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Die
Erfindung betrifft eine Schließvorrichtung für eine Kunststoffspritzgussmaschine
mit einem schließbaren
mindestens zweiteiligen Werkzeug, das zwei relativ zueinander bewegbare
Werkzeughälften sowie
bei geschlossenen Werkzeughälften
einen im Inneren der beiden Werkzeughälften liegenden Hohlraum zur
Kunststoffbefüllung
umfasst.
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Eine
derartige Schließvorrichtung
ist bei einer Kunststoffspritzgussmaschine vorgesehen, um in den
Hohlraum des geschlossenen Werkzeugs erhitztes flüssiges Kunststoffmaterial
unter hohem Druck einzuspritzen, ohne dass sich die Werkzeughälften öffnen. Erst
nach dem Abkühlen
und Erstarren des Kunststoffs wird das Werkzeug geöffnet, und
das fertige Bauteil kann entnommen werden. Danach wird das Werkzeug
wieder geschlossen und der Vorgang startet erneut.
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Der
hohe Einspritzdruck und die geforderte Maßhaltigkeit des gefertigten
Bauteils bedingen eine hohe Schließkraft des Werkzeugs von bis
zu über
50 Tonnen. Mit Gewinde-Konstruktionen oder Kugelrollspindeln realisierte
Schließvorrichtungen
würden zwar
bei entsprechender mechanischer Dimensionierung der Kraftübertragungselemente
so hohe Schließkräfte bieten.
Allerdings würden
aufgrund der dann relativ langsamen Öffnungs- und Schließgeschwindigkeiten
zu hohe Prozesszeiten resultieren. Außerdem sind die dann eingesetzten
Spindeln sehr groß zu
dimensionieren. Die hohen Kräfte
führen
darüber
hinaus zu einer niedrigen zu erwartenden Lebensdauer.
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Deshalb
kommen derzeit bei Schließvorrichtungen üblicherweise
mechanische Kniehebel-Konstruktionen zum Einsatz. Sie ermöglichen
ein schnelles Schließen
des Werkzeugs und erzeugen im geschlossenen Zustand die geforderten
hohen Schließkräfte. Allerdings
müssen
die Kniehebel und deren Lager zur Erzeugung der hohen Schließkräfte äußerst massiv
ausgeführt
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Schließvorrichtung
der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei der die hohen Schließkräfte ohne
allzu massive mechanische Dimensionierung erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Schließvorrichtung handelt es sich
um eine solche, bei der
- a) in die erste Werkzeughälfte mindestens
ein erster Magnet integriert ist,
- b) die zweite Werkzeughälfte
zumindest teilweise aus einem magnetischen Material besteht,
- c) sodass die Magnetkraft des ersten Magneten die beiden Werkzeughälften in
ihrem geschlossenen Zustand zusammenhält.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schließvorrichtung
werden die Schließkräfte nicht
mechanisch, sondern magnetisch erzeugt. Es wurde erkannt, dass die
erforderliche hohe Kraftwirkung auch auf magnetischem Wege zu erzielen
ist. Die Kraft-Weg-Kennlinien
eines Magnetkreises zeigen sogar eine besondere Eignung für eine Anwendung
wie bei der erfindungsgemäßen Schließvorrichtung.
Die Magnetkraft steigt nämlich
mit Abnahme des Luftspaltes zwischen den beiden Werkzeughälften überproportional an.
Die Schließkraft
wird also umso größer, je
enger die Werkzeughälften
aneinander anliegen.
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Zugleich
führt dieser
Wechsel im verwendeten physikalischen Wirkungsprinzip dazu, dass
die Mechanik der erfindungsgemäßen Schließvorrichtung
deutlich einfacher und auch weniger massiv ausgeführt werden
kann als bei einer auf dem Kniehebel basierten Schließvorrichtung.
Dadurch reduzieren sich der Materialbedarf und auch die Fertigungsdauer.
