Einspritzeinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzeinheit für eine Kunststoff-Spritzgießmaschine .

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass ein ein- oder mehrstofflich zusammengesetztes Kunststoffgranulat in einer Einspritzeinheit aufbereitet bzw. verarbeitungsfertig erschmolzen und unter einem Druck von bis zu 2000 bar in ein in einer Schließeinheit angeordnetes Werkzeug eingespritzt wird. Kernstück einer Einspritzeinheit ist eine Schneckenwelle bzw. Schnecke, die drehbar in einem Schneckenzylinder angeordnet ist, wobei ein Außendurchmesser der Schneckenwelle im Wesentlichen einem Innendurchmesser des Schneckenzylinders entspricht. Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen wird in der Regel eine sogenannte Dreizonenschnecke verwendet. Durch diese einstückig ausgebildete Schneckenwelle wird das Fördergut vom Kunststoffgranulat-Einzug von einem mit zu verarbeitendem Kunststoffgranulat gefüllten Trichter in einem hinteren Bereich des Schneckenzylinders, dem sogenannten Füllblock, in eine nächste Zone, die sogenannte Kompressionszone, gefördert, wo der Kunststoff plastifiziert und verdichtet sowie entgast wird. Von einem ersten Antrieb gedreht, rotiert die Schneckenwelle im Schneckenzylinder und transportiert das Granulat vorwärts. Durch innere Reibung und/oder externe Erwärmung über am Schneckenzylinder angeordnete Heizbänder wird das Granulat erschmolzen, entgast und plastifiziert . Die Schmelze wird dann in einer sog. Meteringszone homogenisiert und schließlich durch eine Rückstromsperre innerhalb des Schneckenzylinders vor die Schneckenwelle gedrückt. Dabei bewegt sich die Schneckenwelle als Folge des zunehmenden internen Staudrucks im Schneckenzylinder axial nach hinten, wobei unter Aufrechterhaltung des Staudrucks keine Formmasse aus der

Spitze der Einspritzeinheit herausfließt. An der Spitze des Schneckenzylinders befindet sich eine Düse, die einen übergang von der Einspritzeinheit zum Werkzeug darstellt.

In dem im Folgenden betrachteten Fall eines diskontinuierlich arbeitenden Spritzgussverfahrens werden feste Arbeitszyklen von grundsatzlich gleichem Aufbau und überwachung durch eine Steuereinheit wiederholt durchlaufen. Zu Beginn eines jeden Arbeitszyklus muss in der Einspritzeinheit im Bereich der Spitze des Schneckenzylinders ein vorbestimmtes Volumen an homogenisierter Formmasse zur Verfugung stehen. Zunächst wird das Werkzeug durch die Schließeinheit geschlossen und die Einspritzeinheit über einen motorischen Antrieb an das Werkzeug herangefahren. Danach wird die Formmasse unter Beaufschlagung mit dem sogenannten Spritzdruck in das Werkzeug eingespritzt. Nach einer ca. 90 - 98%igen Teilfullung innerhalb des Werkzeuges wird bei erheblicher Druckabsenkung in der Einspritzeinheit von Spritzdruck auf den sogenannten Nachdruck innerhalb von nur ca. 50 ms bis etwa 100 ms umgeschaltet. Dabei muss im Schneckenzylinder noch ein sogenanntes Restmassenpolster vorhanden sein, um den Druck auf die in das Werkzeug eingespritzte Masse auswirken zu können und um zudem einen durch Abkühlung im Werkzeug hervorgerufenen Volumenschwund ausgleichen zu können. Die Ruckstromsperre verhindert beim Einspritzen und Nachdrucken der verarbeitungsfertigen Formmasse, dass das Massenvolumen von einem Bereich vor der Schnecke zurück in die Schneckengange fließt. So fungiert die Schneckenwelle im Schneckenzylinder als Kolben, der in axialer Richtung durch einen weiteren separaten Antrieb bewegt wird.

