DE7515422U - Druckaufnehmer für plastische Massen - Google Patents

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 9. April 1975

Firma P 3011 X/Rp

Kistler Instrumente AG
CH-8408 Winterthur
SCHWEIZ

Druckauf nehme r für plastische Masiäen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druck-Aufnehmer, die zur elektrischen Messung des Druckverlaufes während dem öprifzvorgang von Kunststoff- und Gummimassen entstehen. Eine sehr grosse Zahl der heute verwendeten Gebrauchsgegenstände wird aus Kunststoffmassen oder Gumraimassen hergestellt, die unter hohem Druck und hoher Temperatur in einem Spritzvorgang hergestellt werden. Meistens wird eine metallene, mehrteilige Spritzform verwendet, '«eiche in die Spritzmaschine eingebaut wird. In gewissen Fällen werden auch Pressformen verwendet, die gegeneinander verschiebbar sind.

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Die heute verwendeten Spiitzgiess- und Pressmaschinen für Kunststoffe sind weilgehend automatisiert. Neuerdings werden sie mit Prozessrechnern ausgerüstet, damit sie im Dauerbetrieb mit optimalen Bedingungen für die Werkstücke betrieben weiden können. Damit wird es möglich, fortlaufend die günstigste Nach füll menge für jedes Werkstück zu bestimmen, wodurch Dauerbetrieb ohne Üeberwachung durch geschultes Kontrollpersonai möglich wird.

Der Prozessrechner steuert die Maschine aufgrund von Druck-, Temperatur- und Kraftmessdaten, die laufend ausgewertet werden. Besonders für anspruchsvolle, komplizierte Werkstücke hat es sich gezeigt, dass die Üeberwachung der Druckentv/icklung während des Spritz-oder Pressvorganges eine notwendige Voraussetzung ist, um Werkstücke mit repet'erbarer Genauigkeit herzustellen. Dazu werden die Druckaufnehmer hauptsächlich an versci ''denen Stellen in der Spritzform so eingebaut, dass die Frontpartie vollständig bUndig mit der Innenoberfläche angeordnet ist., Es ist aber auch möglich, die Druckaufnehmer im Mundstück der Spritzmaschine anzuordnen. Damit hat man allerdings keine Kenntnis der Druckverteilung an kritischen Stellen des Werkstückes. Aus diesen Gründer, werden die Druckaufnehmer neuerdings in die Spritz- und Pressformen direkt eingebaut. Nach Abschluss eines Arbeitsauftrages werden die Formen mit den eingebauten Aufnehmern im Magazin deponiert bis derselbe Auftrag wieder auf der Maschine ausgeführt wird. Der Prozessrechner steuert die Maschine hierauf nach dem vorgegebenen Programm mit Hilfe der zu messenden Daten der Temperatur- und Druckmessstellen. Es ist damit möglich, das verlangte Werkstück nach einer Pause von Monaten ohne jeden Vorversuch sofort wieder mit den gleichen Toleranzen und Festigkeitswerten herzustellen. Zudem sind keine kostspieligen Fachleute für den Anlaufvorgang der Zwoits^rie nötig. Durch die Verwendung von Spritzformen mit fest eingebauten Messsiellen, die rasch ans Steuerungssystem der Maschine angeschlossen werden können, ergeben sich damit minimale! Unturbruchzeiton der _; aufwendigen Spritzmaschinen, wodurch wiederum Möglichkeiten zur Kostensenkung ge-

schaffen werden. An die Druckaufnehmer für diese Zwecke werden hohe Anforderungen

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gestellt bezüglich Dauerbetrieb, Repetierbarkeit, Grössc, Umgebungstemperatur etc.

