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Die Erfindung betrifft eine Spritzeinheit für eine Spritzgießmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Spritzeinheit.
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Aus der
WO2004073953A1 ist eine Spritzgießmaschine bekannt, bei der Kunststoff mittels einer dreh- und linearantreibbaren Schnecke aufplastifiziert und mittels einer Kolbeneinspritzeinrichtung in ein Formwerkzeug eingespritzt wird. Während des Aufplastifizierens wird im Schneckenvorraum Schmelze angesammelt, welche einen Staudruck erzeugt. Aufgrund des Staudrucks wird die Schnecke in dem Zylinder nach hinten verschoben. Wenn eine gewünschte Menge an Schmelze in dem Schneckenvorraum vorliegt, wird die Schnecke nach vorne verfahren. Als Linearantrieb zum axialen Verfahren der Schnecke ist die Verwendung eines Hydraulikzylinders bekannt. Dadurch wird Schmelze aus dem Schneckenvorraum in den Einspritzzylinder einer Kolbeneinspritzeinrichtung überführt. Durch Betätigung der Kolbeneinspritzeinrichtung kann die Schmelze aus dem Einspritzzylinder in ein Formwerkzeug eingespritzt werden. Die Einstellung eines bestimmten Staudrucks erfolgt häufig in der Weise, dass das Öl aus dem Hydraulikzylinder des Linearantriebs über einen kontrollierbaren Drosselspalt ausströmen kann. Hierbei wird eine hohe Reibung im Öl erzeugt und damit Energie vernichtet.
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Aus der
DE2021182A ist eine Vorrichtung zum Einstellen der beim Druckkgießen erforderlichen unterschiedlichen Preßkolbengeschwindigkeiten und -drücke bei Gießmaschinen, insbesondere Kaltkammer-Druckgießmaschinen, bekannt, bei denen das Einpreßteil aus einem Verdichterzylinder und mit ihm verbundenen Preßzylinder mit Preßkolben besteht, wobei in der ersten Arbeitsphase nur die Preßkolben-Kopffläche über eine Druckmittelleitung beaufschlagt ist, während bei der zweiten Arbeitsphase die Preßkolben-Kopffläche über eine weitere Druckmittelleitung beaufschlagt wird und in der dritten Arbeitsphase eine Beaufschlagung des Verdichterkolbens erfolgt. Der Verdichterzylinder ist als doppeltwirkender Zylinder ausgebildet und weist auf beiden Seiten des Verdichterkolbens Druckmittelräume auf. Der für eine Vorwärtsbewegung des Verdichterkolbens vorgesehene Druckmittelraum ist an einen Hochdruck-Druckmittelspeicher angeschlossen ist, welcher für die Vorwärtsbewegung des Verdichterkolbens Druckmittel bereitstellt und für den Rückzug abgeschaltet wird. Der für den Rückzug des Verdichterkolbens vorgesehene Druckmittelraum wird aus einer weiteren Druckmittelleitung beaufschlagt. Im Innern des Verdichterkolbens ist eine Mittelbohrung vorgesehen, über welche Druckmittel sowohl von einer Druckmittelpumpe als auch von einem Hochdruck-Druckmittelspeicher der Preßkolben-Kopffläche zugeführt werden kann.
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Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Spritzeinheit anzugeben, die eine verbesserte Energiebilanz aufweist bzw. die in energetischer Hinsicht verbessert ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Spritzeinheit anzugeben, welches sich durch eine verbesserte Energiebilanz auszeichnet bzw. in energetischer Hinsicht vorteilhaft ist.
