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Die Erfindung richtet sich auf eine Einspritzvorrichtung einer Spritzgießmaschine, insbesondere einer hydraulisch oder elektromechanisch angetriebenen Spritzgießmaschine, zum Aufschmelzen und Einspritzen einer Kunststoffformmasse in ein Werkzeug für die Spritzgießmaschine, aufweisend einen Einspritzantrieb, welcher eine Einspritzspindel und eine Spindelmutter aufweist und welcher die Einspritzspindel relativ zu der Spindelmutter drehend ausgebildet ist, einen Einspritzschlitten, welcher auf einer Seitenfläche mit der Spindelmutter drehfest verbunden ist und welcher entlang einer Schlittenführung bewegbar gehalten ist, ein Führungsgehäuse, an welchem auf der dem Einspritzschlitten abgewandten Seite ein Plastifizierzylinder gehalten ist, ein zwischen Führungsgehäuse und Einspritzschlitten angeordnetes Lagerungsgehäuse, in welchem eine Antriebswelle, die mit einer innerhalb des Plastifizierzylinders bewegbar anordenbaren Einspritzschnecke antriebsverbindbar ist, drehbar gelagert ist und welches auf einer der Spindelmutter abgewandten Seitenfläche des Einspritzschlittens mit dem Einspritzschlitten verbunden ist, und einen an dem Einspritzschlitten befestigen Dosierantrieb, welcher die Antriebswelle drehend ausgebildet ist.
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Einspritzvorrichtungen von Spritzgießmaschinen der vorstehend genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Spritzgießen wird die Einspritzgeschwindigkeit, die Genauigkeit und der Druck durch spezielle Einrichtungen angesteuert. Beispielsweise wird bei einer elektrischen Spritzgießmaschine ein Servomotor verwendet, welcher eine Rückkopplungsansteuerung für die Geschwindigkeit und für die Position verwenden kann. Jedoch kann der Servomotor nicht die Einspritzkraft detektieren. Der übliche Weg zum Bestimmen der Einspritzkraft sieht vor, dass eine Kraftmesszelle zusätzlich im Kraftfluss der Einspritzvorrichtung liegend angeordnet ist und mit Dehnmessstreifen ausgestattet ist, wobei die Kraftmesszelle als ein speziell angefertigtes und ringförmiges Zusatzbauteil ausgebildet ist, welches zum Beispiel zwischen der Spindelmutter und dem Plastifizierzylinder angeordnet ist. Zur Kraftmessung muss dieses Zusatzbauteil verformbar ausgebildet sein, wobei es aber entsprechend der vorherrschenden Kräfte auch wiederum massiv sein muss, da es im Kraftfluss liegend angeordnet ist. Dieses Zusatzbauteil stellt damit ein zusätzliches Bauteil dar, welches an der Spritzgießmaschine zu verbauen ist und für dessen Anbringung entsprechend Platz für Befestigungselemente benötigt wird, wobei sich der Montageaufwand der gesamten Maschine durch ein solches Zusatzbauteil in nachteiliger Weise erhöht. Die Erfahrung hat gezeigt, dass Kraftmesszellen mit Dehnmessstreifen (DMS) ohne ein entsprechend ausgeformtes Zusatzbauteil nicht geeignet sind, da sie nicht empfindlich genug messen. Für eine empfindliche und damit genaue Messung müsste das Zusatzbauteil stark geschwächt werden können, damit eine ausreichend große Verformung stattfindet und empfindlich genug gemessen werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum Detektieren einer Kraft bereitzustellen, durch welche die Einspritzkraft möglichst exakt ermittelt werden kann und durch welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden.