Je nach Ausfuhrungsform weisen Einspritzeinheiten der vorstehend beschriebenen Art drei und mehr Antriebseinheiten auf, wobei die elektromotorischen Antriebseinheiten jeweils unter Einsatz eigener Frequenzumsetzerschaltungen angesteuert wer-

den. Dabei weisen bekannte Maschinen sehr große bewegte Massen auf, die bei schnellen Drehzahl- und/oder Druckwechseln unter entsprechend hohem, zusätzlichem Energieaufwand durch zusätzliche Einrichtungen abgebremst werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einspritzeinheit der eingangs genannten Art unter Verbesserung ihres Wirkungsgrades weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Einspritzeinheit dadurch aus, dass eine Antriebseinheit der Einspritzeinheit mindestens eine schalt-, Steuer- oder regelbare Kupplung zur Ankopplung eines Motors an mindestens ein Funktionselement der Einspritzeinheit aufweist. Erst durch eine erfindungsgemäße Entkopplung einer Antriebseinheit von einer Funktionseinheit innerhalb einer Einspritzeinheit ist eine wesentliche Senkung der Massenträgheit zum schnellen und im Wesentlichen überschwingungsfreien Umschalten von Funktionseinheiten effektiv realisierbar. Daher können in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen zum aktiven Abbremsen von Funktionseinheiten reduziert oder sogar ganz gestrichen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist durch mindestens eine schalt-, Steuer- oder regelbare Kupplung eine Trennung zwischen einer Antriebseinheit und der Spindel der Einspritzeinheit vorgesehen. Damit entfällt das bislang vorhandene große Massenträgheitsmoment einer derartigen Anordnung insbesondere beim Abbremsen. In bekannten Vorrichtungen mussten dagegen immer die Motoren mit abgebremst werden, die als

Synchron- oder Reluktanzmotoren in den geforderten Leistungsklassen ein erhebliches Gewicht aufweisen. Mithin entfällt in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auch ein wesentlicher Teil, der in bekannten Vorrichtungen eine wesentliche Beschränkung der Dynamik eines Gesamtsystems bewirkt hat.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Einspritzeinheit eine Antriebseinheit mit nur noch einem Elektromotor mit zugeordneter elektrischer Versorgungseinheit mit Frequenzumrichtung sowie Kühlung auf. Zur Betätigung aller innerhalb eines Spritzguss-Arbeitszyklus erforderlichen Funktionseinheiten sind drei schaltbare Kupplungen vorgesehen. Schaltbare Kupplungen werden heute in unterschiedlichsten Ausführungsformen in großen Stückzahlen eingesetzt, beispielsweise in Automatikgetrieben. Durch ihre weite Verbreitung sind schaltbare Kupplungen auch mit hohen Anforderungen und langen Standzeiten in der Anschaffung wesentlich preiswerter als Frequenzumsetzer und über diese gespeiste E- lektromotoren . Zudem vereinfachen neue Technologien eine Ansteuerung von variablen Kupplungen erheblich.

Vorzugsweise werden die erforderlichen Leistungshalbleiter bzw. IGBT sowie Ansteuereinheiten an dem Elektromotor so angeordnet, dass der Kühlkreislauf von Motor und Leistungsteil gemeinsam genutzt wird. Ein elektrischer Zwischenkreis mit entsprechenden Einschaltdrosseln, Gleichrichtereinrichtungen sowie Pufferkondensatoren befindet sich in einem Schaltschrank unter räumlicher Trennung von den Leistungshalbleitern und der Ansteuerungselektronik. Durch diese räumliche Distanz wird das Problem einer elektromagnetischen Verträglichkeit gemildert. Es wird weiterhin bevorzugt, die Heizbänder aus dem Zwischenkreis zu speisen und so als Bremswiderstände für den elektrischen Antrieb zu nutzen. So sind separate Bremswiderstände o- der Rückspeiselösungen überflüssig.

Durch Umsetzung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich alle Bewegungen bzw. Funktionen einer Antriebseinheit mit nur einem Motor realisieren, wobei die Einsparung weiterer Motoren und zugehöriger Frequenzumsetzer eine erhebliche Kostenreduktion bewirkt. Auch wird eine elektromagnetische Störstrahlung durch effektive Senkung der Anzahl möglicher Störquellen begrenzt.

Schaltbare Kupplungen sind Stand der Technik und werden in vielfältigsten Formen angewendet. In Verbindung mit neuen Technologien sind derartige Elemente wesentlich kostengünstiger als Motore und Frequenzumrichter. Das Design der Kupplungen lässt sich einfach in das Gesamtkonzept einer Einspritzeinheit integrieren.

