DE19521478C1 - Auftragskopf zur dosierten Abgabe von strömenden Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Auftragskopf zur dosierten Abgabe von strömenden Medien, insbesondere Schmelzkleber, Kaltleim, Schmierstoffe, Farben od. dgl., mit einem Gehäuse, in dem eine schwenkbare, auf mindestens ein Ventilglied ein­ wirkende Wippe vorhanden ist, welche über zwei beidsei­ tig eines Wippengelenks angeordnete Piezoelemente angetrieben wird.

Ein derartiger Auftragskopf ist bereits aus dem DE- GM 94 05 600.5 einsetzen der Anmelderin bekannt. Er dient beispielsweise zum Auftragen von Heißkleber auf ein aus Kar­ ton, Papier, Textil, Flies od. dgl. bestehendes Substrat. Da­ bei wir das bahnenförmige Substrat an dem feststehenden Auf­ tragskopf vorbeigeführt. Das dort beschriebene Ventil hat den Vorteil, daß der piezoelektrische Ventilantrieb bei vorhande­ ner automatischer Temperaturkompensation nur aus zwei Piezo­ elementen besteht, wobei durch die Übertragung der von den zwei Piezoelementen ausgehenden Bewegung mittels einer Wip­ penkonstruktion die geringfügige Längenvergrößerung jedes einzelnen Piezoelements in einem relativ großen Ventilhub um­ gewandelt wird. Des weiteren wird durch diesen Ventilantrieb eine große Ventilkraft von ca. 3000 N zur Verfügung gestellt, wobei die Zeit für einen Öffnungs- und Schließzyklus nur 0,8 bis 0,25 msec. beträgt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin einen neuen Auftragskopf zu schaffen, der eine größere Durchsatz­ leistung und Auftragskapazität aufweist sowie einen gleichmäßigen Kleberauftrag gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, insbesondere aus den Merkmalen des Kennzei­ chenteils, wonach die Wippe beidseitig des Wippengelenks je­ weils wenigstens einen Wippenarm aufweist, an welchem jeweils mindestens ein Ventilglied angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den grundsätzlichen Vor­ teil, daß durch die Ausbildung des Ventilantriebs als Doppel­ wippe die theoretische Auftragsleistung mehr als verdoppelbar ist, wobei zugleich sämtliche Vorteile des zuvor genannten Standes der Technik weiterhin auch für den erfindungsgemäßen Auftragskopf gelten.

Dadurch, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform in dem Moment, in dem ein Auftragsventil schließt, zwangsläufig das zweite Auftragsventil öffnet, werden auf besonders vor­ teilhafte Weise Druckschwankungen im Kleberumlaufsystem wei­ testgehend vermieden.

Durch die erfindungsgemäße Vermeidung von Druckschwan­ kungen innerhalb des geschlossenen Heißklebersystems ergibt sich eine gleichmäßige Zirkulation des Heißklebers innerhalb des Umlaufkanals. Dadurch wird auch verhindert, daß der Heiß­ kleber im beheizten Teil des Auftragskopfes verbrennt und sich innerhalb des Umlaufkanals Anbackungen, Verklebungen und ähnliches ergeben.

Letztlich bedeutet dies zusammenfassend, daß während des gesamten Öffnungszyklus eines Auftragsventils der Heißkleber- Volumenstrom verstetigt wird, so daß der Kleberauftrag die gewünschte Gestalt aufweist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dient jedoch das zusätzliche Ventilglied nicht zur Steuerung eines weiteren Auftragsventils, sondern wirkt auf ein Ventil ein, welches innerhalb eines geschlossenen, mit einer Pumpe versehenen Umlaufsystem für das flüssige Medium angeordnete ist.

Diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung hat ins­ besondere Vorteile, wenn innerhalb einer Zeiteinheit eine größere Anzahl von Einzelsubstraten, z. B. Kartonzuschnitte, beschichtet werden sollen. Dabei ist es zum Teil notwendig, daß die Zwischenräume zwischen den einzelnen Kartonzuschnit­ ten bzw. zwischen Bereichen, die mit Kleberpunkten beschich­ tet werden sollen, überbrückt werden müssen. Bei der bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung ist es problemlos mög­ lich, das Auftragsventil eine gewisse Zeit geschlossen zu halten, wobei das zeitgleich mit dem Schließen des Auftrags­ ventils sich öffnende Heißkleber-Umlaufventil eine Druckerhö­ hung im Heißklebersystem verhindert. Erreicht nun der nächste zu beschichtende Bereich bzw. der nächste Kartonzuschnitt die Position des Auftragsventils kann dieses wieder geöffnet wer­ den, wobei gleichzeitig das Heißkleber-Umlaufventil schließt. Jedoch liegt während des gesamten Öffnungszyklus im wesentli­ chen der gleiche Druck am Auftragsventil an und damit ist auch der Heißkleber-Volumenstrom im wesentlichen konstant.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungs­ form der Erfindung sind die die Wippenkonstruktion antreiben­ den Piezoelemente mit einer Online-Stromversorgung verbunden, welche im wesentlichen aus einem Akkumulator und einer dazu­ gehörigen Elektronik besteht, welche bei Stromausfall die je­ weilige Stellung des Auftragsventils ermittelt und den Schließzustand korrigiert. Diese erfindungsgemäße besonders bevorzugte Ausführungsform bietet zugleich eine automatische Auslaufsicherung, da dadurch garantiert ist, daß auch bei Stromausfall das Auftragsventil sich immer im völligen Schließzustand befindet.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungs­ beispiels. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen Auf­ tragskopf und

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild der Ventilelek­ tronik.

In den Zeichnungen ist ein Auftragskopf zur dosierten Abgabe von Heißkleber insgesamt mit der Bezugsziffer 10 be­ zeichnet.

Der Auftragskopf weist ein Gehäuse 11 mit Gehäuseteilen 12 und 13 auf. Zwischen den Gehäuseteilen 12 und 13 ist eine thermische Trennschicht 14 vorhanden. Im Gehäuseteil 12 ist eine als Doppelwippe ausgebildeter Ventilantrieb 15, nicht dargestellte elektronische Bauteile und eine elektrische Ver­ sorgungs- und Steuerleitung 16 angeordnet. Die Doppelwippe 15 weist zwei Wippenarme 17 auf, an deren freien Enden jeweils ein stangenförmiges Ventilglied 18 angeordnet ist, welches durch die thermische Trennschicht 14 hindurch in den Gehäuse­ teil 13 bis in einen Ventilkopf 19 hineinragt. Im Gehäuseteil 13 ist des weiteren eine Heizvorrichtung 20 sowie der gemein­ same Zuführungskanal 21 für Heißkleber angeordnet. Der Zufüh­ rungskanal 21 ist jeweils über Heißkleberkanäle 22 mit den Ventilköpfen 19 verbunden. Letztlich ist unterhalb der Heiß­ kleberkanäle 12 ein Temperatursensor T zu erkennen. Während der eine Ventilkopf 19 ein Auftragsventil 23 enthält, dient der andere Ventilkopf 19 als Verschlußventil 24 für eine Heißkleber-Rückführungsleitung 25, die eine Verbindung zu ei­ ner nicht dargestellten Heißkleberpumpe herstellt. Diese Heißkleberpumpe ist wiederum mit dem Zuführungskanal 21 ver­ bunden, so daß ein geschlossenes Heißklebersystem vorhanden ist.

Während die Ventilglieder 18 am freien Ende der Wippen­ arme 17 jeweils über einen Biegekardan B und einer Schraub­ verbindung 26 befestigt sind, ist die Doppelwippe 15 selbst über ein Gelenk 27 mit einem Basisteil 28 verbunden. Beidsei­ tig oberhalb des Gelenkes 27 sind ebenfalls über Gelenke 29 zwei Piezoelemente 30 mit der Doppelwippe 15 verbunden. Bei der gelenkigen Verbindung von Doppelwippe 15 zum Basisteil 28 wie auch zu den Piezoelementen 30 handelt es sich um stoff­ schlüssige Verbindungen. Diese dünnen, stoffschlüssigen Ge­ lenkverbindungen 27, 29 werden dadurch geschaffen, daß die vorgenannten Teile gemeinsam aus einem einzigen Bauteil unter Zuhilfenahme des Funkenerosionsverfahrens hergestellt wer­ den. So besteht zwischen der Doppelwippe 15 und dem Basisteil 28 ein bis auf eine biegsame, schmale Werkstoffbrücke (Gelenk 27) durchgehender Spalt 31, welcher beidseitig eine Relativ­ bewegung der Doppelwippe 15 gegenüber dem Basisteil 28 ermög­ licht. Auf die gleiche Weise sind Verbindungsteile 32, welche ihrerseits mit den Piezoelementen 30 verklebt sind jeweils über eine biegsame schmale Werkstoffbrücke (Gelenk 29) mit der Doppelwippe 15 verbunden, wobei auch hier beidseitig der Werkstoffbrücke ein schmaler Spalt 31 vorhanden ist.

