Beschreibung

Elektrisches Einspritzaggregat für eine Spritzgießmaschine

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Einspritzaggregat für eine Spritzgießmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Aus dem Stand der Technik allgemein bekannt sind Einspritzaggregate für Spritzgießmaschinen. Eine überholte Einspritzeinrichtung ist in der US 2,367,204 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird ein Kunststoffmaterial in einem Trichter eingefüllt und durch Zufuhr von Wärme aufgeschmolzen. Zum Einbringen der Schmelze in eine Form drücken zwei alternierend hin- und her bewegte Kolben die Schmelze in Richtung des Formwerkzeugs. Die Kolben sind mittels eines Exzenters beaufschlagt, der eine Freilauf in eine Drehrichtung aufweist.

[0003] Bei anderen Einspritzaggregaten wird ein Kunststoffausgangsmaterial (Granulat oder Pulver) in einer Plastifiziereinheit durch Drehen einer Plastifizier- schnecke aufgeschmolzen und die Kunststoffschmelze anschließend durch die kolbenartig betätigte Plastifizierschnecke in die Kavität eines Formwerkzeugs eingespritzt. Evtl. kann das Aufschmelzen auch anderweitig vorgenommen werden. In den meisten Fällen kann diese Schnecke dabei axial bewegt werden, so dass sich das während der Plastifizierung im Schneckenvorraum ansammelnde Ausgangsmaterial durch einen Einspritzhub beim Nachvomedrücken der Schnecke in die vorbesagte Kavität überführt wird.

[0004] Bei solchen Plastifizier- und Einspritzeinheiten ist auch die Verwendung eines Kurbeltriebs zur Durchführung der Einspritzung bekannt. So ist in der Deutschen Patentschrift 1 091 744 eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein mittels einer Motor-Getriebe-Kombination angetriebener Exzenter über ein Hebelwerk die axiale Bewegung eines Plastifizier- und Einspritzschnecke realisiert. In der DE 198 09 014 A1 ist ein Doppelkurbeltrieb ebenfalls zum axialen Vorschub einer Plastifizierschnecke eingesetzt. In diesem Fall greift jedoch eine erste Lasche an einer umlaufenden ersten Kurbel und eine

zweite Lasche an einer gegensinnig zur ersten Kurbel umlaufenden zweiten Kurbel an. Die WO 01/85429 A1 beschreibt wiederum eine Spritzgießvorrichtung, bei der über einen motorisch angetriebenen Exzenter der axiale Vorschub einer Plastifizierschnecke bestimmt wird.

[0005] Es gibt jedoch auch Einspritzeinheiten für Spritzgießmaschinen, bei denen die Einrichtung für die Plastifizierung getrennt ist von der Einspritzeinrichtung. In diesem Fall erfolgt das Aufschmelzen des Ausgangsmaterials in einem vorgeschalteten Schritt, beispielsweise in einem Extruder. Vom Extruder wird das Material dann beispielsweise einer Kolben-Zylinder-Einheit zugeführt, von der es in die Kavität eingebracht wird. Auch bei dieser Konstruktion sind verschiedene Ausgestaltungen möglich, so kann die Plasti- fiziereinheit in Form eines Ein-Wellen-Extruders oder eines Zwei-Wellen- Extruders ausgestaltet sein. Sodann können nach dem Extruder Speichereinrichtungen vorgesehen sein, in denen das Schmelzematerial zeitweise angesammelt werden kann, so dass beispielsweise bei einer diskontinuierlich arbeitenden Spritzgießmaschine der Extruder kontinuierlich betrieben werden kann, und während des Einspritzvorganges das im Extruder aufgeschmolzene Material zwischenspeicherbar ist.

[0006] Da eine solche getrennte Einheit - insbesondere mit einem Zwei-Wellen-Extruder - auch zum Compoundieren von Material verwendet werden kann, wird in diesem Zusammenhang oftmals auch von Spritzgieß-Compoundem gesprochen. Ein Beispiel eines solchen Spritzgieß-Compounders ist in der DE 101 56 522 dargestellt, wobei hier die Speichereinrichtung in der Plasti- fiziereinrichtung integriert ist.

[0007] Bislang wird die Kolben-Zylinder-Einrichtung (nachfolgend auch als Shot-Pot bezeichnet) in der Regel hydraulisch angetrieben.

