Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Düsenanlegung einer Einspritzeinheit für elektrisch angetriebene Spritzgiessmaschine .

Stand der Technik

Bei einer Spritzgiessmaschine zählt die Düsenanlegung und Düsenanpressung an die Form zwar zu den wichtigsten, aber für den Giessprozess an sich eher zu den nicht relevanten Parametern. Gefordert ist eine schnelle, jedoch möglichst schonende Anlegung der Spritzdüse mit grosser 'Anlegekraft, damit während dem Spritzvorgang durch die extrem hohen Drücke von 2000 bar und mehr, keine Spritzmasse zwischen Spritzdüse und Einspritzöffnung austritt. Ein Materialaustritt beeinflusst unmittelbar die Prozessgenauigkeit und verursacht störenden Kunststoffabfall. Im Extremfall kann dies auch zu einer Unterbrechung der automatischen Spritzarbeit führen, da mit zunehmendem Austritt von Masse die Dichtigkeit weiter reduziert wird. Das Ziel für die Düsenanlegung ist das Finden von einem Optimum. Ein Optimum betreffend Bewegungsgeschwindigkeit, bei Verhinderung eines Anlegeschocks und unnötig grossen Anlegekräften. Ist die Düsenanpresskraft zu gross, so können dadurch sogar mechanische Schäden an der Form oder der Formbefestigung verursacht werden.

Um den ganzen Vorgang der Düsenanlegung praktisch zu optimieren, wurde soweit der Anmelderin bekannt ist, bei allen bisherigen elektrisch angetriebenen Spritzgiessmaschinen eine mechanische Druckfeder oder ein ganzes Federsystem zwischen Antrieb und dem Verschiebemechanismus der Einspritzeinheit eingebaut. Die Feder hat dabei mehrere Funktionen, damit über elektromotorische Antriebe die Düsenanpresskraft beherrschbar wird. Z.Bsp, schlägt die EP-PS Nr. 328 671 vor, ein Doppelfederpaket mehr oder weniger vorzuspannen, damit die jeweilige Kraft für variierende Anpresskräfte voreingestellt werden kann. Für das Aufbringen der eigentlichen Düsenpresskraft wird ein zusätzlicher Einfederweg von bis zu mehreren Millimetern in Kauf genommen, was durch entsprechende Steuer- und Regelkorrekturen über den Antriebsmotor ausgeglichen werden muss. Das Federpaket macht das ganze System federnd, was einerseits Vorteile bringt, anderseits aber regelungstechnisch eine enorme Komplizierung ergibt, dies für einen Vorgang der an sich sehr einfach ist. Verfahrenstechnisch betrachtet muss die Düse nur dicht an der Einspritzöffnung gehalten .werden.

Die spätere EP-PS Nr. 422 224 versucht diesen Nachteil dadurch zu beheben, indem zusätzlich Kraftsensoren resp. Dehnungsstreifen im Bereich der Einspritzeinheit eingesetzt werden. Es wird eine bestimmte Düsenberührungskraft vorgegeben und dann durch Vergleich resp. einer Soll-Ist-Abweichung von gemessener Kraft und vorgegebener Kraft der Antriebsmotor geregelt. Obwohl die blosse Regelungstechnik hier vereinfacht werden konnte, bleibt das ganze System komplex, kann störungsanfällig sein und ist insbesondere baulich recht aufwendig.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, eine neue Lösung zu suchen, die die bekannten Nachteile vermeidet, trotzdem eine echte Optimierung des ganzen Vorganges der Düsenanlegung bei elektrisch angetriebenen Spritzgiessmaschinen zu erreichen. Ziel der Erfindung war insbesondere eine baulich und steuertechnisch einfache Lösung.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzdüse z.Bsp. durch Vorgabe einer Bremsrampe schockfrei zur Anlage gefahren, mit der Form verspannt und danach die Düsenanpresskraft in Funktion der Spritzkraft bzw. des Druckes der Spritzmasse gestellt wird.

