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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Messverfahren für eine Rotationsformanlage zur Herstellung eines Formkörpers aus einem Werkstoff in einem rotierenden Formwerkzeug.
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Mittels Rotationsformanlagen ist es möglich, einen Werkstoff, insbesondere einen Kunststoff, in verschiedenartigen Formen und Gestalten herzustellen. Mittels eines spezifischen Herstellprozesses wird in einer solchen Anlage beispielsweise ein Kunststoffpulver als Werkstoff in eine entsprechende Form eingebracht und verarbeitet. Die Größenordnung der formgebenden Werkzeuge reicht von wenigen Kubikdezimetern bis einigen Kubikmetern Raumausfüllung. Die Formgebung des Werkstoffes erfolgt in einem Heizprozess bei Temperaturen von bis zu 350 °C mit einem anschließenden Abkühlvorgang, wobei die gesamte Form in einen Ofen hinein- und wieder herausgefahren wird. In der Regel wird während des gesamten Herstellprozesses, d.h. über die Heiz- und auch Abkühlphase, die Form in Rotation um eine Achse oder um zwei Achsen beispielsweise mittels eines Armsystems versetzt.
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WO 91 05647 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Rotationsformen mit in der Form angeordnetem Temperatursensor und Prozessor. Messsignale können per Funk von dem Prozessor zu einem stationären Steuersystem übertragen werden.
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GB 2 311 482 A offenbart eine Anordnung zur Erfassung einer Temperatur innerhalb eines Rotationswerkzeugs mittels Farbumschlag eines temperatursensitiven Materials.
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WO 96 12601 A1 offenbart eine Rotationsformanlage mit einem temperaturempfindlichen Element, insbesondere einem Bimetallelement, das eine Schalteinrichtung schaltet, wenn eine vorbestimmte Temperatur innerhalb der Form überschritten wird. Das Schalten der Schalteinrichtung ist elektronisch detektierbar und erlaubt eine automatische Prozesssteuerung.
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WO 2006 090251 A1 offenbart eine Messvorrichtung zur Messung physikalischer Zustandsgrößen, insbesondere der Temperatur, in einer Rotationsform. Die Messsignale werden per Funk an eine entfernte Monitorstation übertragen. Zur elektrischen Versorgung der elektronischen Einheit ist eine elektrische Batterie in der Messvorrichtung vorgesehen. Wenn die Batterie erschöpft ist, ist eine Auswechslung erforderlich, was entsprechenden Arbeitsaufwand verursacht. Schlimmstenfalls kann die Messvorrichtung im Betrieb ausfallen, wenn die Erschöpfung der Batterie nicht rechtzeitig bemerkt wird.
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DE 100 46 567 A1 offenbart eine Anordnung zur Messung der Temperatur in Rotationsanlagen für die Formung von Kunststoffteilen. Ein passiver Temperatursensor mit einem temperaturempfindlichen, piezoelektrischen Kristall ist in der Form angeordnet. Durch ein HF-Signal werden akustische Oberflächenwellen auf dem Kristall erzeugt, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit von der Temperatur abhängig ist. Die Übertragung des Temperaturmesssignals an eine stationäre Abfrageeinheit erfolgt mittels Funk.
