-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung einer Einspritzeinheit
einer Spritzgießmaschine,
mit einer elektrisch betätigten
Spindelanordnung und einem Hydraulikzylinder, über die die Einspritzeinheit
axial verschiebbar ist.
-
Aus
der
DE 101 04 109
A1 und der
DE
101 35 516 A1 ist eine Einspritzeinheit für eine Spritzgießmaschine
bekannt, bei der in einem beheizten Zylinder eine Schnecke drehbar
und axial verschiebbar geführt
ist. Der Antrieb der Schnecke erfolgt über einen Spindeltrieb, wobei
eine Spindel koaxial zur Schnecke angeordnet ist und von einem Elektromotor
angetrieben wird. Der Schnecke ist ein Hydrozylinder zugeordnet,
dessen bodenseitiger Zylinderraum über ein Drosselventil mit einer
Pumpe bzw. einem Tank verbindbar ist.
-
Zum
Dosieren und Plastifizieren des Kunststoffgranulats wird die Spindel
des Spindeltriebs über einen
Elektromotor angetrieben, wobei eine Spindelmutter drehbar und axial
nicht verschiebbar gelagert ist und mitdreht. Das Kunststoffgranulat
wird eingezogen, aufgeschmolzen, mittels der rotierenden Schnecke
hin zu einer Verschlussdüse
gefördert
und durch den sich vor der Schnecke im Zylinder ausbildenden Staudruck
wird dann die Schnecke in Axialrichtung nach hinten weg von der
Verschlussdüse
der Einspritzeinheit bewegt. Dieser Staudruck wird über den
Hydrozylinder und durch geeignete Einstellung des diesem zugeordneten Drosselventils
nach einem vorbestimmten Nachdruckverlauf geregelt.
-
Nach
diesem Dosier- und Plastifiziervorgang wird zum Einspritzen der
Formmasse die Schnecke in Axialrichtung verschoben. Hierzu wird
die Spindelmutter mittels einer Bremse festgelegt und die Drehrichtung
des Elektromotors umgesteuert, so dass die Spindel und die Schnecke
nach vorne, hin zur Einspritzdüse
des Zylinders bewegt werden. Das Mitdrehen der Schnecke wird durch
einen Freilauf verhindert. Durch diesen Axialvorschub der Schnecke
wird die Kunststoffmasse über
die Verschlussdüse
des Zylinders in die Kavität
des Werkzeugs eingespritzt. Der Axialvorschub der Schnecke wird
dabei durch Ansteuerung des Hydrozylinders unterstützt, dessen Zylinderraum über die
genannte Pumpe mit Druckmittel beaufschlagt ist.
-
Aus
der
EP 0 508 277 A2 ist
eine Einspritzeinheit bekannt, die mit einem Spindeltrieb und einem
Hydraulikzylinder ausgeführt
ist, wobei der Axialvorschub während
des Einspritzvorgangs durch die Ansteuerung des Spindeltriebs bestimmt
ist. Beim Umschalten auf die Nachdruckphase wird der Hydraulikzylinder
hinzugeschaltet, so dass der weitere Hub durch den Spindeltrieb
und die vom Hydraulikzylinder aufgebrachte Kraft bestimmt ist.
-
Bei
derartigen Spritzgießmaschinen
erfolgt die eigentliche Formteilbildung in zwei Prozessphasen. Während des
vorbeschriebenen Einspritzvorgangs wird die Kavität volumetrisch
gefüllt.
Dabei legt die Schnecke den durch die Ansteuerung des Spindeltriebs
bestimmten Einspritzweg zurück.
