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Die Erfindung betrifft eine Spritzgießeinrichtung für
Kunststoff-Spritzgießpressen.
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Gemäß dem Stand der Technik werden bei Spritzgießverfahren
Spritzgießpressen oder -vorrichtungen eingesetzt, in
welchen Harze aus Kunststoffmaterialien erhitzt, um sie in
einem Heizzylinder in einen geschmolzenen Zustand zu
überführen, und unter hohem Druck in einen Formenhohlraum
eingespritzt werden, so daß die Form ausgefüllt wird. Das im
geschmolzenen Zustand befindliche Harz wird in der Form
abgekühlt, um es unter Bildung eines Formteils auszuhärten.
Sodann wird die Form geöffnet und das Formteil entnommen,
welches der Lagerung oder nachfolgenden Verarbeitungsstufen
aufgegeben werden kann.
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Die Spritzgießvorrichtung umfaßt eine Formeinrichtung und
eine Spritzgießeinrichtung. Die Formeinrichtung weist in
der Regel zwei Formhälften auf, die jeweils an einer festen
und einer beweglichen Platte befestigt sind, so daß die
Form durch Vor- und Zurückbewegen der beweglichen Platte
geöffnet und geschlossen werden kann.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer
Spritzgießeinrichtung gemäß dem Stand der Technik, die insgesamt mit dem
Bezugszeichen 100 bezeichnet ist. Die Spritzgießeinrichtung
100 umfaßt einen Heizzylinder 2, um die über einen Trichter
3 aufgegebenen Harze in den Schmelzzustand zu überführen,
und eine Einspritzdüse 4, um das geschmolzene Material in
einen Formenhohlraum einzuspritzen. Im Innern des
Heizzylinders 2 ist eine Plastifizierschnecke 5 angeordnet,
welche eine Drehbewegung um ihre eigene Achse zum
Plastifizieren der Harze und eine vorwärts gerichtete translatorische
Bewegung zum Einspritzen des geschmolzenen Materials sowie
eine rückwärts gerichtete translatorische Bewegung zur
Gewährleistung einer Zufuhr der Harze aus dem Trichter 3
vollführt. Die Plastifizierschnecke 5 ist von einer
Anordnung von Elektromotoren angetrieben.
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Zur translatorischen Bewegung der Plastifizierschnecke 5
ist eine Spindel/Spindelmutter-Anordnung vorgesehen, wobei
eine Spindel 6 in eine Spindelmutter 7 eingreift. Die
Spindelmutter 7 ist von einem Motor 8 über ein
Untersetzungsgetriebe 9 angetrieben, welches am Maschinenrahmen 10
festgelegt ist. Die Spindel 6 ist durch eine Anti-Dreheinrichtung
vor einer Drehbewegung um ihre eigene Achse gesichert. Die
Anti-Dreheinrichtung umfaßt eine an der Spindel 6
befestigte Stange 11 und einen am Maschinenrahmen 10 befestigten
Anlaufblock 12. Auf diese Weise verhindert die Stange 11
eine Drehung der Spindel 6, indem sie an den Anlaufblock 12
anstößt, und ermöglicht lediglich eine translatorische
Bewegung derselben. Folglich ermöglicht eine Betätigung des
Elektromotors 8 in die eine oder in die entgegengesetzte
Richtung einen Vor- oder Rückschub der Spindel 6, welche
die Plastifizierschnecke 5 mit sich zieht.
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Eine Drehbewegung der Plastifizierschnecke 5 wird mittels
einer Keilwelle 13 erreicht, welche über ein Gelenk oder
eine Kupplung 20 mit der Plastifizierschnecke 5 verbunden
ist. Die Keilwelle 13 greift in eine Schiebebuchse oder
-hülse 14 ein, welche von einem Elektromotor 15 über ein am
Maschinenrahmen 10 festgelegtes Untersetzungsgetriebe 16
drehangetrieben ist. Die Keilwelle 13 ist von der Spindel 6
mittels einer Lagereinrichtung 17 entkoppelbar, so daß die
Drehbewegung der Plastifizierschnecke 5 von deren
translatorischen Bewegung unabhängig sein kann. Die Elektromotoren
8, 15 sind jeweils mit Sensoren 18, 19 nach Art von
Codiereinrichtungen ausgestattet, um für die in den
unterschiedlichen Arbeitstadien eines Zyklus' erforderliche
Geschwindigkeitssteuerung zu sorgen.
