Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spritzgussmaschine für Plastikmaterial. Solche Spritzgussmaschinen dienen zum Kneten des geschmolzenen Plastikmaterials bei einem gewünschten Kompressionsverhältnis, wobei ohne Verwendung eines Rückschlagventils das Zurückfliessen verhindert wird.
Die an sich bekannte Spritzgussmaschine mit Reihenspindel hat den Vorteil, dass das Plastikmaterial zugeführt, geknetet, dosiert und mittels einer einzigen Spindel eingespritzt wird. Eine solche Maschine ist so ausgebildet, dass sie das Zurückfliessen während dem Einspritzen verhindert. Die meisten Maschinen jedoch sind in dieser Hinsicht nicht wirkungsvoll. Zur Zeit werden Ringventile verwendet, um das Zurückfliessen des Rohmaterials zu verhindern. Ein solches Ringventil kann jedoch häufig nicht schnell genug in die Schliessstellung gebracht werden, um das Zurückfliessen des Rohmaterials zu stoppen.
Daher ist die eingespritzte Quantität ungleich, so dass fehlerhafte Produkte entstehen. Überdies entsteht auf der Oberfläche, auf welcher das Ringventil mit dem drehenden Gewindestab in Berühtung kommt, oft ein hoher Druck, so dass die genannte Oberfläche des Ringventils abgenutzt wird und daher die Wirkung der Einspritzung beeinträchtigt. Zudem bleibt das geschmolzene Rohmaterial in einem solchen Ringventil gerne hängen und wird oft zersetzt, so dass das Erzeugnis gefärbt wird, was im Falle von durchsichtigen Erzeugnissen sehr unerwünscht ist.
Da ein einzelner Gewindestab sein eigenes vorbestimmtes Kompressionsverhältnis in dem Abschnitt haben soll, wo er das Rohmaterial zusammenpresst, muss er oft ausgewechselt werden. Das Entfernen und Wiedereinpassen eines Stabes erfordert viel Zeit und Arbeit, da doch für jedes Rohmaterial ein entsprechendes Kompressionsverhältnis gefordert wird. Die vorliegende Erfindung überwindet nun die oben genannten Nachteile.
Zweck der Erfindung ist es, eine Maschine zu schaffen, welche ein veränderliches Kompressionsverhältnis ermöglicht, welchem das Rohmaterial während dem Kneten unterworfen wird. Dabei muss kein Gewindestab ausgewechselt werden, da der verwendete Stab so konstruiert ist, dass er ein Zurückfliessen während dem Einspritzen verhindert. Weiterhin braucht es kein Rückschlagventil, in welchem gerne geschmolzenes Material hängen bleibt.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Maschine, welche einfach zu konstruieren und leicht zu bedienen ist, indem ein Ringventil weggelassen ist und ein neuartiger Gewindestab und neuartige Zuführmittel verwendet werden können.
Mit der Erfindung wird weiterhin die Schaffung einer Maschine mit einem Gewindestab bezweckt, welcher im wesentlichen eine kleine Rillentiefe und eine genügende Länge aufweist, um einerseits das Zurückfliessen des geschmolzenen Plastikgutes zu verhindern und anderseits einen genügend guten Kneteffekt hervorzubringen, so dass eine Materialsorte mit einer andern oder mit Pigmenten vollständig vermischt werden kann.
Die erfindungsgemässe Spritzgussmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im Heizzylinder drehbaren und hin und her bewegbaren Stab mit einem Gewinde besitzt, welches im wesentlichen eine kleine Rillentiefe und eine mit der Dosierungszone koordinierende Länge hat, so dass ein Rückwärtsfliessen des geschmolzenen Plastikmaterials verhindert wird, und dass sie Zufuhrmittel aufweist, um Rohmaterial einstellbar zum Gewindestab zu fördern, wobei die Zùfuhrrate desselben steuerbar ist.
