DE102018131126A1 - Process monitoring in the production of injection molded parts - Google Patents

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Abstract

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.The following describes a measuring system for monitoring a casting process. According to one embodiment, the measuring system has an ultrasound transducer, which is designed to couple ultrasound pulses into a casting tool. The measurement system further comprises a sensor circuit coupled to the ultrasound transducer and configured to trigger the ultrasound transducer with a drive signal having a sequence of pulses for generating the ultrasound pulses, and one of the ultrasound transducer (or a further ultrasound transducer) received signal, which represents reflected in the casting tool ultrasonic pulses to process. The received signal has a sequence of pulses corresponding to the drive signal, each comprising a main pulse and ringing. The processing of the received signal includes, inter alia-for each pulse of the received signal-generating a first measured value representing the amplitude of the main pulse and a second measured value representing the amplitude of the ringing.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

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

HINTERGRUNDBACKGROUND

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 high quality demands on the manufactured components with regard to mechanical and / or optical properties, the minimization of waste (keyword "zero defect production") as well as the independent optimization (ie the shortening of production times or the automated compensation of variable external influences) are increasingly playing a role to meet required quality requirements.

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 shaping unit consists in principle of an injection molding machine and the injection mold. 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 usually granular plastic base material into a flowable melt and injects this material under high pressures into the mold, where it cools down in the cavity (or in reaction is brought). In many cases, the finished molded part can be removed from the mold (demoulded). The injection molding tool and the injection molding machine are often a purely structural unit without any connection by means of sensors.

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 it is not possible to dispense with monitoring the process by means of sensors - be it for reasons of the required / prescribed quality assurance or because sensor data are needed to control the injection molding process - in-mold pressure sensors and molded part temperature sensors have become established on the market.

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 plastic molded part, for which a hole in the cavity is necessary. In order to guarantee a faultless measurement and tightness of the cavity at high pressures, strict tolerance requirements are imposed on the bores in the tool, which results in corresponding costs. The resulting impression of the sensor head which is visible on the finished molded part is a reason for exclusion for many applications in which a measurement would make sense, such as optical components (for example, lenses, headlamp housing, etc.).

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, sensor data from in-mold pressure sensors are typically used to monitor the process, which in the best case does not necessarily correlate with the product characteristics of the finished molded part. As a rule, the standard molded part temperature sensors are not suitable for quantitatively determining the cooling rate (cooling rate) which is important for the product properties. The high pressures in injection molding require massive sheathing of the actual sensor element (e.g., thermocouples), resulting in high second-order response times. The sensor head is also in contact with the (tempered) tool, which can also falsify the result of the temperature measurement.

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 Ul, 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 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.One promising option for simultaneously monitoring process and product properties during injection molding is the use of pulsed ultrasonic sensor systems. In a variety of publications (eg DE 197 37 276 C2 . DE 198 34 797 C2 . EP 2 657 801 A2 , DE 20 2012 008 359 Ul, US 5,951,163 A . WO 03/089214 A2 For example, direct or indirect measurement of sound velocity and sound attenuation in a reflecting assembly (ie, ultrasonic transmitter = ultrasonic receiver) or a transmission assembly is described. The direct coupling of viscoelastic or thermodynamic properties with the sound damping or speed of sound theoretically allows a large number of conclusions regarding the process and material condition during injection molding. As problematic, the strong attenuation of the ultrasound can be seen in plastic melts; the damping can make the determination of acoustic characteristics difficult or impossible, for example, with larger wall thickness and in the presence of fillers (eg glass fibers, talc, etc.) in the plastic melt. Therefore, this type of ultrasonic measurement in injection molding has also found no relevant distribution in industrial practice.

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.In the publications US 7,017,412 B2 It is described to circumvent the above-mentioned problems of pulsed ultrasound systems by a continuous ultrasound system. However, the results here are always strongly dependent on the local conditions (eg distance to the cavity, cavity thickness, coupling efficiency, individual sensor characteristics, etc.), and for each installation situation and tool temperature a resonance frequency must be determined on the system, which makes such a system less efficient industrial practice. In the publication US 5,951,163 For the first time, the possibility of using simple reflectance measurements for flow front detection is qualitatively reported for the first time, with a quantitative evaluation methodology as well as proposals for system calibration There is a lack of sensor aging effects and a decrease in coupling efficiency, which is indispensable for long-term measurements in industrial practice.

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 Änderung der Ankopplungseffizienz des Sensors an das Werkzeug durch geeignete Signalnormierung kompensiert werden können.The inventors have set themselves the task to improve the signal processing / evaluation in pulsed ultrasonic reflection measurements in injection molds, so that they can be used for a larger number of plastics (with or without fillers) and molding wall thicknesses for process control and product monitoring and further sensor aging effects and changing the coupling efficiency of the sensor to the tool can be compensated by suitable signal normalization.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

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 AnsprücheThe above object is achieved by the measuring system according to claim 1 or the method according to claim 6. Various embodiments and further developments are the subject of the dependent claims

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.The following describes a measuring system for monitoring a casting process. According to one embodiment, the measuring system has an ultrasound transducer, which is designed to couple ultrasound pulses into a casting tool. The measurement system further comprises a sensor circuit coupled to the ultrasound transducer and configured to trigger the ultrasound transducer with a drive signal having a sequence of pulses for generating the ultrasound pulses, and one of the ultrasound transducer (or a further ultrasound transducer) received signal, which represents reflected in the casting tool ultrasonic pulses to process. The received signal has a sequence of pulses corresponding to the drive signal, each comprising a main pulse and ringing. The processing of the received signal includes, inter alia-for each pulse of the received signal-generating a first measured value representing the amplitude of the main pulse and a second measured value representing the amplitude of the ringing.

