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Die Erfindung betrifft eine Düse, insbesondere eine Injektionsdüse zur Gegenstrominjektion eines flüssigen Materials zur Vermischung mit weiteren Komponenten, einen Mischkopf mit einer solchen Düse, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Austragsdrucks des Materials beim Austritt aus einer Düse.
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Zur Herstellung von Bauteilen aus mehreren Materialkomponenten werden häufig mehrere flüssige Materialien zu einem Reaktionsgemisch miteinander vermischt. Zur Herstellung von Kunststoffformteilen ist beispielsweise das sogenannte Gegenstrominjektionsverfahren (engl.: Reaction Injection Moulding, RIM) bekannt, das vor allem bei der Herstellung geschäumter Bauteile aus Polyurethanschaum Anwendung findet. Dabei werden typischerweise zwei Materialkomponenten unter hohem Druck durch sich gegenüberliegende Düsen gegeneinander in eine Mischkammer injiziert. Unter Ausnutzung der kinetischen Energie bzw. der Impulse der Strahlen aus den Düsen wird ein Reaktionsgemisch erzeugt. Die Reaktionsmasse wird zur Herstellung eines Bauteils anschließend zur Aushärtung in ein formgebendes Werkzeug gefüllt. Das Gegeninjektionsverfahren wird für die Herstellung von Formteilen aus Polyurethan beispielsweise für die Automobilindustrie, von Dämmschichten für Kühlschränke oder für Isolierpaneele für Kühlfahrzeuge eingesetzt. Geeignete Injektionsdüsen, Mischköpfe und Anlagen für das Gegenstrominjektionsverfahren sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Bekannte Düsen, bei denen der Gegendruck auf den Düsenkolben durch eine elastische Feder bereitgestellt wird, benötigen üblicherweise zusätzlich eine Dämpfung, da sie sonst zum Überschwingen (Oszillation) neigen. Die Dämpfung wiederum zu einem nachteiligen dynamischen Verhalten der Düse.
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Aus der
WO 97/32705 A1 ist ein Mischkopf zur Vermischung zweier Komponenten durch Gegenstrominjektion zur Herstellung eines reaktiven Gemisches, z.B. zur Verarbeitung von Polyurethan, bekannt.
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Die
DE 10020157 A1 beschreibt eine Einspritzdüse mit einem rückseitig hydraulisch beaufschlagbaren Düsenkolben, der mittels eines metallischen Faltenbalgs gegenüber dem Materialraum abgedichtet ist.
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Die
DE 10 2007 037 780 A1 beschreibt eine Konstantdruckdüse mit einem Faltenbalg, der hydraulisch mit einem Steuerdruck beaufschlagbar ist. Alternativ ist eine Druckfeder als flexibles Steuerelement vorgesehen, wobei der Raum, in dem sich das flexible Steuerelement bewegt, gegenüber einem Materialraum hydraulisch abgedichtet ist. Der Steuerdruck soll im Verhältnis zum Materialdruck reduziert werden.
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Die
WO 2014/009172 A1 beschreibt eine Komponentenzufuhrdüse mit einem Druckraum, der mit einer Hydraulik oder einer Pneumatik mit Druck beaufschlagbar ist. Der Druckraum ist über eine Membrandichtung gegenüber einem Komponentenraum abgedichtet, um auf Änderungen der Menge der Komponenten genauer reagieren zu können.
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Für eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität, sowohl innerhalb eines Bauteils als auch über einen längeren Produktionsprozess von Serienbauteilen hinweg, wird eine möglichst homogene Durchmischung der injizierten Materialkomponenten angestrebt.
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Produktionsanlagen, die flexibel für verschiedene Bauteile unterschiedlicher Größe und Härte eingesetzt werden sollen, müssen eine gute Durchmischung für unterschiedliche Massenströme und Austragsdrücke der Materialkomponenten gewährleisten. Abhängig von den Anforderungen in der Fertigung kann sich der Austragsmassenstrom und/oder der Austragsdruck der Materialien durch die Düsen von Schuss zu Schuss ändern, beispielsweise um die Schäumungsdichte eines Bauteils zu variieren oder weil je nach Bauteilgröße unterschiedliche Schussgewichte erforderlich sind.
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Auch während eines Schusses der Düsen soll eine gleichbleibend gute Durchmischung gegeben sein. Häufig tritt das Problem auf, dass die von einem Dosiersystem zu einer Düse geförderten Massenströme der Materialkomponenten während eines Schusses der Düse lokalen Variationen der Materialparameter unterliegen. Aus einer lokalen Temperaturänderung, z.B. in Form einer kälteren mitgeförderten Materialblase, kann sich beispielsweise eine lokale Variation der Viskosität ergeben. Auch kann aufgrund einer Änderung der Förderleistung der von einer Dosierpumpe geförderte Massenstrom variieren. Diese Variationen können die Durchmischung der Materialkomponenten beeinträchtigen.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Düsen erfüllen die genannten Anforderungen an eine möglichst homogene Durchmischung der verschiedenen Materialien nur unzureichend. Außerdem sind bei Düsen aus dem Stand der Technik, vor allem bei hohen Austragsdrücken, Probleme bei der Abdichtung des Düsenkolbens bekannt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Düse, einen Mischkopf, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermischung von flüssigen Materialkomponenten zum Erreichen einer verbesserten Bauteilqualität bereitzustellen. Insbesondere soll für von Schuss zu Schuss verschiedene Bauteile, oder Bauteileigenschaften, sowie weiter insbesondere während eines Schusses, eine gleichbleibend gute Durchmischung der Materialien gewährleistet sein. Insofern soll insbesondere auch eine Düse geschaffen werden, die möglichst flexibel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Düse nach Anspruch 1, einen Mischkopf nach Anspruch 11, sowie durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Austragsdrucks eines Materials beim Austritt aus einer Düse nach Anspruch 12 bzw. 13.
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Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch eine Düse, insbesondere Injektionsdüse, vorzugsweise zur Gegenstrominjektion eines flüssigen Materials zur Vermischung mit weiteren Komponenten, umfassend:
- - ein Düsengehäuse das mindestens eine Einlassöffnung zur Zuführung eines flüssigen Materials und einen Düsenauslass zur Austragung des Materials aufweist,
wobei das Düsengehäuse einen Kolbenraum aufweist, der sich entlang einer Längsachse des Düsengehäuses erstreckt;
- - einen Düsenkolben, der in dem Kolbenraum entlang der Längsachse axial verschieblich gelagert ist und eine Materialkammer und eine Druckfluidkammer voneinander trennt,
wobei eine Materialfläche des Düsenkolbens mit einem Materialdruck des Materials und eine Druckfluidfläche des Düsenkolbens mit einem Regeldruck eines Druckfluids beaufschlagbar ist;
- - eine Düsennadel, die mit dem Düsenkolben verbunden ist und mit dem Düsenauslass eine variable Düsenöffnung bildet;
- - eine Dichtungsvorrichtung, die einen Umfangsspalt zwischen dem Düsengehäuse und dem Düsenkolben abdichtet,
wobei der Regeldruck in der Druckfluidkammer, vorzugsweise hydraulisch, einstellbar ist, um einen Austragsdruck des Materials beim Austritt aus der Düsenöffnung zu regeln.
