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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spritzgiessmaschine mit einem bewegbaren ersten
Formteil und einem, insbesondere feststehenden, zweiten Formteil sowie einem durch einen gesonderten Stempelantrieb bewegbaren Prägestempel, wobei bei geschlossener Form der erste Formteil und der zweite Formteil aufeinander abgestützt sind und der Prägestempel im
Innenhohlraum der geschlossenen Form bewegbar ist. Des weiteren betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Betrieb einer solchen Spritzgiessmaschine.
Beim Stand der Technik ist das sogenannte Spritzprägeverfahren bereits bekannt. Häufig wird dies realisiert, indem zunächst in eine zum Teil geöffnete Form Material eingespritzt wird, während mit dem bewegbaren Formteil und dessen Hauptantrieb ein Gegendruck in der Form erzeugt wird. Ist die zum Teil geöffnete Form gefüllt, so wird in der Regel mittels des Hauptantriebs der bewegbare Formteil zurückgezogen, sodass sich die Form weiter öffnet, während weiterhin Material eingespritzt wird. Beim Erreichen einer gewissen
Endposition wird der Einspritzvorgang beendet und anschliessend erfolgt das Prägen des herzustellenden Spritzgussteils, indem der bewegbare Formteil mittels des Hauptantriebs wieder in Richtung des meist feststehenden zweiten Formteils bewegt wird.
Nachteil dieser Anordnung und Vorgehensweise ist es, dass zum Öffnen und Schliessen der Form während des Einspritzens und Prägens immer der gesamte bewegbare Formteil, zusammen mit der ihm zugeordneten Formaufspannplatte sowie dem Hauptantrieb und damit grosse Massen bewegt werden müssen. Hierdurch ist es vor allem bei kleinen SpritzgussteHen, wie zum
Beispiel optischen Linsen oder dergleichen, schwierig die geforderte Schussgewichtskonstanz, also die Forderung, dass bei nacheinander produzierten Spritzgussteilen immer dieselbe Menge Material pro Spritzgussteil verarbeitet wird, zu gewährleisten.
Um diesem Nachteil abzuhelfen, ist es bei gattungsgemässen Spritzgiessmaschinen bereits bekannt, einen in der geschlossenen Form mit einem gesonderten Stempelantrieb bewegbaren Prägestempel vorzusehen. Mittels des Prägestempels ist es wesentlich besser möglich die für das spitzzugiessende Teil verwendete Menge an Material und die Geometrie des spritzgegossenen Endproduktes zu steuern, da zum Öffnen der Form während des Einspritzens und zum anschliessenden Prägen nicht mehr das gesamte Formteil mit Formaufspannplatte und Hauptantrieb, sondern nur noch der Prägestempel mittels des Stempelantriebes zu bewegen ist. Gattungsgemässe Spritzgiessmaschinen sind zum Beispiel in der US 6,010,656 und der WO 02/30651 A1 gezeigt.
Letztgenannte internationale Patentanmeldung schlägt darüber hinaus einen Innendruckgeber zur Messung des Drucks in
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dem Innenhohlraum der geschlossenen Form vor, um den Innendruck möglichst konstant zu halten.
Die Praxis hat gezeigt, dass es auch durch die vorbekannten Massnahmen bisher nicht möglich war, die gewünschten Qualitätsanforderungen immer zu erfüllen und im Speziellen eine ausreichende Schussgewichtskonstanz zu gewährleisten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, gattungsgemässe Spitzgiessmaschinen in der Weise zu verbessern, dass der genannte Nachteil beseitigt ist.
Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Spritzgiessmaschine eine
Anpressdruckregeleinrichtung zur Regelung des vom Stempelantrieb auf den Prägestempel ausgeübten Anpressdrucks und/oder eine Positionsregeleinrichtung zur Regelung der Lage des Prägestempels relativ zum ersten oder zum zweiten Formteil aufweist.
Mit der erfindungsgemässen Anpressdruckregeleinrichtung ist es bei geschlossener Form möglich, den Anpressdruck des Prägestempels bei Bedarf oder permanent während des
Einspritzens und Prägens sehr präzise zu regeln. Die Anpressdruckregelung direkt am
Stempelantrieb oder am Prägestempel hat dabei den Vorteil, dass der Anpressdruckregelung immer ein integraler, für die gesamte Prägefläche des Prägestempels repräsentativer Anpressdruck zugrunde liegt. Hierdurch können lokale Verhärtungen des in die geschlossene Form eingespritzten Materials keine Verfälschung des Druckwertes zur
Folge haben, wie dies bei der Verwendung von vorbekannten Innendruckgebern beim Stand der Technik der Fall ist.