Zum Zeitpunkt der Füllung
der Kavität
wird die Spritzgießmaschine
auf Nachdruck umgeschaltet. Diese Nachdruckphase dient dazu, dem
sich abkühlenden
und damit volumetrisch schwindenden Formteil Schmelze zum Ausgleich
dieser Schwindung zuzuführen. Während dieser
Nachdruckphase wird ein vorgegebenes Druckprofil geregelt, wobei
der zurückgelegte Weg
der Schnecke gegenüber
dem vorbeschriebenen Einspritzweg sehr gering ist. Wegen dieses
kurzen Wegs der Schnecke während
der Nachdruckphase bereitet die Regelung der vorbeschriebenen Spritzgießmaschinen
mit elektrisch angesteuertem Spindeltrieb und zusätzlicher
hydraulischer Unterstützung
erhebliche Probleme. Dabei ist insbesondere die Motormomentenregelung
des Spindeltriebs während
der Nachdruckphase schwierig zu beherrschen.
-
Eine ähnliche
Problematik liegt auch bei der Schließeinheit einer Spritzgießmaschine
vor, bei der zum Schließen
der Form zunächst
in möglichst
kurzer Zeit ein langer Weg zu durchfahren ist und dann während des
Einspritzens und der Nachdruckphase hohe Zuhaltekräfte aufgebracht
werden müssen,
um die Form zuzuhalten.
-
Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung
einer Schließ- oder Einspritzeinheit
einer Spritzgießmaschine
zu schaffen, das eine präzisere
Ansteuerung der Einheit während
der Nachdruckphase bzw. in der Schließstellung des Werkzeugs ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
-
Die
Spritzgießmaschine
hat eine Schließ- oder
Einspritzeinheit, die über
eine elektrisch betätigte
Spindelanordnung und einen Hydraulikzylinder in Axialrichtung verschiebbar
ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
wird diese per se bekannte Einheit so angesteuert, dass während eines
ersten, vergleichsweise großen
Hubes die elektrisch betätigte Spindelanordnung und
der Hydraulikzylinder gemeinsam betätigt werden und während eines
vergleichsweise kurzen Hubes, der beispielsweise während der
Nachdruckphase des Einspritzvorgangs erforderlich ist, der Axialvorschub
nur über
den Hydraulikzylinder erfolgt, dessen Positionsregelung wesentlich
einfacher beherrschbar ist als bei der für große Hübe ausgelegten elektrisch betätigten Spindelanordnung.
-
Das
erfindungsgemäße Konzept
wendet sich von den bisher bekannten Lösungen ab, bei denen während der
Nachdruckphase der Vorschub sowohl durch die Ansteuerung der Spindelanordnung
als auch durch die Regelung der Druckmittelversorgung des Hydraulikzylinders
erfolgt.
-
Das
Freischalten des Antriebs der Spindelanordnung während dieses kurzen Hubes (insbesondere
während
der Nachdruckphase) kann beispielsweise durch Einrücken einer
den elektrischen Antrieb der Spindelanordnung festlegenden Bremse,
durch Betätigen
einer Kupplung oder durch geeignete Regelung des Motors erfolgen,
so dass dieser in einer vorbestimmten Position gehalten wird.
-
Die
vorbestimmte Position, in der der Spindelantrieb freigeschaltet
wird, kann veränderlich
ausgeführt
werden, wobei die Hubdifferenz dann über den Hydraulikzylinder ausgeglichen
wird. Auf diese Weise wird es vermieden, dass die Nachdruckphase immer
in der gleichen Position des Spindelantriebs einsetzt, so dass die
Führungs-
und Lagerelemente des Spindeltriebs bei Einsetzen der Nachdruckphase nicht
immer an der gleichen Stelle belastet werden.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird der Druck im Hydraulikzylinder erfasst und als Maß für die auf
die Einheit wirkenden Kräfte
bei der Regelung des Einspritz- bzw. Schließvorgangs verwendet.
-
Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
-
Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Einspritzeinheit einer Spritzgießmaschine
und
-
2 ein
alternatives Ausführungsbeispiel einer
Einspritzeinheit.