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Ausgehend von der Erkenntnis, dass Schwankungen des Austragsdrucks des Materials beim Austritt aus einer Düse die Durchmischung der zur Vermischung ausgetragenen Materialien beeinträchtigen können, liegt der Erfindung die Idee zugrunde, den Ausgangsdruck des Materials beim Austritt aus der Düse so zu regeln, dass er zum einen während eines Schusses konstant gehalten wird und zum anderen von Schuss zu Schuss auf einen gewünschten (konstanten) Austragsdruck einstellbar ist. Vorzugsweise wird der Austragsdruck möglichst über die gesamte Dauer eines Schusses so konstant wie möglich gehalten. Dadurch ist eine homogene Durchmischung der verschiedenen Materialien innerhalb eines Bauteils und jeweils für verschiedene Bauteile erreichbar.
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Die Durchmischung der Materialien aus gegeneinander gerichteten Düsen hängt von den Impulsen der aufeinandertreffenden Materialstrahlen ab, die unter anderem von deren Massenströmen und Austragsgeschwindigkeiten abhängen. Die Austragsgeschwindigkeit hängt wiederum vom Austragsdruck ab. Durch eine Einstellung des Austragsdrucks kann der aus den Impulsen der Materialstrahlen resultierende Mischpunkt annähernd gleich, vorzugsweise genau in der Mitte zwischen den Düsen der aufeinandertreffenden Materialstrahlen, gehalten werden. Dadurch wird eine gleichbleibend hohe Mischgüte der injizierten Materialkomponenten erzielt.
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Flüssige Materialien im Sinn der Erfindung können insbesondere flüssige Kunststoffe oder -harze sein, die vorzugsweise zur Herstellung eines Reaktionsgemisches miteinander vermischt werden. Die erfindungsgemäße Düse ist insbesondere zur Herstellung von Polyurethan (PU bzw. PUR) geeignet. Beispielsweise ist ein flüssiges Material ein Diol bzw. ein Polyol oder ein Diisocyanat bzw. ein Polyisocyanat. Das Druckfluid ist insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, wie z.B. Wasser oder Öl.
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Das Düsengehäuse kann mehrteilig, insbesondere rotationssymmetrisch zur Längsachse, aufgebaut sein. Der Kolbenraum ist vorzugsweise im Inneren des Düsengehäuses ausgebildet, hat vorzugsweise eine kreiszylindrische Grundform und ist vorzugsweise durch eine oder mehrere Umfangsinnenfläche/n des Düsengehäuses in radialer Richtung begrenzt. Der Düsenkolben kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Die Düsennadel kann einteilig mit dem Düsenkolben ausgebildet, oder an diesem befestigt sein.
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Die Materialfläche und die Druckfluidfläche können, insbesondere in einer Projektion in Richtung der Längsachse, gleich groß oder verschieden groß sein, insbesondere im Wesentlichen gleich groß.
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Der Düsenkolben ist insbesondere zwischen einer vorderen Endposition, in der die Düsenöffnung verschlossen ist, und einer hinteren Endposition, in der die Düsenöffnung maximal geöffnet ist, hin und her, vorzugsweise kontinuierlich, verschiebbar. Die vordere und hintere Endposition definieren insbesondere den maximalen Hub des Düsenkolbens. In der vorderen Endposition liegt die Düsennadel insbesondere an einem, vorzugsweise metallischen, Dichtsitz an. In der hinteren Endposition liegt der Düsenkolben, vorzugsweise mit einer hinteren Anschlagfläche, insbesondere an einer Rückwand der Druckfluidkammer an. Die Größe der Düsenöffnung ist insbesondere durch eine Verschiebung des Düsenkolbens in Richtung der Längsachse variabel einstellbar. Insbesondere wirkt der Düsenauslass mit dem Düsenzapfen derart zusammen, dass sich in einem geöffneten Zustand der Düse eine Düsenöffnung in Form eines Ringspalts bildet.
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Der Umfangsspalt erstreckt sich insbesondere in Richtung der Längsachse zwischen dem Düsengehäuse und dem Düsenkolben, wobei der Umfangsspalt sich bei einer Verschiebung des Düsenkolbens relativ zum Düsengehäuse vorzugsweise entsprechend verlagert. Der Umfangsspalt ist insbesondere in Form eines Hohlzylinders, oder mehrerer abgestufter Hohlzylindersegmente unterschiedlichen Durchmessers, vorzugsweise mit kreisringförmigem Querschnitt, ausgebildet.
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Die Dichtvorrichtung dichtet die Materialkammer insbesondere gegen die Druckfluidkammer ab. Vorzugsweise ist die Dichtvorrichtung derart ausgebildet, dass kein Druckfluid aus der Druckfluidkammer in die Materialkammer bzw. kein Material aus der Materialkammer in die Druckfluidkammer durch den Umfangsspalt gelangen kann. Die Dichtungsvorrichtung kann im Düsengehäuse oder im Düsenkolben, alternativ auch zweigeteilt teilweise im Düsengehäuse und im Düsenkolben, gelagert bzw. aufgenommen sein. Insbesondere wirkt die Dichtungsvorrichtung als eine Gleitdichtung. Bei einer Verschiebung des Düsenkolbens gleitet die Dichtungsvorrichtung insbesondere entlang einer Umfangsinnenfläche des Düsengehäuses bzw. entlang einer Umfangsaußenfläche des Düsenkolbens.
