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.
Method and device for controlling screw plasticizing machines for plastics, preferably screw injection molding machines
It is common practice to operate screw plasticizing machines at constant speed after they have started up. It is known that the energy or heat required to plasticize the plastic is mainly fed into the plastic mass as frictional heat (plastic against plastic and plastic against metal surfaces) and only to a lesser extent by conduction (from the external heating of the plasticizing cylinder).
Even machines without external heating are known in which the entire plasticizing heat is supplied as frictional heat via the screw drive.
In the case of continuously operating screw plasticizing machines, when producing a uniformly uniform product, the aim is to keep the proportions of plasticizing heat from external heating or drive energy as constant as possible.
Screw injection molding machines are known which are designed in such a way that the flow rate and / or the pressure of the pressure medium freely flowing into the piston chamber can be adjusted during the return flow. As a result, the plasticizing effect of the screw is influenced both by the speed of its reverse thrust and by the reaction force resulting from the axial pressure of the screw.
The machines of this type allow the plasticizing effect to be adapted to the respective material to be processed and the shape to be used; but they have the disadvantage that the fluctuations in the melt temperature caused by the discontinuous process cannot be compensated for within a shot weight. In screw injection molding machines, for example, only the external heating is regulated to a constant temperature. The proportion of plasticizing heat from the screw rotation and, accordingly, the temperature of the plastic compound fluctuate and periodically follow the injection cycle of the machine. machine. These fluctuations arise partly during the plasticizing process of the screw.
They are caused by the fact that the screw plasticizes plastic material at the beginning, which was heated in the plasticizing cylinder during the dead time, but at the end processes cold material from the filling funnel. In addition, when the screw moves axially, the heating zones of the external heater and the working zones of the plasticizing screw move against each other; the length of the plasticizing screw becomes shorter, which means that the melt temperatures can also drop towards the end of the plasticizing process.
Furthermore, it can be proven that the barrel and screw temperatures can rise above the temperature level set on the external heating due to the periodic operation and adjust to the target level again during the dead time.
Without describing further factors for the inevitable and uncontrollable temperature fluctuations in detail, it can be shown in experiments that the fluctuation range of the temperature increases with greater work cycle times to greater amounts.
In injection molding with screw injection molding machines, it often turns out to be disadvantageous that the mass that flows into the mold first is too cold and forms cold streaks around the sprue, the middle area of the mass that has flowed in is at the optimum temperature, the rest is mostly too cold, which results in an unfavorable welding of the bandage and a too early solidification of the sprue area. With the then customary increase in the holding pressure to avoid cavities, the solidified sprue is merely pressed into the molded part, but without welding. The gate area is therefore brittle and inhomogeneous.
All these disadvantages are avoided by the method according to the invention and the device according to the invention.
The method according to the invention for controlling screw plasticizing machines for plastics, preferably screw injection molding machines, is characterized in that, in adaptation to the characteristics of the plastic mass to be processed, the screw rotation according to time and speed or the screw counter pressure (dynamic pressure) and the screw rotation according to time and speed or the screw back pressure during the plasticizing process is controllably changed within a single injection cycle in such a way that the temperature fluctuations caused by the shortening of the effective screw length during the screw return are compensated and that within a plasticizing process, the mass flowing first and / or last into the mold has a higher temperature and has a lower viscosity.
The device according to the invention for carrying out this method is characterized in that means are provided which automatically and controllably change the screw rotation and / or the screw back pressure in the sense of compensation or partial overcompensation of the temperature fluctuations.
The invention is described in more detail with reference to FIGS. 1-8 of the drawing, which shows diagrams and exemplary embodiments.
Show it:
1 shows the course of the melt temperature as a function of the screw path within a shot weight,
2 shows a plasticizing cylinder in section, the screw being in the front position,
3 shows a plasticizing cylinder in section, the screw being in the retracted position,
4 shows the melt temperature as a function of the screw back pressure,
5 shows a pressure level or pressure curve control of the dynamic pressure as a function of the screw path in a schematic representation,
6 shows a pressure stage or Pressure curve control of the dynamic pressure as a function of the screw path in another embodiment,
7 shows a screw injection molding machine with the device according to the invention for controlling the dynamic pressure and
Fig.
8 a screw injection molding machine with the device according to the invention in another embodiment.
According to the present invention, the method and device will now be described below, with the help of which above all the fluctuations in the melt temperature within a shot weight caused by the discontinuous work process by influencing the screw rotation according to time and speed or by screw counter pressure (back pressure) and screw rotation according to time and speed or By regulating the pressure level or pressure curve, the screw back pressure can be compensated for in steps or continuously or changed in a controllable manner in such a way that molded parts of high uniform quality are produced.
