DE19737276A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Überwachung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Duroplasten bei der Verarbeitung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ultraschall-Überwachung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Duroplasten bei der Verarbeitung

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Description

Kunststoffe werden in der Regel in zwei Klassen eingeteilt, in Thermoplaste und Duroplaste. Während Thermoplaste nach einer entsprechenden Erwärmung immer wieder formbar sind, läuft bei der Herstellung von Duroplast-Formteilen ein chemischer Prozeß ab, der eine erneute Erweichung verhindert. Der Ausgangsstoff für die Herstellung von Formteilen aus Duroplasten, die Formmasse, setzt sich aus einem Harz, das bei der Verarbeitung chemisch vernetzt und einem Füllstoff zusammen. Infolge der Vernetzung härtet die Formmasse aus. Der Verlauf der Aushärtung und der erreichte Aushärtungsgrad bestimmt entscheidend die Qualität des fertigen Formteils. Informationen über die Aushärtung erlauben eine Optimierung der Härtungszeit und die Vermeidung von Unter- wie auch Überhärtung. Daher sind sowohl die Formmasse-Entwickler als auch die Produzenten von Formteilen stark an der Kontrolle der Aushärtungsreaktion interessiert.
Die derzeit am häufigsten in der Produktion eingesetzten Verfahren bestimmen die Härtung am fertigen Produkt nach empirischen Methoden, wie dem Kochen in einer Farbstofflösung und anschließender Begutachtung der Einfärbung, der Geruchsprobe o. ä. Daneben gibt es Laborverfahren zur quantitativen Härtebestimmung, wie zum Beispiel das Torsionspendel. Zur Bestimmung des Fließ- und Härtungsverhalten von Formmassen bedient man sich gegenwärtig eines Meßkneters oder des OFT (orifice flow testing).
Für die quantitative Registrierung des Härtungsverlaufs während der Fertigung sind dielektrische Verfahren entwickelt worden. Sie reagieren auf die Verringerung der Beweglichkeit von polaren Gruppen und Ionen infolge der Vernetzung. Da sich diese Einschränkung der Bewegungsmöglichkeiten in einer Änderung der Kapazität und des Verlustfaktors äußert, können diese Größen als Meßparameter für die Vernetzung (Aushärtung) genutzt werden (Lit. "Dielectric Analysis of Thermoset Cure", S.D. Senturia in Advances in Polymer Science, Vol. 80, 1986; Ed. N. F. Sheppard).
Patentiert wurde die Anwendung dielektrischer Sensoren zum Beispiel in DE 40 19 869 A1 und DE 14 132 05 135 A1.
Dielektrische Verfahren arbeiten bei Epoxidharzen befriedigend, da bei dieser Vernetzungsreaktion keine Nebenprodukte auftreten. Bei Formmassen dagegen, die durch Polykondensation vernetzen, treten Reaktionsprodukte wie zum Beispiel Wasser und Ammoniak auf. Das erschwert die Auswertung der Meßergebnisse erheblich und macht bei vielen Formmassen eine dielektrische Überwachung der Fertigung unmöglich.
Bei Verfahren, die Ultraschallsensoren nutzen, sind derartige Schwierigkeiten nicht zu erwarten, da die Ultraschallparameter direkt von den mechanischen Eigenschaften des Materials abhängen. In DE 27 16 833 A1 und DE 29 31 282 A1 werden Durchschallungs­ verfahren zur Messung der Materialeigenschaften während eines Polymerisationsprozesse beschrieben. Ihr breiter Einsatz in der industriellen Produktion wird durch Schwierigkeiten bei der Auswertung der die Information tragenden Ultraschall-Signale behindert. Die den Formmassen beigemischten Füllstoffe beeinflussen das Ultraschall-Meßsignal erheblich. Es wird durch Streuung, Absorption und Reflexion so verändert, daß eine eindeutige automatische Auswertung, wie sie für die Fertigungsüberwachung notwendig ist, bisher nicht möglich war. In DE 38 22 716 A1 wird eine Lösung angeboten, die auf einem elektronischen Oszillatorverfahren beruht. Auf diese Weise soll das Problem der Signalauswertung umgangen werden. DE 35 22 771 A1 löst das Problem durch Einführung eines Wellenleiters, der eine ausreichende Signalhöhe und minimale Signalverformung garantiert. Ein solcher Wellenleiter erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand und läßt sich zudem nicht in allen Duroplastprodukten unterbringen, z. B.: aus Platzmangel, wegen der Beeinträchtigung der Oberfläche oder der Stabilität.
