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Die Erfindung betrifft eine Spritzgiesseinrichtung, mit einem in einem Maschinengestell gelagerten Extruder, der einen Austrittskanal mit einer Austrittsöffnung aufweist, wobei der Austrittskanal an zumindest einer Stelle zu einem Hohlzylinder erweitert ist, in dem ein Kolben angeordnet ist, erste Antriebsmittel zur Verschiebung des Hohlzylinders auf dem Kolben und somit zur Volumenveränderung vorgesehen sind und mit beiderseits des Hohlzylinders angeordneten Rückströmsperren, durch die der Austrittskanal nur in Richtung der Austrittsöffnung durchströmbar ist, wobei der Kolben mit einem Ende aus dem Hohlzylinder vorsteht.
Eine solche Spritzgiesseinrichtung ist aus der DE 42 36 753 C bekannt. Die den Hohlzylinder begrenzenden Stirnflächen sind dabei hohlkegelig gestaltet, was einen gleichmässigen Materialdurchsatz nach dem #first-in/first-out" Prinzip bewirkt. Die beim Spritzgiessen von Formteilen aus Kunststoff erzielte Dosiergenauigkeit ist jedoch wenig befriedigend, was es insbesondere erschwert, kleine Teile hoher Qualität, insbesondere hoher Masshaltigkeit und Festigkeit zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Spritzgiesseinrichtung derart weiterzuentwickeln, dass sich eine verbesserte Dosiergenauigkeit beim Spritzgiessen von Formteilen beliebiger Volumina ergibt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einer Spritzgiesseinrichtung der eingangs genannten dadurch gelöst, dass der Kolben, bezogen auf eine Grundplatte, ruhend gelagert ist, dass das Ende, in Längsrichtung betrachtet, einen Abstand D von der Grundplatte hat und mit dieser durch ein Verbindungsglied verbunden ist, dass in den durch den Abstand D gebildeten Zwischenraum ein radial nach aussen weisender Vorsprung des den Hohlzylinder enthaltenden Teils hineinragt und dass der Vorsprung innerhalb des Zwischenraums verschiebbar ist. Das Ende des Kolbens kann zur Anbindung des Verbindungsglieds, beispielsweise einer Säulenführung, mit zumindest einem radial nach aussen weisenden Ansatz versehen sein. Zweckmässig sind zumindest zwei Säulenführungen gleichmässig in Umfangsrichtung verteilt.
Die Relativverschiebung des Hohlzylinders, bezogen auf den Kolben, lässt sich hierdurch sehr präzise steuern und damit die Dosiergenauigkeit sehr genau von aussen kontrollieren, insbesondere dann, wenn eine oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Massnahmen zur Anwendung gelangen:
Nach einem ersten Vorschlag ist es vorgesehen, dass an der Grundplatte eine erste Anschlagfläche für den Vorsprung vorgesehen ist, durch die die Relativbewegbarkeit des den Hohlzylinder umschliessenden Teils in Richtung der Austrittsöffnung begrenzt ist. Der Hub des Hohlzylinders wird hierdurch in der einen Richtung auf einen festen Wert begrenzt, von dem ausgehend das jeweils benötigte Fördervolumen leicht berechnet werden kann.
Um diesbezüglich eine Nachregulierung vornehmen zu können und beispielsweise die tolleranzbedingten, unterschiedlichen Volumina von Inserts aus verschiedenen Fertigungslosen auszugleichen, hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn Einstellmittel vorgesehen sind, durch die die Zuordnung des Vorsprungs zu der Grundplatte bei einer Anschlagberührung der ersten Anschlagfläche veränderbar ist. Solche Einstellmittel können beispielsweise durch eine Justierschraube gebildet sein. In Fällen, in denen der Vorsprung durch einen Flansch mit einem Aussengewinde gebildet ist, das den Kolben konzentrisch umschliesst, hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn die Justierschraube aus einer den Flansch übergreifenden Stellmutter besteht, die auf das Aussengewinde aufgeschraubt ist.