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.Another embodiment relates to a method comprising: injecting a sequence of ultrasonic pulses into a casting tool; receiving a corresponding sequence of reflected ultrasound pulses and generating a received signal having a corresponding sequence of pulses each having a main pulse and a ringing. For each pulse of the received signal, a first measured value and a second measured value are generated, which respectively represent the amplitude of the main pulse or the amplitude of the ringing.

Figurenlistelist of figures

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:

  • 1 enthält Zeitdiagramme zur Illustration von Ultraschallpulssignalen und deren Hüllkurve.
  • 2A ist ein Zeitdiagramm zur Illustration eines von einem Ultraschallempfänger empfangenen Ultraschallpulses, der an der Wand einer Kavität eines Spritzgusswerkzeugs reflektiert wurde.
  • 2B illustriert die Entstehung von Interferenzen durch Mehrfachreflexion in der Wandschicht des abkühlenden Kunststoffformteils.
  • 3 ist ein Blockdiagramm zur Illustration eines Beispiels einer Schaltung zur Signalverarbeitung und Signalauswertung eines reflektierten Ultraschallpulses.
  • 4 enthält Zeitdiagramme zur Illustration der resultierenden Messsignale im Verlauf eines Spritzgießvorganges.
  • 5 illustriert den messbaren Einfluss der Temperatur des Spritzgießwerkzeugs auf das Wachstum der Randschicht des abkühlenden Kunststoffformteils.
Embodiments will be explained in more detail with reference to figures. The illustrations are not necessarily to scale, and the embodiments are not limited to only the aspects illustrated. Rather, it is important to represent the underlying principles of the embodiments. In the pictures shows:
  • 1 contains timing diagrams to illustrate ultrasound pulse signals and their envelope.
  • 2A FIG. 4 is a timing diagram illustrating an ultrasonic pulse received from an ultrasound receiver that has been reflected on the wall of a cavity of an injection molding tool. FIG.
  • 2 B illustrates the generation of interference by multiple reflection in the wall layer of the cooling plastic molding.
  • 3 is a block diagram illustrating an example of a circuit for signal processing and signal evaluation of a reflected ultrasonic pulse.
  • 4 contains timing diagrams to illustrate the resulting measurement signals in the course of an injection molding process.
  • 5 illustrates the measurable influence of the temperature of the injection mold on the growth of the surface layer of the cooling plastic molding.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

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 Ultraschall-Transducers und der Ankopplungsmedien, Temperaturunterschiede im Werkzeugstahl und andere mögliche Effekte eliminiert werden, was einen Vergleich von Messwerten über lange Zeiträume ermöglicht.Before referring to the figures in more detail, some general aspects of the embodiments described here will be explained first. According to the embodiments described herein, 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 ultrasound transducer can be arranged in the injection mold or on its surface. The injection molding tool is usually made of metal, eg 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 (ie at the inner wall of the air-filled cavity). The reflected signal can be received by the same ultrasonic transducer and converted into electrical signal. This signal can now be received by a signal processing unit further processed and evaluated. According to the examples described here, for example, a measured value is determined which represents the amplitude of the reflected signal (a so-called pulse or burst). For an air-filled cavity (before injection of the plastic melt), this measured value can be used as reference value; Further measurements during a spiking process are normalized (scaled) with this reference value. This eliminates the aging effects of the ultrasonic transducer and the coupling media, temperature differences in the tool steel, and other potential effects, allowing comparison of readings over long periods of time.

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 mold and fills the cavity. As soon as the plastic melt reaches the position at which the ultrasound pulse is reflected during this process, a reduction of the aforementioned measured value, which represents the amplitude of the reflected signal, can be observed since a part of the sound energy is now transmitted through the boundary layer metal / plastic ( ie by the now covered with plastic inner wall of the cavity) is transmitted into the plastic melt inside. In practice, about 1-5% of the coupled sound energy can be transmitted into the plastic melt.

Die oben erwähnte Normierung auf die gemessene Amplitude des reflektierten Signals bei luftgefüllter Kavität entspricht im Wesentlichen der Berechnung des Reflexionskoeffizienten 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.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 on the inner wall of the cavity, which indicates how much of the injected acoustic energy will be reflected at an interface. Because this reflection coefficient R In the case of a metal / air boundary layer, practically 1 (100%), it can be easily determined by expressing the measured values of the amplitudes of the reflected signal as a multiple of the mentioned reference value, which represents the amplitude of the reflected signal in air-filled cavity. A normalized measurement of 1 thus corresponds to a reflection factor of 100% and indicates an air-filled cavity. A normalized measured value of less than 1 (eg between 0.95 and 1) indicates a plastic-filled cavity. Using the reflection coefficient R and its change can be made conclusions about the density of the plastic during the injection molding process. Ultrasonic transducers may be located at multiple locations of an injection molding tool, permitting measurements at different positions of the cavity. In such applications, the ultrasonic measurements can be used for example for detecting the flow front of the plastic melt.

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 Überfüllung und damit zur Gratbildung am fertigen Formteil an der Werkzeugtrennebene oder im ungünstigsten Fall zur Überspritzung 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, the time of complete filling of the cavity with plastic melt can also be determined by suitable signal processing. If the cavity is completely filled with plastic melt, a pressure increase in the plastic melt leads to a density increase and thus to a further reduction of the reflection coefficient. The time of complete filling of the cavity is an important process parameter in injection molding. At this time, usually switched by speed-controlled injection of the plastic melt to the so-called "reprinting". Typically, a (e.g., constant) pressure is applied to the plastic melt in the cavity to reduce volume contraction due to cooling of the plastic. The ultrasound measurements can be used to control the switchover time. Too early switching can result in incompletely filled cavities and too late switching overfilling and thus burr formation on the finished molded part at the mold parting plane or in the worst case for overmoulding the tool, whereby the tool halves open at the parting planes during the process; This can lead to serious damage to the tool.

