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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Derartige
Anordnungen kommen im Rahmen der Flüssigkeitsinjektionstechnik
zum Einsatz.
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Die
Flüssigkeitsinjektionstechnik, insbesondere die Wasserinjektionstechnik
(WIT), im Spritzgießprozess ermöglicht die Herstellung
von Formteilen aus Kunststoff mit hohlem Querschnitt und wird insbesondere
dann angewendet, wenn sich solche Teile weder durch Blasformen noch
durch konventionelle Spritzgießwerkzeugtechnik, d. h. mit
Kernen und Schiebern fertigen lassen.
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Die
Wasserinjektionstechnik ist ein Sonderverfahren der Spritzgießtechnik,
das seit 1998 am Institut für Kunststoffverarbeitung an
der RWTH Aachen entwickelt wurde. Nach dem Einspritzen der Kunststoff-Schmelze
in die Kavität (Formhohlraum) wird über einen
Injektor Wasser injiziert, und damit die flüssige Schmelzeseele
aus dem Inneren des Bauteils verdrängt. Dadurch wird im
Formteil ein Hohlraum ausgebildet. Gegen Ende des Zyklus wird das
Wasser aus der Kavität entfernt.
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Durch
die Flüssigkeitsinjektionstechnik können Formteile
wie zum Beispiel Griffe oder Medienleitungen, auch mit komplexen
Geometrien, in einem einzigen Verfahrensschritt hergestellt werden.
Vor allem die Wasserinjektion hat den Vorteil einer zusätzlichen
Kühlung im Inneren des Formteils. Aus diesem Grund ist
das WIT-Verfahren vor allem für Teile mit großem
Durchmesser, also beispielsweise für Griffe, die erste
Wahl. Die Zykluszeit kann hier im Vergleich zur Gasinjektionstechnik
nochmals deutlich reduziert werden. Weitere Vorteile sind die glattere
Innenoberfläche sowie eine gleichmäßigere
Verteilung der Wandstärke. Dadurch ist die Wasserinjektionstechnik ideal
für die Herstellung medienführender Leitungen und
Rohre geeignet. In vielen Automobilen finden sich heute bereits
mit dieser Technik hergestellte Rohre für Ölmessstäbe.
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Am
häufigsten werden für die Wasserinjektion die
Werkstoffe Polypropylen und glasfaserverstärktes Polyamid
(PA 6 und PA 66) eingesetzt. Glasfaserverstärktes Polyamid
zeichnet sich durch hohe Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit
aus, während sich mit Polypropylen die beste Qualität
der Innenoberfläche erzielen lässt. Für
die Herstellung medienführender Leitungen zum Einsatz im
Automobil-Motorinnenraum eignet sich besonders eine Verfahrenskombination
von Coinjektion und WIT, da die Vorteile der beiden zuvor genannten
Materialien miteinander verbunden werden.
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Um
die Kühlwirkung durch das Wasser noch zu erhöhen,
wird das Formteil häufig nach Ausbildung des Hohlraums
mit Wasser durchspült und so mehr Wärme abgeführt.
Voraussetzung für den Einsatz dieser Verfahrensvarianten
ist eine zuverlässige Anlagentechnik, die einen präzise
kontrollierbaren und reproduzierbaren Prozess ermöglicht.
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Problematisch
bei gattungsgemäßen Anordnungen ist vor allem
der relativ große Platzbedarf für die zusätzlich
zur Spritzgießmaschine anzuordnende Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung
und die langen Wege, welche die Flüssigkeit vom Behälter
in die Kavität zurücklegen muss.
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Aufgabe
der Erfindung ist das Bereitstellen einer gattungsgemäßen
Anordnung, welche diese Probleme vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Durch
die Integration (d. h. die Anordnung innerhalb der Schutzumwehrung
der Spritzgießmaschine) der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung
in die Spritzgießmaschine wird zum einen kein zusätzlicher Platz
neben der Spritzgießmaschine beansprucht, zum anderen ist
der Weg zwischen Einspritzkolben und Spritzgießwerkzeug
so gering, dass Druckverluste in den Leitungen (Schläuchen)
auf ein Minimum reduziert werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen definiert.
