Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Schnecken-Plastifiziermaschinen für Kunststoffe, vorzugsweise von Schnecken-Spritzgiessmaschinen
Es ist allgemein üblich, Schnecken-Plastifiziermaschinen nach erfolgtem Anlauf mit konstanter Drehzahl zu betreiben. Bekanntlich wird dabei der zur Plastifizierung des Kunststoffes notwendige Energie- oder Wärmebedarf zum grössten Teil als Friktionswärme (Kunststoff gegen Kunststoff und Kunststoff gegen Metalloberflächen) und nur zu einem geringeren Teil durch Wärmeleitung (von der Aussenheizung des Plastifizierzylinders) in die Kunststoffmasse eingespeist.
Es sind sogar Maschinen ohne Aussenheizung bekannt, bei welchen die gesamte Plastifizierwänme über den Schneckenantrieb als Friktionswärme zugeführt wird.
Bei den kontinuierlich arbeitenden Schnecken Plastifiziermaschinen strebt man bei der Herstellung eines gleichmässig einheitlichen Produktes an, die Anteile der Plastifizierwärme aus Aussenheizung bzw. Antriebsenergie möglichst konstant zu halten.
Bekannt sind Schnecken-Spritzgiessmaschinen, die derart ausgebildet sind, dass die Strömungsgeschwin digkeit und/oder der Druck des dem Kolbenraum frei zuströmenden Druckmittels beim Rückfluss einstellbar ist. Dadurch wird die Plastifizierwirkung der Schnecke sowohl durch die Geschwindigkeit ihres Rückschubes als auch durch die vom Achsdruck der Schnecke herrührende Reaktionskraft beeinflusst.
Die Maschinen dieser Bauart gestatten zwar eine Anpassung der Plastifizierwirkung an das jeweilig zu verarbeitende Material und die zur Verwendung kommende Form; aber sie weisen den Nachteil auf, dass die durch den diskontinuierlichen Prozess beding- ten Schwankungen der Massetemperatur innerhalb eines Schussgewichtes nicht ausgeglichen werden können. So wird beispielsweise bei Schnecken-Spritzgiessmaschinen nur die Aussenheizung auf eine konstante Temperatur geregelt. Der Anteil der Plastifizierwärme aus der Schneckenrotation und entsprechend die Temperatur der Kunststoffmasse schwanken und folgen periodisch dem Spritzzyklus der Ma-. schine. Diese Schwankungen entstehen teilweise während des Plastifizierganges der Schnecke.
Sie werden dadurch verursacht, dass die Schnecke zu Beginn Kunststoffmaterial plastifiziert, welches während der Totzeit im Plastifizierzylinder aufgeheizt wurde, gegen Ende aber kaltes Material aus dem Fülltrichter verarbeitet. Ausserdem verschieben sich bei einer Axialbewegung der Schnecke die Heizzonen der Aussenheizung und die Arbeitszonen der Plastifizierschnecke gegeneinander; die Länge der plastifizierenden Schnecke wird kürzer, wodurch gleichfalls gegen Ende des Plastifizierganges die Massetemperaturen absinken können.
Weiterhin lässt sich nachweisen, dass Zylinderund Schneckentemperaturen durch die periodische Arbeitsweise über das an der Aussenheizung eingestellte Temperaturniveau ansteigen können und während der Totzeit sich wieder auf das Sollniveau einstellen.
Ohne weitere Faktoren für die unvermeidlichen und unkontrollierbaren Temperaturschwankungen im einzelnen zu beschreiben, kann man in Versuchen zeigen, dass die Schwankungsbreite der Temperatur mit grösseren Arbeitstaktzeiten auf grössere Beträge anwächst.
Beim Spritzgiessen mit Schnecken- Spritzgiessma- schinen stellt sich sehr oft als nachteilig heraus, dass die zuerst in die Form einströmende Masse zu kalt ist und rings um den Anguss Kaltschlieren bildet, der mittlere Bereich der eingeströmten Masse hat die optimale Temperatur, der Rest ist meist zu kalt, wodurch ein ungünstiges Verschweissen der Binde nähte und ein zu frühes Erstarren des Angussbereiches eintreten. Bei der dann üblichen Erhöhung des Nachdruckes zur Vermeidung von Lunkern wird der erstarrte Anguss lediglich in das Spritzteil eingedrückt, ohne aber zu verschweissen. Der Angussbereich ist daher spröde und inhomogen.