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Für eine definierte Erzeugung einer gestaltbildenden Werkstoffschicht mit einer homogenen Dicke ist sowohl eine gleichmäßige Verteilung des Werkstoffs innerhalb des Werkzeugs erforderlich, als auch ein gleichmäßiger Eintrag an Energie, insbesondere in Form von Wärme, zur Aktivierung des gestaltbildenden Prozesses. Nur bei einer Kugel ist es bei einer kontinuierlichen Drehbewegung um zwei Achsen, deren Drehgeschwindigkeit üblicherweise in einem bestimmten Verhältnis zueinander steht, möglich, eine gleichmäßige Werkstoffschicht zu erzeugen, wenn über die Oberfläche immer die gleiche Energie eingetragen wird. Im Gegensatz zu einer primitiven Kugel weist die überwiegende Zahl der real existierenden Formwerkzeuge eine komplexere Form auf. Daraus ergibt sich bei gleichmäßiger Rotation des Formwerkzeugs zwangsläufig eine ungleichmäßige Ausbildung der Werkstoffschicht. In extremen Fällen kann es zu einer Zersetzung des Werkstoffs durch einen zu hohen Energieeintrag kommen, beispielsweise an spitzen Ausformungen des Werkzeugs. Weiterhin kann es zu unerwünschten Wanddickevariationen kommen, insbesondere wenn ein ungünstiges, mit dem Formwerkzeug inkompatibles Verhältnis der Rotationsachsen gewählt wurde.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messanordnung und ein Messverfahren für eine Rotationsformanlage bereitzustellen, die die zuvor geschilderten Nachteile teilweise oder vollständig überwinden.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Die kontinuierliche Bestimmung der Rotationsposition des Formwerkzeugs und Übermittlung des Messsignals an eine Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht die Verarbeitung der Positionsdaten des Formwerkzeugs in der Datenverarbeitungseinrichtung. Die unmittelbare Verknüpfung der fortlaufend gemessenen Rotationsposition des Formwerkzeugs mit der Position bzw. Verteilung des darin angeordneten Werkstoffs erlaubt es, Rückschlüsse auf den Formprozess bzw. den Werkstoff, insbesondere dessen Position bzw. Verteilung in dem Formwerkzeug, zu ziehen und den Formprozess auf der Grundlage dieser Erkenntnisse zu steuern bzw. zu regeln.
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Beispielsweise können empfindliche Bereiche des Formwerkstoffs durch gesteuerte Rotation des Formwerkzeugs gezielt in Bereiche niedrigerer Temperatur gefahren bzw. rotiert werden. Im Beispiel eines Umluftofens, auf den die Erfindung jedoch keineswegs beschränkt ist, ist beispielsweise der Wärmeübergang im heißen Luftstrom bedeutend größer als im übrigen Bereich des Ofens. Je nach Orientierung des Formwerkzeugs wird somit in verschiedene Bereiche des Werkzeugs mehr oder weniger Energie in Form von Wärme eingetragen. Der Entstehung einer ungleichmäßigen gestaltbildenden Werkstoffschicht kann somit erfindungsgemäß entgegengewirkt werden. Andererseits ist mittels Einstellung einer definierten Orientierung des Formwerkzeugs im Ofen auch eine gezielte Ausbildung einer ungleichmäßigen gestaltbildenden Werkstoffschicht möglich. Es ist beispielsweise auch denkbar, verschiedene Bereiche des Ofens auf der Grundlage der erfindungsgemäß gewonnenen Information auf unterschiedliche Temperaturen zu heizen.
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Vorzugsweise erfolgt die kontinuierliche Bestimmung der Rotationsposition bzw. Orientierung des Formwerkzeugs mittels mindestens eines Lagesensors. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lagesensor als Inertialsensor ausgebildet, der insbesondere mindestens einen Beschleunigungssensor umfasst. Der Lagesensor ist in diesem Fall zweckmäßigerweise an oder in dem Formwerkzeug angeordnet. Aus dem Signal des Inertialsensors lässt sich die Rotationsposition des Formwerkzeugs ermitteln. Diese Art der Positionsbestimmung des Formwerkzeugs ist einfach und zuverlässig.