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Der Regeldruck in der Druckfluidkammer ist insbesondere hydraulisch, vorzugsweise elektrohydraulisch, einstellbar bzw. anpassbar, beispielsweise durch ein elektrisch oder elektronisch ansteuerbares Ventil, vorzugsweise Proportionalventil, das ein geregeltes Ein- bzw. Ausströmen von Druckfluid in die Druckfluidkammer bewirkt. Insbesondere stellt sich eine axiale Position des Düsenkolbens entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Materialdruck und dem Regeldruck ein. Insbesondere ist durch geregeltes Einstellen eines von dem Materialdruck abweichenden Regeldrucks der Düsenkolben derart verschiebbar, dass über die sich entsprechend einstellende Düsenöffnung der Austragsdruck regelbar ist. Insbesondere kann angenommen werden, dass ein, beispielsweise in der Materialkammer oder einer Zuführleitung, gemessener Materialdruck zumindest in guter Näherung dem Austragsdruck des Materials beim Austritt aus der Düsenöffnung entspricht. Die Druckfluidkammer ist vorzugsweise entlüftbar. Eine erfindungsgemäße Düse hat den Vorteil, dass der Austragsdruck auf einen zumindest näherungsweise konstanten Wert regelbar ist. Die Düse ist insbesondere dazu geeignet, den Austragsdruck so zu regeln, dass er einem gewünschten bzw. vorgegebenen Soll-Austragsdruck entspricht. Dabei kann der Austragsdruck während eines Schusses der Düse konstant gehalten werden und wahlweise von Schuss zu Schuss der Düse variierend vorgegeben werden. Es ist auch denkbar, einen bestimmten Druckverlauf des Austragsdrucks während eines Schusses vorzugeben. Schwankungen (Fluktuationen) der Materialparameter oder des Massenstroms können während eines Schusses durch die Düse ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße Düse ist schnell, insbesondere mit hoher Regelfrequenz und geringer Verzögerung, regelbar, wodurch der Austragsdruck genauer einstellbar bzw. nachregelbar ist. Durch einen konstanten Austragsdruck wird eine homogenere Durchmischung der Materialien erreicht, wodurch die Bauteilqualität verbessert wird. Außerdem kann die Düse schnell geöffnet und geschlossen werden, wodurch sie insbesondere auch für Schüssen mit kurzer Dauer bzw. schnell aufeinander folgende Schüsse geeignet ist. Eine auf der Einstellung eines Regeldrucks des Druckfluids basierende, vorzugsweise hydraulische, Regelung hat den Vorteil, dass ein großer maximaler Hub des Düsenkolbens realisierbar ist. Insbesondere müssen nur geringe Druckfluidvolumina bewegt werden, um einen bestimmten Hub des Düsenkolbens zu erreichen. Dadurch können mit derselben Düse sehr verschieden große Massenströme eines Materials ausgetragen werden. Insbesondere kann der Massenstrom von Schuss zu Schuss über einen großen Bereich variiert werden. Eine erfindungsgemäße Düse ist sehr flexibel, insbesondere für verschiedene Bauteile, Bauteileigenschaften und/oder auszutragende Materialien, einsetzbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse bildet der Düsenkolben eine Aufnahme für die Dichtungsvorrichtung aus, wobei die Dichtungsvorrichtung insbesondere einen Dichtungshalterungskranz umfasst, der Umfangsausnehmungen zur Aufnahme von Dichtungselementen aufweist. Die Aufnahme des Düsenkolbens für die Dichtungsvorrichtung ist insbesondere als ein Wellenabsatz des Düsenkolbens ausgebildet, auf den insbesondere ein Dichtungshalterungskranz aufschiebbar ist, bevorzugt von hinten. Die Umfangsausnehmungen des Dichtungshalterungskranzes sind vorzugsweise als Rücksprünge entlang der äußeren Umfangskanten des Dichtungshalterungskranzes ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich können Umfangsausnehmungen zur Aufnahme von Dichtungselementen in einer äußeren Umfangsfläche des Dichtungshalterungskranzes vorgesehen sein. Insbesondere weist der Düsenkolben einen umlaufenden radialen Vorsprung auf. Vorzugsweise bildet eine vordere Seite des radialen Vorsprungs zumindest teilweise die Materialfläche aus. Die hintere Seite des radialen Vorsprungs bildet vorzugsweise eine Anschlagsfläche zur axialen Lagerung der Dichtungsvorrichtung, bzw. des Dichtungshalterungskranzes, aus. Ein hinterer axialer Anschlag für die Dichtvorrichtung, bzw. den Dichtungshalterungskranz, ist beispielsweise durch einen Kolbendeckel gebildet. Ein Kolbendeckel kann z.B. durch eine Schraube mit dem Düsenkolben verspannt sein, wobei die, vorzugsweise geschliffene, Oberfläche des Schraubenkopfes insbesondere eine hintere Anschlagsfläche des Düsenkolbens, z. B. zum Anschlag an einer Rückwand der Druckfluidkammer, bildet. Eine in dem Düsenkolben aufgenommene Dichtungsvorrichtung hat den Vorteil, dass der Kolbenraum einfach, zum Beispiel mit einer Bohrung in das Düsengehäuse von hinten her, herstellbar ist, während der Düsenkolben mit der Dichtungsvorrichtung vormontiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse umfasst die Dichtungsvorrichtung erste und zweite Dichtungselemente, die insbesondere als Dichtringe, vorzugsweise mit einer Umfangsnut, ausgebildet sind. Insbesondere sind die Dichtungselemente axial voneinander beabstandet angeordnet, wobei vorzugsweise genau zwei Dichtungselemente vorgesehen sind, z. B. ein vorderes und ein hinteres Dichtungselement. Die Dichtungselemente verlaufen insbesondere entlang einer äußeren Umfangsfläche des Dichtungskolbens bzw. des Dichtungshalterungskranzes. Vorzugsweise sind die Dichtungselemente als Gleitdichtungen ausgebildet, die insbesondere entlang einer Umfangsinnenfläche des Düsengehäuses in axialer Richtung gleiten können. Die Dichtungselemente sind insbesondere auf dem Dichtungshalterungskranz vormontierbar, vorzugsweise von vorne bzw. hinten her auf den Dichtungshalterungskranz aufsetzbar bzw. aufschiebbar. Dichtungselemente weisen bevorzugt eine seitliche Umfangsnut auf, wobei vorzugsweise die Umfangsnut des ersten (vorderen) Dichtungselements in Richtung der Materialfläche und die Umfangsnut des zweiten (hinteren) Dichtungselements in Richtung der Druckfluidfläche ausgerichtet ist. Die Dichtungselemente bzw. Dichtringe können eine Vielzahl verschiedener Profile, z. B. ein C-Profil oder andere Hohlprofile, auch asymmetrische Profile, aufweisen. Eine Umfangsnut ist insbesondere derart in dem Dichtungselement ausgebildet, z. B. U-förmig oder birnenförmig, dass sich das Dichtungselement bei Füllung der Umfangsnut mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit, beispielsweise dem Material oder der Druckflüssigkeit, in radiale Richtung ausdehnt. Auf diese Weise kann durch radiales Anpressen des Dichtungselements an eine Umfangsinnenfläche (Gleitfläche) des Düsengehäuses eine erhöhte Dichtwirkung erreicht werden. Zwei oder mehrere Dichtungselemente haben den Vorteil, dass der Umfangsspalt zuverlässiger abdichtbar ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse umfassen die die ersten und/oder zweiten Dichtungselemente PTFE, vorzugsweise ein PTFE-Compound. Polytetrafluorethylen (PTFE) hat gute Gleiteigenschaften sowie eine gute chemische und thermische Beständigkeit. Ein PTFE-Compound bzw. Compound (Kunststoff) auf PTFE-Basis, kann verschiedene beigemischte Füllstoffe enthalten, um bestimmte Materialeigenschaften zu erzielen. Vorzugsweise