Durch die ebenfalls erfindungsgemässe Positionsregeleinrichtung kann die Lage des Prägestempels sehr genau zu definierten Zeitpunkten oder permanent während des Einspritz- und Prägevorgangs geregelt werden, wodurch eine hohe Präzision bezüglich der Menge des eingespritzten Materials und damit des Schussgewichtes, wie auch der Geometrie des herzustellenden Gegenstandes erreicht wird. Gemäss der Erfindung ist es hierbei vollkommen unerheblich, ob die Form aus zwei oder mehreren Formteilen besteht.
Darüber hinaus ist die Qualität des hergestellten Spritzgussteils auch nicht von der Art des Hauptantriebs, mit dem der bewegbare Formteil und die bewegbare Formaufspannplatte bewegt werden, abhängig, da sowohl das Einspritzen als auch der Prägevorgang bei geschlossener Form mit aufeinander abgestützten Formteilen durchgeführt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, dass durch eine erfindungsgemässe Regelung eine sehr hohe Schussgewichtskonstanz erreicht wird. Die Anpressdruck- und die Positionsregelung können
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hierbei zum Einen gemeinsam und gleichzeitig während einzelnen Verfahrensschritten des
Spritzprägevorgangs oder permanent eingesetzt werden. Zum Anderen kann es aber auch günstig sein, insbesondere zeitweise nur die Anpressdruckregelung oder nur die
Positionsregelung zu verwenden. Eine besonders günstige Ausführungsform sieht vor, dass während einzelner Verfahrensschritte in Abhängigkeit des Druckes geregelt wird und die
Positionsregelung vorwiegend oder lediglich zur präzisen Einhaltung, der in den
Verfahrensschritten zu erreichenden Endpositionen verwendet wird.
Alternativ ist es aber auch möglich, während einzelner Verfahrensschritte die Bewegung des
Prägestempels in Abhängigkeit der Position oder seiner Geschwindigkeit zu steuern oder zu regeln und die Anpressdruckregelung vorwiegend oder lediglich zur präzisen Einhaltung, der während der Verfahrensschritte zu erreichenden Endanpressdrücke zu verwenden.
Für die Anpressdruckregelung des Prägestempels stehen verschiedene Möglichkeiten zur
Verfügung. Vor allem bei hydraulisch angetriebenen Prägestempeln bietet sich eine tatsächliche Druckregelung oder aber auch eine Mengenregelung, im einfachsten Fall ein
Mengenregelventil, an. Vor allem bei der Verwendung von elektrischen Motoren zum Antrieb des Prägestempels kann die Anpressdruckregelung aber auch in Form einer
Drehmomentregeleinrichtung ausgeführt sein. Auch Kombinationen der verschiedenen
Varianten der Anpressdruckregeleinrichtung sind denkbar.
Als Stempelantrieb können unter anderem auch verschiedene beim Stand der Technik bekannte hydraulische, elektrische, elektrostriktive oder magnetostriktive Antriebe verwendet werden. Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass der Stempelantrieb ein hydraulisches Druckkissen ist.
Während in einer einfachen Ausführungsvariante die Druckregeleinrichtung ein vorzugsweise mechanisches Druckbegrenzungsventil aufweist, sieht eine weiter verbesserte Ausführungsvariante vor, dass die Druckregeleinrichtung einen Drucksensor zur Bestimmung des vom Stempelantrieb auf den Prägestempel ausgeübten Anpressdrucks aufweist. In Abhängigkeit des vom Drucksensor gemessenen Anpressdrucks kann dann mittels des Stempelantriebs der Anpressdruck sehr präzise geregelt werden.
Die Positionsregeleinrichtung sieht in der Regel eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der relativen Lage zwischen dem Prägestempel und dem ersten oder dem zweiten Formteil sowie eine Positionsstelleinrichtung zur Einstellung der genannten relativen
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Lage vor. Als Positionsstelleinrichtung kann hierbei wiederum der Einfachheit halber der
Stempelantrieb verwendet werden.
Ein günstiges Verfahren zum Betrieb einer solchen Spritzgiessmaschine sieht vor, dass bei geschlossener Form von der Anpressdruckregeleinrichtung der Anpressdruck des
Prägestempels und/oder von der Positionsregeleinrichtung die relative Lage zwischen
Prägestempel und dem ersten oder dem zweiten Formteil geregelt wird.