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Der
durch den Einspritzkolben begrenzte Behälter ist bevorzugt
Teil eines Druckübersetzers, vorzugsweise von Öl
auf Wasser. Die Ölseite ist vorzugsweise an das Hydrauliksystem
der Spritzgießmaschine angeschlossen, die Wasserseite (d.
h. der durch den Einspritzkolben begrenzte Behälter) ist
mit dem Spritzgießwerkzeug verbunden. Eine Kolbenstange
zwischen den beiden Seiten des Druckübersetzers sorgt für
eine vollständige Trennung der beiden Medien, um zu verhindern,
dass Wasser in das Hydrauliköl der Spritzgießmaschine
gelangt und umgekehrt. Ein derartiger Druckübersetzer ist
bereits aus dem Stand der Technik bekannt und muss daher an dieser
Stelle nicht im Detail beschrieben werden (siehe
AT 501 891 B1 ,
1 – Bezugszeichen
4 und
5)
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Das
Verwenden eines Druckübersetzers ist deshalb sehr vorteilhaft,
weil man bei entsprechendem Übersetzungsverhältnis
auch mit üblichen Hydraulikdrücken bis 200 bar
sehr hohe Flüssigkeitsdrücke, z. B. bis 600 bar
erzeugen kann. Mittels kleiner Kolbendurchmesser und großen
Hüben bekommt man in Verbindung mit einem Wegmesssystem
eine sehr genaue Volumenauflösung für die injizierte
Flüssigkeitsmenge. Weiters werden dadurch die erforderlichen
Antriebskräfte (hydraulisch, elektrisch, servoelektrisch,
mit Spindel usw.) minimiert. Dadurch sind neben hydraulischen Antriebslösungen auch
Linearantriebe (z. B. Servomotor mit Spindel) einsetzbar. Die eingespritzte
Flüssigkeitsmenge kann sehr genau über die Endposition
des Einspritzkolbens bestimmt werden und bietet damit einen wichtigen
Prozessparameter für die Prozesskontrolle. Es kann damit
auf die ausgebildete Hohlraumgröße geschlossen
werden.
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Der
Maximaldruck der Flüssigkeit (des Wassers) wird über
das Flächenverhältnis des Druckübersetzers
definiert. Hat beispielsweise die Ölseite (der zweite Kolben)
die doppelte Fläche der Wasserseite (des Einspritzkolbens),
so steht für die Wasserinjektion der doppelte Hydraulikdruck
der Spritzgießmaschine zur Verfügung. Entsprechend
muss aber auch die zweifache Menge an Öl in den Druckübersetzer
gepumpt werden, als auf der anderen Seite an Wasser zur Ausformung
des Hohlraumes verwendet wird.
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Um
eine lange Lebensdauer der Anlage zu gewährleisten, sollte
besonderes Augenmerk auf die Wasserqualität gelegt werden.
Folgende Werte des Wassers sind zur Vermeidung von Korrosion und Kalkablagerungen
besonders vorteilhaft:
- • pH-Wert 7
bis 8,5
- • Karbonathärte 6 bis 15°dH
- • Chloridgehalt < 100
mg/l
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Ein
besonders bevorzugter Verfahrensablauf der Flüssigkeitsinjektion
mittels der erfindungsgemäßen Anordnung wird im
Folgenden anhand des konkreten Beispiels Wasser beschrieben:
Zunächst
wird die Wasserseite des Druckübersetzers mithilfe einer
kleinen Pumpe vollständig befüllt. Zu Beginn des
Zyklus wird bei abgesperrter Leitung zur Kavität ein Vorspanndruck
in der Wasserzuleitung aufgebaut. Dadurch steht zum einen bei Beginn
der Wasserinjektion sofort ein definierter Druck bereit, zum anderen
wird damit verhindert, dass Schmelze aus der Kavität in
den Behälter fließt. Nach dem Einspritzen der
Schmelze wird zunächst eine zeitliche Verzögerung
abgewartet, bevor die Leitung geöffnet wird. Im Laufe der
Verzögerungszeit erstarrt die Kunststoffschmelze an der
Kavitätenwand zunehmend, dieser Parameter bestimmt also
in hohem Maße die Wanddicke des fertigen Bauteils. Die
Wasserinjektion mittels des Einspritzkolbens verläuft nun regelungstechnisch
analog zum Einspritzen der Kunststoffschmelze:
Die erste Phase,
die für die Ausbildung des Hohlraums verantwortlich ist,
erfolgt durch geschwindigkeitsgeregelten Vorschub des Einspritzkolbens.