[0008] In den letzten Jahren ist jedoch vermehrt der Ruf nach vollelektrischen Maschinen laut geworden. Solchen Maschinen wird eine reduzierte Leistungsaufnahme wie auch eine gute Wiederholgenauigkeit während des

zyklischen Betriebs nachgesagt.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom vorgenannten

Stand der Technik ein vollelektrisches Einspritzaggregat für einen Spritzgieß- Compounder zu schaffen.

[0010] Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0011] Ausgegangen wird dabei vom Grundprinzip einer nach Plastifizierung und Einspritzung geteilten Einspritzeinrichtung. Insofern ist zunächst eine Plas- tifiziereinheit zur Erzeugung der Materialschmelze vorgesehen. Diese Plas- tifiziereinheit wird mittels einer Antriebseinrichtung, vorzugsweise einer elektrischen Antriebseinrichtung drehangetrieben. Als elektrische Antriebseinrichtung eignet sich ein elektrischer Motor, der entweder unmittelbar und ohne Zwischenschaltung eines Getriebes mit der Plastifizierschnecke verbunden sein kann (z. B. High-Torque-Motor) oder aber über Zwischenschaltung eines Getriebes mit der oder den Plastifizierschnecken verbunden ist.

[0012] Zudem ist eine Kolben-Zylinder-Einspritzeinrichtung vorgesehen, die mit der Plastifiziereinheit in Strömungsverbindung steht oder bringbar ist und von dieser die Materialschmelze erhält.

[0013] Der Kolben in der Kolben-Zylinder-Einrichtung ist vor und zurück bewegbar, wobei sich beim Zurϋckbewegen des Kolbens die Kunststoffschmelze im Zylinder ansammeln kann. Durch das Nachvomeschieben des Kolbens kann dann die Schmelze in die Kavität eines nicht dargestellten Werkzeugs einer Schließeinheit überführt werden.

[0014] Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, dass die Kolben-Zylinder-Einspritzeinrichtung ebenfalls elektrisch antreibbar ist, und zwar über eine Doppelkurbeleinrichtung, die über zumindest eine Verbindungslasche erster Art mittelbar oder unmittelbar mit dem Kolben in Verbindung steht und diesen hin- und herbewegen kann. Die Doppelkurbeleinrichtung ist

mit dem Elektromotor verbunden, der sie antreibt.

[0015] Die Kurbeleinrichtung an sich gestattet bei entsprechendem Betrieb eine kraftoptimale Umsetzung des Drehantriebs in eine Linearbewegung. Dabei wird beispielsweise auf ein Prinzip zurückgegriffen, wie es in der DE 203 14443 U1 bereits für die Schließeinrichtung angesprochen ist.

[0016] Bei der Doppelkurbeleinrichtung kann gegenüber der normalen Kurbeleinrichtung der Hub verdoppelt werden. Dafür ist zusätzlich zur Verbindungslasche erster Art eine Verbindungslasche zweiter Art vorgesehen, wobei die Verbindungslasche erster Art eine mittelbare oder unmittelbare Verbindung zwischen dem Kurbelantrieb und dem Kolben und die Verbindungslasche zweiter Art die Verbindung zwischen dem Kurbelantrieb und einer Abstützeinrichtung herstellt. In diesem Fall muss die Kurbeleinrichtung natürlich auch hin- und herbeweglich ausgeführt sein, wobei sie vorzugsmäßig auf einer Gleiteinrichtung auf einem Maschinenbett angeordnet ist.

[0017] Es hat sich zudem noch als vorteilhaft erwiesen, zwischen der Verbindungslasche erster Art und dem Einspritzkolben eine dazwischengeschaltete Einspritzplatte anzuordnen, die zusammen mit dem Kolben hin und her verschieblich auf dem Maschinenbett aufgenommen ist. Der Kolben wird in diesem Fall an der Einspritzplatte abgestützt. Auf der anderen Seite der Einspritzplatte ist die Verbindungslasche erster Art angelenkt.

[0018] Auch die Einspritzplatte kann sich auf einer Gleiteinrichtung des vorgenannt bereits erwähnten Maschinenrahmens bewegen. Um eine in sich stabile Einheit herzustellen, die keinerlei Zug-, Torsions- oder Dehnungskräfte auf den Maschinenrahmen überträgt, können zwischen dem Zylinder, der Einspritzeinrichtung und der vorgenannten Abstützeinrichtung Zugelemente - beispielsweise Zugholme - vorgesehen sein, wie sie auch aus dem Bereich der Schließeinheiten bekannt sind. Der Zylinder der Einspritzeinrichtung kann dabei an einer Platte befestigt sein, wobei dann die Platte zum Befestigen

der Zugholme dient.

