Akustischer Aktuator

Im Projekt ‘PolyRegion’ ist neben Netzwerktätigkeiten auch ein Forschungsprojekt vorgesehen um die Forschungszusammenarbeit zwischen Slowenien und Österreich zu intensivieren. Eines der Forschungsthemen ist der wichtige Bereich der Werkzeuginstrumentierung im Spritzgussprozess. Ein besonderer Fokus wurde dabei auf Werkzeugsensoren und –aktuatoren gelegt. Die Forschungsaktivitäten wurden maßgeblich von Dr. Florian Müller, Forscher an der Montanuniversität Leoben, Österreich, geführt.

Spritzgießen ist ein wesentlicher Prozess zur Herstellung von Kunststoffbauteilen in großen Stückzahlen. Obwohl heutige Spritzgussmaschinen hochentwickelt sind und besonderer Fokus auf Präzision und Wiederholgenauigkeit gelegt wurde, ist konstante Bauteilqualität nach wie vor beeinflusst durch schwankende Prozessbedingungen. Um diesen entgegen zu wirken ist es absolut notwendig den aktuellen Prozesszustand im Werkzeug zu detektieren, an jener Stelle in der die Bauteilqualität entsteht – der Kavität. Daher ergibt sich eine besondere Notwendigkeit für Werkzeugkavitätsensoren, von denen es derzeit zwei kommerziell wichtige Typen gibt – Temperatur und Druck Sensoren. Beide Sensortypen bringen die Notwendigkeit von datenübertragenden Kabeln mit sich die Nachteile während der Konstruktion als auch während des Betriebes des Werkzeugs aufweisen, z.B. Platzbedarf für Kabelführung sowie die hohe Empfindlichkeit der Kabel auf Quetschung und Zerstörung.

Um diesen Nachteilen entgegen zu wirken ist es wünschenswert Sensortypen zu entwickeln die nicht auf Kabel innerhalb des Werkzeuges angewiesen sind, und deshalb als kabellose Sensoren bezeichnet werden können. So ein Sensortyp wurde im Projekt PolyRegion entwickelt, analysiert und implementiert. Der neue Sensortyp wurde Schallsensor genannt und basiert auf dem Übertragungsmedium Körperschall. Der Auswerferstift (B), der einen wichtigen Bestandteil eines jeden Spritzgusswerkzeuges darstellt, ist in der Art adaptiert das er linear Spiel hat. Sobald die Schmelzefront diesen Stift überströmt, wird er beschleunigt und trifft auf den sogenannten Akustik-Resonator auf (Schematisch als Auswerferplatte dargestellt (C), und im Rendering zu erkennen). Der Resonator beginnt durch den Aufprall mit seiner Eigenfrequenz zu schwingen und überträgt das Geräusch innerhalb des metallischen Werkzeuges. Zur Unterscheidung von mehreren eingebauten Akustik Aktuatoren können unterschiedlich geformte Resonatoren zum Einsatz kommen, die jeweils mit ihren unterschiedlichen Eigenfrequenzen schwingen. Dieses Verhalten wird zur Unterscheidung der Signale herangezogen.

Mithilfe eines Beschleunigungssensors (der wie ein Mikrofon in diesem Fall agiert) ist es möglich den Körperschall des Werkzeuges aufzunehmen. Ein neuartiger Algorithmus basierend auf linearer Algebra wurde zur automatischen Unterscheidung der Signale entwickelt. Somit ist es möglich eine zeitlich aufgelöste Schmelzefrontposition im Werkzeug zu detektieren ohne Kabel in diesem zu verbauen.

Zur Untersuchung des Sensorkonzeptes an einem realen Spritzgusswerkzeug wurde ein Werkzeug von der Firma Mahle Filtersysteme GmbH, Kärnten, Österreich, gebaut in dem der Schallsensor unter praxisnahen Bedingungen getestet werden kann. Erste Messungen zeigen gute Funktionalität, jedoch bedarf es noch weiterer Untersuchungen um den Sensor verlässlich in einem Werkzeug implementieren zu können.

Der beschriebene Sensor wurde in einer Vielzahl an Konferenzen und wissenschaftlichen Publikationen präsentiert (siehe Liste am Ende des Artikels):

• PPS-28 (http://www.pps-28.com/)
• PPS-29 (http://www.pps-29.com/)
• Sensornets 2013 (http://www.sensornets.org/)
• ICPE 2013 (http://www.waset.org/)
• ICIT & MPT 2014 (www.tecos.si/icit/)
• B2B Meeting PolyRegion, Celje, Slovenia

Für weitere Fragen steht Ihnen Dr. Christian Kukla als Ansprechpartner zur Verfügung (christian.kukla@unileoben.ac.at)

Der Sensor ist patentiert und wurde in vielen Publikationen veröffentlicht:

Wissenschaftliche Publikationen:

Müller, F.; Rath, G.; Lucyshyn, T.; Kukla, C.; Burgsteiner, M.; Holzer, C.: Presentation of a Novel Sensor Based on Acoustic Emission in Injection Molding. - in: Journal of applied polymer science 127 (2013) 6, S. 4744 – 4749

Müller, F.; O'Leary, P.; Rath, G.; Kukla, C.; Harker, M.; Lucyshyn, T.; Holzer, C.: Resonant Acoustic Sensor System for the Wireless Monitoring of Injection Moulding. - in: Proceedings of the 2nd International Conference on Sensor Networks. (2013), S. 153 - 161

Müller, F.; Kukla, C.; Lucyshyn, T.; Harker, M.; Rath, G.; Holzer, C.: Wireless In-Mold Melt Front Detection for Injection Molding: A Long-Term Evaluation. - in: Journal of applied polymer science 131 (2014) 11 , S. 5628 – 5638

Tagungsbände:

Müller, F.; Kukla, C.; Lucyshyn, T.; Burgsteiner, M.; Holzer, C.: Wireless Melt Front Detection for Injection Moulding. - in: ICIT & MPT 2014 Conference Proceedings. (2014), S. 153 - 159

Müller, F.; Kukla, C.; Lucyshyn, T.; Holzer, C.: ACTIVATION PRESSURE INVESTIGATION FOR A PURELY MECHANICAL WIRELESS IN-MOLD SENSOR. - in: Proceedings of the Polymer Processing Society 29th Annual Meeting ~ PPS-29. (2013)

Müller, F.; Kukla, C.; Lucyshyn, T.; Holzer, C.: Performance Evaluation of Purely Mechanical Wireless In-Mould Sensor for Injection Moulding. - in: World Academy of Science Engineering and Technology (2013), S. 55 - 60. (2013 )

Müller, F.; Kukla, C.; Lucyshyn, T.; Holzer, C.: Wireless In-Mold Sensor for Injection Molding: A new Approach. - in: Proceedings of the Polymer Processing Society 28th Annual Meeting ~ PPS-28. (2012)

Nicht wissenschaftliche Publikation:

Müller, F.; Kukla, C.; Lucyshyn, T.; Holzer, C.: Hör auf dein Werkzeug. - in: Kunststoffe (2013) 3, S. 31 - 33