Die aus ca. 200 0,1 mm dicken keramischen Scheiben auf­ gebauten und verklebten Piezoelemente 30 liegen an dem von der Doppelwippe 15 wegweisenden Ende an einer nachgiebigen, mit nicht dargestellten Schrauben befestigten Deckplatte 33 an.

Die Piezoelemente 30 sind beidseitig einer senkrechten, durch das Gelenk 27 laufenden Achse x jeweils in einem Ab­ stand d mit der Doppelwippe 15 gelenkig verbunden. Dadurch ergibt sich in Verbindung mit der nachgiebigen Lagerung der Piezoelemente 30 durch die Deckplatte 33 eine automatische Temperaturkompensation.

Falls sich nun abwechselnd die Piezoelemente 30 unter Spannungsbeaufschlagung ausdehnen, wird die Doppelwippe 15 mal in Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn mit einem Drehmoment beaufschlagt, durch welches sich jeweils ein Wip­ penarm 17 und das jeweils damit verbundene Ventilglied 18 nach oben und ein Wippenarm 17 nach unten bewegt wird. Durch diese Doppelwippenanordnung kann beim Ausführungsbeispiel ab­ wechselnd das Auftragsventil 23 bzw. das Verschlußventil 24 geöffnet werden, wobei dann gegenläufig das jeweils andere Ventil geschlossen wird. Durch die sich daraus ergebende Ver­ hinderung von Druckspitzen ergibt sich während des Öffnungs­ zyklus des Auftragsventils 23 ein relativ kontinuierlicher Heißkleberausfluß, wodurch ein sauberer Kleberauftrag auf das Substrat gewährleistet ist.

Die Steuerung und Regelung der zwei Piezoelemente 30 er­ folgt durch eine besondere Ventilelektronik 34, die im we­ sentlichen im in Fig. 1 dargestellten Gehäuseteil 12 angeord­ net ist. Die in einem Blockschaltbild in der Fig. 2 darge­ stellte Ventilelektronik 34 ermöglicht einerseits die abwech­ selnde Spannungsbeaufschlagung der beiden Piezoelemente 30 und andererseits eine besondere energiesparende und damit auch mit geringen Wärmeverlusten behafteten Betrieb des Auf­ tragskopfes 10.

Insbesondere zum Zwecke des verringerten Energiever­ brauchs weist die Ventilelektronik 34 eine sogenannte La­ dungspumpenanordnung 35 auf, welche grundsätzlich in der Fig. 2 dargestellt ist. Die Ladungspumpenanordnung 35 weist einen Zwischenspeicher 36 und mehrere Leistungsfeldeffekttransisto­ ren 37 auf, wobei der Zwischenspeicher 36 wie auch die Lei­ stungsfeldeffekttransistoren 37 jeweils mit beiden Piezoele­ menten 30 verbunden sind. Der Zwischenspeicher 36 beinhaltet eine Spule 38 und einen Kondensator 39. Die Energieeinsparung wird beim Betrieb der Piezoelemente 30 durch das bei der so­ genannten Gegentaktanordnung der Piezoelemente 30 verwendbare Umladeprinzip erreicht.

Grundsätzlich bedeutet dieses Umladeprinzip, daß die je­ weils in einem Piezoelement 30 gespeicherte Energie (Ladung) "portionsweise" in das jeweils andere Piezoelement 30 trans­ formiert wird. Grundsätzlich erfolgt dies innerhalb der La­ dungspumpenanordnung 35 dadurch, daß einerseits die Ladung eines Piezoelements 30 zeitweise im Zwischenspeicher 36 ge­ speichert wird und daß andererseits die Leistungsfeldef­ fekttransistoren 37 schrittweise durch gezieltes Schalten un­ terschiedlicher Netzwerke die gespeicherte Energie jeweils auf das andere Piezoelement 30 transformieren. Der zeitliche Ablauf der Umladevorgänge und der jeweilige Schaltzustand der Leistungsfeldeffekttransistoren 37 wird durch eine program­ mierbare Steuerung 40 bestimmt. Auf die programmierbare Steuerung 40 wirkt jedoch noch eine Regelschaltung 41 ein, welche ständig den Soll-Ist-Wertvergleich des Spannungszu­ standes der einzelnen Piezoelemente 30 abfragt.