[0019] Die Kurbeleinrichtung kann eine oder mehrere Kurbel oder Kurbelscheiben besitzen, die mittels des Antriebs drehangetrieben ist. Die Verbindungslaschen entweder erster oder zweiter Art, von denen ebenfalls ein oder mehrere parallel zueinander angeordnete Exemplare vorgesehen sein können, sind dann exzentrisch an der Kurbel oder der Kurbelscheibe angelenkt. Ist eine Doppelkurbeleinrichtung vorgesehen, so können die beiden Kurbellaschen mit gleicher Exzentrizität diametral gegenüberliegend an der Kurbelscheibe angelenkt sein.

[0020] Es hat sich bei den Untersuchungen ergeben, dass bei einer Verdrehung der Kurbelscheibe um einen Winkel von etwa 120° die Verfahrgeschwindigkeit des Kolbens über die ersten 90° im wesentlichen konstant bleibt. Lediglich bei den letzten 30° der Drehbewegung wird der Kolben bezüglich seiner Vorschubgeschwindigkeit langsamer. Allerdings erhöht sich hierbei auch das übertragbare Moment bzw. die übertragbare Kraft. Um diesen Umstand auszunutzen, sollten die Verbindungslaschen so an der Kurbelscheibe angeordnet sein, dass eine Verdrehung der Kurbelscheibe um insgesamt ca. 120° möglich ist.

[0021] Der Kurbeltrieb besitzt zudem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein parallel zur Kurbelscheibe ausgerichtetes und mit diesem fest verbundenes Zahnrad, welches mit dem Antriebsmotor in Eingriff steht. So kann auf der Abtriebswelle des Antriebsmotors beispielsweise eine Getriebe-Schnecke angeordnet sein, die mit dem Zahnrad in Eingriff steht. Auf diese Art und Weise lassen sich auch große Kräfte bzw. Momente über den Kurbeltrieb erzeugen. Alternativ kann natürlich auch ein High-Torque-Motor integral mit dem Kurbeltrieb vorgesehen werden, wobei man dann auf ein Getriebe verzichten kann.

[0022] Vorteilhaft bei der vorliegenden Konstruktion ist die vollelektrische Ausbildung des Einspritzaggregats sowohl im Bereich der Plastifiziereinheit wie

auch im Bereich der Kolben-Zylinder-Einspritzeinrichtung. Da die Kraftübertragung beispielsweise über den Doppelkurbelantrieb erfolgt, kann über den anfänglichen Verfahrbereich des Kolbens eine relativ konstante Verfahrgeschwindigkeit erreicht werden. Im Endbereich des Kolbens verlangsamt sich die Fahrgeschwindigkeit. Jedoch erhöht sich die Einspritzkraft.

[0023] Die Einspritzgeschwindigkeit kann insbesondere über die Drehzahl des Antriebsmotors geregelt werden, wird der Einspritz- und Staudruck mittels eines Sensors aufgenommen, so kann dieses Signal auch in die Regelung einbezogen werden. Insgesamt können so über etwa 75 % des Einspritzweges ein linearer Geschwindigkeitsverlauf für den Kolben mit einer Kraftverstärkung am Hubende erreicht werden. Dies sorgt für einen hohen Einspritzstrom und eine Kraftverstärkungsphase am Ende der Bewegung mit einem hohen Einspritzdruck. Insgesamt lässt sich mit der vorliegenden Erfindung aufgrund der kostengünstigen Bauteile und der hohen Anzahl von Gleichteilen eine kostengünstige Einheit erreichen, wobei man insbesondere auf kostenintensive und anfällige Kugelspindeln oder Planetenrollspindeln verzichten kann. Für den Antrieb kann man einen Standard(synchron)motor verwenden, der ebenfalls günstig beziehbar ist. Zudem lässt sich auch die Druckvolumenregelung kostengünstig erreichen.

[0024] Die Vorplastifizierung kann mit einem konstanten L/D-Verhältnis ausgestattet werden, so dass man die Plastifiziereinheit sehr gut auf die Plastifizieranfor- derung anpassen kann. überdies wird keine Rückstromsperre im Einspritzbereich benötigt. Insgesamt lässt sich eine flexible Anpassung von Volumen und Druck getrennt von der Plastifiziereinheit erreichen.

[0025] Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die einzige, beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine schematische Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, elektrischen Einspritzeinheit.

[0026] Die vorliegende elektrische Einspritzeinheit umfasst eine getrennte Plas- tifizier- und Einspritzeinheit.