Die zweite Phase, in der zur Kompensation der Schwindung des Kunststoffes über
das Wasser ein Nachdruck im Inneren des Bauteils aufrechterhalten
wird, erfolgt druckgeregelt. Als Umschaltkriterium zwischen den
beiden Phasen kann eine Wegposition des Einspritzkolbens (und/oder
des ölseitigen zweiten Kolbens) herangezogen werden, wodurch über die
Kolbenfläche das für die Hohlraumbildung verwendete
Volumen exakt definiert ist. Alternativ dazu steht auch eine druck-
oder zeitabhängige Umschaltung zur Verfügung.
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Am
Ende der Druckhaltephase erfolgt der Abbau des Wasserdruckes. Es
hat sich gezeigt, dass ein sanfter Druckabbau von Vorteil ist, weil
dadurch Kavitationseffekte vermieden werden. Dieser Druckabbau erfolgt
daher geregelt entlang einer Sollwertvorgabe. Abschließend
wird durch Öffnen eines Ventils das Abfließen
des restlichen Wassers aus dem Bauteil ermöglicht. Schließlich
werden alle Leitungen zwischen Kavität und dem Behälter
mit kaltem Wasser durchspült. Dadurch wird sichergestellt, dass
im nächsten Zyklus keine Luft bzw. heißes Restwasser
in das Bauteil gelangt.
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Der
Ablauf der Flüssigkeitsinjektion mittels des Einspritzkolbens
gleicht also in weiten Bereichen dem Einspritzvorgang der Spritzgießmaschine.
Eine Integration der Steuerung der Flüssigkeitsinjektion
in die Maschinensteuerung der Spritzgießmaschine ist daher
besonders vorteilhaft, da die zentralen steuerungs- und regelungstechnischen
Komponenten nicht neu entwickelt werden müssen, sondern
von der Kunststoff-Einspritzung übernommen werden können.
Darüber hinaus ergeben sich für den Anlagenbediener
eine Reihe an Vorteilen hinsichtlich Bedienkomfort und Nutzbarkeit
der bestehenden Steuerungs-Infrastruktur:
- • Einheitliche
Benutzeroberfläche und Bedienung
- • Speicherung der flüssigkeitsinjektions-spezifischen
Einstelldaten im Teiledatensatz der Spritzgießmaschinen-Maschinensteuerung
- • Kurvenverläufe von Istwerten, wie Flüssigkeitsdruck
und -menge können gemeinsam mit den Istwerten des Einspritzvorgangs
visualisiert werden, was die Prozessoptimierung erleichtert
- • Qualitätsrelevante Flüssigkeitsinjektions-Parameter
werden im Prozessdatenprotokoll der Spritzgießmaschine
mit aufgezeichnet, oder in der Prozessdatengraphik dargestellt.
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Durch
die besonders bevorzugt vorgesehene hochauflösende Wegmessung
des Einspritzkolbens und/oder des zweiten Kolbens und einer zusätzlich
möglichen Druckmessung auf der Flüssigkeitsseite
des Einspritzkolbens ist eine präzise Regelung der Flüssigkeitsinjektion
möglich. Aus der Differenz der Kolbenpositionen zu Beginn
und zum Ende einer Wasserinjektion ist die eingespritzte Wassermenge
bekannt, und kann zur Prozessüberwachung und Dokumentation
herangezogen werden. Die für den Spritzgießer
geläufigen Parameter Einspritzzeit, Umschaltposition, Umschaltdruck
und Massepolster stehen auch bei der Wasserinjektion für
die Beurteilung der Reproduzierbarkeit zur Verfügung.