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Bei einer Einspritzvorrichtung einer Spritzgießmaschine der eingangs bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zumindest eine Einspritzkraft ermittelnde Krafterfassungseinrichtung außenliegend auf einem zwischen dem Lagerungsgehäuse und Spindelmutter angeordneten und im Kraftfluss der Einspritzvorrichtung liegenden Kraftübertragungsbauteil befestigt ist.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Erfindung wird eine Einspritzvorrichtung einer Spritzgießmaschine zur Verfügung gestellt, welche sich durch eine einfache Konstruktion auszeichnet. Dadurch, dass die Krafterfassungseinrichtung außenliegend auf einem Kraftübertragungsbauteil, insbesondere auf einem an der Einspritzvorrichtung vorhandenen Kraftübertragungsbauteil, angeordnet ist, wird auf ein zusätzlich anzufertigendes Bauteil verzichtet, wodurch Kosten im Fertigungsprozess eingespart werden. Insbesondere reduziert sich im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, bei denen ein Zusatzbauteil in den Kraftfluss integriert und eingebaut wird, der Montageaufwand in vorteilhafter Weise, wobei durch die Erfindung auch eine kürzere Bauform der Spritzgießmaschine aufgrund des nicht benötigten und in den Kraftfluss einzubauenden Zusatzbauteils realisiert wird. Da bei der Erfindung kein in den Kraftfluss einzubauendes und verformbar ausgebildetes Zusatzbauteil vorgesehen ist, erfolgt die Krafteinleitung im Betrieb der Einspritzvorrichtung direkt und mit steiferer Maschinenachse, was sich positiv auf die Bewegungssteuerung der Einspritzvorrichtung auswirkt. Auch wird durch die Erfindung ein geringeres Gewicht der Einspritzvorrichtung mit aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen realisiert, was sich vorteilhaft auf eine höhere Dynamik der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung auswirkt, was gleichbedeutend mit einer verbesserten Regelbarkeit aufgrund der erhöhten Dynamik ist. Schließlich erlaubt die Erfindung aufgrund der außenliegenden Anordnung der Krafterfassungseinrichtung einen einfachen und schnellen Austausch beispielsweise einer defekten Krafterfassungseinrichtung, da die Krafterfassungseinrichtung nicht im direkten Kraftfluss verbaut ist. Somit ist gemäß der Erfindung der mechanische Aufbau der Einspritzvorrichtung einfacher, kleiner, kostengünstiger, leichter und steifer ausgeführt, wobei die steifere Bauform eine bessere Reproduzierbarkeit bei höherer Reaktionsgeschwindigkeit während dynamischer Einspritzprozesse bewirkt.
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Die Erfindung sieht in Ausgestaltung vor, dass das Kraftübertragungsbauteil der Einspritzschlitten ist. Der Einspritzschlitten eignet sich besonders gut für eine empfindliche Kraftmessung.
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Zur Reduzierung der Fertigungskosten sowie des Montageaufwands sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass der Einspritzschlitten und das Lagerungsgehäuse als ein einstückiges Bauteil ausgebildet sind. Einstückig meint dabei im Sinne der Erfindung, dass der Einspritzschlitten und das Lagerungsgehäuse in einem Herstellungsprozess gegossen oder gespritzt werden und damit ein einziges Bauteil bilden.
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Von besonderem Vorteil ist es in Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Krafterfassungseinrichtung als ein piezoresistiver Dehnungssensor ausgebildet ist. Dieser piezoresistive Dehnungssensor liegt passiv im Kraftfluss und erfährt beispielsweise eine Stauchung während des Einspritzvorgangs. Die dabei vorherrschende geringe Stauchung an der Außenwandung des Einspritzschlittens, welcher die Kraft von der Spindelmutter auf das Lagerungsgehäuse überträgt, wird durch den piezoresistiven Dehnungssensor aufgrund seiner Messempfindlichkeit sehr genau erfasst. Es sei angemerkt, dass ein rein piezoelektrischer Sensor zu Messzwecken an einer Einspritzvorrichtung nicht geeignet ist, da der piezoelektrische Sensor mittels Ladungsmessung arbeitet und die Messung dadurch lediglich nur quasi-statisch ist, was bedeutet, dass der Messwert über die Zeit nach unten abdriftet, weil Ladung aus dem System verloren geht, was bei einem piezoelektrischen Sensor die Notwendigkeit einer ständigen Nachkalibrierung zur Folge hätte, die jedoch auf den Prozess eine ungewollte Streuung einbringen würde. Daher ist erfindungsgemäß die Krafterfassungseinrichtung als ein piezoresistiver Dehnungssensor ausgebildet, der die Vorteile für statische Messsignale und für hohe Empfindlichkeit vereint.