[0027] Die Einspritzeinheit weist eine relativ zum Einspritzzylinder 8 feste Platte 1 auf, an welcher der Einspritzzylinder 8 befestigt ist. Der Einspritzzylinder 8 besitzt einen Zylinderraum, in dem ein Kolben 9 hin und her beweglich aufgenommen und gelagert ist. Der Zylinderraum ist über ein Heißkanalsystem 14 mit der später noch zu beschreibenden Plastifiziereinheit verbunden. Im Heißkanal 14 ist ein Rückschlagventil 14' angeordnet, welches verhindert, dass Schmelze beim Einspritzen zurück zur (später noch zu erläuternden) Plastifizierung fließen kann. Zudem ist ein Kanal zu einer Einspritzdüse an der Spitze des Einspritzzylinders 8 vorgesehen, über welchen die in dem Zylinderraum aufgenommene Kunststoffschmelze mittels des Kolbens 9 in eine Kavität eines nicht dargestellten Werkzeugs eingespritzt werden kann. Der Einspritzkanal weist noch ein schaltbaren Düsenverschluss 15 auf, so dass ein Austreten von Schmelze aus dem Zylinderraum aktiv unterbunden werden kann.

[0028] Die feste Platte 1 ist über Zugholme 3 mit einer auf der rechten Seite des Bildes angeordneten Abstützplatte 2 verbunden.

[0029] Der im Zylinderraum aufgenommene Kolben 9 ist an seinem hinteren Ende an einer Einspritzplatte 5 befestigt, auf deren anderer Seite eine Verbindungslasche erster Art 18 angelenkt ist. Die Verbindungslasche erster Art 18 ist an ihrem anderen Ende mit der Kurbelscheibe 16 eines Kurbeltriebs 4 gelenkig gekoppelt. Mit der gleichen Exzentrizität diametral gegenüberliegend an der Kurbelscheibe ist ein Ende einer Verbindungslasche zweiter Art 18' gekoppelt, deren anderes Ende gelenkig (Bezugziffer 17) mit der Abstützplatte 2 abgestützt ist. Der Kurbeltrieb 4 ist somit zwischen der Abstützplatte 2 und der Einspritzplatte 5 angeordnet.

[0030] Natürlich können auch 2 oder mehrere Verbindungslaschen erster Art 18 und Verbindungslaschen zweiter Art 18' verwendet werden, die dann jeweils

parallel zueinander angeordnet werden müssen. Eine entsprechende Zahl von Kurbelscheiben ist dann ebenfalls vorzusehen oder die Kurbelscheibe sind geeignet auszubilden.

[0031] Der Kurbeltrieb 4 ist ebenso wie die Einspritzplatte 5 auf zwei parallel zueinander verlaufenden Schienen T auf dem Maschinenbett über Gleitfϋße 7 verschieblich gelagert.

[0032] Am Gehäuse des Kurbeltriebs 4 sind zwei Elektromotore 21 und 22 befestigt. Beide Elektromotore 21 , 22 besitzen Abtriebswellen, an denen Zahnräder (oder Schnecken) angeordnet sind, die mit einem entsprechend (nicht dargestellten) Zahnrad des Kurbeltriebs 4 kämmen. Von dem Zahnrad wird die Kraft oder das Moment dann auf die fest damit verbundene Kurbelscheibe 16 oder Kurbelscheiben übertragen.

[0033] Um die vor allem beim Einspritzvorgang auftretende Kraft im Einspritzsystem abzufangen, sind zwischen der Abstützplatte 2 und der Platte 1 vier Zugholme 3 angeordnet, welche die Eckbereiche der Platten 1 und 2 verbinden und parallel zueinander verlaufen. Diese Zugholme 3 nehmen ähnlich wie bei einer Schließeinrichtung die Zugkräfte zwischen den Platten 1 und 2 auf.

[0034] Die Plastifiziereinrichtung weist einen Plastifizierextruder mit einem Zylinder 10 und einer Plastifizierschnecke 11 auf. Die Plastifizierschnecke 11 ist im Plastifizierzylinder 10 drehbar angeordnet. Der Antrieb wird durch einen am Ende der Plastifizierschnecke über eine Kupplung gekoppelten Motor 13 drehangetrieben. Die Kupplung ist in einem Gehäuse 12 mit einer Lagerung aufgenommen. Die Plastifiziereinheit ist über zwei Lagerelemente auf dem Zugholm 3, der sich zwischen der festen Platte und der Abstützplatte 2 erstreckt, gelagert.