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Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch eine Spritzeinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
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Dadurch, dass der Linearantrieb der Schnecke als einfach wirkender Hydraulik-Zylinder mit einem darin verschieblichen Kolbenelement ausgebildet ist, wobei das Kolbenelement mit der Schnecke bzw. deren Antriebswelle verbunden ist und auf der der Schnecke abgewandten Seite des Kolbenelements zwei Druckmittelräume vorgesehen sind, wobei der eine Druckmittelraum an einen Energiespeicher und der andere Druckmittelraum an eine Druckmittelquelle angeschlossen ist, kann eine Energierückgewinnung durch den Staudruck erfolgen. Beim Aufdosieren von Schmelze wird in dem Raum vor der Schnecke, auch Schneckenvorraum genannt, ein Druck aufgebaut, der eine Rückwärtsbewegung der Schnecke bewirkt. Dieser Druck im Schneckenvorraum in der Dosierphase wird auch Staudruck genannt. Bei der vorgenannten Rückwärtsbewegung wird Energie in das Druckmittel eingebracht, mit dem der Staudruck im Schneckenvorraum auf einen bestimmten Wert eingestellt wird. Diese Energie wird über den einen Druckmittelraum einem Energiespeicher zugeführt. Der andere Druckmittelraum dient im Wesentlichen zur Erzeugung des Betriebsdrucks, mit dem die Schnecke nach vorne verfahren und aufdosierte Schmelze aus dem Schneckenvorraum ausgetrieben wird. Diese Vorwärtsbewegung der Schnecke wird unterstützt durch die vom Energiespeicher in der Dosierphase aufgenommene und für die Vorwärtsbewegung wieder abgegebene Energie. Der für die Vorwärtsbewegung erforderliche Betriebsdruck in dem mit der Druckmittelquelle verbundenen Druckmittelraum wird vorzugsweise in Abhängigkeit von demjenigen Druck eingestellt, welcher in dem mit dem Energiespeicher verbundenen Druckmittelraum erzeugt wird. Vorzugsweise ist eine separate Einspritzeinrichtung vorgesehen, in welche die Schmelze überführt werden soll. Grundsätzlich kann die Vorwärtsbewegung der Schnecke auch dazu verwendet werden, die Schmelze direkt in ein Formwerkzeug einzuspritzen. Vorzugsweise ist diese Variante der Erfindung für solche Fälle denkbar, in welchen relativ niedrige Einspritzdrücke vorgesehen sind.
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In dem mit dem Energiespeicher verbundenen Druckmittelraum ist vorzugsweise ein Mindestdruck vorgesehen, der einem gewünschten Staudruck im Schneckenvorraum in dem Zylinder der Plastifiziereinrichtung entspricht. In dem anderen mit der Druckmittelquelle verbundenen Druckmittelraum ist ein Betriebsdruck erzeugbar, mit dem die im Schneckenvorraum befindliche Schmelze in die Einspritzeinrichtung überführbar ist. In der Dosierphase kann der zweite Druckmittelraum vorzugsweise drucklos geschaltet werden.
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Durch eine geeignete Übersetzung zwischen dem Schneckenvorraum und dem mit dem Energiespeicher verbundenen Druckmittelraum kann ein bestimmter Mindestdruck als Staudruck definiert werden.
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Als Energiespeicher wird vorzugsweise ein Druckspeicher vorgesehen, der beispielsweise ein Blasenspeicher oder ein Membranspeicher sein kann. Ebenso kann aber auch ein Kolbenspeicher als Druckspeicher verwendet werden. Derartige Druckspeicher werden auch als Hydrospeicher bezeichnet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der eine Druckmittelraum in dem Zylinder und der andere Druckmittelraum in dem Kolbenelement vorgesehen sein. Der Druckmittelraum in dem Kolbenelement ist vorzugsweise mit dem Druckspeicher verbunden, wohingegen der Druckmittelraum in dem Zylinder vorzugsweise mit der Druckmittelquelle verbunden ist. Grundsätzlich ist aber auch der umgekehrte Fall denkbar, wonach der Druckmittelraum in dem Kolbenelement mit der Druckmittelquelle verbunden ist, und der Druckmittelraum in dem Zylinder mit dem Druckspeicher.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Druckmittelraum in dem Zylinder kreisringförmig um ein auf der Zylinderachse liegendes Rohrstück herum ausgebildet und das Kolbenelement an seinem der Schnecke abgewandten Ende ist ebenfalls rohrförmig bzw. als Rohstück ausgestaltet. Die Wandstärke dieses Rohrstücks entspricht dem kreisringförmig ausgebildeten Druckmittelraum in dem Zylinder, und zwar in der Weise, dass der rohrförmig ausgebildete Bereich des Kolbenelements in dem Druckmittelraum des Zylinders dicht aufgenommen und in diesem verfahrbar ist.
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Der mit dem Betriebsdruck beaufschlagbare Druckmittelraum ist vorzugsweise an eine Pumpe angeschlossen oder ist an diese anschließbar. Mittels dieser Pumpe kann aus einer Druckmittelquelle, beispielsweise einem Hydrauliköltank, das Druckmittel in den zugehörigen Druckmittelraum gefördert werden und in umgekehrter Richtung abfließen. Letzteres kommt insbesondere dann vor, wenn sich die Spritzeinheit in der Dosierphase befindet, in der Schmelze in den Schneckenvorraum gefördert und die Schnecke nach hinten verfahren wird. In dieser Phase kann der vorgenannte Druckmittelraum vorzugsweise drucklos geschaltet werden, d.h. das Hydrauliköl kann drucklos in den Hydrauliköltank abfließen.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen werden, dass der mit dem Betriebsdruck beaufschlagbare Druckmittelraum an einen Druckspeicher angeschlossen oder anschließbar ist, wobei dieser Druckspeicher vorzugsweise einen Mindestbetriebsdruck aufweisen kann, mit dem die Schmelze aus dem Schneckenvorraum in die Einspritzeinheit überführbar ist.
