AT11398U1 - 3-zonen-plastifizierschnecke mit mischteil - Google Patents

Abstract

Plastifizierschnecke (1) für eine Spritzgießmaschine, mit einer Einzugs- (LE), einer Kompressions- (LK) und einer Meteringzone (LM) zum Plastifizieren eines Plastikrohstoffs, wobei die Schnecke (1) einen Steg (2) mit zumindest abschnittsweise veränderlicher Steigung (STK) aufweist und wobei an die Meteringzone (LM) ein Zylinderkopf (3) anschließt, der als Mischteil (LMI) ausgeführt ist.

Description

österreichisches Patentamt AT 11 398 U1 2010-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Plastifizierschnecke für eine Spritzgießmaschine.

[0002] Zum einen sind aus dem Stand der Technik seit geraumer Zeit Plastifizierschnecken in Form von sogenannten „3-Zonen-Schnecken" mit Einzugszone, Kompressionszone und Mete-ringzone bekannt. Die Einzugszone ist dabei dadurch definiert, dass sie eine konstante Gangtiefe aufweist. In ihr wird Kunststoffmaterial von der Schnecke aufgenommen und zu einem kompakten Feststoffbett verdichtet. Die Förderung des Feststoffes bzw. des Granulats ergibt sich aus den unterschiedlichen Reibungsverhältnissen des Granulats an Schnecke und am die Schnecke umgebenden Zylinder, wobei die Reibung am Zylinder immer größer als an der Schnecke sein sollte. In der Aufschmelzzone bzw. Kompressionszone wird der Kunststoff weiter verdichtet, erwärmt und aufgeschmolzen. In der Kompressionszone nimmt die Gangtiefe meist linear ab, wodurch der Plastikrohstoff weiter verdichtet und an den heißen Zylinder angepresst wird. In der anschließenden Meteringzone wird die Schmelze thermisch homogenisiert und die Schmelze gegen den Staudruck gepumpt. Die Meteringzone hat, wie die Einzugszone, wieder eine konstante Gangtiefe. Der Aufschmelzprozess sollte beendet sein, damit die Meteringzone ihre Aufgaben erfüllen kann.

[0003] Im Speziellen wird auf die 3-Zonen-Schnecke gemäß der US 7,494,264 verwiesen, bei welcher im Kompressionsbereich nicht nur die Gangtiefe veränderlich ist bzw. linear abnimmt, sondern auch die Steigung des Steges in der Kompressionszone veränderlich ist bzw. linear zunimmt. Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass eine gute Durchmischung insbesondere von zugegebenen Additiven wie Farbmitteln, Pigmenten usw. nicht garantiert werden kann. Insbesondere bei hohen Durchsätzen und kurzen Verweilzeiten der Schmelzemasse kommt es zu keiner ausreichenden Durchmischung der Schmelzepartikel bis zum Ende der Meteringzone wodurch sich ein uneinheitliches Spritzprodukt ergibt.

[0004] Zum anderen ist aus der Firmenschrift „Powermelt - Plastifizieren-Mischen-Einfärben -Ein Blick in die Plastifiziereinheit" der Firma Engel aus dem Jahre 2000 bekannt, einen Mischkopf an eine herkömmliche 3-Zonen-Schnecke anzuschließen. Dadurch wird das Problem gelöst, dass zu Beginn des Mischkopfes der Kunststoff vollständig aufgeschmolzen sein muss. Liegen nämlich zu Beginn des Mischkopfes noch teilweise unaufgeschmolzene Partikel vor, so fließen diese Partikel ohne aufgeschmolzen zu werden durch den Mischteil und führen zu Schlieren im gespritzten Teil. Dennoch gelangen vor allem bei geringen Verweilzeiten und hohen Durchsatzleistungen bei einer herkömmlichen 3-Zonen-Schnecke unaufgeschmolzene Feststoffteilchen von der Kompressionszone in die Meteringzone, die dann nicht mehr vollständig aufgeschmolzen werden, da das Aufschmelzen nur mehr durch Wärme aus der umgebenden Schmelze erfolgen kann und nicht mehr durch die Verdichtung.

[0005] Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Schnecke bereitzustellen. Insbesondere soll die Schnecke einen gänzlich aufgeschmolzenen Plastikrohstoff bereitstellen, hohe Durchsatzleistungen ermöglichen und eine gute Durchmischung von zugesetzten Additiven gewährleisten.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Plastifizierschnecke für eine Spritzgießmaschine mit einer Einzugs-, einer Kompressions- und einer Meteringzone zum Plastifizieren eines Plastikrohstoffs, wobei die Schnecke einen Steg mit zumindest abschnittsweise veränderlicher Steigung aufweist und wobei sich an die Meteringzone ein Zylinderkopf anschließt, der als Mischteil ausgeführt ist, gelöst.

