DE102012104251A1

DE102012104251A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Energierückgewinnung bei der Formgebung von Kunststoffen

Info

Publication number: DE102012104251A1
Application number: DE201210104251
Authority: DE
Inventors: Marco Lenzen
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung bei einer Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen, die eine Formgebungseinheit mit einer ortsfesten Werkzeughälfte und einer beweglichen Werkzeughälfte, die unter Ausbildung eines formgebenden Hohlraumes kuppelbar sind, sowie einen hydraulischen Antrieb für die die bewegliche Werkzeughälfte und eine Zuführeinheit für eine Formmasse in den formgebenden Hohlraum umfasst. Das Verfahren kennzeichnet sich dadurch, dass bei einem Spritzgießzyklus die im System vorhandene mechanische Energie während der Abbremsung der beweglichen Werkzeughälfte bei der Schließ- oder Öffnungsbewegung und/oder Relaxation der Schließkraft bei der Entkupplung der Werkzeughälften in zumindest einem Hydraulikspeicher zwischengespeichert wird und bei einem nächsten Formgebungsvorgang zum Druckaufbau zumindest einem Druckelement zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energierückgewinnung bei einer Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen, bevorzugt bei einer Vorrichtung zur Formgebung, die eine Formgebungseinheit mit einer ortsfesten Werkzeughälfte und einer beweglichen Werkzeughälfte, die unter Ausbildung eines formgebenden Hohlraumes kuppelbar sind, sowie einen hydraulischen Antrieb für die bewegliche Werkzeughälfte und eine Zuführeinheit für eine verflüssigten Formmasse in den formgebenden Hohlraum umfasst, sowie die Vorrichtung als solche.
Bei der Formteilherstellung von Kunststoffen werden Vorrichtungen eingesetzt, welche zum einen eine ortsfeste Werkzeughälfte und zum anderen eine bewegliche Werkzeughälfte aufweisen können. Die beiden Werkzeughälften bilden dabei einen Hohlraum, welcher die auszubildende Form beschreibt. Ein in diesen Hohlraum einzuspritzender Kunststoff wird zuerst unter Einsatz hoher Energie verflüssigt und unter Druck in diesen Hohlraum eingespritzt.
Bei einer solchen Spritzgussmaschine wird in der Vorrichtung ein hoher Druck zur Formgebung des Kunststoffes erzeugt, wobei der Druck zur Formgebung beim Einspritzen und in der Nachdruckphase von der Plastifiziereinheit aufgebaut wird, um das Formteil zu bilden. Dabei wird von der Schließeinheit eine hydraulische Gegenkraft, die s.g. Schließkraft aufgebaut. Alternativ werden Kniehebeleinheiten bei elektrisch mechanisch angetriebenen Spritzgussmaschinen eingesetzt. Eine Baugruppe einer solchen Spritzgussmaschine als Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen, die grundsätzlich im Stand der Technik bekannt ist, ist die Schließeinheit, welche gerade im Bereich großer Schließkräfte häufig als Zwei-Platten-Schließeinheit vorzufinden ist.
Bei einer solchen 2-Platten-Schließeinheit sind auf einem Maschinenbett eine feststehende Formaufspannplatte mit der einen Werkzeughälfte und eine demgegenüber verfahrbare bewegliche Formaufspannplatte mit der anderen Werkzeughälfte vorgesehen. ln einer der Formaufspannplatten können Säulen vorgesehen sein, welche sich zur gegenüberliegenden Formaufspannplatte erstrecken und diese zumindest im geschlossenen Zustand der Schließeinheit durchsetzen. Desweiteren sind Verriegelungsvorrichtungen und Mittel zur Erzeugung einer Schließkraft vorgesehen. Solche 2-Platten Schließeinheiten sind in verschiedenen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt (Johannaber/Michaeli, "Handbuch Spritzgießen", Hanser 2001, Seiten 836–839).
Demzufolge wird bei dieser Art der Formteilherstellung eine beträchtliche Menge an Energie benötigt. Zum einen muss der Kunststoff zuerst verflüssigt werden und zum anderen muss ein hoher Druck aufgebaut werden. Um Energie einzusparen, ist es bekannt, bei der Abkühlung des Kunststoffes oder des Hydrauliköls gemäß der DE 10 2010 049 969 A1 die frei werdende Wärmeenergie aufzufangen und in den Prozess zurückzuführen. Ein solches sogenanntes Rekuperationsverfahren erlaubt es, den Energieverbrauch einer solchen Vorrichtung zu reduzieren. Ein wesentlicher Anteil am Gesamtenergiebedarf stellt allerdings die zum Betrieb der Achsen erforderliche Antriebsenergie dar.
So kann beispielhaft in einer solchen Vorrichtung zur Formteilherstellung eine Schließkraft von bis zu 40.000 kN notwendig sein, wobei in Abhängigkeit der Schließkraft und der Steifigkeit der Schließeinheit bzw. des eingesetzten Spritzgießwerkzeuges eine elastische Deformation von bis zu 4 bis 5 mm entsteht. Beim Schließen der Vorrichtung werden Massen zwischen 30 und 100 Tonnen bewegt, mit einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 1 m/s. Die Zykluszeiten bewegen sich dabei von 4 bis 60 sek. Damit ergibt sich eine potentielle Energieeinsparung von 10 bis 50.000 Kilowattstunden pro Jahr.