Die Vorteile der Erfindung sind folgende:
1. Die erforderliche Antriebskraft für die Gewindestange wird verkleinert, indem die Zufuhr des Rohmaterials geregelt wird, wobei zugleich das Zurückfliessen des geschmolzenen plastischen Materials verhindert wird, und indem eine hohe Einspritzwirkung erhalten wird, da der Gewindestab im Bereiche der Dosierzone eine im wesentlichen kleine Gewindetiefe besitzt. Dazu wird kein Ringventil am Gewindestab benötigt und das Kompressionsverhältnis für das Rohmaterial ist verstellbar, so dass man Spritzgussprodukte von hervorragender Eigenschaft erhält.
2. Das Gussprodukt wird nicht unregelmässig gefärbt, da das geschmolzene plastische Material genügend gut durchgeknetet wird, wenn es durch den engen Spalt in der Dosierungszone hindurchgeht.
3. Das Rohmaterial wird schnell geschmolzen, wenn sich die Gewindestange mit hoher Geschwindigkeit dreht und wenn die Zufuhr des Rohmaterials in regelmässiger Quantität erfolgt. Das Rohmaterial ist formlos und genügend plastisch, da es infolge Abscherwirkung während dem Passieren durch den engen Spalt erhitzt wird, so dass das Plastischwerden des Rohmaterials regelmässig erfolgt. Diese Eigenschaft des plastischen Materials war bis jetzt aufs Spiel gesetzt, da immer ein Verlust an effektiver Länge zwischen der Einführ öffnung und der Spitze der Gewindestange entstand.
Vorteilhaft ist auch der Umstand, dass an der Energie zum Plastischmachen gespart wird und dass die thermische Hysterese des Rohmaterials minimal gehalten wird, da nur das notwendige Rohmaterial in den Heizzylinder gebracht wird.
Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Spritzgussmaschine beschrieben. In der Zeichnung zeigt: die Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Maschine, wobei ein Teil im Schnitt dargestellt ist, die Fig. 2 einen Längsschnitt eines im grösseren Massstab dargestellten Teiles der Maschine gemäss Fig. 1, die Fig. 3 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform für die Zuführmittel, die Fig. 4 die gleiche Ansicht wie die Fig. 1, wobei die Maschine am Heizzylinder mit Kühlmittel versehen ist, die Fig. 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform für die Zuführmittel gemäss Fig. 1, die Fig. 6 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform für die Zuführmittel gemäss Fig. 1, die Fig. 7 vergrössert eine Ansicht der Antreibemittel für die Speiseschnecke nach Fig. 6, die Fig. 8 einen Schnitt durch die Antreibemittel gemäss Fig.
7 und weiterhin zeigen die Fig. 9 und 10 graphische Darstellungen von Resultaten aus Experimenten, welche mit der erfindungsgemässen Maschine durchgeführt werden.
In der Zeichnung, insbesondere in der Fig. 1, ist mit 10 eine Spritzgussmaschine bezeichnet, welche einen Heizzylinder 1 und einen Gewindestab 2 besitzt, wobei der Stab im Zylinder drehbar und hin und her bewegbar montiert ist.
Bekanntlich weist der Gewindestab 2 eine Dosierzone, eine Kompressionszone und eine Zufuhrzone auf. Der Gewindestab ist mit einem Gewinde versehen, welches bezüglich der bekannten Gewindestäbe ein grosses Kompressionsverhältnis aufweist, beispielsweise grösser als 4:1. Die Gewindetiefe h ist im wesentlichen klein und beträgt beim aufgezeigten Ausführungsbeispiel 1 mm, siehe Fig. 2. Ein Wert von h wird dann für die Verhinderung des Zurückfliessens besser sein, wenn er kleiner ist. Jedoch kann der Wert von h wegen dem wachsenden Widerstand nicht übermässig klein gemacht werden, da sich das Rohmaterial beim Passieren am Gewinde erwärmen könnte. Der Gewindestab weist kein Ringventil auf, sondern ist hin und her bewegbar zwischen dem Kopfteil und Hinterteil des Zylinders eingelegt.
