Die Erfindung betrifft eine Spritzgussmaschine mit einem Heizzylinder und einer in dessen Bohrung drehbaren und hin und her bewegbaren Schnecke. Sie dient vorzugsweise der Verarbeitung von Kunststoffen. Sie ist als sog. Ent- bzw.
Belüftungsmaschine ausgebildet.
Bei Maschinen zur Verarbeitung von Kunststoffen, wie z. B. Extrudern und Spritzgussmaschinen, ist es bekannt, dass die Entfernung von Feuchtigkeit oder von flüchtigen Bestandteilen vom bzw. aus dem Kunststoffmaterial sehr wirksam ist, um Produkte guter Qualität zu erhalten.
Es wurden bisher zwei grundsätzliche Verfahren entwikkelt, die zur Entfernung von Feuchtigkeit oder flüchtigen Bestandteilen, welche am Kunststoffmaterial (üblicherweise in Tabletten- bzw. Pelletform) anhaften, darin enthalten sind oder davon abgegeben werden. Eines dieser Verfahren besteht darin, flüchtige Bestandteile und Dämpfe zu entfernen, bevor das Kunststoffmaterial geschmolzen wird (hauptsächlich im Einfülltrichter der Maschine), während das andere Verfahren darin besteht, Dämpfe od. dgl. nach dem Schmelzen des Kunststoffes zu entfernen. Tatsächlich ist das letztere Verfahren wirksamer als das zuerst genannte Verfahren, es besitzt jedoch einen entscheidenden Nachteil, der darin besteht, dass eine Verstopfung der Ent- bzw.
Belüftungsöffnung mit Kunststoffschmelze auftreten kann und im Falle der Spritzgussmaschinen, in denen eine Schnecke intermittierend rotiert, beinahe unvermeidlich ist, weil kein Hauptfluss der Schmelze verfügbar ist, während die Schnecke ihre Rotation stoppt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass rückständiges bzw. anhängendes Material um die Ent- bzw. Belüftungsöffnung das Bestreben hat, sich selbst abzubauen oder zu unerwünscht gefärbten Produkten führt, selbst wenn dieses Material sich nicht in einer solchen Menge ansammeln sollte, dass es die Öffnung verstopft.
Es sind bisher nur wenige Vorschläge gemacht worden, um diese Nachteile bei Spritzgussmaschinen auszuschalten, von denen beispielsweise einer darin besteht, an der Ent- bzw.
Belüftungsöffnung einen Ventilmechanismus vorzusehen, der während der Plastifizierungsperiode geöffnet, jedoch geschlossen wird, während die Schnecke ihre Rotation stoppt. Ein anderer Vorschlag geht dahin, eine kleine Schnecke und einen dazugehörigen Zylinder auf der Ent- bzw. Belüftungsöffnung vorzusehen, so dass der Schmelzfluss, der aus der Ent- bzw.
Belüftungsöffnung herauskommt, durch die Rotation dieser kleinen Schnecke zurückgestossen wird.
Ziel der Erfindung ist es, die vorstehend erwähnten Nachteile grundsätzlich einfacher, leichter und sicherer auszuschalten, ohne dass eine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist.
Durch die Erfindung soll gleichzeitig eine vereinfachte Ent- bzw. Belüftungseinrichtung geschaffen werden, die für Spritzgussmaschinen geeignet ist.
Es soll weiter danach getrachtet werden, dass sich keine rückständige Schmelze ansammeln kann und auch keine abgebaute Schmelze und dass kein Verlust bzw. keine Herabminderung der Plastifizierungskapazität auftritt bzw. in Kauf genommen werden müsste.
Die Spritzgussmaschine gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung des Zylinders mindestens zwei durch eine Stufe getrennte Teile mit den Durchmessern aufweist, von denen der Bohrungsteil mit dem grössten Durchmesser in Fliessrichtung des Materials nach dem Bohrungsteil mit dem kleineren Durchmesser liegt, und dass die Schnecke ebenfalls mindestens zwei durch eine Stufe voneinander getrennte äussere Durchmesser aufweist und die Schneckenteile mit den äussern Durchmessern in die Zylinderbohrungsteile mit den entsprechenden Durchmessern passen, und weiter gekennzeichnet durch mindestens eine Öffnung im Zylinder zur Entlüftung bzw. Entdämpfung bzw.