Durch die Trennung der kunststoffbeeinflussenden Komponenten vom Antrieb, also im Wesentlichen der Schnecke vom Rotor, lassen sich wesentlich geringere Masseträgheitsmomente während der Umschaltphase von Spritzdruck auf Nachdruck realisieren. Damit wird ein Spritzdruckanstieg bei druckabhängiger Umschal- tung von Spritzdruck auf Nachdruck vermieden. Hohe negative Druckgradienten sind nur durch das aktive Abbremsen der Spindel und Schnecke möglich, während der Motor langsamer abbremst. Magnetisch gesteuerte Kupplungen reagieren von 0 auf 100 % im Millisekundenbereich. Die vorgeschlagene Lösung ermöglicht die Funktion des schnellen Einspritzens. Auch in diesem Fall wird die Entkopplung von Antrieb, Mutter und Spindel ausgenutzt .

In einem ersten Schritt wird der Motor auf Maximaldrehzahl hochgefahren, die damit speicherbare kinetische Energie wächst mit dem Quadrat der Drehzahl n:

W = J/2 * (2 * π * n) ²

Eine Verdopplung der Drehzahl n bewirkt also eine Vervierfachung der gespeicherten Energie W. Für eine mit schalt-, Steuer- oder regelbaren Kupplungen ausgerüstete Maschine sind größere Massetragheiten ohne den Nachteil geringerer Dynamik also vorteilhaft. In einem zweiten Schritt werden Mutter und Rotor und die Spindel durch Blockierung über eine Kupplung verbunden. Die Spritzenergie wird aus der rotierenden Masse und dem Motor entnommen, der wahrend diesem kurzen Zeitraum von t < Is mit dreifacher überlast betrieben werden kann. Werden die Stutzkondensatoren im Zwischenkreis in einem Schaltschrank entsprechend dimensioniert, können die Netzruckwirkungen in Form von Spannungseinbruchen durch Uberstrom etc. minimiert oder sogar weitgehend ausgeschlossen werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispieles mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen :

Figur 1: eine schematisierte Schnittzeichnung einer erfin- dungsgemaßen Antriebseinheit einer Einspritzeinheit mit einem Elektromotor und drei schaltbaren Kupplungen;

Figur 2: einen skizzierten Schaltkreis zur Staudruckregelung im Schritt der Dosierung;

Figur 3: ein Blockschaltbild zur Darstellung von Zwischenkreis und Kühlung;

Figur 4: eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsge- maßen Einspritzeinheit mit zugehöriger Elektronik und

Figur 5: eine skizzierte Seitenansicht einer Spritzgießmaschine unter Einsatz der Einspritzeinheit von Figur 1.

Nachfolgend werden über die verschiedenen Abbildungen hinweg einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Teile, Funktions- oder Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet werden.

Figur 1 stellt eine schematisierte Schnittzeichnung einer er- findungsgemaßen Antriebseinheit 1 einer Einspritzeinheit 2 dar. Eine durch die Antriebseinheit 1 bewegte Plastifizierein- heit 3 ist aus Gründen der übersichtlichkeit in der Zeichnung ebenso wenig dargestellt wie eine Schließeinheit mit darin befindlicher Form.

Die Antriebseinheit 1 weist einen als Synchronmaschine ausgebildeten Elektromotor 4 mit einer Statorwicklung 5 und einem als Hohlwelle 6 ausgebildeten und mit Permanentmagneten 7 besetzten Laufer 8. Auf der Hohlwelle 6 sind insgesamt drei schalt- Steuer- oder regelbare Kupplungen 10, 11 und 12 angeordnet, über die der Elektromotor 3 als Antriebsmaschine an verschiedene Funktionseinheiten zum Betreiben der Einspritzeinheit 2 zu bestimmten Zeitpunkten innerhalb eines Arbeitszyklus angekoppelt wird. Hierzu ist in der Hohlwelle 6 eine Keilwelle 14 zur axialen Verschiebung auf einer Spindel 15 vorgesehen, wobei die Spindel 15 mit einer Mutter 16 zur übertragung einer Rotationsbewegung in Eingriff steht. Ferner sind Verfahr- und Haltespindeln 18 einer Dusenanlage 19 vorgesehen, deren Regelung im Zusammenspiel mit Drucksensoren 20 erfolgt, die im Bereich der Mutter 16 angeordnet sind.