[0007] Der Zylinderkopf, der vorzugsweise in Form eines Rautenmischkopfs ausgeführt sein kann, verbessert die in der US 7,494,264 angegebene Plastifizierschnecke insbesondere dahingehend, dass durch Umlagerungsvorgänge eine mehrmalige Neuorientierung der Schmelze und dadurch bessere Verteilung von Additiven wie Farbmitteln und Pigmenten erreicht wird.

[0008] Gegenüber der genannten Firmenschrift ist die vorliegende Erfindung vor allem dadurch verbessert, dass durch die sich vorzugsweise in der Kompressionszone verändernde bzw. 1/12 österreichisches Patentamt AT 11 398 U1 2010-10-15 vergrößernde Steigung ein vollständiges Aufschmelzen des Kunststoffrohstoffs bis zum Eintritt in die Meteringzone, spätestens bis zum Eintritt in den Mischkopf, garantiert werden kann, da durch die sich vergrößernde Steigung bei gleichem Massedurchsatz eine geringere Gangtiefe ermöglicht wird. Durch diese geringere Gangtiefe - vor allem im Endbereich der Kompressionszone - wird eine noch bessere Aufschmelzung des Plastikrohstoffs erreicht.

[0009] Überraschenderweise wurde festgestellt, dass zu den zugegebenermaßen bekannten Vorteilen der einzelnen aus dem Stand der Technik bekannten Schnecken bei der erfindungsgemäßen Schnecke die Durchsatzleistung wesentlich erhöht und ein besseres Spritzergebnis erreicht werden konnte. Zudem wurde die Vermischung im Mischteil durch die vorherige sehr gute Aufschmelzung noch unterstützt. Somit können mit der erfindungsgemäßen Plastifi-zierschnecke wesentlich kürzere Taktzeiten bei sogar verbesserter Spritzqualität gefahren werden, wodurch die Effizienz einer Spritzgießmaschine mit einer solchen Schnecke wesentlich gesteigert ist.

[0010] Eine vorteilhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung kann vorsehen, dass die Schnecke eingängig ist.

[0011] Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die veränderliche Steigung des Stegs im Wesentlichen in der Kompressionszone angeordnet ist. Weiters kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass sich die Steigung linear zur Länge der Plastifizierschnecke vergrößert.

[0012] Wie bei bekannten 3-Zonen-Schnecken auch, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel bevorzugt vorgesehen, dass die Steigung in der Einzugszone und in der Meteringzone konstant ist. Da die Einzugszone und die Meteringzone dadurch definiert sind, dass sie eine konstante Gangtiefe haben, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Übergang von der Gangtiefenänderung und der Steigungsänderung von den beiden Zonen zur Kompressionszone an derselben Stelle. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Steigungsänderung und Gangtiefenänderung an unterschiedlichen Stellen der Plastifizierschnecke beginnt und/oder endet. Das heißt, dass die Steigungsänderung bereits in der Einzugszone beginnen kann, oder auch erst etwas verspätet in der Kompressionszone beginnt, nachdem bereits eine Gangtiefenveränderung eingesetzt hat. Das gleiche gilt für den Übergang zwischen Kompressionszone und Meteringzone.

[0013] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Steg ein Schneckengang ausgebildet ist, dessen Gangtiefe sich in der Kompressionszone verändert, wobei sich die veränderliche Steigung linear zur Länge der Plastifizierschnecke bzw. zur Länge der Kompressionszone verändert.

[0014] Um eine gute Haltbarkeit und eine einfache Herstellung der Plastifizierschnecke erreichen zu können, kann vorgesehen sein, dass das Mischteil einstückig mit der Plastifizierschnecke ausgebildet ist. Alternativ kann das Mischteil an der restlichen Plastifizierschnecke beispielsweise angeschraubt sein.

[0015] Wie bereits erwähnt ist das Mischteil bevorzugt als Rautenmischkopf ausgeführt, wobei sich ein solcher dadurch kennzeichnet, dass er einen Steg mit einer Vielzahl von vorzugsweise regelmäßig angeordneten, bis zum Ganggrund reichenden Unterbrechungen aufweist.

