Ultraschallbasierte Detektion von Fließfronten in Spritzgießwerkzeugen

Ultraschallbasierte Detektion von Fließfronten in Spritzgießwerkzeugen

In diesem Beitrag beschreiben wir eine neue Methode zur dynamischen Detektion von Fließfronten in Spritzgießwerkzeugen mittels Ultraschallsensoren.
Das Spritzgießen ist ein weitverbreitetes Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen. Bei diesem Verfahren wird flüssiger Kunststoff in eine Form (das Spritzgießwerkzeug) eingespritzt und durch Abkühlung und Erstarrung in eine feste Form gebracht.

Die Qualität des Spritzgießprozesses hängt maßgeblich vom Füllvorgang ab und von der Fähigkeit, eine gleichmäßige Fließfront des Kunststoffs im Werkzeug zu erzeugen.

Eine ungleichmäßige Fließfront kann zu Schwachstellen im Material, unerwünschten Bindenähten und Ausschussbauteilen führen, was wiederum den Gewinn beim Verkauf des Endprodukts reduziert.

MoldFront mit Kabel

Herausforderungen bei der Fließfrontdetektion:

Die Detektion von Fließfronten in Spritzgießwerkzeugen ist eine komplexe Aufgabe.

Eine ungleichmäßige Fließfront kann durch diese unterschiedlichen Einflüsse hervorgerufen werden:

  • Änderungen der Materialeigenschaften
  • Design des Werkzeugs
  • Veränderungen im Spritzgießprozess

Bislang gibt es verschiedenste Ansätze zur Fließfrontdetektion, wie optische Sensoren, Drucksensoren oder Temperatursensoren. Diese Methoden haben jedoch bestimmte Nachteile, wie die Empfindlichkeit gegenüber abrasiven Materialien oder die begrenzte Dynamik.

Eine vielversprechende Alternative dazu ist die berührungslose Messung mittels Ultraschallsensorik.

Funktionsweise der ultraschallbasierten Fließfrontdetektion:

Die ultraschallbasierte Fließfrontdetektion beruht auf der permanenten Aussendung von Ultraschallimpulsen in Richtung der Kavität während des Spritzgießprozesses.

Bei einer leeren Kavität werden 100 % der Schallenergie an der Grenzfläche Stahl/Luft reflektiert. Trifft nun der Kunststoff auf die Messstelle, wird ein Teil der Ultraschallenergie in den Kunststoff eingekoppelt und genau dieser Unterschied anschließend von der MoldFront-Sensorik erfasst.

Moldfront-Montage-Maschine-Werkzeug

MoldFront Elektronikeinheit montiert auf einer Spritzgießmaschine

Hier geht es zum erwähnten Sensorikprodukt:

Vorteile der ultraschallbasierten Fließfrontdetektion

Die ultraschallbasierte Fließfrontdetektion bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden:

  • Die Methode erfasst dynamisch und in Echtzeit Veränderungen der Fließfront, was eine schnelle Reaktionszeit im Bereich von < 5 Millisekunden ermöglicht.
  • Die Methode ist robust gegenüber äußeren Einflüssen wie abrasiven Medien, hohen Spritzdrücken oder Luftfeuchtigkeit.
  • Die Methode ist unabhängig vom Material und Werkzeugdesign und kann daher auf eine Vielzahl von Anwendungen angewendet werden.
  • Die Methode ermöglicht eine berührungslose Messung an vielen verschiedenen Punkten im Werkzeug, woraus eine hohe Designfreiheit resultiert.

Vergleich MoldFront Fließfrontdetektion und Drucksensorik

Der Einsatz von Drucksensorik ist eine gängige Methode zur Druckmessung sowie Detektion von Fließfronten in der Industrie.

Analog dazu kann die Ultraschallsensorik MoldFront eingesetzt werden. Während die Drucksensorik den Anstieg des Drucks in der Kavität misst, um die Fließfront zu detektieren, nutzt die Ultraschallsensorik MoldFront Dichteänderungen in der Kavität. Dabei wird genau detektiert, ob sich an der Messstelle die Grenzfläche Stahl/Luft oder Stahl/Kunststoff existiert. Diese funktioniert ebenso für andere Metalle, wie Aluminium oder Kupfer.

Vergleich-MoldFront-Drucksensorik-Werkzeug
Aus den Messdaten der gezeigten Grafik ist klar ersichtlich, dass die Fließfront zyklisch, zuverlässig und dynamisch detektiert wird.

