Ultraschallwandler für Langzeitanwendung

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1 Abgeschlossene Forschungsprojekte Physik Projektleiter PD Dr. Ingo Alig Ultraschallwandler für Langzeitanwendung 50 Thema Druck- und temperaturstabile Ultraschallwandler für Langzeitanwendungen in der Kunststofftechnik Projekt-Nr. AiF-Nr N (DKI 18/0-84) Laufzeit bis Einleitung Ultraschallverfahren lassen sich wegen der direkten Verknüpfung der akustischen Parameter mit mechanischen Eigenschaften sowie der Morphologie zur Charakterisierung von Kunststoffmaterialien und ihres Verarbeitungszustandes nutzen [1]. Dabei ist ein Einsatz von Ultraschallsensoren in verschiedensten Verfahren der Kunststofftechnik, wie z.b. beim Spritzgießen,Tiefziehen, Pressen oder bei der Extrusion, möglich. Bereits in den siebziger Jahren wurde die Möglichkeit, den Fließzustand von Kunststoffschmelzen mit Ultraschallverfahren zu verfolgen, systematisch untersucht [2].Trotz erfolgversprechender Ansätze der Arbeiten von Petrik und anderen am IKV Aachen [2] wurde das Verfahren jedoch nicht bis zur Einsatzreife gebracht. Mit der rasanten Entwicklung der digitalen Messwerterfassung im Megahertz-Frequenzgebiet im letzten Jahrzehnt sowie dem damit verbundenen Preisverfall der entsprechenden Messtechnik wurden entsprechende Ultraschallverfahren erneut aufgegriffen. Insbesondere wurde mit der Entwicklung von automatisierten Ultraschallverfahren für den Extrusionsprozess begonnen [3-6]. Im Rahmen mehrerer von der AiF geförderten Forschungsprojekte (AiF-Projekte: 10943, 12152N, 11961N) beschäftigte und beschäftigt sich das DKI ebenfalls mit Verfahren für den Extrusionsprozess [7]. Trotz sehr erfolgversprechender Ergebnisse war abzusehen, dass die Überführung der Verfahren in die industrielle Praxis an der Verfügbarkeit entsprechender druck- und temperaturstabiler Ultraschallsensoren für den Langzeiteinsatz scheitern kann. Die bisherigen Versuche mit kommerziellen Sensoren zeigten, dass bereits nach wenigen Stunden bei prozesstypischen Temperaturen und Drücken erhebliche Schwankungen in der Amplitude auftreten. Ähnliche Probleme mit der Druck- und Temperaturstabilität konnten durch andere Arbeitsgruppen (z.b. Dr. Stark, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung; Dr. Piché, National Research Council Canada; persönliche Mitteilungen) bestätigt werden. Um eine breite Umsetzung von Ultraschallverfahren für verschiedenste Anwendungen der Kunststofftechnik zu ermöglichen, ist es deshalb unabdingbar, hochtemperatur- und druckstabile Ultraschallsensoren mit langer Lebensdauer zu entwickeln. Dabei ist der Einsatz dieser Ultraschallsensoren bei folgenden Verfahren möglich: Extrusion Spritzgießen Tiefziehen Pressen Duromerverarbeitung (insbesondere Härten) Polymerisationsverfolgung Das Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, druck- und temperaturstabile Ultraschallsensoren für betriebliche Langzeitanwendungen unter den

2 Ansprechpartner PD Dr. Ingo Alig Tel / Fax 06151/ Dr. Dirk Lellinger Tel / Fax 06151/ Bedingungen der Kunststoffverarbeitung zu entwickeln und unter Prozessbedingungen zu testen. Diese Sensoren sollen auch in Laborverfahren zur Kunststoff-Charakterisierung, z.b. zur Härtungsverfolgung, verwendbar sein. Bei den Sensoren für die Kunststoffverarbeitung handelt es sich um Longitudinalwellensysteme für einen Temperaturbereich bis zu 300 C und einem maximalen Druck bis 300 bar. Im vorliegenden Projekt sollten Sensoren entwickelt werden, die ohne externe Kühlsysteme auskommen: Einerseits würde der für eine Kühlung notwendige Aufwand den Einsatzbereich stark einschränken, andererseits wird der Prozess durch die Kühlung beeinflusst. Aus den Anforderungen im Produktionsprozess ergab sich die Notwendigkeit der Temperatur-, Druck- und Abriebfestigkeit über etwa ein Jahr. Die äußere Bauform sollte für den