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07.10.2013

Dünnschicht-Sensoren im Spritzgießwerkzeug

Der Schichtaufbau des Dünnschicht-Thermoelements. Blau: elektrische Isolationsschicht; gelb: NiCr; orange: Ni; grün: Schutzschicht (© KIMW)

Forscher des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid (KIMW) haben Temperatursensoren entwickelt, die im PVD-Verfahren auf formgebende Werkzeugelemente aufgetragen werden können. Der gesamte Schichtaufbau besitzt dabei eine Dicke von weniger als 10 μm. Die Aufnehmerschicht selbst ist lediglich 1 μm dick. Für die Dünnschichtsensoren wurde die Thermopaarkombination NiCr/Ni gewählt. Dies entspricht einem Thermoelement vom Typ K.

Das Dünnschicht-Thermoelement wird gegenüber dem Werkzeugeinsatz zunächst mit einer vollflächigen Al2 O3 -Schicht elektrisch isoliert. Um eine hohe Standzeit des Sensors zu gewährleisten, sind die Dünnschicht-Thermoelemente mit einer verschleißfesten Passivierungsschicht bedeckt, die ebenfalls aus Al2 O3 besteht. Aufgrund ihrer geringen thermischen Masse haben die Dünnschichten im Vergleich zu standardmäßig verwendeten Draht-Thermoelementen eine kurze Reaktionszeit. Die Temperatursensoren können auch in schlecht zugänglichen Werkzeugbereichen angebracht werden.

Diese Technik hat den wesentlichen Vorteil, dass sich in einem einzigen Beschichtungsprozess mehrere Sensoren gleichzeitig herstellen lassen. So wurden beispielsweise auf der Oberfläche eines Werkzeugeinsatzes fünf Messpunkte an unterschiedlichen Positionen angebracht. Ein flexibles Dichtelement trennt die Kontaktierungspunkte gegenüber der einströmenden Kunststoffschmelze. Um den Sensor im Schadensfall schnell austauschen zu können, entwickelte das KIMW eine Variante, bei der sich die Temperaturmessstelle auf der Deckfläche befindet.

Temperatursensitive Werkzeugbeschichtungen erlauben eine vollständige Online-Überwachung des Spritzgießprozesses. Durch die grafische Darstellung der Temperaturkurve lassen sich Abläufe wie das Bemustern, Anfahren und Optimieren von Spritzgießwerkzeugen beschleunigen. Prozessschwankungen werden schneller erkannt, so dass sich die Reproduzierbarkeit der Formteilqualität erhöht. Gegenstand weiterer Untersuchungen ist die Entwicklung sensitiver Werkzeugbeschichtungen, die neben der Temperatur auch den Werkzeuginnendruck messen.

Dr.-Ing. Harald Sambale
sambale <AT> hanser.de

zusätzliche Links
Kunststoff-Institut für die mittelständische Wirtschaft NRW GmbH
Karolinenstr. 8
DE 58507 Lüdenscheid
Tel: +49 2351 1064-191
Fax: +49 2351 1064-190


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