AT10679U1 - Spritzgiessmaschine mit integrierter flüssigkeitsinjektionsvorrichtung - Google Patents

Description

äamwcfcsthe patem;s»t AT10 679 U1 2009-08-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Anordnungen kommen im Rahmen der Flüssigkeitsinjektionstechnik zum Einsatz.

[0003] Die Flüssigkeitsinjektionstechnik, insbesondere die Wasserinjektionstechnik (WIT), im Spritzgießprozess ermöglicht die Herstellung von Formteilen aus Kunststoff mit hohlem Querschnitt und wird insbesondere dann angewendet, wenn sich solche Teile weder durch Blasformen noch durch konventionelle Spritzgießwerkzeugtechnik, d. h. mit Kernen und Schiebern fertigen lassen.

[0004] Die Wasserinjektionstechnik ist ein Sonderverfahren der Spritzgießtechnik, das seit 1998 am Institut für Kunststoffverarbeitung an der RWTH Aachen entwickelt wurde. Nach dem Einspritzen der Kunststoff-Schmelze in die Kavität (Formhohlraum) wird über einen Injektor Wasser injiziert, und damit die flüssige Schmelzeseele aus dem Inneren des Bauteils verdrängt. Dadurch wird im Formteil ein Hohlraum ausgebildet. Gegen Ende des Zyklus wird das Wasser aus der Kavität entfernt.

[0005] Durch die Flüssigkeitsinjektionstechnik können Formteile wie zum Beispiel Griffe oder Medienleitungen, auch mit komplexen Geometrien, in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt werden. Vor allem die Wasserinjektion hat den Vorteil einer zusätzlichen Kühlung im Inneren des Formteils. Aus diesem Grund ist das WIT-Verfahren vor allem für Teile mit großem Durchmesser, also beispielsweise für Griffe, die erste Wahl. Die Zykluszeit kann hier im Vergleich zur Gasinjektionstechnik nochmals deutlich reduziert werden. Weitere Vorteile sind die glattere Innenoberfläche sowie eine gleichmäßigere Verteilung der Wandstärke. Dadurch ist die Wasserinjektionstechnik ideal für die Herstellung medienführender Leitungen und Rohre geeignet. In vielen Automobilen finden sich heute bereits mit dieser Technik hergestellte Rohre für Ölmessstäbe.

[0006] Am häufigsten werden für die Wasserinjektion die Werkstoffe Polypropylen und glasfaserverstärktes Polyamid (PA 6 und PA 66) eingesetzt. Glasfaserverstärktes Polyamid zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit aus, während sich mit Polypropylen die beste Qualität der Innenoberfläche erzielen lässt. Für die Herstellung medienführender Leitungen zum Einsatz im Automobil-Motorinnenraum eignet sich besonders eine Verfahrenskombination von Coinjektion und WIT, da die Vorteile der beiden zuvor genannten Materialien miteinander verbunden werden.

[0007] Um die Kühlwirkung durch das Wasser noch zu erhöhen, wird das Formteil häufig nach Ausbildung des Hohlraums mit Wasser durchspült und so mehr Wärme abgeführt. Voraussetzung für den Einsatz dieser Verfahrensvarianten ist eine zuverlässige Anlagentechnik, die einen präzise kontrollierbaren und reproduzierbaren Prozess ermöglicht.

[0008] Problematisch bei gattungsgemäßen Anordnungen ist vor allem der relativ große Platzbedarf für die zusätzlich zur Spritzgießmaschine anzuordnende Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung und die langen Wege, welche die Flüssigkeit vom Behälter in die Kavität zurück legen muss.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist das Bereitstellen einer gattungsgemäßen Anordnung, welche diese Probleme vermeidet.

[0010] Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0011] Durch die Integration (d. h. die Anordnung innerhalb der Schutzumwehrung der Spritzgießmaschine) der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung in die Spritzgießmaschine wird zum einen kein zusätzlicher Platz neben der Spritzgießmaschine beansprucht, zum anderen ist der Weg zwischen Einspritzkolben und Spritzgießwerkzeug so gering, dass Druckverluste in den Leitungen (Schläuchen) auf ein Minimum reduziert werden. 1 /9 tarssÄiies patemt AT10 679 U1 2009-08-15 [0012] Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen, Ansprüchen definiert.

