° C to 300 ° C, and pressures of 1 MPa to 3000 MPa used.
In einer weiteren, ebenfalls besonders bevorzugten Ausgestaltung, in der Thermoplaste als entropieelastischer Werkstoff eingesetzt werden, kann die Kavität somit zur Aufnahme eines kautschukartigen Thermoplasten, welcher in amorpher oder in teilkristalliner Form vorliegen kann, eingerichtet sein. Der Thermoplast, welcher während des Thermoformens ein ähnliches Deformationsverhalten wie Elastomere zeigen kann, wird gemäß Schritt b) einem in der Kunststoffverarbeitung eingesetzten Umformverfahren, insbesondere Thermoformen, Spritzstreckblasen oder Extrusionsblasformen, unterworfen, wobei das Umformteil gebildet wird, welches schließlich durch Entformen aus der Kavität des Werkzeugs entnommen werden kann. Auch hierbei können zur Herstellung des Umformteils Temperaturen vorzugsweise von 100 °C bis 300 °C, sowie Drücke bevorzugt von 1 MPa bis 3000 MPa, verwendet werden.In a further, likewise particularly preferred embodiment, in which thermoplastics are used as entropy-elastic material, the cavity can thus be designed to accommodate a rubber-like thermoplastic, which may be in amorphous or partially crystalline form. The thermoplastic, which can exhibit a similar deformation behavior as elastomers during thermoforming, is subjected to a forming process used in plastics processing, in particular thermoforming, injection stretch blow molding or extrusion blow molding, according to step b), wherein the forming part is finally formed by removal from the cavity of the Tool can be removed. In this case too, temperatures of from 100 ° C. to 300 ° C., as well as pressures of preferably from 1 MPa to 3000 MPa, can be used for producing the forming part.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Werkzeug ferner eine integrierbare Prüfeinrichtung zur Bereitstellung und zum Nachweis von Ultraschall auf. Der Begriff „integrierbar“ bezeichnet hierbei eine Anordnung der Prüfeinrichtung, welche fest oder, vorzugsweise, lösbar in das Werkzeug aufnehmbar ist. Dies hat zur Folge, dass die Prüfeinrichtung bevorzugt derart ausgestaltet ist, dass sie den genannten Parametern, insbesondere den oben aufgeführten bevorzugten Wertebereichen für die Temperatur und den Druck, wie sie in der Kavität des Werkzeugs auftreten können, standhalten kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann hierbei das Werkzeug mit einer Aufnahme versehen sein, welche zur Einfügung der Prüfeinrichtung in das Werkzeug in einer Weise eingerichtet ist, dass die Prüfeinrichtung möglichst an einer Seite, an welcher eine Abgabe und/oder eine Aufnahme des Ultraschalls erfolgt, mit einer Wand der Kavität in Berührung stehen kann. Andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar, insbesondere eine Ausgestaltung, in welcher mindestens ein für Ultraschall geeigneter Leiter zwischen der Prüfeinrichtung und der mindestens einen Kavität angeordnet ist.In accordance with the present invention, the tool further includes an integratable tester for providing and detecting ultrasound. The term "integrable" here refers to an arrangement of the test device, which is fixed or, preferably, releasably received in the tool. This has the consequence that the test device is preferably designed such that it can withstand the mentioned parameters, in particular the above-mentioned preferred value ranges for the temperature and the pressure, as they can occur in the cavity of the tool. In a particularly preferred embodiment, in this case the tool can be provided with a receptacle which is set up for insertion of the checking device into the tool in such a way that the checking device is located, as far as possible, on a side at which delivery and / or recording of the ultrasound takes place. can be in contact with a wall of the cavity. However, other embodiments are conceivable, in particular a configuration in which at least one conductor suitable for ultrasound is arranged between the test device and the at least one cavity.