Alle diese Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung vermieden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Steuerung von Schnecken-Plastifiziermaschinen für Kunststoffe, vorzugsweise von Schneckenspritzgiessmaschinen, ist dadurch gekennzeichnet, dass in Anpassung an die Charakteristik der jeweils zu verarbeitenden Kunststoffmasse die Schneckenrotation nach Zeitpunkt und Drehzahl oder der Schneckengegendruck (Staudruck) und die Schneckenrotation nach Zeitpunkt und Drehzahl oder der Schneckenstaudruck während des Plastifiziervorganges innerhalb eines einzigen Spritzzyklus derart steuerbar geändert wird, dass die durch die Verkürzung der wirksamen Schneckenlänge während des Schneckenrücklaufes bedingten Temperaturschwankungen ausgeglichen werden und dass innerhalb eines Plastifiziervorganges die zuerst und/oder zuletzt in die Form ein strömende Masse eine höhere Temperatur und eine geringere Viskosität erhält.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche die Schnekkenrotation und/oder den Schneckenstaudruck im Sinne der Kompensation oder teilweisen tJberkom- pensation der Temperaturschwankungen steuerbar selbsttätig ändern.
Die Erfindung sei an den Fig. 1-8 der Zeichnung, die Diagramme und Ausführungsbeispiele darstellt, näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 den Verlauf der Massetemperatur in Abhängigkeit vom Schneckenweg innerhalb eines Schussgewichtes,
Fig. 2 einen Plastifizierzylinder im Schnitt, wobei sich die Schnecke in vorderer Stellung befindet,
Fig. 3 einen Plastifizierzylinder im Schnitt, wobei sich die Schnecke in zurückgezogener Stellung befindet,
Fig. 4 die Massetemperatur als Funktion des Schneckenstaudruckes,
Fig. 5 eine Druckstufen- bzw. Druckkurvensteue- rung des Staudruckes in Abhängigkeit vom Schnekkenweg in schematischer Darstellung,
Fig. 6 eine Druckstufen-bzw. Druckkurvensteuerung des Staudruckes in Abhängigkeit vom Schnekkenweg in einer anderen Ausführungsform,
Fig. 7 eine Schnecken-Spritzgiessmaschine mit der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Steuerung des Staudruckes und
Fig.
8 eine Schnecken-Spritzgiessmaschine mit der erfindungsgemässen Vorrichtung in einer anderen Ausführungsform.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung werden nun Verfahren und Vorrichtung nachfolgend beschrieben, mit deren Hilfe vor allem die durch den diskontinuierlichen Arbeitsprozess bedingten Schwankungen der Massetemperatur innerhalb eines Schussgewichtes durch Beeinflussung der Schneckenrotation nach Zeitpunkt und Drehzahl oder durch Schneckengegendruck (Staudruck) und Schneckenrotation nach Zeitpunkt und Drehzahl oder durch eine Druckstufen- oder Druckkurvenregelung des Schneckenstaudruckes stufenweise oder stufenlos ausgeglichen oder derart steuerbar geändert werden können, dass Formteile hoher gleichmässiger Qualität erzeugt werden.
Wie bereits erwähnt, folgen der Anteil der Plastifizierwärme aus der über den Schneckenschaft zugeführten Energie und entsprechend die Temperatur der Kunststoffmasse dem Spritzzyklus periodisch und schwanken demnach in ihrer Höhe. Diese Schwankungen werden dadurch verursacht, dass die Schnecke 6 (Fig. 2) zu Beginn Kunststoffmaterial plastifiziert, welches während der Totzeit im Plastifizierzylinder 4 aufgeheizt wurde, gegen Ende aber kaltes Material aus dem Fülltrichter 7 verarbeitet (Fig. 3). Ausserdem verschieben sich bei einer Axialbewegung der Schnecke 6 die Heizzone 8 der Aussenheizung und die Arbeitszonen der Plastifizierschnecke 6 gegeneinander, und die wirksame Gewindelänge der plastifizierenden Schnecke 6 wird kürzer (vergleiche insbesondere Fig. 3), wodurch gegen Ende des Plastifizierganges die Massetemperaturen absinken.
