Massedrucksensor im Heißkanal: Kleine Membran, schnelle Dynamik und hohe Temperaturen richtig bewerten

Dynisco PT465XL zur dynamischen Schmelzedruckmessung an Düse und Heißkanal einer Spritzgießmaschine
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Im Spritzguss verändert sich der Schmelzedruck innerhalb weniger Sekundenbruchteile. Während Einspritzen, Umschalten und Nachdruck entstehen schnelle Druckanstiege und teilweise hohe Druckspitzen. Ein Massedrucksensor im Düsen- oder Heißkanalbereich muss diese Vorgänge reproduzierbar erfassen, obwohl an seiner Sensorspitze gleichzeitig sehr hohe Temperaturen wirken.

Die Messstelle unterscheidet sich deutlich von einer klassischen Druckmessung an einem Extruder. Im Werkzeug und im Bereich der Maschinendüse ist der Einbauraum häufig stark begrenzt. Deshalb werden kompakte Sensoren mit kleiner Membran, schlanker Sensorspitze, flexibler Kapillarleitung und geschütztem Anschlusskabel eingesetzt.

Eine kleine Membran verbessert den Zugang zur Schmelze und kann schnelle Druckänderungen gut abbilden. Sie ist jedoch empfindlicher gegenüber Montagefehlern, seitlichen Kräften, ausgehärteten Kunststoffresten und mechanischer Überlastung. Eine fachgerechte Messbohrung und die richtige Einbautiefe sind deshalb ebenso wichtig wie Messbereich, Ausgangssignal und Temperaturgrenze.

Dieser Beitrag erklärt, wie Schmelzedrucksensoren für Heißkanal, Düse und Spritzgusswerkzeug ausgewählt, montiert und zur Überwachung des Prozessfensters eingesetzt werden.

Inhaltsverzeichnis

Wo der Druck im Spritzguss gemessen werden kann

Im Spritzguss werden unterschiedliche Druckgrößen betrachtet. Sie dürfen nicht miteinander verwechselt werden.

Messstelle Gemessene Größe Typische Aussage
Hydrauliksystem der Maschine Hydraulik- beziehungsweise Einspritzdruck Belastung und Funktion des Maschinenantriebs
Maschinendüse Schmelzedruck vor dem Werkzeug Druckaufbau, Materialfluss und Reproduzierbarkeit des Einspritzvorgangs
Heißkanal Schmelzedruck innerhalb des Verteilers oder Düsenbereichs Druckverluste, Fließwiderstände und Funktion des Heißkanalsystems
Formkavität Werkzeuginnendruck beziehungsweise Kavitätsdruck Formfüllung, Nachdruckwirkung und Bauteilqualität

Ein Schmelzedrucksensor in der Maschinendüse misst nicht automatisch den tatsächlichen Druck in der Kavität. Zwischen beiden Messstellen liegen Anguss, Heißkanal, Düsen, Anschnitte und die fortschreitende Formfüllung. Jede dieser Stellen verursacht einen zeit- und materialabhängigen Druckverlust.

Für die Überwachung der Schmelze beim Eintritt in das Werkzeug ist ein Düsen- oder Heißkanalsensor sehr hilfreich. Soll dagegen das Verhalten unmittelbar im Formteil bewertet werden, wird üblicherweise ein speziell für den Werkzeuginnendruck ausgelegtes Messsystem benötigt.

Welche Informationen das Druckprofil liefert

Der einzelne Maximaldruck zeigt nur einen kleinen Teil des Prozesses. Aussagekräftiger ist der vollständige Druckverlauf über den Spritzzyklus.

Typische Abschnitte sind:

  • Druckanstieg während des Einspritzens
  • Umschaltpunkt von Geschwindigkeits- auf Druckregelung
  • Nachdruckphase
  • Druckabbau beim Erstarren und Abkühlen
  • druckfreie Phase vor dem nächsten Zyklus

Abweichungen im Druckprofil können Hinweise geben auf:

  • schwankende Materialviskosität
  • unterschiedliche Schmelzetemperaturen
  • veränderte Einspritzgeschwindigkeit
  • blockierte oder verengte Heißkanaldüsen
  • verschlissene Rückstromsperren
  • abweichende Umschaltpunkte
  • unzureichende Entlüftung des Werkzeugs

Für eine belastbare Bewertung müssen Druck, Schneckenposition, Geschwindigkeit und weitere Prozessgrößen zeitlich synchron aufgezeichnet werden. Nur so lässt sich erkennen, ob eine Druckänderung Ursache oder Folge einer anderen Prozessabweichung ist.