Die Prüfeinrichtung verfügt über mindestens einen Signalgebers zum Erzeugen und zur Abgabe des Ultraschalls zur Einkopplung gemäß Schritt c) in die mindestens eine Kavität des Werkzeugs, in welcher die sich der zu untersuchende entropieelastische Werkstoff befindet. Hierbei kann die Untersuchung des entropieelastischen Werkstoffs während des Zeitraums und/oder oder nach dem Zeitraum er Herstellung des entropieelastischen Werkstoffs erfolgen, solange sich dieser in der mindestens einen Kavität des Werkzeugs befindet. Der Begriff des „Ultraschalls“ bezeichnet hierbei mittels des mindestens einen Signalgebers anregbare Schwankungen des Druckes und/oder der Dichte in einem elastischen Medium in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 1 MHz, bevorzugt von 20 kHz bis 1 MHz. Das elastische Medium umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung zumindest den sich in der Kavität des Werkzeugs befindlichen entropieelastischen Werkstoff und ein sich zwischen dem mindestens einen Signalgeber und der Kavität befindliches Kopplungsmedium zur Übertragung des Ultraschalls von dem mindestens einen Signalgeber zu dem Volumen der Kavität, insbesondere zu mindestens einer Wand der Kavität.The test device has at least one signal generator for generating and delivering the ultrasound for coupling according to step c) into the at least one cavity of the tool in which the entropy-elastic material to be examined is located. In this case, the investigation of the entropy-elastic material during the period and / or or after the period of manufacture of the entropy-elastic material can take place, as long as it is located in the at least one cavity of the tool. The term "ultrasound" here refers to the at least one signal generator stimulable fluctuations in pressure and / or density in an elastic medium in a frequency range of 100 Hz to 1 MHz, preferably from 20 kHz to 1 MHz. In the context of the present invention, the elastic medium comprises at least the entropy-elastic material located in the cavity of the tool and a coupling medium located between the at least one signal generator and the cavity for transmitting the ultrasound from the at least one signal generator to the volume of the cavity, in particular at least one wall of the cavity.
Der Begriff des „Signalgebers“, welcher auch als „Lautsprecher“ bezeichnet werden kann, betrifft im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung und Abgabe von Signalen als kontinuierliche Ultraschall-Wellen oder in Form von Ultraschall-Pulsen. Anstelle des Begriffs „Abgabe“ können auch die Begriffe „Ausgabe“ oder „Abstrahlung“ synonym verwendet werden. Ausgehend von einer in der Regel nur geringen Größe des Volumens des Werkzeugs wird vorzugsweise nur ein einzelner Signalgeber eingesetzt. Bei größerem Platzangebot in dem Werkzeug ist jedoch auch ein Einsatz von zwei oder mehreren Signalgebern denkbar, welcher vor allem bei der Herstellung von ausgedehnten und/oder komplexen Umformteilen besonders vorteilhaft sein kann. Die räumliche Ausgestaltung des mindestens einen Signalgebers ist unerheblich, solange der Signalgeber derart eingerichtet ist, dass die Abgabe des Signals bevorzugt in einen räumlichen begrenzten Winkelbereich erfolgen kann, um auf diese Weise das abgestrahlte Signal möglichst vollständig auf in die Kavität richten zu können. Zu diesem Zweck kann der Signalgeber bevorzugt über eine Signalfläche verfügen, über welche das in dem Signalgeber erzeugte Signal möglichst vollständig abgestrahlt werden kann.The term "signal generator", which may also be referred to as "loudspeaker", in the context of the present invention relates to a device for generating and emitting signals as continuous ultrasonic waves or in the form of ultrasonic pulses. Instead of the term "delivery", the terms "issue" or "emission" can also be used interchangeably. Starting from a usually small size of the volume The tool is preferably used only a single signal generator. With greater space in the tool, however, also an application of two or more signal transmitters is conceivable, which can be particularly advantageous, especially in the production of expanded and / or complex formed parts. The spatial design of the at least one signal generator is insignificant, as long as the signal generator is set up such that the output of the signal can preferably take place in a limited spatial angular range in order to be able to direct the radiated signal as completely as possible into the cavity in this way. For this purpose, the signal transmitter may preferably have a signal surface via which the signal generated in the signal generator can be radiated as completely as possible.
