DE102008052207A1 - Antriebsvorrichtung für eine Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für die Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine, umfassend eine mit einer Plastifizierschnecke verbundene oder verbindbare hydraulische Einspritzeinheit mit einem Einspritzkolben zum Aufbringen eines Einspritz- und Dosierdruckes, einen Elektromotor zum Drehantrieb der Plastifizierschnecke, wobei der Elektromotor mittelbar oder unmittelbar mit der Plastifizierschnecke wirkverbunden ist, um diese in Drehbewegung zu versetzten. Zur Vereinfachung der Konstruktion und Gewährleistung eines energiesparenden Antriebs wird vorgeschlagen, eine variable, in zwei Richtungen fördernde Hydraulikpumpe einzusetzen, die unmittelbar mit dem oder einem Abtrieb des Elektromotors gekoppelt ist, einen Hydraulikanschluss der Pumpe mit einer Speichereinrichtung zu verbinden und den anderen Hydraulikanschluss zur Versorgung zumindest einer Hydraulikkammer der Einspritzvorrichtung zu verwenden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Spritzgießmaschinen umfassen herkömmlicherweise die beiden größeren Teileinheiten einer Plastifizier- und Einspritzeinheit sowie einer Schließeinheit, wobei bei letzterer eine oder mehrere Formen mit jeweils einer oder mehreren Kavitäten vorgesehen sind. In der Plastifizier- und Schließeinheit hingegen wird ein Kunststoffausgangsmaterial aufgeschmolzen – also ein einen plastischen Zustand überführt – und sodann durch entsprechende Angusskanäle in die Kavität eines in der Schließeinheit aufgenommenen, geschlossenen Werkzeugs eingespritzt.
• Bei der Einspritz- und Plastifiziereinheit sind dabei Ausführungsformen bekannt, bei denen die Plastifizierung und die Einspritzung in getrennten Einheiten erfolgt. Diesbezüglich wird beispielsweise auf die sogenannten Compounder-Lösungen mit „Shot-Pot-Einheiten” hingewiesen.
• In den meisten Fällen wird für die Plastifizier- und Einspritzeinheit jedoch eine sogenannte Schubschnecke verwendet, die in einem Plastifizierzylinder angeordnet ist und sowohl rotatorisch wie auch in Axialrichtung beaufschlagt und angetrieben werden kann. Bei der Rotation der Plastifizierschnecke wird ein Kunststoffmaterial unter anderem durch Einbringung von Scherenergie (und zumeist auch Heizenergie von außen) aufgeschmolzen. Dabei sammelt sich das Schmelzematerial in einem Schneckenvorraum vor der Schneckenspitze. Bei zunehmender Aufdosierung wird die Schnecke dabei zurückgeschoben oder -verfahren. Ist ausreichend Schmelze aufplastifiziert, so wird die Schnecke über einen Antrieb nach vorne gedrückt, um das Schmelzematerial über die Angusskanäle in eine geschlossene Kavität einzubringen.
• Um die beiden Antriebe, nämlich den Drehantrieb und den Axialantrieb realisieren zu können, gibt es eine Vielzahl von konstruktiven Lösungsmöglichkeiten. So können sowohl für den Drehantrieb wie auch für den Axialantrieb eigene, unabhängige Antriebe vorgesehen sein. Bei rein hydraulisch betätigten Maschinen kann es sich dabei um eine Kolbeneinspritzeinheit für den Axialantrieb und einen Hydromotor für den Drehantrieb handeln. Bei rein elektrisch betriebenen Maschinen, was sich derzeit vor allem für kleinere und mittlere Maschinengrößen anbietet, werden sowohl die Axialantriebe wie auch die Drehantriebe über zumeist separate elektrische Motoren realisiert. Dabei erhält man die Axialbewegung der Plastifizierschnecke durch eine Umsetzung der Drehbewegung des Elektromotors in eine Linearbewegung beispielsweise durch eine Mutter-Spindel-Kombination oder eine Zahnstangen-Ritzel-Kombination.