Warum eine kleine Membran besondere Anforderungen stellt

In Düsen und Heißkanälen steht häufig nur wenig Platz zur Verfügung. Eine kleine, möglichst bündig zur Innenkontur montierte Membran ermöglicht eine direkte Druckübertragung, ohne den Strömungskanal unnötig zu verengen.

Die kompakte Membran reagiert auf sehr kleine Volumenänderungen. Gleichzeitig kann sie empfindlich auf mechanische Einflüsse reagieren.

Kritisch sind insbesondere:

  • eine zu tiefe Messbohrung, sodass die Membran hervorsteht
  • eine zu kurze Bohrung, sodass sich vor der Membran ein Totraum bildet
  • seitliche Belastung beim Einschrauben
  • zu hohes Anzugsmoment
  • ausgehärtete Kunststoffreste in der Messbohrung
  • Reinigung mit harten oder spitzen Werkzeugen

Eine hervorstehende Membran kann unmittelbar von der Schmelzeströmung und beim Reinigen belastet werden. Eine zu weit zurückgesetzte Membran erzeugt dagegen einen kleinen Hohlraum, in dem Material stehen bleibt, altert oder erstarrt. Dadurch kann das Ansprechverhalten langsamer werden.

Die Messbohrung muss deshalb nach der Maßzeichnung des konkreten Sensormodells gefertigt und mit geeigneten Prüflehren kontrolliert werden.

Schnelle Druckanstiege und Druckspitzen erfassen

Spritzgussprozesse sind deutlich dynamischer als viele kontinuierliche Extrusionsprozesse. Der Druck kann während des Einspritzens innerhalb sehr kurzer Zeit von nahezu null auf mehrere hundert oder über tausend bar ansteigen.

Für die Erfassung solcher Vorgänge sind nicht nur die Genauigkeit des Sensors, sondern auch folgende Eigenschaften wichtig:

  • mechanische Ansprechzeit der Membran
  • Signalbandbreite von Sensor und Verstärker
  • Abtastrate des Datenerfassungssystems
  • Filtereinstellungen in Steuerung oder Software
  • zeitliche Synchronisation mit dem Maschinenzyklus

Eine sehr starke Mittelwertbildung erzeugt einen ruhigen Messwert, kann aber kurze Druckspitzen unterdrücken. Eine ungefilterte Aufzeichnung mit hoher Abtastrate kann dagegen elektrische Störungen und mechanische Schwingungen stärker sichtbar machen.

Die Filterung sollte daher zur eigentlichen Auswertung passen. Für eine reine Prozessüberwachung kann eine moderate Glättung sinnvoll sein. Für die Untersuchung von Druckspitzen, Umschaltvorgängen oder schnellen Ventilbewegungen wird eine höhere zeitliche Auflösung benötigt.

Hohe Schmelzetemperaturen und Temperaturkompensation

Die Sensorspitze steht direkt mit der heißen Kunststoffschmelze in Kontakt. Die DMS-Elektronik beziehungsweise der eigentliche Messkörper darf dieser Temperatur jedoch meist nicht dauerhaft ausgesetzt werden.

Bei klassischen Massedrucksensoren wird der Druck deshalb über eine gefüllte Kapillare von der heißen Membran zu einem thermisch entkoppelten Messglied übertragen. Die Länge und Ausführung des Schafts beziehungsweise der flexiblen Kapillarleitung schützt die empfindlichere Elektronik vor der Prozesstemperatur.

Temperatur beeinflusst die Messung dennoch. Mögliche Auswirkungen sind:

  • Nullpunktverschiebung beim Aufheizen
  • veränderte Empfindlichkeit
  • langsame Drift während der thermischen Stabilisierung
  • unterschiedliche Ausgangswerte nach Kalt- und Warmstart

Ein Nullabgleich sollte daher erst erfolgen, wenn Werkzeug, Heißkanal und Sensor einen stabilen Betriebszustand erreicht haben und kein Prozessdruck auf der Membran anliegt.