Das Aussengewinde ist in solchen Fällen zweckmässigerweise als Feingewinde ausgebildet mit einer Steigung von 1 mm bei einem Nenndurchmesser von zumindest 100 mm. Neben einer guten Tragfähigkeit wird hierdurch der Vorteil erreicht, dass sich die Grundstellung des Hohlzylinders durch eine Relatiwerdrehung der Stellmutter um beispielsweise wenige Grad im Bereich von 1/1000 Millimeter korrigieren lässt. Das bei jedem Einspritzvorgang aus der Einspritzöffnung austretende Kunststoffvolumen ist dementsprechend feinfühlig justierbar. Im Bezug auf die Herstellung von Kleinteilen, die ein Gewicht von wenigen Milligramm haben, ist dieser Vorteil häufig von entscheidender
Bedeutung für deren Qualität.
Auch die Verarbeitung von thermoplastisch verarbeitbaren Elasto- meren (TPE) ist problemlos möglich sowie das Einspritzen eines ersten polymeren Werkstoffs an ein Insert aus einem zweiten polymeren Werkstoff oder aus Metall.
Als zweckmässig hat es sich erwiesen, wenn der Austrittskanal den Hohlzylinder und den Kol- ben im wesentlichen geradlinig durchdringt. Eine entsprechende Ausführung lässt sich nicht nur be- sonders einfach erzeugen, sondern sie weist darüber hinaus auch eine besonders gute Dauerhalt- barkeit auf. Die Austrittsöffnung sollte zweckmässig einen Bestandteil des Kolbens bilden.
Der Extruder kann mit dem Teil, welches den Hohlzylinder umschliesst, starr verbunden und nur
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mit diesem gemeinsam verschiebbar ausgebildet sein. Hierdurch lässt sich eine besonders enge Zuordnung des Extruders zu dem Hohlzylinder erreichen, was die Länge des Austrittskanals auf das absolut unerlässliche Mass vermindert und dazu beiträgt, eine thermische Schädigung des zu verarbeitenden, polymeren Werkstoffes während des Verarbeitungsprozesses zu vermeiden. Desweiteren kann eine Verkleinerung der bewegten Massen resultieren, wenn der Extruder einstückig mit dem den Hohlzylinder enthaltenden Teil ausgebildet ist. Für die Vermeidung von Schwingungen bei schnellen Hin- und Herbewegungen ist das von grossem Vorteil.
Die der Austrittsöffnung benachbarte Rückströmsperre verhindert, dass verflüssigter Kunststoff in unkontrollierter Weise aus der Austrittsöffnung austritt und beispielsweise vor dem eigentlichen Beginn des Einspritzvorgangs in das Spritzgusswerkzeug gelangt. Die von der Austrittsöffnung abgewandte Rückströmsperre verhindert, dass während des eigentlichen Einspritzvorganges, der nur durch eine Relatiwerschiebung des Hohlzylinders in bezug auf den Kolben bewirkt wird, aus dem Hohlzylinder verdrängter Kunststoff zurück in den Extruder gelangt und für den eigentlichen Einspritzvorgang nicht verfügbar ist. Darüber hinaus können die Einspritzdrücke nahezu beliebig hoch gesteigert werden, ohne dass zu befürchten ist, dass Kunststoffbestandteile in unkontrollierter Weise ausweichen und beispielsweise zurückfliessen.
Der Einspritzprozess lässt sich dadurch zeitlich verkürzen, was die Erzielung einer vollständigen Werkzeugfüllung begünstigt sowie homogene Werkstückeigenschaften sowie eine grosse Werkstückfestigkeit.
Der Hohlzylinder und der darin eingepasste Kolben haben einen Querschnitt, der um ein vielfaches grösser ist als derjenige des Austrittskanals. Das Verhältnis aus beiden Querschnitten beträgt mindestens 20, vorteilhaft mindestens 50. Hierdurch werden besonders grosse Strömungsgeschwindigkeiten in dem Austrittskanal erzielt, was eine Entmischung des Werkstoffes verhindert, einen unerwünschten Temperaturabfall des Werkstoffes beim Durchtreten durch den Austrittskanal sowie thermische Schädigungen des Werkstoffs durch zu lange Verweilzeiten in diesem.