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Im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Spritzeinheit wird eine Dosierphase vorgesehen, in welcher die Schnecke drehangetrieben und der Schnecke zugeführtes Material aufgeschmolzen und in den Schneckenvorraum gefördert wird, wobei im Schneckenvorraum von der sich dort ansammelnden Schmelze ein Staudruck aufgebaut und die Schnecke infolge des Staudrucks nach hinten bewegt wird, wobei der mit dem Energiespeicher verbundene Druckmittelraum verkleinert wird und das aus diesem Druckmittelraum verdrängte Druckmittel für eine Erhöhung des Energienniveaus in dem Energiespeicher verwendet wird, so dass dieser mit zusätzlicher Energie gefüllt wird. In einer nachfolgenden Betriebsphase, in welcher die Schnecke nach vorne verfahren wird, wird die von dem Energiespeicher in der Dosierphase aufgenommene zusätzliche Energie für eine Rückströmung des verdrängten Druckmittels in den Druckmittelraum zurück verwendet. In derjenigen Betriebsphase, in welcher die Schnecke nach vorne verfahren wird, wird vorzugsweise der an die Druckmittelquelle angeschlossene Druckmittelraum zusätzlich mit einem Druckmittel beaufschlagt. In dem mit dem Energiespeicher verbundenen Druckmittelraum wird vorzugsweise ein Mindestdruck vorgesehen oder eingestellt, der einem gewünschten Staudruck im Schneckenvorraum in dem Zylinder der Plastifiziereinrichtung entspricht
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Vorzugsweise ist der Plastifiziereinrichtung eine separate Einspritzeinrichtung nachgeschaltet, um die von der Plastifiziereinrichtung erzeugte Schmelze in ein Formwerkzeug einzuspritzen, wie dies beim eingangs genannten Stand der Technik gemäß der
WO2004073953A1 der Fall ist. Für diesen Anwendungsfall der Erfindung wird in dem mit der Druckmittelquelle verbundenen Druckmittelraum ein Betriebsdruck vorgesehen oder erzeugt, mit dem im Schneckenvorraum befindliche Schmelze in eine der Plastifiziereinrichtung nachgeschaltete Einspritzeinrichtung überführt werden kann. Dieser Betriebsdruck wird vorzugsweise in Abhängigkeit von demjenigen Druck eingestellt, welcher in dem mit dem Energiespeicher verbundenen Druckmittelraum erzeugt wird. Letztendlich wird die Vorwärtsbewegung durch die Summe der in beiden Druckmittelräumen erzeugten Drücke bewirkt. In der Betriebsphase, in welcher die Schnecke nach vorne verfahren wird, wird somit die Schmelze aus dem Schneckenvorraum in die nachgeschaltete Einspritzeinrichtung überführt.
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Für die Erzeugung des Betriebsdrucks kann eine Pumpe und/oder ein Druckspeicher verwendet werden. Falls nur eine Druckspeicher verwendet wird, ist ein geeigneter Mindestdruck in diesem Druckspeicher vorzusehen, damit die Schmelze aus dem Schneckenvorraum in die Einspritzeinrichtung überführt werden kann,
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Es zeigen:
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1 Seitenansicht einer Spritzeinheit, teilweise in Schnittdarstellung;
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2 vergrößerte Darstellung des Linearantriebs aus der 1.