As already mentioned, the proportion of plasticizing heat from the energy supplied via the screw shaft and, accordingly, the temperature of the plastic compound follow the injection cycle periodically and accordingly fluctuate in height. These fluctuations are caused by the fact that the screw 6 (FIG. 2) initially plasticizes plastic material which was heated during the dead time in the plasticizing cylinder 4, but at the end processes cold material from the hopper 7 (FIG. 3). In addition, when the screw 6 moves axially, the heating zone 8 of the external heater and the working zones of the plasticizing screw 6 move against each other, and the effective thread length of the plasticizing screw 6 becomes shorter (see in particular Fig. 3), which means that the melt temperatures drop towards the end of the plasticizing process.
Furthermore, the mass that first flows into the mold is often too cold because it is stored in the immediate vicinity of the nozzle 3 during the dead time and is therefore cooled more than the other mass that is stored in space 2.
In Fig. 1, depending on the screw path or screw stroke s, the course of the melt temperature T measured in experiments for a plasticizing process in the previously known screw injection molding machines is shown schematically. This curve 1 clearly shows that the masses flowing into the mold first and last, which are stored at the beginning of an injection process in space 2 between the nozzle 3 of the screw cylinder 4 and the screw head 5 of the screw 6 (Fig. 3), are too cold . These colder mass fractions cause the disadvantageous phenomena already described in the manufacture of molded parts.
FIGS. 2 and 3 illustrate the axial displacement of the screw 6 in the plasticizing cylinder 4 during plasticizing. The comparison of these FIGS. 2 and 3 shows that the effective thread length of the screw 6 steadily decreases during plasticizing, due to the function-dependent return of the screw.
In order to be able to eliminate the disadvantages of the cold plastic compounds flowing into the mold first and last, it is not possible to raise the entire temperature level for reasons of thermal decomposition.
To eliminate the disadvantages of the cold masses flowing into the mold first and last during an injection cycle, it is proposed that the screw rotation at the beginning, at the end or at the beginning and at the end of the plasticizing process should be optimally adapted to the characteristics of the plasticizing process within an arbitrarily selectable period processing plastic mass as planned. The injection can then be carried out with a stationary or rotating screw.
It is also proposed to combine the prescribed increase in screw rotation with a corresponding change in screw counterpressure at the beginning, at the end or at the beginning and end of a plasticizing process within an arbitrarily selectable period of time. Thereafter, at the beginning of the plasticizing process, the screw counterpressure and the rotation of the screw temporarily reduce the mass conveyance of the screw. The proportion of energy is increased significantly, based on the amount of plasticized plastic, but then, depending on the time or the particularly hot amount of plastic conveyed, the screw counterpressure is reduced and normal conveying of the screw is achieved with suitable low plasticizing temperatures.
In this way, a stock of mass with controlled different mass temperatures and correspondingly different viscosity is stored in front of the screw head. Because of the poor thermal conductivity of the plastic, the different temperatures cannot balance each other up to the point of injection. The higher temperature mass has the lower viscosity and flows particularly easily into the mold at the beginning of the injection and facilitates the injection process for the colder mass that flows in, since the channels are preheated the first time it flows through and have a heat-insulating solidified plastic layer.
Attempts to inject, re-press or inject and re-press with a rotating screw showed that the screw is able to convey plastic material against injection pressures of more than 1000 kg / cm2 in the direction of the screw head, i.e. against the backflow direction of the material, so that the frequently used non-return valves can be dispensed with. The injection process is also accelerated by positive mass conveyance, which results in clear rheological conditions at the screw head, which allow working with higher molar temperatures. The use of a worm that functions in this way therefore has considerable advantages and also represents a technically essential simple solution.
In detailed tests it was found that the temperature T of the plasticized plastic compound increases linearly with the screw back pressure p according to the straight line 9 in FIG.
According to a preferred exemplary embodiment of the invention, this functional relationship between the screw pressure p and the melt temperature T is used to compensate for the fluctuations in the melt temperature T which were previously unavoidable in the discontinuous process or to change them in a planned controlled manner. In FIG. 5, the course of the melt temperature T which is specific to the discontinuous process is drawn in again over the screw stroke s (dashed curve 1). This temperature profile 1 is now superimposed on the correspondingly changed stepwise temperature profile 10 (dotted line) or the stepless temperature profile 11 (dash-dotted line) shown in FIG. 5 by a planned, controllable pressure level or pressure curve control of the screw back pressure p.
In this way, even within a plasticizing process, mass with constant temperature is produced over the screw path s (solid line 12 in FIG. 5).