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 time can be detected with the aid of the ultrasonic measuring system, and e.g. be signaled by emitting a trigger signal to the injection molding machine. According to one embodiment, the mentioned switching time can be detected by detecting that the normalized measured value for the signal amplitude of the reflected signal falls below a threshold value.

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 for the amplitude of the reflected signals (ultrasound pulses) determined by the measuring system can also be used to assess the homogeneity of the plastic melt with regard to undesired gas inclusions or unmelted plastic granules. These two defects are mainly caused by moist plastic base material (granules) or by errors in the plasticization of the base material and lead to serious optical and / or mechanical errors in the produced plastic molded part. Gas inclusions result in an increase in the reflection coefficient (due to a decrease in density in comparison to the plastic melt) and lead to an increase in the amplitude in the reflected signal. Conversely, unmelted granules lead to a reduction in the reflection coefficient (due to an increase in density compared to the plastic melt).

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 quantity is the time of the mold part being shut down from the cavity wall. The increasing cooling of the molding allows from a certain time no further transport of plastic melt in the auskühlende molding by the applied emphasis. As a result, the volume contraction can not be compensated by the cooling and the molding shrinks and dissolves from the inner wall of the cavity. This point in time is of importance because the cooling effect on the molding drastically deteriorates as a result of the forming air layer between the cavity wall and the molding, and further residence in the cavity may unnecessarily prolong the cycle time. The time of the downshift is detectable by a sudden increase in the measured value representing the amplitude of the reflected signal.

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 Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit im Formteil kann Hinweise auf eine Störung der Werkzeugkühlung geben (siehe auch 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 using the concept described herein is the thickness and growth rate of the cooling edge layer of the molding in the cavity. In the interior of the plastic, in the vicinity of the cavity wall, a further reflection of the ultrasonic signal occurs at the boundary layer between solidified plastic and plastic melt. This further reflection can be constructively or deconstructively superimposed on 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 hardened surface layer of the molding in the cavity. A change in the growth rate in the molded part can give indications of a malfunction of the tool cooling (see also 5 ). Due to the concept of monitoring a casting process described here, deviations from a desired profile during edge layer growth of the solidifying melt can be detected. Such deviations may, as described, indicate inhomogeneities (eg bubbles, incompletely molten plastic granulate, etc.) in the melt or incorrect cooling of the casting tool.

Die Zeitdiagramme in 1 dienen zur Illustration eines Ultraschallpulses und eines Beispiels der Messung der Signalamplitude. Das Diagramm (a) in 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 1 ist die maximale Amplitude (ca. in der Mitte eines Pulses) mit AP bezeichnet.The timing diagrams in 1 serve to illustrate an ultrasonic pulse and an example of the measurement of the signal amplitude. The diagram (a) in 1 shows an ultrasonic pulse, in fact the waveform (ie the instantaneous value of the signal depending on the time) of an electrical signal At) which is converted and radiated by an ultrasonic transducer into an acoustic signal or which is received by the ultrasonic transducer and generated by converting the received (reflected) acoustic signal. A pulsed ultrasonic signal usually consists of a sequence of pulses. Due to the limited bandwidth of real ultrasonic transducers, a pulse usually has the waveform of a burst signal (Burst for short), ie a pulse includes a few oscillations with a rapidly increasing and then falling amplitude, the frequency of the oscillation such as Resonant frequency of the transducer corresponds. In 1 is the maximum amplitude (approximately in the middle of a pulse) with A p designated.

Der erwähnte Reflexionskoeffizient R kann (bei Vernachlässigung der Dämpfung der Schallwelle) als Quotient AR/AT der Amplitude AT eines emittierten Ultraschall-Pulses und der Amplitude AR des korrespondierenden reflektierten Ultraschallpulses definiert werden. Berücksichtigt man die Dämpfung, ist R gleich (AR/AT)·e-2L·α (α>0), wobei L der Abstand zwischen Ultraschall-Transducer 8 und der reflektierenden Kavitätenwand ist und α einen Dämpfungskoeffizienten repräsentiert (siehe auch 2B). Da wie in 1 dargestellt die Amplitude eines Ultraschall-Pulses A(t) nicht konstant ist kann statt der Amplitude auch die maximale Amplitude AP 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 1 dargestellt und das gefilterte gleichgerichtete Signal in Diagramm (c) der 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 (neglecting the attenuation of the sound wave) as the quotient A R / A T of the amplitude A T an emitted ultrasonic pulse and the amplitude A R be defined of the corresponding reflected ultrasonic pulse. Considering the attenuation, R is equal to (A R / A T ) * e -2L * α (α> 0), where L is the distance between ultrasonic transducers 8th and the reflecting cavity wall, and α represents a damping coefficient (see also Figs 2 B) , Because like in 1 represented the amplitude of an ultrasound pulse At) is not constant, instead of the amplitude and the maximum amplitude A p be used for the determination of the reflection coefficient. One way of metrological determination of the maximum amplitude A p a burst signal is to first rectify the signal and then low pass it. The rectified signal | A (t) | is in diagram (b) the 1 and the filtered rectified signal in diagram (c) of FIG 1 , This filtered rectified signal also represents the envelope of the ultrasound pulse and is referred to herein as env {| A (t) |}. The amplitude of the envelope corresponds to the maximum amplitude A p of the ultrasound pulse At) , ie A P = max {env {| A (t) |}}. The amplitude of the envelope can therefore be used as a measured value for the amplitude of the ultrasound pulse At) used (and consequently also for the determination of the reflection coefficient).