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In einer anderen Ausführungsform kann ein raumfest angeordneter Lagesensor verwendet werden, was eine einfache Übertragung der Positionsdaten an die Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht. In diesem Fall kann der Lagesensor beispielsweise ein optischer Sensor sein, aber auch andere Sensortypen sind möglich.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Rotationsposition des Formwerkzeugs aus Informationen bestimmt werden, die von mindestens einem Drehantrieb für das Formwerkzeug bereitgestellt werden, insbesondere aus der Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit des mindestens einen Drehantriebs. Diese Informationen stehen beispielsweise bei Verwendung eines Schrittmotors oder Synchronmotors zur Verfügung. Auf einen separaten Lagesensor kann dann gegebenenfalls verzichtet werden. Alternativ kann ein Lagesensor in dem mindestens einen Drehantrieb zur Ermittlung der Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit vorgesehen sein.
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Nach dem zuvor Gesagten ist die Datenverarbeitungseinrichtung vorzugsweise zur Berechnung von Information bezüglich der Position des Werkstoffs in dem Formwerkzeug aus dem Messsignal eingerichtet. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann dann vorteilhaft zur Steuerung der Rotation des Formwerkzeugs auf der Grundlage der Positionsinformation des Werkstoffs eingerichtet sein. Besonders vorteilhaft kann die Datenverarbeitungseinrichtung zur Änderung einer Rotationsgeschwindigkeit und/oder eines Verhältnisses von Rotationsgeschwindigkeiten des Formwerkzeugs auf der Grundlage der Positionsinformation des Werkstoffs insbesondere während der Heizphase des Formprozesses eingerichtet sein.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Temperatursensor zur Messung einer Temperatur des Formwerkzeugs und/oder des Werkstoffs vorgesehen. Vorteilhaft ist eine Messung der Temperatur des Formwerkzeugs und/oder der Lufttemperatur im Inneren des Werkzeugs, der sogenannten Inner Air Temperature AIR, vorgesehen. Zur Messung eines Temperaturprofils des Werkstoffs ist vorzugsweise ein Temperaturprofilsensor vorgesehen, der vorzugsweise als Schichtensensor ausgeführt ist. Dies wird im Folgenden noch genauer erläutert.
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Vorzugsweise ist mindestens ein Drucksensor zur Messung eines Drucks in dem Formwerkzeug vorgesehen. Ein Drucksensor misst den Druck im Inneren des Rotationsformwerkzeugs, den sogenannten Inner Air Pressure IAP, relativ zu dem Umgebungsdruck. Die Höhe des im Inneren des Formwerkzeugs wirkenden Drucks ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Fehlstellen, sogenannten Blaslöchern, welche vornehmlich in der Trennebene der Formwerkzeuge entstehen können. Sowohl die Entformbarkeit als auch die Formtreue können mittels einer Drucküberwachung wesentlich verbessert werden. Das Druckniveau in der Heizphase ist ein Maß zur Überprüfung der Werkzeugentlüftung. Bei unzureichender Entlüftung während der Heizphase entsteht ein überhöhter Druck innerhalb des Formwerkzeugs. Die Messeinrichtung gibt in diesem Fall, insbesondere wenn der gemessene Druck eine vorbestimmte Druckschwelle überschreitet, vorteilhaft ein Warnsignal aus.
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Während der Kühlphase führt ein Überdruck innerhalb des geformten Werkstoffes zu einem länger anhaltenden Kontakt zwischen Formstoff und Formwerkzeug, was zu einer Verkürzung der Zykluszeit führt und die Formtreue verbessert. In der Kühlphase kann daher ein Überdruck innerhalb des geformten Werkstoffes erwünscht sein. Der Drucksensor misst vorteilhaft die Höhe des anliegenden Druckes auf den Formstoff. Bei Verwendung einer Innenkühlung, beispielsweise mittels durchströmender Luft, kann über das gemessene Druckniveau der Volumenstrom gesteuert bzw. eingestellt werden.