ist die Materialzusammensetzung der Dichtungselemente auf die Oberflächenstruktur, insbesondere das Schliffbild, der Gleitfläche bzw. einer Umfangsinnenfläche des Düsengehäuses abgestimmt. Zwischen den Dichtungselementen und der Gleitfläche des Düsengehäuses kann sich ein abdichtender Schmierfilm ausbilden. In einer alternativen Ausführungsform können die ersten und/oder zweiten Dichtungselemente, zumindest entlang ihres äußeren Umfangs, eine PTFE-Beschichtung aufweisen. Dichtungselemente aus oder mit PTFE haben den Vorteil, dass der Umfangsspalt zuverlässig und möglichst reibungsfrei abdichtbar ist. Für eine erfindungsgemäße Düse sind dadurch hohe Hubgeschwindigkeiten des Düsenkolbens und eine hohe Regelfrequenz erreichbar. Das dynamische Verhalten der Düse wird insofern verbessert, als insbesondere kein Stick-Slip-Effekt bei einer Verschiebung des Düsenkolbens auftritt und es zu deutlich geringeren Verzögerungen im Anlaufverhalten der Düse kommt. Dadurch kann der Düsenkolben schnelle, und insbesondere auch kleine, Hübe ausführen. Der Austragsdruck kann dadurch genauer nachgeregelt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse ist von der Materialfläche mindestens ein Verbindungskanal zwischen der Materialkammer und einer Umfangsausnehmung und/oder von der Druckfluidfläche mindestens ein Verbindungskanal zwischen der Druckfluidkammer und einer Umfangsausnehmung ausgebildet. Ein Verbindungskanal ist insbesondere als eine Durchgangsöffnung in dem Düsenkolben, vorzugsweise in einem radialen Vorsprung des Düsenkolbens, z.B. als eine Bohrung, ausgeführt. Beispielsweise sind 4 bis 16, vorzugsweise 6 bis 12, besonders bevorzugt 8, Bohrungen gleichmäßig über den Umfang verteilt ausgeführt. Die Verbindungskanäle stellen insbesondere eine Fluidverbindung zwischen einer Umfangsausnehmung und der Materialkammer bzw. der Druckfluidkammer her, damit das unter Druck stehende Material bzw. Druckfluid durch Füllung des Dichtungselements eine Anpressung an die Gleitfläche des Düsengehäuses, und optional auch an eine Außenfläche des Dichtungshalterungskranzes, bewirken kann. In einer alternativen, aber nicht bevorzugten, Ausführungsform sind axiale Verbindungsnuten, vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt, in einer äußeren Umfangsfläche des Düsenkolbens ausgebildet. Verbindungskanäle haben aber den Vorteil, dass das Material bzw. das Druckfluid nicht zunächst in den Umfangsspalt eindringen muss. Das dynamische Verhalten der Düse wird auf diese Weise verbessert. Insbesondere können Anlaufzeiten der Düse verkürzt und die Regelfrequenz erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse ist im Düsengehäuse eine Überwachungsöffnung vorgesehen, an die vorzugsweise ein Drucksensor anschließbar ist, um den Druck in einem Kolbenzwischenraum zwischen den ersten und zweiten Dichtungselementen zu überwachen. Ein Kolbenzwischenraum ist insbesondere zwischen einem ersten (vorderen) und einen zweiten (hinteren) Dichtungselement definiert und kann als ein (sich zeitlich verschiebender) Abschnitt des Umfangsspalts verstanden werden. Eine Überwachungsöffnung ist vorzugsweise als eine (radiale) Bohrung im Düsengehäuse ausgeführt und mündet vorzugsweise in den Kolbenzwischenraum ein. Es können mehrere Überwachungsöffnungen, vorzugsweise (gleichmäßig) über den Umfang verteilt, vorgesehen sein. Durch eine Überwachungsöffnung kann ein unvorhergesehenes Eindringen von flüssigem Material oder Druckfluid in den Kolbenzwischenraum überwacht werden. Durch einen anschließbaren Drucksensor kann eine Druckänderung in dem Kolbenzwischenraum erfasst werden, die insbesondere auf einen Defekt eines der Dichtungselemente hindeuten kann. Der Kolbenzwischenraum kann insbesondere mit einem Referenzdruckniveau beaufschlagt sein, das durch die Überwachungsöffnung überwachbar ist. Ein Referenzdruckniveau kann unabhängig vom Materialdruck und/oder Regeldruck gewählt sein. Durch eine Überwachung des Kolbenzwischenraums kann insbesondere das Eindringen von Druckfluid in die Materialkammer rechtzeitig erfasst werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse ist im Düsengehäuse eine Sammelnut ausgebildet, die in den Kolbenzwischenraum zwischen den ersten und zweiten Dichtungselementen mündet und vorzugsweise mit der Überwachungsöffnung verbunden ist. Auf diese Weise kann der Kolbenzwischenraum über den gesamten Umfang, insbesondere durch einen einzigen Drucksensor, überwacht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse beträgt eine maximale Hubgeschwindigkeit des Düsenkolbens im Betrieb der Düse zwischen 1 m/s und 15 m/s, vorzugsweise zwischen 5 m/s und 10 m/s, weiter vorzugsweise zwischen 6 m/s und 9 m/s, weiter vorzugsweise ungefähr 8 m/s. Durch eine hohe Hubgeschwindigkeit sind hohe Regelfrequenzen für die Düse erreichbar. Der Austragsdruck kann genauer nachgeregelt werden. Außerdem kann die Düse schnell geöffnet und verschlossen werden. Dadurch kann eine Anlaufphase zum Einstellen eines vorgegebenen Austragsdrucks verkürzt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse beträgt der maximale Hub des Düsenkolbens mehr als 1,0 mm, vorzugsweise mehr als 1,5 mm, weiter vorzugsweise mehr als 2,0 mm, weiter vorzugsweise mehr als 2,5 mm, weiter vorzugsweise mehr als 3,0 mm. In einer vorderen Endposition des Düsenkolbens, in der die Düsennadel an einem Dichtsitz anliegt, entspricht maximale Hub des Düsenkolbens dem freien Abstand zwischen einer hinteren Anschlagsfläche des Düsenkolbens und einer Anschlagsfläche, z.B. einer Rückwand, der Druckfluidkammer. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düse beträgt der maximale Hub ungefähr 1,7 mm. Insbesondere durch eine hydraulische Regelung der Düse ist ein großer maximaler Hub erreichbar, da nur geringe Flüssigkeitsvolumina bewegt werden müssen. Die Düse ist dadurch flexibel für unterschiedliche Massenströme einsetzbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Düse weist die Düsennadel einen Düsenzapfen auf, der mit dem Düsenauslass einen Ringspalt ausbildet, wobei der Düsenzapfen vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 10 mm, weiter vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm, beispielsweise von 1,0 mm, 2,0 mm, 3,5 mm oder 4,0 mm, aufweist. Der Düsenzapfen weist vorzugsweise eine Länge zwischen 0,5 mm und 2 mm, weiter vorzugsweise zwischen 0,7 mm und 1,5 mm, beispielsweise von ungefähr 1,0 mm auf. Vorzugsweise bildet der Düsenzapfen mit dem Düsenauslass im verschlossenen Zustand der Düse einen Ringspalt mit konstantem Querschnitt, z. B. über eine Länge von ungefähr 0,5 mm des Düsenzapfens. Auf diese Weise bleibt die Düsenöffnung in der Anlaufphase nach Öffnung der Düse zunächst unverändert, um das instationäre Anlaufverhalten der Düse zu verbessern. Durch die Wahl des Durchmessers des Düsenzapfen, bzw. des Düsenauslasses, ist eine erfindungsgemäße Düse für die Austragung eines bestimmten Bereichs von Massenströmen auslegbar. Außerdem kann ein Düsenzapfen bewirken, dass die Strömung im Bereich der Düsenöffnung laminar bleibt. Dadurch kann ein möglichst gleichbleibender Ringstrahl des Materials, vorzugsweise auch unabhängig vom Öffnungsgrad der Düse, erzielt werden.