Einbau im Extruderkopf geeignet sein (Abb. 1). Sie ist an Hochtemperatursensoren der Firma Krautkrämer angelehnt. Die Außenmaße wurden ungeachtet des inneren Aufbaus nicht variiert. Lediglich die Länge des Sensors wurde in gewissen Grenzen variiert, um Einbaugegebenheiten berücksichtigen zu können. Abb. 1: Äußere Bauform der im Projekt entwickelten Ultraschallsensoren (in Anlehnung an Hochtemperatursensoren der Fa. Krautkrämer) Aus den genannten Konstruktionszielen ergaben sich folgende Anforderungen und Randbedingungen: Die Curietemperatur der Ultraschallwandler muss über der maximalen Einsatztemperatur liegen. Im Einsatzzeitraum (ca. 1 Jahr) dürfen keine die Betriebsfähigkeit beeinträchtigenden Alterungseffekte in den piezoelektrischen Eigenschaften auftreten. Alle akustischen Koppel- bzw. Klebeschichten dürfen bei den Einsatztemperaturen ebenfalls keine Materialermüdungs- oder Alterungserscheinungen zeigen. Die Materialauswahl des Sensorgehäuses hat so zu erfolgen, dass Druckund Abriebfestigkeit gegeben ist. Der Sensor muss so konstruiert sein, dass kein Körperschall in das den Sensor aufnehmende Gehäuseteil abgestrahlt wird. Der Sensor muss sich mit herkömmlicher Ultraschallelektronik ansteuern lassen. 51 Sensorkonstruktion Im Projektverlauf wurden verschiedene Konstruktionsarten eines Ultraschallsensors getestet: Sensoren ohne Ultraschallverzögerungsstrecke, mit einer Verzögerungsstrecke und mit zwei Verzögerungsstrecken.Am besten bewährt hat sich die Konstruktion mit einer Verzögerungsstrecke. Hierbei befindet sich zwischen dem Ultraschallwandlerelement und der Probe (Kunststoffschmelze) ein ultraschallleitendes Material. Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile:

3 Abgeschlossene Forschungsprojekte Physik Die Verzögerungsstrecke dient als mechanischer Schutz des Wandlers. Durch geeignete Materialauswahl kann die Abriebfestigkeit und die Druckfestigkeit des Ultraschallsensors gewährleistet werden. Bei elektrisch leitenden Materialien kann die Verzögerungsstrecke auch gleichzeitig zur Kontaktierung des Wandlers dienen (Massekontakt). Durch die Verzögerungsstrecke läuft der Schallimpuls bis zur Stirnfläche und wird dort teilweise reflektiert. Das reflektierte Signal kann empfangen und ausgewertet werden. Dadurch ist in gewissen Grenzen eine Kontrolle des Sensors auf seine Funktionstüchtigkeit und Ausgangsamplitude hin möglich. Das Hauptproblem bei diesem Konstruktionsprinzip ist, dass der sichere mechanische Kontakt zwischen Ultraschallwandler und Verzögerungsleitung gewährleistet werden muss. Der Übergang zwischen Wandler und Verzögerungsleitung muss den Schall möglichst gut weiterleiten. Beim Einsatz elektrisch leitender Materialien für die Ultraschallverzögerungsleitung ist es zudem vorteilhaft, wenn zwischen Wandler und Verzögerungsleitung eine elektrisch leitfähige Verbindung besteht. Somit braucht kein separater Kontakt zur Vorderseite des Wandlers hergestellt zu werden. Bei der Konstruktion musste berücksichtigt werden, dass die Abstrahlung von Körperschall möglichst vermieden werden sollte. Der vordere Teil des Sensors konnte deshalb nicht aus einem Vollprofil hergestellt werden, da sonst die Abstrahlung von Körperschall über die Dichtflächen des Sensors erfolgt wäre. Stattdessen wurde eine Lösung gefunden, bei der die Ultraschallverzögerungsleitung von vorne auf das Sensorgehäuse aufgeschraubt wird.abb. 2 zeigt eine Skizze des realisierten Ultraschallsensors. 52 Abb. 2: Zusammenbauskizze eines Ultraschallsensors mit Ultraschallverzögerungsstrecke Als Material für die Ultraschallverzögerungsleitung kamen im vorliegenden Projekt Standard-Edelstahl und Messing zum Einsatz. Edelstahl wurde wegen seiner guten Korrosionseigenschaften und der ausreichenden Abriebfestigkeit gewählt.auch weist er gute ultraschallleitende Eigenschaften (geringe Ultraschalldämpfung) auf.