Die z.Z. auf dem Markt erhältlichen Druckaufnehmer für Spiitzmassen können infolge ihrer ;

Grosse nur am Einspritzmund der Maschine montiert werden. Zum Einbau in die Formen

sind sie viel zu gross. Zudem können ihre Messwerke Temperaturen von über 80 C nicht

erfragen, da sie üblicherweise auf Dehnmessstreifenbasis aufgebaut sind. Bei diesen

handelsüblichen Druckaufnehmern ist es deshalb notwendig, den Membranteil, welcher

Temperaturen von über 200° C ausgesetzt ist und den Messwerkteil so zu trennen, dass

die notwendige Temperaturdifferenz zwischen den beiden Teilen des Druckaufnehmers

entsteht. Beispiele solcher Aufnehmer sind in den DP Offenlegungsschriften Τ698Ί37; j

Γ936'528; T936'887; 2'21Γ609 gezeigt. Alle diese Konstruktionen weisen komplizierte |

Methoden auf, um den Einfluss der benötigten Temperaturdifferenz auf den Druckmess- 1

Vorgang so weit wie möglich auszuschalten. %

Es sind aber Methoden bekannt gemacht worden bei denen Kraftübertragungsstifen I

ähnlich Auswerferstiften in die Form eingebaut sind, die mit einer Kraftmesszelle verbunden f.

I sind. Das andere Ende ist bündig mit der Formoberfläche. Diese Stiften weisen je nach I

Formgrösse verschiedene Längen und Durchmesser auf und sind in Passbohrungen der Formen §

geführt. Durch die Undefinierte seitliche Auflage muss der Spalt zwischen Bohrung und f

I Stift sehr klein gemacht werden, was bei geringstem Verzug der unter hohen Temperaturen

stehenden Formen zu Klemmen und Reiben der Stifte führt, was erhebliche und erratische
Fehler in der gemessenen Uebertragungskraft ergibt. Diese Messmethode ist somit für
zuverlässige Messungen ungeeignet.

Die erfindungsgemässen Druckaufnehmer weisen demgegenüber einen wesentlich
einfacheren Aufbau auf.Das Messwerk in Form eines zylindrischen Elementes wird direkt

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hinter die Druckmesspartie plaziert, es kann Dauertemperaturen bis über 200° C aushalten und ist von sehr steifer Bauart.

Es kann fein passives oder aktives Messystem sein. Infolge der geringen Temperaturempfindlichkeit eignen sich piezoelektrische Messelemente besonders gut. Es gibt aber auch piezoresistive, induktive, kapazitive und andere Messätze, die sich fUr die erfindungs· gemässe Ausbildung des Druckaufnehmers eignen würden.

Der erfindungsgemässe Druckaufnehmer ist mit 6 Figuren erklärt. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Druckaufnehmer im ■ ■ Einbauzustand.

Fig. 2: Eine Variante von Fig. 1. Fig. 3: In stark vergrößertem Massstab die Frontfläche der Druckaufnehmer mit

der Spritzmasse. Fig. 4: Die bearbeitete Membranpartie des Druckaufnehmers angepasst an die

Innenform des Spritzwerkzeuges.

Fig. 5: Eine Variante eines erfindungsgemässen Druckaufnehmers im Schnitt. Fig. 6: Eine Ansicht eines im erfindungsgemässen Druckaufnehmer eingesetzten , ( Messeinsatzes.

Gemäss Fig. 1 besteht der Druckaufnehmer aus dem Aufnehmerkörper 1 an welchen mit bekannten Mitteln ein geschlitztes Verbindungskabel 2 angeschlossen ist. Der Körper J wird mittels Montageschraube 3 auf die Anschlagflächen 4 gepresst. Das Messelement 5 wird durch die elastische Spannhülse 6 zentriert und durch den Druckkolben 7 gegen die Planfläche 8 des Aufnehmerkörpers 1 gepresst. Durch die eingezogene Partie 9 wird die Spannhülse 6 sehr elastisch, damit wird der Massedruck ρ fast vollständig über das Messelement 5 auf den Aufnehmerkörper 1 übertragen. Hülse 10 umschliesst das gegen Seitenkräfte empfindliche Messystem, sie ist mit dem Aufnehmerkörper 1 fest verbunden. Der

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Aussendurchmesser der Hülse 10 ist so bemessen, dass sie praktisch spielfrei in die /rl