Insgesamt ist die erfindungsgemäße Schließvorrichtung
somit sehr preiswert.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schließvorrichtung ergeben sich aus
den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der der erste Magnet als Elektromagnet mit einer
elektrischen Spule ausgebildet ist. Weiterhin bevorzugt ist ein durch
die elektrische Spule fließender
elektrischer Strom insbesondere in der Stromstärke oder in der Stromflussorientierung änderbar,
vorzugsweise auch zu- und abschaltbar. Ein Elektromagnet ermöglicht somit
eine sehr gezielte Einstellung der Magnetkraft. So ist es möglich, die
Magnetkraft nur bei geschlossenen Werkzeughälften einzuschalten, also gerade dann,
wenn die hohe Schließkraft
auch tatsächlich benötigt wird.
Andernfalls kann die Spule des Elektromagneten stromfrei geschaltet
werden, sodass keine unerwünschten
Magnetkräfte
auf andere, beispielsweise im Umfeld der Kunststoffspritzgussmaschine
vorhandene magnetische Teile einwirken.
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Alternativ
ist es aber auch möglich,
den ersten Magnet als Permanentmagnet auszubilden. Zum Betrieb der
Schließvorrichtung
ist dann keine Stromquelle erforderlich. Es resultiert ein besonders
einfacher Aufbau.
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Gemäß einer
anderen Variante ist neben dem ersten Magnet mindestens ein weiterer
Magnet vorgesehen. So lässt
sich die Magnetkraft noch genauer einstellen.
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Vorzugsweise
ist von allen Magneten zumindest einer als in seinem Magnetverhalten
veränderbarer
Elektromagnet ausgebildet. Dadurch lässt sich eine positive oder
eine negative Überlagerung
der Teil-Magnetkräfte
der Magnete einstellen, sodass entweder eine besonders hohe oder
eine verschwindende Schließkraft
resultiert. Im ersten Fall ergibt sich eine gegenseitige Verstärkung der
Teil-Magnetkräfte,
im zweiten Fall eine wechselseitige Kompensation. Wenn die Schließkraft aufgrund
der Kompensation reduziert ist oder komplett ausgeschaltet ist, können die
Werkzeughälften
leichter geöffnet
und geschlossen werden.
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Diese
wechselseitige Verstärkung
oder Kompensation der Teil-Magnetkräfte ist
besonders effizient, wenn wie bei einer wei teren bevorzugten Variante
jeweils zwei der Magnete benachbart zueinander angeordnet sind.
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Weiterhin
kann mindestens einer der Magnete vorzugsweise in der zweiten Werkzeughälfte angeordnet
sein. Vorteilhafterweise besteht in diesem Fall auch die erste Werkzeughälfte aus
einem magnetischen Material. Dann lässt sich beispielsweise mittels
eines Umpolens des Stromflusses in dem/den Elektromagnet/en einer
der beiden Werkzeughälften der Öffnungsvorgang
unterstützen
und insbesondere auch beschleunigen. Die in beiden Werkzeughälften erzeugten
Teil-Magnetfelder bewirken in diesem Fall eine abstoßende Kraft.
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Bei
einer anderen günstigen
Ausgestaltung ist einer der Magnete oberhalb und ein anderer der Magnete
unterhalb des bei geschlossenen Werkzeughälften gebildeten Hohlraums
angeordnet, so dass ein durch diese beiden Magneten hervorgerufenes
Magnetfeld den Hohlraum bei geschlossenen Werkzeughälften im
Wesentlichen umgibt. Dann ist die Schließkraftwirkung in dem maßgeblichen
Bereich um den Hohlraum, in dem die durch das Kunststoff-Einspritzen
hervorgerufene Gegenkraft entsteht, besonders hoch.
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Bevorzugt
ist weiterhin eine Variante, bei der ein mindestens mit einer der
beiden Werkzeughälften mechanisch
verbundener Antrieb zum Öffnen
und Schließen
der beiden Werkzeughälften
vorgesehen ist. Dadurch werden das Öffnen und Schließen der beiden
Werkzeughälften
einerseits und das Zusammenhalten der geschlossenen Werkzeughälften andererseits
voneinander getrennt. Die Bewegung, also das Öffnen und das Schließen, wird
durch den Antrieb vorgenommen, während
die hohe Schließkraft davon
unabhängig
magnetisch erzeugt wird. Die Dimensionierung erfolgt getrennt nach
den jeweiligen, zum Teil sehr unterschiedlichen Anforderungen. Der eingesetzte
Antrieb kann weitgehend beliebig ausgestaltet sein. Möglich ist
eine Ausgestaltung unter Verwendung eines Kniehebels, einer Kugelrollspindel, einer
Zahnstange, eines Getriebemotors und auch eines beliebig ausgestalteten
Linearmotors, wobei diese Ele mente vorteilhafterweise mechanisch
nur sehr schwach ausgelegt werden können. Für das bloße Öffnen und Schließen der
Werkzeughälften
ist kein großer
Kraftaufwand erforderlich, da lediglich die Reibung zu überwinden
ist.
