Verfahren und Vorrichtung zur periodischen Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffen durch Intrusion auf einer Schnecken-Spritzgiessmaschine
Es sind Spritzgiessmaschinen zur periodischen Herstellung von Forskörpern bekannt und angewandt worden, bei welchen eine Schnecke durch Rotation die aufgegebene thermoplastischen Massen plastifiziert und durch Axialverschiebung die Schmelze in die Form einspritzt; ferner solche, bei welchen eine Schnecke plastifiziert, während eine Kolbenanordnung die Einspritzung vornimmt.
Es wurde nun die Aufgabe gestellt, eine Vereinfachung und Verbesserung dieser Anordnungen zu finden derart, dass die Schnecke allein durch Rotation sowohl plastifiziert wie die Form füllt.
Derartige Anordnungen sind zwar ebenfalls schon bekanntgeworden. Diese bekannten Anordnungen haben aber folgende Nachteile: Nach Füllung der Form beginnt mit dem Abkühlungsprozess eine Schrumpfung der Masse. Wird nun nicht, wie bei der Spritzgiessmaschine, Schmelze unter Druck nachgefördert, so treten am Fertigteil Einfallstellen, Lunker, Abweichungen von den Formmassen und Herabsetzungen der Festigkeitseigenschaften ein. Soweit aber durch Rotation der Schnecke während des Abkühlprozesses Masse nachgefördert wird, reicht der dabei erzeugte Druck nicht in allen Fällen zum Schwundausgleich aus. Anderseits wird die Masse in der Schnecke dabei leicht überhitzt und schliesslich zersetzt, insbesondere bei dickwandigen Teilen mit langen Abkühlzeiten.
Ein weiterer Nachteil dieser Systeme ist, dass die zur Verfügung stehenden Massen nur in beschränkter Auswahl (meist Weich-Polyvinylchlorid und weichere Sorten Polyäthylen) eingesetzt werden können, da viele Massen während des verhältnismässig langsamen Formfüllvorganges erkalten, was mit abnehmenden Wandstärken des Fertigteiles zu Schwierigkeiten führt.
Mit dem in Versuchen erprobten erfindungsgemä ssen Verfahren und der Anordnung ist es gelungen, diese Nachteile der bekannten Systeme zu beseitigen und vor allem dickwandige Teile hochwertiger Qualität aus allen thermoplastischen Massen zu erzeugen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur periodischen Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffen durch Intrusion auf einer Schnecken-Spritzgiessmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff im Plastifizierzylinder durch die Rotation der in vorderster Lage befindlichen Schnecke aufgeschmolzen wird, dass dann die Schnecke dem Fülldruck unterworfen wird und der Kunststoff durch die Düse des Plastifizierzylinders unter Freihaltung eines Arbeitsspaltes in die Form gefördert wird, wobei die axial verschiebbare Schnecke während dieses Formfüllvorganges (Intrusion oder Fliessguss) durch eine steuerbare Axialkraft in vorderer, düsenseitiger Lage gehalten und dabei gleichzeitig die in den Schneckengängen befindliche, bis zur Schmelztemperatur gebrachte Masse im vorderen, düsenseitigen Teil der Schnecke, durch Erzeugung erhöhter Scherkräfte,
kurzzeitig derart überhitzt wird, dass sie die für die Herstellung der jeweiligen Formteile erforderliche Dünnflüssigkeit besitzt, dass nach erfolgter Formfüllung die Schnecke durch einen die gesteuerte Axialkraft überwindenden Förderstaudruck eine geringe, steuerbar veränderliche Strecke zurückgeschoben wird und danach die Rotation der Schnecke unterbrochen wird, und dass hierauf die Schnecke rnit einer dem Schrumpfprozess angepassten Axialkraft beaufschlagt wird, so dass während des Ab kühlvorganges > der Schrumpfung entsprechend, weitere aufgeschmolzene Masse in die Form und die Schnecke wieder in ihre Ausgangsstellung gelangt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung der erforderlichen Axial- und Rotationsbewegungen der Schnecke steuerbare Antriebseinrichtungen und zur Erzeugung der erforderlichen wechselnden Temperaturen und Viskositäten der Masse steuerbare Heizeinrichtungen vorgesehen und Schnecke und Schneckenzylinder derart ausgebildet sind, dass bei den steuerbaren Axialund Rotationsbewegungen der Schnecke wechselnde Scherkräfte erzeugt werden.
An den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen sei die Erfindung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnecken-Spritzgiessmaschine während des Formfüllvorganges (Intrusion oder Fliessguss).
Fig. 2 stellt die Maschine nach Fig. 1 im Augenblick des gerade beendeten Formfüllvorganges dar.
Fig. 3 stellt eine Vergrösserung des Schneckenund des Zylinderkopfes des Ausführungsbeispieles der Fig. 1 und 2 dar.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausbildung des Schnekkenkopfes.
Fig. 5 bringt eine Darstellung der Schneckenspitze.