Weiterhin ist die zuerst in die Form einströmende Masse oft zu kalt, weil sie während der Totzeit in unmittelbarer Nähe der Düse 3 lagert und dadurch mehr abgekühlt wird als die andere Masse, die im Raum 2 lagert.
In Fig. 1 ist in Abhängigkeit vom Schneckenweg oder Schneckenhub s der in Versuchen gemessene Verlauf der Massetemperatur T für einen Plastifiziervorgang in den bisher bekannten Schnecken Spritzgiessmaschinen schematisch dargestellt. Dieser Kurvenverlauf 1 zeigt deutlich, dass sie zuerst und die zuletzt in die Form einströmenden Massen, die zu Beginn eines Einspritzvorganges im Raum 2 zwischen der Düse 3 des Schneckenzylinders 4 und dem Schneckenkopf 5 der Schnecke 6 lagern (Fig. 3), zu kalt sind. Diese kälteren Massenanteile verursachen die bereits beschriebenen nachteiligen Erscheinungen bei der Herstellung von Spritzteilen.
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen die axiale Verschiebung der Schnecke 6 im Plastifizierzylinder 4 während des Plastifizierens. Der Vergleich dieser Fig. 2 und 3 zeigt, dass die wirksame Gewindelänge der Schnecke 6 während des Plastifizierens, durch den funktionsabhängigen Rücklauf der Schnecke bedingt, stetig abnimmt.
Um die Nachteile der zuerst und zuletzt in die Form einströmenden kalten Kunststoffmassen ausschalten zu können, ist es aus Gründen der thermischen Zersetzung aber nicht möglich, das gesamte Temperaturniveau anzuheben.
Zur Beseitigung der Nachteile der zuerst und zuletzt während eines Spritzzyklus in die Form einfliessenden zu kalten Massen wird vorgeschlagen, die Schneckenrotation am Anfang, am Ende oder am Anfang und am Ende des Plastifiziervorganges innerhalb eines beliebig wählbaren Zeitraumes in optimaler Anpassung an die Charakteristik der jeweils zu verarbeitenden Kunststoffmasse planmässig zu erhöhen. Die Einspritzung kann anschliessend mit stehender oder mit drehender Schnecke durchgeführt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, am Anfang, am Ende oder am Anfang und am Ende eines Plastifiziervorganges innerhalb eines beliebig wählbaren Zeitraumes die vorgeschriebene Erhöhung der Schneckenrotation mit einer entsprechenden Änderung des Schneckengegendruckes zu kombinieren. Danach wird beim Beginn des Plastifizierganges kurzzeitig über den Schneckengegendruck und die Rotation der Schnecke die Masseförderung der Schnecke verringert. Der Energieanteil wird dadurch, bezogen auf die plastifizierte Kunststoffmenge, erheblich gesteigert, dann aber in Abhängigkeit von der Zeit oder von der geförderten besonders heissen Kunststoffmenge der Schneckengegendruck reduziert und dadurch eine normale Förderung der Schnecke mit geeigneten niedrigen Plastifiziertemperaturen erzielt.
Auf diese Weise lagert vor dem Schneckenkopf ein Massevorrat mit gesteuert verschiedenen Masse temperaturen und entsprechend verschiedener Viskosität. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes können sich die verschiedenen Temperaturen bis zum Einspritzzeitpunkt noch nicht ausgleichen. Die Masse höherer Temperatur hat die geringere Viskosität und strömt zu Beginn der Einspritzung besonders leicht in die Form ein und erleichtert den Einspritzvorgang für die nachfliessende kältere Masse, da die Kanäle bereits beim ersten Durchströmen vorgewärmt sind und eine wärmeisolierende erstarrte Kunststoffschicht besitzen.
Versuche, mit drehender Schnecke einzuspritzen, nachzudrücken oder einzuspritzen und nachzudrükken zeigten, dass die Schnecke ohne Schwierigkeiten in der Lage ist, gegen Einspritzdrücke von mehr als 1000 kg/cm2 Kunststoffmasse in Richtung auf den Schneckenkopf, also entgegen der Rückströmrichtung der Masse, zu fördern, so dass die vielfach verwendeten Rückstromsperren entfallen können. Über eine positive Masseförderung wird ausserdem eine Beschleunigung des Einspritzvorganges erzeugt, wodurch klare rheologische Verhältnisse am Schneckenkopf entstehen, die ein Arbeiten mit höheren M assetemperaturen gestatten. Die Anwendung einer derart funktionierenden Schnecke bringt somit erhebliche Vorteile mit sich und stellt auch eine technisch wesentliche einfache Lösung dar.