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Dementsprechend sieht die Erfindung vor, dass der piezoresistive Dehnungssensor im direkten Kraftfluss auf dem Einspritzschlitten und außen auf dem Einspritzschlitten befestigt ist. Während im Stand der Technik das zusätzlich im Kraftfluss eingebaute und damit aktiv im Kraftfluss angeordnete Zusatzbauteil zur Messung verwendet wird, ist bei der Erfindung der piezoresistive Dehnungssensor zwar auch im direkten Kraftfluss angeordnet, wobei der piezoresistive Dehnungssensor aber nicht aktiv im Kraftfluss sondern passiv auf einem im Kraftfluss liegenden Bauteil angeordnet ist.
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Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, dass der piezoresistive Dehnungssensor mit zwei frei programmierbaren, unabhängigen Messbereichen zur Erfassung von Kräften ausgebildet ist. Dabei können die zwei Messbereiche um den Faktor 10 auseinanderliegen. Dies bedeutet, dass zum Beispiel ein Bereich mit hohen Kräften (Einspritzzeit) von dem piezoresistiven Dehnungssensor mit einer geringeren Auflösung bearbeitet werden kann, während beim Plastifizieren auf eine höhere Auflösung umgeschaltet werden, wodurch eine bessere Erfassung des Dosierdrucks erreicht werden kann.
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Von besonderem Vorteil ist es in Ausgestaltung der Erfindung, wenn der piezoresistive Dehnungssensor zur indirekten Kraftmessung durch Messen der kraftproportionalen Dehnung der Oberfläche des Kraftübertragungsbauteils ausgebildet ist.
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Dabei ist es zur genauen und empfindlichen Messung vorteilhaft, wenn in Ausgestaltung der Erfindung der piezoresistive Dehnungssensor in Längsrichtung der Einspritzspindel ausgerichtet ist.
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Ebenso ist im Hinblick auf eine genaue und empfindliche Messung in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der piezoresistive Dehnungssensor ein Sensorgehäuse aufweist, welches in einem Abstand zu der Oberfläche des Kraftübertragungsbauteils auf dessen Oberfläche befestigt ist.
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Schließlich sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass der Einspritzantrieb ein motorisch angetriebenes Zahnrad und einen mit der Einspritzspindel antriebsverbundenen Zahnriemen aufweist. Dadurch ist eine kompakte Bauform der Einspritzvorrichtung realisierbar, ohne die Maschinenlänge spürbar erhöhen zu müssen.
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Die Erfindung sieht zusätzlich auch die Verwendung eines piezoresistiven Dehnungssensors zumindest zur Einspritzkrafterfassung einer Einspritzvorrichtung einer Spritzgießmaschine vor.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehenden noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der ein beispielhaftes und bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht auf eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung,
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht auf die in 1 gezeigte Einspritzvorrichtung,
- 3 eine perspektivische Detailansicht auf einen Einspritzschlitten und eine Krafterfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung,
- 4 eine Schnittansicht auf einen Bereich des Einspritzschlittens und eines Lagergehäuses der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung,
- 5 eine perspektivische Ansicht auf das Lagergehäuse, den Einspritzschlitten und eine Spindelmutter der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung, und
- 6 eine perspektivische Ansicht auf das Lagergehäuse und den Einspritzschlitten der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung.