Entgasung der durch den Zylinder hindurchgehenden Schmelze bzw. zur Entfernung von flüchtigen Substanzen aus dieser Schmelze.
Die vorstehenden sowie weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 der Zeichnung anhand einiger besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines Ausftihrungsbei- spiels der vorliegenden Erfindung, einen Teil einer Spritzguss maschine von der Art, die mit einer sogenannten Reihen schnecke ausgerüstet ist oder von der Art, die eine hin und her gehende Schnecke aufweist,
Fig. 2 ebenfalls eine vertikale Schnittansicht eines anderen
Ausführungsbeispiels einer derartigen Maschine,
Fig.
3 eine Photographie einer Schnecke, die aus dem Zy linder herausgezogen ist, wobei sowohl die Schnecke als auch der Zylinder zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung gehören, und zwar ist die Schnecke in einem Zu stand dargestellt, der sich dadurch ergeben hat, dass eine schnelle Kühlung bis zum Gefrieren vorgenommen worden ist, gerade nachdem eine bestimmte Menge von Kunststoff material plastifiziert worden war,
Fig. 4 bis 6 Teilansichten der Fig. 3 in einem gegenüber dieser grösseren Massstab von vorwärts bis zum rückwärtigen Teil.
Ein Heizzylinder oder ein Zylinder 1 in Fig. 1 ist mit einer Stufe 1' versehen, nach welcher er einen grösseren inneren Durchmesser D1 seiner Bohrung besitzt, und vor welcher er einen kleineren inneren Durchmesser D2 seiner Bohrung aufweist. Eine Schnecke 2 besitzt ebenfalls eine Stufe hinsichtlich ihrer äusseren Durchmesser, so dass sich zwei Aussendurchmesser ergeben, wobei der Teil mit dem grösseren Aussendurchmesser dl verschiebbar und drehbar in demjenigen eleil der Bohrung des Zylinders 1 vorgesehen ist, dessen Durchmesser D1 beträgt, und zwar derart, dass er bündig in diesen passt, während der Teil der Schnecke mit dem kleineren Durchmesser d2 bündig mit dem Bohrungsteil vom Durchmesser D2 zusammenpasst. Die Schnecke 2 besitzt ein einziges Gewinde konstanter Steigung durch den gesamten mit Gewinde versehenen Teil.
Die Beziehung zwischen diesen Durchmessern ist folgendermassen: D1 > D2 (1) d1 > d2 (2) D1 = dt + al (3) und
D2 = d2 + a2 (4)
Hierin bezeichnen al und a2 ein übliches Spiel, das zwischen einem Heizzylinder und einem Schneckendurchmesser zulässig ist.
Der Durchmesser am Kern der Schnecke oder der Boden des Kanals wird gemäss der Position verändert, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, d. h. d'l am vorderen Teil, d'2 am rückwärtigen Teil und d'lz in der Übergangszone, wobei die Beziehung zwischen diesen Durchmessern folgendermassen ist: d'l > d'z > d'12 (5)
Die Schnecke besitzt also Teile verschiedenen Durchmessers, so dass sich verschiedene Zonen ergeben, die zu Vereinfachungszwecken durch entsprechende, aus Fig. 1 ersichtliche Symbole bezeichnet werden.
I, IC, IF, IR und II bezeichnen jeweils für sich den Teil, welcher einen äusseren Durchmesser dl, d2 und einen Kerndurchmesser d'l, ..... . besitzt, wobei die genaue Definition dieser Zonen nach dem äusseren und dem Kerndurchmesser aus der nachstehenden Tabelle 1 ersichtlich ist.
Tabelle 1 Zonensymbole I Ic IF IR II Äussere Durchmesser dt dl dj d2 d2 Kerndurchmesser d'l dll-d112 d'12 d112 d'2
Der Heizzylinder 1 kann durch eine Anzahl von Heizbändern 3 erwärmt werden, und die Temperatur kann durch Zonen in der gleichen Weise gesteuert werden, wie es bei konventionellen Zylindern der Fall ist;
jedoch ist eine Öffnung 4 oben am Zylinderteil vorgesehen, der den grossen Durchmesser D1 aufweist, und zwar vor der Stufe 1', insbesondere in einer Position, in der sie der Schneckenzone IF oder IR gegenüberliegt, trotz der Veränderung der Relativposition, die auf die hin und her gehende Hubbewegung der Schnecke zurückzuführen ist. Mit anderen Worten bedeutet das, dass die Lage der Öffnung 4 in einem Bereich ausgewählt werden muss, der für eine Ent- bzw. Belüftung geeignet ist, was beispielsweise in Fig. 1, in welcher die Schnecke 2 die vorderste Lage einnimmt, bedeutet, dass diese Öffnung mit der Zone IF oder IR in Konfrontation treten kann, selbst wenn die Schnecke um den maximalen Hub S zurückweicht. Die Entbzw.