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Die in der 1 dargestellte Spritzeinheit umfasst eine Plastifiziereinrichtung 31 mit einer Schnecke 4 in einem Zylinder 40 sowie eine Einspritzeinrichtung 41. Die Einspritzeinrichtung 41 steht über Verbindungsstücke 50, 51, und 52 mit dem Zylinder 40 der Plastifiziereinrichtung 31 strömungstechnisch in Verbindung. Die Einspritzeinrichtung 41 ist als Kolbenspritzeinrichtung oder sogenanntes Shot-Pot ausgebildet. Sie umfasst einen Einspritzzylinder 34 mit einem Einspritzkolben 32, welcher über einen Hydraulikzylinder 33 im Zyklus des Einspritzzyklus bewegt wird. Vor dem Einspritzkolben 32 befindet sich ein Schmelzeraum 37, aus welchem schussweise ein bestimmtes Schmelzevolumen über eine Düse 35 in eine hier nicht dargestellte Form bzw. die darin befindlichen Kavitäten eingespritzt wird. Des Weiteren ist ein Ventil 36 vorgesehen, welches im Rhythmus des Spritzgießzyklus geöffnet und geschlossen wird, so dass entweder Schmelze von der Plastifizierschnecke 4 in den Schmelzeraum 37 überführt wird, oder Schmelze aus dem Schmelzeraum 37 heraus in die Kavitäten eingespritzt wird. An der Plastifiziereinrichtung 31 sind ein Trichter 3 und eine Einfüllöffnung 17 vorgesehen, um Kunststoffgranulat der Schnecke 4 zuführen zu können. Das hintere Ende der Schnecke 4 ist antriebstechnisch mit einem Drehantrieb 10 sowie einem Linearantrieb 20 verbunden oder gekuppelt. Der Drehantrieb 10 kann beispielsweise als Elektro- oder Hydromotor ausgebildet sein und das Drehmoment kann über einen Riemen 11 auf eine mit der Schnecke verbundene bzw. gekuppelte Antriebswelle 12 übertragen werden. Die Antriebswelle 12 steht ihrerseits in Wirkverbindung mit dem Linearantrieb 20. Hierzu kann die Antriebswelle drehbar in einem Kupplungselement 15 gelagert sein, welches kraftübertragend mit dem linear angetriebenen Teil des Linearantriebs 20 verbunden ist.
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Die 2 zeigt den Linearantrieb 20 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Linearantrieb ist kraftübertragend über das Kupplungselement 15 mit der Antriebswelle 12 verbunden. Der Linearantrieb 20 ist im Wesentlichen als Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet. Er umfasst ein Kolbenelement 21 und einen Zylinder 22. Der Zylinder 22 ist vorliegend aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt, nämlich einem Bodenteil 22a, einem Wandteil 22b und einem im Innern des Zylinders befindliches Rohrstück 22c. Zwischen der Außenseite des Rohrstücks 22c und der Innenseite des Wandteils 22b wird ein kreisringförmiger Druckmittelraum 23 bzw. ein Druckmittelraum 23 mit einem kreisringförmigen Querschnitt gebildet. Das Kolbenelement 21 ist an seinem der Antriebswelle 12 abgewandten Ende und damit an seinem der Schnecke 4 abgewandten Ende ebenfalls rohrförmig gestaltet. Die Wandstärke W1 dieses Rohrstücks 21a entspricht der Wandstärke W2 des kreisringförmig ausgebildeten Druckmittelraums 23 in dem Zylinder 22 in der Weise, dass der rohrförmig ausgebildete Bereich 21a des Kolbenelements 21 in dem Druckmittelraum 23 des Zylinders 22 dicht aufgenommen wird und in diesem verfahrbar ist. Durch das Zusammenwirken des Rohrstücks 22c und des Kolbenelements 21 wird ein zweiter Druckmittelraum 24 gebildet. Dieser umfasst einen ersten Bereich 24a mit einem ersten Durchmesser D1 entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrstücks 22c sowie einen zweiten Bereich 24b mit einem zweiten Durchmesser D2 entsprechend dem Innendurchmesser des Rohrstücks 21a.
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Wenn die Schnecke 4 und damit das Kolbenelement 21 verfahren wird, verändert sich das Volumen der Druckmittelräume 23 und 24. Der Druckmittelraum 24 ist über eine erste Druckleitung 26 an einen Druckspeicher bzw. Hydrospeicher 27 angeschlossen. Der zweite Druckmittelraum 23 ist über Druckleitungen 28a, 28b und 28c an eine Druckmittelquelle 29, beispielsweise einen Hydrauliköltank 29, angeschlossen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann das Druckmittel mittels einer von einem Motor M antreibbaren Pumpe 39 aus der Druckmittelquelle bzw. dem Hydrauliköltank 29 gefördert und über ein 3/2-Wegeventil 25 sowie die Druckleitungen 28b und 28a in den Druckmittelraum 23 gefördert werden. Hierzu muss sich das 3/2-Wegeventil in der Schaltstellung „1“ befinden, d.h. die Schaltstellung „1“ entspricht dem Vorlauf. In der Schaltstellung „0“ kann der Rücklauf erfolgen, d.h. aus dem Druckmittelraum 23 abströmendes Druckmittel kann in der Schaltstellung „0“ über die Druckleitung 28c in den Tank 29 zurückfließen.