Um die Wirkung beim Einspritzen zu verbessern, muss das Zurückfliessen des Rohmaterials zur Zeit der Einspritzung verhin dert werden, indem die Gewindetiefe h in der Dosierungszone klein gemacht wird. Unabhängig vom Wert der Gewindetiefe h kann jedoch die Kraft K der Einspritzung mit dem Durchmesser D des Gewindestabes und mit der Länge L variiert werden. Ein optimaler Wert für h als Funktion von D und L kann mittels einer empirischen Formel errechnet werden, so dass eine Einspritzkraft K in einem bestimmten Bereich erhalten wird. Im Falle eines Newtonschen Flusses ist die Beziehung zwischen den Grössen h, D, L und Y (= 1-K) in der Hagen-Poiseuille-Gleichung ausgedrückt. Im Falle eines nicht-Newtonschen Flusses wird die Beziehung zwischen diesen Grössen durch das Kraftgesetz ausgedrückt, wenn K die Einspritzkraft ist.
Im Falle eines nicht-Newtonschen Flusses ändert sich ein Index in der Gleichung für das Kraftgesetzt bei verschiedenen Bedingungen.
Es wurde eine Formel, nämlich = a3w7#, angegeben, welche die Bedingung in der Nähe von g = 1 berücksichtigt.
Experimentelle Ergebnisse für die Beziehung zwischen h, L, D und# 11stimmen für a = 0,2 gut überein: h =0,23 wobei 0,01 < # < 0,1 ist, und die Masse für L, D und hin mm einzusetzen sind.
Die Einspritzkraft ist ohne Anwendung eines Rückschlagventils zufriedenstellend. Gewöhnlich ist r im Bereich von 0,01 < # 11 < 0,1 < 0,1 und L ist im Bereich von D < L < #3D.
Wie die Fig. 1 zeigt, ist ein Speisezylinder 3 für das Rohmaterial am Heizzylinder 1 angeordnet, wobei der Speisezylinder einen Gewindestab 4 zum Fördern des Rohmaterials aufweist. Die Speiseschnecke 4 ist mit einem Abschnitt 4B versehen, wobei die Rillenführung in entgegengesetztem Sinne angeordnet ist. 4A bezeichnet einen Teil des Gewindestabes, welcher zur Förderung des Rohmaterials dient. Dieser Teil hat eine entgegengesetzte Rillenführung 4B, wodurch gesichert ist, dass alles Rohmaterial in den Einspritzzylinder 1 fallen kann.
Weiterhin sind Öffnungen la und 3a am Einspritzzylinder 1 bzw. am Speisezylinder 3 angeordnet, so dass eine Passage 16 gebildet wird. Die Umdrehungszahl der Speiseschnecke 4 kann kontinuierlich mittels den Mitteln 5 verändert werden, welche die Geschwindigkeit kontinuierlich ändern. Die Speiseschnecke 4 wird zusammen mit dem Gewindestab 2 angetrieben, was aber in diesem Ausführungsbeispiel nicht gezeigt wird. Der Gewindestab 2 und die Förderschnecke 4 können unabhängig voneinander angetrieben werden, und die Zufuhr des Rohmaterials in den Injektionszylinder 1 kann in Abhängigkeit von der Belastung der Speiseschnecke 4 geregelt werden, wozu geeignete Kontrollmittel verwendet wer- den müssen. Weiterhin ist ein Trichter 6 zur Förderung des Rohmaterials auf dem Speisezylinder 3 angebracht.
Die graphischen Darstellungen in den Fig. 9 und 10 zeigen die Ergebnisse der Experimente, welche mit dieser Maschine durchgeführt wurden, wobei der Aussendurchmesser des Gewindestabes 2 40 mm war, und das Kompressionsverhältnis 4,4:1 betrug und die Gewindetiefe im Bereiche der Dosierzone des Stabes 1 mm betrug.