Der große Vorteil der Ultraschall-Fließfrontdetektion liegt somit in der Möglichkeit, die Fließfront unabhängig von den Druckverhältnissen in der Kavität zu messen. D.h. es wird kein Ansprechdruck benötigt und auch die Beschränkung auf einen vorgegebenen Maximaldruck fällt weg.

Außerdem kann die Ultraschall-Fließfrontdetektion durch die nicht invasiv bzw. berührungslose Messung auch bei abrasiven Medien oder Vakuumanwendungen problemlos eingesetzt werden.

Hier geht es zum erwähnten Sensorikprodukt:

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Unterschied zwischen Körperschall und direkt messender Ultraschallsensorik

Unterschied zwischen Körperschall und direkt messender Ultraschallsensorik

In diesem Artikel erfährst du, wo genau der Unterschied zwischen Körperschallsystemen und direkt messender Ultraschallsensorik liegt.

Spritzgießwerkzeuge sind unerlässlich für die Produktion von Kunststoffteilen. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem Kunststoffgranulat in ein Werkzeug eingespritzt wird, das dann unter hohem Druck und hoher Temperatur geformt wird. Um sicherzustellen, dass das Verfahren ordnungsgemäß funktioniert, sind Sensoren erforderlich, um wichtige Qualitätsparameter während des Füllvorganges zu messen.

In der Spritzgussindustrie gibt es im Bereich der Schallsensoren zwei Haupttypen: Körperschallsensoren und direkt messende Ultraschallsensoren. Obwohl beide für die Überwachung des Spritzgießprozesses eingesetzt werden, unterscheiden sie sich in ihrer Funktionsweise und Anwendung.

In diesem Artikel werden wird der Unterschied zwischen Körperschallsensoren und direkt messenden Ultraschallsensoren bei Spritzgießwerkzeugen genauer erläutert. 

Körperschallsensoren

Körperschallsensoren werden verwendet, um Vibrationen im Spritzgusswerkzeug zu messen. Sie sind in der Regel am Werkzeugrahmen oder an anderen strukturellen Elementen des Werkzeugs angebracht und erfassen Vibrationen, die während des Spritzgussprozesses entstehen. Diese Vibrationen sind ein Indikator für die Funktionsweise des Werkzeugs und können so beispielsweise für die

  • zustandsbasierte Wartung von Werkzeugen
  • Erkennung von Werkzeugschäden
  • oder der Werkzeugqualifizierung

verwendet werden.

D. h. die Körperschallwellen, die sich in Abhängigkeit der auftretenden Werkzeugvibrationen ändern, werden interpretiert und bestimmten Schadenskategorien zugeordnet.

Körperschallsensoren können auf verschiedene Arten arbeiten, darunter piezoelektrische Sensoren, Beschleunigungsmesser und Laser-Doppler-Vibrometer. Piezoelektrische Sensoren wandeln Schwingungen in elektrische Signale um, während Beschleunigungsmesser die Beschleunigung messen, die durch die Vibrationen des Werkzeugs verursacht wird. Laser-Doppler-Vibrometer messen hingegen die Geschwindigkeit von Werkzeugvibrationen durch Beobachtung des Laserlichts, indem ein Laserstrahl auf die Oberfläche gerichtet und dann die zurückgeworfene Strahlung analysiert wird.

Direkt messende Ultraschallsensoren (Moldsonics Sensorik)

Direkt messende Ultraschallsensoren werden verwendet, um direkt am Spritzgießbauteil, also direkt am entstehenden Produkt, Qualitätsparameter zu messen.

Sie sind in der Regel an kritischen und qualitätsrelevanten Positionen im Spritzgießwerkzeug platziert und zeichnen eine charakteristische Ultraschallantwortkurve des Einspritz- und Nachdruckprozesses auf.

Kurvenverlauf-MoldUni-Vergleich-Koerperschall-de

Charakteristische Ultraschallantwortkurve bei Verwendung direkt messender Ultraschallsensorik

Kurvenverlauf-MoldUni-Vergleich-Koerperschall-en

Characteristic ultrasonic response curve when using directly measuring ultrasonic sensor technology

Die Funktionsweise basiert auf der permanenten Aussendung von Ultraschallwellen und der Analyse der zurückgeworfenen Wellen. Diese Sensoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, um elektrische Signale zu erzeugen, wenn sie durch elektrische Spannung belastet werden, und umgekehrt, um Schallwellen zu erzeugen, wenn sie elektrischen Strom erhalten.