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Die genannte Aufgabe wird weiterhin innbesondere gelöst durch einen Mischkopf, insbesondere zur Gegenstrom-Injektionsmischung flüssiger Materialien, umfassend eine Mischkammer und mindestens zwei gegeneinander gerichtete Düsen, insbesondere Injektionsdüsen, wobei insbesondere mindestens zwei Gruppen von jeweils mindestens zwei gegeneinander gerichteten Düsen, insbesondere zwei Paare von sich gegenüberliegenden Düsen, vorgesehen sind, und vorzugsweise eine Nachmischkammer zwischen den Gruppen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Düsen gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Ein erfindungsgemäßer Mischkopf ist vorzugsweise als ein Umlenkmischkopf ausgebildet, wobei das von den Düsen ausgetragene Material in einer Nachmischkammer beispielsweise um 90° umgelenkt wird. Der Mischkopf kann unterschiedliche Düsen umfassen, insbesondere mindestens zwei unterschiedliche erfindungsgemäße Düsen, die zum Beispiel für verschiedene Massenstrombereiche ausgelegt sind. In einem Mischkopf können verschiedene Massenströme unterschiedlicher Materialien, insbesondere mit unterschiedlicher Dichte, zur Vermischung ausgetragen werden. Insbesondere sind die Austragsdrücke der Düsen des Mischkopfes jeweils auf einen anderen Wert regelbar. Im Betrieb des Mischkopfes können einzelne Düsen des Mischkopfes verschlossen sein, während andere Düsen des Mischkopfes im Betrieb sind. Vorzugsweise sind alle Düsen des Mischkopfes gleichzeitig öffenbar und/oder verschließbar. Durch einen Mischkopf mit verschließbaren Düsen ist keine separate Verschlusseinheit erforderlich, insbesondere keine Absperrventile für den Materialdruck.
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Ein erfindungsgemäßer Mischkopf hat den Vorteil, dass der Austragsdruck jeder Düse separat einstellbar und möglichst konstant gehalten werden kann. Ein solcher Mischkopf ist einfach für verschiedene Massenstromverhältnisse konfigurierbar. Beispielsweise kann das Massenstromverhältnis zwischen zwei Düsen oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schüssen einer Düse im Bereich von 1:1 bis 1:5 bzw. den entsprechenden Kehrwerten betragen. Beispielsweise kann ein austragbarer Massenstrom zwischen 500 g/s und 2500 g/s betragen. Der Mischpunkt kann sowohl während eines Schusses als auch von Schuss zu Schuss gleich, vorzugsweise in der Mitte zwischen den Düsen, gehalten werden. Die Bauteilqualität wird dadurch verbessert. Ein erfindungsgemäßer Mischkopf ist flexibel einsetzbar.
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Die genannte Aufgabe wird weiterhin innbesondere gelöst durch eine Vorrichtung zur Regelung des Austragsdrucks eines Materials beim Austritt aus einer Düse, insbesondere Injektionsdüse, vorzugsweise zur Gegenstrominjektion eines flüssigen Materials zur Vermischung mit weiteren Komponenten, umfassend:
- - mindestens eine Düse, insbesondere eine Düse gemäß der Erfindung, vorzugsweise einen Mischkopf gemäß der Erfindung;
- - eine Dosierpumpe, die über eine Zuführleitung mit der Düse verbunden ist, um die Düse mit einem flüssigen Material zu versorgen;
- - ein Druckfluidreservoir, das über eine Druckfluidleitung mit der Düse verbunden ist, um die Düse mit einem Druckfluid zu versorgen;
- - ein Ventil, insbesondere Proportionalventil, zur Einteilung eines Regeldrucks des Druckfluids in einer Druckfluidkammer der Düse;
- - einen Drucksensor zur Erfassung eines Materialdrucks des Materials;
- - eine Regelungseinheit, die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Druckabweichung des erfassten Materialdrucks von einem vorbestimmten Soll-Austragsdruck, das Ventil anzusteuern, um den Regeldruck, vorzugsweise hydraulisch, einzustellen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung bildet insbesondere einen Regelkreis, wobei der Austragsdruck des Materials beim Austritt aus der Düsenöffnung vorzugsweise die Regelgröße, und ein vorgegebener Soll-Austragsdruck vorzugsweise die Führungsgröße ist. Der Regeldruck in der Druckfluidkammer kann als Stellgröße verstanden werden. Es kann angenommen werden, dass der erfasste Materialdruck zumindest in guter Näherung dem Austragsdruck des Materials beim Austritt aus der Düsenöffnung entspricht. Auf diese Weise ist der Regeldruck in der Druckfluidkammer basierend auf einer Druckabweichung zwischen dem erfassten Materialdruck und dem vorbestimmten Soll-Austragsdruck, vorzugsweise gemäß einer durch die Regelungseinheit ausgeführten Regelung, derart einstellbar, dass der Austragsdruck des Materials auf den vorgegebenen Soll-Austragsdruck geregelt wird.
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Die Regelungseinheit umfasst insbesondere eine Recheneinheit, wie einen Mikroprozessor oder eine CPU, und ist insbesondere dazu ausgebildet eine Druckabweichung (Druckdifferenz) zwischen einem vorgegebenen, insbesondere in einer Speichereinheit gespeicherten, Soll-Austragsdruck und einem gemessenen Materialdruck zu berechnen. Die Regelungseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, auf Grundlage der berechneten Druckabweichung einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Ventils zu erzeugen. Der Drucksensor zur Erfassung des Materialdrucks kann z.B. in der Materialkammer, an einer Einlassöffnung oder in einer Zuführleitung der Düse angeordnet sein. Optional kann ein Drucksensor zur Erfassung des Regeldrucks vorgesehen sein, zum Beispiel in der Druckfluidleitung. Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Drucksensor zur Überwachung des Drucks in dem Kolbenzwischenraum, wobei der Drucksensor insbesondere an eine Überwachungsöffnung des Düsengehäuses angeschlossen ist. Der Materialdruck ist insbesondere über die Dosierpumpe steuerbar. Im verschlossenen Zustand der Düse kann der Düse zugeführtes Material durch Zuführ- und Rückführleitung zirkulieren, vorzugsweise über einen in der Materialkammer ausgebildeten Umfangskanal. Die Rückführleitung sind vorzugsweise verschließbar, insbesondere im geöffneten Zustand der Düse, d.h. während eines Schusses.
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Der Eingangsdruck, der dem Ventil vorzugsweise aus dem Druckfluidreservoir bereitgestellt wird, beträgt vorzugsweise zwischen 200 bar und 300 bar, weiter vorzugsweise zwischen 220 bar und 280 bar, weiter vorzugsweise zwischen 240 bar und 260 bar, besonders bevorzugt ungefähr 250 bar. Vorzugsweise ist ein Proportionalventil zur Einstellung des Regeldrucks in der Druckfluidkammer vorgesehen, das proportional zur Druckabweichung eine Druckänderung des Regeldrucks in der Druckfluidkammer einstellt. Das Proportionalventil ist insbesondere von einem Proportionalmagneten betätigbar. Der Regeldruck in der Druckfluidkammer beträgt vorzugsweise zwischen 50 bar und 200 bar, weiter vorzugsweise zwischen 80 bar und 170 bar, weiter vorzugsweise zwischen 100 bar und 150 bar, beispielsweise ungefähr 125 bar. Der Materialdruck liegt bei Austrag des Materials vorzugsweise ungefähr im Bereich des Regeldrucks.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung beruht insbesondere auf derselben Funktionsweise und hat dieselben Vorteile, wie sie zuvor für eine erfindungsgemäße Düse und einen erfindungsgemäßen Mischkopf beschrieben sind. Insbesondere ist eine solche Vorrichtung flexibel einsetzbar und kann die Bauteilqualität verbessern.