Die graphische Darstellung in der Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen der Drehzahl des Gewindestabes 2 und der Herstellungskapazität in kg pro Stunde, wobei das Rohmaterial mit einem gewöhnlichen Trichter in den Zylinder 1 gegeben wurde.
Die graphische Darstellung in der Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen der Umdrehunszahi des Gewindestabes 2 und dem Öldruck in kg pro cm2 in einem hydraulischen Motor, der den Gewindestab 2 antreibt, wobei der gleiche Gewindestab wie in Fig. 9 benutzt wurde. Die Kurve A zeigt den Fall, in welchem das Rohmaterial mit einem gewöhnlichen Trichter in den Zylinder 1 gegeben wurde. Die Kurve B zeigt den Fall, in welchem das Rohmaterial mit den neuen Zuführmitteln befördert wird. Die Kurve B kommt so zustande, dass die Umdrehungszahl des Gewindestabes 2 die gleiche bleibt wie bei der Fallspeisung, dass die Drehzahl der Speiseschnecke so eingestellt wird, dass die gleiche Masse wie bei der Fallspeisung hergestellt wird, und dass dann der Öldruck zum Antrieb der Gewindestange gemessen wird.
Wie die Fig. 10 zeigt, ist der Öldruck zum Antrieb der Gewindestange 2 an einem Punkt der Kurve B wesentlich kleiner als an einem entsprechenden Punkt auf der Kurve A, wobei der Motor mit der gleichen Drehzahl angetrieben wird und die gleiche Masse an Rohmaterial bei irgendeiner Drehzahl plastifizien wurde. Beispielsweise wird der öldruck 65 kg pro cm2 bei einer Umdrehungszahl von 300 pro Minute gemäss KurveB sein, während der Öldruck 80 kg pro cm2 bei der gleichen Umdrehungszahl gemäss Kurve A ist, was weiterhin zeigt, dass an der Arbeitsleistung zum Antrieb der Gewindestange 2 20% erspart wird.
Das Experiment zeigt deutlich, dass das zugeführte Rohmaterial unnötigerweise grösser ist, als bei der Fallspeisung, weshalb die gewöhnlichen Spritzgussmaschinen überaus viel Energie zum Antrieb der Gewindestange benötigen. In der Hinsicht kann an Antriebskraft eingespart werden, indem die Quantität des Rohmaterials optimal auf die Drehzahl des Gewindestabes während dem Plastifizieren abgestimmt wird. Ebenfalls wird ein notwendiger aber minimaler Betrag an Rohmaterial in den Heizzylinder gegeben, indem die Drehzahl der Speiseschnecke 4 justiert wird, wodurch die thermische Hysterese des Rohmaterials auf ein Minimum reduziert wird.
Bei einer solchen Maschine wird das Drehmoment zum Antreiben der Gewindestange wegen dem wachsenden Widerstand des Rohmaterials anwachsen, da die Gewindetiefe h im Bereiche der Dosierzone verhältnismässig klein ist, um ein Zurückiliessen des geschmolzenen Materials zu verhindern. Das geforderte Drehmoment jedoch wird am Ansteigen gehemmt, indem das Rohmaterial kontinuierlich zugeführt wird, so dass auf das gewöhnliche Ringventil verzichtet werden kann. Bis jetzt mussten verschiedene Faktoren bei einer solchen Maschine berücksichtigt werden, wie z. B.
der Einspritzdruck, die Einspritzgeschwindigkeit, die Drehzahl der Gewindestange, die Schmelztemperatur, die Zeit während welcher der Druck wirken soll, usw. Diese Faktoren können alle leicht mittels Druckknöpfen von Hand gesteuert werden. Nun ist es auch möglich, das Kompressionsverhältnis, bei we#lchem das geschmolzene Rohmaterial geknetet wird, als zusätzlichen Kontrollfaktor zu benutzen. Das Kompressionsverhältnis kann leicht durch Ändern der Drehzahl der Speiseschnecke 4 gesteuert werden.