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Besonders
günstig
ist es, wenn der Antrieb elektrisch, insbesondere als elektrischer
Linearmotor, ausgebildet ist. Dann kann die Schließvorrichtung,
insbesondere auch in Verbindung mit Elektromagneten, vollelektrisch
ausgeführt
werden, sodass ein sehr geringer Verschleiß resultiert, und praktisch keine
Wartung mehr erforderlich ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer magnetischen Schließvorrichtung
mit Elektromagneten,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer magnetischen Schließvorrichtung
mit Permanent- und Elektromagneten in geschlossenem Zustand,
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3 die
Schließvorrichtung
gemäß 2 während des
Schließvorgangs,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer magnetischen Schließvorrichtung
mit Magneten in beiden Werkzeughälften
in geschlossenem Zustand, und
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5 die
Schließvorrichtung
gemäß 4 während des Öffnungsvorgangs.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 5 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer magnetischen Schließvorrichtung 1 für eine nicht
näher gezeigte
Kunststoffspritzgussmaschine dargestellt. Sie enthält ein geteiltes
Werkzeug 2 mit zwei relativ zueinander bewegbaren Werkzeughälften 3 und 4.
Bei dem in 1 gezeigten geschlossenen Zustand
ist im Inneren der beiden Werkzeughälften 3 und 4 ein Hohlraum 5 gebildet,
in den erhitzter flüssiger
Kunststoff unter hohem Druck eingespritzt wird. Der Hohlraum 5 ist
nur schematisiert angedeutet. Er kann je nach herzustellendem Kunststoffspritzteil eine
weitgehend beliebige Form aufweisen und insbesondere auch durch
Ausnehmungen in beiden Werkzeughälften 3 und 4 gebildet
sein.
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Die
Schließvorrichtung 1 hat
einen magnetischen Schließ-
oder Haltemechanismus, der im Ausführungsbeispiel zwei in der
Werkzeughälfte 3 an
einer Stoßfläche 6 zur
Werkzeughälfte 4 angeordnete Elektromagnete 7 und 8 umfasst.
Letztere sind als elektrische Spulen mit mehreren Windungen nicht näher gezeigter
elektrischen Leiter ausgebildet. Der Elektromagnet 7 ist
oberhalb und der Elektromagnet 8 unterhalb des Hohlraums 5 angeordnet.
Beide Werkzeughälften 3 und 4 sind
außerdem
aus einem magnetischen Material, im Ausführungsbeispiel aus magnetischem
Stahl, hergestellt. Rostfreier Stahl ist dagegen ungeeignet.
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Die
Werkzeughälfte 3 ist
mit einem als elektrischer Linearmotor ausgeführten Antrieb 9 verbunden.
Dessen längs
eines Stators 10 hin- und herbewegbarer Läufer 11 ist
an der Unterseite der Werkzeughälfte 3 befestigt,
sodass die beiden Werkzeughälften 3 und 4 relativ
zueinander, insbesondere aufeinender zu oder auseinander, bewegt
werden können.
Diese Bewegungsmöglichkeit
ist in 1 durch den Doppelpfeil angedeutet. Die in 1 zusätzlich eingetragenen
strichpunktierten Linien am oberen und unteren Ende des Werkzeugs 2 geben
die Achsen von nicht näher
gezeigten Führungen
an, auf denen sich die beiden Werkzeughälften 3 und 4 relativ zueinander
bewegen.
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Im
Folgenden werden die Funktionsweise und Vorteile der magnetischen
Schließvorrichtung 1 näher beschrieben.
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Sobald
die beiden Werkzeughälften 3 und 4 mittels
des Antriebs 9 geschlossen sind und noch vor Beginn des
Kunststoffeinspritzens, werden die Spulen der Elektromagnete 7 und 8 mit
einem elektrischen Strom 21 bzw. 22 beaufschlagt.