• Jede Ausführungsform hat dabei bestimmte Vor- aber auch Nachteile. So sind elektrische Antriebe in der Regel energieeffizienter und arbeiten wiederholgenauer. Sie sind jedoch in der Regel teurer und insbesondere für besonders große Maschinen aus Kosten- und Leistungsgründen (noch) nicht einsetzbar. Hydraulische Antriebe verbrauchen zwar mehr Energie, sie sind jedoch kostengünstiger, und insbesondere bei großen Einspritzdrücken kommt man heute noch nicht um diese Systeme herum.
• Aus diesem Grunde hat man bereits in einer Vielzahl von Anwendungen eine Kombination von hydraulischen und elektrischen Antrieben versucht. Dabei wird insbesondere bei größeren Antrieben der elektrische Antrieb zumeist als Drehantrieb für die Schnecke verwendet, um die Dosierung und eventuell den Nachdruck einzustellen. Der hydraulische Antrieb wird oftmals für die Einspritzung verwendet, bei der sehr hohe Drücke und Kräfte notwendig sind.
• Auch Kombinationen von elektrischen und unterstützend hydraulischen Antrieben bei der Axialbewegung sind bekannt, beispielsweise, um zum einen die Kraft, zum anderen aber die durch die Präzision der elektrischen Antriebe möglichen Vorteile auszunutzen.
• Überdies gibt es auch immer wieder Bestrebungen, bei Antriebsvorrichtungen für eine Plastifiziereinheit nur einen einzigen Antrieb, insbesondere einen einzigen Elektromotor zu verwenden, beispielsweise bei einer hydraulischen Lösung, bei der die Hydraulikleistung durch eine Pumpe mit einem Speicher realisiert wird, aus denen dann sowohl der Drehantrieb (über Hydromotor) wie auch der Axialantrieb (über Kolbenzylinderanordnungen) realisiert werden. Aber auch bei rein elektrisch betriebenen Maschinen gibt es Überlegungen, nur einen einzigen Motor zu verwenden, dessen Kraft dann beispielsweise wechselweise auf den jeweiligen Antrieb – also Drehantrieb oder Axialantrieb – gelegt wird.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Antriebsvorrichtung für eine Plastifiziereinheit anzugeben, die nur einen Antriebsmotor aufweist, energiesparend betrieben werden kann, die Vorteile einer elektrischen Maschine ausnutzt, aber auch für größere Maschinen einsetzbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
• Demgemäß wird eine Antriebsvorrichtung für eine Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine vorgeschlagen, bei der die Plastifizierschnecke mittels einer hydraulischen Einspritzeinheit axial betätigbar ist. Zudem ist ein Elektromotor zum Drehantrieb der Plastifiziereinheit vorgesehen, wobei der Elektromotor mit der Plastifizierschnecke mittelbar oder unmittelbar verbunden oder verbindbar ist, um diese in Drehbewegung zu versetzen. Der Elektromotor wird überdies verwendet, um eine variabel ansteuerbare, in zwei Richtungen fördernde Hydraulikpumpe zu betreiben. An einem der beiden Hydraulikanschlüsse der Hydraulikpumpe ist eine Hydraulikspeichereinrichtung (Akkumulator) angeschlossen. Der andere Hydraulikanschluss der Hydraulikpumpe dient zur Versorgung zumindest einer Hydraulikkammer der Einspritzvorrichtung.