Ein Abgleich bei kaltem Werkzeug kann nach dem Aufheizen zu einer sichtbaren Nullpunktverschiebung führen. Der Sensor sollte jedoch nicht einfach bei anliegendem Restdruck auf null gesetzt werden, da der tatsächliche Prozessdruck dadurch rechnerisch ausgeblendet würde.

Messbereich und Überlastfestigkeit auswählen

Der Messbereich sollte so niedrig wie möglich, aber so hoch wie erforderlich gewählt werden. Ein zu großer Messbereich reduziert die nutzbare Auflösung für den normalen Prozessdruck. Ein zu kleiner Messbereich kann bei Druckspitzen überlastet werden.

Für die Auswahl müssen mindestens bekannt sein:

  • typischer Einspritz- beziehungsweise Schmelzedruck
  • maximal erwarteter Prozessdruck
  • kurzzeitige Druckspitzen
  • möglicher Druck bei einer blockierten Düse
  • zulässiger Überdruck des Sensors

Die Überdruckangabe darf nicht als regulärer Arbeitsbereich verwendet werden. Wiederholte Druckspitzen oberhalb des Nennmessbereichs können Membran und Übertragungsmedium dauerhaft belasten, auch wenn der Sensor nicht sofort ausfällt.

Bei stark zyklischen Prozessen ist außerdem die Ermüdungsbelastung relevant. Eine Anwendung mit tausenden oder Millionen Lastwechseln stellt andere Anforderungen als eine gelegentliche statische Druckprüfung.

Messbohrung, Einbautiefe und Montage

Die Montagequalität beeinflusst Messverhalten und Lebensdauer unmittelbar. Die Bohrung muss fluchten, sauber und frei von Graten sein. Besonders der Dichtsitz und der vordere Bereich der Messbohrung müssen der Herstellervorgabe entsprechen.

Bei der Montage sind folgende Punkte wichtig:

  1. Bohrung prüfen: Durchmesser, Tiefe, Gewinde und Dichtsitz kontrollieren.
  2. Messkanal reinigen: Kunststoffreste und Metallspäne vollständig entfernen.
  3. Sensor gerade einsetzen: Keine seitlichen Kräfte auf Spitze oder Kapillare ausüben.
  4. Kontermutter verwenden: Den Sensor entsprechend der vorgesehenen Konstruktion befestigen.
  5. Anzugsmoment beachten: Herstellerwert nicht überschreiten.
  6. Einbaulage kontrollieren: Membran bündig und ohne störenden Totraum positionieren.

Das Einschrauben über das Elektronikgehäuse oder das Verdrehen der flexiblen Kapillarleitung kann den Sensor beschädigen. Vorgesehene Schlüsselflächen und Kontermuttern müssen verwendet werden.

Bei einem Sensorwechsel sollte die vorhandene Messbohrung erneut geprüft werden. Kunststoffablagerungen oder Beschädigungen am Dichtsitz können dazu führen, dass ein neuer Sensor bereits bei der Montage falsch belastet wird.

Kapillarleitung, Kabelschutz und Elektroniktemperatur

Im Werkzeugbereich wirken nicht nur hohe Temperaturen, sondern auch Vibrationen, bewegliche Maschinenteile, Reinigungsarbeiten und enge Biegeradien.

Die flexible Leitung zwischen Sensorspitze und Elektronik darf deshalb nicht:

  • geknickt oder gequetscht werden
  • an scharfen Werkzeugkanten scheuern
  • direkt an Heizelementen anliegen
  • durch bewegliche Platten oder Auswerfer belastet werden
  • unter Zugspannung montiert sein

Der vorgeschriebene Mindestbiegeradius muss eingehalten werden. Eine enge Schleife direkt hinter der Sensorspitze kann die interne Kapillare beschädigen.