Als Teilschritte eines geschlossenen und in dieser Form für jedes Werkstuck zu wiederholen sind in einem Arbeitszyklus zu nennen :

Vorbereitung: Schließen der Form durch Schließeinheit;

1. Plastifiziereinheit 3 an eine Form anfahren;

2. Einspritzen mit abschließendem Zurückziehen der Schneckenwelle in der Plastifiziereinheit 3;

3. Dosieren der Formmasse in der Plastifiziereinheit 3;

4. Abfahren der Plastifiziereinheit 3 von der Form; Abschluss: Offnen der Form durch Schließeinheit und Entnahme des erstarrten Spritzgutes.

Zu 1. Dusenbewegung als translatorische Bewegung der Dusenan- lage 19:

über die zweite Kupplung 11 werden die Verfahr-Spindeln 18 der Dusenanlage 19 aktiviert. Zur Bewegung der Dusenanlage muss der Motor 4 dagegen in Gegenuhrzeigerrichtung drehen. Die Plastifiziereinheit 3 wird entsprechend an die Form anfahren.

Zu 2. Einspritzen

Die in der Keilwelle 14 gelagerte Spindel 15 wird durch die Nutmutter 16 und die dritte Kupplung 12 blockiert. Dabei wirkt die rechte Seite der Kupplung 12 als Bremse. Der Rotor 8 wird über die erste Kupplung 10 mit der drehbar gelagerten Mutter 16 verbunden. Die Spindel 15 wird durch die Nutmutter 16 und die dritte Kupplung 12 blockiert. Der Motor 4 dreht zum Antrieb der so geschalteten Einheit im Linkslauf.

Zu 3. Dosieren

Zum Dosieren der homogenisierten Formmasse sind die Schneckenwelle der Plastifiziereinheit 3 und die Spindel 15 über die Keilwelle 14 und die Kupplung 12 mit dem Rotor 8 verbunden. Die Mutter 16 ist über die Kupplung 10 mit dem Rotor 8 verbun-

den. Die Schnecke und die Mutter 16 drehen gegen die Uhrzeigerrichtung zum Dosieren der homogenisierten Formmasse in dem Schneckenzylinder der Plastifiziereinheit 3 mit maximalem Staudruck. Bei konstanter Motordrehzahl und unabhängig von einem angeforderten Moment wird die Drehzahl der Mutter 16 für einen konstant bleibenden Staudruck geregelt. Dabei wird die Größe des Staudrucks von einem Bediener als Sollwert über einen großen Bereich hinweg frei vorgegeben.

Unter drehender Förderbewegung wird dabei die Schneckenwelle innerhalb des Schneckenzylinders der Plastifiziereinheit 3 zurückbewegt, um Stauraum für die homogenisierte Formmasse zwischen Düse und Rückflusssperre zu schaffen. Die Drehzahl der Mutter 16 wird durch einen geschlossenen Regelkreis stabilisiert, wobei der Staudruck als Sollwert dient und der Drucksensor 20 einen Ist-Wert für einen Regler liefert. Das Stellglied ist die Kupplung 10, wo der Regler zwischen Bremsen und Antrieb hin und her schaltet. Der Motor 4 dreht im Rechtslauf. Dieses Regelverfahren und der zugehörige Regelkreis sind in der Abbildung von Figur 2 schematisch wiedergegeben.

Zu 4. Düsenbewegung zur Düsenanlage, Düsenabhub: Zum Düsenabhub muss der Motor 4 hingegen in Uhrzeigerrichtung drehen, also im Rechtslauf, wie beim vorangehenden Dosieren. Bei Düsenabhub werden die beiden Spindeln 18 durch Aktivierung der Kupplung 11 als Zuganker gegenläufig in Drehung versetzt. Zugleich wird die Schneckenwelle innerhalb der Plastifizie- reinheit 3 zurückgezogen, um ein Nachlaufen von Formmasse aus dem Schneckenzylinder heraus zu verhindern.

Mit dem Düsenabhub wird u.a. bezweckt, dass durch eine eingeleitete Abkühlung der Form zur Beschleunigung eines Erstarrens des Werkstücks nicht auch die homogenisierte und als Restpolstermasse im Bereich der Düse der Plastifiziereinheit 3 ver-

bliebene Formmasse erstarrt. Ein Spalt von ca. 2 mm reicht bereits als thermische Isolation aus, um diesen unerwünschten Effekt zu unterbinden. Für einen Wechsel einer Düse an einer Plastifiziereinheit 3 ist jedoch ein Verfahrweg von ca. 200 bis 300 mm erforderlich. Bei derartigen Vorgängen muss ausreichend Platz für einen Werkzeugeinsatz vorhanden sein.

Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung des elektrischen Zwischenkreises und der Kühlung einer Spritzgießmaschine unter Einsatz einer Einspritzeinheit 2 mit einem Antrieb 1 gemäß Figur 1. Die Entkopplung des Antriebsmotors 4 innerhalb der Einheit 1 von den Verfahrenselementen der Spritzgießmaschine durch schalt- oder regelbare Kupplungen 10, 11, 12 macht nur noch den Einsatz eines einzigen Motors 4 erforderlich. Folglich wird auch die Anzahl von Leistungszwischenkreisen und Frequenzumsetzer-Steuerungen mit zugehörigen und in den Leistungshalbleiter-Sätzen verwendeten IGBTs entsprechend reduziert. Eine Programmierung und fortlaufende Steuerung der Spritzgießmaschine wird von einem Eingabe-Terminal E vorgenommen und unter Verwendung einer programmierbaren Logik PLC umgesetzt sowie über einen Bus B an die Steuerelemente weitergeleitet. Die noch erforderlichen IGBTs und die Ansteuereinheit werden an dem Motor 4 so befestigt, dass zum Abtransport einer Verlustwärme A der Kühlkreislauf von Motor 4 und dem im Wesentlichen aus IGBTs und Ansteuerung bestehenden Leistungsteil gemeinsam genutzt wird. Dagegen befindet sich ein mit Drehstrom gespeister Zwischenkreis mit Einschaltdrossel D, Gleichrichtung, Pufferkondensatoren C u.a. Bauteilen unter räumlicher Trennung vor allem von den IGBTs und der Ansteuerelektronik in einem eigenen Schaltschrank.

Im Gegensatz zu bekannten Spritzgießmaschinen werden die Heizbänder aus dem Zwischenkreis gespeist, also mit Gleichstrom. Diese Maßnahme macht Bremswiderstände, wie sie für den Antrieb

in bekannten Vorrichtungen zusätzlich erforderlich sind, oder sonstige Rückspeisungslösungen in der vorliegenden Ausführungsform überflüssig.

Figur 4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Einspritzeinheit 2 aus Antriebseinheit 1 und Plastifiziereinheit 3 mit zugehöriger Elektronik als Entwurfszeichnung mit Befestigungspunkten a, b, c. Die Elektronik der Plastifiziereinheit 3 ist im Bereich der Plastifiziereinheit 3 angeordnet, die Ansteuerelektronik der Antriebseinheit 1 mit einem Frequenzumrichter auf Basis von IGBTs und Impulsbreiten- ansteuerung sind hier als komplette Ansteuerung an dem Motor 4 unter Nutzung des gleichen Kühlkreislaufes gefestigt. Der vorgeschlagene Aufbau bewirkt eine Reduzierung der Kühlkreisläufe auf mindestens die Hälfte des momentan bekannten Aufwandes. Der elektrische Zwischenkreis befindet sich davon separiert in einem EMV-sicheren Schaltschrank.

Figur 5 zeigt eine skizzierte Seitenansicht einer vollständigen Spritzgießmaschine unter Einsatz einer Einspritzeinheit 2 mit einem Antrieb 1 gemäß Figur 1. Der dargestellte Aufbau ist auf einer Montageplattform von nur 300 mm Breite realisierbar. Dabei ist der Aufbau von beiden Seiten ohne wesentliche Einschränkungen voll zugänglich.

Bezugszeichenliste

1 Antriebseinheit

2 Einspritzeinheit

3 Plastifiziereinheit

4 Elektromotor

5 Statorwicklung

6 Hohlwelle

7 Permanentmagnet

8 Läufer / Rotor

10 erste Kupplung

11 zweite Kupplung

12 dritte Kupplung

13

14 Keilwelle

15 Spindel

16 Mutter

17

18 Verfahr- und Haltespindeln

19 Düsenanlage

20 Drucksensor

21

22 Elektronik Plastifiziereinheit 3

23 Elektronik Antriebseinheit 1

PLC programmierbare Logik

A Abwärme

D Drossel

C Kondensator-/Glättungseinheit

B Bus

E Eingabe-Terminal a Befestigungspunkt b Befestigungspunkt

C Befestigungspunkt

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