Bei einem
Spritzprägeverfahren mit den Verfahrensschritten: a) Schliessen der Form b) Positionieren des Prägestempels auf einer von einer Einspritzendposition abweichenden Anfangsposition c) Einspritzen einer ersten Teilmenge eines zu verarbeitenden Materials in die geschlossene Form, wobei der Prägestempel im wesentlichen auf der
Anfangsposition gehalten wird d) Fortsetzen des Einspritzens bei gleichzeitiger Vergrösserung eines
Forminnenhohlraums durch Bewegen des Prägestempels von der Anfangsposition in die Einspritzendposition e) Beenden des Einspritzvorgangs nach Erreichen der Einspritzendposition des
Prägestempels f) Prägen durch Bewegen des Prägestempels g) Öffnen der Form ist wiederum günstigerweise vorgesehen,
dass bei mindestens einem der Verfahrensschritte a bis g von der Anpressdruckregeleinrichtung der Anpressdruck des Prägestempels und/oder von der Positionsregeleinrichtung die relative Lage zwischen Prägestempel und dem ersten oder dem zweiten Formteil geregelt wird. Vorteilhafte Verfahren sehen vor, dass während der Verfahrensschritte c und/oder d und/oder e und/oder f der von dem Prägestempel dem eingespritzten Material entgegengesetzte Anpressdruck mit der Anpressdruckregeleinrichtung in Abhängigkeit von Sollwerten oder Sollwertverläufen
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geregelt, vorzugsweise während der Verfahrensschritte c und/oder d und/oder e konstant gehalten, wird und/oder während der Verfahrensschritte b und/oder c und/oder d und/oder e und/oder f, vorzugsweise permanent,
die relative Lage zwischen dem Prägestempel und dem ersten oder dem zweiten Formteil mit der Positionsregeleinrichtung in Abhängigkeit von
Sollwerten oder Sollwertverläufen geregelt wird.
Besonders günstige Varianten sehen vor, dass bei Verfahrensschritt c) das Ol eingesperrt oder die Position des Prägestempels mit der Positionsregeleinrichtung konstant gehalten oder eine Druckregelung oder Druckbegrenzung (entsprechend Drehmoment- oder
Mengenregelung oder-begrenzung) vorgenommen wird. Alternativ kann in einer anderen
Variante auch ganz auf Verfahrensschritt c) verzichtet werden. Bei Verfahrensschritt d) bietet sich eine Druckregelung an, welche den vom Prägestempel erzeugten Gegendruck entweder konstant halten oder nach einem Sollwertprofil regeln kann. Die Positionsregelung wird in
Verfahrensschritt d) in einer einfachen Variante lediglich zur Überwachung, wann der
Prägestempel die Einspritzendposition erreicht, eingesetzt.
Wird dies von der
Positionsregelung festgestellt, so folgt Schritt e), wobei in bevorzugter Weise der Anguss zu diesem Zeitpunkt verschlossen wird.
Andersherum ist es auch möglich während Verfahrensschritt d den Prägestempel geschwindigkeits- bzw. positionsgesteuert oder-geregelt bis zu einer Endposition zurück zu ziehen, um den Prägestempel dann durch die vorbeschriebenen Massnahmen in dieser Endposition zu halten. Die Anpressdruckregeleinrichtung wird in dieser Variante dazu eingesetzt, das Erreichen eines vorgebbaren Enddruckes bei fortgesetztem Einspritzen zu überwachen, um dann beim Erreichen des Enddrucks den Einspritzvorgang zu beenden (analog Verfahrensschritt e) und vorzugsweise den Anguss zu verschliessen.
Durch die vorbeschriebenen Verfahrensvarianten wird immer erreicht, dass beim Beenden des Einspritzens der Druck und das Volumen des eingespritzten Materials den Sollwerten entsprechen und dadurch die gewünschte Massekonstanz gegeben ist. Der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen geschilderten Verfahrensvarianten auch auf gattungsfremde Spritzgiessmaschinen ohne gesonderten Stempelantrieb und Prägestempel sinngemäss übertragen werden können. Hierbei ist es jedoch vor allem bei kleinen Spritzgiessteilen in der Regel nicht möglich, eine ähnlich hohe Massekonstanz wie mit den erfindungsgemässen Ausführungsformen der Spritzgiessmaschine zu erreichen, da Anpressdruck- und/oder Positionsregelung mit dem Hauptantrieb der Schliessseite realisiert werden müssten.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale. der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der beigelegten Figuren. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Spritzgussform mit Prägestempel in einer einfachen erfindungsgemässen
Ausführungsvariante mit Druckbegrenzungsventil und
Fig. 2 eine Spritzgussform mit Prägestempel in einer zweiten erfindungsgemässen
Ausführungsform.