Nun sollen die Mittel zum Ändern des Kompressionsverhältnisses näher beschrieben werden. Angenommen der Gewindestab 2 hat ein Kompressionsverhältnis von 4,4:1 und die Speiseschnecke hat den gleichen Durchmesser und die gleiche Gewindesteighöhe wie der Gewindestab 2 und die Drehzahl der Speiseschnecke 4 ist halb so gross wie diejenige des Gewindestabes 2, dann wird das Rohmaterial unter Ausnützung der halben Kapazität des Gewindestabes 2 in den Heizzylinder 1 fallen, worauf das Material zur Kompressionszone gelangt. Wenn das Rohmaterial im Bereiche der Zufuhrzone des Gewindestabes 2 gleich der Aufnahmekapazität ist, wird das Volumen um das 1/4,4fache verkleinert. Der Grad der Kompression wird verkleinert, d. h. das Rohmaterial kann um 1/2,2fach zusammengepresst werden, wenn die Menge des zugeführten Materials die Häfte der Kapazität der Zufuhrzone ist.
Bei dieser Maschine kann nun das Kompressionsverhältnis durch Verändern der Drehzahl der Speiseschnecke 4 gegenüber der Gewindestange 2 leicht verändert werden. Die Drehzahl der Speiseschnecke kann selbstverständlich ferngesteuert werden, indem Mittel 5 zum kontinuierlichen Ändern der Geschwindigkeit verwendet werden.
Wie die Fig. 3 zeigt, wird das Rohmaterial kontinuierlich in den Heizzylinder 1 gegeben, wobei Vibrationsmittel verwendet werden. Diese Speisemittel weisen einen Trichter 6 und eine Schüttelrinne 11 auf, welche mittels einem exzentrischen Nockenglied 12 um die Drehachse 13 schwenkbar sind.
In den Fig. 4 sind weiterhin Kühlmittel dargestellt, welche die vom Gewindestab 2 erzeugte Wärme absorbieren. Da die Gewindetiefe des Gewindestabes 2 im wesentlichen klein ist, wird der Widerstand des geschmolzenen plastischen Materials beträchtlich anwachsen, was infolge der Abscherwirkung zu einer Wärmeakkumulierung führt. Hohe Temperaturen können nicht gesteuert werden, wenn keine geeigneten Kühlmittel vorhanden sind, besonders dann nicht, wenn kontinuierlich gearbeitet wird und wenn das Material mit einem hohen Kompressionsverhältnis zusammengedrückt wird. Wie die Fig. 4 zeigt, sind mehrere kleine Gebläse 14 auf einem Tragelement 15 befestigt, welche direkt Luft auf den Zylinder
1 blasen. Der Heizzylinder 1 weist eine Anzahl von Heizelementen 1H auf.
Der Heizzylinder 1 kann auch mittels eines Wassermantels (nicht gezeigt) gekühlt werden oder der Gewindestab kann gekühlt werden, indem im Kühlstab eine Bohrung für das Kühlwasser vorgesehen wird. Zudem ist das Kühlsystem mit geeigneten automatischen Schaltern versehen, so dass das Gebläse automatisch eingeschaltet wird, wenn die Temperatur einen vorgeschriebenen Wert erreicht und ausgeschalten wird, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert unterschreitet.
Die Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform können zwei verschiedene Rohmaterialien über zwei verschiedene Trichter dem Gewindestab 2 zugeführt werden, so dass das Material unter der Wirkung von zwei koaxialen Gewindestäben gemischt wird. Da infolge der geringen Gewindetiefe h der Widerstand des Materials wächst, muss darauf geachtet werden, dass nicht mehr als nötig Rohmaterial zum Gewindestab 2 gefördert wird.