Die durch den Einfülltrichter 3 aufgegebene Masse 4 wird in der Schnecke 2 (oder auch in mehreren Schnecken) plastifiziert und unter Mitwirkung der äusseren Beheizung 14 bis auf Schmelztemperatur gebracht (Fig. 1 und 2). Der durch die Rotation der Schnecke 2 (oder der Schnecken) erzeugte Förderdruck transportiert die Masse in die Form (im folgenden Intrusion genannt). Während dieses Prozesses befindet sich die Schnecke 2 in ihrer vorderen düsenseitigen Lage. Gemäss der Erfindung wird sie in dieser Lage durch Aufbringen von gesteuertem Axialdruck gehalten. Der Axialdruck kann beispielsweise hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch erzeugt werden.
Sobald die Form gefüllt ist und die Masse die Schneckengänge nicht mehr verlassen kann, baut sich ein erhöhter Förderstaudruck auf, welcher den entsprechend steuerbar veränderlich eingestellten, oben erwähnten Axialdruck überwindet und die Schnecke zurückdrückt, wie dies auch bei den bekannten Verfahren zu beobachten ist, die auf Schnecken-Spritzgussmaschinen ausgeübt werden. Im Gegensatz dazu wandert die Schnecke der erfindungsgemässen Anordnung nur eine geringe Strecke zurück, um gerade den erwähnten Schwundausgleich in der Form zu decken. Bei diesem kurzen Zurückwandern sammelt sich nämlich plastische Masse vor dem Schneckenkopf an, welche während des Abkühlvorganges durch die Schnecke unter der Wirkung eines nun dem Schrumpfprozess angepassten Axialdruckes in die Form eingepresst wird. Ein derartiger Nachdruck kann auch bei gleichzeitiger Schneckenrotation stattfinden.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung ist es möglich, im Gegensatz zu den erwähnten bekannten Systemen mit Schnecken ohne Axialdruckbeaufschlagung, dem Axialdruck ein solches Drucksteuerprogramm aufzuerlegen, wie es zur günstigsten Ausbildung des periodisch zu erzeugenden Formteiles notwendig ist.
Im vorderen düsenseitigen Teil des Schneckenzylinders 1, d. h. in dem Schneckenkopf 5 und gcgebenenfalls in den vorderen Schneckengängen, wird die vorplastifizierte Giessmasse unter der Wirkung starker Scherkräfte während des Formfüllvorganges kurzzeitig überhitzt und damit auf eine sehr geringe Viskosität gebracht. Hierdurch erhält die Masse die - für die Herstellung von Formteilen hochwertiger Struktur oder von geringen Wandstärken - erforderliche Dünnflüssigkeit. Die Erfahrung zeigt, dass sehr kurzzeitige Überhitzungen keine Schädigung der Kunststoffmasse verursachen; auch nicht bei solchen Stoffen, die eine kurze Reaktionszeit haben oder die, wie z. B. Polyvinylchlorid, sehr leicht zur Zersetzung neigen.
Dagegen bleibt infolge der kurzzeitigen Über- hitzung die hohe Fliessfähigkeit der Masse während des Füllvorganges in die Form 7, 8 noch länger erhalten, denn die Wärmeabführung durch die Wandungen der Form (Wärmeleitprozess) dauert wesentlich länger als die Erzeugung von Wärme durch Scherkräfte in der Masse.
Die Konizität des - an sich bekannten kegeligen glatten oder mit Schneckengängen ausgerüsteten Schneckenkopfes 5 ist geringer ausgeführt als die Konizität des kegeligen-ebenfalls glatten oder mit Konturen versehenen-Spritzmundstückes 1 (Fig. 4 und 5) oder des Zylinderkopfes 1 (Fig. 1, 2 und 3).
Auf diese Weise bilden die innere konische Zylinderwandung und der vordere Schneckenkopf 5 einen Spalt 16 (Fig. 3, 4 und 5), dessen Grösse - im Zusammenwirken mit der Teilung der Schnecke, der Gangtiefe, -steigung und Stegform - über der Länge des Schneckenkopfes 5 in Richtung auf die Düsen öffnung 6 hin stetig abnimmt. Dadurch wird, durch die abnehmende Spaltbreite, einen Richtung auf die Austrittsbohrung 6 hin-progressiv steigende Scherwirkung in der Giessmasse erreicht.
Die Grösse des Spaltes 16 ist mit Hilfe der geringen axialen Verschiebung der Schnecke 2 zu einem beliebigen Zeitpunkt des Arbeitsablaufes der Schnecke steuerbar veränderlich, wodurch die zu einer ausreichenden Dünnflüssigkeit der Kunststoffmasse notwendige kurzzeitige Überhitzung infolge der steuerbaren Scherung ebenfalls auch örtlich innerhalb der Spaltlänge beliebig gesteuert werden kann.