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Die genannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Regelung des Austragsdrucks eines Materials beim Austritt aus einer Düse, insbesondere Injektionsdüse, vorzugsweise zur Gegenstrom-Injektionsmischung, insbesondere aus einer erfindungsgemäßen Düse, wobei ein verschieblich gelagerter Düsenkolben der Düse, eine Materialkammer und eine Druckfluidkammer voneinander trennt und eine Materialfläche des Düsenkolbens mit einem Materialdruck des Materials und eine Druckfluidfläche mit einem Regeldruck eines Druckfluids beaufschlagbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Speichern eines Soll-Austragsdrucks, mit dem ein Material aus der Düse ausgetragen werden soll, in einer Regelungseinheit;
- - Fördern eines Materials in die Materialkammer der Düse mit einer Dosierpumpe;
- - Erfassen eines Materialdrucks durch einen Drucksensor;
- - Übertragen des erfassten Materialdrucks an die Regelungseinheit;
- - Bestimmen der Druckabweichung des Materialdrucks vom vorbestimmten Soll-Austragsdruck durch die Regelungseinheit;
- - Einstellen eines Regeldrucks in der Druckfluidkammer, vorzugsweise hydraulisch, insbesondere durch Ansteuern eines Ventils, insbesondere Proportionalventils, basierend auf der Druckabweichung, vorzugsweise mindestens einmal während eines Schusses der Düse.
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Insbesondere wird die Druckabweichung von der Regelungseinheit berechnet, die vorzugsweise einen Steuerbefehl zur Ansteuerung des Ventils erzeugt. Der Steuerbefehl wird insbesondere an eine Steuerung des Ventils übertragen. Vorzugsweise wird das Proportionalventil basierend auf dem Steuerbefehl betätigt, insbesondere stufenlos verstellt. Der Regeldruck kann durch Zuführen oder Abführen eines Druckfluidvolumens in die bzw. aus der Druckfluidkammer eingestellt werden. Insbesondere wird, wenn der Materialdruck geringer ist als der Soll-Austragsdruck, der Regeldruck erhöht bzw. wenn der Materialdruck höher ist als der Soll-Austragsdruck, der Regeldruck reduziert. Der Soll-Austragsdruck kann von einem Schuss zum nächsten Schuss der Düse geändert, insbesondere neu gespeichert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere einen Schritt des Überwachens der Funktionsfähigkeit einer Dichtungsvorrichtung, insbesondere durch Überwachen eines Kolbenzwischenraums zwischen zwei Dichtungselementen. Insbesondere wird das Druckniveau, beispielsweise ein Referenzdruckniveau, in dem Kolbenzwischenraum durch einen Drucksensor überwacht. Insbesondere kann mittels einer Überwachungsöffnung überprüft werden, ob flüssiges Material und/oder Druckfluid in den Kolbenzwischenraum eingedrungen ist.
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Das Verfahren hat ähnliche Vorteile, wie sie bereits in Verbindung mit der Düse, dem Mischkopf und der Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben sind und kann einige oder alle verfahrenstechnischen Merkmale umsetzen, die im Zusammenhang mit der Düse, dem Mischkopf oder der Vorrichtung beschrieben sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Regeldruck mindestens 100 mal pro Sekunde, weiter vorzugsweise mindestens 250 mal pro Sekunde, weiter vorzugsweise mindestens 500 mal pro Sekunde, weiter vorzugsweise mindestens 750 mal pro Sekunde, weiter vorzugsweise ungefähr 1000 mal pro Sekunde, eingestellt. Insbesondere wird der Regeldruck während eines Schusses der Düse mit entsprechenden Regelfrequenzen eingestellt, vorzugsweise indem das Proportionalventil in einer solchen Häufigkeit angesteuert bzw. verstellt wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die folgenden Schritte:
- - Verschließen der Düse durch Einstellen eines Regeldrucks, der höher ist als der Materialdruck, und/oder
- - Öffnen der Düse durch Einstellen eines Regeldrucks, der geringer ist als der Materialdruck, und/oder
- - Einstellen einer Düsenöffnung der Düse zur Austragung, vorzugsweise Injektion, des Materials durch Einstellen eines Regeldrucks, der zumindest im Wesentlichen gleich ist wie der Materialdruck.
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Insbesondere ist eine erfindungsgemäße Düse geeignet wahlweise alle diese Verfahrensschritte auszuführen. Vorzugsweise kann eine erfindungsgemäße Düse in drei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden, insbesondere in einem Verschlussmodus, einem Öffnungsmodus und einem Austragsmodus. In einem Austragsmodus (Injektionsmodus) trägt die Düse Material mit einem geregelten Austragsdruck aus bzw. injiziert Material. Zum Verschließen der Düse wird ein Regeldruck in der Druckfluidkammer eingestellt, der den Materialdruck um bis zu 50 bar, vorzugsweise um bis zu 30 bar, weiter vorzugsweise um bis zu 20 bar, weiter vorzugsweise um bis zu 10 bar, beispielsweise um ungefähr 5 bar übersteigt. Durch einen ausreichenden Überdruck wird sichergestellt, dass die Düse auch bei Schwankungen des Materialdrucks sicher verschlossen bleibt. Zum Öffnen der Düse wird der Regeldruck auf einen geringeren als den Materialdruck abgesenkt, vorzugsweise bis die Düse einen gewünschten Öffnungsgrad erreicht hat. Zum vollständigen Öffnen der Düse, insbesondere bis zum hinteren Anschlag, kann ein dauerhaft geringerer Regeldruck eingestellt werden. Insbesondere verschiebt sich der Düsenkolben entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Materialdruck und dem Regeldruck, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Materialkammer und der Druckfluidkammer eingestellt hat, insbesondere bis sich über die Materialfläche (und die projizierte Oberfläche der Düsennadel, auf die der Materialdruck wirkt) und die Druckfluidfläche ein resultierendes Kräftegleichgewicht am Düsenkolben eingestellt hat. Insbesondere wenn die aus dem Regeldruck axial auf den Düsenkolben wirkende Kraft gleich groß ist wie die aus dem Materialdruck axial auf den Düsenkolben wirkende Kraft, hält der Düsenkolben seine axiale Position und die Düsenöffnung ändert sich nicht. In einem ausgeregelten Zustand wird der Austragsdruck auf einem konstanten Wert gehalten, der vorzugsweise dem Soll-Austragsdruck entspricht, wobei der Austragsdruck und der Materialdruck gleich groß sind und mit dem Regeldruck vorzugsweise ein Kräftegleichgewicht bilden, wobei der Regeldruck vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich dem Materialdruck ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse in einer Seitenansicht;
- 1B eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Düse nach 1A in einer Rückansicht;
- 1C eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Düse nach 1A in einer Schnittansicht entlang der Linie A-A;
- 1D eine Detailansicht des mit gestrichelten Bereichs C in 1C;
- 1E eine Detailansicht des vorderen Bereichs B der Düse in 1C;
- 2 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse in einer Schnittansicht, die 1E entspricht;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung des Austragsdrucks.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Die 1A bis 1E zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 10, die insbesondere zur Injektion eines flüssigen Materials zur Vermischung mit weiteren Komponenten in einem Gegenstrominjektionsverfahren geeignet ist. Die Düse 10 ist rotationssymmetrisch zur Längsachse L aufgebaut und umfasst ein Düsengehäuse 20 und einen Düsenblock 50, der über Befestigungsmittel 51, hier als Schrauben ausgeführt, beispielsweise mit einem erfindungsgemäßen Mischkopf (nicht dargestellt) verbindbar ist. Das Düsengehäuse 20 ist in eine Ausnehmung 52 des Düsenblocks 50 eingeschraubt. Wie in 1B dargestellt, weist die Düsenblock 50 an der Rückseite einen Druckfluidanschluss 54 und einen Entlüftungsanschluss 55 auf, die mit einem Druckfluideinlass 28 bzw. einer Entlüftungsöffnung 29 der Druckfluidkammer 25 verbunden sind. Die Entlüftung der Druckfluidkammer 25 kann beispielsweise durch einen pneumatischen Kugelhahn oder eine Entlüftungsnadel vorgesehen sein.