• Ein wesentlicher Gedanke bei der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung der in zwei Richtungen fördernden variabel ansteuerbaren Hydraulikpumpe, die je nach Ansteuerung in beiden Richtungen ihrer Förderleistung einstellbar ist und die durch einen Elektromotor angetrieben wird, der gleichzeitig auch für den Drehantrieb der Plastifizierschnecke zuständig ist. Durch Verwendung einer solchen Pumpe kann eine einstellbare Förderleistung in Richtung des Speichers, aber auch in Richtung der Hydraulikkammern der Einspritzvorrichtung vorgenommen werden. Natürlich ist auch eine Einstellung möglich, in der die Pumpe in keiner der Richtungen fördert, sondern faktisch sperrt oder durchgängig ist.
• Mit dieser Konstruktion können relativ hohe Drücke realisiert und entsprechend der Ausgestaltung des Speichers hohe Energien vorgehalten werden, mit deren Unterstützung – unter Zwischenschaltung der Pumpe – die hydraulische Einspritzeinheit beaufschlagbar ist. Überdies kann mittels des Motors die Schnecke unmittelbar drehbeaufschlagt werden.
• Vorzugsweise geschieht dies unter Zwischenschaltung einer Kupplung in der Wirkverbindung zwischen dem Motor und der Schnecke, so dass hier eine Entkopplung des Antriebsstranges möglich ist. Diese Konstruktion erlaubt die Möglichkeit, den Motor insbesondere in seinem Wirkungsgrad optimalen Bereich zu betreiben, so dass von einer guten Energieeffizienz ausgegangen werden kann. Überdies ist nur ein einziger elektrischer Antriebsmotor erforderlich. Die verschiedenen Druck- und Hydraulikfunktionen, wie Einspritzung, Staudruckregelung und Speicheraufladung werden mittels der einzigen variabel ansteuerbaren, in zwei Richtungen fördernden Hydraulikpumpe realisiert. Dabei kann die Hydraulik natürlich auch andere Aufgaben wie die Anpressung des Plastifizierzylinders an die Schließeinheit oder das Werkzeug oder gar einen Betrieb der Schließeinheit, beispielsweise den Aufbau des Schließdruckes, lösen.
• Als Hydraulikpumpe kann dabei beispielsweise eine entsprechend ansteuerbare Verdrängerpumpe, insbesondere eine Kolbenpumpe (z. B. Axialkolbenpumpe) eingesetzt werden.
• Die Einspritzeinrichtung weist vorzugsweise einen doppeltwirkenden Kolben auf, der mittels zwei Hydraulikkammern betreibbar ist. Die beiden Hydraulikkammern werden über das aus dem anderen Hydraulikanschluss der Hydraulikpumpen stammenden Hydrauliköl je nach Ventilansteuerung angesprochen. So kann sowohl ein Axialvorschub, wie auch ein aktives Zurückziehen der Schnecke und auch eine Staudruckregelung realisiert werden.
• Dabei sind zwischen den Hydraulikkammern und dem zugehörenden Hydraulikanschluss der Hydraulikpumpe ansteuerbare Hydraulikventile vorgesehen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kupplung eine Antriebswelle auf, die unmittelbar mit dem Elektromotor verbunden ist. Abtriebswellenseitig ist die Kupplung zwar drehfest, jedoch axial beweglich mit dem Einspritzkolben der Einspritzeinheit gekoppelt. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung einer Vielkeilzahnung auf der Abtriebswelle mit einer Vielkeilnut im Schaft des Einspritzkolbens realisiert werden. Gemäß einer besonders vorzugsweisen Ausführungsform kann der Elektromotor überdies als variabel ansteuerbarer Elektromotor ausgebildet sein, so dass der Antrieb noch besser auf die konkreten Anforderungen eines jeweils herzustellenden Teiles und somit auf die konkreten Anforderungen nach Plastifiziermenge und Spritzgusszyklus einzustellen ist.
• Eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige beigefügte Zeichnung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt die einzige Zeichnung eine schematische Darstellung des Antriebskonzeptes, wobei lediglich die zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Elemente dargestellt sind.