In eingehenden Versuchen wurde gefunden, dass die Temperatur T der plastifizierten Kunststoffmasse linear mit dem Schneckenstaudruck p gemäss der Geraden 9 in Fig. 4 ansteigt.
Dieser funktionelle Zusammenhang zwischen Schneckenstaudmck p und der Massetemperatur T wird nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dazu benutzt, die im diskontinuierlichen Prozess bisher unvermeidbaren Schwankungen der Massetemperatur T auszugleichen oder planmässig gesteuert zu verändern. In Fig. 5 ist über dem Schneckenhub s noch einmal der dem diskontinuierlichen Prozess eigene Verlauf der Massetemperatur T eingezeichnet (gestrichelte Kurve 1). Diesem Temperaturverlauf 1 wird nun durch eine planmässige steuerbare Druckstufen- bzw. Druckkurvenregelung des Schneckenstaudruckes p der in Fig. 5 dargestellte entsprechend veränderte stufenweise Temperaturverlauf 10 (punktierter Linienzug) oder der stufenlose Temperaturverlauf 11 (strichpunktierte Linie) überlagert.
Auf diese Weise wird auch innerhalb eines Plastifiziervorganges Masse mit konstanter Temperatur über den Schneckenweg s erzeugt (ausgezogene Linie 12 in Fig. 5).
Nach einer anderen Ausführungsform wird die Massetemperatur durch eine planmässige stufenweise (Fig. 6, punktierte Linie 10') oder stufenlose (strichpunktierte Linie ll') Steuerung des Schneckenstaudruckes innerhalb eines Plastifiziervorganges derart geregelt, dass sich nach Überlagerung mit dem bekannten Verlauf 1 der Massetemperatur der in Fig. 6 dargestellte effektive Temperaturverlauf 12' (ausgezogene Linie) innerhalb eines Schussgewichtes ergibt.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die zuerst und die zuletzt in die Form einströmende Masse eine höhere Temperatur hat als die übrige Kunststoffmasse. Hierdurch werden die erwähnten Nachteile bei der spritztechnischen Fertigung von Formteilen vermieden, die dadurch entstehen, dass das zuerst in die Form einströmende Material, das zuletzt oder das zuerst und zuletzt in die Form einfliessende Material, das in der Form den weitesten Weg zurücklegen muss, zu kalt ist. Erst durch die planmässige Veränderung der Massetemperatur infolge der Druckstufen- oder Druckkurven-Regelung werden die für das Spritzen eines hochwertigen technischen Formteiles notwendigen Voraussetzungen geschaffen.
Es wird weiter vorgeschlagen, die Schneckenrotation oder die Schneckenrotation kombiniert mit entsprechend geändertem Schneckengegendruck gemäss den Kurvenlinien 11, 11' stufenlos oder gemäss den Kurvenlinien 10, 10' stufenweise zu steuern, um die optimalen Temperaturen nach den Linien 12, 12' (Fig. 5 und 6) innerhalb eines Spritzzyklus im Plastifizierzylinder zu erhalten.
In den Fig. 7 und 8 sind beispielsweise hydtau- lische und mechanische Vorrichtungen im Prinzip dargestellt, mit deren Hilfe die Steuerungen ausgeführt werden.
Nach Fig. 7 ist die Schnecke 6' im Plastifizierzylinder 4', der am Getriebegehäuse 13 befestigt ist, bewegbar. Ein Elektromotor 14 versetzt über das Getriebe 15 die Schnecke 6', die das durch den Fülltrichter 7' aufgegebene Material plastifiziert, in Rotation. Diese kann, wie bereits erwähnt, vorzugsweise nach den in den Fig. 5 und 6 gezeigten Kurvenlinien 10, 10' und 11, 11' planmässig gesteuert werden. Die axiale Kraftbeaufschlagung der Schnecke 6' erfolgt über den im Zylinder 16 befindlichen Kolben 17 und über die Rohrleitung 18 durch das Pumpenaggregat 19.