Die beiden Trichter 6A und 6B sind am Speisezylinder 3 befestigt, und die Speiseschnecke 4 ist drehbar in diesem Speisezylinder 3 gelagert. Die Speiseschnecke 4 ist unter dem Trichter 6A mit dem Gewinde 4A und unter dem Trichter 6B mit dem Gewinde 4B angeordnet, wobei die letzte Gewindeführung entgegengesetzt zum Gewinde 4A verläuft. Die Speiseschnecke 4 steht mit dem Gewindestab 2 in Wirkverbindung und wird von einem Paar von Zahnrädern 23, 22, von einer Achse 30, von ein Paar Rollen 21, 20 von einer Achse 50 und einem Paar von Zahnrädern 18 und 17 angetrieben. Das Zahnrad 23 ist drehfest mit der Achse des Gewindestabes 2 verbunden, während das Zahnrad 17 an der Achse der Speiseschnecke 4 befestigt ist. Die Zufuhröffnung
16 ist einerseits durch die Wand des Heizzylinders 1 und anderseits durch die Wand des Speisezylinders 3 geführt.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Spritzgussmaschine. Die Welle der Speiseschnecke 4 weist zwei konzentrische Wellen 100 und 101 auf. Die eine Welle
100 ist hohl, um eine Muffe über den verkleinerten Teil der andern Welle 101 zu bilden. Die Welle 100 ist mit dem
Gewindestab 2 in Wirkverbindung und wird in gleicher Art und Weise wie die Welle der Speiseschnecke 4 in Fig. 5 angetrieben. Die andere Welle 101 ist ebenfalls in Wirkverbindung mit dem Gewindestab 2 und wird über ein Paar Zahnräder 23, 22, über eine Welle 30, über ein Paar Rollen
29, 27, über eine Welle 51, über ein Paar Rollen 26, 31, über eine Achse 50, und über ein Paar von Zahnrädern 32, 25 angetrieben (siehe Fig. 7 und 8). Das Zahnrad 23 ist drehfest mit dem Gewindestab 2 verbunden, während das Zahnrad 25 an der Welle 101 befestigt ist.
Die Gewindeabschnitte der beiden Wellen 100 und 101 sind unter dem Trichter 6A bzw.
6B angeordnet, und können unabhängig voneinander bei einer gewünschten Drehzahl angetrieben werden. Die genannten Rollen 26 und 27 haben einen veränderlichen Durchmesser und sind auf einem Träger 60 montiert, und können bei verschiedenen Geschwindigkeiten durch Bewegen des Trägers 60 horizontal bewegt werden, wie das in den Fig. 7 und 8 zu sehen ist. Die Rolle 20 in der Fig. 5 ist ebenfalls vom gleichen Typ. Daher können beide Wellen 100 und 101 einzeln und bei verschiedener Geschwindigkeit angetrieben werden. Ebensfalls sind beide Wellen 100 und 101 vorzugsweise an zwei verschiedenen Kraftquellen angeschlossen.
Wenn die Maschine in Betrieb ist und zwei verschiedene Sorten Rohmaterialien eingespeist werden, wird das Rohmaterial entlang den Gewindekanälen beider Speiseschnecken getrieben, um dann zur Öffnung 16 zu gelangen und darauf in den Heizzylinder 1 zu fallen. Die beiden Rohmaterialien werden in der Dosierungszone am vorderen Teil des Gewindestabes zusammengemischt und genügend geknetet, und darauf wird das Material im vorderen Raum des Heizzylinders aufgespeichert. Wenn das gespeicherte Rohmaterial einen vorbestimmten Wert erreicht, wird es in die Ausnehmung einer metallischen Gussform eingespritzt, indem sich der Gewindestab nach vorwärts bewegt.
Wie beschrieben, kann das Kompressionsverhältnis des Gewindestabes so verändert werden, dass die Maschine mit optimalen Bedingungen arbeiten kann. So kann die Drehgeschwindigkeit des Gewindestabes verstellt werden, so dass eine bestimmte Menge von Rohmaterial eingeführt werden kann. Diese Maschine hat viele Vorteile, so erspart sie viel Arbeit und Platz, insbesondere wenn es sich um das Mischen zweier verschiedenen Rohmaterialien handelt, welche gleichzeitig verarbeitet werden sollen.