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In den 1 und 2 ist jeweils in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 dargestellt. Die Einspritzvorrichtung 1 dient zum Aufschmelzen und Einspritzen einer Kunststoffformmasse in ein Werkzeug für eine Spritzgießmaschine, die hydraulisch oder elektromechanisch angetrieben wird. Die Kunststoffformmasse wird in bekannter Weise zum Aufschmelzen über einen Befülltrichter 2 einem Plastifizierzylinder 3 zugeführt. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 weist einen in dem Ausführungsbeispiel als Servomotor ausgebildeten Einspritzantrieb 4 und einen Einspritzschlitten 5 auf, wobei der Einspritzantrieb 4 eine Einspritzspindel 6 und eine Spindelmutter 7 aufweist und die Einspritzspindel 6 relativ zu der Spindelmutter 7 drehend ausgebildet ist. Der Einspritzschlitten 5 ist auf einer seiner Seitenflächen mit der Spindelmutter 7 drehfest verbunden. Ferner ist der Einspritzschlitten 5 entlang einer Schlittenführung 8 bewegbar gehalten, wobei die Schlittenführung 8 von zwei seitlich von und parallel zu der Spindelmutter 7 verlaufenden Holmen 9 ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 weist ferner ein Führungsgehäuse 10 auf, an welchem auf der dem Einspritzschlitten 5 abgewandten Seite der Plastifizierzylinder 3 gehalten ist. Darüber hinaus weist die Einspritzvorrichtung 1 ein zwischen dem Führungsgehäuse 10 und dem Einspritzschlitten 5 angeordnetes Lagerungsgehäuse 11 auf, in welchem eine Antriebswelle 12 drehbar gelagert ist und welches auf einer der Spindelmutter 7 abgewandten Seitenfläche des Einspritzschlittens 5 mit dem Einspritzschlitten 5 verbunden ist. Die Antriebswelle 12, die zum Beispiel aus 5 ersichtlich ist, ist mit einer innerhalb des Plastifizierzylinders 3 bewegbar anordenbaren Einspritzschnecke antriebsverbindbar, wobei die in den Figuren nicht dargestellte Einspritzschnecke innerhalb des Plastifizierzylinders 3 sowohl drehbar als auch in Längsrichtung des Plastifizierzylinders 3 bewegbar ist. Schließlich weist die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 einen an dem Einspritzschlitten 5 befestigen Dosierantrieb 14 auf, welcher die Antriebswelle 12 drehend und als Servomotor ausgebildet ist. Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, weist der Einspritzantrieb 4 ein motorisch angetriebenes Zahnrad 15 und einen mit der Einspritzspindel 6 antriebsverbundenen Zahnriemen 16 auf.
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Erfindungsgemäß weist die Einspritzvorrichtung 1 ein mechanisches Kraftübertragungsbauteil 17 auf, welches im direkten Kraftfluss zwischen der Einspritzspindel 6 und der im Plastifizierzylinder 3 angeordneten Einspritzschnecke bzw. dem Lagerungsgehäuse 11 angeordnet ist. An diesem Kraftübertragungsbauteil 17 wird die Verformung, welche eine Dehnung oder eine Stauchung sein kann, direkt durch Anbringen einer Krafterfassungseinrichtung 18 erfasst. Dementsprechend ist erfindungsgemäß die zumindest eine Einspritzkraft ermittelnde Krafterfassungseinrichtung 18 außenliegend auf dem zwischen dem Lagerungsgehäuse 11 und der Spindelmutter 7 angeordneten und im Kraftfluss der Einspritzvorrichtung 1 liegenden Kraftübertragungsbauteil 17 befestigt, wie es beispielsweise 3 zeigt. Dabei ist in dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel das Kraftübertragungsbauteil 17 der Einspritzschlitten 5.
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Gemäß der Erfindung ist die Krafterfassungseinrichtung 18 als ein piezoresistiver Dehnungssensor 19 ausgebildet und weist ein Sensorgehäuse 20 (siehe zum Beispiel 4) auf. Wie den Figuren insgesamt zu entnehmen ist, ist der piezoresistive Dehnungssensor 19 im direkten Kraftfluss auf dem Einspritzschlitten 5 und außen an dem Einspritzschlitten 5 befestigt. Dabei ist das Sensorgehäuse 20 des piezoresistiven Dehnungssensors 9 in einem Abstand zu einer Oberfläche 21 des Kraftübertragungsbauteils 17 auf dessen Oberfläche 21 befestigt. Beispielsweise kann der piezoresistive Dehnungssensor 19 mit vier Schrauben beabstandet zu der Oberfläche 21 an dieser Oberfläche 21 montiert sein, so dass es keinen Kontakt zwischen dem Sensorgehäuse 20 und der zur Montage dienenden Oberfläche 21 gibt. Dabei kann das Sensorgehäuse 20 beispielsweise in einem Abstand von 0,3mm zu der Oberfläche 21 montiert sein. Zur Erzielung bester Messergebnisse ist der piezoresistive Dehnungssensor 19 dabei in Längsrichtung der Einspritzspindel 6 ausgerichtet. Das aus dem Sensorgehäuse 20 herausführende Kabel zur Übermittlung der gemessenen Werte muss so verlegt sein, dass es von Zug-, Druck- und Biegespannungen und Vibrationen vom piezoresistiven Dehnungssensor 19 entkoppelt ist, wobei es sich zu diesem Zweck anbietet, das Kabel auf der Oberfläche 21 zu fixieren. Der piezoresistive Dehnungssensor 19 ist zur indirekten Kraftmessung durch Messen der kraftproportionalen Dehnung oder Stauchung der Oberfläche 21 des Kraftübertragungsbauteils 17 ausgebildet und kann zum Beispiel einen Dehnkörper mit einer mittleren Dehnungsachse aufweisen, entlang welcher der Dehnkörper während einer Messung gedehnt wird. Beispielhaft kann der Dehnkörper einen Silizium-Chip mit einer darin integrierten Vollbrücke umfassen, der eine Spannung proportional zu seiner Dehnung bzw. Stauchung abgibt. Insbesondere ist der piezoresistive Dehnungssensor 19 mit zwei frei programmierbaren, unabhängigen Messbereichen zur Erfassung von Kräften ausgebildet, so dass von dem piezoresistiven Dehnungssensor 19 beispielsweise hohe Drücke und Kräfte von 1000-3000bar während des Einspritzens und niedrige Staudrücke von 100-300bar beim Plastifizieren gemessen werden können. Der piezoresistive Dehnungssensor 19 benötigt im Vergleich zu piezoelektrischen Dehnungssensoren kein Reset/Operate-Signal mehr.