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Das Düsengehäuse 20 weist Einlassöffnungen 26 bzw. Rücklauföffnungen 27 auf, die als 8 sternförmig gleichmäßig über den Umfang verteilte Bohrungen ausgeführt sind, und zum Anschluss einer Zuführleitung 6a bzw. einer Rücklaufleitung 6b vorgesehen sind. Die Zuordnung der Funktion einer Bohrung als Einlassöffnung 26 oder Rücklauföffnungen 27 ergibt sich durch Montageorientierung der Düse 10. Paarweise umlaufende Dichtungen 30 und 36, ausgeführt als O-Ringe, dienen jeweils zur Abdichtung. Das Düsengehäuse 20 weist an der Vorderseite einen Düsenauslass 22 zur Austragung eines flüssigen Materials auf.
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Das Düsengehäuse 20 weist einen Kolbenraum 23 mit kreiszylinderförmiger Grundform auf, in dem ein Düsenkörper 60 entlang der Längsachse L in einem Führungsabschnitt 35 des Düsengehäuses 20 axial verschieblich gelagert ist. Der Düsenkolben 60 ist einteilig mit einer Düsennadel 40 ausgeführt, die an der Vorderseite einen kreiszylindrischen Düsenzapfen 41 ausbildet. Zwischen dem Düsenzapfen 41 und dem Düsenauslass 22 bildet sich eine Düsenöffnung 42 in Form eines Ringspalts aus. Ein Kolbendeckel 64 ist von hinten mit einer Schraube 65 auf den Düsenkolben 60 aufgeschraubt. Der Düsenkolben 60 ist zwischen einer vorderen Endposition, in der die Düsennadel 40 an einem metallischen Dichtsitz 34 anliegt, und einer hinteren Endposition, in der die geschliffene Oberfläche der Schraube 65 als ein hinterer Anschlag an der Rückwand der Druckfluidkammer 25 anliegt, hin und her verschieblich. Diese beiden Endpositionen definieren den maximalen Hub des Düsenkolbens 60. Die Rückwand der Druckfluidkammer 25 wird hier durch den Düsenblock 50 gebildet.
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Der Düsenkolben 60 trennt im dem Kolbenraum 23 in eine Materialkammer 24 und eine Druckfluidkammer 25 voneinander. Über eine Dichtung 53, als O-Ring ausgeführt, ist die Druckfluidkammer 25 nach außen abgedichtet ist. Zwischen dem Düsengehäuse 20, insbesondere dessen Umfangsinnenfläche 84, und dem Düsenkörper 60 bildet sich ein schmaler Umfangsspalt 83 aus, der durch die Dichtungsvorrichtung 70 abgedichtet wird. Die Materialkammer 24 ist über Materialdurchgänge 32 und Materialkanäle 31, hier jeweils als Bohrungen ausgeführt, mit den Einlassöffnungen 26 bzw. Rücklauföffnungen 27 verbunden. Um die Düsennadel 40 ist ein Umfangskanal 33 ausgebildet, durch den das Material im verschlossenen Zustand der Düse 10 zirkulieren kann. In einem Betriebszustand der Düse 10 ist die Materialkammer 24 mit einem auszutragenden flüssigen Material gefüllt, das die Materialfläche 61 an der Vorderseite des Düsenkolbens 60 mit dem Materialdruck PM beaufschlagt, während die Druckfluidkammer 25 mit einem Druckfluid gefüllt ist, dass die Druckfluidfläche 62 an der Rückseite des Düsenkolbens 60 mit dem Regeldruck PC beaufschlagt. Hier ist die Materialfläche 61 in einer Projektion in Richtung der Längsachse L kleiner als die Druckfluidfläche 62, wobei der Materialdruck PM auch auf die Oberfläche der Düsennadel 40 wirkt.
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Der Düsenkolben 60 bildet eine Aufnahme 68 aus, der als ein Wellenabsatz ausgeführt ist, um einen Dichtungshalterungskranz 63 der Dichtungsvorrichtung 70 aufzunehmen. Ein radialer Vorsprung 69 des Düsenkolbens bildet eine vordere Anschlagsfläche für die Dichtungsvorrichtung 70, während der Kolbendeckel 64 eine hintere Anschlagfläche bildet. Die Dichtungen 73, als O-Ringe ausgeführt, sind in Umfangsnuten des Düsenkolbens 60 eingesetzt. Der Dichtungshalterungskranz 63 weist beidseitig Umfangsausnehmungen 67a, 67b entlang der äußeren Umfangskanten mit rechteckigen Querschnitt auf, in die erste und zweite Dichtungselemente 71a, 71b eingesetzt sind. Die Dichtungselemente 71a, 71b sind als Nutdichtringe ausgeführt. Sie haben einen C-förmigen Querschnitt und weisen seitliche Umfangsnuten 72a, 72b auf, die zu Verbindungskanälen 66a bzw. 66b hin ausgerichtet sind. Durch die Verbindungskanäle 66a und 66b hindurch kann flüssiges Material bzw. Druckfluid in die Umfangsnuten 72a, 72b einbringen und die Dichtungselemente in radiale Richtung ausdehnen. Dadurch pressen sich die Dichtungselemente 71a, 71b von innen die Umfangsinnenfläche 84 an, die eine Gleitfläche für die Dichtungselemente 71a, 71b bildet. Der Umfangsspalt 83 wird dadurch zuverlässig abgedichtet. Die Dichtungselemente 71a, 71b sind aus einem PTFE-Compound gefertigt, das gute Gleiteigenschaften aufweist.
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Zwischen dem ersten Dichtungselement 71a und im zweiten Dichtungselement 71b bildet sich ein Kolbenzwischenraum 80, der auch als ein Abschnitt des Umfangsspalts 83 angesehen werden kann. In der Umfangsinnenfläche 84 ist eine in Umfangsrichtung umlaufende Sammelnut 82 ausgebildet, in die mehrere, gleichmäßig über den Umfang verteilte, Überwachungsöffnungen 81 einmünden, die als Durchgangsbohrungen in dem Düsengehäuse 20 ausgeführt sind. Durch diese Überwachungsöffnungen 81 kann überwacht werden, ob die Dichtungsvorrichtung 70 ordnungsgemäß funktioniert. Beispielsweise kann durch einen an eine Überwachungsöffnung 81 angeschlossenen Drucksensor 3 (siehe 3) das Druckniveau in dem Kolbenzwischenraum 80 überwacht werden. Insbesondere kann auf diese Weise überwacht werden, ob flüssiges Material oder Druckfluid in den Kolbenzwischenraum 80 eingedrungen sind, was auf einen Defekt der Dichtungsvorrichtung 70 hindeuten würde.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düse 10, die im Vergleich zu der Düse 10 in 1E einen Düsenzapfen 41 und einen Düsenauslass 22 mit einem größeren Durchmesser aufweist, beispielsweise von 3,5 mm. Ansonsten ist die Düse 10 gleich aufgebaut und hat die gleiche Funktionsweise wie die Düse 10 gemäß den 1A bis 1E.