Bohrung Π eingesetzt werden kann. Der Innendurchmesser D der Hülre 10 und der Durchmesser d des Druckkolbens 7 sind so aufeinander abgestimmt, dass ein gleichmässiges Radialspiel 12 von vorbestimmter Grosse entsteht. Nach Erfahrung soll dieser weniger als 20 Mikro m (Mm) betragen. Dieser Ringspalt 12 wird nicht mit einer Meta 11 membrane abgeschlossen, sondern die Spritzmasse 13 bildet selber die Membrane Über den sehr feinen Haarspalt, ohne in denselben einzudringen, sodass zwischen Druckkolben 7 und Zylinderhulse 10 ein Dichtspalt entsteht. Die genau zentrisch aufgesetzte Hülse 10, die erfindungsgemäss nur am Innendurchmesser D als Zylinderbauteil gestaltet sein muss, könnte am Aussenumfang prismatisch ausgebildet sein. Wichtig ist lediglich, dass sie

so steif ist, dass sie sich beim Einbau nicht deformiert/ wodurch der Druckkolben 7 WandberUhrung bekommen könnte, was vermieden werden muss.

Um die hohe ZentrizitätsgenauSgkeit der sehr feinen Dichtspalte 12 zu gewährleisten, ist der Messeinsatz bestehend aus dem Druckkolben 7 und dem Messelement 5 möglichst kurz gebaut. Durch die als dünnwandiges hochelastisches Rohr ausgebildete Spannhülse 6 wird das Messelement S völlig abgedichtet eingeschlossen.

Damit sich im Raum hinter dem Radialhaarspalt 12 kein Druck aufbauen kann, der die Messung fälschen könnte ist Üblicherweise eine Entluftungsbohrung 14 vorgesehen, es sind aber auch andere Mittel für eine Verbindung zur Atmosphäre möglich. Fig. 2 zeigt eine Variante von Fig. 1. Der Druckkolben 7 ist eingezogen von d auf Durchmesser df. Entsprechend ist die Ringhulse 10 an der Frontpartie verstärkt. Der massgebende Ringspalt 12 wird am eingezogenen Durchmesser eingeholten. Dadurch kann die zv messende Kraftgrösse weitgehend der Aufnahmefähigkeit der Messzelle angepasst werden. Oft ist es erwünscht, eine möglichst kleine Frontpartie des Aufnehmers zu haben,

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in diesem Falle wäre auch eine Reduktion des A ussendurchmessers der Hülse 10 möglich. In Fig. 3 ist die Frontpartie des Druckaufnehmers nach Fig. 1 stark vergrösserr gezeigt. . Der Ringspalt 12 zwischen Druckkolben 7 und Rohrhülse 10 wird durch die Spritzmasse überbrückt. Es entsteh} dabei eine Eindringtiefe f, die etwas weniger als die Spallbreite S beträgt. Dieses Phänomen erklärt sich durch die rasche Abkühlung der heissen Spritzmasse an den wassergekühlten Wänden der Spritzform 15. Beim Ausstossen der abgekühlten

ϊ Spritzmasse, also des Spritzlings, wird der Brauen 16 mitgerissen. Er ist als feines Ringlein

} an der Oberfläche des Werkstückes erkennbar.

In Spezialfällen kann es vorkommen, dass der Druckverlauf an Stellen gemessen werden soll,

ί wo keine senkrecht zur Aufnehmerachse stehende Planfläche vorhanden ist. Nach Fig. 4

• kann die Frotnpartie des erfindungsgemässen Druckaufnehmers bis zu einem bestimmten Mass X überarbeitet werden. Die Funktionsfähigkeit des Aufnehmers wird dadurch in keiner Weise behindert. Durch die seitliche Elastizität wird der Druckkolben 7 bei Bearbeitung degen die Hülse 10 ausfedern und Wandberührung bekommen, anschliessend aber wird er wieder in seine zentrale Lage zurückfedern. Als letzte Bearbeitungsoperation der neuen Oberfläche 17 empfiehlt sich schleifen. Mit dem Schleifbrauen v/ird der Dichtspalt 12 zugedeckt, wodurch sich Jedoch nur ein unwesentlicher Kraft nebenschluss ergibt. Bearbeitung der Frontpartie kann sowohl am Aufnehmer separat oder aber im eingebauten Zustand erfolgen.