Auch das Elektronikgehäuse benötigt ausreichenden Abstand zum heißen Werkzeug. Wird die zulässige Umgebungstemperatur überschritten, können Nullpunkt, Empfindlichkeit und Lebensdauer beeinträchtigt werden, obwohl die Membrantemperatur selbst noch innerhalb der Spezifikation liegt.

mV/V, Spannung oder 4–20 mA auswählen

Klassische Massedrucksensoren liefern häufig ein mV/V-Signal einer DMS-Messbrücke. Dieses Signal benötigt einen geeigneten Messverstärker, ermöglicht aber eine direkte und schnelle Erfassung.

Ausführungen mit integriertem Verstärker liefern beispielsweise:

  • 0–5 V
  • 0–10 V
  • 4–20 mA

Ein verstärktes Signal vereinfacht die Verbindung mit SPS, Datenerfassung oder Prozessüberwachung. 4–20 mA ist bei längeren Leitungswegen besonders störsicher. Für sehr schnelle Druckverläufe müssen jedoch zusätzlich die Bandbreite des Transmitters und die Abtastrate des Analogeingangs geprüft werden.

Bei einem 4–20-mA-Sensor sollte die komplette Messkette vor der Inbetriebnahme kontrolliert werden. Mit dem UPS4E Stromschleifen-Kalibrator lassen sich SPS-Eingang, Skalierung und Leitungsfunktion prüfen beziehungsweise simulieren.

Ein Loop-Check testet jedoch nicht die mechanische Funktion der Schmelzedruckmembran. Für die Beurteilung des Sensors selbst sind Nullpunkt, Shunt-Kalibrierung und gegebenenfalls eine Druckkalibrierung erforderlich.

Prozessfenster und Zyklusüberwachung

Ein Massedrucksensor kann für jeden Spritzzyklus charakteristische Kennwerte liefern. Dazu gehören:

  • maximaler Schmelzedruck
  • Druck beim Umschaltpunkt
  • Druckintegral über Einspritz- oder Nachdruckphase
  • Druckanstiegsgeschwindigkeit
  • Zeitpunkt des Druckmaximums
  • Restdruck am Zyklusende

Aus einem stabilen Prozess werden zunächst Referenzzyklen ermittelt. Daraus lassen sich obere und untere Toleranzgrenzen ableiten. Weicht ein späterer Zyklus deutlich ab, kann das Formteil gesperrt oder der Prozess automatisch nachgeregelt werden.

Grenzwerte sollten nicht allein aus einem einzelnen Musterzyklus übernommen werden. Materialcharge, Werkzeugtemperatur, Maschinenzustand und zulässige Bauteiltoleranzen müssen berücksichtigt werden.

Besonders wertvoll ist der Trendvergleich. Eine langsam steigende Druckspitze kann beispielsweise auf zunehmende Ablagerungen, eine sich verengende Düse oder eine veränderte Materialviskosität hinweisen.

Typische Fehlerbilder richtig interpretieren

Beobachtung Mögliche Ursache Prüfung
Nullpunkt verändert sich beim Aufheizen Thermischer Einfluss oder Abgleich im kalten Zustand Thermische Stabilisierung abwarten und druckfreien Zustand prüfen
Druckprofil reagiert ungewöhnlich langsam Totraum, erstarrte Schmelze oder starke Signalfilterung Messbohrung und Datenerfassung kontrollieren
Spitze tritt nur in einzelnen Zyklen auf Prozessabweichung, elektrische Störung oder mechanischer Impuls Mit Schneckenposition und Maschinenzustand vergleichen
Sensor zeigt dauerhaft hohen Restdruck Material vor der Membran, Nullpunktfehler oder Membranbeschädigung Werkzeug sicher abkühlen und Messstelle fachgerecht prüfen
Signal fällt vollständig aus Kabelschaden, Steckverbindung, Versorgung oder Sensorbruch Elektrische Messkette und Shunt-Signal prüfen
Messwert springt bei Werkzeugbewegung Gequetschtes Kabel, lockerer Stecker oder mechanische Belastung Kabelführung und Zugentlastung kontrollieren

Reinigung, Nullpunktprüfung und Wartung

Die Membran darf nicht mit Schraubendrehern, Bohrern, Drahtbürsten oder anderen harten Werkzeugen gereinigt werden. Schon kleine Kratzer oder Verformungen können die Messung beeinträchtigen.