Die Erzeugung und Abstrahlung des Ultraschalls erfolgt hierbei insbesondere mit dem Ziel, eine Einkopplung eines möglichst großen Anteils des abgestrahlten Ultraschalls in die Kavität zu erzielen. Der Begriff der „Einkopplung“ beschreibt in diesem Zusammenhang eine Übertragung eines Anteils des Ultraschalls aus dem Kopplungsmedium in den sich in dem Volumen der Kavität befindlichen entropieelastischen Werkstoff, wodurch Schwingungen in dem entropieelastischen Werkstoff angeregt werden, welche gemäß Schritt c) zur Charakterisierung des entropieelastischen Werkstoffs eingesetzt werden können. Hierbei bezeichnet der Begriff der „Schwingungen“ wiederholte, zeitliche Schwankungen des Ultraschalls in dem Volumen der Kavität, welche durch den sich in der Kavität befindlichen entropieelastischen Werkstoff derart einer Veränderung unterzogen werden, dass dadurch erfindungsgemäß eine Bestimmung von Eigenschaften des in der Kavität befindlichen entropieelastischen Werkstoffermöglicht wird. In this case, the generation and emission of the ultrasound takes place in particular with the aim of achieving coupling of the largest possible proportion of the emitted ultrasound into the cavity. The term "coupling-in" in this context describes a transfer of a portion of the ultrasound from the coupling medium into the volume of the cavity entropy-elastic material, whereby vibrations in the entropy-elastic material are excited, according to step c) for characterizing the entropy-elastic material can be used. In this case, the term "oscillations" designates repeated, temporal fluctuations of the ultrasound in the volume of the cavity, which are subjected to such a change by the entropy-elastic material in the cavity that, according to the invention, a determination of properties of the entropy-elastic material in the cavity is possible becomes.
Erfindungsgemäß stellt der mindestens eine Signalgeber geführte Ultraschall-Wellen bereit. Die Begriffe „geführte Wellen“, „Plattenwellen“ oder „Lambwellen“ bezeichnen Ultraschall-Wellen, welche sich zwischen zwei parallelen Grenzflächen ausbreiten. Wie aus
Zusätzlich zu den geführten Ultraschall-Wellen kann der mindestens eine Signalgeber darüber hinaus auch longitudinale und/oder transversale Ultraschall-Wellen bereitstellen. Die longitudinalen Ultraschall-Wellen eigenen sich hierbei insbesondere zu einer Beobachtung von Änderungen der elastischen Konstanten mit Bezug auf das Elastizitätsmodul des Werkstoffes während der Vernetzungsreaktion. Während sich transversale Ultraschall-Wellen nicht in Flüssigkeiten auszubreiten vermögen, da darin keine Scherkräfte übertragen werden, eignen sich transversale Ultraschall-Wellen insbesondere zur Beobachtung von Veränderungen der Viskosität und des Schermoduls. Aufgrund der hier vorgestellten verschiedenen bevorzugten Anwendungen kann eine Kombination der unterschiedlichen Anregungsmoden für die Ultraschall-Wellen zur Erhöhung einer Qualität der Bestimmung des Vernetzungsgrades führen, da so mehrere Messgrößen in die Auswertung einfließen können.In addition to the guided ultrasonic waves, the at least one signal generator can also provide longitudinal and / or transverse ultrasonic waves. The longitudinal ultrasonic waves are particularly suitable for observing changes in the elastic constants with respect to the modulus of elasticity of the material during the crosslinking reaction. While transversal ultrasonic waves can not spread in liquids since no shear forces are transmitted therein, transverse ultrasonic waves are particularly suitable for observing changes in viscosity and the shear modulus. Due to the various preferred applications presented here, a combination of the different excitation modes for the ultrasonic waves can lead to an increase in the quality of the determination of the degree of crosslinking, since in this way several measured variables can be included in the evaluation.