Belüftungsöffnung 4 ist mit einem Vakuum oder einer Quelle negativen Drucks 5 durch eine Leitung 6 verbunden.
In Betrieb wird das in einem Trichter 8 befindliche Material durch die Rotation der Schnecke 2 transportiert, wobei letztere durch einen hydraulischen oder elektrischen Motor 10 über eine Kette von in einem Getriebegehäuse 11 befindlichen Reduziergetriebe angetrieben wird; und das Material wird mit Hilfe von Heizbändern 3 am Ende der Zone II geschmolzen.
Die Schmelze, die von der Zone II in die Zone IR überführt wird, erfährt eine beträchtliche Herabsetzung des Druckes aufgrund des Anwachsens des Querschnittsbereiches der Schnecke beim Übergang des Kerndurchmessers von d'2 zu d'lz, wobei eine noch stärkere Reduzierung des Druckes beim Passieren der Stufe 1' des Zylinders 1 stattfindet, da hierbei ein plötzliches Ansteigen des Querschnitts des Schnekkenkanals aufgrund der Änderung des inneren Durchmessers von Dz zu D1 stattfindet.
Der Hauptfluss in der Zone IR, welche im Bereich des grösseren inneren Durchmessers D2 liegt, kann nicht berechnet werden, weil dort ein deutlicher Spalt zwischen dem Aussendurchmesser d2 der Schnecke und dem Innendurchmesser D2 des Zylinders vorhanden ist; jedoch ist der theoretische Hauptfluss in der Zone IF in diesem Falle der maximale Fluss, da der Aussendurchmesser d2 der Schnecke sein Maximum besitzt und gleichzeitig der Kerndurchmesser d'lz am kleinsten ist, wie den Ungleichungen (1) und (5) entnommen werden kann. Das ist der Grund, warum die Schmelze kräftig vorwärtsgezogen werden kann, insbesondere ohne die Gefahr eines Auflockerns , wie in den Fig. 3 bis 6 (Photos) gezeigt ist. Flüchtige Substanzen werden von der Ent- bzw. Belüftungsöffnung 4 durch eine Vakuumpumpe 5 über eine Leitung 6 abgesaugt.
Die entgaste Schmelze wird weiter nach vorwärts transportiert, um in der Zone Ic etwas komprimiert zu werden; danach tritt die Schmelze in die zweite Dosierungszone I ein, wobei der theoretische Hauptfluss in der Zone I kleiner ist als derjenige in der Zone IF, jedoch grösser als der Hauptfluss der Zone II. Beim tatsächlichen Betrieb muss die Transportgeschwindigkeit der Schmelze (Gramm pro Umdrehung der Schnecke) in der Zone I üblicherweise die Transportgeschwindigkeit der Schmelze in der Zone II übersteigen, während diese Transportgeschwindigkeiten im stationären bzw.
gleichförmigen Zustand gleich sein müssen, da sich kein Überschuss der Schmelze zwischen den beiden Zonen I und II ansammeln kann. Die durch die zweite Dosierungszone I vorwärts transportierte Schmelze geht durch ein übliches ringförmiges Rückschlag- bzw. Steuerventil 2b hindurch und sammelt sich vor dem Schneckenkopf 2a an.