Dadurch kann auch während sehr langer Abkühlungszeiten in der Form 7, 8 - die z. B. bei der Herstellung von dickwandigen Teilen auftreten wiederholte Male, zu einem beliebigen Zeitpunkt der Schrumpfung des Materials in der Form entsprechend - Masse von ausreichender Dünnflüssigkeit erzeugt und nachgefördert werden; denn durch entsprechende Kombinationen von Axial- und Rotationsbewegungen der Schnecke 2 können in Verbindung mit der besonderen Ausbildung des Schnek kenkopfes 5 Temperatur und Viskosität der Giessmasse kurzzeitig erheblich geändert werden. Damit sind die Voraussetzungen zur Herstellung eines homogenen spannungsfreien Formlings mit sehr guten Festigkeitseigenschaften gegeben.
Durch druck-, zeit-, weg-, temperatur- und viskositätsabhängige Anzeigegeräte bzw. Relais (17, 19), 20, 22) kann mit Hilfe der Kontaktscheibe 18 auf der Schnecke 2 der funktionsgemässe Arbeitsablauf des Intrusionsvorganges überwacht und gesteuert werden. Diese Relais, z. B. die Relais 19 und 22 (Fig. 1 und Fig. 2), können örtlich verschiebbar, und damit je nach den Erfordernissen örtlich einstellbar, angeordnet sein. Sie werden wegen ihrer allgemein bekannten und herkömmlichen Bauart hier nicht näher beschrieben.
Kleinere Abweichungen von den eingestellten Sollwerten - hinsichtlich des zeitlichen Formfüllgrades, der Schrumpfung in der Form, der Temperatur, der Viskosität, der thermischen Stabilität der Masse und des Förderdruckes - können kurzzeitig durch selbsttätig arbeitende einstellbare Regelungen über die Gesamtsteuerung der Maschine in Verbindung mit der erfindungsgemässen Ausbildung des Schneckenkopfes 5 ausgeglichen werden, wodurch die Gleichmässigkeit hinsichtlich der qualitativen Eigenschaften der Fertigteile im hohen Grade gewährleistet ist.
In durchgeführten Versuchen zeigte sich, dass die - zu einer kurzzeitigen Überhitzung der Giessmasse erforderliche-Scherung im kegeligen Abschnitt des Schneckenkopfes 5 noch intensiver gemacht werden kann, wenn die treibenden Stegkanten 21 (Fig. 3 und 4) scharf, während die ablaufenden Stegrücken 23 der Schneckengänge auf dem kegeligen Abschnitt des Schneckenkopfes 5 und gegebenenfalls auch der vorderen Schneckengänge abgerundet und konisch zur Schneckenachse ausgebildet sind. Dabei kann die Teilung in Richtung zur Düse hin abnehmen.
Die Giessmasse erfährt somit infolge der Ausbildung von Gangtiefe, Gangsteigung und Stegform über der Länge des kegeligen Abschnittes innerhalb der Schnecke, insbesondere des Schneckenkopfes 5, auf dem Wege zur Düsenöffnung 6 hin eine - den jeweiligen Änderungen des Spaltes 16 zwischen der inneren Oberfläche des Zylinderkopfes 1 und den äusseren Konturen der Schnecke 2 entsprechende in ihren Höchst- und Tiefstwerten auch örtlich einstellbar wechselnde Scherung. Diese örtlich wechselnde Scherwirkung kann zu einem wählbaren Zeitpunkt des Formfüll- oder des Erstarrungsvorganges oder des Formfüll- und des Erstarrungsvorganges in Verbindung mit der axialen Verschiebung und der Rotation der Schnecke gesteuert werden, wodurch ein oder mehrere Male eine kurzzeitige steuerbare Temperatur- und Viskositätsänderung erzielt werden kann.
Im Prinzip können alle bei Schnecken üblichen konstruktiven Möglichkeiten hinsichtlich Gangzahl, Gangsteigungen, Teilungen und Stegformen verwendet werden. Es erweist sich als besonders vorteilhaft für die Ausbildung des kegeligen Abschnittes des Schneckenkopfes, der Schneckenspitze, - die im Bereich der plastischen Masse arbeitet - in Richtung auf die Düse hin, also mit sinkender Umfangsgeschwindigkeit, abnehmende Gangtiefen, Gangsteigungen und Teilungen zu wählen.
Es sind alle konstruktiv ausführbaren Spitzenformen und Spiralkopfausbildungen mit gleichem oder verschiedenem Steigungswinkel, gleicher oder ungleicher Stegbreite, Ganghöhe, Gangprofilierung möglich. Gleichfalls können im festen Spritzkopf besondere Massnahmen zur Erhöhung der Scherwirkung vorgesehen sein, z. B. Einbauten, axparallel oder gleich- oder gegenläufige spiralige Einfräsungen usw. Die Erfindung kann auch bei Ein- oder Mehrschnecken-Spritzgussmaschinen mit einem oder mehreren Schneckenzylindern angewendet werden.