• In der Figur ist eine Plastifizier- und Einspritzeinheit mit einem Plastifizierzylinder 10 dargestellt, in dem eine Plastifizierschnecke 12 in bekannter Weise drehbar sowie axial verschiebbar aufgenommen ist. An der Spitze der Plastifiziereinheit 14 ist eine Einspritzöffnung 16 vorgesehen, über die eine sich in dem Schneckenvorraum befindliche Kunststoffschmelze in eine Kavität eines Spritzgießwerkzeugs überführt werden kann. Der hintere Teil des Plastifizierzylinders 10 ist mit einem Antriebsgehäuse 22 verbunden, in dem insbesondere der Axialantrieb für die Plastifizierschnecke 12 realisiert ist. Dabei ist in einer Kammer des Gehäuses 22 ein doppelwirkender Einspritzkolben 20 hin und her verschiebbar aufgenommen, der diese Kammer in eine erste Hydraulikkammer 24 und eine zweite Hydraulikkammer 26 unterteilt. Der Hydraulikkolben 20 weist einen zentralen Schaft 18 auf, dessen vorderes Ende fest mit der Welle der Plastifizierschnecke 12 verbunden ist. In dem Schaft 18 ist koaxial eine Bohrung vorgesehen, deren Innenfläche mit einer Vielkeilnut ausgebildet, in der formschlüssig eine Vielkeilverzahnung einer darin aufgenommenen Abtriebswelle 29 aufgenommen ist. Durch die Kombination von Vielkeilnut und Vielkeilverzahnung ist die Abtriebswelle 29 zwar axial in dem Kolbenschaft 18 verschieblich, jedoch drehfest aufgenommen.
• Die Abtriebswelle 29 stammt von einer Kupplung 30, die sich in einem Gehäuse 28 befindet, welches sich rückwärtig an das Gehäuse 22 für den Einspritzkolben anschließt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Kupplung 30 über eine Antriebswelle unmittelbar mit einem Elektromotor 32 verbunden.
• Der Elektromotor 32 weist vorliegend zwei Abtriebswellen auf, von denen die eine in der vorgenannt besagten Weise zur Kupplung 30 führt. Die andere Welle ist unmittelbar mit einer variabel ansteuerbaren Hydraulikpumpe 34 verbunden, die zwei Hydraulikanschlüsse aufweist und je nach Ansteuerung in beide Richtungen Hydraulikfluid fördern kann oder in einer Stellung geschaltet ist, in der kein Hydraulikfluid gefördert wird.
• Ein Hydraulikanschluss der Hydraulikpumpe 34 ist über eine Hydraulikleitung 36 mit einem Speicher 38 (Akkumulator) verbunden, wobei vorliegend lediglich eine Speichereinheit dargestellt ist. Natürlich können auch eine Vielzahl von parallel angeordneten Speichereinheiten zur Speicherung von größeren Energiemengen vorgesehen sein.
• Der andere Hydraulikanschluss führt über eine Hydraulikleitung 40 zu zwei ansteuerbaren Ventilen 42 und 44. Vom Ventil 42 führt eine Hydraulikleitung 16 über einen Einlass zur zweiten Hydraulikkammer 26. Vom ansteuerbaren Hydraulikventil 44 führt eine Hydraulikleitung 48, die sich auf Druckniveau P befindet, zu einem weiteren ansteuerbaren Hydraulikventil 50, von dem eine Hydraulikleitung 52 zur ersten Hydraulikkammer 24 geführt ist. Überdies ist das Hydraulikventil 50 über eine Hydraulikleitung mit einem Tank (Tankleitung T) verbunden.
• Beim Betrieb des Motors 32, der vorliegend als Konstantmotor ausgeführt ist, jedoch alternativ jederzeit auch als variabel ansteuerbarer Elektromotor ausgeführt sein kann, kann die Pumpe 34 fortwährend angetrieben werden. Je nach Ansteuerung der Pumpe 34 (z. B. Einstellung eines Schwenkwinkels) über (nicht dargestellte) Ansteuermittel kann dabei eine Förderung in Richtung des Speichers 38, in Richtung der Ventile 42, 44 oder eben eine „Nullförderung” erreicht werden.