According to another embodiment, the mass temperature is regulated by a planned step-by-step (Fig. 6, dotted line 10 ') or stepless (dash-dotted line II') control of the screw back pressure within a plasticizing process in such a way that after superimposition with the known curve 1 of the mass temperature of the effective temperature profile 12 '(solid line) shown in FIG. 6 within a shot weight.
In this way it is achieved that the mass flowing into the mold first and last has a higher temperature than the rest of the plastic mass. This avoids the disadvantages mentioned in the injection molding production of molded parts, which arise from the fact that the material flowing into the mold first, the material flowing into the mold last, or the material flowing into the mold first and last, which has to travel the furthest way in the mold, to is cold. It is only through the planned change in the melt temperature as a result of the pressure level or pressure curve control that the conditions necessary for the injection of a high-quality technical molded part are created.
It is further proposed to control the screw rotation or the screw rotation combined with a correspondingly changed screw counter pressure according to the curve lines 11, 11 'or step-by-step according to the curve lines 10, 10' in order to achieve the optimum temperatures according to the lines 12, 12 '(Fig. 5 and 6) obtainable within one injection cycle in the plasticizing cylinder.
In FIGS. 7 and 8, for example, hydraulic and mechanical devices are shown in principle, with the aid of which the controls are carried out.
According to FIG. 7, the screw 6 'in the plasticizing cylinder 4', which is attached to the gear housing 13, can be moved. An electric motor 14 sets the screw 6 ', which plasticizes the material fed through the hopper 7', in rotation via the gear 15. As already mentioned, this can preferably be controlled according to the curve lines 10, 10 'and 11, 11' shown in FIGS. 5 and 6. The axial force is applied to the screw 6 ′ via the piston 17 located in the cylinder 16 and via the pipeline 18 through the pump unit 19.
The pressure level or pressure curve control of the screw back pressure within a plasticizing process takes place in the present example by a contact disc 21 attached to the screw shaft 20, which actuates the locally attached contacts 22 when the screw 6 'moves forward or backward. These transmit their control impulses via the lines 23 to the control cabinet 24, which is equipped with the appropriate relays and timers. The switchgear cabinet 24 then controls the quantity and pressure regulating valve 26, which is built into the pipeline 18, via the lines 25 in accordance with the received pulses.
The fluctuations in the melt temperature within a shot weight are eliminated by the stepwise or infinitely variable pressures that can be set at any desired level through the switch cabinet 24 and the volume and pressure control valve 26 within any selectable period of time in the space 27 of the cylinder 16.
In FIG. 8, the screw 6 ′ likewise runs in the plasticizing cylinder 4 ′ which is fastened to the gear housing 28. The rotation of the screw 6 ', which plasticizes the material fed in through the hopper 7', takes place via the electric motor 29 and the gear 30. The axial force is applied to the screw 6 'here by the screw drive 31, 32, via the connecting rod 33 and the Lever arm 34 which is rotatably mounted at 35.
The part of the screw shaft 37 ′ protruding from the guide cylinder 36 carries a holding plate 38 on which, for example, two helical springs 39 are attached. These springs 39 are fixedly connected at their end facing away from the holding plate 38 to a guide pin 40 which is slidably mounted in a corresponding bore 41 of a guide plate 42. The guide bolts 40 have at their free end, for example, a thread 43 onto which an adjusting member 44 is screwed in order to be able to adjust the effective length of the guide bolts 40 as desired.
So that the holding plate 38 is not influenced by the rotation of the screw 6 ', the screw shaft part 37' is separated from the screw shaft 37 and stored separately in the guide cylinder 36. In order to prevent greater mechanical friction losses, the bearings 45, 46 and 47 are arranged in the guide cylinder 36.
The device shown in Fig. 8 operates as follows:
Screw 6 'and screw shaft 37, 37' are (see. Fig. 2, 8) in the foremost position. The electric motor 29 sets the worm 6 in rotation via the transmission 30. This plasticizes the material falling from the hopper 7 'into the space between the nozzle and the screw head. The material that collects in front of the screw head now presses the screw 6 'and thus also the screw shaft 37, 37' back and also takes the retaining plate 38, the helical spring 39 and the guide bolts 40 with it.
Only after the adjusting member 44 comes into contact with the guide plate 42 does the screw counterpressure (dynamic pressure) take effect continuously and compensate for the increasingly shorter effective thread length of the screw 6 'and the resulting drop in temperatures.
By appropriately setting the distance between adjusting member 44 and guide plate 42, as well as by exchanging helical springs 39 of different strengths, the required effect can be achieved within one shot weight.