Durch die erfindungsgemässe Verfahrensweise und die erfindungsseitig vorgeschlagene Ausführungsform der Intrusionsmaschine wird eine ausgezeichnete Förder-, Reinigungs- und Knetwirkung der Giessmasse erzielt. Durch das wechselnde Schergefälle über der Länge des kegeligen Abschnittes im Schnekkenkopf 5 und gegebenenfalls der Schnecke 2 wird unter Mitwirkung der hohen Strömungsgeschwindigkeit der aufgeschmolzenen Giessmasse ein Anbrennen oder Haften der Kunststoffmasse an den heissen Metallwandungen vermieden. Selbst schwierigste Farbund Materialwechsel können in kürzester Zeit ohne Schwierigkeit und ohne besondere Reinigung durchgeführt werden.
Die bisher genannten und beschriebenen Vorteile der Erfindung kommen voll zur Geltung, wenn die - zu einem beliebigen Zeitpunkt des funktionsbedingten Arbeitsablaufes während des Intrusionsvorganges steuerbar erzeugte - Dünnflüssigkeit der Giessmasse möglichst lange ohne Wärmeverlust auf dem Wege in die Form 7, 8 erhaltenbleibt. Dies kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch erreicht werden, dass der kegelige glatte oder mit Gängen ausgeführte Schneckenkopf 5 eine exzentrisch angeschliffene kegelförmige Spitze 24 (Fig. 4) erhält. Diese ragt bis in die Austrittsbohrung 6 des Spritzmundstückes bzw. des Zylinderkopfes 1 hinein und erzeugt durch Umdrehungen der Schnecke 2 noch im Düsenkanal 6 - also unmittelbar vor dem Einfliessen der Masse in die Form 7, 8 ein wechselndes Schergefälle.
Dadurch wird eine zusätzliche Scher-, Rühr- und Reinigungswirkung erzielt und ausserdem erreicht, dass die kalte Angusspfropfen bis an die Schneckenspitze abgerissen wird.
Ausserdem kann der kegelige Abschnitt des Schneckenkopfes 5 einerseits und die Düse bzw. der Zylinderkopf 1 anderseits derart geformt oder mit Konturen versehen werden, dass steuerbar durch Axialverschiebung oder Rotation oder Axialverschiebung und Rotation der Schnecke ein Spalt 16 oder eine Dichtung 25 gebildet werden. Während des Intrusionsvorganges bildet sich infolge des Förderdruckes ein Spalt 16, der in seiner Grösse zu einem beliebigen Zeitpunkt durch entsprechende Druckbeaufschlagung der Schnecke 2 variabel ist und durch den die aufgeschmolzene Giessmasse 4 in die Form 7, 8 fliesst.
Kurz vor der Formabhebung von der Düse oder der Düsenabhebung von der Form 7, 8 -, die durch an sich bekannte Mittel erfolgt und deshalb hier nicht näher beschrieben ist, wird der Spalt 16, durch axiale Druck- oder Rotationsbeaufschlagung oder Druck und Rotationsbeaufschlagung der Schnecke, so weit verringert, bis der kegelige Abschnitt des Schneckenkopfes 5 mit dem entsprechenden Abschnitt des Zylinderkopfes 1 (Fig. 3) oder die Schneckenspitze 5 mit der Düsenbohrung 6 eine Dichtung 25 herstellen (Fig. 5). Die hierbei jeweils erforderliche Axialbewegung der Schnecke kann durch einen von aussen verstellbaren Anschlag 15 eingestellt werden. Durch die Bildung einer Dichtung 25 wird das Heraustreten von aufgeschmolzener Masse aus dem Schneckenzylinder während des Entformungsvorganges verhindert.
Gleichzeitig wird durch diese Ausführung das Herausziehen des Angusspfropfens erleichert, da dieser von der Masse im vorderen Teil des Schneckenzylinders 1 getrennt wird. Diese Ausführung bietet den weitern Vorteil, dass beim Beginn der Plastifizierung eine Förderung von Masse 4 in die Form 7, 8 so lange steuerbar unterbunden wird, bis die Masse, die sich im vorderen konischen Abschnitt des Schneckenzylinders 1 befindet und die während des vorausgegangenen Entformungsvorganges erkaltet ist, durch Scherung wieder so weit aufgeschmolzen ist, dass sie die für den Formfüllprozess notwendige Dünnflüssigkeit erreicht hat.
Unter Anwendung des oben beschriebenen erfindungsgemässen Verfahrens und der Anordnung konnten z. B. grosse, dickwandige Rohrfittings aus weichmacherfreiem Polyvinylchlorid hergestellt werden, welche hinsichtlich ihrer Berstdruckhöhe wie ihrer Zähigkeit und ihrer Gesamtstruktur solchen im bekannten Spritzgiessverfahren hergestellten weit überlegen waren und ausserdem noch eine wesentlich bessere Oberflächenbeschaffenheit zeigten. Auch relativ dünnwandige Teile aus anderen Massen konnten durch starke Kurzzeit-Erhitzung erzeugt werden, ohne dass ein erhöhter Molekularabbau nachgewiesen werden konnte.