Als zweckmässig hat es sich erwiesen, wenn der Austrittskanal in möglichst grossem, radialen Abstand von den dynamisch belasteten Dichtflächen in den Hohlzylinder einmündet. Auch bei der Verarbeitung von Kunststoffen, die einen Gehalt an abrasiv wirkenden Füllstoffen enthalten, beispielsweise an Glasfasern, wird hierdurch der Verschleiss auf das absolut unvermeidbare Minimum reduziert. Zweckmässigerweise mündet der Austrittskanal beiderseits zentrisch in den Hohlzylinder.
Mit der Grundplatte kann ein Werkzeugträger relativ verschiebbar verbunden sein, beispielsweise in Fällen, in denen einer einzigen Spritzgiesseinrichtung eine Vielzahl von Formwerkzeugen zugeordnet ist, die aufeinanderfolgend mit der Einspritzöffnung in Eingriff gelangen. Während des Werkzeugwechsels befindet sich bei solchen Spritzgiesseinrichtungen die Austrittsöffnung stets in einer zurückgezogenen Position. Sie wird aus dieser Lage erst nach vorn geschoben und mit der Einfüllöffnung des Formwerkzeuges in Eingriff gebracht, wenn sich das Formwerkzeug in der richtigen Position befindet. Im Anschluss daran kann der Einspritzvorgang durch eine Relatiwerschiebung des Hohlzylinders auf dem Kolben bewirkt werden.
Im Hinblick auf die Erzielung einer hohen Dosiergenauigkeit hat es sich als vorteilhaft bewährt, wenn neben der ersten Anschlagfläche eine zweite Anschlagfläche vorgesehen ist, durch die die Relativbewegbarkeit des Kolbens in der von der Austrittsöffnung abgewandten Richtung ebenfalls begrenzt ist. Dabei hat es sich im Hinblick auf die Vermeidung von thermischen Schädigungen und/oder Entmischungen des zu verarbeitenden, polymeren Werkstoffes als vorteilhaft bewährt, wenn die zweite Anschlagfläche durch die von der Austrittsöffnung abgewandte Stirnseite des Hohlzylinders gebildet ist. Der Hohlzylinder wird durch eine solche Ausbildung bei jedem Einspritzvorgang vollständig entleert im Sinne des first-in/first-out-Prinzips. Für die Erzielung einer gleichbleibend hohen Qualität der erzeugten Formteile ist das von wesentlichem Vorteil.
Die Rückströmsperren des Austrittskanals können nach Art der im Fachgebiet gebräuchlichen Rückschlagventile ausgebildet sein. Als zweckmässig hat es sich bewährt, wenn mindestens eine Rückströmsperre ein auf einer Druckfeder abgestütztes Schliessglied aufweist, das ausserhalb des Austrittskanals angeordnet ist. Zweckmässigerweise gelangt ein solches Schliessglied insbesondere im Bereich der Rückströmsperre zur Anwendung die der Austrittsöffnung benachbart ist.
Die Schliessgeschwindigkeit am Ende eines jeden Einspritzvorganges und damit zugleich die Dosiergenauigkeit lässt sich hierdurch merklich erhöhen Die räumliche Trennung der Druckfeder von dem zu verarbeitenden, polymeren Werkstoff stellt ausserdem sicher, dass die Relativbeweglichkeit der Druckfeder nicht beeinträchtigt werden kann, was für die Erzielung einer guten Funktionssicherheit
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im langfristigen Dauerbetrieb von Vorteil ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht. Darin ist eine beispielhafte Ausführung der erfindungsgemässen Spritzgiesseinrichtung schematisiert und in teilweise längsgeschnittener Darstellung wiedergegeben. Sie umfasst einen in einem Maschinengestell gelagerten Extruder 2, der einen Austrittskanal 3 mit einer Austrittsöffnung 4 aufweist, wobei der Austrittskanal 3 an zumindest einer Stelle zu einem Hohlzylinder 3. 1 erweitert ist, in dem ein Kolben 5 angeordnet ist und wobei erste Antriebsmittel für eine Volumenveränderung des Hohlzylinders 3. 1 vorgesehen sind.