Die Erzeugung und/oder die Abgabe des Ultraschalls können bevorzugt in Form von kontinuierlichen Ultraschall-Wellen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Signalgeber die Ultraschall-Wellen in gepulster Form als Ultraschall-Pulse, welche Wellenpakte aus Frequenzspektren aufweisen, bereitstellen. Somit können nicht nur die Amplitude und die Laufzeit eines Signals erfasset werden, sondern auch die Frequenzspektren genutzt werden. In dieser bevorzugten Ausgestaltung kann der Ultraschall-Puls aufgrund einer Streuung in dem entropieelastischen Werkstoff hohe Frequenzanteile verlieren, wodurch die Mittenfrequenz des Frequenzspektrums abnimmt. Da mit zunehmendem Vernetzungsgrad die Streuung in dem entropieelastischen Werkstoff zunimmt, sinkt somit die beobachtbare Mittenfrequenz. Dadurch kann durch Erfassung der Mittenfrequenz des Frequenzspektrums der Vernetzungsgrad in dem entropieelastischen Werkstoff bestimmt werden. Darüber hinaus sind bei den geführten Wellen neben Änderungen im Frequenzspektrum auch Veränderungen in den Amplituden und/oder den Laufzeiten von unterschiedlichen Wellenmoden nachweisbar.The generation and / or the delivery of the ultrasound can preferably take place in the form of continuous ultrasound waves. Alternatively or additionally, the at least one signal generator can provide the ultrasonic waves in pulsed form as ultrasonic pulses which have wave packets from frequency spectra. Thus, not only the amplitude and the duration of a signal can be detected, but also the frequency spectra can be used. In this preferred embodiment, the ultrasonic pulse due to a scattering in the entropy-elastic material lose high frequency components, whereby the center frequency of the frequency spectrum decreases. As the degree of cross-linking increases the scattering in the entropy-elastic material, the observable center frequency decreases. As a result, by detecting the center frequency of the frequency spectrum, the degree of crosslinking in the entropy-elastic material can be determined. In addition, changes in the amplitudes and / or the transit times of different wave modes can be detected in the guided waves in addition to changes in the frequency spectrum.
Schließlich erfolgt gemäß Schritt c) die gewünschte Charakterisierung des Umformteils, welche insbesondere in einer Bestimmung des Vernetzungsgrades der Elastomere oder der Wanddickenverteilung des Umformteils in der mindestens einen Kavität liegen kann. Eine Ermittlung von weiteren Werkstoffparametern ist jedoch möglich. Zur Charakterisierung des Umformteils verfügt die Prüfeinrichtung über mindestens eine Nachweiseinrichtung zum Nachweisen des aus der Kavität in Richtung der Prüfeinrichtung reflektierten Ultraschalls, welcher durch eine Wechselwirkung des Ultraschalls mit dem in der Kavität befindlichen entropieelastischen Werkstoff gegenüber dem in die Kavität eingestrahlten Ultraschall verändert sein kann. Die Veränderung des Ultraschalls kann vorzugsweise in der Veränderung mindestens eines Messparameters des Ultraschalls bestehen, insbesondere in
- - der Veränderung einer Amplitude einer Ultraschall-Welle,
- - der Veränderung einer Laufzeit einer durch die Ultraschall-Wellen angeregten Mode und/oder
- - der Veränderung eines Frequenzspektrums der Ultraschall-Wellen bzw. der Ultraschall-Pulse.