Das Intrusionsverfahren eignet sich besonders für die Herstellung von komplizierten Spritzlingen aus thermisch empfindlichen Massen, weil Plastifizierprozess und Abkühlvorgang beliebig steuerbar überlagert werden können.
Die Herstellung solcher hochwertiger Formteile von gleichbleibender Qualität kann nach dem erfindungsgemässen Verfahren und der Vorrichtung beispielsweise wie folgt durchgeführt werden.
In dem Schneckenzylinder 1 arbeitet die Schnecke 2, die den durch den Einfülltrichter 3 aufgegebenen Kunststoff 4 durch Erzeugung von Scherkräften unter Mitwirkung der äusseren Beheizung 14 plastifiziert, transportiert und mit dem durch Rotation erzeugten Förderdruck in die aus den beiden Formhälften 7 und 8 bestehenden Form einspritzt. Während ein Motor 9 über das Getriebe 10 die Schnecke 2 in Rotation versetzt, erfolgt die steuerbare axiale Druckbeaufschlagung der Schnecke 2 über ein Axial-Drucklager 13 durch den Kolben 12 im Hydraulikzylinder 11.
Diese steuerbare axiale Druckbeaufschlagung der Schnecke 2 ist notwendig, um die Schnecke 2 während des Formfüllvorganges entgegen dem Förderstaudruck im vorderen, düsenseitigen Teil des Schneckenzylinders 1 derart zu halten, dass der steuerbar veränderliche Spalt 16 - der von dem Schneckenkopf 5 und dem Zylinderkopf 1 oder der Düse gebildet wird - die für den jeweiligen Spritzvorgang notwendige Grösse hat. Sobald die Form gefüllt ist, wandert die Schnecke 2 infolge des erhöhten Förderstaudruckes um einen geringen Betrag zurück. Die auf der Schnecke 2 befestigte Kontaktscheibe 18 betätigt den verschiebbaren Steuerschalter 22, der die programmgemässe axiale Druckbeaufschlagung der Schnecke 2 während des Erstarrungsvorganges des Spritzlings in der Form durch elektrische Kontakte steuert und überwacht.
Der ebenfalls örtlich verschiebbare Steuerschalter 19 überwacht die Einhaltung der eingestellten Spaltbreite 16 während des Plastifizierens. Bei Abweichungen vom vorherbestimmten Sollwert betätigt die Kontaktscheibe 18 den Steuerschalter 19, der die Rotations- oder Druckbeaufschlagung oder die Rotations- und Druckbe aufschlagung der Schnecke 2 in an sich bekannter Weise durch Betätigung von elektrischen Mikroschaltern verstärken oder vermindern kann. Die Schaltfunktionen der Schalter 19 und 22 werden teilweise durch Kombinationen mit Zeitschaltern herkömmlicher Bauart ergänzt oder auch teilweise übernommen, um den Verfahrensablauf zu gewährleisten.
Kurz vor dem Entformen des Spritzlings wird die Schnecke 2, durch eine Druckbeaufschlagung der Schnecke über den Hydraulikkolben 12 oder durch eine gegenläufige Rotation der Schnecke 2 über das Getriebe 10 bis gegen einen einstellbaren Anschlag 15 so weit vorgetrieben, dass die Schneckenspitze 5 mit der Düse eine Dichtung 25 bildet (Fig. 3 und 5). Diese Dichtung hat die Aufgabe, flüssige Masse und erstarrten Angusspfropfen voneinander zu trennen. Ausserdem wird mit dieser Dichtung erreicht, dass beim Anlaufen des Prozesses keine ungenügend aufgeschmolzene Masse vorzeitig in den Angusskanal entweicht. Das Manometer 17 zeigt dem Bedienungspersonal die tatsächliche Druckbeaufschlagung der Schnecke 2 in jedem Augenblick des funktionsgemässen Arbeitsablaufes der Maschine an.
Im Kopf des Zylinders 1 bzw. im Spritzmundstück ist das Relais 20 angebracht, das die Temperatur oder Viskosität der dünnflüssigen Schmelze im Spalt 16 kurz vor dem Einfluss in die Form 7, 8 fortwährend registriert. Abweichungen vom Sollwert werden selbsttätig durch Impulse in bekannter Weise über die Gesamtsteuerung der Maschine (Rotations- und axiale Druckbeaufschlagung der Schnecke sowie äussere Beheizung) ausgeglichen.
Bei erheblichen Abweichungen vom Sollwert wird die gesamte Maschine abgeschaltet, um Schaden zu verhüten.
Method and device for the periodic production of molded articles from plastics by intrusion on a screw injection molding machine
Injection molding machines for the periodic production of moldings are known and used, in which a screw plasticizes the applied thermoplastic mass by rotation and injects the melt into the mold by axial displacement; also those in which a screw plasticizes while a piston arrangement carries out the injection.