Alternativ kann auch die schraffierte Fläche unter der Hüllkurve env{|A(t)|} als Messwert für die Amplitude verwendet werden. Da die Pulsdauer tP 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 tP integriert wird. Statt der Gleichrichtung (Diagramm (b) aus 1) könnte alternative das Signal A(t) auch quadriert werden. In diesem Fall würde der erhaltene Messwert proportional zum Amplitudenquadrat AP 2 der Hüllkurve (d.h. der Signalenergie) sein, was nichtsdestotrotz ein geeigneter Messwert für die Amplitude des Ultraschall-Pulses A(t) ist.Alternatively, the hatched area under the envelope env {| A (t) |} can also be used as a measure of the amplitude. As the pulse duration t p is substantially constant and given by the properties (including bandwidth) of the transducer, the area is approximately proportional to the maximum amplitude A p , This area can also be used as a measure of the signal energy (strictly speaking, the square root of the signal energy) of the ultrasound pulse At) be interpreted. A measured value for the amplitude of the ultrasound pulse At) can therefore be determined by the envelope signal env {| A (t) |} over the pulse duration t p is integrated. Instead of rectification (diagram (b) off 1 ) alternative could be the signal At) also be squared. In this case, the obtained measured value would be proportional to the amplitude square A P 2 the envelope (ie the signal energy), which nonetheless a suitable measured value for the amplitude of the ultrasound pulse At) is.

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 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 tH , z.B. kann die Zeitdauer tH 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 tN bezeichnet. Im Bereich dieser Nachschwingphase kommt es bei Mehrfachreflexionen in der erstarrenden Randschicht des Formteils zu Interferenzen (siehe auch 2B); diese Mehrfachreflexionen haben eine andere Ursache als das Nachschwingen. 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 tH und tN 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 generated by an ultrasound transducer u (t) (Eg, an electrical voltage), which represents the waveform of a received ultrasonic pulse, which was previously reflected on the cavity wall of an injection molding tool. How to get in 2A can see points the signal u (t ) (reflected ultrasound pulse) has two distinct portions, a first portion called the "main pulse" and a second portion called "ringing". The main pulse has a pulse length t H , eg the duration t H a few (eg the first three) halfwaves of the signal u (t) include. The ringing has its origin in the finite bandwidth of the ultrasonic transducer and the duration of ringing is with t N designated. In the area of this reverberation phase, multiple reflections in the solidifying surface layer of the molded part cause interference (see also FIG 2 B) ; These multiple reflections have a different cause than the ringing. The end of the second section is not clearly visible on the signal, as the ringing decays slowly. However, for example, one may define the end of the second section as the time at which the amplitude of the oscillation has fallen below some threshold (eg, 10% of the maximum amplitude). For example, the time duration t N a certain number, eg ten) of half waves after the main pulse. The times t H and t N are for a particular measurement setup (pulse generator, ultrasonic transducer, geometry of the tool and the cavity, etc.) approximately constant sizes and are therefore known system parameters.

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 at the cavity wall (main pulse) and reflected back to the transducer. Some process parameters in injection molding can be identified 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 beginning of the holding pressure phase, duration and end of the holding pressure phase, time of the mold part being lowered off the cavity wall, Assessment of the homogeneity and density of the melt. The evaluation of the ringing allows the monitoring of the surface layer of the cooling plastic melt (edge layer growth rate or edge layer thickness).

2B illustriert die Entstehung der erwähnten Interferenzen in der Nachschwingphase eines Ultraschall-Pulses. 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 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 Δt von 2d/cp entspricht (cp bezeichnet die Schallgeschwindigkeit in der Randschicht P'). Der Laufzeitunterschied Δt 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 Δt 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 2B als Interferenzbereich I bezeichnet ist. Die Veränderung der Interferenzen und deren Bedeutung wird später unter Bezugnahme auf 4 und 5 besprochen. 2 B illustrates the generation of the mentioned interferences in the ringing phase of an ultrasound pulse. 2 B shows a sketch of the ultrasound transducer 8th , a tool 7 with a cavity 9 , which is filled with plastic melt P. When cooling / solidification of the plastic forms in the molding one of the wall 9 ' the cavity 9 outgoing growing boundary layer P 'out. That is, the thickness d of the peripheral layer increases during the cooling time. As in 2 B A part of the ultrasonic power is sketched on the wall 9 ' reflected. The unreflected part penetrates into the boundary layer P ' and at the other end of the boundary layer (at the transition solid / liquid) is reflected back. The part of the sound reflected in the boundary layer has a longer path (twice the thickness d) than the sound at the cavity wall 9 ' is reflected, which is a transit time difference of .delta.t of 2d / c p corresponds to ( c p denotes the speed of sound in the boundary layer P ' ). The runtime difference .delta.t is thus proportional to the thickness d of the surface layer P ' and becomes larger during cooling (since the surface layer P ' gets thicker). In contrast, the runtime 2L / c s remains in the steel wall 71 of the tool 7 constant (cs denotes the speed of sound in the wall of the tool, L the wall thickness). In practice, the transit time difference .delta.t shorter than the duration of an ultrasound pulse, so that of the transducer 8th Pulse received a superposition of the two reflections (on the cavity wall 9 ' and in the outer layer P ' ), this superposition occurring essentially in the ringing phase, which occurs in 2 B as interference area I is designated. The change of interference and its meaning will be discussed later with reference to 4 and 5 discussed.

3 ist ein Blockdiagramm und zeigt exemplarisch eine mögliche Implementierung einer 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. 3 is a block diagram showing an example of a possible implementation of a sensor circuit for the ultrasonic measurements described above in an injection mold. It is understood that there are many other ways to implement 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 readily be able to implement the illustrated or other suitable implementations.