[0013] Der durch den Einspritzkolben begrenzte Behälter ist bevorzugt Teil eines Druckübersetzers, vorzugsweise von Ol auf Wasser. Die Ölseite ist vorzugsweise an das Hydrauliksystem der Spritzgießmaschine angeschlossen, die Wasserseite (d. h. der durch den Einspritzkolben begrenzte Behälter) ist mit dem Spritzgießwerkzeug verbunden. Eine Kolbenstange zwischen den beiden Seiten des Druckübersetzers sorgt für eine vollständige Trennung der beiden Medien, um zu verhindern, dass Wasser in das Hydrauliköl der Spritzgießmaschine gelangt und umgekehrt. Ein derartiger Druckübersetzer ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt und muss daher an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben werden (siehe AT 501 891 B1, Figur 1 -Bezugszeichen 4 und 5) [0014] Das Verwenden eines Druckübersetzers ist deshalb sehr vorteilhaft, weil man bei entsprechendem Übersetzungsverhältnis auch mit üblichen Hydraulikdrücken bis 200 bar sehr hohe Flüssigkeitsdrücke, z. B. bis 600 bar erzeugen kann. Mittels kleiner Kolbendurchmesser und großen Hüben bekommt man in Verbindung mit einem Wegmesssystem eine sehr genaue Volumenauflösung für die injizierte Flüssigkeitsmenge. Weiters werden dadurch die erforderlichen Antriebskräfte (hydraulisch, elektrisch, servoelektrisch, mit Spindel usw.) minimiert. Dadurch sind neben hydraulischen Antriebslösungen auch Linearantriebe (z. B. Servomotor mit Spindel) einsetzbar. Die eingespritzte Flüssigkeitsmenge kann sehr genau über die Endposition des Einspritzkolbens bestimmt werden und bietet damit einen wichtigen Prozessparameter für die Prozesskontrolle. Es kann damit auf die ausgebildete Hohlraumgröße geschlossen werden.

[0015] Der Maximaldruck der Flüssigkeit (des Wassers) wird über das Flächenverhältnis des Druckübersetzers definiert. Hat beispielsweise die Ölseite (der zweite Kolben) die doppelte Fläche der Wasserseite (des Einspritzkolbens), so steht für die Wasserinjektion der doppelte Hydraulikdruck der Spritzgießmaschine zur Verfügung. Entsprechend muss aber auch die zweifache Menge an Ol in den Druckübersetzer gepumpt werden, als auf der anderen Seite an Wasser zur Ausformung des Hohlraumes verwendet wird.

[0016] Um eine lange Lebensdauer der Anlage zu gewährleisten, sollte besonderes Augenmerk auf die Wasserqualität gelegt werden. Folgende Werte des Wassers sind zur Vermeidung von Korrosion und Kalkablagerungen besonders vorteilhaft: • pH-Wert 7 bis 8, 5

• Karbonathärte 6 bis 150 dH • Chloridgehalt < 100 mg/l [0017] Ein besonders bevorzugter Verfahrensablauf der Flüssigkeitsinjektion mittels der erfin-dungsgemäßen Anordnung wird im Folgenden anhand des konkreten Beispiels Wasser beschrieben: [0018] Zunächst wird die Wasserseite des Druckübersetzers mithilfe einer kleinen Pumpe vollständig befüllt. Zu Beginn des Zyklus wird bei abgesperrter Leitung zur Kavität ein Vorspanndruck in der Wasserzuleitung aufgebaut. Dadurch steht zum einen bei Beginn der Wasserinjektion sofort ein definierter Druck bereit, zum anderen wird damit verhindert, dass Schmelze aus der Kavität in den Behälter fließt. Nach dem Einspritzen der Schmelze wird zunächst eine zeitliche Verzögerung abgewartet, bevor die Leitung geöffnet wird. Im Laufe der Verzögerungszeit erstarrt die Kunststoffschmelze an der Kavitätenwand zunehmend, dieser Parameter bestimmt also in hohem Maße die Wanddicke des fertigen Bauteils. Die Wasserinjektion mittels des Einspritzkolbens verläuft nun regelungstechnisch analog zum Einspritzen der Kunststoffschmelze: [0019] Die erste Phase, die für die Ausbildung des Hohlraums verantwortlich ist, erfolgt durch geschwindigkeitsgeregelten Vorschub des Einspritzkolbens. Die zweite Phase, in der zur Kompensation der Schwindung des Kunststoffes über das Wasser ein Nachdruck im Inneren des Bauteils aufrecht erhalten wird, erfolgt druckgeregelt. Als Umschaltkriterium zwischen den beiden Phasen kann eine Wegposition des Einspritzkolbens (und/oder des ölseitigen zweiten Kolbens) herangezogen werden, wodurch über die Kolbenfläche das für die Hohlraumbildung 2/9

