Ermittlung der Temperaturverteilung in einer Kavität während des Spritzgießens mittels Ultraschalltomografie

In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Ermittlung der Temperaturverteilung während des Spritzgießens entwickelt. Hierfür eignen sich tomografische Verfahren, die ein nicht invasives Messen ermöglichen und somit den Kunststoff während seiner Abkühlung im Werkzeug nicht beeinflusst. Für das tomografische Konzept kommen Ultraschallwandler zum Einsatz. Durch Messen der Schalllaufzeiten aus unterschiedlichen Richtungen kann so eine Verteilung von Ultraschallgeschwindigkeiten und aus der Abhängigkeit dieser von der Temperatur eine Temperaturverteilung berechnet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt sowohl die theoretische Herleitung für das ultraschalltomografische Konzept im Hinblick auf hohe Ortsauflösungen sowie die Modellkalibrierung für die präzise Beschreibung der temperaturabhängigen Ultraschallgeschwindigkeit auf.
Das theoretisch beschriebene Konzept wird in Form eines Spritzgießwerkzeugs umgesetzt. Dabei formen 20 Ultraschallsensoren, die kreisförmig um eine zylindrische Kavität angeordnet sind, den Messbereich. Als Resultat dieser Anordnung kann die Temperaturverteilung mit einer Auflösung von 3,5 mm² bzw. an 200 unterschiedlichen Positionen im Messbereich rekonstruiert werden. Die Messungen zeigen jedoch auch, dass die genaue Ermittlung der Laufzeitsignale aufgrund von Störeinflüssen auch nach intensiver Signalverarbeitungen nicht präzise möglich ist. Aufgrund der gegenüber den Eingangsdaten sensitiven Modelle zur Beschreibung der temperaturabhängigen Ultraschalltomografie kann daher kein aussagekräftiges Temperaturprofil rekonstruiert werden.
Die Arbeit zeigt, dass das ultraschalltomografische Konzept eine zielführende Lösung zur Ermittlung der Temperaturverteilung während des Spritzgießens sein kann. Die aufwendige Signaldetektion und -verarbeitung verhindert jedoch den derzeitigen Einsatz. Aus diesem Grund müssen Sensoren und die Messtechnik geschaffen werden, die eine genaue Bestimmung des Laufzeitsignals ermöglichen und speziell für den Einsatz im Spritzgießprozess geschaffen sind. Zusätzlich muss die Korrelation von Temperatur und Ultraschallgeschwindigkeit gezielter an die hohen Abkühlraten und genaue Druckverläufe im Spritzgießprozess angepasst werden können.