[0016] Um eine noch bessere Durchmischung und ein besseres Einspritzergebnis zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Steigung des Steges von der Meteringzone zum Mischteil verringert, wobei besonders bevorzugt vorgesehen sein kann, dass sich die Steigung des Steges von der Meteringzone zum Mischteil zumindest halbiert. Im Konkreten wird ein besonders gutes Ergebnis erreicht, wenn sich die Steigung vom 1,2-fachen des Schneckendurchmessers auf das 0,5-fache des Schneckendurchmessers verringert. Bevorzugt liegt das Verhältnis der beiden Steigungen zueinander zwischen 0,45 und 0,35, besonders bevorzugt bei etwa 0,43 (d. h. STMI = 0,43 x STM).

[0017] Wie Nachforschungen des Anmelders und Erfinders ergeben haben, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Plastifizierschnecke im Wesentlichen aus einem korrosionsbeständigen 2/12 österreichisches Patentamt AT 11 398 U1 2010-10-15

Stahl, vorzugsweise aus M 390 oder N 690 von Böhler, besteht, der einen Kohlenstoffanteil von zumindest 0,8 %, einen Chromanteil von zumindest 14 % und einen Vanadiumanteil aufweist. Zudem können die Stähle Anteile von Silizium, Mangan, Molybdän usw. enthalten. Bei der Stahlart M 390 ist zudem bspw. Kobalt enthalten, bei der Stahlart N 690 ist bspw. Wolfram ein zusätzlicher Bestandteil.

[0018] Diese Stahlarten sind auf Grund ihrer Korrosionsbeständigkeit für die Plastifizierung von Polycarbonat und ABS besonders geeignet. Der Stahl M 390 Isomatrix BM gehört zu den pulvermetallurgisch hergestellten Kunststoffformstählen, die eine gute Polierbarkeit, höchsten Verschleißwiderstand, höchste Korrosionsbeständigkeit und ein Höchstmaß an Maßbeständigkeit bieten. Der Stahl N 690 gehört zu den nicht-rostenden Chrom-Nickel-Stählen, die ebenfalls besonders korrosionsbeständig sind.

[0019] Schutz wird daher auch begehrt für die Verwendung einer Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Plastifizierung von Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol.

[0020] Weiters wird auch Schutz begehrt für eine Spritzgießmaschine mit einer Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

[0021] Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen: [0022] Fig. 1 [0023] Fig. 2 [0024] Fig. 3 [0025] Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer Plastifizierschnecke, eine Ansicht des Mischkopfes, eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts der Plastifizierschnecke, bis 6 schematische Querschnitte von Plastifizierschnecken mit unterschiedlichen Übergängen von Gangtiefenänderung und Steigungsänderung, [0026] Fig. 7 einen Teilschnitt durch die Schneckenoberfläche im Bereich der Einzugszone, [0027] Fig. 8 einen Teilschnitt durch die Schneckenoberfläche im Bereich der Meteringzone und [0028] Fig. 9 eine 3-D-Ansicht des Mischteils.

[0029] Fig. 1 zeigt die Plastifizierschnecke 1 schematisch dargestellt in Seitenansicht. Es sei hierzu darauf hingewiesen, dass im Bereich der drei Zonen Einzug LE, Kompression LK und Metering LM die konkrete Ausbildung des Steges 2, der sich um den Schneckenkern windet, nicht dargestellt ist. Vielmehr werden im Folgenden die möglichen und bevorzugten Größen dargelegt.

[0030] Die Länge L der gesamten Plastifizierschnecke 1 setzt sich aus der Einzugszone LE, Kompressionszone LK, Meteringzone LM und der Mischzone LMI zusammen. Bei der Ausführungsform der Schnecke 1 gemäß Fig. 1 ist die Steigung STE im gesamten Einzugsbereich LE konstant. Wie durch die Strichlierung ersichtlich, ist der Kerndurchmesser DE im Bereich des Einzuges LE geringer als der Kerndurchmesser DM im Bereich der Meteringzone LM. Entlang der gesamten Länge der Kompressionszone LK vergrößert sich der Durchmesser des Schneckenkerns - dementsprechend verringert sich die Gangtiefe G. Das Bezugszeichen D beschreibt den Durchmesser der Schnecke 1 samt Schneckensteg 2.