ästeifcscfistiiö patent AT10 679 U1 2009-08-15 verwendete Volumen exakt definiert ist. Alternativ dazu steht auch eine druck- oder zeitabhängige Umschaltung zur Verfügung.

[0020] Am Ende der Druckhaltephase erfolgt der Abbau des Wasserdruckes. Es hat sich gezeigt, dass ein sanfter Druckabbau von Vorteil ist, weil dadurch Kavitationseffekte vermieden werden. Dieser Druckabbau erfolgt daher geregelt entlang einer Sollwertvorgabe. Abschließend wird durch Offnen eines Ventils das Abfließen des restlichen Wassers aus dem Bauteil ermöglicht. Schließlich werden alle Leitungen zwischen Kavität und dem Behälter mit kaltem Wasser durchspült. Dadurch wird sichergestellt, dass im nächsten Zyklus keine Luft bzw. heißes Restwasser in das Bauteil gelangt.

[0021] Der Ablauf der Flüssigkeitsinjektion mittels des Einspritzkolbens gleicht also in weiten Bereichen dem Einspritzvorgang der Spritzgießmaschine. Eine Integration der Steuerung der Flüssigkeitsinjektion in die Maschinensteuerung der Spritzgießmaschine ist daher besonders vorteilhaft, da die zentralen steuerungs- und regelungstechnischen Komponenten nicht neu entwickelt werden müssen, sondern von der Kunststoff-Einspritzung übernommen werden können. Darüber hinaus ergeben sich für den Anlagenbediener eine Reihe an Vorteilen hinsichtlich Bedienkomfort und Nutzbarkeit der bestehenden Steuerungs-Infrastruktur; • Einheitliche Benutzeroberfläche und Bedienung • Speicherung der flüssigkeitsinjektions-spezifischen Einstelldaten im Teiledatensatz der Spritzgießmaschinen-Maschinensteuerung • Kurvenverläufe von Istwerten, wie Flüssigkeitsdruck und -menge können gemeinsam mit den Istwerten des Einspritzvorgangs visualisiert werden, was die Prozessoptimierung erleichtert • Qualitätsrelevante Flüssigkeitsinjektions-Parameter werden im Prozessdatenprotokoll der Spritzgießmaschine mit aufgezeichnet, oder in der Prozessdatengraphik dargestellt.

[0022] Durch die besonders bevorzugt vorgesehene hochauflösende Wegmessung des Einspritzkolbens und/oder des zweiten Kolbens und einer zusätzlich möglichen Druckmessung auf der Flüssigkeitsseite des Einspritzkolbens ist eine präzise Regelung der Flüssigkeitsinjektion möglich. Aus der Differenz der Kolbenpositionen zu Beginn und zum Ende einer Wasserinjektion ist die eingespritzte Wassermenge bekannt, und kann zur Prozessüberwachung und Dokumentation herangezogen werden. Die für den Spritzgießer geläufigen Parameter Einspritzzeit, Umschaltposition, Umschaltdruck und Massepolster stehen auch bei der Wasserinjektion für die Beurteilung der Reproduzierbarkeit zur Verfügung.