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Nach einem unabhängigen vorteilhaften Aspekt ist zur Versorgung einer mit dem Formwerkzeug verbundenen Messeinrichtung eine Einrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus der Rotation des Formwerkzeugs, insbesondere mittels eines Generators, und/oder aus einer in der Rotationsformanlage herrschenden Temperaturdifferenz, insbesondere mittels eines thermoelektrischen Elements, und/oder eine Einrichtung zur kabellosen Übertragung von elektrischer Energie, insbesondere mittels elektromagnetischer Wellen wie Funkwellen oder anderen hochfrequenten Wellen, vorgesehen. Hierdurch wird vorteilhaft eine autarke Energieversorgung der Messeinrichtung ermöglicht. Aufwändige Einrichtungen wie Schleifkontakte sind gemäß diesem Aspekt der Erfindung entbehrlich. Ebenso entfallen ein Auswechseln und sonstige Beeinträchtigungen infolge erschöpfter Batterien. Vorzugsweise ist ein Akku zum Puffern elektrischer Energie vorgesehen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Rotationsformanlage;
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2 eine Darstellung eines dem Lagesensor zugeordneten Koordinatensystems;
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3 eine perspektivische Darstellung einer aus der Positionsinformation errechneten Spur des Werkstoffs in der Form;
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4 eine Querschnittsansicht eines Schichtensensors;
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5 eine schematische seitliche Ansicht einer Energieversorgungseinrichtung für die Messeinrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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6 eine schematische Längsansicht der Energieerzeugungseinrichtung aus 5;
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7 eine schematische Darstellung einer Energieversorgungseinrichtung für die Messeinrichtung in einer zweiten Ausführungsform; und
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8 eine schematische seitliche Ansicht einer Energieversorgungseinrichtung für die Messeinrichtung in einer dritten Ausführungsform.
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Die Rotationsformanlage 10 umfasst einen Ofen 11, der eine nur schematisch dargestellte Heizeinrichtung 12 zum Erhitzen des Ofens auf geeignete Temperaturen von bis zu 350 °C umfasst. Der Ofen 11 kann beispielsweise ein Umluftofen sein, in dem erhitzte Luft zirkuliert. Andere Ofentypen sind möglich.
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In dem Ofen 11 ist ein Formwerkzeug 13 angeordnet. Das Formwerkzeug 13, das auch als Form oder Werkzeug bezeichnet wird, ist auf einer Rotationseinrichtung 14 gehalten. Die Rotationseinrichtung 14 ermöglicht die Rotation des Formwerkzeugs 13, in dieser bevorzugten Ausführung um zwei Achsen 15, 16, die zweckmäßigerweise senkrecht zueinander orientiert sind. Die Rotationseinrichtung 14 ist vorzugsweise armförmig und umfasst vorzugsweise einen ersten Träger 17, der relativ zu dem Ofen 11 drehbar gelagert ist (Drehlager 18), und einen zweiten Träger 19, der relativ zu dem ersten Träger 17 drehbar gelagert ist (Drehlager 20). Auf dem zweiten Träger 19 ist das Formwerkzeug 13 gehalten. Die Rotation der Träger 17, 19 und damit des Formwerkzeugs 13 wird von einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung 21 gesteuert. Die entsprechenden Steuerleitungen sind in 1 nur schematisch dargestellt.
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Zur Rotationsformung wird ein formloser oder geformter Werkstoff, insbesondere ein Kunststoff, beispielsweise als Pulver in das Formwerkzeug 13 eingebracht. Durch Energie-, insbesondere Wärmeeintrag, d.h. unter Temperatureinfluss, und unter kontinuierlicher Rotation des Formwerkzeugs 13 um sämtliche Achsen wird der Werkstoff über einen physikalischen und/oder chemischen Prozess in eine neue Form überführt. Die Formgebung des Werkstoffes erfolgt in einem Heizprozess bei Temperaturen von bis zu 350 °C mit einem anschließenden Abkühlvorgang, wobei die gesamte Form 13 in den Ofen 11 hinein- und wieder herausgefahren wird. In der Regel wird während des gesamten Herstellprozesses, d.h. über die Heiz- und eine anschließende Abkühlphase, mittels der Rotationseinrichtung 14 die Form 13 in Rotation um sämtliche Achsen versetzt. Das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten um die beiden Achsen ist zweckmäßig im Hinblick auf die gewünschte Ausbildung des Formteils gewählt.