Gemäß dem in 3 dargestellten Beispiel ist ein Ultraschall-Transducer 8 in einem Spritzgießwerkzeug 7 oder außen an dessen Oberfläche angeordnet. In 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. 3 zeigt die Fließfront der Kunststoffschmelze P in der Kavität 9 und die Fließrichtung.According to the in 3 Example shown is an ultrasonic transducer 8th in an injection mold 7 or arranged on the outside of the surface. In 3 Also shown is an ultrasonic pulse coming from the transducer 8th through the injection mold 7 to one in the tool 7 arranged cavity 9 is running, (at least) on the wall 9 ' the cavity 9 is reflected back to the transducer 8th runs and is received by this again. During the injection molding process plastic melt P is pressed into the mold. 3 shows the flow front of the plastic melt P in the cavity 9 and the flow direction.

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 sp(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 ultrasound transducer 8th serves as both transmitter and receiver. The with the transducer 8th coupled sensor circuit 22 can therefore be considered as an ultrasonic transceiver (transceiver). The sensor circuit 22 thus has a transmit path and a receive path. The transmission path includes an oscillator 1 which generates a signal sp (t) with pulses of defined pulse duration and adjustable pulse repetition frequency PWF. For example, the oscillator 1 an astable multivibrator (relaxation oscillator). Other possibilities of signal generation can also be used. The pulse repetition frequency PWF is via one at the input 2 received signal adjustable. The oscillator 1 can via a trigger signal s ON (t) which can come from the control of the injection molding machine can be activated or deactivated. There are many ways to implement this activation or deactivation. In the example shown, this is from the injection molding machine at the entrance 4 received trigger signal s ON (t) above a certain logic level (eg high level) that the oscillator should be active. These are the oscillator signal s P (t) and the trigger signal s ON (t) an AND gate 3 supplied, which for the oscillator signal s P (t) is transparent as long as the trigger signal s ON (t) has a high level. Changes the level of the trigger signal s ON (t) to a low level, becomes the oscillator signal sp (t) through the AND gate 3 blanked and the signal level at the output of the AND gate 3 is almost zero (low level). As a trigger signal s ON (t) For example, a signal can be used that indicates whether the tool 7 the injection molding device is closed.

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 s P '(t) of the AND gate 3 (corresponds to the oscillator signal s P (t) if the oscillator is active) is a trigger input of a high voltage pulse generator 5 fed. The high voltage pulse generator 5 is configured to generate a high voltage pulse (ie a burst signal) of defined pulse duration (eg, a few microseconds) in response to a pulse received at the trigger input. As long as the oscillator 1 is active (ie the AND gate 3 the oscillator signal sp (t) does not blank), the high voltage pulse generator generates 5 So high voltage pulses with the pulse repetition frequency PWF ,

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 Ultraschall-Transducer 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 2A bereits dargestellt. Diesbezüglich wird auch auf die obigen Erläuterungen verwiesen. Auch das empfangene (gefilterte und verstärkte) Signal u(t) beinhaltet eine Sequenz von Pulsen mit der Pulswiderholfrequenz PWF, wobei in den 2A und 2B nur ein Puls dargestellt wurde.The from the high voltage pulse generator 5 generated sequence of high voltage pulses is via a transmitting-receiving switch 6 the ultrasound transducer 8th supplied, which is adapted to emit corresponding ultrasonic acoustic pulses, ie in the tool 7 to emit into it. The ultrasound transducer 8th converts the electrical (burst) signal into an audible signal. The transceiver 6 is designed to prevent a coupling of high voltage signal components in the reception path. Such transceivers are known per se and are therefore not explained in detail here. The one from the transducer 8th radiated acoustic ultrasonic pulse passes through the material (eg steel) of the tool 7 towards the cavity 9 , will be there at the cavity wall 9 reflects and runs back to the ultrasound transducer 8th , which converts the reflected acoustic ultrasound pulse back into an electrical signal. The received electrical signal is transmitted via the transceiver 6 fed to an analog filter, for example a bandpass filter 10 to suppress unwanted frequency components and amplified (see amplifier 11 ). In the example shown, the bandpass filtered and amplified signal is with u (t) designated; an exemplary waveform of the signal u (t) was eg in 2A already shown. In this regard, reference is also made to the above explanations. Also, the received (filtered and amplified) signal u (t) includes a sequence of pulses at the pulse repetition rate PWF , where in the 2A and 2 B only one pulse was displayed.

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. 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 possibilities for determining a measured value which is the amplitude of a pulse in the received signal u (t) represents. In the present example, the area under the envelope of the pulse is determined by integration, the main pulse and the ringing (cf. 2A) be evaluated separately. As mentioned, the main pulse is the first received echo of the emitted ultrasound pulse which due to its relatively high amplitude has no measurable interference phenomena with the (very weak) signal of the boundary layer solidified plastic / melt from the interior of the molding.

Für die Ermittlung der Hüllkurve wird das empfangene Signals u(t) zunächst gleichgerichtet (siehe 3, Gleichrichter 12) und anschließend tiefpassgefiltert (siehe 3, Tiefpass 13). Die Wirkung der Gleichrichtung und Tiefpassfilterung wurde weiter oben unter Bezugnahme auf 1 erläutert und wird hier deshalb nicht wiederholt. Das resultierende Hüllkurvensignal env{|u(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.For the determination of the envelope, the received signal u (t) is first rectified (see 3 , Rectifier 12 ) and then low-pass filtered (see 3 , Low pass 13 ). The effect of rectification and low pass filtering was discussed above with reference to FIG 1 explained and is therefore not repeated here. The resulting envelope signal env {| u (t) |} becomes a first integrator 14 and a second integrator 15 fed, which are reset regularly at the beginning of a pulse. For example, the oscillator signal sp (t) (alternatively also s P '(t) ) a reset input of the integrators 14 . 15 be fed. The time windows of integration are determined by the pulse generators 16 and 17 given, for example, each may include a monostable multivibrator and a delay element. The pulse generators 16 and 17 are trained to respond upon receipt of a pulse of the oscillator signal s P '(z) to generate a pulse of defined length and defined delay (relative to the oscillator signal). These pulses indicate the integration time window and can, for example, enable inputs of the integrators 14 . 15 be fed.