[0023] Durch die mechanische und besonders bevorzugt auch die steuerungstechnische Integration der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung in die Spritzgießmaschine kann die Flüssigkeitsinjektion erstmals über ein „zusätzliches Spritzaggregat" erfolgen. Dies stellt neben dem geringeren Platzbedarf und den reduzierten Druckverlusten vor allem für den Maschinenbediener und hinsichtlich der Teile-Reproduzierbarkeit wesentliche Vorteile dar.

[0024] Die gesamte Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung bestehend z. B. aus Druckübersetzer, Druckbeaufschlagungsmittel (z. B. Hydraulik der Spritzgießmaschine), einer Befüllpumpe und einem Tank wird im besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel als Flüssigkeitsinjektionsmodul für ein oder mehrere Kreise (z. B. für Mehrkavitätenwerkzeuge) komplett in die Spritzgießmaschine integriert und der komplette Prozessablauf über die Steuerung bzw. Regelung der Spritzgießmaschine gesteuert/geregelt. Die Abspeicherung der optimierten Einstelldaten erfolgt auf einem Datenträger. Durch die Integration der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (bevorzugt im Rahmen der Spritzgießmaschine) sind kürzeste Leitungslängen bis zum Werkzeug realisierbar. Dies ist für eine genaue Regelung der Volumenströme und Drücke sowie für einen geringen Wasserverbrauch vorteilhaft. Weiters wird durch diese Integration keine zusätzliche Aufstellfläche wie bei anderen Stand-Alone-Wasserinjektionseinheiten, die neben der Spritzgießmaschine stehen, benötigt.

[0025] Schutz wird auch begehrt für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.

[0026] Der Prozess wird besonders bevorzugt bei der Flüssigkeitsinjektion gleich wie bei der Schmelzeinjektion geführt: Die Einspritzung der Flüssigkeit, z. B. von Wasser erfolgt nach ei- 3/9 ästfütsdisclits patantt AT10 679 U1 2009-08-15 nem Volumenstromprofil (als Funktion der Einspritzkolbenposition im Druckübersetzer). Es folgt eine Umschaltung (volumen-, druck- oder zeitabhängig) von der Geschwindigkeitssteuerung oder -regelung auf eine Drucksteuerung oder -regelung nach Ausbildung einer bestimmten Hohlraumgröße (Rückschluss über eingespritzte Wassermenge). Es gibt eine Nachdruckfunktion zur Schwindungskompensation, Vermeidung von Lunkerbildung und Einfallstellen. Für die Nachdruckfunktion kann das Wasser im Hohlraum stehen und unter Druck gehalten werden oder auch über ein Auslassventil nach einer bestimmten Zeit (Ausbildung einer erstarrten Randschicht angrenzend zur Wassersäule) unter einstellbarem Gegendruck zur Intensivierung der Kühlwirkung durchgepumpt werden.

[0027] Die Figuren 1 bis 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Anordnungen.

[0028] Fig. 1 zeigt schematisch eine Spritzgießmaschine 1 mit unterhalb der Schließseite montierter Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4. Der besseren Übersichtlichkeit halber ist die Schutzumwehrung 2 in Fig. 1 weggelassen (siehe aber die Fig. 2 und 3). Schematisch gezeigt ist eine Hydraulikleitung 5 zur Beaufschlagung des zweiten Kolbens sowie eine Leitung 6 vom Behälter zur Kavität. Die strichlierten Pfeile sollen darstellen, dass sowohl die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4 als auch die restlichen Komponenten der Spritzgießmaschine durch ein und dieselbe Maschinensteuerung 7 steuerbar sind.

[0029] In den Fig. 2 und 3 sind die Leitungen, über welche die Flüssigkeit in den Behälter bzw. Kavität einbringbar ist, nicht dargestellt.

[0030] Fig. 2 zeigt die bereits in Fig. 1 dargestellte Spritzgießmaschine 1 mit Schutzumwehrung 2, wobei diesmal die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4 auf der bewegbaren Werkzeugauf-spannplatte 3 montiert ist.