Bei den bisherigen Lösungen wurde übersehen, dass der ganze Einspritzvorgang einen sehr stark dynamischen Ablauf darstellt. Es kann höchstens für Maximalwerte eine bestimmte Düsenberührungs-Sollkraft vorgegeben werden. Der entsprechende Maximalwert herrscht aber nur über eine bestimmte Phase des ganzen Spritzvorganges, während der eigentlichen Nachdruckphase und auch hier nur zeitweise. Die Nachdruckphase beträgt höchstens etwa 1/3 eines ganzen Spritzzyklus. Mit der Vorgabe einer Düsenberührungs-Sollkraft wird über dem grösseren Abschnitt ein unnötig grosser Anpressdruck aufgebaut. Das angegebene Ziel wird damit verfehlt. Erfindungsgemäss wurde dagegen vorgeschlagen, den Spritzdruck selbst oder einen damit korrellierenden Wert z.Bsp. die Spritzkraft zu nehmen und die Anpresskraft als eine- Funktion des Spritzdruckes bzw. der Spritzkraft insbesondere des entsprechenden Verlaufes zu stellen. Bei der Füllphase steigt der Druck von einem Wert 0 an und erreicht am Ende des Füllvorganges bzw. am Beginn der Nachdruckphase den Maximalwert. Wenig nach dem Maximalwert fällt der Spritzdruck wieder, anfänglich leicht und dann sehr steil ab, bis zur Plastifizierphase. Gemäss der neuen Erfindung wird nun versucht, diesen Druckverlauf zumindest angenähert nachzubilden. Dadurch wird ein ständiges Gleichgewicht zwischen dem Spritzdruck und der Düsenanpresskraft angestrebt, mit einer minimalen Kraftreserve, damit die Düse immer angepresst bleibt. Dies hat zwei besondere Vorteile. Es werden keine unnötigen Kräfte auf die Form übertragen und die erforderliche Motorleistung kann tatsächlich auf ein Minimum reduziert werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung und ist dadurch gekennzeichnet, dass a) die Spritzdüse über einen, vorzugsweise über zwei Zug¬ anker oder Säulen zwischen der festen Formhälfte, bzw. Formhalteschild und der Einspritzeinheit, verspannbar und

b) der Übertrieb von einem elektromotorischen Antrieb zur Erzeugung der Düsenanpresskraft federfrei, das heisst relativ steif ausgebildet ist, wobei c) Steuermittel vorgesehen sind, zur Stellung der Düsenan¬ presskraft in Funktion der Spritzkraft oder des Spritz¬ druckes, insbesondere des entsprechenden Verlaufes.

Damit wird bewusst auf eine eigentliche federnde Wirkung des mechanischen Systems verzichtet, vielmehr wird eine relativ steife Mechanik vorausgesetzt. Dies erlaubt steuertechnisch eine wesentlich stabilere Beherrschung. Die Eigenfrequenz des Systems von z.Bsp. 30 Hz hat keinen nachteiligen Einfluss mehr. Wird die Spritzdüse zwischen der festen Formhälfte und der Einspritzeinheit verspannt und der für den Spritzvorgang erforderliche max. Spritzdruck von z.Bsp. 2000 bar aufgebaut, wird der Plastifizierzylinder mit der entsprechenden Kraft druckbelastet. Als Konsequenz daraus ergibt sich eine Längenänderung des Plastifizierzylinders von z.Bsp. 0,1 bis 0,2 mm, nach dem Hookschen Gesetz, wonach alle Materialien entsprechend ihrer Elastizitätskonstanten Längenänderungen erfahren. Das Mass der Längenänderung ergibt sich aus dem je tragenden Materialquerschnitt. Die Erfindung schreibt nun aber das Einspannen der z.Bsp. 1,0 bis 1,2 Meter langen Plastifizierzylinder zwischen der Formhälfte und Einspritzeinheit über Zuganker oder Säulen vor. Die Längenänderung der Plastifizierzylinder verlängert um den identischen Betrag auch Zuganker oder Säulen und bringen auf diese Weise eine entsprechende Zugbelastung. Die daraus berechenbare Zugkraft ist nun aber eine zusätzliche auf die Spritzdüse aufgebrachte Düsenanpresskraft. Durch das geometrische System ergibt sich zwangsnotwendig eine etwa proportionale Düsenanpresskraft im Verhältnis zu der sich steigernden Einspritzkraft.

Die Erfindung macht sich diesen Umstand nun insofern zu Nutze, als gemäss einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung das Verhältnis der wirksamen Querschnittsfläche des oder der Zuganker/s bzw. Säulen zu der wirksamen Querschnittsfläche des Plastifizierzylinders ähnlich oder gleich ist, wie das optimale

Verhältnis der Düsenanpresskraft zu der Spritzkraft, vorausgesetzt wird etwa eine gleiche Länge des entsprechenden Teils.