Fig. 5 zeigt die konstruktiven Mittel zur Erreichung und zur Beibehaltung eines genau zentrierten Dichtspaltes nach Fig. 1. Die Schutz- und Zentrierhülse 10 kann z.B. durch Gewindepr.rtie 4 fest gegen Anschlag 2 gezogen werden. Es sind aber auch andere Mittel zur Erreichung einer Axialspannung möglich, wie in Fig. 1 gezeigt. Dabei wird die Hülse durch die Passzone 16 des Messeinsatzes 3 zentriert. Der Messeinsatz 3, der mit Körper 1 mit bekannten Mitteln fesl verbunden ist, weist 3 zylindrische, sorgfältig bearbeitete Zonen auf, die gewährleisten, dass dor minimale Ringspalt 12 von nur v/enigen um genau

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radial verteilt ist, wodurch der Druckkolben 7 an keiner Stelle Wandberührung aufweist. Dies sind die Passzone 16, die Messzone 17, in welcher das Messelement 5 unter elastischer Vorspannung eingebaut ist und die Dichtzone 18 des Druckkolbens 7 mit dem genau tolerierten Dichtspalt 12, begrenzt durch Zylinderflächc D der Zentrierhülse 10. Die erfindungsgemässe Aneinanderreihung der erwähnten konstruktiven Mittel wöre auch möglich, wenn ein Messelement 5 verwendet würde, das durch zentrale Mittel, z.B. eine Schraube mit Körper 1 und Kolben 5 verspannt wäre. In allen Fällen ist aber die Anordnung von Diqhtzone 18 und Messzone 17 kurz zu gestalten,um die anschliessende Passzone 16 mit Anschlag 2 so nahe wie möglich an die Dichtzone 18 zu bringen. Erfahrung hat gezeigt, dass die Länge L des Messeinsatzes 3 zum Durchmesser D der Zentrierhülse weniger als 3 : 1 betragen muss. Die Erfindung ist aber nicht an dieses Mass gebunden.

Fig. 6 zeigt als Beispiel wie die erfindungsgemässe hochpräzise Dichtspalte 12 konstruktiv gestaltet ist. Der Körper 1 mit dem fertig montierten Messeinsatz 3 wird in die Bearbeitungsmaschine, vorzugsweise Rundschleifmaschine, eingespannt, wonach in einer Einspannung die Passzone 16 mit Anschlag 2, worauf nach Verstellung des Supports axial und um die vorgeschriebene Spaltbreite 12 die Dichtzone 18 überarbeitet wird. Auf diese Weise muss an der Werkzeugmaschine lediglich eine Differenz nicht eine Absolutgrösse eingestellt werden, was sehr genau erfolgon kann.

Kalibrierung des Druckaufnehmers ist im Beirieb nicht mehr nötig. Sollte dies jedoch einmal verlangt werden, so kann der Aufnehmer mit Montagecidapter auf ein hydraulisches Prüfgerät montiert werden. Vorher muss jedoch dia plane Frontpartie mit Klcbfolie, welche die Membranfunktion übernimmt-, abgedichtet werden. Andererseits kann mit einer Kraftmess-Prüfeinrichtung durch Krafteinleitung auf den Druckstempel 7 eine einfache Kalibrierung vorgenommen weiden, dazu ist jedoch grosso Sorgfalt notwendig.

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Die Erfindung ermöglicht somit erstmals den Druckverlauf während des Spritzvorganges direkt am Werkstück zu erfassen. Für die Automatisierung der Kunststoff- und Gummi-Spritz- und Pressmaschinen sind damit neue Möglichkeifen eröffnet worden. Durch die Formgebung des Aufnehmers, die z.B. einem in der Kunststoffindustrie genormten Auswerferbolzen entsprechen kann, mit dem in der Frontpartie direkt eingebauten und durch eine solide Zentrierhülse geschützten Messelement ergibt in Zusammenhang mit den konstruktiven Massnahmen zur Erreichung eines genau tolerierten und zentrierten Dichtspaltes ein miniaturisiertes und hochpräzises Messwerkzeug, das so gebaut werden kann, dass es in Normbohrungen bis zu 4 mm und weniger auf einfachste Weise montiert werden kann und somit dem aufgezeigten Stand der Technik um grosse Schritte voraus ist. Der übliche Fehler durch Wärmeschock der durch die bekannten Metal !membranen beim Auftreffen der heissen Spritzmasse entsteht, ist bei der erfindungsgemässen Ausführung nicht feststellbar. Endlich wird durch die Möglichkeit der Bearbeitung der erfindungsgemässen Aufnehmerfrontpartie eine weitere Verbesserung der Einbaufragen erzielt, was bis anhin nicht zur Diskussion stand. Die erfindungsgemässen Massnahmen ermöglichen somit Druckaufnehmer zu schaffen, die erstmals direkt auch in kleine Spritzgiessformen eingebaut werden können und infolge Wegfalls von komplizierten Membranen, verklemmenden Druckbolzen, komplizierten Temperaturausgleichsystemen etc. genaue, hysteresefreie und repetierbare Erfassung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen im Dauerbetrieb ermöglichen, womit sich neue technische Schritte eröffnen.