Bei dem derzeitigen Stand der Technik werden die dargestellten Energieformen beim Entspannen der deformierten Bauteile sowie beim Abbremsen der bewegten Massen dissipiert. Damit stellt sich die Aufgabe, die für den Zyklus aufgebrachte Antriebsleistung bei der Formteilherstellung wieder nutzbar zu machen, um den Gesamtenergiebedarf weiter zu senken.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine bei einem Spritzgießzyklus die in der Anlage vorhandene mechanische Energie während der Abbremsung der mindestens einen beweglichen Werkzeughälfte bei der Schließbewegung und/oder Relaxation der Schließkraft und/oder bei der Entkupplung der Werkzeughälften in zumindest einem Hydraulikspeicher zwischengespeichert wird und bei einem nächsten Spritzgießzyklus zum Druckaufbau zumindest einem Druckelement zuführbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik liegt darin, dass der Energieverbrauch bei der Formteilherstellung reduziert werden kann. Hierbei kann die im hydraulischen Antrieb vorhandene mechanische Energie zurückgeführt werden. So wird bei einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Schließen der Vorrichtung die bewegliche Werkzeughälfte mithilfe eines Verfahrzylinders auf die ortsfeste Werkzeughälfte verfahren, oder bei einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die bewegliche Werkzeughälfte mithilfe eines Verfahrzylinders von der ortsfesten Werkzeughälfte getrennt und in die Öffnungsposition verfahren.
Eine Beschädigung der Werkzeughälften muss vermieden werden, und dazu muss die bewegliche Werkzeughälfte vor dem Erreichen der Schließposition oder der Öffnungsposition abgebremst und zum Stillstand gebracht werden. Die dabei verfahrenen, zum Teil sehr großen Elemente mit bis zu 100 Tonnen Gewicht sind mit einer hohen kinetischen Energie ausgestattet. Beim Abbremsen der beweglichen Werkzeughälfte wird diese mechanische Energie frei. Hierzu wird erfindungsgemäß im hydraulischen Antrieb der Vorrichtung mindestens ein Hydraulikspeicher zum Abbremsen der beweglichen Werkzeughälfte eingesetzt, in den das aus dem Druckmittelraum im Verfahrzylinder abgeführte Druckmittel gegen den vorhandenen Innendruck im Hydraulikspeicher geleitet wird. Dabei wird ein ansteigender Gegendruck im Hydraulikspeicher aufgebaut, der dazu führt, dass die bewegliche Werkzeughälfte abgebremst wird. Mit zunehmendem Gegendruck sinken die Geschwindigkeit der beweglichen Werkzeughälfte und die darin enthaltene kinetische Energie. Diese Energie wird in Form von erhöhtem Druck in mindestens einem Hydraulikspeicher zwischengespeichert.
In einer weiteren Ausführungsform sieht die Erfindung vor, dass die Formgebungsvorrichtung zwei bewegliche Werkzeughälften umfasst, die zur Ausbildung des formgebenden Hohlraumes zueinander bewegt und miteinander gekuppelt werden und nach Ende des Formgebungsvorganges entkuppelt und in die Öffnungsposition bewegt werden, in der das Formstück aus der Formgebungseinheit entnommen werden kann.
Ferner sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die im mindestens einem Hydraulikspeicher zwischengespeicherte Energie beim Spritzgießzyklus zum Druckaufbau zumindest an ein Druckelement wie einen Verfahrzylinder oder einem Druckkissen zurückgeführt wird und somit zum Antrieb der beweglichen Platte der Schließeinheit genutzt werden kann. Dadurch muss weniger Energie aufgewendet werden, um das jeweilige Druckelement mit dem nötigen Druck zur Anwendung der Vorrichtung zu beaufschlagen. Der im Hydraulikspeicher zwischengespeicherte Druck reicht jedoch meist nicht für den nächsten Formgebungsvorgang aus. Um den im Hydraulikspeicher notwendigen Druck aufzubauen, kann zusätzlich eine Pumpeneinheit zur Erhöhung des hydraulischen Druckes im hydraulischen Antrieb und Hydraulikspeicher vorhanden sein, welche vor, während oder zwischen Formteilherstellungen den Druck in dem Hydraulikspeicher erhöhen kann. Dabei können auch gleichzeitig mehrere Hydraulikspeicher mit einer Pumpeneinheit mit dem nötigen Druck beaufschlagt werden. Die Pumpeneinheit wird damit effizienter genutzt und führt zu einer weiteren Einsparung von Energie.
Bei der Relaxation der elastisch verformbaren Bauteile der Schließeinheit kann erfindungsgemäß die dabei frei werdende Energie ebenfalls in einem Hydraulikspeicher zwischengespeichert werden. Die bei der Relaxation der Schließkraft bei der Entkupplung der Werkzeughälften frei werdende Energie wird dabei über den hydraulischen Antrieb auf einen Hydraulikspeicher umgeleitet, in den das aus dem Druckmittelraum im Druckkissen abgeführte Druckmittel gegen den vorhandenen Innendruck im Hydraulikspeicher geleitet wird Dabei bildet sich ein entsprechender Gegendruck im Hydraulikspeicher aus, während sich der Druck innerhalb des Druckelementes verringert. Somit kann die im Druckelement vorhandene Energie in dem Hydraulikspeicher zwischengespeichert werden. Bei einem nächsten Formgebungsvorgang wird weniger Druck benötigt, um das Druckelement mithilfe des Hydraulikspeichers entsprechend für die nötige Schließkraft der Vorrichtung aufzuladen. Damit wird ein wesentlicher Teil der Energie zur Anwendung der Vorrichtung eingespart.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zumindest zwei Hydraulikspeicher vorzugsweise wechselweise Verfahrzylinder zum Öffnen und Schließen der beweglichen Werkzeughälfte mit Druck beaufschlagen und mechanische Energie bei einem Abbremsen der bewegten Werkzeughälfte in einem Hydraulikspeicher gespeichert wird und zumindest zwei weitere Hydraulikspeicher zur Druckbeaufschlagung des Druckkissens verwendet werden, wobei zumindest ein Hydraulikspeicher zum Aufbau des Schließdruckes dient und der andere zum Zwischenspeichern der bei der Relaxation des Druckkissens frei werdenden mechanischen Energie dient.