Bevorzugt beträgt das Verhältnis des wirksamen Säulen- querschnittes zu dem wirksamen Plastifizierzylinderquerschnitt etwa 1:5 bis 1:10. Der grosse Vorteil der damit erreicht wird, liegt darin, dass ein Umsetzungsverhältnis von Einspritzkraft zu Anpresskraft erreicht wird, so dass eine regelungstechnische Korrektur entweder nur noch in kleinem Ausmass oder bei einfachen Fällen überhaupt nicht mehr erforderlich ist. Das mechanische System regelt die Anpresskraft selbst in Gleichzeitigkeit. Der zusätzliche elektrisch-elektronische Regelaufwand kann minimiert oder ganz wegfallen, besonders wenn der Übertrieb ein selbsthemmendes Getriebe z.Bsp. ein Schneckengetriebe aufweist. Naheliegend ist, dass dieses System nur bei einer relativen Steifigkeit der mechanischen Bauelemente sinnvoll bzw. möglich ist. Eine eingebundene mechanische Feder zwingt gerade zu grossen und ständigen Regelkorrekturen. Für besonders einfache Anwendungsfälle können sogar Billigmotoren z.Bsp. Kurzschlussläufermotoren verwendet werden, etwa Kranmotoren mit zwei oder drei Geschwindigkeiten. Bevorzugt wird der Antrieb als Servo-Motor ausgebildet. Die Düsenanpresskraft kann über die Stellung des Drehmomentes an den Servo-Motor oder über eine Positionssteuerung erfolgen. Beide werden bei dem System Servo- Motor Drive durch interne Regelungen mit sehr hoher Genauigkeit beherrsch .

Gemäss einem weiteren Ausgestaltungsgedanken werden der bzw. die Zuganker als Kugel- oder Rollenspindel ausgebildet. Die Einspritzeinheit wird durch eine Drehbewegung einer entsprechenden Kugel- bzw. Rollenmutter möglichst spielfrei oder spielarm bewegt. Die Einspritzeinheit weist bevorzugt ein Führungsschild auf, welches über die Zuganker gelagert ist und trägt, direkt angeflanscht, den elektromotorischen Antrieb. Es ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise, wenn die Achszentren der beiden Spindeln sowie des Antriebsmotores die Endpunkte eines Dreiecks bilden und die Achsen über ein gemeinsames Übertriebsrad

verbunden sind. Vorzugsweise sind dabei die Achsen der beiden Zuganker resp. der beiden Spindeln beidseits des Antriebsmotores angeordnet, derart, dass alle drei Achsen auf einer gemeinsamen Mittellinie liegen.

In der Folge wird die Erfindung nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Es zeigen:

die Figur 1 einen Schnitt durch die relevanten Teile für die Düsenanlegung; die Figur 2 einen Schnitt A - A der Figur 1; die Figur 3, 3a und 3b drei typische Düsenformen; die Figur 4 schematisch drei Kraft-Drucklinien; die Figur 5 zeigt schematisch den Spritzdruck über der

Zeit über einem vollständigen Spritzzyklus.

_f Wege zur Ausführung der Erfindung

In der Folge wird nun auf die Figur 1 Bezug genommen, welche das Dispositiv für die Düsenanlegung zeigt. Eine Spritzdüse 1 ist der vorderste Abschnitt eines Plastifizierzylinders 2 und endet mit einer Düsenöffnung 3.

Der Plastifizierzylinder 2 ist fest verankert in der Einspritzeinheit 4 bzw. in einem Führungsschild 5, der Einspritzeinheit 4. In dem Führungsschild 5 ist ein Übertrieb 6 angeordnet, der über zwei Kugel- oder Rollenmuttern 7 auf entsprechende Kugel- resp. Rollenspindeln 8 eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung für die Einspritzeinheit 4 resp. des Plastifizierzylinders 2 umsetzt. Die beiden Rollenspindeln weisen in Richtung einer festen Form 10 je einen Zuganker resp. Säule 9 auf, welche an einer festen Formplatte 11 fixiert sind. Es entsteht dadurch ein geschlossener Rahmen resp. Kräfte-Rahmen, bestehend aus der Form 10 resp. Formplatte 11, den