[0035] Nachfolgend wird der Betrieb des vorliegenden, voll-elektrischen Einspritzaggregats erläutert. Durch den Antrieb des Motors 13 wird die Plastifizierschnecke 11 im Plastifizierzylinder 10 in Drehung versetzt, wodurch das über

den Einfülltrichter eingefüllte Ausgangsgranulat in der Plastifiziereinheit aufgeschmolzen und nach vorne befördert wird. über den Heißkanal 14 gelangt die Kunststoffschmelze in den Zylinderraum des Zylinders 8, wobei der Zylinderkolben 9 unter gesteuertem Aufrechterhaltung eines bestimmten Staudrucks zurückgezogen wird. Das Zurückziehen erfolgt durch den geregelten Antrieb der beiden Elektromotoren 21 und 22, die über das vorgenannte Getriebe die Kurbelscheibe 16 in Drehung versetzen. Durch die Rotation der Kurbelscheibe 16 wird bei entsprechender Anlenkungen der Verbindungslaschen 18 und 18' die Einspritzplatte 5 zusammen mit dem Einspritzkolben 9 zurückgezogen, wodurch sich Kunststoffschmelze im Schneckenvorraum ansammeln kann.

[0036] Hat sich eine ausreichende Menge von Kunststoffschmelze im Zylinderraum des Zylinders gesammelt, so wird auf Einspritzen umgeschaltet. Dabei werden die Elektromotore 21 und 22 in die andere Richtung angetrieben. Durch die Drehung der Kurbelscheibe 16 wird die Einspritzplatte 5 zusammen mit dem Einspritzkolben 9 relativ zum Einspritzzylinder 8 nach vorne bewegt. Das Rückschlagventil 14' schließt sich, und über den geöffneten Düsenver- schluss 15 wird die Kunststoffschmelze in die Kavität des nicht dargestellten Spritzgießwerkzeugs eingespritzt.

[0037] Wurde die Kurbelscheibe beim Zurückfahren über ungefähr 120° verdreht, so erfolgt während der ersten 75 % der Drehung mit entgegengesetzter Drehrichtung, also über die ersten 90°, ein Nachvomeverschieben des Kolbens mit einer recht gleichmäßigen Geschwindigkeit. Die Einspritzgeschwindigkeit ist dabei relativ hoch. Erst während der letzten 30° der Drehung der Kurbelscheibe verlangsamt sich die Drehgeschwindigkeit, wobei jedoch eine Kraftverstärkung die entsprechende Hebelwirkung auftritt.

[0038] Während des Füllens des Zylinderraums des Zylinders 8 bewegen sich sowohl der Kurbeltrieb 4 wie auch die Einspritzplatte 5 nach hinten. Die Platten 1 und 2 bleiben dabei relativ zum Maschinenbett fest.

[0039] Beim Einspritzen bewegen sich Kurbeltrieb 4 und Einspritzplatte 5 nach vorne. Dabei kann beispielsweise zwischen der Einspritzplatte 5 und der festen Platte 1 ein Kraftsensor 19 angeordnet sein, der die Kraft im vorderen Todpunktbereich feststellt. Auf diese Art und Weise kann der Einspritzdruck sowie der Nachdruck aufgenommen und auch geregelt werden. Natürlich ist eine entsprechende Steuerung und Regelung für einen adäquaten Betrieb der Motoren 13, 21 und 22 vorgesehen. Je nach eingesetzter Sensorik können auch die entsprechenden Informationen an die Steuerung gegeben und damit eine Regelung in gewünschter Weise durchgeführt werden.

[0040] Soll die gesamte Einspritzeinrichtung von einer Schließeinheit zyklusweise weggefahren und dann wieder hingefahren werden, so müsste noch ein separater Antrieb vorgesehen sein, der die gesamte, soeben beschriebene Kombination aus Plastifiziereinheit 10, 11 und Einspritzeinheit hin und her bewegt. In diesem Fall würden sich auch die feste Platte 1 und die Abstützplatte zusammen mit allen anderen Elementen, also auch der Einspritzeinheit, nach vorne und hinten bewegen lassen.

[0041] Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung eine einfache Möglichkeit für eine vollelektrische Konstruktion einer Einspritzeinheit geschaffen. Benutzt man dabei auf der Schließseite einen entsprechenden Kurbelantrieb mit gleich konstruierten Verbindungslaschen, so können standardisierte Teile verwendet werden, was sich besonders günstig auf die Herstellkosten auswirkt.