Ferner betrifft die Erfindung auch die Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen vorgesehen, wobei zumindest ein Hydraulikspeicher vorgesehen ist, der über zumindest ein Ventil mit zumindest einem Druckelement verbunden ist. Dabei kann der Hydraulikspeicher zum einen verwendet werden, um die bei der Abbremsung des beweglichen Platte und/oder bei der Relaxation des Druckkissens frei werdende mechanische Energie zwischen zu speichern. Zum anderen kann der Hydraulikspeicher ebenfalls dazu verwendet werden, das Druckelement entsprechend mit dem notwendigen Anfangsdruck zu beaufschlagen. Der Hydraulikspeicher kann darüber hinaus nur für die Druckbeaufschlagung beispielsweise eines Druckkissens dienen. Dabei kann als Ventil ein Einwege- beziehungsweise Rückschlagventil verwendet werden, um den Druck nur in eine Richtung auszugleichen. Es wird beispielsweise bei der Relaxation des Druckkissens ein weiterer Hydraulikspeicher zur Zwischenspeicherung der frei werdenden mechanischen Energie verwendet. Dementsprechend können für unterschiedliche Aufgaben in der Vorrichtung oder dem Verfahren jeweils bestimmte Hydraulikspeicher vorgesehen sein. Im Normalfall ist der Hydraulikspeicher allerdings mit einem Zweiwegeventil mit zumindest einem der Druckelemente verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Vorrichtung dabei vor, dass der zumindest eine Hydraulikspeicher über ein Pumpenventil, vorzugsweise ein Einwegeventil mit zumindest einer Pumpeneinheit verbunden ist, wobei über diese der Hydraulikspeicher mit Druck und/oder Druckmittel beaufschlagbar ist. Der Hydraulikspeicher kann unter anderem dazu verwendet werden, die Druckelemente mit Druck zu beaufschlagen. Dabei muss der Druck im Hydraulikspeicher nach jedem Formgebungsvorgang erneut auf den notwendigen Druck erhöht werden. Hierzu ist der Hydraulikspeicher mit der Pumpeneinheit über ein Einwegeventil verbunden. Das Einwegeventil erlaubt dabei den Druckausgleich nur von der Pumpeneinheit zu dem Hydraulikspeicher und nicht in der anderen Richtung. Der große Vorteil in der Verwendung einer zentralen Pumpeneinheit liegt darin, dass diese deutlich effizienter genutzt werden kann. Alternativ muss für die Beaufschlagung der Druckelemente jeweils eine Pumpeneinheit bereitgestellt werden. Bei der Verwendung von nur einer Pumpeneinheit und einer Druckbeaufschlagung über die Hydraulikspeicher wird zusätzlich Energie eingespart.
Darüber hinaus weist die Pumpeneinheit in vorteilhafter Weise einen Vorratsbehälter auf, wobei dieser mit einem druckübertragenden Medium (Druckmittel) befüllt ist und/oder zumindest ein Druckelement über ein Kreislaufventil mit einem Zulauf eines Vorratsbehälters verbunden ist. Der Vorratsbehälter dient dabei dazu, das druckübertragende Medium für das System bereitzustellen. Dabei kann es vorkommen, dass nicht alle Elemente der Vorrichtung mit Druck beaufschlagt sind und bei einer Druckbeaufschlagung zusätzlich druckübertragendes Medium bereitgestellt werden muss. Dabei kann mithilfe der Pumpeneinheit und des Kreislaufventils als Medium aus dem Vorratsbehälter entnommen werden und in die Vorrichtung eingespeist werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Druckelement über ein Rekuperationsventil mit zumindest einem Hydraulikspeicher verbunden. Bei der Abbremsung der beweglichen Platte und/oder bei der Relaxation des Druckkissens wird das entsprechende Rekuperationsventil geöffnet, wobei dadurch der Druck in den Hydraulikspeicher abfließen kann und sich dort als Gegendruck aufbaut. Damit kann mithilfe des Rekuperationsventils die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gespeicherte Energie im Hydraulikspeicher zwischengespeichert werden.
Um die erforderlichen Verfahrgeschwindigkeiten zu erreichen, werden Verfahraktoren mit einem verhältnismäßig kleinen Kolbendurchmesser als Verfahrzylinder eingesetzt. Zum Aufbauen der Schließkraft werden Kraftaktoren mit einem relativ großen Durchmesser verwendet, um mit moderaten Drücken die geforderten Schließkräfte zu erreichen.