The task has now been set to find a simplification and improvement of these arrangements in such a way that the screw both plasticizes and fills the mold through rotation alone.
Such arrangements are also already known. However, these known arrangements have the following disadvantages: After the mold has been filled, the mass begins to shrink during the cooling process. If, as in the case of the injection molding machine, melt is not fed under pressure, sink marks, voids, deviations from the molding compounds and reductions in strength properties occur on the finished part. If, however, the rotation of the screw during the cooling process causes the mass to be replenished, the pressure generated is not always sufficient to compensate for shrinkage. On the other hand, the mass in the screw is slightly overheated and finally decomposed, especially in the case of thick-walled parts with long cooling times.
Another disadvantage of these systems is that the available masses can only be used in limited numbers (mostly soft polyvinyl chloride and softer types of polyethylene), since many masses cool down during the relatively slow mold filling process, which leads to difficulties as the wall thicknesses of the finished part decrease .
With the method and the arrangement according to the invention, which have been tried and tested, it has been possible to eliminate these disadvantages of the known systems and, above all, to produce thick-walled parts of high quality from all thermoplastic compounds.
The method according to the invention for the periodic production of molded articles from plastics by intrusion on a screw injection molding machine is characterized in that the plastic in the plasticizing cylinder is melted by the rotation of the screw located in the foremost position, that the screw is then subjected to the filling pressure and the plastic through the nozzle of the plasticizing cylinder is conveyed into the mold while keeping a working gap free, with the axially displaceable screw being held in the front, nozzle-side position by a controllable axial force during this mold filling process (intrusion or flow casting), while at the same time bringing the screw in the screw channels up to the melting temperature Mass in the front, nozzle-side part of the screw, by generating increased shear forces,
is briefly overheated in such a way that it has the thin liquid required for the production of the respective molded parts, that after the mold has been filled, the screw is pushed back a small, controllably variable distance by a back pressure overcoming the controlled axial force and then the rotation of the screw is interrupted, and that an axial force adapted to the shrinking process is then applied to the screw, so that during the cooling process> according to the shrinkage, further melted mass enters the mold and the screw returns to its original position.
The device according to the invention for performing this method is characterized in that controllable drive devices are provided to achieve the required axial and rotational movements of the screw and controllable heating devices are provided to generate the required changing temperatures and viscosities of the mass, and the screw and screw cylinders are designed in such a way that the controllable Axial and rotational movements of the screw alternating shear forces are generated.
The invention will be described in more detail using the exemplary embodiments shown in FIGS.
Fig. 1 shows a screw injection molding machine during the mold filling process (intrusion or flow casting).
Fig. 2 shows the machine of Fig. 1 at the moment of the mold filling process that has just ended.
Fig. 3 shows an enlargement of the screw and the cylinder head of the embodiment of Figs.
Fig. 4 shows another design of the screw head.
Fig. 5 shows a representation of the screw tip.
The mass 4 fed through the hopper 3 is plasticized in the screw 2 (or in several screws) and brought up to the melting temperature with the help of the external heater 14 (FIGS. 1 and 2). The delivery pressure generated by the rotation of the screw 2 (or screws) transports the mass into the mold (hereinafter referred to as intrusion). During this process the screw 2 is in its front position on the nozzle side. According to the invention, it is held in this position by applying controlled axial pressure. The axial pressure can be generated hydraulically, pneumatically or mechanically, for example.
As soon as the mold is filled and the mass can no longer leave the screw flights, an increased conveying back pressure builds up, which overcomes the above-mentioned axial pressure and pushes the screw back, as can also be observed in the known methods which be exercised on screw injection molding machines. In contrast to this, the screw of the arrangement according to the invention only moves back a short distance in order to cover the mentioned shrinkage compensation in the form. During this short wandering back, plastic mass accumulates in front of the screw head, which is pressed into the mold during the cooling process by the screw under the effect of an axial pressure that is now adapted to the shrinking process. Such a holding pressure can also take place with simultaneous screw rotation.
With the arrangement according to the invention it is possible, in contrast to the mentioned known systems with screws without axial pressure application, to impose such a pressure control program on the axial pressure as is necessary for the most favorable formation of the molded part to be periodically produced.
In the front part of the screw cylinder 1 on the nozzle side, d. H. In the screw head 5 and, if applicable, in the front screw flights, the preplasticized casting compound is briefly overheated under the action of strong shear forces during the mold filling process and thus brought to a very low viscosity. This gives the mass the thin liquid required for the production of molded parts with a high-quality structure or low wall thicknesses. Experience shows that very brief overheating does not damage the plastic compound; not even with substances that have a short reaction time or that, such as. B. polyvinyl chloride, tend to decompose very easily.
On the other hand, as a result of the brief overheating, the high flowability of the mass during the filling process in the mold 7, 8 is retained even longer, because the heat dissipation through the walls of the mold (heat conduction process) takes much longer than the generation of heat through shear forces in the mass .