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Die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Spritzeinheit ist wie folgt. In der Dosierphase wird im Schneckenvorraum 6 ein Schmelzevorrat aufgebaut und die Schnecke 4 erfährt hierbei eine Rückwärtsbewegung. Diese Rückwärtsbewegung erfolgt unter Aufrechterhaltung eines bestimmten Staudrucks im Schneckenvorraum 6. Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines bestimmten Staudrucks ist ein geeigneter Druckspeicher 27 über die Druckleitung 26 an den Druckmittelraum 24 angeschlossen. Beispielsweise kann ein Mindeststaudruck von z.B. 174 bar definiert werden, welcher zu Reinigungszwecken abschaltbar sein kann. Typische Werte des Staudrucks liegen bei 175–280 bar und entsprechen einem Öldruck von 50–80 bar in dem Druckmittelraum 24. Dieser Mindeststaudruck wird durch den Druckspeicher 27 erzeugt, der auf einen diesem Mindeststaudruck entsprechenden Mindestdruck ausgelegt sein muss. Der Druckmittelraum 23 ist vorzugsweise drucklos geschaltet, d.h. das dort befindliche Hydrauliköl kann drucklos in den Tank 29 abströmen. Falls das Abströmen gedrosselt erfolgen soll, beispielsweise um einen höheren Staudruck einzustellen, als dies mit dem Druckspeicher 27 möglich ist, kann ein geeignetes Drosselventil in die Druckmittelleitung 28c eingebaut werden. Während des Dosiervorgangs wird aus dem Druckmittelraum 24 Hydrauliköl verdrängt und in den hydraulischen Teil des Druckspeichers 27 geleitet. Das in den Druckspeicher 27 einströmende Hydrauliköl bewirkt eine Kompression eines Gases in dem Druckspeicher 27 und erhöht somit dessen Energieniveau.
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In der sich an die Dosierphase anschließenden Überschiebe- oder Umfüllphase wird durch eine Vorwärtsbewegung der Schnecke 4 mittels des Linearantriebs 20 im Schneckenvorraum 6 befindliche Schmelze in den Schmelzeraum 37 der Einspritzeinrichtung 41 verdrängt. Die Vorwärtsbewegung der Schnecke 4 wird hierbei durch eine Vorwärtsbewegung des Kolbenelements 21 bewirkt. Hierzu wird der Druckmittelraum 23 über die Pumpe 39 mit Hydrauliköl aus dem Tank 29 versorgt, wobei die Pumpe 39 in der Weise betrieben wird, dass ein ausreichender Druck für den Überschiebevorgang in dem Druckmittelraum 23 zur Verfügung steht. Die Vorwärtsbewegung des Kolbenelements 21 wird zudem unterstützt durch den Druckspeicher 27. Das aus dem Druckmittelraum 24 in der Dosierphase verdrängte Hydrauliköl wird mittels des Druckspeichers 27 einfach in den Druckmittelraum 24 „zurückgeschoben“. Hierbei wird die in dem Druckspeicher 27 während der Dosierphase aufgenommene Energie wieder zurückgegeben. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die beim Aufdosieren in dem Hydrauliköl gespeicherte potentielle Energie mittels des Druckspeichers 27 zwischengespeichert und in der Überschiebeoder Umfüllphase an das System als kinetische Energie zurückgegeben wird. Im Ergebnis erfolgt somit eine Energierückgewinnung durch den Staudruck.
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Bezugszeichenliste
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- 3
- Trichter
- 4
- Schnecke
- 6
- Schneckenvorraum
- 10
- Drehantrieb
- 11
- Riemen
- 12
- Antriebswelle
- 15
- Kupplungsstück
- 17
- Einfüllöffnung
- 20
- Linearantrieb
- 21
- Kolbenelement
- 21a
- Rohrförmiger Abschnitt des Kolbenelements 21
- 22
- Zylinder
- 22a
- Bodenteil
- 22b
- Wandteil
- 22c
- Rohrstück
- 23
- Druckmittelraum
- 24
- Druckmittelraum
- 24a
- Abschnitt mit Durchmesser D1
- 24b
- Abschnitt mit Durchmesser D2
- 25
- 3/2-Wegeventil
- 26
- Druckleitung
- 27
- Druck- bzw. Hydrospeicher
- 28a
- Druckleitung
- 28b
- Druckleitung
- 28c
- Druckleitung
- 29
- Tank
- 31
- Plastifiziereinrichtung
- 32
- Einspritzkolben
- 33
- Hydraulikzylinder
- 34
- Einspritzzylinder
- 35
- Düse
- 36
- Ventil
- 37
- Schmelzeraum
- 39
- Pumpe
- 40
- Zylinder
- 41
- Einspritzeinrichtung
- 50
- Verbindungsstück
- 51
- Verbindungsstück
- 52
- Verbindungsstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004073953 A1 [0002, 0015]
- DE 2021182 A [0003]