Die genannten Schwierigkeiten und Nachteile vermeidet die nachfolgend beschriebene Erfindung. Sie hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ziel, mit dem die Veränderung der Materialeigenschaften auch von stark dämpfenden Duroplasten während der industriellen Verarbeitung überwacht werden kann. Mit der Erfindung wird das Problem gelöst, während der Fertigung die Aushärtung jedes Formteils zu registrieren. Des weiteren ist es mit der Erfindung möglich, die Maschinen für die Formteilfertigung entsprechend der momentanen Aushärtung zu steuern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen RECHNER mit einer möglichst einfachen Ultraschall-Meßvorrichtung zu kombinieren. Über die Steuer- und Meßsoftware des Rechners wird die Abarbeitung der Verfahrensschritte zur Ermittlung der Materialkennwerte aus den gemessenen Daten gesteuert.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren soll an Hand von Bild 1 beschrieben werden. Dabei haben die Bezugszeichen folgende Bedeutung:
1 Meß- und Steuerrechner
2 Impulsgenerator
3 Impulsleitung
4 Ultraschall-Sendewandler
5 Formmasse
6 Ultraschall-Empfangswandler
7 Werkzeug der Presse oder Spritzgießmaschine
8 Meßleitung
9 regelbarer Verstärker
10 Steuerleitung für die Verstärkungsregelung
11 Analog-Digital-Wandler
12 Rechner-Ausgang (analog oder digital) zur Regelung des Verstärkers 9
Der Aufbau der Meßvorrichtung
Der Impulsgenerator 2 wird von der Software des Computers 1 getriggert. Von ihm führt eine Impulsleitung 3 für die Anregungsimpulse zum Sendewandler 4. Dort wird der elektrische Impuls zum Ultraschall-Impuls, der den Kunststoff 5 durchdringt und vom Empfangswandler 6 wieder in ein elektrisches Signal gewandelt wird. Der Empfangswandler 6 ist über die Meßleitung 8 mit einem Verstärker 9 und einem Analog-Digital-Wandler 11 des Rechners 1 verbunden. Eine Steuerleitung 10 führt vom Rechner 1 über den Ausgang 12 zum regelbaren Verstärker 9.
Der gesamte Meßablauf wird vom Rechner 1 gesteuert.
  • 1. Erfindungsgemäß werden folgende Verfahrensschritte realisiert:
    Bestimmung eines Referenzsignals, mit dem das Meßsignal verglichen wird (s. Punkt 10):
    durch Berechnung der Faltung der Impulsantworten der beiden verwendeten Ultraschallwandler oder
    durch Berechnung der Signalform nach einem der bekannten Wandlermodelle oder
    durch Messung der Signalform an einer akustischen Verzögerungsleitung, die die gleichen Wandler verwendet wie die Meßapparatur.
    Speicherung des so ermittelten Referenzsignals im Rechner 1.
  • 2. Vorgabe der Lage und Größe des Zeitfensters für die Bestimmung des Maximums des vom Empfangswandler 6 gewandelten Meßsignals:
    Untere Grenze: (Probendicke/Schallgeschwindigkeit) - 1 µs, mindestens jedoch 0,2 µs.
    Obere Grenze: (Probendicke/Schallgeschwindigkeit) + 1 µs, nach Triggern des Impulsgenerators 2, wobei die obere Grenze deutlich kleiner als die Impulswiederholrate gewählt werden muß.
  • 3. Vorgabe der Grundeinstellung für den regelbaren Verstärker 9 durch eine entsprechende Steuerspannung am Ausgang des Digital-Analog-Wandler 12 (vorzugsweise: 30 dB).
  • 4. Triggern des Impulsgenerators 2 durch den Rechner 1 und damit Auslösen eines Nadelimpulses, dessen Bandbreite größer als die Nennfrequenz des Ultraschallwandlers ist. Gleichzeitiges Starten des Analog-Digital-Wandlers 11 zur Erfassung des Meßsignals.