Kunststoffreste sollten nur mit einem vom Hersteller zugelassenen Verfahren entfernt werden. Dabei müssen Materialtyp, Reinigungstemperatur und Membranwerkstoff berücksichtigt werden.

Eine wiederkehrende Kontrolle sollte umfassen:

  • Sichtprüfung von Spitze und Gewinde
  • Kontrolle von Kabel, Schutzschlauch und Steckern
  • Nullpunktprüfung im druckfreien Zustand
  • Prüfung der internen Shunt-Kalibrierung, sofern vorhanden
  • Vergleich typischer Zykluswerte mit Referenzdaten

Die Shunt-Kalibrierung erzeugt ein elektrisches Referenzsignal und prüft einen großen Teil der Signalkette. Sie ersetzt jedoch keine vollständige Druckkalibrierung und erkennt nicht jede mechanische Beschädigung der Membran.

Praxisbeispiel: Schwankender Umschaltdruck im Heißkanal

Bei einem Mehrkavitätenwerkzeug schwankt das Formteilgewicht, obwohl Maschinenparameter und Dosierweg unverändert erscheinen. Ein Massedrucksensor im Düsenbereich zeigt, dass der Druck beim Umschalten von Einspritzgeschwindigkeit auf Nachdruck von Zyklus zu Zyklus variiert.

Zunächst wird ein Sensordefekt vermutet. Nullpunkt und Shunt-Kalibrierung sind jedoch stabil. Auch das Drucksignal verhält sich während der restlichen Zyklusphasen reproduzierbar.

Bei der gemeinsamen Auswertung von Druckverlauf und Schneckenposition zeigt sich, dass die Druckabweichung jeweils kurz vor dem Umschaltpunkt entsteht. Nach einer Kontrolle der Maschine wird eine verschlissene Rückstromsperre festgestellt.

Nach der Instandsetzung verlaufen Druckanstieg und Umschaltpunkt wieder deutlich gleichmäßiger. Gleichzeitig reduziert sich die Streuung der Formteilgewichte.

Das Beispiel zeigt, dass ein Heißkanal- oder Düsendrucksensor nicht nur einen Maximalwert liefert. Der zeitliche Verlauf kann Prozessabweichungen sichtbar machen, die anhand der eingestellten Maschinenparameter allein nicht erkennbar wären.

Welche Messgeräte / Produkte eignen sich?

In der Kategorie Sensoren für Spritzguss finden Sie Sensoren zur Messung von Schmelzedruck sowie hydraulischen Maschinen- und Einspritzdrücken.

Weitere Ausführungen für Kunststoffverarbeitung und Extrusion stehen in der Kategorie Dynisco Massedrucksensoren zur Verfügung.

Dynisco PT465XL für Düse und Heißkanal

Der Dynisco PT465XL ist speziell für die Messung des Kunststoff-Schmelzedrucks an Spritzgussdüsen und in Heißkanalanwendungen vorgesehen.

Die kompakte Ausführung mit flexibler, geschützter Leitung erleichtert den Einbau in beengten Werkzeug- und Düsenbereichen. Das mV/V-Ausgangssignal eignet sich für schnelle Messungen mit einem passenden DMS-Verstärker.

Dynisco PT4654XL mit 4–20-mA-Ausgang

Der Dynisco PT4654XL besitzt einen integrierten Messverstärker und liefert ein standardisiertes 4–20-mA-Signal.

Diese Ausführung ist besonders interessant, wenn der Schmelzedruck direkt an eine SPS, ein Prozessleitsystem oder eine industrielle Datenerfassung übertragen werden soll.

Dynisco PT467XL für besonders engen Bauraum

Der Dynisco PT467XL ist für Anwendungen mit sehr begrenzten Einbauverhältnissen ausgelegt. Seine flexibel positionierbare Kapillarleitung erleichtert die Integration in kompakte Werkzeuge und Maschinenbereiche.