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Claims (1)

1. Az.: G 75 15 422.2 Stuttgart, den 18. Juli 197«

   Anm.: Kistler Instrumente AG Gm 821 X/kg

   Schutzansprüche

   1. Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen, gestaltet als Einbauelement mit Längsanschlag, das direkt in Normbohrungen von Spritzformwerkzeugen eingebaut werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftempfindliche Meßelement (5) einerseits zwischen einem Radial- und Axialführungselement (2, 16) und andererseits einem Druckkorben (7) so eingebaut ist, daß die auf das Führungselement (2, 16) aufgepaßte zylindrische Schutzhülse (10) den Druckkolben (7) berührungsfrei mit einem zentrisehen Ringspalt (12) umschließt, der gegenüber der Spritzmasse (15) als Dichtspalt wirkte

   2· Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des öpritavorganges von plastischen Massen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (7) mit der Spannhülse (6) und einem elastischen Rohrteil (9) so ausgerüstet ist, daß das Meßelement (5) unter axialer Vorspannung dicht im Aufnehmerkörper eingebaut ist.

   5. Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben mit einem zentralen Spannelement durch das ringförmig gestaltete Kraftmeßelement gegen den Führungsteil gespannt wird.

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   Aufnehmer zvv Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmerkörper (1) mit dem fertig montierten Meßeinsatz (3) so gestaltet ist, daß die sehr kleine zentrische Spaltbreite (12) als Differenzgröße vom Durchmesser der Paßzone (16) zum Durchmesser der Dichtzone (18) festgelegt ist.

   Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Druckkolbens (7) so überdimensioniert ist, daß die Aufnehmerfrontpartie zur Anpassung an die Innenform des Spritzwerkzeuges spanlos oder spanabhebend bearbeitbar ist.

   6· Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (7) an der Frontpartie vom Durchmesser d auf einen kleinen Durchmesser d^ reduziert wird, wobei euch die Schutzhülse (10) ent~ sprechend gestaltet ist, so daß wiederum der gegebene Dichtspalt (12) vorhanden ist.

   7. Aufnehmer zur Messung des Dr uc lev er lauf es während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtspalt (12) genau zentrisch ist und weniger als 20 pm beträgt.

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   8. Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufea während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre von dem Raum hinter dem Dichtspa.lt (12) durchgehende Kanäle oder Bohrungen (14-) nach außen geführt sind.

   9· Aufnehmer zur Messung des Druckverl&ufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das kraftempfindliche Meßelement (5) aus einer piezoelektrischen Kristallanordnung besteht, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden kanne

   10. Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eingebaute kraftempfindliche Meßelement als an sich bekannte Kraftmeßanordnung mit piezoresistiven Elementen oder Dehnmeßstreifen ausgebildet ist.

   11. Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der drei Zonen, der Paßzone (16), der Meßzone (17) und der Dichtzone (18) unter sich etwa gleich sind und ihre Gesamtlänge L zum Zentrierdurchmesser D nicht mehr als 3:1 ist.

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   12. Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritzvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßeinsatz (3) direkt in die Spritzfoma so eingebaut ist, daß die Paßbohrung (11) in der Spritzform den Durchmesser D der Schutzhülse (1O) aufweist_o

   13· Aufnehmer zur Messung des Druckverlaufes während des Spritζvorganges von plastischen Massen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu Kalibrierzwecken die Frontpartie des Aufnehmers mit einer dünnen Klebefolie versehen ist, die den Haarspalt (12) überdeckt, der damit einwandfrei gegen gasförmige und flüssige Medien abgedichtet ist*

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