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Mit dem Formwerkzeug 13 bzw. mit dem das Formwerkzeug tragenden Träger 19 ist ein Lagesensor 22 verbunden, der in dieser Ausführungsform insbesondere als Inertialsensor ausgebildet ist. Der Lagesensor 22 ist vorzugsweise in einer Messeinrichtung 23 angeordnet. Die Messsignale werden vorzugsweise kabellos, insbesondere mittels Hochfrequenzwellen bzw. Funk, von der Messeinrichtung 23 zu der Datenverarbeitungseinrichtung 21 übertragen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise an der Messeinrichtung 23 und im Inneren des Ofens 11 eine Sende-/Empfangseinheit mit miteinander kommunizierenden HF-Antennen 24, 25 vorgesehen. Der Inertialsensor 22 umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von beispielsweise drei Beschleunigungssensoren, die in wechselseitig zueinander senkrechten Richtungen x, y, z angeordnet sind, so dass ein Koordinatensystem aufspannt wird.
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Aufgrund der festen Verbindung zwischen dem Inertialsensor 22 und dem Formwerkzeug 13 kann aus der sich ändernden Wirkrichtung der allgemeinen Schwerkraft FG, die auf eine oder mehrere in dem Inertialsensor 22 angeordnete Massen wirkt (siehe 2), die Lage bzw. Rotationsposition bzw. Orientierung der Messeinrichtung 23 und somit des Formwerkzeugs 13 in der Datenverarbeitungseinrichtung 21 aus den Positionssignalen des Inertialsensors 22 errechnet werden.
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Aus der kontinuierlich errechneten Lage des Formwerkzeugs 13 kann dann auf die Position bzw. Verteilung des Werkstoffs in dem Formwerkzeug 13 in der der Datenverarbeitungseinrichtung 21 umgerechnet werden. Dies ist beispielhaft in 3 gezeigt, wo die somit errechnete Spur 26, die der Werkstoff auf der Innenseite des Formwerkzeugs 13 überstreicht, gestrichelt markiert ist. Die gewonnene Information über die Lage des Werkstoffs in dem Formwerkzeug 13 kann vorteilhaft zur Steuerung des Formungsprozesses verwendet werden. Insbesondere kann eine Rotationsgeschwindigkeit bzw. das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeiten der Rotationseinrichtung 14 und somit des Formwerkzeugs 13 während des Formungsprozesses, insbesondere während der Heizphase, verändert bzw. gesteuert oder geregelt werden, um eine gewünschte Ausbildung der Werkstoffschicht in der Form 13 gezielt zu erreichen.
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Die Messeinrichtung 23 umfasst vorzugsweise mindestens einen Temperatursensor 27 zur Messung der Temperatur des Werkzeugs und/oder der Lufttemperatur im Inneren des Werkzeugs (Inner Air Temperature AIR).
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Alternativ oder zusätzlich umfasst die Messeinrichtung 23 vorzugsweise einen Drucksensor 28 zur Messung des Drucks im Inneren des Rotationsformwerkzeugs (Inner Air Pressure IAP) relativ zu dem Umgebungsdruck.
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Alternativ oder zusätzlich umfasst die Messeinrichtung 23 vorzugsweise mindestens einen Temperaturprofilsensor 29 zur Messung eines Temperaturprofils des Werkstoffs 30, d.h. zur Messung einer Mehrzahl von Temperaturwerten T1...Tn in definierten Abständen innerhalb des Werkstoffs 30 in einer Richtung senkrecht zur Werkzeugoberfläche. Zu diesem Zweck erstreckt sich Temperaturprofilsensor 29 vorteilhaft von einer Innenwand des Formwerkzeugs 13 nach innen. In der in 4 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist Temperaturprofilsensor 29 als Schichtensensor mit abwechselnden Schichten 32 hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise metallischen Schichten, und Schichten 31 niedriger Wärmeleitfähigkeit, d.h. wärmeisolierenden Schichten, ausgebildet. Vorzugsweise verjüngt sich der Temperaturprofilsensor 29 von der Innenwand des Formwerkzeugs 13 nach innen, siehe 4. Der Temperaturprofilsensor 29 kann beispielsweise die Form eines Kegelstumpfes aufweisen.