Die jeweilige Stromflussrichtung ist in 1 in der üblichen
Weise angegeben.
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Ein
aufgrund dieser Ströme
I1 und I2 hervorgerufenes Magnetfeld ist mit B1 bezeichnet. In 1 ist
eine der Haupt-Magnetfeldlinien
des Magnetfelds B1 eingetragen. Dank der speziellen Anordnung der Elektromagnete 7 und 8 oberhalb
bzw. unterhalb des Hohlraums 5 umgibt das Magnetfeld B1
im Wesentlichen den Hohlraum 5. Auf diese Weise und aufgrund der
magnetischen Materialeigenschaften in beiden Werkzeughälften 3 und 4 wird
eine sehr hohe magnetische Schließkraft zwischen den beiden
Werkzeughälften 3 und 4 erzeugt.
Diese ist insbesondere groß genug,
um der durch das Einspritzen des Kunststoffs hervorgerufenen Kraft
entgegen zu wirken und ein unerwünschtes Öffnen der
beiden Werkzeughälften 3 und 4 während des
Einspritzvorgangs zu verhindern.
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Folglich
wird die magnetische Schließkraft zwischen
den Werkzeughälften 3 und 4 mittels Strombeaufschlagung
der Spulen der Elektromagnete 7 und 8 ebenso elektrisch
erzeugt wie die Öffnungs-
und Schließbewegung
der Werkzeughälften 3 und 4 mittels
des Antriebs 9. Die Schließeinrichtung 1 funktioniert
also ausschließlich
elektrisch. Mechanisch massiv dimensionierte und auch hydraulische Komponenten
sind nicht erforderlich. Dadurch ist die Schließeinrichtung 1 sehr
preiswert und praktisch wartungsfrei.
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Günstig ist
außerdem
die bauliche Trennung zwischen der Bewegungs- und der Schließfunktion. Es
kommen jeweils gesonderte Komponenten zum Einsatz, die ausschließlich mit
Blick auf die jeweilige spezifische Funktion ausgelegt werden können. Dimensionierungskompromisse,
die beim Stand der Technik aufgrund der dort gegebenen Doppelfunktion erforderlich
sind, erübrigen
sich bei der Schließeinrichtung 1.
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Der
Strombedarf der Schließeinrichtung 1 ist relativ
gering. Es kann Gleichstrom verwendet werden. Die Umschaltvorgänge sind
beispielsweise verglichen mit der Umrichtertechnik relativ langsam,
sodass für
die Spulen der Elektromagnete 7 und 8 eine hohe
Windungszahl vorgesehen werden kann.
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Die
Schließkraft
kann über
die verwendeten Stromstärken
sehr einfach an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Es ist eine aktive Regelung möglich,
insbesondere auch während
des Betriebs der Spritzgussmaschine.
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In 2 und 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer magnetischen Schließvorrichtung 12 in
geschlossenem Zustand (2) sowie beim Schließen (3)
dargestellt. Verglichen mit der Schließvorrichtung 1 gemäß 1 enthält die Schließvorrichtung 12 zwei
weitere Magnete, die als stabförmige
Permanentmagnete 13 und 14 ausgebildet sind. Sie
sind benachbart zu jeweils einem der Elektromagnete 7 und 8 angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel
sind sie innerhalb der Spulen der Elektromagnete 7 und 8 platziert.
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Die
Permanentmagnete 13 und 14 erzeugen ebenfalls
ein Magnetfeld, das in 2 und 3 mit B2
bezeichnet ist und von dem eine der Haupt-Magnetfeldlinien mit durchgezogener
Linienführung
eingetragen ist. Eine der Haupt-Magnetfeldlinien des durch die Elektromagnete 7 und 8 hervorgerufenen Magnetfelds
B1 ist dagegen mit gestrichelter Linienführung eingetragen.
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Die
beiden Magnetfelder B1 und B2 überlagern
sich zu einem resultierenden Gesamt-Magnetfeld, das die Stärke der
magnetischen Schließkraft bestimmt.