Beide Figuren zeigen einen ersten bewegbaren Formteil 3, welcher an der bewegbaren
Formspannplatte 1 angeordnet ist und einen zweiten feststehenden Formteil 4, welcher von der feststehenden Formaufspannplatte 2 getragen wird. Der Hauptantrieb zur Bewegung der
Formaufspannplatte 1 kann in verschiedenen Varianten gemäss dem Stand der Technik ausgeführt sein und ist nicht explizit dargestellt. Die Formteile 3 und 4 sind in der dargestellten geschlossenen Position der Form aufeinander abgestützt, während der
Prägestempel 5 innerhalb der Form (bestehend aus den Formteilen 3 und 4) mittels des
Stempelantriebs frei bewegbar ist. Durch die aufeinander abgestützten Formteile 3 und 4 ist der vom Hauptantrieb aufgebrachte Anpressdruck für die weiter unten geschilderte Regelung nicht weiter von Belang.
Es ist lediglich sicherzustellen, dass die Form während des
Einspritz- und Prägevorgangs geschlossen bleibt.
Das einzuspritzende Material wird in den Forminnenhohlraum 6 über den Anguss 13 eingebracht. Zur Temperaturregelung sind, wie beim Stand der Technik bekannt, Isolierplatten 11 und Kühlelemente 12 vorgesehen. In beiden Figuren 1 und 2 ist der Prägestempel 5 jeweils in zwei verschiedenen Positionen dargestellt. In Realität besteht er in den gezeigten Beispielen jedoch aus einem zusammenhängenden Bauteil. Der Bereich unterhalb der zeichnerischen Trennlinie 21 zeigt den Prägestempel in weit vorgeschobener Position, wobei der Forminnenhohlraum 6 sehr klein ist. Der Bereich oberhalb der Trennlinie 21 zeigt den Prägestempel 5 in einer weitgehend zurückgezogenen Position mit grossem Forminnenhohlraum 6. Der Prägestempel 5 kann sich, wie hier dargestellt, über den gesamten Hohlraum 6 der geschlossenen Form oder über nur einen Teil davon erstrecken.
Der Stempelantrieb besteht im gezeigten Beispiel aus einem Druckkissen 8, welches über einen Kolben 7 den Prägestempel 5 antreibt. Das Druckkissen 8 wird wiederum über entsprechende Hydraulikleitungen, ein Rückschlagventil 16 und ein Sicherheitsmodul 15 von der Hydraulikpumpe 14 mit Hydraulikfluid beaufschlagt. Zur Abdichtung des Kolben 7 gegen
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den ihn umfassenden Zylinder sind die Dichtungen 9 vorgesehen. Die Messung der Position des Prägestempels 5 erfolgt über die Positionsmesseinrichtung 10.
In beiden Figuren erfolgt die Positionsregelung mit dem Positionsregler 18, der
Positionsmesseinrichtung 10 und der Hydraulikpumpe 14. Für die Positionsregelung kann dem Positionsregler 18 für jeden Verfahrensschritt des Spritzprägens ein
Positionssollwertverlauf vorgegeben werden. Die Druckregeleinrichtung weist in dem einfachen Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ein mechanisches Druckbegrenzungsventil 17 und die Hydraulikpumpe 14 auf. In diesem Ausführungsbeispiel folgt die Hydraulikpumpe 14 ausschliesslich den Anweisungen des Positionsreglers 18. Durch das
Druckbegrenzungsventil 17 wird hierbei die Entstehung eines zu hohen Anpressdrucks verhindert.
Fig. 2 zeigt eine Variante bei der neben dem Positionsregler 18 auch ein Druckregler 19 vorgesehen ist. Grundsätzlich können alle, also auch die hier getrennt dargestellten Regler
18 und 19 auch als ein gekoppelter gemeinsamer Regler für den Anpressdruck und die
Position des Prägestempels 5 ausgebildet sein. Der Druckregler 19 erhält vom Drucksensor
22 ein für den Anpressdruck des Stempels 5 repräsentatives Signal und regelt in Abhängigkeit von vorgebbaren Drucksollwerten oder -sollwertverläufen, die Hydraulikpumpe
14 und das Ablassventil 20.
Das in den gezeigten Beispielen an der beweglichen Formaufspannplatte 1 angeordnete
Druckkissen 8 bewegt den Prägestempel 5 und bringt damit sowohl den Gegendruck beim Füllen des Forminnenhohlraums 6 sowie den anschliessenden Prägedruck auf. Die Bewegung des Prägestempels 5 ist hierbei von der, durch den hier nicht dargestellten Hauptantrieb vorgenommenen, Bewegung entkoppelt. Optional können der Stempelantrieb und der Prägestempel 5 nach öffnen der Form auch als Auswerfer für die spritzgegossenen Teile verwendet werden.