Die von den Sensoren ausgesandten Ultraschallwellen werden von der zu Kavitätswand sowie der zu messenden Kunststoffschmelze reflektiert und kehren zum Sensor zurück. Basierend auf der Laufzeit, die es dauert, bis die Ultraschallwellen zurückkehren, und der Intensität des reflektierten Ultraschallpulses, kann der Sensor verschiedenste qualitätsrelevante Parameter bestimmen. Dazu zählen:

  • Die Fließfrontdetektion, also wann die Schmelzefront die Sensorposition erreicht
  • Die Geschwindigkeit der vorbeifließenden Schmelze
  • Die Erstarrungsgeschwindigkeit des abkühlenden Kunststoffs
  • Das Abschwinden des Kunststoffbauteils von der Kavitätswand
  • Das thermische Gleichgewicht des Spritzgießwerkzeugs

Der Einsatz dieser direkt messende Ultraschallsensorik in der Spritzgießbranche ist völlig neu. Die Messung einer charakteristischen Ultraschallantwortkurve kann bis dato nur mit der Sensorik von Moldsonics bewerkstelligt werden und ist somit einzigartig.

Der Einstatz dieser Sensorik ist nicht auf einzelne Branchen limitiert und wird aktuell auch schon in verschiedensten Branchen eingesetzt, einschließlich der Medizinindustrie, der Automobilindustrie, der Lebensmittelindustrie und der Spielwarenindustrie, um nur einige zu nennen.

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Anwendungsbeispiel Haidlmair und Moldsonics

Anwendungsbeispiel Haidlmair und Moldsonics

Haidlmair Werkzeug und Moldsonics Sensoren – ein perfektes Zusammenspiel.

In diesem Anwendungsbeispiel wird veranschaulicht, wie Sie das Sensorsystem MoldUni in der Praxis einsetzen können.

Moldsonics MoldUni on Haidlmair Mold at K2022

Auf der diesjährigen K2022 in Düsseldorf präsentierten Haidlmair und Moldsonics ihre neueste Innovation: Das Sixpack-Werkzeug, welches mithilfe von Ultraschallsensortechnik die Qualität seiner Bauteile kontinuierlich überwacht.

Eines der wichtigsten Merkmale dieses Werkzeugs ist der Einsatz der FDU (Flat Die Unit) als Heißkanalsystem. Dies ermöglicht eine hochpräzise Temperaturregelung und schnellere Zykluszeiten, was zu qualitativ hochwertigeren Komponenten führt.

Ein zusätzlicher Clou ist die Integration der MoldUni-Sensortechnologie. Durch die Integration von Ultraschallsensoren wird es dem Anwender ermöglicht, den Produktionsprozess in Echtzeit zu überwachen und zu dokumentieren, ohne dabei Kontakt mit der Schmelze zu haben, wodurch Sensormarken oder Undichtheiten der Vergangenheit angehören. Dies ermöglicht es den Herstellern, Probleme schnell zu erkennen und Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um sicherzustellen, dass jedes Teil den höchsten Qualitätsstandards entspricht.

„Die ultraschallbasierte Sensorik von Moldsonics bietet uns völlig neue Möglichkeiten, Vorgänge in unseren Füllprozessen zu analysieren und so unsere Werkzeuge zu verbessern.“

Lukas WAGNER

Head of Advanced Simulations, HAIDLMAIR GmbH

Neben der fortschrittlichen Sensortechnologie ist die Form auch eine Mischung aus konventionellen und 3D-gedruckten Komponenten. Dies ermöglicht eine größere Designflexibilität in der Konstruktion und kürzeren Zykluszeiten sowie höherer Effizienz im Spritzgießprozess.

Insgesamt ist das Sixpack-Werkzeug ein innovatives Beispiel dafür, wie Sensortechnologie und fortschrittliche Fertigungstechniken kombiniert werden können, um hochwertige Komponenten mit verbesserter Überwachung und kürzeren Produktionszeiten zu schaffen.

Wir sind gespannt, in welchen spannenden Projekten diese beiden Innovationen noch kombiniert werden können und freuen uns auf die noch folgenden Anwendungen.

Wir haben alles im Detail in einem Artikel zusammengefasst:

Noch Fragen?

Das war die K2022!

Das war die K2022!

Die K2022 in Düsseldorf, welche die Leitmesse der Kunststoff- und Kautschukindustrie ist, war in diesem Jahr ein großer Branchenerfolg. Über 176.000 Fachbesucher aus allen Kontinenten reisten zu der Veranstaltung, die auf dem Düsseldorfer Messegelände stattfand. Die Fachbesucher kamen aus 157 verschiedenen Nationen, und die Messe war für die Unternehmen der Kunststoff- und Kautschukindustrie eine großartige Gelegenheit, ihre neuesten Produkte und Innovationen zu präsentieren.