The conicity of the conical, smooth or with screw flights equipped screw head 5 is designed less than the conicity of the conical - also smooth or provided with contours - injection nozzle 1 (Figs. 4 and 5) or the cylinder head 1 (Figs. 1, 2 and 3).
In this way, the inner conical cylinder wall and the front worm head 5 form a gap 16 (Fig. 3, 4 and 5), the size of which - in cooperation with the pitch of the worm, the thread depth, pitch and land shape - over the length of the worm head 5 in the direction of the nozzle opening 6 decreases steadily. As a result, due to the decreasing gap width, a progressively increasing shear effect in the casting compound is achieved in one direction towards the outlet bore 6.
The size of the gap 16 is controllably variable with the help of the slight axial displacement of the screw 2 at any point in time during the working sequence of the screw, whereby the short-term overheating necessary for a sufficiently thin liquid of the plastic mass due to the controllable shear can also be controlled locally within the gap length can.
As a result, even during very long cooling times in the form 7, 8 - the z. B. in the production of thick-walled parts occur repeatedly, at any point in time, the shrinkage of the material in the form accordingly - mass of sufficient thin liquid is generated and replenished; because by appropriate combinations of axial and rotational movements of the screw 2 can kenkopfes 5 temperature and viscosity of the casting compound can be briefly changed significantly in conjunction with the special design of the worm. The prerequisites for the production of a homogeneous, stress-free molding with very good strength properties are thus met.
By means of pressure, time, path, temperature and viscosity-dependent display devices or relays (17, 19), 20, 22), the functional workflow of the intrusion process can be monitored and controlled with the help of the contact disk 18 on the screw 2. These relays, e.g. B. the relays 19 and 22 (Fig. 1 and Fig. 2), can be locally displaceable, and thus locally adjustable depending on the requirements, be arranged. Because of their well-known and conventional design, they are not described in detail here.
Smaller deviations from the set target values - with regard to the degree of filling of the mold over time, the shrinkage in the mold, the temperature, the viscosity, the thermal stability of the mass and the delivery pressure - can be avoided for a short time by automatically working adjustable controls over the overall control of the machine in conjunction with the Training of the worm head 5 are compensated, whereby the uniformity with regard to the qualitative properties of the finished parts is guaranteed to a high degree.
Tests carried out showed that the shear in the conical section of the screw head 5, which is required for brief overheating of the casting compound, can be made even more intense if the driving web edges 21 (FIGS. 3 and 4) are sharp, while the running web 23 of the Screw threads on the conical section of the screw head 5 and optionally also the front screw threads are rounded and conical to the screw axis. The division can decrease in the direction of the nozzle.
As a result of the formation of flight depth, flight pitch and web shape over the length of the conical section within the screw, in particular the screw head 5, on the way to the nozzle opening 6, the casting compound thus experiences one - the respective changes in the gap 16 between the inner surface of the cylinder head 1 and the outer contours of the screw 2 corresponding in their maximum and minimum values, also locally adjustable, changing shear. This locally changing shear action can be controlled at a selectable point in time of the form filling or solidification process or the form filling and solidification process in connection with the axial displacement and rotation of the screw, whereby a short-term controllable temperature and viscosity change can be achieved one or more times can.
In principle, all of the design options common to screws with regard to the number of flights, pitches, pitches and flight shapes can be used. It has proven to be particularly advantageous for the formation of the conical section of the screw head, the screw tip, - which works in the area of the plastic mass - in the direction of the nozzle, i.e. with decreasing circumferential speed, to choose decreasing flight depths, pitches and pitches.
All constructive tip shapes and spiral head designs with the same or different pitch angle, the same or different web width, pitch, pitch profiling are possible. Likewise, special measures to increase the shear effect can be provided in the fixed spray head, for. B. fixtures, axparallel or parallel or counter-rotating spiral millings, etc. The invention can also be used in single or multi-screw injection molding machines with one or more screw cylinders.
The method according to the invention and the embodiment of the intrusion machine proposed by the invention achieve an excellent conveying, cleaning and kneading effect of the casting compound. Due to the changing shear gradient over the length of the conical section in the screw head 5 and possibly the screw 2, the high flow rate of the melted casting compound prevents the plastic compound from burning or sticking to the hot metal walls. Even the most difficult color and material changes can be carried out in a very short time without difficulty and without special cleaning.
The advantages of the invention mentioned and described so far come into their own when the thin liquid of the casting compound - which is controllably generated at any point in the function-related workflow during the intrusion process - is retained as long as possible without heat loss on the way to the mold 7, 8. In a further exemplary embodiment of the invention, this can be achieved in that the conical, smooth or flighted worm head 5 has an eccentrically ground conical tip 24 (FIG. 4). This protrudes into the outlet bore 6 of the injection nozzle or of the cylinder head 1 and, by rotating the screw 2, generates an alternating shear gradient in the nozzle channel 6 - i.e. immediately before the mass flows into the mold 7, 8.