[0031] Die Länge der einzelnen Zonen ist bei Plastifizierschnecken immer als Verhältnis zum Schneckendurchmesser D angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, dass die Länge Einzugszone LE zwischen 2 und 5 D, vorzugsweise bei 3 D liegt. Die Länge der Kompressionszone LK liegt in einem Bereich zwischen 9 und 21 D, vorzugsweise zwischen 12,8 und 16,8 D. Die Länge der Meteringzone LM beträgt zwischen 1 und 3 D, bevorzugt liegt sie bei 1,2 D. Die Länge der Mischzone LMI beträgt zwischen 2 und 5 D, vorzugsweise beträgt sie etwa 3 D. Bevorzugte Gesamtlängen L der vier Zonen umfassenden Plastifi- 3/12 österreichisches Patentamt AT 11 398 U1 2010-10-15 zierschnecke 1 sind 20 und 24 D, wobei im Wesentlichen nur die Kompressionszone LK unterschiedlich lang ausgeführt ist.

[0032] In gleicher Weise wie die Länge der einzelnen Zonen wird auch die Steigung ST über den Durchmesser D der Schnecke ausgedrückt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen dazu vor, dass in der Einzugszone LE die Steigung STE zwischen 0,95 und 1,05 D liegt. Bevorzugt ist die Steigung STE genau 1 D. In der Meteringzone LM beträgt die bevorzugte Steigung STM des Steges 2 zwischen 1,1 und 1,4 D, bevorzugt beträgt sie 1,2 D. Im Bereich der Kompressionszone LK verändert sich die Steigung STK und die Gangtiefe G linear.

[0033] Die Gangtiefe G liegt in der Einzugszone LE zwischen 0,1 und 0,2 D, bevorzugt bei 0,16 D. In der Meteringzone LM beträgt die Gangtiefe G zwischen 0,05 D und 0,1 D, bevorzugt beträgt diese Gangtiefe G 0,08 D.

[0034] Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass das lineare Kompressionsverhältnis zwischen 2,1 und 2,5, vorzugsweise bei etwa 2,3 liegt. Dieses lineare Kompressionsverhältnis gibt an, um das Wievielfache sich die Gangtiefe G von der Einzugszone LE zur Meteringzone LM verringert.

[0035] Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Mischzone/des Mischteils LMI mit dem Zylinderkopf 3, der als Rautenmischkopf ausgeführt ist und der im Steg 2 regelmäßig angeordnete Unterbrechungen 6 aufweist.

[0036] In Fig. 3 ist schematisch der durchgehende Steg 2 im Bereich der drei Zonen LM, LK und LE gezeigt, wobei zwischen dem sich um den Kern der Schnecke 1 windenden Steg 2 der Gang 4 ausgebildet ist. In dieser Fig. 3 ist auch der Ganggrund 5 gekennzeichnet, bis auf welchen - wie in Fig. 2 - die Unterbrechungen 6 im Steg 2 reichen.

[0037] In Fig. 4 besteht der Unterschied zu Fig. 1 darin, dass sich die Steigung STK über die Kompressionszone LK hinaus, bis hinein in die Meteringzone LM verändert.

[0038] In Fig. 5 ist der umgekehrte Fall dargestellt, bei welchem sich die Steigung STK bereits in der Einzugszone LE zu verändern beginnt, während in der Einzugszone LE die Gangtiefe G noch konstant ist.

[0039] In Fig. 6 sind die beiden vorher genannten Fälle vermischt dargestellt, das heißt die veränderliche Steigung STK beginnt bereits in der Einzugszone LE und reicht über die Kompressionszone LK bis in einen Teil der Meteringzone LM.

[0040] Fig. 7 zeigt den Schnitt AA, wie er im Bereich eines Schneckenganges 4 der Einzugszone LE gegeben ist. Die Steigung STE wird dabei von Steg 2 zu Steg 2 gemessen. Die Gangtiefe G wird zwischen Außenumfang des Steges 2 und Ganggrund 5 gemessen. Die Breite BR des Steges 2 bildet auch einen Teil der Schneckensteigung STE. Ein wesentliches Merkmal bei dieser Ausführung besteht auch darin, dass der Radius RV in Plastikfließrichtung vor dem Schneckensteg 2 wesentlich größer als der Radius RH hinter dem Steg 2 ist. Dadurch wird eine bessere Förderung und ein besseres Selbstreinigungsverhalten erreicht.

[0041] In Fig. 8 ist in Schnitt BB dieselbe Ausbildung der Radien RV und RH gezeigt, wobei auch bei der im Meteringbereich LM bereits geschmolzener Kunststoff eine bessere Förderung durch diese Ausbildung der Radien erreicht wird. Aus den Fig. 7 und 8 geht deutlich hervor, wie sich die Gangtiefe G von der Einzugszone LE zur Meteringzone LM deutlich verringert, während die Steigung STE/STM zunimmt.