Moldsonics als Aussteller erstmals auf der K

Wir von Moldsonics waren einer der vielen Aussteller auf der K2022 und freuten uns, unsere neuesten Ultraschallsensorsysteme MoldFront und MoldUni vorzustellen, welche zur Steigerung Genauigkeit und Effizienz des Herstellungsprozesses in der Kunststoff- und Gummiindustrie entwickelt wurden. Das Sensorsystem ist in der Lage, kleinste Schwankungen im Herstellungsprozess zu erkennen, was eine bessere Kontrolle und gleichmäßigere Ergebnisse ermöglicht. Alle Kenngrößen, welche weit über die Druck- und Temperatursensorik hinausgehen, können gemessen werden, ohne dabei in Kontakt mit der Schmelze zu treten.

Um die vielen Möglichkeiten unseres Sensorsystems zu demonstrieren, hatten wir an unserem Stand einen Messkoffer aufgebaut. Die Messebesucher konnten das System live in Aktion sehen, und viele von ihnen waren von seiner Auflösegenauigkeit und der neuen Messmöglichkeiten beeindruckt. Zusätzlich zu unserem eigenen Stand war unser Sensorsystem auch an drei Partnerständen in Betrieb, sodass noch mehr Besucher es in Betrieb sehen konnten.

K2022-Demonstrator
IMG 5190 scaled Moldsonics K2022
IMG 5192 scaled Moldsonics K2022

Die Messe K2022 war für uns eine ausgezeichnete Gelegenheit, wertvolle Kontakte in der Kunststoff- und Kautschukindustrie zu knüpfen. Wir haben viele interessante Gespräche mit potenziellen Kunden geführt, konnten uns mit anderen Unternehmen vernetzen und uns über die neuesten Entwicklungen in der Branche informieren. Wir sind davon überzeugt, dass die Kontakte, die wir auf der Messe geknüpft haben, für unser Unternehmen in Zukunft von großem Nutzen sein werden und freuen uns sehr über die bevorstehenden Kooperationen.

Insgesamt war die K2022-Messe eine fantastische Erfahrung für unser Unternehmen. Wir konnten unser neues Sensorsystem einem großen und vielfältigen Publikum vorstellen und haben viele wertvolle Kontakte in der Kunststoff- und Kautschukindustrie geknüpft. Wir freuen uns bereits auf die nächste Messe und hoffen, auch in Zukunft Teil dieses wichtigen und innovativen Branchenereignisses zu sein.

K2022 – Official Press Release

K2022 – Official Press Release

K2022 – Trade fair results fulfil highest expectations

Innovation driver for the global plastics and rubber industry

Multitude of concrete solutions, machines and products for the transformation towards a circular economy

Another life for plastic. Because we care.

The joy of the plastics and rubber industry at finally being able to exchange ideas in person on a global level again after three years characterised K2022 Düsseldorf and ensured an excellent mood among the 3,037 exhibitors. The companies reported extraordinarily good leads and a marked willingness to invest among trade visitors, mentioning promising new customer relations and the conclusion of numerous, in part, spontaneous business deals.

“K in Düsseldorf has once again fulfilled highest expectations. It continues to be the most international, complete and innovative trade fair of the global plastics and rubber industry,” says Erhard Wienkamp, Managing Director at Messe Düsseldorf, delighting at the good results and adding: “The trade fair has impressively demonstrated just how valuable face-to-face networking, chance meetings and physical brand and product experiences are. We are very satisfied to see that K2022 succeeded in sending out strong signals as an innovation driver of the industry and that our exhibitors did business with a high number of international customers with great decision-making powers.”

176,000 trade visitors from all continents travelled to their most relevant sectoral event in Düsseldorf. At over 70% the proportion of international guests at K2022 remained at a constantly high level.

The verdict from Ulrich Reifenhäuser, Chairman of the Exhibitor Advisory Board at K2022, is also very positive: “After hardly any trade fairs could take place worldwide also on a national level over the past three years, K2022 was all the more eagerly anticipated as the world’s No. 1 trade fair of the plastics and rubber industry and succeeded in providing fresh impetus in all sectors of our industry. The many, in part, unexpected concrete contract negotiations held at the trade fair speak for themselves!”  

The current unpredictability and uncertainty of events does make for a tight situation in the sector overall, but this did not do any harm to exhibitor commitment and visitor interest, quite on the opposite: “Especially now in turbulent times and where the plastics industry is undergoing transformation towards the circular economy K2022 was the ideal place to jointly and actively chart the course for the future,” sums up Ulrich Reifenhäuser.