-
Die
in 1 dargestellte Einspritzeinheit 1 hat
eine in einem beheizten Zylinder 2 drehbar gelagerte Schnecke 4,
die mittels eines Spindeltriebs 6 angetrieben wird. Dem
Spindeltrieb 6 ist ein Hydraulikzylinder 8 zugeordnet, über den
zusätzlich
zum Spindeltrieb 6 eine Axialkraft auf die Schnecke 4 aufgebracht
werden kann.
-
Die
gesamte Einspritzeinheit ist in einem Gehäuse 10 gelagert, das
axial verschiebbar auf dem Gestell der Spritzgießmaschine (nicht dargestellt)
geführt
ist. Das Gehäuse 10 ist über einen
Vorschubzylinder 12 verschiebbar, so dass die Einspritzeinheit 1 über eine
Einspritzdüse 15 in
Anlage an eine nicht dargestellte Angussbuchse des Werkzeuges bringbar
ist oder von dieser abgehoben werden kann.
-
Der
prinzipielle Grundaufbau der in der Figur dargestellten Einspritzeinheit
ist bereits aus der eingangs genannten
DE 101 04 109 A1 bekannt,
so dass hier nur die zum Verständnis
der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert werden.
-
Der
Spindeltrieb 6 hat eine Spindel 14, die drehbar
und axial verschiebbar im Gehäuse 10 gelagert
ist. Der Antrieb der Spindel 14 erfolgt über ein Zahnrad 16,
das axial verschiebbar und drehfest an der Spindel 14 gelagert
ist. Das Zahnrad 16 ist über einen Zahnriemen 17 mit
einem Antriebsritzel 18 des Spindeltriebs verbunden, das über eine
Kupplung 19 mit der Antriebswelle eines Elektromotors 20 (momenten-
oder drehzahlgeregelt) verbunden ist. Die Ansteuerung des Elektromotors 20 erfolgt über eine Steuereinheit 22 der
Spritzgießmaschine.
-
Ein
mit einem nicht selbsthemmenden Vorschubgewinde (bspw. Kugel- oder
Rollengewindetrieb) versehener Spindelabschnitt 24 kämmt mit
einer Spindelmutter 26, die drehbar am Gehäuse 10 gelagert
und über
ein Axiallager 29 in Axialrichtung festgelegt ist. Eine
Drehbewegung der Spindelmutter 26 lässt sich mittels einer Bremse 28 verhindern.
-
Die
Spindel 14 ist über
eine Freilaufkupplung mit der Schnecke 4 verbunden, so
dass der axiale Hub der Spindel 14 in eine Vorschubbewegung
der Schnecke 4 umgesetzt wird, wobei diese nur beim Dosieren
mitdreht.
-
Ein
rückwärtiger,
von der Schnecke 4 entfernter Endabschnitt des Spindelabschnittes 24 ist über eine
Drehkupplung 31 mit einer Kolbenstange 32 eines
Kolbens 34 des Hydraulikzylinders 8 verbunden.
Diese Drehkupplung 31 sorgt dafür, dass nur Axialverschiebungen
des Kolbens 34 auf die Spindel 14 (und umgekehrt) übertragen
werden und dass der Kolben 34 eine Drehbewegung der Spindel 14 nicht mitmacht.
-
Ein
Ringraum 36 und ein Zylinderraum 38 können über ein
Proportionalwegeventil 40 mit einer Pumpe 42 oder
einem Tank T verbunden werden. In der dargestellten Grundposition
befindet sich das Proportionalwegeventil 40 in einer Sperrstellung,
in der die Zuleitungen zum Zylinderraum 38 und zum Ringraum 36 abgesperrt
sind.
-
Die
Zuführung
von Kunststoffgranulat in den Zylinder 2 der Einspritzeinheit 1 erfolgt über einen Einzugstrichter 46.