- the change of an amplitude of an ultrasonic wave,
- the change in a transit time of a mode excited by the ultrasonic waves and / or
- - The change of a frequency spectrum of the ultrasonic waves or the ultrasonic pulses.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bevorzugt eine elektronische Einrichtung, insbesondere ein Computer, vorgesehen sein, welcher einen Programmcode, der zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens eingerichtet ist, aufweist.To carry out the method according to the invention, an electronic device, in particular a computer, may be provided which has a program code which is set up to carry out the present method.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die beschriebenen Schritte des Verfahrens und, gegebenenfalls, weitere Schritte durchzuführen. Für Einzelheiten hierzu wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.In a further aspect, the present invention relates to a computer program which is adapted to carry out the described steps of the method and, if appropriate, further steps. For details, reference is made to the description of the method according to the invention.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Umformteils aus einem entropieelastischen Werkstoff während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens ein für eine Ausführung des Umformverfahrens eingerichtetes Werkzeug, wobei das Werkzeug mindestens eine Kavität zur Aufnahme des entropieelastischen Werkstoffs aufweist, und wobei das Werkzeug weiterhin über eine integrierbare Prüfeinrichtung zur Bereitstellung und zum Nachweis von Ultraschall verfügt, wobei die Prüfeinrichtung dazu eingerichtet ist, um geführte Ultraschall-Wellen bereitzustellen.In a further aspect, the present invention relates to a device for characterizing a deformation part of an entropy-elastic material during and / or after production of the deformation part in a forming process. The device according to the invention comprises at least one tool set up for carrying out the forming process, wherein the tool has at least one cavity for receiving the entropy-elastic material, and wherein the tool further has an integratable testing device for providing and detecting ultrasound, the testing device being set up for this purpose is to provide guided ultrasonic waves.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung verfügt die Prüfeinrichtung daher über mindestens einen Signalgeber, welche dazu eingerichtet sein kann, um die geführten Ultraschall-Wellen bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine Signalgeber ferner dazu eingerichtet sein, um auch longitudinale und/oder transversale Ultraschall-Wellen bereitzustellen. Darüber hinaus kann der mindestens eine Signalgeber, unabhängig von der Art der bereitgestellten Ultraschall-Wellen, ferner dazu eingerichtet sein, um den Ultraschall in Form von kontinuierlichen Ultraschall-Wellen und/oder als Ultraschall-Pulse bereitzustellen.In a particularly preferred embodiment, the test device therefore has at least one signal generator, which can be set up to provide the guided ultrasound waves. Additionally or alternatively, the at least one signal generator may be further configured to also provide longitudinal and / or transverse ultrasonic waves. In addition, the at least one signal generator, irrespective of the type of ultrasound waves provided, may also be configured to provide the ultrasound in the form of continuous ultrasound waves and / or as ultrasound pulses.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Prüfeinrichtung dazu eingerichtet sein, um den Vernetzungsgrad eines Elastomers zu bestimmen, wozu mindestens einer der folgenden spezifischen Größen herangezogen wird:
- - Veränderung einer Amplitude der Ultraschall-Wellen;
- - Veränderung einer Laufzeit einer durch die Ultraschall-Wellen angeregten Wellenmode; und/oder
- - Veränderung eines Frequenzspektrums der Ultraschall-Wellen bzw. der Ultraschall-Pulse.
- Changing an amplitude of the ultrasonic waves;
- Changing a transit time of a wave mode excited by the ultrasonic waves; and or
- - Changing a frequency spectrum of the ultrasonic waves or the ultrasonic pulses.
Insbesondere kann die Prüfeinrichtung dazu eingerichtet sein, um den Vernetzungsgrad des Elastomers aus der Veränderung einer Mittenfrequenz des Frequenzspektrums der Ultraschall-Pulse zu bestimmen. Als bevorzugter Sensor wird ein Heißprüfkopf über eine Vorlaufstrecke mit dem Werkzeug gekoppelt. Die Vorlaufstrecke kann je nach Länge gekühlt werden. Der auf Piezobasis aufgebaute Prüfkopf nimmt dann die akustischen Signale auf. Alternativ kann das Signal aber auch über ein berührungsloses Verfahren mittels eines Laservibrometer detektiert werden.In particular, the test device may be configured to determine the degree of crosslinking of the elastomer from the change in a center frequency of the frequency spectrum of the ultrasound pulses. As a preferred sensor, a hot test head is coupled to the tool via a supply line. The flow line can be cooled depending on the length. The piezo-based test head then records the acoustic signals. Alternatively, however, the signal can also be detected by a non-contact method by means of a laser vibrometer.
Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.For further details with respect to the device according to the invention, reference is made to the description of the method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen eine einfache und zuverlässige Charakterisierung des Umformteils, insbesondere im Hinblick auf Werkstoffparameter des Umformteils, während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils in einem Umformverfahren.The present method and the associated device enable a simple and reliable characterization of the forming part, in particular with regard to material parameters of the forming part, during and / or after production of the forming part in a forming process.
Insbesondere könne sie eine Bestimmung des Vernetzungsgrades in entropieelastischen Werkstoffen, insbesondere Elastomeren, ermöglichen und somit sicheres Monitoring der Vernetzungsreaktion erlauben, was somit zu einer verbesserten Prozessstabilität, einer erhöhten Qualitätssicherung und, insbesondere durch eine Verringerung von Ausschuss, zu einem insgesamt ressourcen- und umweltschonenderen Spitzgießverfahren führen kann. Die Aufzeichnung des Vernetzungsgrades während des Spritzgießverfahrens, bevorzugt in Form eines online-Monitorings, kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um einen möglichst optimalen Zeitpunkt für eine Entnahme des Umformteils mit den gewünschten Eigenschaften aus dem Spritzgießwerkzeug sicherstellen zu können. Durch einen Einsatz von mehreren Sonden lassen sich mehrere Stellen im entstehenden Umformteil überwachen, was insbesondere bei Umformteilen mit ausgedehnter und/oder komplexer Gestalt vorteilhaft sein kann.In particular, it could allow a determination of the degree of crosslinking in entropy-elastic materials, in particular elastomers, and thus allow reliable monitoring of the crosslinking reaction, thus leading to improved process stability, increased quality assurance and, in particular by a reduction of waste, to a total resource and more environmentally friendly injection molding process can lead. The recording of the degree of crosslinking during the injection molding process, preferably in the form of online monitoring, can be used in particular to ensure the best possible time for removal of the Umformteils with the desired properties of the injection mold can. By using several probes, it is possible to monitor a plurality of points in the resulting formed part, which may be advantageous, in particular, in the case of formed parts having an extended and / or complex shape.
Weiterhin eignen sie sich bevorzugt zur Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften von erwärmten Thermoplasten, die in einem entropieelastischen Zustand ein ähnliches Deformationsverhalten wie teilvernetzten Elastomere aufweisen. Bei bekannten Werkstoffeigenschaften der erwärmten Thermoplaste können sie zur Bestimmung von Wanddicken in Bauteilen aus erwärmten Thermoplasten dienen und damit vorzugsweise eine existierende Lücke im Hinblick auf eine Inline-Wanddickenmessung, insbesondere eine Messung einer Wanddickenverteilung im Umformteil, schließen.Furthermore, they are preferably suitable for characterizing the material properties of heated thermoplastics which have a deformation behavior similar to partially crosslinked elastomers in an entropy-elastic state. In the case of known material properties of the heated thermoplastics, they can serve to determine wall thicknesses in components made of heated thermoplastics and thus preferably close an existing gap with regard to an inline wall thickness measurement, in particular a measurement of a wall thickness distribution in the formed part.
Figurenlistelist of figures
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Vernetzungsgrades in Elastomeren während und/oder nach einer Herstellung eines Umformteils aus den Elastomeren in einem Spritzgießverfahren; und -
2A und2B jeweils eine schematische Darstellung von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Charakterisierung eines Umformteils aus einem erwärmten Thermoplasten während und/oder nach einer Herstellung des Umformteils aus einem amorphem oder teilkristallinen Thermoplasten mittels Thermoformen.