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Der Temperaturprofilsensor 29 kann ebenso zur Messung von Temperaturen in Werkstoffen, die aus mehreren Phasen bestehen, dienen. Beispielsweise kann in einer solchen Anwendung der optimale Zeitpunkt der Zugabe einer weiteren Phase aus dem gemessenen Temperaturprofil ermittelt und reproduziert werden. Die Entwicklung neuer Materialien als auch Materialkombinationen wird durch den Temperaturprofilsensor 29 wesentlich erleichtert.
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Zur Stromversorgung der Messeinrichtung 23 ist vorzugsweise eine Stromversorgungseinrichtung vorgesehen, die einen im Wesentlichen autarken Betrieb der Messeinrichtung 23 ohne elektrische Batterie und ohne aufwändige Schleifkontakte ermöglicht. Verschieden Ausführungsformen dieser besonders vorteilhaften Stromversorgungseinrichtung sind in den 5 bis 8 illustriert.
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In der Ausführungsform gemäß den 5 und 6 umfasst die Stromversorgungseinrichtung mindestens einen Generator 33, der zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden bzw. relativ zueinander rotierenden Bauteilen 34, 35 stromerzeugend angeordnet ist. Der Generator 33 erzeugt vorteilhaft Strom aus der Rotation der Rotationseinrichtung 14 bzw. der Träger 17, 19, hier aus der Rotation des Bauteils 34 relativ zu dem Bauteil 35. Das Bauteil 34 kann beispielsweise der Träger 19 sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Bauteil 34 der Träger 17 sein. Wie in 5 beispielhaft gezeigt, kann das Bauteil 34 in einer Ausführungsform eine von der Rotationsbewegung der Rotationseinrichtung 14 angetriebene, exzentrisch gelagerte Masse sein.
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In der Ausführungsform gemäß 7 wird elektrische Energie mittels elektromagnetischer Wellen, insbesondere Hochfrequenzwellen, von einem stationären Sender 39 über entsprechende Antennen 40, 41 zu der Messeinrichtung 23 zur Versorgung eines darin angeordneten elektrischen Verbrauchers 38, insbesondere einer elektronischen Schaltung, übertragen. Zur Pufferung der erzeugten elektrischen Energie weist die Messeinrichtung 23 vorzugsweise einen Akku 36 auf.
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In der Ausführungsform gemäß 8 wird aus einer herrschenden Temperaturdifferenz, insbesondere zwischen einer Temperatur Ti in der Messeinrichtung 23 und einer Temperatur Ta außerhalb der Messeinrichtung 23 (Ti ≠ Ta) mittels eines thermoelektrischen Elements 37 mit dem Effekt der Thermoelektrizität ein elektrischer Strom erzeugt.
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Die Messeinrichtung 23 dient im Allgemeinen zur Messung mindestens einer physikalischen Zustandsgröße an oder in dem Formwerkzeug 13 und/oder des Werkstoffs 30. Die Messeinrichtung 23 weist vorzugsweise einen Schutz gegen die in dem Ofen 11 herrschenden Temperaturen auf, insbesondere eine entsprechende thermische Isolierung. Auch eine aktive Kühlung der Messeinrichtung 23 mittels eines Kühlelements ist denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9105647 A1 [0003]
- GB 2311482 A [0004]
- WO 9612601 A1 [0005]
- WO 2006090251 A1 [0006]
- DE 10046567 A1 [0007]