Während
des Dosierens und Plastifizierens ist die Einspritzeinheit 1 mittels
des Vorschubzylinders 12 von der Angussbuchse des Werkzeugs
abgehoben. Der Elektromotor 20 wird so betätigt, dass über den
Einzugstrichter 46 Kunststoffgranulat in den beheizten
Zylinder 2 eingezogen und nach vorne, hin zur Einspritzdüse 15 gefördert wird. Die
Formmasse schmilzt auf und durch den sich vor der Schnecke 4 ausbildenden
Staudruck wird diese in Axialrichtung nach hinten (rechts in der
Figur) verschoben. Dieser Staudruck lässt sich über die Steuereinheit 22 oder
durch geeignete Ansteuerung des Proportionalwegeventils 40 regeln,
wobei der Druck im Zylinderraum 38 oder im Ringraum 36 als
Maß für den Staudruck
ausgewertet werden kann. Nach dem Plastifizieren der Formteilmasse
wird die Einspritzeinheit 1 mittels des Vorschubzylinders
nach vorne gefahren, so dass die Einspritzdüse 15 an der Angussbuchse
des Werkzeugs anliegt.
-
Zum
Einspritzen der Schmelze wird die Spindelmutter 26 mit
der Bremse 28 festgelegt und die Drehrichtung des Motors 20 umgesteuert.
Durch den Eingriff zwischen der Schnecke 4 und der festgelegten
Spindelmutter 26 wird die Spindel 14 in Axialrichtung
nach vorne (links in der Figur) verschoben, wobei diese Rotation
der Spindel 14 durch die nun wirksame Freilaufkupplung 30 nicht
auf die Schnecke 4 übertragen
wird.
-
Die
Vorschubbewegung der Spindel 14 wird durch den Hydraulikzylinder 8 unterstützt, wobei
das Proportionalventil 40 in eine Regelposition verschoben
wird, in der der Zylinderraum 38 mit Druckmittel versorgt
wird und der sich verkleinernde Ringraum 36 mit dem Tank
T verbunden ist. D.h. der Axialvorschub der Schnecke 4 wird
während
des Einspritzens der Formmasse zunächst gemeinsam durch den Spindeltrieb 6 und
den Hydraulikzylinder 8 bestimmt.
-
Die
Schnecke 4 durchfährt
daraufhin den Einspritzweg und zum Zeitpunkt der Füllung der Werkzeugkavität wird auf
die Nachdruckphase umgeschaltet. Diese Nachdruckphase dient dazu,
dem sich abkühlenden
und somit volumetrisch schwindenden Formteil Kunststoff zum Ausgleich
dieser Schwindung zuzuführen.
Während
der Nachdruckphase wird ein vorgegebenes Profil geregelt, wobei der
zurückgelegte
Weg der Schnecke 4 vergleichsweise gering ist. Während dieses
kurzen Hubes in der Nachdruckphase wird erfindungsgemäß der elektrische
Antrieb wirkungslos geschaltet. Dies erfolgt bei dem vorbeschriebenen
Ausführungsbeispiel
dadurch, dass der Elektromotor 20 über die Kupplung 19 vom
Ritzel 18 getrennt oder in einen Leerlauf umgeschaltet
wird, so dass die Spindel 14 vom Elektromotor 20 nicht
angetrieben wird. Der Hub während der
Nachdruckphase erfolgt dann durch Ansteuerung des Proportionalwegeventils 40 derart,
dass Druckmittel in den Zylinderraum 38 geführt und
somit die Schnecke 4 nach einem vorgegebenen Nachdruckprofil
in der Figur nach links bewegt wird, wobei die Bremse 28 gelüftet ist.
Die Freischaltung des elektrischen Antriebs kann an unterschiedlichen
Hubpositionen erfolgen, so dass die Nachdruckphase nicht immer an
der gleichen Hubposition der Spindel 14 erfolgt, so dass
deren Verschleiß verringerbar
ist. Der Hydraulikzylinder 8 wirkt somit als "Nachdruckbaustein", über den
der Nachdruck nach einem vorbestimmten Verlauf steuerbar ist.