Der Kolben 3 ist, bezogen auf eine Grundplatte 6, ruhend gelagert, wobei durch die ersten Antriebsmittel 15 eine Verschiebung des Hohlzylinders 3. 1 auf dem Kolben 3 bewirkbar ist und wobei beiderseits des Hohlzylinders 3. 1 Rückströmsperren 1.2;1.3 vorgesehen sind, durch die der Austrittskanal 3 nur in Richtung der Austrittsöffnung 4 durchströmbar ist. Der Kolben 5 steht mit einem Ende aus dem Hohlzylinder 3. 1 vor, wobei an dem Ende ein radial nach aussen weisender Vorsprung 7 vorgesehen ist, der, in Längsrichtung betrachtet, einen Abstand D von der Grundplatte 6 hat und mit dieser durch ein Verbindungsglied 8 verbunden ist, das zugleich die Funktion einer Säulenführung hat.
Auf dieser ist in dem durch den Abstand D gebildeten Zwischenraum ein radial nach aussen weisender Vorsprung 11des den Hohlzylinder 3. 1 enthaltenen Teils 10 gelagert, der innerhalb des Zwischenraums verschiebbar ist.
An der Grundplatte 6 ist eine erste Anschlagfläche 6. 1 für den Vorsprung 11vorgesehen, durch die die Relativbeweglichkeit des Vorsprungs 11 und damit zugleich des den Hohlzylinder 3. 1 umschliessenden Teils 10 in Richtung der Austrittsöffnung 4 begrenzt ist. Die Zuordnung des Vorsprungs 11 zu der Grundplatte 6 bei einer Anschlagberührung der ersten Anschlagfläche ist durch Einstellmittel veränderbar, welche durch eine Justierschraube gebildet sind, die sich auf der Anschlagfläche 6. 1 abstützt. Durch eine Relatiwerdrehung ist es möglich, den gegenseitigen Abstand zwischen dem Vorsprung 11und der Anschlagfläche bei einer Anschlagberührung zu verändern.
Im dargestellten Fall besteht der Vorsprung 11 aus einem den Kolben 5 konzentrisch umschliessenden Flansch mit einem Aussengewinde und die Justierschraube aus einer den Flansch übergreifenden Stellmutter 9, die auf das Aussengewinde aufgeschraubt ist. Das Aussengewinde ist zweckmässigerweise als Feingewinde ausgebildet. Hierdurch wird eine gute Selbsthemmung erzielt, was sicherstellt. dass sich während der bestimmungsgemässen Verwendung keine unerwünschte Relativverdrehung und axialgerichtete Relativerlagerung ergeben kann.
Bedingt durch die vergleichsweise enorme Grösse der bei einer Anschlagberührung aneinander anliegenden Flächen der Stellmutter und der Grundplatte 6 werden überlastungsbedingte, plastische Deformierungen und/oder Verschleisserscheinungen in dieser kritischen Zone weitgehend ausgeschlossen, was ebenfalls dazu beiträgt, unerwünschte Relatiwerlagerungen des Kolbens 5, bezogen auf die Grundplatte 6, im langfristigen Dauerbetrieb zu vermeiden, wenn der Kolben in seine die in der Zeichnung wiedergegebene Ausgangsstellung überführt wird.