-
1 a schematic representation of a preferred embodiment of an apparatus according to the invention for determining a degree of crosslinking in elastomers during and / or after a production of a Umformteils from the elastomers in an injection molding process; and -
2A and2 B each a schematic representation of two preferred embodiments of an inventive device for characterizing a formed part of a heated thermoplastic during and / or after a production of the Umformteils of an amorphous or semi-crystalline thermoplastic by means of thermoforming.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das Werkzeug
Erfindungsgemäß weist das Werkzeug
Zur Erzeugung von Ultraschall-Wellen verfügt die Prüfeinrichtung
Zusätzlich oder alternativ kann der Signalgeber
Die in
Die Prüfeinrichtung
- - Veränderung einer Amplitude der Ultraschall-Wellen;
- - Veränderung einer Laufzeit einer durch die Ultraschall-Wellen angeregten Mode; und/oder
- - Veränderung eines Frequenzspektrums der Ultraschall-Wellen.
- Changing an amplitude of the ultrasonic waves;
- Changing a transit time of a mode excited by the ultrasonic waves; and or
- - Changing a frequency spectrum of the ultrasonic waves.
Der Vernetzungsgrad des Elastomers lässt sich vorzugsweise aus der Veränderung einer Mittenfrequenz des Frequenzspektrums der Ultraschall-Pulse bestimmen. Andere Arten der Bestimmung des Vernetzungsgrad des Elastomers sind jedoch denkbar.The degree of crosslinking of the elastomer can preferably be determined from the change in a center frequency of the frequency spectrum of the ultrasound pulses. Other ways of determining the degree of crosslinking of the elastomer are conceivable, however.
Die Auswertungseinrichtung
Weiterhin kann sich die vorliegende Erfindung zur Charakterisierung von Werkstoffen eignen, deren Deformationseigenschaften vergleichbar mit Elastomeren sind. Die
Während der Umformung tritt der kautschukartige Thermoplast, welche in amorpher oder teilkristalliner Form vorliegen kann, in Kontakt mit dem Werkzeug
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 110110
- Vorrichtungdevice
- 112112
- Umformteilremolded
- 114114
- WerkzeugTool
- 116116
- Kavitätcavity
- 118118
- Formplattemold plate
- 120120
- düsenseitige Formplattenozzle-side mold plate
- 122122
- schließseitige Formplatteclosing side mold plate
- 124124
- Einspritzeinrichtung (Düse)Injection device (nozzle)
- 126126
- (Kunststoff-)Schmelze(Plastic) melt
- 128128
- Aufspannplatteplaten
- 130130
- Zentrierringcentering
- 132132
- Prägespaltembossing gap
- 134134
- Tauchkantedipping edge
- 136136
- Heizungheater
- 138138
- Aufnahmeadmission
- 140140
- Prüfeinrichtungtest equipment
- 142142
- Wand der KavitätWall of the cavity
- 144144
- Signalgebersignaler
- 146146
- Nachweiseinrichtungdetection means
- 148148
- Auswertungseinrichtungevaluation device
- 150150
- Kommunikationseinrichtungcommunicator
- 152152
- Positivwerkzeugpositive tool
- 154154
- Negativwerkzeugnegative tool
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007015667 A1 [0007]DE 102007015667 A1 [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- M. Gaal, J. Döring, J. Prager, G. Brekow und M. Kreutzbruck, DGZfP-Jahrestagung 2009, Di.1.A.2, Seiten 1-6, 2009 [0027]M. Gaal, J. Döring, J. Prager, G. Brekow and M. Kreutzbruck, DGZfP Annual Meeting 2009, Di.1.A.2, pages 1-6, 2009 [0027]
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R012 | Request for examination validly filed | ||
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