• Durch die Kupplung 30 ist es dabei zudem möglicht, den Antriebsstrang von Motor 32 zur Plastifizierschnecke 12 zu entkoppeln.
• Beim Betrieb der Vorrichtung kann nun mittels des Motors 32 und einer entsprechenden Einstellung der Pumpe 34 ein Hydraulikfluid in Richtung des Speichers 38 gefördert werden, wo damit Energie gespeichert wird. Durch Umsteuerung der Pumpe 34 kann das Hydraulikfluid – unterstützt durch die Energie im Akkumulator 38 – in Richtung der Ventile 42 und 44 geführt werden. Je nach Schaltung der Ventile 42, 44 und 50 kann nun das Hydraulikfluid der ersten Hydraulikkammer 24 oder der zweiten Hydraulikkammer 26 zugeführt werden.
• Dabei wird bei einer entsprechenden Beaufschlagung der zweiten Hydraulikkammer 26 die Plastifizierschnecke 12 nach vorne verfahren, wodurch im Schneckenvorraum befindliches Material in eine Kavität eingespritzt wird. Beim Beaufschlagen der ersten Hydraulikkammer 24 kann die Schnecke aktiv zurückgezogen werden.
• Bei geschlossener Kupplung 30 wird zudem die Plastifizierschnecke 12 in Rotation versetzt, so dass eine Aufplastifizierung und -dosierung erfolgt.
• Beim Betrieb der Plastifizier- und Einspritzeinheit wird nun wie folgt vorgegangen: Soll ein Kunststoffmaterial in der Dosierphase aufplastifiziert werden, so ist die Kupplung 30 geschlossen und der Motor 32 treibt die Schnecke 12 mit konstanter Rotation an. Dabei sammelt sich Schmelzematerial im Schneckenvorraum und der Staudruck, der die Schnecke 12 zurückdrücken will, nimmt zu. Um den Staudruck zu regeln, wird die Pumpe 34 so angesteuert, dass der Staudruck in der zweiten Hydraulikkammer 26 sich in einem gewünschten Niveau bewegt. Dazu befindet sich das Ventil 42 in der in der Figur dargestellten Schaltstellung. Auch die übrigen Hydraulikventile der Figur, nämlich die Hydraulikventile 44 und 50, befinden sich in der angegebenen Stellung, so dass das Hydraulikventil 44 gesperrt ist und das Hydraulikventil 50 eine Verbindung der ersten Hydraulikkammer 24 mit dem Tank ermöglicht.
• Ist nun ausreichend Schmelzematerial aufplastifiziert worden, so wird die Kupplung 30 geöffnet, so dass der Antriebsstrang zwischen Motor 32 und Plastifizierschnecke 12 getrennt ist. Die Plastifizierschnecke 12 dreht daher nicht weiter. Dennoch wird der Motor fortwährend betrieben und – so lange wie keine Einspritzung gewünscht ist – der Speicher 38 aufgeladen.
• Wird nun eine Einspritzung gewünscht, so wird die Pumpe 34 in der Förderrichtung und Förderintensität umgeschaltet, so dass nun die Pumpe 34 unter Unterstützung der Hydraulikspeicher 38 das Hydraulikmedium der Hydraulikkammer 26 zur Verfügung stellt. Aufgrund dieser Einstellung wird die Einspritzschnecke nach vorne gedrückt, so dass der Einspritzvorgang stattfindet.
• Alternativ könnte auch eine weitere Fluidverbindung zwischen dem Speicher 38 und den Ventilen 42, 44 über ein weiteres nicht dargestelltes Ventil vorgesehen sein, so dass das Hydraulikfluid bei der Einspritzung nicht zwangsweise über die Pumpe 34 geführt werden muss.
• Soll der Hydraulikkolben 20 aktiv zurückgezogen werden, so werden die beiden Ventile 44 und 50 umgesteuert, so dass das Hydraulikfluid in die erste Hydraulikkammer gelangen kann und die Plastifizierschnecke 12 dadurch zurückgezogen wird.
• Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit einem einzigen Motor auch große Plastifizier- und Einspritzeinheiten zu betreiben, wobei der Motor in einem möglichst drehzahloptimalen Bereich gefahren werden kann. Überdies ist der Aufbau einfach und wartungsfreundlich.