Weiterhin ist das Druckelement, wie ein Verfahrzylinder, über ein Zentralventil mit dem zumindest einen Ventil mit dem Hydraulikspeicher verbunden. Das zentrale Ventil des Druckzylinders erlaubt es zum einen, von einer Schließbewegung in eine Öffnungsbewegung umzuschalten und dabei jeweils wechselweise ein Hydraulikspeicher zur Zwischenspeicherung der dabei frei werdenden mechanischen Energie zu verwenden. Darüber hinaus erlaubt das Zentralventil auch eine Haltestellung, welche während der Formgebung eingenommen wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass die Rekuperationsventile miteinander über Leitungen verbunden sind. So kann der jeweils benötigte Hydraulikspeicher zur Zwischenspeicherung der mechanischen Energie verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Vorrichtung einen hydraulischen Antrieb und zumindest zwei Hydraulikspeicher vor, wobei diese wechselweise einen Druckzylinder zum Öffnen und Schließen der beweglichen Werkzeughälfte mit Druck beaufschlagen und beim Abbremsen der beweglichen Werkzeughälfte durch Druckbeaufschlagung eines Hydraulikspeichers die mechanische Energie zwischenspeichern und weiterhin zumindest ein Hydraulikspeicher zur Druckbeaufschlagung eines Druckkissens und zum Aufbau eines Schließdruckes vorgesehen ist und zumindest ein weiterer Hydraulikspeicher zur Zwischenspeicherung der frei werdenden mechanischen Energie bei der Relaxation des Druckkissens vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung somit eine Schließeinheit für eine Spritzgießmaschine, insbesondere eine 2-Platten-Schließeinheit für eine Spritzgießmaschine, mit einer feststehenden Platte, einer beweglichen Platte, wenigstens einem Antrieb zum Verfahren der beweglichen Platte über einen Verfahrweg beim Zufahren und beim Auffahren der Schließeinheit, mit wenigstens einer in einer Führung gelagertem Verfahrkolbenstange, die mit einem Verfahrkolben im Verfahrzylinder an der feststehenden Platte verbunden ist, und wobei der Führung der Verfahrkolbenstange an der beweglichen Platte jeweils eine Verriegelungsvorrichtung zugeordnet ist, deren Verriegelungselemente mit der zugeordneten Führung in Eingriff bringbar ist, um einen verriegelten Zustand zu bilden,

– der Verfahrzylinder zum Verfahren der beweglichen Platte über einen Abschnitt des Verfahrweges der beweglichen Platte ausgebildet ist,
– beide Seiten des Verfahrkolbens in dem Verfahrzylinder mit einem Druckmittel beaufschlagbar sind, so dass der Verfahrkolben innerhalb des Verfahrzylinders und relativ zu diesem und zur feststehenden Platte sowohl in Schließrichtung als auch in Öffnungsrichtung über einen Abschnitt des Verfahrweges mit der Verfahrkolbenstange und der beweglichen Platte verfahrbar ist
– jedem Druckmittelraum im Verfahrzylinder mindestens ein Hydraulikspeicher zugeordnet ist, der mit dem Druckmittelraum in ventilgesteuerter Hydraulikverbindung steht,
– und eine Regelungseinheit zum Betreiben der hydraulische Antriebe und Ventile vorgesehen ist,

In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zusätzlich oder alternativ zu dem Hydraulikspeicher, der mit dem Druckmittelraum im Verfahrzylinder in ventilgesteuerter Hydraulikverbindung steht, mindestens ein Hydraulikspeicher, der mit dem Druckmittelraum im Druckkissen 6 in ventilgesteuerter Hydraulikverbindung steht, vorgesehen sein.
Vorzugsweise sieht die Vorrichtung einen hydraulischen Antrieb und zumindest zwei Hydraulikspeicher vor, wobei diese wechselweise über Druckmittelräume im Verfahrzylinder einen Druckzylinder zum Öffnen und Schließen der beweglichen Werkzeughälfte mit Druck beaufschlagen und die beim Abbremsen der beweglichen Werkzeughälfte durch Druckbeaufschlagung eines Hydraulikspeichers die mechanische Energie zwischenspeichern und weiterhin zumindest ein Hydraulikspeicher zur Druckbeaufschlagung eines Druckkissens vorgesehen ist und zumindest ein weiterer Hydraulikspeicher zur Zwischenspeicherung der frei werdenden mechanischen Energie bei der Relaxation des Druckkissens vorgesehen ist.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren weiter veranschaulicht. Dabei zeigen:
1 den schematischen Aufbau einer Zweiplatten-Schließeinheit im geöffneten Zustand;
2 den schematischer Aufbau einer Zweiplatten-Schließeinheit im geschlossenen Zustand;
3 den grundliegenden Aufbau einer erfindungsgemäß betriebenen Zweiplattenschließeinheit; und
4 den schematischer Aufbau der Ventilstellungen.