It was especially the wealth of new technology developments that raw materials producers, machine manufacturers and plastics processors presented for implementing the circular economy, resource conservation and climate protection that thrilled the trade visitors. Commenting on this Ulrich Reifenhäuser says: “It can be clearly felt that all companies have embraced the need to take on social responsibility and think about plastics in a sustainable way from the beginning of the process chain. The variety of solutions, machinery and products for transformation towards a circular economy presented at K2022 was incredible.”

The trade visitors at this year’s K travelled from 157 nations to the Rhine. Next to Germany, those European countries strongly represented on the visitors’ part included the Netherlands, Italy, Turkey, France, Belgium, Poland and Spain. With 42% of visitors coming from overseas, the reach of K is as high as usual among the international trade audience. While visitors from the East Asian region, in particular, were less well represented than at K three years ago due to the currently more difficult conditions in those countries on account of quarantine regulations, numerous visitors from the USA, Brazil and India were welcomed at K2022.

For around two thirds of all visitors polled machinery and plant construction ranked first in terms of interest. 57% and, hence 5% more than at K 2019, said they were interested in raw and auxiliary materials, with recyclates and bioplastics being particularly popular. For 28% semi-finished products and technical parts made of plastics and rubber were the main reason for coming (multiple responses possible). Over 70% of all visitors come from top and middle management.

Top marks were given by visitors to K2022 for the completeness of its ranges and its mapping of the entire supply chain. 98% of all professionals stated they had fully achieved the goals associated with their visit.

During the eight trade fair days it became clear that this year’s K was right on target with its selection of hot topics, circular economy, climate protection and digitalisation. In terms of investment intentions, machinery and equipment for processing and recycling stood out at 43%. The focus was particularly on sustainability, but also on circular economy and energy/resource efficiency in production. Around 40% of decision-makers said they were looking into the topic of decarbonisation.

The K specials, which also focused on the three hot topics, were also very well received. The official special show, ‘Plastics Shape the Future’, focused on the economic, social and ecological challenges and potential solutions around the K guiding topics in high-calibre discussions and lectures, and this show was well attended throughout.  The Circular Economy Forum, where the VDMA and 13 of its member companies impressively demonstrated the importance of technology in the implementation of the circular economy in the plastics industry, scored points with the international audience with live demonstrations and a great deal of well-founded knowledge as well as detailed information on the topic.

At this year’s K in Düsseldorf, there was also a lot of discussion about the global production language, OPC UA. This standard allows the processing parameters of the machinery and equipment involved to be coordinated more precisely and in a more targeted manner. This, in turn, is considered an important prerequisite for optimised circular management. 40 companies from eight countries participated in an OPC UA demonstration project at the trade fair.

At the Science Campus both exhibitors and visitors at K2022 were provided with a condensed overview of scientific activities and findings in the plastics and rubber sector. Numerous universities, institutes and funding bodies offered opportunities for direct dialogue here.

The offer of the Plastics Training Initiative (KAI) was used by many pupils, trainees and students to gather information on the job profiles and career opportunities in the plastics industry.

The next K Düsseldorf will be held from 8 to 15 October 2025.

Moldsonics auf der K2022

Moldsonics auf der K2022

Gründerfoto Moldsonics GmbH mit den drei Gründern

70 Jahre K in Düsseldorf – ein Grund zum Feiern! Wir nutzen dieses Jubiläum und sind zum ersten Mal mit einem eigenen Moldsonics-Stand auf der Messe vertreten.

Die K gilt als weltweite Nr. 1 der Messen der Kunststoff- und Kautschukindustrie. Die dort gezeigten Entwicklungen und Neuerungen stellen die Weichen für eine verantwortungsvolle Zukunft, in der Kunststoffe ein wichtiger Teil der Lösung sind. So lauten auch die drei Leitthemen der K 2022 Circular Economy, Klimaschutz und Digitalisierung.

Wir von Moldsonics präsentieren auf der Jubiläumsmesse unsere neuen Produkte. Unter anderem werden wir unser soeben neu veröffentlichtes Produkt MoldFront sowie unser nächsten geplanten Lösungen vorstellen.

Zu einer Übersicht unserer aktuell angebotenen Produkte gelangen Sie hier:

Besuchen Sie uns am Messestand 12D36-05 in Halle 12 und sprechen Sie mit uns über die neuesten Entwicklungen in der Ultraschallsensorik!

Wir freuen uns auf Ihren Besuch!

Messe K2022 in Düsseldorf

Datum: 19. bis 26. Oktober 2022

Ort: D-40474 Düsseldorf, Am Staad (Stockumer Höfe)

Standort: Halle 12 / D36-05

 

Allgemeine Informationen zur Anreise finden Sie hier: Anreise K2022

 

k2022 Plan Moldsonics