Wenn sich ein bestimmter Betrag der Schmelze angesammelt hat, startet ein konventionelles Signal eines nichtdargestellten End- bzw. Grenzschalters die Einspritzbewegung der Schnecke 2 mittels eines hydraulischen Kolbens 9, und die Schmelze wird durch eine Düse 7 in einen Hohlraum 16 eingespritzt, wobei letzterer durch zwei zusammenpassende Matrizen 15a und 15b gebildet wird, die sich in einer üblichen Klemm- bzw. Spanneinheit befinden, welche eine stationäre Platte 12, Spurstangen 14 usw. auf einem Maschinenbett 13 umfasst.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 veranschaulicht. Die grundsätzlichen Merkmale dieses Ausführungsbeispiels sind (unter Bezugnahme auf Fig. 2) folgende: a) Der Heizzylinder 1o besitzt Bohrungsteile mit drei verschiedenen Durchmessern D10 D2 Ound Dgq die durch eine vordere Stufe 1'o und eine rückwärtige Stufe 1"o voneinander getrennt sind.
b) Die Schnecke 20 besitzt ebenfalls zwei Stufen, welche die Übergänge zwischen drei äusseren Durchmessern djo, d20 und d30 sowie Kerndurchmessern d'10, d'20 und d'30, von vorne nach rückwärts zu, bilden.
c) Die Schnecke 20 besitzt ein einziges Gewinde von konstanter Steigung über den gesamten mit Gewinde versehenen Teil.
d) Die Beziehungen zwischen den Zonensymbolen und den Schneckendurchmessern sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2 Zonensymbole Io Ico IIo 111o Äussere Durchmesser dto drdzo d20 dso Kerndurchmesser d'ao d'1-d'20 d'20 d'30
Die Ent- bzw. Belüftungsöffnung 4 liegt im Bereich des Durchmessers D20, könnte aber auch am rückwärtigen Teil des Bohrungsteils mit dem Durchmesser Dlo liegen, wo die Öffnung 4 im Bereich der Zone IIo der Schnecke 1o liegt.
Ein typisches Beispiel dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung besitzt die folgenden Abmessungen: dro = 60,0 mm Dlo = 60,0 mm + al d'10 = 50,0 mm d20 = 55,0 mm D20=55,Omm+a2 d'20 = 34,0 mm d30 = 50,0 mm D30 = 50,0 mm + a3 d'30 = 44,0 mm
Hierbei sind al, a2 und a3 konventionale Spielräume zwischen dem Bohrungsdurchmesser des Zylinders und dem Aussendurchmesser der Schnecke.
Eine Photographie (Fig. 3) zeigt eine Schnecke, welche die vorerwähnten Abmessungen hat, wenn diese Schnecke plötzlich gekühlt und aus dem Zylinder herausgezogen worden ist, und zwar gerade nachdem sie 340 cm3 thermoplastischen Materials, ABS, plastifiziert hatte; und die anderen Photos gemäss Fig. 4, 5 und 6 zeigen einen Teil dieser Schnecke, ausgehend von deren Kopf. Aus diesen Photos lässt sich der Zustand der Schmelze, die längs der Schnecke nach vorwärts transportiert wird, klar ersehen, und insbesondere ist festzustellen, dass der Bohrungsteil des Zylinders, welcher den Durchmesser D20 besitzt und im Bereich der Schneckenzone IIo liegt, am besten geeignet ist, dort die Entbzw. Belüftungsöffnung 4 anzuordnen.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich viele Vorteile erreichen, wie sich gezeigt hat, jedoch erscheint es zweckmässig, die nachstehenden Vorteile hiervon im einzelnen herauszustellen.
1. Ein Auflockern wird vollständig verhindert.
2. Ein Abbau, eine Zersetzung oder eine Ent- bzw. Verfärbung aufgrund rückständigen Materials um die Ent- bzw.
Belüftungsöffnung wird eliminiert.
3. Es erfolgt keine Herabsetzung der Plastifizierungskapazität.
Es sei darauf hingewiesen, dass es zur Verhinderung eines Auflockerns an sich bekannt ist, die Tiefe des Schneckenkanals gross zu machen, und zwar gerade nach der Bemessungszone der ersten Stufe, um den Druck der Schmelze herabzusetzen; jedoch ist diese Massnahme, die auch in der Praxis ausgeführt wird, begrenzt, weil die erforderliche Schneckenfestigkeit keine übermässige Vergrösserung der Kanaltiefe erlaubt.