-
Es
zeigte sich, dass die Regelung des Nachdrucks über den Hydraulikzylinder 8 wesentlich
exakter durchführbar
ist als bspw. eine Momentenregelung des Elektromotors 20,
so dass sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Formteilqualität mit geringem
Aufwand verbessern lässt.
-
Im
Anschluss an die Nachdruckphase erfolgt dann wieder das Dosieren
und Plastifizieren der Formmasse für den nächsten Spritzzyklus, wobei
der Hydraulikzylinder 8 durch geeignete Ansteuerung des
Proportionalwegeventils 40 wieder in seine Endlage nach
rechts zurückgefahren
wird und so auch der Staudruck regelbar ist.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
der Hydraulikzylinder 8 rechts von der Schnecke 4 und
von der Spindel 14 angeordnet. Selbstverständlich kann
auch eine andere konstruktive Variante gewählt werden. Gemäß 2 ist
bespielsweise der Hydraulikzylinder 8 im Kraftfluss zwischen
der Schnecke 4 und der Spindel 14 angeordnet.
Bei dieser Variante ist die Spindel 14 direkt mit der Kolbenstange 32 des
Kolbens 34 des Hydraulikzylinders 8 verbunden.
Der Kolben 34 ist drehfest im Zylindergehäuse 44 aufgenommen,
so dass eine Rotation der Spindel 14 auch auf den Hydraulikzylinder 8 übertragen
wird. Dieser ist somit in den Kraftfluss des elektrischen Antriebs
eingesetzt.
-
Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden für den elektromotorischen
Antrieb der Spindel 14 zwei Antriebe verwendet. Der rotatorische
Antrieb der Spindel 14 erfolgt – wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel – über den
Elektromotor 20, der das Ritzel 18 antreibt und über den Zahnriemen 17 mit
dem drehfest mit der Spindel 14 verbundenen Zahnrad 16 in
Funktionseingriff steht. Die Axialverschiebung der Spindel erfolgt
mittels eines ebenfalls von der Steuereinheit 23 angesteuerten
weiteren Elektromotors 50, der über ein Getriebe, beispielsweise
ein Ritzel oder einen Zahnriemen die Spindelmutter 26 antreibt,
um einen Axialvorschub der Spindel 14 und damit der Kolbenstange 32 zu
bewirken.
-
Die
Spindelmutter 26 ist über
ein Axiallager 29 am Gehäuse 10 abgestützt.
-
Zum
Dosieren und Plastifizieren wird der Elektromotor 20 angesteuert
und entsprechend die Spindel 14 gedreht. Diese Drehbewegung
wird über den – vorzugsweise
eingefahrenen Hydraulikzylinder 8 auf die Schnecke 4 übertragen,
so dass Kunststoffgranulat eingezogen und plastifiziert wird. Während des
Plastifizierens wird die Schnecke 4 durch den sich ausbildenden
Staudruck nach hinten verschoben, wobei der Staudruck durch geeignete
Ansteuerung des weiteren Elektromotors 50 und damit einer Axialbewegung
der Schnecke 14 einstellbar ist. Dieser Staudruck kann
zusätzlich
noch dadurch eingestellt werden, indem der Hydraulikzylinder 8 in
die Staudruckregelung einbezogen wird. Dabei wird über das
Wegeventil 40 der Druck so geregelt, dass sich der Ringraum 36 vergrößert und
der Zylinderraum 38 verkleinert, so dass der Kolben in
seine in 2 dargestellte Endposition mit
Bezug zum Zylindergehäuse 44 verfahren
wird, in der der Zylinderraum 38 minimal oder zumindest
verhältnismäßig klein
ist.