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Ein Nachteil der Spritzgießeinrichtung 100 gemäß dem
vorgenannten Stand der Technik liegt darin, daß jeder
Elektromotor 8, 15 jeweils für das Translationsstadium bzw. für das
Drehstadium der Plastifizierschnecke 5 vorgesehen ist.
Daher entspricht die zu berücksichtigende Leistung jedes
Motors der für das entsprechende Stadium erforderlichen
maximalen Leistung. Folglich wird der Motor 8 während des
Translationsstadiums der Plastifizierschnecke 5 überlastet,
während der Motor 15 im Stillstand verbleibt, und wird der
Motor 15 während des Drehstadiums der Plastifizierschnecke
5 überlastet, während der Motor 8 im Stillstand verbleibt.
Dies resultiert in einer übermäßigen Energieverschwendung
und einem schnellen Verschleiß der Motoren, welche
praktisch ständig mit maximaler Leistung arbeiten.
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Die Erfindung hat zum Ziel, unter Vermeidung der genannten
Nachteile eine elektrische Spritzgießeinrichtung für
Kunststoff-Spritzgießpressen vorzuschlagen, welche praktisch,
ökonomisch, vielseitig verwendbar und einfach handhabbar
ist.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
unabhängigen Anspruchs 1 erreicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen.
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Zum Antrieb der Plastifizierschnecke umfaßt die
erfindungsgemäße elektrische Spritzgießeinrichtung für Kunststoff-
Spritzgießpressen eine einzige Antriebsspindel, die zwei
Abschnitte mit Gewinden aufweist, deren Schraubenlinie
jeweils in entgegengesetzte Richtungen verläuft. An jedem
Abschnitt der Antriebsspindel ist eine Spindelmutter wirksam,
die von einem entsprechenden Motor angetrieben ist. Die
Antriebsspindel ist über ein Gelenk oder eine Kupplung mit
der Plastifizierschnecke verbunden. Durch geeignete
Kombination der Geschwindigkeiten beider Motoren ist es möglich,
alle erforderlichen Arbeitsstadien der Plastifizierschnecke
durchzuführen, d. h. Drehung um ihre eigene Achse,
Translation (Vor- und Rückschub) sowie translatorische Drehung.
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Die Einrichtung hat gegenüber Einrichtungen gemäß dem Stand
der Technik mehrere Vorteile. So ist es bei der
erfindungsgemäßen Spritzgießeinrichtung faktisch möglich, bei jeder
Bewegung der Plastifizierschnecke die gesamte Leistung der
beiden Elektromotoren der Spritzgießeinrichtung zu nutzen,
ohne daß der Einsatz mechanischer Einrichtungen, wie
Kupplungen, Verbindungsstücke oder Freiläufe, erforderlich ist.
Nach Ermittlung der für die verschiedenen Bewegungen der
Plastifizierschnecke erforderlichen maximalen Leistung kann
die Dimension jedes Motors der Spritzgießeinrichtung derart
gewählt werden, daß er nur die Hälfte der erforderlichen
maximalen Leistung zur Verfügung stellt. Die Einrichtung
erweist sich als besonders einfach und ermöglicht einen
unterbrechungsfreien Übergang von einer Bewegung der
Plastifizierschnecke in eine andere lediglich durch
Geschwindigkeitsänderung der beiden Motoren.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen
Spritzgießeinrichtung liegt darin, daß der axiale Belastungsvorgang der
Schnecke während des Einspritzens auf zwei Spindelmuttern
verteilt wird anstatt wie bei der Spritzgießeinrichtung
gemäß dem Stand der Technik auf eine einzige Spindelmutter zu
wirken, so daß die Bewegung der Plastifizierschnecke
deutlich stabiler und ruhiger wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer ausschließlich
exemplarischen und folglich die Erfindung nicht
beschränkenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Dabei zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer
Spritzgießeinrichtung gemäß dem Stand der Technik und
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Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Spritzgießeinrichtung.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer
erfindungsgemäßen Spritzgießeinrichtung, die insgesamt mit dem
Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Dabei sind diejenigen Elemente,
die mit den in Fig. 1 dargestellten Elementen der
Spritzgießeinrichtung 100 gemäß dem Stand der Technik gleich oder
äquivalent sind, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Bei der erfindungsgemäßen Spritzgießeinrichtung 1 ist die
Plastifizierschnecke 5 über eine Kupplung 20 mit einer
Antriebsspindel 30 verbunden. Die Antriebsspindel 30 weist
zwei Abschnitte 30A, 30B mit Gewinden auf, deren
Schraubenlinie jeweils in entgegengesetzte Richtungen verläuft.