  • 5. Umwandeln des elektrischen Nadelimpulses im Ultraschallsendewandler 4 und Aussenden des Ultraschallimpulses.
  • 6. Empfangen des Ultraschall-Signals mit dem Empfangswandler 6 und Wandeln in ein elektrisches Signal.
  • 7. Verstärken des Signals durch den rechnergesteuerten Verstärker 9.
  • 8. Einlesen des verstärkten Signals über den Analog-Digital-Wandler 11 in den Rechner 1.
  • 9. Optimierung der Verstärkereinstellung in mehreren Zyklen (Verfahrensschritte 3 bis 8) über den Regelkreis 1, 8, 11, 6, 10, 7, 1 (s. Bild 1) zur Erzielung einer maximalen Auflösung am Analog-Digital-Wandler 11.
  • 10. Bestimmen der zeitlichen Lage der maximalen Amplitude:
  • - Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem Referenzen- und dem Meßsignal
  • - Speichern der Verzögerungszeit des Korrelationsmaximums
  • - Speichern der Amplitude des Korrelationsmaximums
  • 11. Eintrag des Amplitudenwertes und der Verzögerungszeit in eine Kennlinie, auf deren Abszisse die Zeit aufgetragen wird, die seit Beginn der Härtung vergangen ist.
Die Überwachung der Aushärtung eines Formteils endet mit Erreichen des gewünschten Aushärtungsgrades.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren und die Vorrichtung haben gegenüber der bekannten Technik den Vorteil, daß die Meßapparatur sehr einfach und preiswert ist. Sie setzt sich im Wesentlichen aus handelsüblichen Bauteilen zusammen. Die Lage der Sensoren kann dem Verwendungszweck angepaßt werden (siehe Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung).
Die erfindungsgemäße Aufbereitung des Meßsignals durch Hard- und Software ermöglicht die Überwachung der Eigenschaften aller gebräuchlichen Formmassen. Das gilt auch für Materialien, die den Ultraschall stark absorbieren oder stark streuen. Das Auftreten von Reaktionsprodukten beeinflußt die Wirksamkeit der Erfindung nicht. Durch seine Software- Orientierung ist das Verfahren sehr flexibel einsetzbar, wobei die Bedienoberfläche dem jeweiligen Problem angepaßt werden kann.
Bei der Fertigungsüberwachung an Pressen und Spritzgießmaschinen kann mit Hilfe des in die Software integrierten Expertenwissens die Bedienoberfläche stark vereinfacht werden. Zum Beispiel könnte sie sich auf eine Anzeige der Signaldämpfung während des bisher durchlaufenen Härtungsprozesses in Abhängigkeit von der Härtungszeit zusammen mit dem entsprechenden Toleranzschema beschränken. Gleichzeitig können die Härtungskennlinien jedes Formteils beziehungsweise jeder Formmasse im Rechner gespeichert werden. Außerdem kann der Rechner auf Basis des erfindungsgemäß ermittelten Aushärtungsgrades gezielt in die Maschinensteuerung eingreifen - z. B. das Signal zum Öffnen des Werkzeugs geben.
Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Verfahrens betreffen die Lage und die Funktion der Sensoren. Sie können in der Werkzeugwand liegen und bündig mit dieser abschließen (siehe Bild 2).
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung liegen die Sensoren verdeckt der Werkzeugwand und haben keinen Kontakt zur Formmasse, so daß der Ultraschall sowohl Werkzeugwand als auch Formmasse durchdringt (siehe Bild 3).
Dies ist besonders wichtig, wenn die Oberfläche der Formteile hohen Anforderungen genügen muß und auch geringe Sensorabdrücke nicht akzeptabel sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befinden sich die Sensoren auf der gleichen Seite des Werkzeugs (siehe Bild 4). Als Meßsignal dient das von der gegenüberliegenden Werkzeugwand reflektierte Signal. Diese Anordnung empfiehlt sich, wenn die Montage auf der gegenüberliegenden Seite auf Schwierigkeiten stößt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nur ein Sensor benutzt (Bild 5). Dieser Sensor arbeitet, zeitlich geschaltet, einmal als Sendewandler und wenig später als Empfangswandler. Als Meßsignal dient ebenfalls das von der gegenüberliegenden Werkzeugwand reflektierte Signal. Auch diese Anordnung empfiehlt sich, wenn die Montage auf der gegenüberliegenden Seite auf Schwierigkeiten stößt.