Hydraulikdrucksensoren nicht mit Schmelzedrucksensoren verwechseln

Die Dynisco-Sensoren PT130, PT140, PT150 und PT160 messen den hydraulischen Druck der Spritzgussmaschine. Sie eignen sich zur Überwachung von Einspritzstößel, Hydraulik und Schließsystem, stehen jedoch nicht direkt mit der heißen Kunststoffschmelze in Kontakt.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Messbereich, Ausgangssignal, Einbaulänge und Zubehör. Für die Auslegung werden Schmelzetemperatur, erwarteter Druck, Messstelle, Gewinde, verfügbare Einbautiefe, Kabelweg und gewünschte Signalverarbeitung benötigt.

Fazit: Der Sensor muss zur Dynamik und zur Einbausituation des Heißkanals passen

Massedrucksensoren an Düse und Heißkanal erfassen schnelle Druckänderungen unmittelbar vor oder innerhalb des Werkzeugs. Sie liefern damit wichtige Informationen über Einspritzen, Umschalten, Nachdruck und die Stabilität des Spritzgussprozesses.

Die kleine Membran ermöglicht eine kompakte und dynamische Messung, reagiert aber empfindlich auf falsche Bohrungstiefe, seitliche Belastung, überhöhtes Anzugsmoment und unsachgemäße Reinigung.

Hohe Schmelzetemperaturen werden durch die Konstruktion aus Membran, Kapillare und thermisch entkoppeltem Messglied beherrscht. Trotzdem müssen Membran- und Elektroniktemperatur sowie die thermische Nullpunktverschiebung berücksichtigt werden.

Messbereich und Überlastfestigkeit müssen sowohl zum normalen Prozessdruck als auch zu möglichen Druckspitzen passen. Für die Prozessanalyse sind außerdem Signalbandbreite, Abtastrate und Filterung entscheidend.

Die zuverlässigste Messstelle entsteht, wenn Sensor, Messbohrung, Kabelweg, Ausgangssignal und Datenerfassung bereits bei der Werkzeugplanung gemeinsam festgelegt werden.

Häufige Fragen zu Massedrucksensoren im Heißkanal

Was misst ein Massedrucksensor im Heißkanal?

Er misst den Druck der Kunststoffschmelze im Heißkanal, an der Düse oder unmittelbar vor dem Eintritt in das Werkzeug.

Ist Schmelzedruck dasselbe wie Werkzeuginnendruck?

Nein. Zwischen Heißkanal beziehungsweise Düse und Kavität entstehen Druckverluste. Der Kavitätsdruck wird an einer eigenen Messstelle im Formnest erfasst.

Warum ist eine kleine Membran empfindlich?

Sie kann durch falsche Einbautiefe, seitliche Kräfte, harte Kunststoffreste oder unsachgemäße Reinigung leichter mechanisch belastet werden.

Warum wandert der Nullpunkt beim Aufheizen?

Temperaturänderungen beeinflussen Membran, Übertragungsmedium und Messglied. Der Nullpunkt sollte erst nach thermischer Stabilisierung und bei druckfreier Messstelle geprüft werden.

Wie hoch sollte der Messbereich gewählt werden?

Er sollte den normalen Prozessdruck mit ausreichender Reserve für realistische Druckspitzen abdecken, aber nicht unnötig groß gewählt werden.

Kann ein Sensor mit 4–20 mA schnelle Druckspitzen messen?

Grundsätzlich ja, sofern Sensorbandbreite, Ausgangsstufe, SPS-Eingang und Abtastrate ausreichend schnell sind. Das Standardsignal allein garantiert keine bestimmte Dynamik.

Was prüft die interne Shunt-Kalibrierung?

Sie erzeugt ein definiertes elektrisches Referenzsignal und prüft Sensorbrücke, Kabel und Auswertung. Die mechanische Membranfunktion wird damit nicht vollständig geprüft.

Darf die Membran mit einem Werkzeug gereinigt werden?

Nein. Harte oder spitze Werkzeuge können die Membran verkratzen oder verformen. Es darf nur ein geeignetes, herstellerseitig freigegebenes Reinigungsverfahren verwendet werden.

Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?

Benötigt werden Messstelle, Schmelzetemperatur, normaler und maximaler Druck, Messbohrung, Gewinde, Einbaulänge, verfügbarer Bauraum, Ausgangssignal und Anforderungen an die zeitliche Auflösung.

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