4 Messing kam beim Testen von Ultraschallsensoren mit aufgelöteten Wandlern zum Einsatz, da es von Lötzinn viel besser als Edelstahl benetzt wird und damit einfacher zu belöten ist. Es weist eine größere Ultraschalldämpfung als Edelstahl auf, und Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit sind ebenfalls geringer als die von Edelstahl. Beide Materialien weisen eine hinreichende mechanische Festigkeit auf, so dass die Druckfestigkeit des Wandlers bei dem vorgesehenen Maximaldruck von 300 bar auf jeden Fall gewährleistet war. Material- und Sensortests Entscheidend für eine stabile Funktion des Ultraschallsensors ist eine sichere Verbindung des Ultraschallwandlers mit der Verzögerungsleitung. Im Projektverlauf wurden hierzu verschiedene Techniken und Materialien getestet, unter anderem Keramikkleber, leitfähige Epoxidharze, Polyimidkleber und Weichlote. Mit leitfähigem Epoxidharz wurden recht gute Resultate erzielt, allerdings versprödet der Kleber innerhalb einiger Wochen bei 300 C, so dass es zum Bruch der Verbindung und damit zum Abriss des Ultraschallwandlers von der Verzögerungsleitung kommt. Die besten Resultate wurden mit hochschmelzendem Weichlot erzielt. Hierbei wird der Ultraschallwandler auf die Verzögerungsleitung flächig aufgelötet. Als Material für die Verzögerungsleitung kam dabei Messing zum Einsatz. Ein mit dieser Technik aufgebauter Wandler wurde 100 Tage einer Temperatur von 265 C ausgesetzt. Impulsenergie [Joule] 2E-11 2E E-11 2E-12 2E-13 2E Tage bei 265 C Abb. 3: Echoenergien des ersten bis dritten Sensorechos und Abklingenergie im Verlauf des Dauertemperaturbelastungstests mit 265 C Abb. 3 zeigt den Verlauf der an einem 50 Ohm Abschlusswiderstand umgesetzten Energie des ersten, zweiten und dritten internen Echos des Sensors. Es ist zu erkennen, dass die Echoenergie (und damit auch die Echoamplitude) im Laufe der Temperaturbelastung bis zum 47.Tag zunimmt. Danach fällt sie leicht wieder ab, jedoch bleibt sie auch am 100.Tag des Temperaturbelastungstests immer noch über dem Anfangsniveau. Der Sensor hat also rund 2300 Stunden bei 265 C ohne Einschränkung seiner Funktionstüchtigkeit überstanden. Zusammenfassung Ultraschallmessverfahren können für die Qualitätskontrolle und -sicherung in der Kunststoffverarbeitungstechnik eingesetzt werden. Sie sind robust und kostengünstig und vermitteln einen Einblick in den inneren Zustand der Schmelze auch bei optisch intransparenten Materialien.Von wesentlicher Bedeutung für die breite Durchsetzung dieser Verfahren in der Produktion sind robuste und langzeitstabile Ultraschallwandler, die den bei der Kunststoffverarbeitung auftretenden Belastungen standhalten können. 53 Ziel des Forschungsvorhabens war es deshalb, Ultraschallwander herzustellen, die den typischen Einsatztemperaturen von bis zu 300 C und typischen Drücken von 300 bar widerstehen können. Dazu wurden verschiedene Bauformen realisiert, und unterschiedliche Materialien für Ultraschallwandler und Ultraschallverzögerungsleitungen getestet. Einige Materialien und Bauformen stellten sich dabei schon nach relativ kurzer Zeit als ungeeignet heraus.