Jeder Abschnitt 30A, 30B der Antriebsspindel 30 greift in
eine entsprechende Spindelmutter 31A, 31B ein, die jeweils
mittels eines Elektromotors 32A, 32B über ein
entsprechendes, vom Maschinenrahmen 10 getragenes Untersetzungsgetriebe
33A, 33B angetrieben sind. Die Antriebsspindel 30 kann
verschiedenartig ausgestaltet sein; so können
Kugelumlaufspindeln, Planetenwälzspindeln oder einfache Gleitspindeln
vorgesehen sein.
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Um für eine Geschwindigkeitsregulierung zu sorgen, ist
jeder Motor 32A, 32B hinsichtlich Geschwindigkeit und
Drehmoment durch entsprechende Codiereinrichtungen (Encoder) oder
Sensoren 34A, 34B gesteuert. Durch geeignete Kombination
der Geschwindigkeit der beiden Motoren 32A, 32B ist es
möglich, alle erforderlichen Arbeitsstadien der
Plastifizierschnecke 5 durchzuführen.
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Während des Einspritzstadiums muß die Plastifizierschnecke
5 eine reine Translationsbewegung vollführen. Eine
Steuerung der Translationsgeschwindigkeit der
Plastifizierschnecke 5 während des Einspritzstadiums ist
gleichbedeutend mit einer Geschwindigkeitssteuerung der Motoren 32A,
32B. Zur Durchführung einer Translationsbewegung der
Plastifizierschnecke 5 ist eine Steuerung beider Motoren 32A,
32B mit derselben Drehgeschwindigkeit, aber mit einer
entgegengesetzten Drehrichtung erforderlich, da die
Antriebsspindel 30 Gewinde 30A, 30B mit entgegengesetzten Anläufen
für die beiden Spindelmuttern 31A, 31B aufweist.
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Während des Einspritzstadiums muß neben der Steuerung der
Translationsgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke 5 ein
Lastausgleich durchgeführt werden, um die beiden Motoren
32A, 32B ausgeglichen zu belasten und einen der beiden
Motoren vor Überlastung zu bewahren, so daß der kombinierte
Antrieb den üblichen Grenzwert erreicht. Zum Lastausgleich
wird die Abtriebsgeschwindigkeit jedes Motors verändert, so
daß der Motor unter geringerer Last verschnellert und der
Motor unter höherer Last verlangsamt wird. Zur Lastermittlung
der Motoren reicht es aus, das gegenwärtige Drehmoment
jedes Motors zu messen.
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Während der Plastifizierungsphase muß die
Plastifizierschnecke 5 eine Drehbewegung um ihre eigene Achse
vollführen. In diesem Stadium ist es erforderlich, die Schnecke
gleichzeitig translatorisch einzufahren, da das
Kunststoffmaterial am Ende der Plastifizierschnecke angesammelt wird.
Die Plastifizierschnecke 5 muß beim Einfahren für einen
konstanten und einstellbaren Druck auf das
Kunststoffmaterial sorgen, um das Kunststoffmaterial zu kompaktieren.
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Um eine reine Drehbewegung der Plastifizierschnecke zu
erreichen, müssen die beiden Motoren 32A, 32B derart
gesteuert werden, daß sie sich mit derselben Geschwindigkeit in
dieselbe Richtung drehen. Um andererseits sowohl eine
Drehbewegung als auch eine translatorische Bewegung der
Plastifizierschnecke 5 zu erreichen, müssen die beiden Motoren
32A, 32B derart gesteuert werden, daß sie sich mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen.