10

Plastifizierzylinder

12

Plastifizierschnecke

14

Spitze der Plastifiziereinheit

16

Einspritz-Öffnung

18

Kolbenschaft

20

Einspritzkolben

22

Gehäuse für den Einspritzkolben

24

Erste Hydraulikkammer

26

Zweite Hydraulikkammer

28

Kupplungsgehäuse

29

Abtriebswelle

30

Kupplung

32

Variabel ansteuerbarer Elektromotor

34

Variable Pumpe (z. B. variabel einstellbare Kolbenpumpe)

36

Hydraulikleitung zum Speicher

38

Hydraulikspeicher

40

Hydraulikleitung zu den Ventilen

42

Erstes Hydraulikventil

44

Zweites Hydraulikventil

46

Hydraulikleitung zur zweiten Hydraulikkammer

48

Hydraulikverbindungsleitung

50

Drittes Hydraulikventil

52

Hydraulikleitung zur ersten Hydraulikkammer

Claims (8)

1. Antriebsvorrichtung für eine Plastifiziereinheit (10, 12) einer Spritzgießmaschine umfassend – eine mit einer Plastifizierschnecke (12) gekoppelten oder koppelbaren hydraulischen Einspritzeinheit (20–26) mit einem Einspritzkolben (20) zum Aufbringen eines Einspritz- und Dosierdruckes auf die Plastifizierschnecke (12), – einen Elektromotor (32) zum Drehantrieb der Plastifizierschnecke (12), wobei der Elektromotor (32) mittelbar oder unmittelbar mit der Plastifizierschnecke (12) wirkverbunden ist, um diese in Drehbewegung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine variable, in zwei Richtungen fördernde Hydraulikpumpe (34) vorgesehen ist, die mit dem oder einem Abtrieb des Elektromotor (32) gekoppelt ist, ein Hydraulikanschluss der Hydraulikpumpe (34) mit einer Hydraulik-Speichereinrichtung (38) verbunden ist und der andere Hydraulikanschluss der Hydraulikpumpe (34) zur Versorgung zumindest einer Hydraulikkammer (24, 26) des Einspritzvorrichtung (20–26) dient.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; dass die Einspritzeinheit (20–26) im Antriebsstrang zwischen dem Elektromotor (32) und der Plastifizierschnecke (12) zwischengeschaltet ist.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wirkverbindung zwischen dem Elektromotor (32) und der Plasitfizierschnecke (12) eine Kupplung (30) angeordnet ist.
4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzeinheit (20–26) einen doppelwirkenden Kolben (20) aufweist, der durch zwei Hydraulikkammern (24, 26) betreibbar ist.
5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Hydraulikanschluss der Pumpe (34) unter Zwischenschaltung zumindest eines oder mehrerer ansteuerbarer Hydraulikventile (42, 44, 50) mit der oder den Hydraulikkammern (24, 26) verbunden ist.
6. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (30) antriebswellenseitig mit dem Elektromotor (32) verbunden ist, abtriebswellenseitig drehfest, jedoch axial beweglich mit dem Einspritzkolben (20) verbunden ist.
7. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle der Kupplung (29) eine Vielkeilzahnung aufweist, die in eine Vielkeilnut im Schaft des Einspritzkolbens (20) eingreift.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (32) als variabel ansteuerbarer Elektromotor ausgebildet ist.