Die hydraulische Verbindung zwischen der erfindungsgemäß verwendeten Regeleinheit und der Zweiplatten-Schließeinheit wird über hydraulische Standardleitungen realisiert, welche in den 1 und 2 schematisch durch die Positionen A1, A2 und A3 gekennzeichnet sind.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist der grundliegende Aufbau einer Zweiplatten-Schließeinheit im geöffnetten Zustand mit der beweglichen Platte 2 und der feststehenden Platte 3 dargestellt. Das Spritzgießwerkzeug weist die Negativformhälften 1a und 1b auf, die die Negativform 1 des herzustellenden Bauteils ausbilden. Zu Beginn des Spritzgießzyklus wird die bewegliche Platte 2 der geöffneten Schließeinheit mit einer hohen Geschwindigkeit in Richtung der ortsfesten Platte 3 bewegt, bis der Kontakt zwischen den beiden Negativformhälften 1a, 1b des Spritzgießwerkzeugs hergestellt ist. Zum hydraulischen Antrieb der beweglichen Platte 2 werden Verfahrzylinder 4a, Verfahrkolben 4b und Verfahrkolbenführung 4c eingesetzt. Nach Schließen des Spritzgießwerkzeuges 1 wird die bewegliche Platte 2 mit Hilfe von radial zur Verfahrzylinderlängsachse beweglichen profilierten Schiebern 5 in axialer Richtung an den Verfahrkolbenführungen 4c arretiert.
Im nächsten Schritt wird die Schließkraft mit Hilfe der Druckkissen 6 hydraulisch aufgebaut. Das plastifizierte Kunststoffgranulat wird zur Formteilbildung als Formmasse in den Hohlraum zwischen den Negativformhälften 1a und 1b mittels der nicht dargestellten Plastifiziereinheit gespritzt. Die über die Druckkissen 6 aufgebrachte Schließkraft ist erforderlich, um die Trennfuge im Spritzgießwerkzeug zwischen den Negativformhälften 1a und 1b bei den auftretenden hohen Drücken abzudichten.
Zur besseren Übersicht ist die Schließeinheit in 2 im geschlossenen Zustand dargestellt. Die Positionsnummern sind identisch mit 1.
In 3 wird schematisch die hydraulische Verschaltung zur Rekuperation der kinetischen Energie und der Federenergie dargestellt. Dabei sind in 3 die Verfahrzylinder 4a der Zweiplatten-Schließeinheit schematisch durch einen Differentialzylinder 7 wiedergegeben. Die beispielhaften vier Druckkissen 6 einer Zwei-Platten Schließeinheit werden schematisch durch einen federrückstellbaren Zylinder 8 dargestellt. Die Feder des federrückstellbaren Zylinder 8 soll dabei das elastische Verhalten des Werkzeugs und der Verfahrzylinders der Schließeinheit graphisch symbolisieren.
Die Antriebsleistung an den Aktoren A1, A2 und A3 wird ausschließlich von Hydraulikspeichern 9, 10, 11, 12 bereitgestellt. Um elektrische Lastspitzen am Antrieb zu vermeiden, arbeitet dieser während des gesamten Zyklus´ in einem konstanten Betriebspunkt. Dieser Betriebspunkt kann dabei so gewählt werden, dass von dem Antrieb nicht mehr Leistung zur Verfügung gestellt wird als von den Achsen gefordert wird. Die Schnittstellenbezeichnungen zu den Aktoren A1, A2 und A3 in 3 sind identisch zu den Schnittstellenbezeichnungen A1, A2 und A3aus den 1 und 2.
Die in 3 dargestellte Regeleinheit lässt sich über vier Knotenpunkte K1, K2, K3 und K4 in einzelne Bereiche unterteilen. In jedem Knotenpunkt laufen wiederum vier Leitungen zusammen. Es sind dies jeweils die Zuleitung zu:

– einem Hydraulikspeicher 9, 10, 11, 12,
– einem Wegeventil zur Ansteuerung der jeweiligen Aktorfunktion, im Folgenden Aktionsventil 13, 14, 15, 16 genannt,
– einem Wegeventil zum Aufladen des Hydraulikspeichers mit der vom Antrieb bereit gestellten Energie, im Folgenden Ladeventil 17, 18, 19, 20 genannt, und
– einem Wegeventil zur Steuerung der Rekuperationsfunktion, im Folgenden Rekuperationsventil 21, 22, 23, 24 genannt.

Zur Steuerung des Verfahrzylinders ist ein 4/3-Wegeventil, im Folgenden Zentralventil 28 genannt, vorgesehen. Die beiden dargestellten Wegeventile werden als Rücklaufventil 25 und Rücklaufventil 26 bezeichnet.
Der Knotenpunkt 5 dient der Rückgewinnung der Federenergie. Zum besseren Verständnis wird im Folgenden ein Zyklusablauf beschrieben. Als Zyklusbeginn wird dazu der Zeitpunkt nach der Formteilentnahme vor dem Schließen der Schließeinheit definiert. Alle Ventilstellungen wie in 3 dargestellt werden im Folgenden als Position 1 gemäß 4 bezeichnet. Die andere Schaltstellung wird gemäß 4 als Position 2 bezeichnet.
Das 4/3-Zentralventil 28 verfügt über drei mögliche Schaltstellungen. Position 1 bezeichnet dabei die zum Ausfahren (Schließen) erforderliche Schaltstellung, Position 0 die Schaltstellung zum Positionshalten, Position 2 bezeichnet die Schaltstellung zum Einfahren (Öffnen).
Zum Schließen schalten das Aktionsventil 13, 14, 15, 16, das Zentralventil 28 sowie das Rücklaufventil 25 jeweils in Durchlass/Öffnungsposition (Position 2).
Der Hydraulikspeicher 9 wird über Schnittstelle A1 entladen, so dass der Verfahrzylinder 27 ausfährt. Das sich auf der rechten Seite des Verfahrzylinders 27 befindende Druckmittel wird durch die Fahrbewegung des Verfahrzylinders 27 (4a, 4b, 4c, 4d) über Schnittstelle A2 über das geöffnete Rücklaufventil 25 in den Tank 29 verdrängt.