-
Zum
Einspritzen wird der weitere Elektromotor 50 angesteuert,
so dass die Spindel 14 einen Axialvorschub durchführt. Dabei
wird das Proportionalwegeventil 40 in seine Schließstellung
gebracht, so dass der Hydraulikzylinder 8 hydraulisch eingespannt
ist. Dieser muss seine vorbeschriebene Endstellung nicht notwendigerweise
einnehmen, wenn das im Zylinderraum 38 eingespannte Druckmittel
die Steife des Antriebs während
des Einspritzens nicht negativ beeinflußt.
-
Ein
wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass durch
die Druckmessung in den Druckräumen 38, 36 des
Zylinders 8 auf die während der
Einspritzphase, der Nachdruckphase und während des Plastifizierens wirkenden
Kräfte
zurüdgeschlossen
werden kann, so dass die Druckmessung die sonst für eine Kraftermittlung
notwendige Meßdose
ersetzen kann.
-
Beim
Umschalten auf die Nachdruckphase wird der Motor 50 durch
eine nicht dargestellte Bremse oder dergleichen festgehalten und
die weitere Bewegung der Schnecke 4 wird durch Ansteuerung
des Hydrozylinders 8 bestimmt. Dabei wird das Proportionalwegeventil 40 in
eine Regelposition verschoben, in der Druckmittel in den Zylinderraum 38 einströmt und aus
dem Ringraum 36 verdrängt
wird. Das Zylindergehäuse 44 wird
gegenüber
dem Kolben 34 in der Darstellung gemäß 2 nach links
verschoben, um den Hub der Schnecke 4 während der Nachdruckphase zu
regeln. Prinzipiell ist es auch möglich, den Nachdruckbaustein
bestehend aus dem Hydraulikzylinder 8 und dem Proportionalwegeventil 40 während der
Restkühlzeit
zur Entlastung der Schnecke oder – wie oben angedeutet – nach dem
Plastifizieren zum Schneckenkolbenrückzug einzusetzen.
-
Ansonsten
wird hinsichtlich der Funktion der Einsprizteinheit 1 und
der Beschreibung der sonstigen Bauelemente des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels
auf die Ausführungen
zu 1 verwiesen.
-
Wie
bereits erwähnt,
ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht auf die Anwendung bei einer Einspritzeinheit beschränkt, sondern
kann im Prinzip überall
da eingesetzt werden, wo ein elektrischer und ein hydraulischer
Antrieb zum Axialvorschub einer Maschine, beispielsweise einer Schließeinheit
einer Spritzgießmaschine
verwendet wird und wobei über den
hydraulischen Antrieb ein vergleichsweise kurzer Hub mit hoher Präzision geregelt
werden soll.
-
Offenbart
ist ein Verfahren zur Ansteuerung einer Einspritzeinheit einer Spritzgießmaschine,
deren Hub über
einen elektrischen Antrieb und einen hydraulischen Antrieb gesteuert
wird. Erfindungsgemäß wird der
elektrische Antrieb bei Erreichen einer vorbestimmten Hubposition
freigeschaltet, so dass der restliche Hub alleine durch den hydraulischen
Antrieb erfolgt.
-
- 1
- Einspritzeinheit
- 2
- Zylinder
- 4
- Schnecke
- 6
- Spindeltrieb
- 8
- Hydraulikzylinder
- 10
- Gehäuse
- 12
- Vorschubzylinder
- 14
- Spindel
- 15
- Einspritzdüse
- 16
- Zahnrad
- 17
- Zahnriemen
- 18
- Ritzel
- 19
- Kupplung
- 20
- Elektromotor
- 22
- Steuereinheit
- 24
- Spindelabschnitt
- 26
- Spindelmutter
- 28
- Bremse
- 29
- Axiallager
- 30
- Freilaufkupplung
- 31
- Drehkupplung
- 32
- Kolbenstange
- 34
- Kolben
- 36
- Ringraum
- 38
- Zylinderraum
- 40
- Proportionalwegeventil
- 42
- Pumpe
- 44
- Zylindergehäuse
- 46
- Einzugstrichter
- 50
- Elektromotor