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Durch
die mechanische und besonders bevorzugt auch die steuerungstechnische
Integration der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung in die
Spritzgießmaschine kann die Flüssigkeitsinjektion
erstmals über ein „zusätzliches Spritzaggregat"
erfolgen. Dies stellt neben dem geringeren Platzbedarf und den reduzierten
Druckverlusten vor allem für den Maschinenbediener und
hinsichtlich der Teile-Reproduzierbarkeit wesentliche Vorteile dar.
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Die
gesamte Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung bestehend z.
B. aus Druckübersetzer, Druckbeaufschlagungsmittel (z.
B. Hydraulik der Spritzgießmaschine), einer Befüllpumpe
und einem Tank wird im besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
als Flüssigkeitsinjektionsmodul für ein oder mehrere Kreise
(z. B. für Mehrkavitätenwerkzeuge) komplett in
die Spritzgießmaschine integriert und der komplette Prozessablauf über
die Steuerung bzw. Regelung der Spritzgießmaschine gesteuert/geregelt.
Die Abspeicherung der optimierten Einstelldaten erfolgt auf einem
Datenträger. Durch die Integration der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung
(bevorzugt im Rahmen der Spritzgießmaschine) sind kürzeste
Leitungslängen bis zum Werkzeug realisierbar. Dies ist
für eine genaue Regelung der Volumenströme und
Drücke sowie für einen geringen Wasserverbrauch
vorteilhaft. Weiters wird durch diese Integration keine zusätzliche
Aufstellfläche wie bei anderen Stand-Alone-Wasserinjektionseinheiten,
die neben der Spritzgießmaschine stehen, benötigt.
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Der
Prozess wird besonders bevorzugt bei der Flüssigkeitsinjektion
gleich wie bei der Schmelzeinjektion geführt: Die Einspritzung
der Flüssigkeit, z. B. von Wasser erfolgt nach einem Volumenstromprofil
(als Funktion der Einspritzkolbenposition im Druckübersetzer).
Es folgt eine Umschaltung (volumen-, druck- oder zeitabhängig)
von der Geschwindigkeitssteuerung oder -regelung auf eine Drucksteuerung oder
-regelung nach Ausbildung einer bestimmten Hohlraumgröße
(Rückschluss über eingespritzte Wassermenge).
Es gibt eine Nachdruckfunktion zur Schwindungskompensation, Vermeidung
von Lunkerbildung und Einfallstellen. Für die Nachdruckfunktion
kann das Wasser im Hohlraum stehen und unter Druck gehalten werden
oder auch über ein Auslassventil nach einer bestimmten
Zeit (Ausbildung einer erstarrten Randschicht angrenzend zur Wassersäule)
unter einstellbarem Gegendruck zur Intensivierung der Kühlwirkung
durchgepumpt werden.
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Die 1 bis 3 zeigen
unterschiedliche Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer
Anordnungen.
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1 zeigt
schematisch eine Spritzgießmaschine 1 mit unterhalb
der Schließseite montierter Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4.
Der besseren Übersichtlichkeit halber ist die Schutzumwehrung 2 in 1 weggelassen
(siehe aber die 2 und 3). Schematisch
gezeigt ist eine Hydraulikleitung 5 zur Beaufschlagung
des zweiten Kolbens sowie eine Leitung 6 vom Behälter
zur Kavität. Die strichlierten Pfeile sollen darstellen,
dass sowohl die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4 als
auch die restlichen Komponenten der Spritzgießmaschine
durch ein und dieselbe Maschinensteuerung 7 steuerbar sind.
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In
den 2 und 3 sind die Leitungen, über
welche die Flüssigkeit in den Behälter bzw. Kavität
einbringbar ist, nicht dargestellt.
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2 zeigt
die bereits in 1 dargestellte Spritzgießmaschine 1 mit
Schutzumwehrung 2, wobei diesmal die Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4 auf
der bewegbaren Werkzeugaufspannplatte 3 montiert ist.
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3 zeigt
die Anordnung der Flüssigkeitsinjektionsvorrichtung 4 auf
einem Ablageblech 9 der Schutzumwehrung 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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