Die gesamte dargestellte Schliessseite ist während der gesamten Füll- und Prägephase durch die permanent aufeinander abgestützten Formteile 3 und 4 in gleichem Masse vorgespannt.
Durch den geringen benötigten Druckkissenhub ist auch die benötigte Ölmenge relativ gering. Über die Druckregeleinrichtung sind die Drücke und Wege beim Aufblasen des Forminnenhohlraums 6 sowie beim Prägen sehr exakt regelbar. Das Druckkissen 8 bzw. der Stempelantrieb können als Bestandteil der Maschine ausgeführt werden und sind somit für alle Werkzeuge verwendbar. Gegenkraftzylinder zum Halten der durch die Formteile 3 und 4
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definierten Trennebene, wie sie in nicht erfindungsgemässen Varianten benötigt werden, können entfallen. über den Druck im Druckkissen erhält man eine integrale Information über den Forminnendruck über die gesamte projizierte Fläche des Prägestempels 5. Die Öffnungsweite des Forminnenhohlraums 6 kann über die Positionsregeleinrichtung bestimmt werden.
Ein typischer Verfahrensablauf beim Spritzprägen sieht vor, dass zunächst der Prägestempel
5 so positioniert wird, dass der Forminnenhohlraum 6 gegenüber der endgültigen
Formteildicke eine reduzierte Spaltquerschnittsfläche aufweist. Anschliessend erfolgt teilweises oder vollständiges Füllen des verkleinerten Forminnenhohlraums 6. Während dieses Füllvorgangs kann die Position des Prägestempels 5 durch die Positionsregelung konstant gehalten werden. Alternativ hierzu kann, wenn eine geringfügige Vergrösserung der
Forminnenhohlraumquerschnittsfläche toleriert wird, auch das Druckfluid im Druckkissen 8 eingesperrt werden. Der Forminnenhohlraum 6 vergrössert sich in diesem Fall abhängig von der Kraft die durch den Forminnendruck auf die projizierte Fläche des Forminnenhohlraum 6 ausgeübt wird, entsprechend der Kompressibilität des Hydraulikfluids.
Das Erreichen des gewünschten Füllgrades des Forminnenhohlraums 6 kann wahlweise durch den
Einspritzdruck oder den im Druckkissen 8 gemessenen Anpressdruck oder die gemessene
Stempelposition erkannt werden. Optional kann der Füllvorgang fortgesetzt werden, wobei der Prägestempel 5 durch das einströmende Material aufgetrieben und so der
Forminnenhohlraum 6 vergrössert wird. Dem eingespritzten Material bzw. der Schmelze wird mit dem Stempelantrieb, dem Prägestempel 5 und der Druckregeleinrichtung eine definierte
Gegenkraft entgegengesetzt. Während der Bewegung des Prägestempels 5 wird ständig seine aktuelle Position gemessen, sodass zu jedem Zeitpunkt das Volumen der eingespritzten Schmelze bekannt ist. Wird das gewünschte Forminnenvolumen erreicht, so wird der Einspritzvorgang gestoppt und der Anguss 13 durch eine geeignete Vorrichtung verschlossen.
Anschliessend erfolgt der Prägevorgang, wobei wiederum der Anpressdruck und/oder die Position des Prägestempels 5 erfindungsgemäss geregelt werden kann. Druck und Volumen sind aufgrund der oben beschriebenen Vorgangsweise von Schuss zu Schuss konstant. Unter der Voraussetzung einer konstanten Temperatur ist somit auch die Massekonstanz gewährleistet. Durch die erfindungsgemässe Vorgangsweise haben eventuelle Schwankungen im Schliessverhalten der Rückstromsperre (hier nicht dargestellt) keinen Einfluss auf das Formteilgewicht. Die Einstellung der Gegenkraft im Druckkissen 8 kann im einfachsten Fall über ein mechanisches Druckbegrenzungsventil 17 erfolgen.
Ebenso ist der Einsatz von Druck- oder Mengenventilen 20 möglich, wodurch beliebige Gegendruckprofile bzw. Gegenkraftprofile aufbringbar sind.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Besonderen sind bei der Ausprägung der Druckregeleinrichtung und der Positionsregeleinrichtung sowie des Stempelantriebs und des Prägestempels selbst verschiedenste erfindungsgemässe Varianten möglich, um beim Spritzprägen definierte Gegendrücke bzw. Anpressdrücke und definierte Positionen des Prägestempels 5 zu fahren.