Der Austrittskanal 3 durchdringt den Hohlzylinder 3. 1 und den Kolben 5 im wesentlichen geradlinig in der Mitteiachse. Der Querschnitt des Hohlzylinders 3. 1 ist etwa 50 mal so gross wie derjenige des Austrittskanals 3. Beim Aufschieben des Hohlzylinders 3. 1 auf den Kolben 5 resultiert dementsprechend eine äusserst hohe Fliessgeschwindigkeit des verflüssigten, polymeren Werkstoffes in dem Austrittskanal zwischen dem Hohlzylinder 3. 1 und der Austrittsöffnung 4. Hierdurch ist es weitestgehend ausgeschlossen, dass es zu Anbackungserscheinungen oder zur Ablagerung von irgendwelchen Kunststoffbestandteilen an den Wänden des Austrittskanals kommt.
Entsprechend dem Prinzip first-in/first-out ist es dadurch weitestgehend ausgeschlossen, dass sich thermische Schädigungen des zu verarbeitenden, polymeren Werkstoffes in diesem Teil des Austrittskanals ergeben. Besondere Bedeutung hat hierfür auch das Merkmal der vorliegenden Erfindung, das darauf gerichtet ist, dass die Austrittsöffnung 4 einen unmittelbaren Bestandteil des Kolbens 5 bildet.
Der Extruder 2 ist mit dem Teil 10 starr verbunden und nur mit diesem gemeinsam verschiebbar. Der rechts von dem Hohlzylinder 3. 1 angeordnete Teil des Austrittskanals 3 kann demgemäss äusserst kurz gehalten werden. In ihm werden beim Einspeisen von verflüssigtem, polymeren Werkstoff in den Hohlzylinder 3. 1 ähnlich hohe Strömungsgeschwindigkeiten wie im linken Teil erreicht. Auch in diesem Bereich kann es insofern nicht zu nennenswerten thermischen Schädigungen des zu verarbeitenden, polymeren Werkstoffs kommen.
Zwischen dem Hohlzylinder 3. 1 und dem Extruder 2 ist eine Rückströmsperre 1. 3 vorgesehen, die nach Art eines Rückschlagventils funktioniert Das enthaltene Schliessglied ist in einer Stellung
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gezeigt, in der es sich in einer Anschlagberührung mit einer ringförmigen Dichtfläche des Extruders 2 befindet. Es gelangt in diese Position in dem Moment, in dem ein Druckanstieg in den Hohlraum 3. 1 resultiert. Das ist der Fall, wenn die hydraulische Antriebseinheit 15 druckbeaufschlagt wird, durch die das den Hohlzylinder 3. 1 enthaltende Teil 10 auf der Grundplatte 6 abgestützt ist. Hierbei können enorm grosse Kräfte eingeleitet werden, um einen schnellen Einspritzvorgang zu erzielen.
Eine entsprechend grosse Kraftbeaufschlagung hat einen spontanen Druckanstieg in dem Hohlraum 3. 1 zur Folge, was eine nahezu schlagartige Relatiwerlagerung des Schliessgliedes 16 der Rückströmsperre 1. 3 nach rechts bewirkt sowie eine metallische Abdichtung des Austrittskanals 3.
Der in dem Hohlzylinder 3. 1 enthaltene, verflüssigte, polymere Werkstoff wird hierdurch selbst dann daran gehindert, den Austrittskanal 3 nach rechts in Richtung des Extruders 2 zu passieren, wenn Glasfasern oder ähnliche Füllstoffe enthalten sind. Die Druckwelle wird als unmittelbare Folge in Richtung des Kolbens 5 abgelenkt und überträgt sich durch den das Schliessglied 14 der Rückströmsperre 1. 2 des Kolbens 5 durchdringenden Austrittskanal 3 auf das vordere Ende des Schliessglieds 14, wo sie in seitlicher Richtung austritt und in den Druckraum 17 gelangt. Das Schliessglied 14 begrenzt Druckraum 17 mit einer Stirnfläche, die grösser ist als die Querschnittsfläche seines dem Hohlzylinder 3. 1 zugewandten Endes.