Im Gegensatz hierzu gibt es bei den dargestellten Beispielen gemäss der Erfindung keine Begrenzung zur Herabsetzung des Druckes der Schmelze, da der Zylinderbohrungsdurchmesser an der Stelle um jeden gewünschten Betrag vergrössert werden kann, und dadurch kann die Hauptdurchflusskapazität vor der Entgasung um jeden gewünschten Betrag erhöht werden, und zwar in einem genügenden Betrage, um ein Auflockern zu verhindern; daher besteht keine Notwendigkeit, eine übermässige Vergrösserung der Kanaltiefe vorzunehmen. Beispielsweise ist in dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel der Erfindung das Verhältnis des theoretischen Hauptflusses zwischen der Zone IIo und Io gleich 2,6 zu 1, und das Verhältnis wird dadurch erreicht, dass nur der
Aussendurchmesser um 10% vergrössert und der Kerndurchmesser um 20% verringert wird.
Als nächstes sei darauf hingewiesen, dass gemäss der Vergrösserung des äusseren Durchmessers der Schnecke ein Auflockern nicht allein durch den obengenannten Grund verhindert wird, sondern auch dadurch, dass der Raum rund um die Zone IIo einen höheren negativen Druck während der Einspritzperiode erhält, weil das Verdrängungsvolumen der Zone Io dasjenige der Zone IIIo überschreitet. Diese
Wirkung ist sehr wichtig, weil ein Auflockern oder die An sammlung rückständigen Materials um die Ent- bzw. Belüf tungsöffnung in konventionellen Ent- bzw. Belüftungsmaschi- nen meistens während der Einspritzperiode auftrat, wenn ein hoher Druck auf die Schmelze zu einem Anwachsen des
Rückflusses der Schmelze trotz der Verwendung des Ring ventils führte.
Der dritte der obengenannten wichtigen Vorteile der Erfindung besteht darin, dass die hohe Entgasungswirkung erreicht werden kann, ohne die Plastifizierungskapazität in irgendeinem Masse zu beeinträchtigen. In konventionellen Ent- bzw. Belüftungsmaschinen ist es beinahe zwangsweise erforderlich, den Durchgang der Schmelze an bzw. in der Bemessungszone der ersten Stufe zu drosseln, um den Druckabfall im Entlüftungs- bzw. Entgasungsraum grösser zu machen. Das ist der Hauptgrund, warum die Plastifizierungskapazität bei den konventionellen Maschinen beeinträchtigt wird. Im Falle der vorliegenden Erfindung dagegen besteht zwischen der Entlüftungs- bzw. Entgasungswirkung und der Plastifizierungskapazität keine Beziehung, da keine Drosselung erforderlich ist. Das ist sehr wichtig, da die Maschinen mit hoher Produktivität eine immer grösser werdende Plastifizierungskapazität erfordern.
Es können darüber hinaus viele andere Vorteile durch die
Erfindung erzielt werden, wie beispielsweise ein gutes Aussehen der Formlinge, eine Zunahme des Ein-Schuss-Volumens sowie das Entfallen der Notwendigkeit einer Vortrock- nung, die gefährlich jedoch wesentlich bei feuchtigkeitsabsorbierenden Materialien, ABS, Nylon usw. ist, obwohl eine Reihe derselben mit Ausnahme des Anwachsens der Schussbzw. Einspritzkapazität auch bei üblichen Ent- bzw. Belüf tungsmaschinen auftreten. Die einzigartigen, dank der Erfindung nützlichen Vorteile jedoch leiten sich hauptsächlich von der Idee her, dass der Bohrungsdurchmesser des Heizzylinders vergrössert wird und hierbei die Lage der Entlüftungsbzw. Entgasungsöffnung überdeckt, und dass auch die drehbare und hin und her bewegbare Schnecke einen vergrösserten Durchmesser in ihrem vorderen Teil besitzt.
Die Herabsetzung des Kerndurchmessers der Schnecke in einem bestimmten Bereich, der im Bereich der Ent- bzw.
Belüftungsöffnung über dem gesamten Einspritzhub liegt, ist bei erfindungsgemässen Ausführungsformen ebenfalls im Sinne eines zusätzlichen Effektes wirksam.
Bei der vorliegenden Maschine ist der Entlüftungs- bzw.
Entgasungseffekt gross genug, um Formlinge hervorragender Qualität selbst in dem Falle zu erzeugen, in dem die Entlüftungs- bzw. Entgasungsöffnung unter einem sehr niedrigen Vakuumgrad gehalten wird, wie es beispielsweise bei einem Strömungs-Venturi oder einer Düse der Fall ist, welche ge eignet sind, unangenehm riechende oder giftige Dämpfe oder Gase abzusaugen, die von der Schmelze erzeugt bzw. freigesetzt werden.