Bei dem in 2 dargestellten geschlossenen
Zustand der Werkzeughälften 3 und 4 sind
die in die Elektromagneten 7 und 8 eingespeisten
Ströme
I1 und I2 so orientiert, dass sich die beiden Magnetfelder B1 und
B2 konstruktiv zu einem Gesamt-Magnetfeld überlagern, das stärker als
die einzelnen Magnetfelder B1 und B2 ist. Die resultierende magnetische
Schließkraft
ist sehr groß.
Dabei wird nur ein Teil der Schließkraft mittels elektrischer
Energie erzeugt. Der andere Teil stammt von den Permanentmagneten
und kommt ohne gesonderte Energieeinspeisung aus.
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Während des
in 3 gezeigten Schließvorgangs sind die in die Elektromagneten 7 und 8 eingespeisten
Ströme
I1 und I2 verglichen mit dem geschlossenen Zustand genau entgegengesetzt
orientiert. Folglich ist auch das elektrisch erzeugte Magnetfeld
B1 entgegengesetzt orientiert zum durch die Permanentmagnete 13 und 14 hervorgerufenen
Magnetfeld B2. Beide Magnetfelder B1 und B2 heben sich in ihrer
Wirkung im Wesentlichen vollständig
auf, sodass ein praktisch verschwindendes Gesamt-Magnetfeld resultiert.
Das Öffnen
und auch das in 3 gezeigte Schließen der
Werkzeughälften 3 und 4 erfolgt
ausschließlich
mittels des Antriebs 9 und insbesondere unbeeinflusst von
der ansonsten sehr starken magnetischen Schließkraft.
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In 4 und 5 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel
einer magnetischen Schließvorrichtung 15 in
geschlossenem Zustand (4) sowie beim Öffnen (5)
dargestellt. Verglichen mit der Schließvorrichtung 1 gemäß 1 enthält die Schließvorrichtung 15 zwei
weitere Elektromagnete 16 und 17, die in der Werkzeughälfte 4 an
die Stoßfläche 6 angrenzend
angeordnet sind. Die Elektromagnete 7 und 16 bzw. 8 und 17 befinden
sich jeweils auf gleicher Höhe
und sind in dem in 4 gezeigten geschlossenen Zustand
benachbart zueinander. Sie grenzen dann aneinander an.
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Die
Spulen der Elektromagnete 16 und 17 werden mit
einem elektrischen Strom I3 bzw. I4 beaufschlagt. Im geschlossenen
Zustand der Werkzeughälften 3 und 4 haben
die Ströme
I3 und I4 die gleiche Orientierung wie die in die Spulen der Elektromagnete 7 und 8 eingespeisten
Ströme
I1 bzw. I2. Die von den jeweiligen Elektromagneten 7, 8, 16 und 17 erzeugten
Teil-Magnetfelder überlagern
sich konstruktiv zu einem in 4 eingetragenen
Gesamt-Magnetfeld B3, das den Hohlraum 5 umschließt und das
eine hohe magnetische Schließkraft
bewirkt.
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Zum Öffnen der
Werkzeughälften 3 und 4 nach
dem Erstarren des in den Hohlraum 5 gefüllten Kunststoffs kann die
Strombeaufschlagung in einer der beiden Werkzeughälften 3 und 4 umge polt
werden. Im in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist dies in der rechten Werkzeughälfte 3 erfolgt.
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In
dieser Konstellation erzeugen die Elektromagnete 7 und 8 der
rechten Werkzeughälfte 3 ein Magnetfeld
B1, das eine andere Orientierung aufweist als ein von den Elektromagneten 16 und 17 der linken
Werkzeughälfte 4 erzeugtes
Magnetfeld B4. Es findet keine konstruktive Überlagerung mehr statt. Stattdessen
bildet sich eine abstoßende
Kraftwirkung zwischen den beiden Werkzeughälften 3 und 4 aus, wodurch
die Öffnungsbewegung
unterstützt
und beschleunigt wird.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
sind nicht beschränkend
zu verstehen. So können
insbesondere für
die zur Erzeugung der Schließkraft
eingesetzten Magnete auch andere Bauformen und andere Anordnungen
innerhalb des Werkzeugs 2 vorgesehen sein. Beispielsweise
ist es denkbar, ausschließlich
Permanentmagnete zu verwenden.