Zum Abbremsen der beweglichen Platte 2 der Schließeinheit wird das Rücklaufventil 25 in Position 1 geschaltet. Das verdrängte Druckmittel kann nun nicht mehr zurück in den Tank 29 fließen, sondern wird in die Rekuperationsleitung gedrückt, welche mit den Rekuperationsventilen 21, 22, 23, 24 verbunden ist. Über die Rekuperationsventile 21, 22, 23, 24 kann das verdrängte Druckmittel nun wahlweise in einen der Hydraulikspeicher 10, 11, 12 gedrückt werden, je nachdem welches Rekuperationsventil 22, 23, 24 geschaltet wird. Durch den Gegendruck im Speicher 10, 11, 12 wird die bewegliche Platte 2 der Schließeinheit abgebremst.
Gleichzeitig wird dabei der gewählte Hydraulikspeicher 10, 11, 12 durch das verdrängte Druckmittel zu einem gewissen Teil aufgeladen. Die Schaltzeitpunkte werden von der nicht dargestellten Steuerungseinheit so gewählt, dass die Geschwindigkeit der beweglichen Platte der Schließeinheit kurz vor Formschluss auf das gewünschte Maß reduziert ist.
Die Wahl des zum Abbremsen genutzten Hydraulikspeichers 9, 10, 11, 12 ist abhängig von der Zykluszeit und kann variieren. Nach dem Formschluss der beiden Negativformhälften 1a und 1b schalten das Aktionsventil 13 und das Zentralventil 28 zurück in Schaltstellung 0. Anschließend wird die Schließeinheit vor dem Kraftaufbau mittels einer Verriegelung (Pos. 5, 1 und 2) mechanisch verriegelt.
Beim Aufbauen der Schließkraft schaltet das Aktionsventil 15 in die Öffnungsstellung (Position 2). Der Hydraulikspeicher 11 wird über Schnittstelle A3 entladen, bis sich ein Druckausgleich zwischen dem Hydraulikspeicher 11 und den Druckkissen 6 eingestellt hat. Die resultierende Schließkraft ist dabei abhängig von der inneren Geometrie der Druckkissen 6 und der Dimensionierung des Hydraulikspeichers 11 und kann über den Ladezustand des Hydraulikspeichers 11 variiert werden. Nachdem die Schließkraft aufgebaut wurde, schaltet das Aktionsventil 15 in Schließstellung, um die Kraft zu halten.
Nachdem die Schließkraft aufgebaut wurde, erfolgt die eigentliche Formteilherstellung. Die plastifizierte Formmasse wird durch die nicht dargestellte Plastifiziereinheit in das Formnest aus Negativformhälften 1a und 1b eingespritzt. Nach vollendeter Formfüllung erfolgt die Nachdruckphase, welche wie der Einspritzvorgang von der Schubschnecke der Plastifiziereinheit übernommen wird, um Schwindung und Verzug auszugleichen. Anschließend wird durch die Schneckenrotation eine definierte Menge Schmelze für den nächsten Zyklus bereitgestellt. Je nach Formteil- und Materialeigenschaften verweilt das Formteil während der Restkühlzeit in der Kavität bis die Entformungstemperatur erreicht ist. Alle erforderlichen zugehörigen Achsbewegungen werden durch externe Antriebe realisiert.
Nach dem das Formteil auf Entformungstemperatur abgekühlt ist, wird zunächst die Schließkraft abgebaut. Um die in der elastisch deformierten Schließeinheit und/oder in dem elastisch deformierten Spritzgießwerkzeug enthaltene Energie nutzbar zu machen, sind gemäß der Erfindung zwei Ausführungsformen durchführbar.
Bei der ersten Ausführungsform wird zum Abbau der Schließkraft das Aktionsventil 16 in Schaltstellung 1 geschaltet. Der Druck im Hydraulikspeicher 12 ist zu diesem Zeitpunkt dabei geringer als der Druck in den Druckkissen 6/8. Die elastisch deformierte Schließeinheit sowie das Spritzgießwerkzeug entspannen sich und verdrängen dabei das in den Druckkissen enthaltene Druckmittel, bis sich ein Druckgleichgewicht zwischen den Druckkissen 6/8 und dem Speicher 12 eingestellt hat. Anschließend werden Aktionsventil 16 zurück in Schaltstellung 0 und das Rücklaufventil 26 in Schaltstellung 1 geschaltet, um den Restdruck in den Druckkissen 6/8 abzubauen. Der so geladene Hydraulikspeicher 12 kann z.B. genutzt werden, um einen Teil der Schließkraft beim nächsten Zyklus aufzubauen, bevor der verbleibende erforderliche Druckaufbau durch den Hydraulikspeicher 11 realisiert wird.
Bei der zweiten Ausführungsform kann die Federenergie zur Entlastung der Antriebseinheit eingesetzt werden. Dazu wird beim Abbau der Schließkraft das Rekuperationsventil 30 am Knotenpunkt K5 geschaltet. Dabei wird der Kraftaktor A3 direkt mit der Saugseite der Antriebspumpe verbunden. Durch diese Maßnahme wird die Druckdifferenz über der Pumpe für einen kurzen Zeitraum erniedrigt, wodurch sich die erforderliche mechanische Antriebsleistung und somit auch die vom Antrieb benötigte elektrische Leistung verringert. Vorteilig ist dabei gegenüber der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, dass keine Verzögerungszeiten während des Abbaus der Schließkraft auftreten und die vorhandene Federenergie theoretisch vollständig ausgenutzt werden kann.