[0031] Fig. 3 zeigt die Anordnung der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4 auf einem Ablageblech 9 der Schutzumwehrung 2. 4/9

Claims (19)

1. 3Ste:CiSChCS AT10 679 U1 2009-08-15 Ansprüche 1. Anordnung mit: - einer Spritzgießmaschine mit einer zumindest ein Spritzgießwerkzeug aufweisenden Schließeinheit, wobei im zumindest einen Spritzgießwerkzeug wenigstens eine Kavität ausgebildet ist und wobei die Schließeinheit und die Spritzeinheit innerhalb einer Schutzumwehrung angeordnet sind, - einer Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung zur Einbringung von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in die Kavität, wobei die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung einen über eine Leitung mit der Kavität verbindbaren Behälter zur Aufnahme von Flüssigkeit aufweist, wobei der Behälter durch einen durch Druckbeaufschlagungsmittel beaufschlagbaren Einspritzkolben begrenzt und über eine Leitung mit einer Flüssigkeitsversorgungseinrichtung verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (4) innerhalb der Schutzumwehrung (2) der Spritzgießmaschine (1) angeordnet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Spritzgießmaschine einen Maschinenrahmen aufweist, auf dem sich die Schließeinheit und die Spritzeinheit abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (4) am Maschinenrahmen (8) abstützt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (4) starr mit dem Maschinenrahmen (8) verbunden ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (4) relativ zum Maschinenrahmen (8) bewegbar gelagert ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (4) mit einer bewegbaren Werkzeugaufspannplatte (3) der Schließseite verbunden ist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgießmaschine (1) ein Hydrauliksystem aufweist und die Druckbeaufschlagungsmittel der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung (4) als eine Leitung des Hydrauliksystems ausgebildet sind.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbeaufschlagungsmittel einen Linearantrieb, vorzugsweise einen elektrischen Spindelmotor, aufweisen.
8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Einspritzkolben begrenzte Behälter Teil eines Druckübersetzers ist.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkolben über eine Kolbenstange mit einem zweiten Kolben verbunden ist und die Druckbeaufschlagungsmittel auf den zweiten Kolben wirken.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Einspritzkolbens kleiner als die Fläche des zweiten Kolbens ist.
11. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wegaufnehmer zur Erfassung der Position des Einspritzkolbens und/oder des zweiten Kolbens vorgesehen ist.
12. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsversorgungseinrichtung das öffentliche Wassernetz oder ein Betriebsnetz ist.
13. 13. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteiles mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem Kunststoff in wenigstens eine Kavität eines Spritzgießwerkzeuges eingebracht wird, wobei nach dem Einbringen von Kunststoff eine Flüssigkeit, ins- 5/9

    ästeifcscfistiiö patent AT10 679 U1 2009-08-15 besondere Wasser, zur Ausbildung eines Hohlraumes im eingebrachten Kunststoff in die wenigstens eine Kavität eingebracht wird und wobei der Hohlraum anschließend gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit sowohl während der Ausbildung des Hohlraumes als auch während des Spülens durch einen Einspritzkolben in die wenigstens eine Kavität befördert wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Flüssigkeit zur Ausbildung des Hohlraumes nach einem Volumenstromprofil als Funktion der Position des Einspritzkolbens erfolgt.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Flüssigkeit zur Ausbildung des Hohlraumes durch eine Steuerung oder Regelung der Geschwindigkeit des Einspritzkolbens erfolgt.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausbildung einer vorbestimmten Hohlraumgröße auf eine Drucksteuerung oder -regelung zur Erzeugung eines Nachdrucks umgeschalten wird.
17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass über die eingespritzte Flüssigkeitsmenge auf die Hohlraumgröße rückgeschlossen wird.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von der Geschwindigkeitssteuerung oder -regelung auf die Drucksteuerung oder -regelung volumen-, druck- oder zeitabhängig erfolgt.
19. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkolben Teil eines Druckübersetzers ist, welcher einen von einer Hydraulikpumpe beaufschlagbaren zweiten Kolben aufweist, wobei die Steuerung oder Regelung des Volumenstroms und/oder des Drucks der in die Kavität eingebrachten Flüssigkeit über ein Proportionalventil auf der Hydraulikseite erfolgt. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 6/9