Zusammenstellung der Bilder
Bild 1: Prinzipielle Meßanordnung
Bild 2: Sensoren im Kontakt mit der Formmasse
Bild 3: Sensoren in der Werkzeugwand, ohne Kontakt zur Formmasse
Bild 4: Sensoren auf einer Seite des Werkzeugs
Bild 5: Sender und Empfänger in einem Sensor

Claims (5)

  1. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ultraschall- Überwachung der Aushärtung von Duroplasten mit folgenden bekannten Merkmalen:
    • - ein Ultraschall-Wandler, der mit der duroplastischen Formmasse im Inneren eines Werkzeuges in akustischem Kontakt steht, wird durch elektrische Nadelimpulse zum Aussenden akustischer Wellenzüge angeregt,
    • - diese Wellenzüge werden nach Passieren der Formmasse von einem zweiten Ultraschall- Wandler empfangen und
    • - anschließend hinsichtlich ihrer Zeitverzögerung und der Signaldämpfung ausgewertet.
    1. Erfindungsgemäß werden folgende Verfahrensschritte realisiert:
    • - Bestimmung eines Referenzsignals, mit dem das Meßsignal verglichen wird
      durch Berechnung der Faltung der Impulsantworten der beiden verwendeten Ultraschallwandler oder
      durch Berechnung der Signalform nach einem der Bekannten Wandlermodelle oder
      durch Messung der Signalform an einer akustischen Verzögerungsleitung, die die gleichen Wandler verwendet wie die Meßapparatur.
      Speicherung des so ermittelten Referenzsignals im Rechner 1.
    • - Die Berechnung der Kreuzkorrelation des Referenzsignals mit dem Meßsignal, das die Formmasse passiert hat und
    • - Übernahme der Amplitude und der Zeitverzögerung des Korrelationspeaks in eine Kennlinie, auf deren Abszisse die Aushärtungszeit aufgetragen wird.
  2. 2. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist gekennzeichnet durch
    • - einen Nadelimpulsgenerator 2, der von einem Rechner 1 getriggert wird, um Anregungsimpulse für den Ultraschallsendewandler zu liefern; die obere Grenzfrequenz der Anregungsimpulse ist höher als die Nennfrequenz der Sensoren,
    • - das Werkzeug 7 zur Verarbeitung duroplastischer Formmassen mit den beiden Ultraschall-Wandlern 4 und 6,
    • - einen regelbaren Verstärker 9 in einer Regelschleife mit Analog-Digital-Wandler 11, Rechner 1 und dem Ausgang 12; zur Einstellung einer für den Analog-Digital-Wandler 11 optimalen Verstärkung,
    • - einen Analog-Digital-Wandler (11) zur Digitalisierung des empfangenen Signals,
    • - einen Rechner, der das digitalisierte Signal verarbeitet und
    • - einen Regelkreis, mit den Bauteilen 9, 8, 11, 1, 12, 10, 9 (s. Bild 1) zur Erzielung einer maximalen Auflösung am Analog-Digitalwandler 11.
  3. 3. Die Vorrichtung nach Anspruch 2 ist durch eine der folgenden Sensoranordnungen charakterisiert:
    die Sensoren stehen sich gegenüber (Bild 3),
    die Sensoren befinden sich auf einer Seite (Bild 4) oder
    die Sende- und Empfangsfunktion sind in einem Sensor integriert (Bild 5).
  4. 4. Die Vorrichtung nach Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren sowohl in der Werkzeugwand mit direktem Kontakt zur Formmasse (Bild 2) als auch in der Wand ohne direkten Kontakt zu Formmasse (Bild 3) liegen können - es ist aber auch möglich sie ganz von außen auf das Werkzeug aufzusetzen.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4 sind dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem Signal des Rechner, auf der Basis des aktuellen Aushärtungsgrades, die Verarbeitungsmaschinen für Duroplastformteile direkt ansteuert.
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