Das Öffnen der Schließeinheit sowie die Rückgewinnung der kinetischen Energie durch Abbremsen der beweglichen Platte laufen in einer dem Schließvorgang entsprechenden Reihenfolge ab, wobei beim Öffnen des Werkzeuges das Aktionsventil 14 am Knotenpunkt K2 geschaltet wird. Das Zentralventil 28 wird bei Beginn der Öffnungsbewegung in die Ausfahrposition (Position 2) geschaltet, und kurz vor Erreichen der Öffnungsstellung der Schließeinheit wird die bewegliche Platte durch Schließen des Rücklaufventils 25 und Umleiten des Druckmittels in die Rekuperationsleitung und dem nachfolgenden (Gegen-)Druckaufbau in einem der Hydraulikspeicher 9, 11, 12 abgebremst.
Bezugszeichenliste
Bezugszeichenliste

1: Spritzgießwerkzeug
1a: Negativformhälfte
1b: Negativformhälfte
2: Bewegliche Platte
3: Feststehende Platte
4: Hydraulischer Antrieb
4a: Verfahrzylinder
4b: Verfahrkolben
4c: Verfahrkolbenführung
4d: Druckmittelraum
5: Verriegelung
6: Druckkissen
7: Differentialzylinder
8: Federrückstellbarer Zylinder
9: Hydraulikspeicher
10: Hydraulikspeicher
11: Hydraulikspeicher
12: Hydraulikspeicher
13: Aktionsventil
14: Aktionsventil
15: Aktionsventil
16: Aktionsventil
17: Ladeventil
18: Ladeventil
19: Ladeventil
20: Ladeventil
21: Rekuperationsventil
22: Rekuperationsventil
23: Rekuperationsventil
24: Rekuperationsventil
25: Rücklaufventil
26: Rücklaufventil
27: Fahrzylinder
28: Zentralventil
29: Pumpeneinheit mit Vorratsbehälter
30: Rekuperationsventil
A1: Schnittstelle
A2: Schnittstelle
A3: Schnittstelle
K1: Knotenpunkt
K2: Knotenpunkt
K3: Knotenpunkt
K4: Knotenpunkt
K5: Knotenpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010049969 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Johannaber/Michaeli, "Handbuch Spritzgießen", Hanser 2001, Seiten 836–839 [0004]

Claims

Verfahren zur Energierückgewinnung bei einer Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen, die eine Formgebungseinheit mit einer bevorzugt ortsfesten Werkzeughälfte und einer beweglichen Werkzeughälfte, die unter Ausbildung eines formgebenden Hohlraumes kuppelbar sind, sowie einen hydraulischen Antrieb für die bewegliche Werkzeughälfte und eine Zuführeinheit für eine Formmasse in den formgebenden Hohlraum umfasst, bei dem die bei einer Formgebung im hydraulischen System vorhandene mechanische Energie bei der Bewegung zum Schließen und/oder Öffnen der Formgebungseinheit während der Abbremsung der bewegten Werkzeughälfte, und/oder Relaxation der Schließkraft bei der Entkupplung der Werkzeughälften in zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) zwischengespeichert wird und dem hydraulischen Antrieb für einen Formgebungsvorgang zuführbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man zum Bewegen der beweglichen Werkzeughälfte einen hydraulischen Antrieb 4 mit einem Verfahrzylinder (4a) mit durch den Verfahrkolben (4b) getrennten Druckmittelräumen (4d) verwendet, wobei in dem sich unter Druckbeaufschlagung entleerenden Druckmittelraum ein Gegendruck aufgebaut wird, um die bewegliche Werkzeughälfte abzubremsen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man den sich unter Druckbeaufschlagung entleerenden Druckmittelraum in eine hydraulische Verbindung mit mindestens einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) bringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bei einem Formgebungsvorgang während der Relaxation der Schließkraft bei der Entkupplung der Werkzeughälften freiwerdende mechanische Energie in zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) zwischengespeichert wird und dem hydraulischen Antrieb für einen Formgebungsvorgang zuführbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man den zumindest einen Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) in eine hydraulische Verbindung mit einer Hydraulikpumpe (29) bringt, um den Druck im hydraulischen Antrieb vor, während oder nach der Formteilherstellung einzustellen.
Verfahren zur Energierückgewinnung bei einer Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen, die eine Formgebungseinheit mit einer bevorzugt ortsfesten Werkzeughälfte und einer beweglichen Werkzeughälfte, die unter Ausbildung eines formgebenden Hohlraumes kuppelbar sind, sowie einen hydraulischen Antrieb für die bewegliche Werkzeughälfte und eine Zuführeinheit für eine Formmasse in den formgebenden Hohlraum umfasst, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: – Verfahren der zumindest einen beweglichen Werkzeughälfte mithilfe eines Verfahrzylinders 7 aus einer geöffneten Position in eine geschlossene Position; – Abbremsen der beweglichen Werkzeughälfte durch Druckbeaufschlagung zumindest eines Hydraulikspeichers (9, 10, 11, 12) und Speicherung der mechanischen Energie in zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12); – Verkuppeln der Werkzeughälften und Erzeugen des Schließdruckes; – Herstellung eines Formteils; – Entspannen der Werkzeughälften unter Druckbeaufschlagung eines Hydraulikspeichers (9, 10, 11, 12) und Speichern der mechanischen Energie in zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) – Verfahren der zumindest einen beweglichen Werkzeughälfte mithilfe eines Verfahrzylinders 7 aus der geschlossene Position in die geöffnete Position, und optional, – Abbremsen der beweglichen Werkzeughälfte durch Druckbeaufschlagung zumindest eines Hydraulikspeichers (9, 10, 11, 12) und Speicherung der mechanischen Energie in zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12); – Einstellen eines Soll-Druckes in dem zumindest einen Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) mittels einer Hydraulikpumpe 29.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zusätzlich nach dem Verfahren der zumindest einen beweglichen Werkzeughälfte in die geöffnete Position und vor Einstellen des Soll-Druckes die bewegliche Werkzeughälfte durch Druckbeaufschlagung zumindest eines Hydraulikspeichers (9, 10, 11, 12) abgebremst wird und die mechanische Energie in zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) gespeichert wird.