Durch dieses Umladeprinzip ist es möglich, daß die in einem Piezoelement 30 vorhandene Energie in den Primärkreis zurückgespeist und dann wieder zur Erregung des jeweils ande­ ren Piezoelements 30 verwendet werden kann.

Da bei diesen elektronischen Vorgängen jedoch ein klei­ ner Teil der Energie in Wärme umgesetzt und darüber hinaus ein größerer Teil der elektrischen Energie in mechanische En­ ergie umgewandelt wird, besteht jedoch ständig die Notwendig­ keit, daß dieses Energiedefizit ausgeglichen werden muß. Dies geschieht durch die mit dem Schaltregler 43 und der in­ ternen Spannungsversorgung 42 bereitgestellten Energie.

Darüber hinaus weist die Ventilelektronik 34 einen Takt­ generator 44 und eine Zustandsanzeige 45 auf, die jedoch außer­ halb des Auftragskopfes 10 angeordnet sind. Während der Taktgenerator 44 - wie der Name sagt - den Takt für die ab­ laufenden elektronischen Vorgänge vorgibt, handelt es sich bei der Zustandsanzeige 45 um eine optische Anzeige für den Bediener.

Die Ventilelektronik 34 weist auch noch einen Tempera­ turregler 46 auf, der die Ventiltemperatur auf die an einem Sollwert-Potentiometer 47 vorgegebene Temperatur regelt. Dies bedeutet, daß ein oberhalb der Heizpatrone 20 angeordneter, nicht dargestellter Temperatursensor ständig die Ventiltempe­ ratur mißt. Nur wenn diese Temperatur mit der am Sollwert-Po­ tentiometer 47 vorliegenden Temperatur übereinstimmt und so­ mit die Arbeitstemperatur vorliegt, wird das Ventil von der programmierbaren Steuerung 40 freigegeben.

Damit im Falle eines Stromausfalls der als Doppelwippe ausgebildete Ventilantrieb 15 nicht in eine Mittellage geht und damit Heißkleber aus dem Auftragsventil 23 ausströmen kann, ist die Ventilelektronik 34 letztlich mit einer Online- Stromversorgung 48 versehen, die im wesentlichen aus einem Akkumulator und einer Elektronik besteht, welche den jeweili­ gen Zustand des Auftragsventils ermittelt und den völligen Verschluß sicherstellt.

Claims (6)

1. Auftragskopf zur dosierten Abgabe von strömenden Me­ dien, insbesondere Schmelzkleber, Kaltleim, Schmierstoffe, Farben od. dgl., mit einem Gehäuse, in dem eine schwenkbare, auf mindestens ein Ventilglied einwirkende Wippe vorhanden ist, welche über zwei beidseitig eines Wippengelenks an­ geordnete Piezoelemente angetrieben wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wippe (15) beidseitig des Wippengelenks (27) jeweils wenigstens einen Wippenarm (17) aufweist, an welchem jeweils mindestens ein Ventilglied (18) angeordnet ist.

2. Auftragskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile gegenläufig geöffnet und geschlossen werden.

3. Auftragskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ventilglied (18) auf ein Auftragsventil (23) ein­ wirkt.

4. Auftragskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Ventilglied (18) auf ein Auftragsventil (23) und ein Ventilglied (18) auf ein Ventil (24) einwirkt, welches innerhalb eines geschlossenen, mit einer Pumpe verse­ henen Umlaufsystems für das flüssige Medium angeordnet ist.

5. Auftragskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß beide Ventile (23, 24) einen ge­ meinsamen Zuführungskanal (21) für das Medium aufweisen.

6. Auftragskopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (30) mit einer Online-Stromversorgung (48) verbunden ist, welche im wesent­ lichen aus einem Akkumulator und einer dazugehörigen Elektro­ nik besteht, welche bei Stromausfall die jeweilige Stellung des Auftragsventils (23) ermittelt und den Schließzustand korrigiert.