Bei hinreichend grossem Ansteigen des Druckes in dem Druckraum 17 und dem Hohlzylinder 3. 1 resultiert als Folge eine Relatiwerschiebung des Schliessglieds 14 in Richtung des Hohlzylinders 3. 1 unter Zusammenpressung der Druckfeder 13, durch die das Schliessglied 14 auf dem Kolben 5 abgestützt ist, wobei die Austrittsöffnung 4 freigegeben wird. Normalerweise werden so hohe Drücke angewendet, dass diese Bewegung und das Austreten des Werkstoffs nahezu schlagartig auftreten. Der Vorgang wird solange fortgesetzt, bis der Kolben 5 die zweite Anschlagfläche 12 berührt, die durch die ihm zugewandte Stirnfläche des Hohlzylinders 3. 1 gebildet ist.
Hierdurch wird einerseits eine noch weitere Relatiwerschiebung des Kolbens 5 in der von der Austrittsöffnung 4 abgewandten Richtung verhindert und andererseits sichergestellt, dass der Hohlzylinder 3. 1 bei einer Relatiwerschiebung des Kolbens 5 nach rechts vollständig entleert wird. Der resultierende Druckabfall hat durch die Wirkung der Druckfeder 13 eine schlagartige Überführung des Schliessglieds in eine Stellung zur Folge, in der die Austritts- öffnung 4 verschlossen ist. Der Hohlzylinder 3. 1 kann folglich im Anschluss daran vollständig mit neuem, polymerem Werkstoff gefüllt werden bis zur Einleitung eines neuen Einspritzzyklus.
Im allgemeinen wird der Einspritzvorgang nur ausgelöst, wenn sich die Austrittsöffnung 4 bereits im Eingriff mit einer nicht gezeigten Eintrittsöffnung eines Formwerkzeuges befindet. Um eine hinreichenden Zeitspanne für die Abkühlung der Werkstücke bei guter Werkzeugnutzung zur Verfügung zu haben gelangen insbesondere in bezug auf die Herstellung von Kleinteilen üblicherweise Wechselwerkzeuge zur Anwendung, die aufeinanderfolgend in eine Füllposition überführt, jeweils mit flüssigem, polymerem Werkstoff gefüllt und anschliessend in eine Abkühlzone überführt werden, in der auch die Entnahme bzw. das Auswerfen der Werkstücke erfolgt. In Bezug auf die Erzeugung hochwertiger Werkstücke von homogener Zusammensetzung ist es von Vorteil, wenn der Füllvorgang so schnell wie möglich erfolgt.
Der diesbezüglichen Zielsetzung kommt die vorliegende Erfindung entgegen insofern, als der Einspritzvorgang durch Betätigung der Antriebseinrichtung 15 äusserst schnell erfolgen kann und unter Umständen in so kurzer Zeit, dass eine Stillsetzung des Extruders 2, wie vorstehend dargelegt, nicht erforderlich ist. Dieser kann vielmehr unter normalen Umständen seine Arbeit kontinuierlich fortsetzen und unverzüglich fortfahren, den Hohlzylinder 3. 1 unter Relatiwerlagerung der beiden Schliessglieder 14 und 16 der Rückstromverriegelungen 1. 2 bzw. 1. 3 aufs Neue zu füllen. Während dieser Zeitspanne wird das nächste Werkzeug in seine Füllposition überführt und die Grundplatte 6 einschliesslich des Kolbens, des den Hohlzylinder 3. 1 enthaltenden Teils 10 und des Extruders 2 unter Betätigung einer Hydraulikeinheit mit dieser in Eingriff gebracht.
Nach Erreichen eines hinreichenden Füllungsgrades des Hohlzylinders 3. 1 kann der nächste Spritzvorgang durchgeführt werden und der Arbeitszyklus aufs Neue beginnen.
Die Dosiergenauigkeit der erfindungsgemassen Vorrichtung ist äusserst hoch und nicht von eventuellem Verschleiss der Extruderschnecke abhängig. Selbst Kleinteile eines Volumens von wenigen mm3lassen sich dadurch problemlos aus schwierig verarbeitbaren Werkstoffen erzeugen, beispielsweise aus glasfasergefüllten Kunststoffen oder blockpolymeren Werkstoffen wie z. B. TPE.