This achieves an additional shearing, stirring and cleaning effect and also ensures that the cold sprue plug is torn off right up to the screw tip.
In addition, the conical section of the screw head 5 on the one hand and the nozzle or cylinder head 1 on the other hand can be shaped or provided with contours in such a way that a gap 16 or a seal 25 is formed controllably by axial displacement or rotation or axial displacement and rotation of the screw. During the intrusion process, a gap 16 is formed as a result of the conveying pressure, the size of which is variable at any point in time by applying pressure to the screw 2 and through which the melted casting compound 4 flows into the mold 7, 8.
Shortly before the die lift-off from the nozzle or the nozzle lift-off from the mold 7, 8 -, which takes place by means known per se and is therefore not described in detail here, the gap 16 is opened by axial pressure or rotation or pressure and rotation of the screw , so far reduced until the conical section of the worm head 5 with the corresponding section of the cylinder head 1 (Fig. 3) or the screw tip 5 with the nozzle bore 6 produce a seal 25 (Fig. 5). The axial movement of the screw required in each case here can be adjusted by means of a stop 15 which can be adjusted from the outside. The formation of a seal 25 prevents molten mass from emerging from the screw cylinder during the demolding process.
At the same time, this design makes it easier to pull out the sprue plug, since it is separated from the mass in the front part of the screw cylinder 1. This embodiment has the further advantage that at the beginning of the plasticization, a conveyance of mass 4 into the mold 7, 8 is controllably prevented until the mass that is in the front conical section of the screw cylinder 1 and that cools down during the previous demolding process is melted again by shearing to such an extent that it has reached the thin liquid required for the mold filling process.
Using the above-described inventive method and arrangement, for. B. large, thick-walled pipe fittings are made of plasticizer-free polyvinyl chloride, which were far superior to those produced in the known injection molding process in terms of their burst pressure level, their toughness and their overall structure and also showed a much better surface quality. Even relatively thin-walled parts from other masses could be produced by strong short-term heating without any increased molecular degradation being detected.
The intrusion process is particularly suitable for the production of complex injection molded parts from thermally sensitive masses, because the plasticizing process and the cooling process can be superimposed in any controllable manner.
The production of such high-quality molded parts of constant quality can be carried out according to the method and device according to the invention, for example as follows.
The screw 2 works in the screw cylinder 1, plasticizing and transporting the plastic 4 fed in through the hopper 3 by generating shear forces with the help of the external heating 14 and injecting it into the mold consisting of the two mold halves 7 and 8 with the delivery pressure generated by rotation . While a motor 9 sets the worm 2 in rotation via the gear 10, the controllable axial pressurization of the worm 2 takes place via an axial pressure bearing 13 through the piston 12 in the hydraulic cylinder 11.
This controllable axial application of pressure to the screw 2 is necessary in order to hold the screw 2 during the mold filling process against the back pressure in the front, nozzle-side part of the screw cylinder 1 in such a way that the controllably variable gap 16 - that of the screw head 5 and the cylinder head 1 or the Nozzle is formed - the size necessary for the respective spraying process. As soon as the mold is filled, the screw 2 moves back by a small amount as a result of the increased conveying back pressure. The contact disk 18 attached to the screw 2 actuates the displaceable control switch 22, which controls and monitors the programmed axial pressurization of the screw 2 during the solidification process of the molded part in the mold through electrical contacts.
The control switch 19, which can also be moved locally, monitors compliance with the set gap width 16 during plasticizing. If there are deviations from the predetermined target value, the contact disk 18 actuates the control switch 19, which can increase or decrease the application of rotation or pressure or the application of rotation and pressure to the screw 2 in a known manner by actuating electrical microswitches. The switching functions of switches 19 and 22 are partially supplemented by combinations with time switches of conventional design or also partially taken over in order to ensure the process sequence.
Shortly before the molded part is removed from the mold, the screw 2 is advanced so far by pressurizing the screw via the hydraulic piston 12 or by rotating the screw 2 in the opposite direction via the gear 10 against an adjustable stop 15 that the screw tip 5 with the nozzle Seal 25 forms (Figs. 3 and 5). This seal has the task of separating liquid mass and solidified sprue plug from one another. In addition, this seal ensures that no insufficiently melted mass escapes prematurely into the runner when the process is started. The manometer 17 shows the operating personnel the actual pressurization of the screw 2 at every moment of the functional work sequence of the machine.
In the head of the cylinder 1 or in the injection nozzle, the relay 20 is attached, which continuously registers the temperature or viscosity of the low-viscosity melt in the gap 16 shortly before it enters the mold 7, 8. Deviations from the target value are automatically compensated for by impulses in a known manner via the overall control of the machine (rotational and axial pressurization of the screw and external heating).
If there are significant deviations from the target value, the entire machine is switched off to prevent damage.