[0042] In Fig. 9 ist eine Ansicht des Zylinderkopfes 3 dargestellt, welcher einen Schneckensteg 2 mit regelmäßig angeordneten und bis auf den Ganggrund 5 reichenden Unterbrechungen 6 zeigt. Die Breite der Unterbrechung ist dabei mit AU gekennzeichnet, wobei diese gleichzeitig sozusagen einem „Längsgang" entspricht. Bevorzugt sind pro Windung des Steges 2 um den Kern der Schnecke 1 neun Unterbrechungen vorgesehen, wodurch sich längs der Schnecke eine Neungängigkeit des Mischkanals ergibt. Die Steigung STMI beträgt bevorzugt 0,5 D.

[0043] Somit zeigt die hier vorliegende Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik we- 4/12

Claims (16)

1. österreichisches Patentamt AT 11 398 U1 2010-10-15 sentlich verbesserte, effizientere und multifunktionell einsetzbare Plastifizierschnecke, die besonders für die Verarbeitung von den Plastikrohstoffen Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol geeignet ist. Insbesondere werden auch bei hohen Durchsatzleistungen eine bestmögliche Aufschmelzung sowie eine ausgezeichnete Durchmischung gewährleistet. Ansprüche 1. Plastifizierschnecke (1) für eine Spritzgießmaschine, mit: einer Einzugs- (LE), einer Kompressions- (LK) und einer Meteringzone (LM) zum Plastifizieren eines Plastikrohstoffs, wobei die Schnecke (1) einen Steg (2) mit zumindest abschnittsweise veränderlicher Steigung (STK) aufweist und wobei sich an die Meteringzone (LM) ein Zylinderkopf (3) anschließt, der als Mischteil (LMI) ausgeführt ist.
2. 2. Plastifizierschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (1) eingängig ist.
3. 3. Plastifizierschnecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderliche Steigung (STK) des Stegs (2) im Wesentlichen in der Kompressionszone (LK) angeordnet ist.
4. 4. Plastifizierschnecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steigung (STK) linear zur Länge (L) der Plastifizierschnecke (1) vergrößert.
5. 5. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung (STE, STM) in der Einzugszone (E) und in der Meteringzone (M) konstant ist.
6. 6. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungsänderung und Gangtiefenänderung an unterschiedlichen Stellen der Plastifizierschnecke (1) beginnt und/oder endet.
7. 7. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Steg (2) ein Schneckengang (4) ausgebildet ist, dessen Gangtiefe (G) sich in der Kompressionszone (LK) verändert, wobei sich die veränderliche Steigung (STK) linear zur Länge (L) der Plastifizierschnecke (1) verändert.
8. 8. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischteil (LMI) einstückig mit der Plastifizierschnecke (1) ausgebildet ist.
9. 9. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischteil (LMI) einen Steg (2) mit einer Vielzahl von vorzugsweise regelmäßig angeordneten, bis zum Ganggrund (5) reichenden Unterbrechungen (6) aufweist.
10. 10. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steigung (STM, STMI) des Steges (2) von der Meteringzone (LM) zum Mischteil (LMI) verringert.
11. 11. Plastifizierschnecke nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Steigung (STM, STMI) des Steges (2) von der Meteringzone (LM) zum Mischteil (LMI) zumindest halbiert.
12. 12. Plastifizierschnecke nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Steigung (STMI) des Mischteils (LMI) zu Steigung (STM) der Meteringzone (LM) zwischen 0,45 und 0,35, vorzugsweise bei 0,43, liegt.
13. 13. Plastifizierschnecke nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke (1) im Wesentlichen aus einem korrosionsbeständigen Stahl besteht, der einen Kohlenstoffanteil von zumindest 0,8 %, einen Chromanteil von zumindest 14 % und einen Vanadiumanteil aufweist. 5/12 österreichisches Patentamt AT 11 398 U1 2010-10-15
14. 14. Plastifizierschnecke nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Kohlenstoffanteil von 0,8 % bis 2 %, einen Chromanteil von 16 % bis 21 % und einen Molybdänanteil von 0,8 % bis 1,6 % aufweist und vorzugsweise auch Anteile von Kobalt, Nickel, Kupfer und Wolfram aufweist.
15. 15. Verwendung einer Plastifizierschnecke (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Plastifizierung von Polycarbonat und Acrylnitril-Butadien-Styrol.
16. 16. Spritzgießmaschine mit einer Plastifizierschnecke (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen 6/12