Die Druckstufen- oder Druckkurven-Regelung des Schneckenstaudruckes innerhalb eines Plastifiziervorganges erfolgt im vorliegenden Beispiel durch eine auf den Schneckenschaft 20 aufgebrachte Kontaktscheibe 21, die beim Vor- oder Rücklauf der Schnecke 6' die ort sbewegl ich angebrachten Kontakte 22 betätigt. Diese geben ihre Steuerimpulse über die Leitungen 23 an den Schaltschrank 24, der mit entsprechenden Relais und Zeituhren bestückt ist, weiter. Der Schaltschrank 24 steuert dann entsprechend den empfangenen Impulsen über die Leitungen 25 das Mengen- und Druck-Regelventil 26, das in die Rohrleitung 18 eingebaut ist.
Durch die stufenweise oder stufenlos durch den Schaltschrank 24 und das Mengen- und Druck-Regelventil 26 beliebig hoch einstellbaren Drücke innerhalb eines beliebig wählbaren Zeitraumes im Raum 27 des Zylinders 16 werden somit die Schwankungen der Massetemperatur innerhalb eines Schussgewichtes ausgeschaltet.
In Fig. 8 läuft ebenfalls die Schnecke 6' im Plastifizierzylinder 4', der am Getriebegehäuse 28 befestigt ist. Die Rotation der Schnecke 6', die das durch den Fülltrichter 7' aufgegebene Material plastifiziert, erfolgt über den Elektromotor 29 und das Getriebe 30. Die axiale Kraftbeaufschlagung erfährt die Schnecke 6' hier durch den Schneckenantrieb 31, 32, über die Kurbelstange 33 und den Hebelarm 34, der bei 35 drehbar gelagert ist.
Das aus dem Führungszylinder 36 herausragende Teil des Schneckenschaftes 37' trägt eine Halteplatte 38, an der beispielsweise zwei Schraubenfedern 39 angebracht sind. Diese Federn 39 sind mit ihrem, der Halteplatte 38 abgewandten Ende mit einem Führungsbolzen 40 fest verbunden, der in einer entsprechenden Bohrung 41 einer Führungsplatte 42 verschiebbar gelagert ist. Die Führungsbolzen 40 weisen an ihrem freien Ende beispielsweise ein Gewinde 43 auf, auf welches ein Verstellglied 44 aufgeschraubt wird, um die wirksame Länge der Führungsbolzen 40 beliebig verstellen zu können.
Damit die Halteplatte 38 nicht von der Rotation der Schnecke 6' beeinflusst wird, ist der Schneckenschaftteil 37' vom Schneckenschaft 37 getrennt und im Führungszylinder 36 gesondert gelagert. Um grö ssere mechanische Reibungsverluste zu verhindern, sind im Führungszylinder 36 die Lager 45, 46 und 47 angeordnet.
Die in der Fig. 8 dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Schnecke 6' und Schneckenschaft 37, 37' befinden sich (vgl. Fig. 2, 8) in vorderster Stellung. Der Elektromotor 29 setzt über das Getriebe 30 die Schnecke 6 in Rotation. Diese plastifiziert das aus dem Fülltrichter 7' nachfallende Material in den Raum zwischen Düse und Schneckenkopf. Das sich vor dem Schneckenkopf sammelnde Material drückt nun die Schnecke 6' und somit auch den Schneckenschaft 37, 37' zurück und nimmt dabei auch die Halteplatte 38, die Schraubenfeder 39 und die Füh rungsbolzen 40 mit.
Erst nachdem das Verstellglied 44 mit der Führungsplatte 42 zur Anlage kommt, wird der Schneckengegendruck (Staudruck) stufenlos wirksam und gleicht die nun immer kürzer werdende wirksame Gewindelänge der Schnecke 6' und die dadurch abfallenden Temperaturen erfindungsgemäss aus.
Durch entsprechendes Einstellen des Abstandes zwischen Verstellglied 44 und Führungsplatte 42, sowie durch das Auswechseln verschieden starker Schraubenfedern 39 kann jeweils die erforderliche Wirkung innerhalb eines Schussgewichtes erzielt werden.