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 tH und für den zweiten Integrator 15 ist die Länge des Zeitfensters tN . Diese Zeitfenster sind auch in 2A dargestellt und entsprechen der Länge des Hauptpulses und des Nachschwingens. Die Länge und die zeitliche Lage der Zeitfensters tH 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 tH und tN 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 uH[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 timing (relative to the oscillator signal) of the pulse generators 16 and 17 generated pulses define the integration time constraints for the integrators 14 and 15 , For the first integrator 14 is the length of the time window t H and for the second integrator 15 is the length of the time window t N , These time windows are also in 2A represented and correspond to the length of the main pulse and the Nachschwingens. The length and timing of the time window t H and t N depend on the duration of the acoustic signal and on the frequency and bandwidth of the ultrasonic transducer 8th and are thus known system parameters. At the end of the integration time window t H and t N becomes the output signal of the associated integrator 14 or. 15 using the sample and hold circuits 18 or. 19 sampled. The resulting discrete-time output signals of the sample and hold circuits 18 or. 19 are denoted u H [k] and u N [k] respectively, where k is a time index. The sampling rate corresponds to the pulse repetition frequency PWF. The time discrete output signals u H [k] and u N [k] can be at the outputs 20 or. 21 output and, for example, digitized and further processed by a processor (not shown). Alternatively, an analog (quasi-continuous) signal processing is possible.

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 uH[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 1 erläutert - als Messwert für die (maximale) Amplitude des Hauptpulses bzw. des Nachschwingens herangezogen werden.According to one embodiment, the sensor circuit 22 designed as an assembly, with a connection for the ultrasonic transducer 8th , an entrance 4 for the trigger signal s ON (t) from the injection molding machine, an entrance 2 for selecting the pulse repetition frequency and two outputs 20 and 21 for the output signals u H [k] or. u N [k] , which respectively represent the area under the envelope of the main pulse and the Nachschwingens. These surfaces can - as initially with reference to 1 explained - be used as a measured value for the (maximum) amplitude of the main pulse or Nachschwingens.

Die Zeitdiagramme aus 4 zeigen exemplarisch einen typischen Signalverlauf der (zeitdiskreten, bei hoher Pulswiderholfrequenz quasikontinuierlichen) Ausgangssignale uH[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 variierende Ankopplungseffizienz des Ultraschall-Transducers keine nennenswerte Rolle spielen. Die in 4 dargestellten Signale UH[k] und UN[k] sind demnach bezogen auf die Messwerte für eine leere (luftgefüllte) Kavität (z.B. UH(tk) = uH[k]/uH[0] und UN(tk) = uN[k]/uN[0]). Der Zeitpunkt k=0 (entspricht t0=0s) repräsentiert den Start einer Messung bei geschlossener, noch mit Luft gefüllter Kavität vor dem Einspritzen von Kunststoffschmelze und der Zeitpunkt tk entspricht dem Vielfachen des Kehrwertes des Pulswiederholfrequenz (tk=k·PWF-1).The timing diagrams off 4 show an example of a typical waveform of the (discrete-time, at high pulse repetition frequency quasi-continuous) output signals u H [k] and u N [k] representing the course of the (maximum) amplitude of the main pulses and the associated ringing phases. As mentioned at the beginning, normalization to 100% ensures that aging effects and varying coupling efficiency of the ultrasound transducer do not play any significant role. In the 4 represented signals U H [k] and U N [k] are therefore based on the measured values for an empty (air-filled) cavity (eg U H (t k ) = u H [k] / u H [0] and U N (t k ) = u N [k] / u N [ 0]). The time k = 0 (corresponds to t 0 = 0s) represents the start of a measurement with a closed, still filled with air cavity before the injection of plastic melt and the time t k corresponds to the multiple of the reciprocal of the pulse repetition frequency (t k = k · PWF -1 ).

Da sich zum Zeitpunkt t0 Luft in der Kavität befindet, wird praktisch 100% der Schallenergie an der Kavitätenwand 9' (vgl. 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. 3) kann z.B. dadurch detektiert werden, dass das Signal UH(t) während des Spritzgießprozesses überwacht und jener Zeitpunkt tFF detektiert wird, an dem das normierte Signal UH(t) einen vorgebbaren Schwellenwert SFF unterschreitet. Der Schwellenwert SFF 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 UH(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 UH(t) (d.h. des Reflexionskoeffizienten) können auf Inhomogenitäten hinweisen.Since at the time t 0 Air is located in the cavity, becomes virtually 100% of the sound energy at the cavity wall 9 ' (see. 3 ) reflected. The normalized signal U H (t) Therefore, it can also be interpreted as the reflection coefficient R. During the injection molding process, the flow front of the plastic melt reaches the "field of view" of the ultrasonic transducer 8th , take the reflection coefficient R and thus also the (maximum) amplitudes of the reflected main pulses (as well as the amplitudes of the associated ringing) significantly. The flow front of the plastic melt P , (see. 3 ) can be detected, for example, that the signal U H (t) monitored during the injection molding process and that time t FF is detected, at which the normalized signal U H (t) a predefined threshold S FF below. The threshold S FF may be in the range of 98-99%, for example. In this way, a fast and accurate detection of the flow front is possible. Additionally or alternatively, the signal U N (t) be used for the flow front detection. Changes in the measured value U H (t) indicate changes in the reflection coefficient R and thus indirectly also on density fluctuations in the melt, which can be caused for example by the inhomogeneities mentioned. For process monitoring, for example, an ultrasonic transducer could be placed on the casting tool (eg, just past the injection point) so that the entire injected melt must pass the measuring field ("field of view") of the sensor. Short, erratic changes in the measured value U H (t) (ie the reflection coefficient) may indicate inhomogeneities.