5 Abgeschlossene Forschungsprojekte Physik Es konnte schließlich eine Bauform gefunden werden, die die Anforderungen bezüglich der geforderten Druckfestigkeit voll erfüllt und mit der Körperschallabstrahlung weitestgehend vermieden wird. Um die Druckfestigkeit gewährleisten zu können, wird innerhalb des Sensors eine Ultraschallverzögerungsleitung aus Metall verwendet. Entscheidend für die Funktion des Sensors ist die elektrische und mechanische Ankopplung des Ultraschallwandlers an diese Verzögerungsleitung. Hierfür wurden sowohl Klebetechniken als auch Löttechniken getestet. Es hat sich herausgestellt, dass die Verlötung von Wandler und Verzögerungsleitung mit hochschmelzendem Weichlot die am besten geeignete Verbindungstechnik ist. Ein mit dieser Verbindungstechnik aufgebauter Ultraschallsensor widerstand einer Temperaturbelastung von 265 C über einen Zeitraum knapp 100 Tagen (ca Stunden) ohne Ausfall. Die Messungen legen nahe, dass sich dieser Sensor bis zu einer Temperatur von 280 C einsetzen lässt. Der Sensor besteht aus Standardbauteilen bzw. einfach zu fertigenden Drehteilen und kann deshalb kostengünstig hergestellt werden. Damit wird die Ultraschalltechnik zur Produktüberwachung bei der Kunststoffverarbeitung für kleine und mittelständische Betriebe interessant. Sensoren nach der im Projekt entwickelten Form wurden bereits durch einen kleinen Messtechnikanwender (kmu) angewendet. Dies zeigt, dass sich für mittelständische Hersteller von Ultraschallsensoren neue Marktchancen durch die Fertigung und den Vertrieb solcher Hochtemperatursensoren eröffnen. Neben dem Einsatz der Messsysteme in der Kunststoffverarbeitung sind Ultraschallsensorsysteme für hohe Temperaturen auch für andere Industriezweige, z.b. der chemischen Industrie, von Interesse. Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi), aus dessen Haushaltsmitteln dieses Forschungsvorhaben (AiF-Nr.: N) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF) gefördert wurde. Ferner danken wir der Forschungsgesellschaft Kunststoffe e.v. für die zusätzliche finanzielle Unterstützung dieser Arbeiten. 54 Literaturverzeichnis 1 I.Alig in Handbuch der Kunststoffprüfung, Hrsg. H. Schmiedel, München,Wien: Hanser M.Petrik, Kontinuierliches Überwachen von Kunststoffschmelzen im Extrusionsprozess durch Ultraschallmessungen, Diss.RWTH Aachen R.Gendron, M.M.Dumoulin, J.Tatibouët, L.Piché and A.Hamel, Measuring On-Line Polymer Properties using an Ultrasonic Technique, Proc.ANTEC 1993, R.Gendron, L.E.Daigneault, J.Tatibouët, M.M.Dumoulin, Resident Time Distribution in Extruders determined by In-line Ultrasonic Measurements, Proc.ANTEC 1994, p R.Gendron, J.Tatibouët, J.Guèvremont, M.M.Dumoulin and L.Piché, Ultrasonic Behavior of Polymer Blends, Proc.ANTEC 1994, R.Gendron, M.M.Dumoulin, J.Tatibouët, L. Piché, Monitoring the Characteristics of Carbonate Filled Polypropylene, Polymer Processing Society, XI Annual Meeting, Manchester 5-8 April 1993, p I.Alig, D.Lellinger, R.Lamour, J.Ramthan, Inline-Monitoring mit Ultraschall, Kunststoffe 90 (2000) 5

6 Fordern Sie Ihr kostenloses Probeheft an: Näher am Thema neue verpackung Plastverarbeiter Kautschuk Gummi Kunststoffe Name, Vorname Firma Strasse/Postfach Werkstoffe Verpackungen PLZ, Ort Tel, Fax, Hüthig GmbH & Co. KG Abonnementservice Justus-von-Liebig-Str Landsberg Tel: Fax: aboservice@huethig.de D 8269 F HEFT 1 APRIL 2002 EINZELPREIS 10 EURO A L L E S, W A S W E R B E R N E R F O L G B R I N G T Nur SPECIAL für Leute, die lernen wollen wie Marketing wirklich geht. LUST+KOMMERZ