Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6804

Experimentelle Bestimmung thermischer Material- und Prozessdaten für die Spritzgießsimulation unter Verbesserung der Messtechnik

J. Amberg, M. Guttmann, N. Holstein, M. Moneke, W. Pfleging, K. Seemann

Zusammenfassung
Im vorliegenden Bericht zum AiF-Projekt Nr. 12544N wird über die Entwicklung von mikrostrukturierten Sensoren für die Temperaturmessung im Kunststoffspritzguss berichtet. Auf Zirkonoxidsubstraten mit geringer Masse und Wärmekapazität sowie geringer Wärmeleitfähigkeit wurden Thermoelement-Arrays aus gut haftenden Titan- und Chromsputterschichten in Ätztechnik nach fotolithographischer Strukturierung aufgebracht. Die Außenkontur wurde durch Laserschneiden erzeugt.

Die gewählten Strukturgrößen - die Leiterbahnbreite beträgt 40 µm - ermöglichen eine hohe Ortsauflösung. Die thermische Masse der Sensoren ist wegen ihrer Dicke von 0,125 mm so gering und damit die zeitliche Auflösung so gut, dass der Anstieg der Temperatur um mehr als 200 K bei Einspritzen, die Wiedererwärmung der Schmelze durch Friktion im Anguss und die Änderung des Wärmeübergangs beim Abschalten des Nachdrucks detektiert werden können. Es wurden mehrere Variationen des grundlegenden Sensorlayouts realisiert: z. B. Polyimid-Zwischenschichten, eine Kammstruktur am Sensorkopf, verschiedene Leiterbahndicken u.a.m., z. T. um die Wärmeleitung zwischen den Messstellen zu minimieren.

Die Sensoren wurden im Ölbad kalibriert und in einem eigens konstruierten Werkzeug eingesetzt. Bei Variation der Prozessparameter Einspritzzeit, Nachdruckzeit und Nachdruckhöhe wurden die Temperaturen in der Werkzeugkavität über die gesamte Prozessdauer für unverstärktes und glasfaserverstärktes Polypropylen gemessen. Aus der Zeitableitung und dem Gradienten der Temperaturverteilung wurden Temperaturleitfähigkeiten berechnet und mit Laborwerten verglichen. Mit der so im Spritzgießprozess ermittelten Temperaturleitfähigkeit wurden Simulationsrechnungen mit dem Programm CADMOULD wiederholt, die auf vom Hersteller angegebenen Werten basieren. Die im Prozess ermittelten Temperaturleitfähigkeiten sind im relevanten Bereich mit einer Ungenauigkeit von maximal 15 % (in der Sensormitte 5 %) behaftet und liegen in der Größenordnung der aus Laborwerten berechneten Temperaturleitfähigkeit.

Die Sensoren erwiesen sich auch beim Spritzgießen von glasfaserverstärktem Polypropylen als mechanisch stabil. Die Leiterbahnstruktur blieb während der Versuchsserien erhalten und löste sich nicht vom Sensor.

Damit wurden die Ziele des Projekts trotz erheblicher, nicht vorhersehbarer Probleme bei der Optimierung und Kombination einzelner Prozessschritte weitestgehend erreicht. Es wurden wesentliche, neue material und prozessbezogene Erkenntnisse gewonnen.

Im Laufe des Projekts konnte daher ein starkes Interesse von Firmen und Forschungseinrichtungen an diesem Projekt festgestellt werden. Vor allem die kleinen und mittelständischen Sensorhersteller aber auch Kunststoffverarbeiter, Dienstleister und Maschinenhersteller zeigten reges Interesse, da ihnen nun einerseits Methoden zur Validierung der Spritzgießsimulation und andererseits ein viel weitergehend einsetzbarer Sensor zur Verfügung stehen.

Experimental Determination of thermic material und processing data for the simulation of injection molding by improvement of the measurement technique

Abstract
The present report of the AiF-project No. 12544 N deals with the development of micro structured sensors for temperature measurement in injection moulding. For this purpose, on zirconium oxide substrates showing low mass and low heat capacity arrays of titanium-chromium thermocouples were generated by sputtering, UV-lithography and selective etching. The contour of the sensors was cut by laser ablation of the ZrO2 substrates.

The selected dimensions of the structures, e.g. the width of strip conductors amounted to 40 µm, allow a high local resolution. Owing to the sensor thickness of 125 µm , the calorific mass is inferior and with it the time resolution is fine enough to detect the rise of the temperature of about more than 200 K, the reheating of the melting by friction in the gate system and the change of heat transmission after the shut down of the dwell pressure. Different variations of the fundamental design were realized: e.g. polyimide insulation lavers, comb structure between thermocouples, different strip conductor thicknesses and some few applications more, partly to minimize the thermal conduction between the measuring points. The sensors were calibrated in a oil-bath and put in an especially constructed injection moulding tool. By variation of the parameters injection time, dwell pressure time and dwell pressure altitude the temperatures in the injection moulding cavity over the entire process duration were detected for straight polypropylene and glass fibre reinforced polypropylene. From the time derivative and the gradient of the temperature distribution the thermal diffusivity was calculated and compared with laboratory values. With this thermal diffusivity determined by injection moulding processes simulations with the program CADMOULD were repeatedly carried out with manufactoring values. The experimental thermal diffusivities exhibit an inaccuracy up to a maximum of 15 % in the relevant sensor sector (in the centre of the sensor up to 5 % ) and are comparable with the thermal diffusivities calculated on base on laboratory values.

The sensors qualified as mechanically stable also for injection moulding of glass fibre reinforced polypropylene. The whole thermocouple structure was not affected and did not remove from the sensor in any case. With it, the aims of this project are reached by a large degree of fullfillment despite few not expectable problems during the optimization procedure and arising by the combination of the single process steps. New essential relevant material and process knowledge was generated.

During the project it was registrated a strong interest of companies and research institutes for the sensors. Especially small and middle sensor producers, but also polymer manufacturers, service enterprises and machine producers showed strong interest, because on one side now methods for validation of injection moulding simulation and on the other side, a far more extensivly applicable sensor is now by this available.

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