Vorrichtung zur Formgebung von Kunststoffen, die eine Formgebungseinheit mit einer ortsfesten Werkzeughälfte und einer beweglichen Werkzeughälfte, die unter Ausbildung eines formgebenden Hohlraumes kuppelbar sind, sowie einen hydraulischen Antrieb 4 mit einem Verfahrzylinder (4a) mit durch den Verfahrkolben (4b) getrennten Druckmittelräumen (4d) für die die bewegliche Werkzeughälfte und eine Zuführeinheit für eine Formmasse in den formgebenden Hohlraum umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) vorgesehen ist, wobei dieser Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) über zumindest ein Ventil (13, 14, 15, 16) mit zumindest einem Druckmittelraum hydraulisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) über ein Pumpenventil (17, 18, 19, 20), vorzugsweise ein 2/2-Wegeventil mit zumindest einer Pumpeneinheit verbunden ist, wobei über diese der Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) mit Druck beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeneinheit einen Vorratsbehälter aufweist, wobei dieser mit einem Druck übertragenden Medium befüllt ist, und/oder dass zumindest ein Druckelement über ein Kreislaufventil mit einem Zulauf eines Vorratsbehälters verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement über ein Rekuperationsventil (21, 22, 23, 24) mit zumindest einem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) verbunden ist, und/oder dass das Druckelement, vorzugsweise ein Verfahrzylinder (4a), über ein Zentralventil (28) und dem zumindest einen Ventil (13, 14, 15, 16) mit dem Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) verbunden ist, und/oder dass die Rekuperationsventile (21, 22, 23, 24) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen hydraulischen Antrieb und zumindest zwei Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) aufweist, wobei diese wechselweise einen Verfahrzylinder (4a) zum Öffnen und Schließen einer ortsfesten Werkzeughälfte mit Druck beaufschlagen, und beim Abbremsen der ortsfesten Werkzeughälfte durch Druckbeaufschlagung eines anderen Hydraulikspeichers (9, 10, 11, 12) die mechanische Energie zwischenspeichern und weiterhin zumindest ein Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) zur Druckbeaufschlagung eines Druckkissens (6) und zum Aufbau eines Schließdruckes vorgesehen ist und zumindest ein weiterer Hydraulikspeicher (9, 10, 11, 12) zur Zwischenspeicherung der frei werdenden mechanischen Energie bei der Relaxation des Druckkissens (6) vorgesehen ist.
Schließeinheit für eine Spritzgießmaschine, insbesondere eine 2-Platten-Schließeinheit für eine Spritzgießmaschine, mit einer feststehenden Platte, einer beweglichen Platte, wenigstens einem Antrieb zum Verfahren der beweglichen Platte über einen Verfahrweg beim Zufahren und beim Auffahren der Schließeinheit, mit wenigstens einer in einer Führung gelagertem Verfahrkolbenstange, die mit einem Verfahrkolben im Verfahrzylinder an der feststehenden Platte verbunden ist, und wobei der Führung der Verfahrkolbenstange an der beweglichen Platte jeweils eine Verriegelungsvorrichtung zugeordnet ist, deren Verriegelungselemente mit der zugeordneten Führung in Eingriff bringbar ist, um einen verriegelten Zustand zu bilden, – der Verfahrzylinder zum Verfahren der beweglichen Platte über einen Abschnitt des Verfahrweges der beweglichen Platte ausgebildet ist, – beide Seiten des Verfahrkolbens in dem Verfahrzylinder mit einem Druckmittel beaufschlagbar sind, so dass der Verfahrkolben innerhalb des Verfahrzylinders und relativ zu diesem und zur feststehenden Platte sowohl in Schließrichtung als auch in Öffnungsrichtung über einen Abschnitt des Verfahrweges mit der Verfahrkolbenstange und der beweglichen Platte verfahrbar ist, – jedem Druckmittelraum im Verfahrzylinder mindestens ein Hydraulikspeicher zugeordnet ist, der mit dem Druckmittelraum in ventilgesteuerter Hydraulikverbindung steht, und – eine Regelungseinheit zum Betreiben der hydraulische Antriebe und Ventile vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die zusätzlich oder alternativ zu dem Hydraulikspeicher, der mit dem Druckmittelraum im Verfahrzylinder in ventilgesteuerter Hydraulikverbindung steht, mindestens ein Hydraulikspeicher, der mit dem Druckmittelraum im Druckkissen 6 in ventilgesteuerter Hydraulikverbindung steht, aufweist.