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Wie schließlich die 6 zeigt, sind gemäß des dargestellten Ausführungsbeispiels der Einspritzschlitten 5 und das Lagerungsgehäuse 11 als ein einstückiges Bauteil 22 ausgebildet, so dass der Einspritzschlitten 5 und das Lagerungsgehäuse 11 in einem Herstellungsprozess gegossen oder gespritzt werden können und damit ein einziges Bauteil bilden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine hydraulisch oder elektromechanisch angetriebene Einspritzvorrichtung 1 zum Aufschmelzen und Einspritzen einer Kunststoffformmasse in ein entsprechend geeignetes Werkzeug für eine Spritzgießmaschine, wobei die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mindestens eine Einspritzschnecke aufweist. Die Erfassung der Einspritzkraft, d.h. die Kraft zwischen der Einspritzspindel 6 und der Einspritzschnecke, wird über den piezoresistiven Dehnungssensor erfasst, wobei die Dehnung an einem vorhandenen Kraftübertragungsbauteil, vorliegend dem Einspritzschlitten 5, angebracht wird, so dass kein zusätzliches Verformungsbauteil zur Krafterfassung benötigt wird. Erfindungsgemäß werden durch die Anbringung des piezoresistiven Dehnungssensors 19 direkt an vorhandene sowie im Kraftfluss liegende Bauteile keine zusätzlichen Verbindungselemente, welche als Verformungsbauteil dienen, benötigt. Dies ermöglicht im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine direktere Krafteinleitung sowie einen Messort an optimaler Stelle ohne Verfälschung durch Reibeinflüsse und führt zur Reduzierung von Bauteilen, Bearbeitungsaufwand, Montage und Fertigungskosten. Das bei bisherigen aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zusätzlich benötigte Bauteil, dessen Verformung über Dehnmesstreifen erfasst werden kann, wird somit nicht mehr benötigt.
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Die beschriebene Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es ist ersichtlich, dass an der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Der Fachmann wird erkennen, dass statt einer Einspritzschnecke auch ein Einspritzkolben und statt einer Einspritzspindel 6 auch ein Hydraulikzylinder verwendet werden können. Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und/oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abweichend von dem konkreten Ausführungsbeispiel für den Fachmann naheliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzvorrichtung
- 2
- Befülltrichter
- 3
- Plastifizierzylinder
- 4
- Einspritzantrieb
- 5
- Einspritzschlitten
- 6
- Einspritzspindel
- 7
- Spindelmutter
- 8
- Schlittenführung
- 9
- Holme
- 10
- Führungsgehäuse
- 11
- Lagerungsgehäuse
- 12
- Antriebswelle
- 14
- Dosierantrieb
- 15
- Zahnrad
- 16
- Zahnriemen
- 17
- Kraftübertragungsbauteil
- 18
- Krafterfassungseinrichtung
- 19
- piezoresistiver Dehnungssensor
- 20
- Sensorgehäuse
- 21
- Oberfläche
- 22
- einstückiges Bauteil