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3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Regelung des Austragsdrucks (PA) eines Materials beim Austritt aus einer erfindungsgemäßen Düse 10. Aus einem Komponentenbehälter 7 wird flüssiges Material über eine Materialleitung einer Dosierpumpe 4 zugeführt, die das Material mit einem Materialdruck PM über eine Zuführleitung 6a der Materialkammer 24 zuführt. In der Zuführleitung 6a ist ein Drucksensor 2 zur Erfassung des Materialdrucks PM vorgesehen. Über eine Rücklaufleitung 6b kann das Material, zum Beispiel im verschlossenen Zustand der Düse 10, zurück zum Komponentenbehälter 7 zirkulieren. Ein Druckfluidreservoir 9 stellt ein Druckfluid, insbesondere eine Hydraulikflüssigkeit, mit einem Druck von beispielsweise bis zu 250 bar an einem Ventil 5 bereit. Das Ventil 5 ist vorzugsweise als ein Proportionalventil ausgeführt und stellt über eine Druckfluidleitung 8 den Regeldruck PC des Druckfluids in der Druckfluidkammer 25 ein. Der Druck in dem Kolbenzwischenraum 80 zwischen zwei Dichtungselementen der Dichtungsvorrichtung 70 ist über eine Sammelnut 82 und eine Überwachungsöffnung 81 durch den Drucksensor 3 überwachbar. Die Drucksensoren 2 und 3, sowie das Ventil 5 sind signalleitend mit der Regelungseinheit 1 verbunden. Die Regelungseinheit 1 berechnet eine Druckabweichung zwischen einem vorgegebenen Soll-Austragsdruck und dem von dem Drucksensor 2 gemessenen Materialdruck PM. Basierend auf dieser Druckabweichung (Druckdifferenz) wird das Ventil 5, bevorzugt ein Proportionalventil, angesteuert und entsprechend der Druckabweichung verstellt.
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Dementsprechend stellt das Ventil 5 den Regeldruck PC in der Druckfluidkammer 25 proportional zu dem aus dem Druckfluidreservoir 9 bereitgestellten Druck, insbesondere Hydraulikdruck, ein. Der Düsenkolben 60 verschiebt sich der resultierenden Druckdifferenz zwischen dem Regeldruck PC und dem Materialdruck PM entsprechend in axialer Richtung. Die Dichtungsvorrichtung 70 gleitet dabei an der Umfangsinnenfläche 84 entlang, während sie den Umfangsspalt 83 zuverlässig abdichtet. Durch die Verschiebung des Düsenkolbens 60 ändert sich die Düsenöffnung 42. Der Austragsdruck PA des Materials beim Austritt aus der Düsenöffnung 42 ist auf diese Weise regelbar, vorzugsweise auf einen konstanten Wert.
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Eine erfindungsgemäße Düse 10 kann insbesondere in drei verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden, nämlich in einem Verschlussmodus, einem Öffnungsmodus und einem Austragsmodus. Zum Verschließen der Düse wird durch Betätigen des Ventils 5 ein Regeldruck PC eingestellt, der höher ist als der Materialdruck PM. Der Düsenkolben 60 bewegt sich infolgedessen bis zum Anschlag an einen Düsensitz 34 in eine erste Endposition, in der die Düsenöffnung 42 verschlossen ist. Zum Öffnen der Düse 10 wird durch Betätigen des Ventils 5 ein Regeldruck PC eingestellt, der niedriger ist als der Materialdruck PM. Infolgedessen gibt die Düsennadel 40 zunächst einen konstant großen Ringspalt der Düsenöffnung 42 frei und vergrößert die Düsenöffnung 42 dann zunehmend, maximal so weit, bis der Düsenkolben 60 in einer zweiten Endposition an einem hinteren Anschlag anliegt. In diesem Zustand kann die Düse 10 einen maximalen Massenstrom austragen. Im Austragsmodus wird die Düsenöffnung 42 durch ständiges Einstellen, d.h. Nachregeln, eines Regeldrucks PC mit einer hohen Regelfrequenz so eingestellt, dass der Austragsdruck PA auf einen möglichst konstanten Wert geregelt wird. Dabei stellt sich ein Kräftegleichgewicht am Düsenkolben 60 ein, wobei der der Regeldruck PC zumindest im Wesentlichen gleich groß ist wie der Materialdruck PM.
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Eine erfindungsgemäße Düse 10, ein Mischkopf mit einer solchen Düse 10, sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 und ein Verfahren zur Regelung des Austragsdrucks PA haben den Vorteil, dass durch einen möglichst konstanten Austragsdruck PA einer Düse 10 die Qualität der durch Gegenstrominjektion hergestellten Bauteile aufgrund einer homogeneren Durchmischung der Materialkomponenten verbessert wird. Außerdem wird die Flexibilität beim Einsatz einer solchen Düse 10 erhöht, insbesondere bei häufigen Öffnen und Schießen und variierrende Massenströme.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Aspekte der Erfindung für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als wesentlich für die Erfindung beansprucht werden. Entsprechendes gilt für die erläuterten Verfahrensschritte. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Regelungseinheit
- 2
- Drucksensor für Materialdruck
- 3
- Drucksensor für Sammelnut
- 4
- Dosierpumpe
- 5
- Ventil
- 6a
- Zuführleitung
- 6b
- Rücklaufleitung
- 7
- Komponentenbehälter
- 8
- Druckfluidleitung
- 9
- Druckfluidreservoir
- 10
- Düse
- 20
- Düsengehäuse
- 21
- Düsenkörper
- 22
- Düsenauslass
- 23
- Kolbenraum
- 24
- Materialkammer
- 25
- Druckfluidkammer
- 26
- Einlassöffnung
- 27
- Rücklauföffnung
- 28
- Druckfluidanschluss
- 29
- Entlüftungsanschluss
- 30
- Dichtung
- 31
- Materialkanal
- 32
- Materialdurchgang
- 33
- Umfangskanal
- 34
- Dichtsitz
- 35
- Führungsabschnitt
- 36
- Dichtung
- 40
- Düsennadel
- 41
- Düsenzapfen
- 42
- Düsenöffnung
- 50
- Düsenblock
- 51
- Befestigungsmittel
- 52
- Ausnehmung
- 53
- Dichtung
- 54
- Druckfluideinlass
- 55
- Entlüftungsöffnung
- 60
- Düsenkolben
- 61
- Materialfläche
- 62
- Druckfluidfläche
- 63
- Dichtungshalterungskranz
- 64
- Kolbendeckel
- 65
- Schraube
- 66a,b
- Verbindungskanäle
- 67a,b
- Umfangsausnehmung
- 68
- Aufnahme
- 69
- Vorsprung
- 70
- Dichtungsvorrichtung
- 71a
- erstes Dichtungselement
- 71b
- zweites Dichtungselement
- 72a,b
- Umfangsnut
- 73
- Dichtungen
- 80
- Kolbenzwischenraum
- 81
- Überwachungsöffnung
- 82
- Sammelnut
- 83
- Umfangsspalt
- 84
- Umfangsinnenfläche
- 100
- Vorrichtung zur Regelung des Austragsdrucks
- L
- Längsachse
- PM
- Materialdruck
- PC
- Regeldruck
- PA
- Austragsdruck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9732705 A1 [0003]
- DE 10020157 A1 [0004]
- DE 102007037780 A1 [0005]
- WO 2014/009172 A1 [0006]