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Nachstehend sind beispielhaft die Beziehungen zwischen der
Dreh- und Translationsgeschwindigkeit der
Plastifizierschnecke 5 in Abhängigkeit von den Drehgeschwindigkeiten
der Motoren 32A, 32B aufgeführt. Dabei bedeuten:
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WA = Drehgeschwindigkeit des Motors 32A [U/sec];
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WB = Drehgeschwindigkeit des Motors 32B [U/sec];
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g = Ganghöhe der Antriebsspindel 30 [mm];
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t = Geschwindigkeitsverhältnis der Getriebe 33A, 33B;
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WS = Drehgeschwindigkeit der Plastifizierschnecke 5 [U/sec];
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Vs = Translationsgeschwindigkeit der Schnecke 5 [mm/sec].
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Unter der Voraussetzung eines positiven Bezugssystems für
die Geschwindigkeit der Motoren in eine bestimmte Drehrichtung
(z. B.
im Uhrzeigersinn) ergeben sich die nachfolgenden
Gleichungen:
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Unter Anwendung der Gleichungen (1) und (2) auf bestimmte
Anwendungsfälle ergibt sich für WA = WB:
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WS = WA/t
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VS = 0
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Für die Bewegung der Plastifizierschnecke 5 ergibt sich
folglich eine reine Drehbewegung ohne Translation.
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Für WA = -WB ergibt sich:
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WS = 0
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VS = WA·g/t
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Für die Bewegung der Plastifizierschnecke 5 ergibt sich
folglich eine reine Translation ohne Drehung.
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Während der Plastifizierungsphase vollführt die
Plastifizierschnecke 5 eine von einer translatorischen Bewegung
überlagerte Drehbewegung, da die Schnecke während des
Formens des Kunststoffmaterials eingefahren wird.
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Wird Wm für die durchschnittliche Drehgeschwindigkeit der
beiden Motoren 32A, 32B eingeführt, so ergibt sich hierfür:
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(3) Wm = (WA + WB)/2
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Wird ΔW für die durchschnittliche Geschwindigkeitsdifferenz
der beiden Motoren 32A, 32B eingeführt, so ergibt sich
hierfür:
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(4) ΔW = (WA - WB)/2
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Folglich ergeben sich durch Einsetzen der Werte der
Gleichungen (3) und (4) in die Gleichungen (1) und (2) die
Drehgeschwindigkeiten der beiden Motoren 32A, 32B sowie die
Translations- und die Drehgeschwindigkeit der
Plastifizierschnecke 5 in Abhängigkeit von der durchschnittlichen
Drehgeschwindigkeit und der durchschnittlichen
Geschwindigkeitsdifferenz der beiden Motoren:
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WA = Wm + ΔN
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WB = Wm - ΔW
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VS = ΔW·g/t
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WS = Wm/t
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Die Geschwindigkeitsdifferenz ΔW ist durch das Steuersystem
variierbar, um sicherzustellen, daß der gewünschte Lastwert
auf die Plastifizierschnecke 5 aufgebracht wird, um das
Kunststoffmaterial während der Drehung der Schnecke zu
kompaktieren.
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Gemäß einer zu der oben beschriebenen Ausführungsform
alternativen Ausführung sind keine Untersetzungsgetriebe 33A,
33B vorgesehen und sind die Motoren 32A, 32B somit
unmittelbar mit den entsprechenden Spindelmuttern 31A, 31B
verbunden. In diesem Fall verschwindet der Ausdruck t, welcher
das Untersetzungsverhältnis der Untersetzungsgetriebe 33A,
33B beschreibt, aus den oben genannten Gleichungen.
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Die erfindungsgemäße Spritzgießeinrichtung 1 ist
selbstverständlich im Rahmen des fachmännischen Könnens modifizier-
oder veränderbar, ohne den durch die beigefügten Ansprüche
festgelegten Schutzbereich zu verlassen.