Sobald die Kavität 9 vollständig mit Kunststoffschmelze P (vgl. 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 Su detektiert werden, der kleiner ist als der Schwellenwert SFF (z.B. liegt SFF im Bereich von 95-97%). Der Zeitpunkt tu wird demnach dadurch detektiert, dass das normierte Signal UH(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.Once the cavity 9 completely with plastic melt P (see. 3 ) is filled, there is a significant compression of the plastic material in the cavity, and consequently take 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 significantly decrease. The corresponding time tu the complete filling of the cavity 9 can also be detected by means of a threshold value Su, which is smaller than the threshold value S FF (eg. lies S FF in the range of 95-97%). The time tu is thus detected by the normalized signal U H (t) falls below the threshold Su. This point in time tu can be used to initiate the repressurization phase, in which the pressure is switched from a constant press-in speed of the plastic melt to, for example, constant pressure. In this Repressing phase begins to cool the molding, and it forms a thicker edge layer in which the plastic melt is solidified. In addition or alternative, the signal U N (t) be used for the detection of the switching time tu.

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 2B); diese Überlagerung (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 UN(t) erkennen kann.With the application of the emphasis, the growth of the surface layer begins in the molded part, starting from the surface of the molded part into the interior. Because of this (growing) boundary layer P ' , there is a reflection that coincides with the reflection on the cavity wall 9 ' superimposed (see 2 B) ; This superposition (interference) makes itself above all in the (maximum) amplitude of the Nachschwingens - thus in the signal U N (t) - noticeable. This superposition (interference) results in a kind of beat signal which can be found in the signal after the time tu U N (t) can recognize.

Die Wirkung des Nachdrucks auf das Formteil lässt sich am Signal UH(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 UH(t) erkennbar; die Amplitude steigt wieder geringfügig an. Der zugehörige Zeitpunkt ist in 4 mit tN,start 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 tN,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 maximalen Amplituden der Hauptpulse führt. Die tatsächliche, auf das Formteil wirkende Nachdruckdauer ergibt sich aus der Differenz tN=tN,end - tN,start.The effect of the emphasis on the molded part can be on the signal U H (t) , which represents the amplitudes of the main pulses, recognize. Shortly after the switching time tu, the injection molding machine regulates the pressure to the (usually constant) set reprint. The time of reaching this pressure level is in the signal U H (t) visible; the amplitude increases again slightly. The corresponding time is in 4 With t N, start designated. The duration of the repressurization phase is usually set by the user on the injection molding machine. In fact, it can only act as long as plastic melt can be conveyed through the liquid core of the molded part into the molded part. The actual time t N, end where the reprint no longer affects the course of the signal U H (t) be read, since the pressure drop leads to a change in density and thus sudden change in the maximum amplitudes of the main pulses. The actual pressure duration acting on the molded part results from the difference t N = t N, end -t N, start .

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,start ) 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 2B). In dieser Phase können im Signal UN(t) (z.B. mittels digitaler Signalverarbeitung) die Zeitpunkte tMAX,1 , tMAX2 der Maxima (zusätzlich oder alternativ auch der Minima) der Oszillation detektiert werden.At the signal U N (t) , which represents the maximum amplitudes of the ringing phases, the above-mentioned interference can be seen, which is reflected in the signal U N (t) manifests as oscillation, which with the beginning of the holding pressure phase (at about the time t N, start ) begins. As mentioned, this oscillation is a result of the overlapping reflection on the cavity wall 9 ' with the reflection at the growing edge layer P 'of the molding (see 2 B) , In this phase, in the signal U N (t) (eg by means of digital signal processing) the times t MAX, 1 . t MAX2 the maxima (additionally or alternatively also the minima) of the oscillation are detected.

Die Zeitpunkte tMAX,1 , tMAX2 oder die Periodendauer der Oszillation ΔtMAX 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 ΔtMAX 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 t MAX, 1 . t MAX2 or the period of the oscillation Δt MAX can be monitored (and, if necessary, stored and documented) during the injection molding process to monitor the consistency of growth of the surface layer over multiple production cycles. The period of the oscillation Δt MAX can serve as a measure of the growth rate of the boundary layer. From this measured value, taking into account the speed of sound in the plastic and the frequency of the ultrasound, the actual growth rate can be approximately calculated.

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 tAB , zu dem sich das Formteil von der Werkzeuginnenwand ablöst, ist in beiden Signalen UH(t) und UN(t) deutlich erkennbar. Aufgrund des entstehenden Spalts zwischen Kavitätenwand 9' (siehe 3) und Formteil steigt der Reflexionsfaktor wieder auf annähernd 100% und die Signale steigen wieder auf ihre anfänglichen Werte.The cooling of the molding results in a volume contraction, which in turn causes the molding to shrink and detach from the interior wall of the cavity ("shrinkage"). Point of time t AB to which the molding separates from the tool inner wall is in both signals U H (t) and U N (t) clearly. Due to the resulting gap between cavity wall 9 ' (please refer 3 ) and molded part, the reflection factor increases again to approximately 100% and the signals rise again to their initial values.

Die exemplarischen Signalverläufe der normierten Ausgangssignale UH(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 Überwachung und Steuerung eines (Kunststoff-) Spritzgießprozesses (injection moudling), sondern analog auch für die Überwachung und Steuerung eines (Metall-) Druckgießprozesses (die casting) oder anderer Gießprozesse verwendet werden kann.The exemplary signal curves of the normalized output signals U H (t) and U N (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, which works both as a transmitter and as a receiver. Instead, two separate transducers can be used as transmitter and receiver. In this case the transceiver is not needed. Finally, it should be noted that the concepts described here not only for the monitoring and control of a (plastic) injection molding (injection moudling), but also used analogously for the monitoring and control of a (metal) die casting process (the casting) or other casting processes can be.