beiden Säulen 9 sowie dem Führungsschild 5. Für die Anlegebewegung verfährt der Plastifizierzylinder 2 in Richtung des Pfeiles 12 auf die Form 10 zu. Die Anpresskraft des Plastifizierzylinders 2 bewirkt anfänglich eine Zugbeanspruchung auf die beiden Säulen 9. Der Plastifizierzylinder wird gleichzeitig um den Wert der Vorspannung gestaucht. Setzt nun der Spritzgiessvorgang ein, beginnt der Druck der Kunststoffmasse in dem Plastifizierzylinder 2 bis zu Maximalwerten von z.Bsp. 2000 bar anzusteigen. Dieser reltaiv hohe Druck verursacht eine Längenänderung, welche mit 0,1 mm als Beispiel angegeben ist. Die Längenänderung der Plastifizierschnecke 2, ist abhängig von dem betreffenden Elastizitätsmodul, dem wirksamen Materialquerschnitt Qw sowie der wirksamen Länge der Plastifizierschnecke 2 W2PZ. Aus geometrisch zwingenden Gründen, bedingt durch den geschlossenen Rahmen, verlängern sich nun aber die beiden Säulen 9 um den identischen Betrag, im Beispiel also auch um 0,1 mm. Die entsprechende Längenänderung verteilt sich auch hier auf die wirksame Länge WLS, resp. verteilt sich nach den bekannten Gesetzmässigkeiten auf die entsprechenden Längen und Querschnitte. Entscheidend ist hier nun aber, dass die Längenänderung hauptsächlich in dem dünnsten Querschnitt auftritt, welcher mit QL bezeichnet ist. Aus Längenänderung und dem wirksamen Querschnitt kann die Kraft Ks auf jede Säule 9 ermittelt werden, die sich über den Plastifizierzylinder 2 auf die Form 10 abstützt. Die Anpresskraft ermittelt sich dadurch aus der ersten Vorspannkraft und der Dehnkraft wie vorstehend geschildert. Bei richtiger Auslegung der Materialstärken bzw. der entsprechenden Verhältnisse braucht es in vielen Fällen nach der Aufbringung der ersten Anpresskraft keine elektrisch/elektronische Regelkorrektur mehr.

Die Figur 2 zeigt schematisch den Übertrieb, welcher im wesentlichen um den Plastifizierzylinder 2 herum angeordnet ist. Dabei liegen die Drehachsen der beiden Kugel- resp. Rollenspindeln 8 sowie die Mittenachse der Spritzdüse 1 auf einer gemeinsamen Mittellinie 20. Die Achszentren der beien Rollen¬ bzw. Kugelmuttern 7 bilden zusammen mit den AchsZentren 21 eines Antriebsmotores 21 ein Dreieck.

Die Figur 3 zeigt eine offene Düse (3), die zu der Anlage mit einer Angussbuchse 20 einer Form 10 bewegt wird (Pfeil 21) . Ein Anguss 22 ist als Stangenanguss resp. Kegelanguss ausgebildet. Die Spritzdüse 1 weist eine Düse 23 mit einem Düsenradius 24 auf und kann in einen Zylinderkopf 25 eingeschraubt werden.

Die Figur 4 zeigt den Zusammenhang der Nennanpresskraft zu dem Druck (P) im Vorraum von der Plastifizierschnecke, wobei schema¬ tisch drei Kennlinien, ausgehend von einer Vorspannung einge¬ tragen sind (68 kN, 34 kN, 20-kN-Anpresskraft bei 2000 bar) .

Die Figur 5 zeigt den Druck (P) über der Zeit (t) . Eine oberste strichpunktierte Linie (kNl) zeigt gemäss Stand der Technik den für die Regelung massgebenden Nenndruck der über dem ganzen Einspritzzyklus auf dem Höchstwert bleibt. Der tatsächliche Druckverlauf P(bar) der Kunststoffmasse in dem Einspritzzylinder ist mit einer dicken, ausgezogenen Linie dargestellt. Regeltechnisch wird gemäss der neuen Erfindung eine dazu erforderliche Düsenanpresskraft (F) kN (dicke strichpunktierte Linie) erzeugt, welche von einer Düsenvorspannung (kNo) ausgeht und nur soviel wie erforderlich die Düsenanpresskraft erhöht. Die Düsenanpresskraft gemäss Figur 5 kann gemäss der neuen Erfindung auf zwei Wegen erhalten werden. Entweder durch entsprechende konstruktive Auslegung wie weiter oben ausgeführt oder bei sehr starren Säulen über die Regelung entweder des Drehmomentes von dem Antriebsmotor oder über eine entsprechende Positionsregelung für Servomotoren. Hier wird vollumfänglich auf das Schweizer Patent-Gesuch Nr. 00 353/94-2 Bezug genommen. Zwischen der reinen elektronischen Regelungslösung sowie der Düsenanpressregelung basierend auf der konstruktiven Ausgestaltung ist selbstverständlich jede Kombinaton 'der beiden möglich. In den meisten Fällen ist es ^' jedoch Ziel, die elektrisch/elektronischen Regelkorrekturen möglichst klein zu halten, so dass im Idealfall nach einer genügenden Düsenvorspannung der Antriebsmotor nur- noch Position halten muss. Die einzelnen Abschnitte eines Spritzgiesszyklus sind markiert. Dabei bedeuten Fü: Füllen; Na: Nachdruck; Ei: Einspritzen und Pia: Plastifizeren.

ERSATZBLATT