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Claims (10)

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, und wobei die Verarbeitung des Empfangssignals (u(t)) folgendes umfasst: Erzeugen - für jeden Puls des Empfangssignals (u(t)) - eines ersten Messwertes (UH(t)), der die Amplitude der Hauptpulses repräsentiert, und eines zweiten Messwertes (UN(t)), der die Amplitude des Nachschwingens repräsentiert.A measuring system for monitoring a casting process, comprising: an ultrasonic transducer (8) adapted to couple ultrasonic pulses into a casting tool (7); a sensor circuit (22) coupled to the ultrasound transducer (8) and adapted to generate the ultrasound pulses to drive the ultrasound transducer (8) with a drive signal having a sequence of pulses and one of the ultrasound Transducer (8) or a further ultrasonic transducer provided receive signal (u (t)), which in the casting tool (7) reflected ultrasonic pulses to process, wherein the received signal (u (t)) a corresponding to the drive signal sequence of pulses each having a main pulse and a ringing, and wherein the processing of the received signal (u (t)) comprises: generating - for each pulse of the received signal (u (t)) - a first measured value (U H (t )), which represents the amplitude of the main pulse, and a second measured value (U N (t)), which represents the amplitude of the ringing. Das Messsystem gemäß Anspruch 1, wobei der erste Messwert (UH(t)) jeweils auf der maximalen Amplitude des Hauptpulses und der zweiten Messwert (UN(t)) jeweils auf der maximalen Amplitude des Nachschwingens basiert.The measuring system according to Claim 1 , wherein the first measured value (U H (t)) in each case based on the maximum amplitude of the main pulse and the second measured value (U N (t)) in each case based on the maximum amplitude of the ringing. Das Messsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Messwert (UH(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.The measuring system according to Claim 1 or 2 , wherein the first measured value (U H (t)) is based in each case on the area under the envelope of the main pulse and the second measured value (U N (t)) in each case on the area under the envelope of the ringing. Das Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Erzeugen des ersten Messwerts (UH(t)) die Integration der Hüllkurve des jeweiligen Pulses des Empfangssignals (u(t)) in einem ersten Zeitfenster (tH) umfasst und wobei das Erzeugen des zweiten Messwerts (UN(t)) die Integration der Hüllkurve des jeweiligen Pulses des Empfangssignals (u(t)) in einem zweiten Zeitfenster (tN) umfasst.The measuring system according to one of Claims 1 to 3 wherein generating the first measured value (U H (t)) comprises integrating the envelope of the respective pulse of the received signal (u (t)) in a first time window (t H ), and generating the second measured value (U N (t )) comprises the integration of the envelope of the respective pulse of the received signal (u (t)) in a second time window (t N ). Das Messsystem gemäß Anspruch 4, wobei das erste Zeitfenster (tH) einen definierte erste Verzögerungszeit nach dem korrespondierenden Puls im Ansteuersignal beginnt, und wobei das zweite Zeitfenster (tN) einen definierte zweite Verzögerungszeit nach dem korrespondierenden Puls im Ansteuersignal beginnt.The measuring system according to Claim 4 wherein the first time window (t H ) starts a defined first delay time after the corresponding pulse in the drive signal, and wherein the second time window (t N ) starts a defined second delay time after the corresponding pulse in the drive signal. Ein Verfahren, das folgendes aufweist: 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 (UH(t)), der die Amplitude der Hauptpulses repräsentiert; und Erzeugen - für jeden Puls des Empfangssignals (u(t)) - eines zweiten Messwertes (UN(t)), der die Amplitude des Nachschwingens repräsentiert.A method comprising: injecting a sequence of ultrasonic pulses into a casting tool (7); Receiving a sequence of reflected ultrasonic pulses and producing a received signal (u (t)) 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 (U H (t)) representing the amplitude of the main pulse; and generating - for each pulse of the received signal (u (t)) - a second measured value (U N (t)) representing the amplitude of the ringing. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die ersten Messwerte (UH(t)) und die zweiten Messwerte (UN(t)) derart normiert, dass sie bei einem leeren Gusswerkzeug (7) einen vordefinierten Wert annehmen.The method according to Claim 6 , wherein the first measured values (U H (t)) and the second measured values (U N (t)) normalized in such a way that they assume a predefined value for an empty casting tool (7). Das Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei basierend auf der Veränderung der ersten und/oder zweiten Messwerte (UH(t), UH(t)) während eines Gießprozesses ein oder mehrere Prozessparameter ermittelt werden, die mindestens eines der folgenden beinhaltet: der Zeitpunkt (tFF) 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.The method according to Claim 6 or 7 , wherein based on the change of the first and / or second measured values (U H (t), U H (t)) during a casting process, one or more process parameters are determined, which includes at least one of the following: the time (t FF ) of Detection of the flow front of the melt injected into the casting tool (7), the time (tu) of the complete filling of a cavity of the casting tool (7) with melt, time and duration of a holding pressure phase, growth rate of the edge layer of the melt in the casting mold, time of the mold part to go down the wall of the cavity. Das Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei 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.The method according to Claim 6 or 7 wherein, based on the change of the second measured values during a casting process, in which melt is introduced into a cavity of the tool (7), unwanted deviations in the edge layer growth in the melt from a desired course are detected, while the melt cools and solidifies. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei, 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..The method according to one of Claims 6 to 9 in which, based on the first measured value (U H (t)) and its change, density fluctuations of the melt injected into the casting tool (7) are detected, in particular to detect inhomogeneities in the melt.
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