CH662531A5

CH662531A5 - Schnecken-plastifizier- und foerdereinrichtung einer kunststoff-spritzgiessmaschine.

Info

Publication number: CH662531A5
Application number: CH5324/83A
Authority: CH
Inventors: Friedrich Dr Sc Techn Laimer; Hermann Neugebauer
Original assignee: Netstal Ag Maschf Giesserei
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1983-09-30
Publication date: 1987-10-15
Also published as: DE3432263A1; DE3432263C2; JPS6096425A; JPH047686B2; US4648827A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnecken-Plastifizier- und Fördereinrichtung einer Kunststoff-Spritzgiessmaschine, deren im Plastifizierzylinder angeordnete Schnecke ausser einer mit einer Dosiervorrichtung verbundenen Einzugszone mit über ihre Länge konstantem Gangvolumen und einer anschliessenden Kompressionszone mit in Förderrichtung abnehmendem Gangvolumen einspritzseitig eine weitere Zone aufweist, und bei der die Plastifizierung und Förderung des Kunststoffes durch die Drehbewegung der Schnecke und das Einspritzen des Kunststoffes in den Formenhohlraum durch die Axialbewegung der Schnecke oder mit Hilfe eines separaten Einspritzzylinders erfolgt.

Nach dem bekannten Stand der Technik ist die genannte einspritzseitige Zone eine Mess- oder Meteringzone, die konstantes Gangvolumen aufweist und der gleichmässigen Förderung dient, sowie für die Homogenisierung der Kunststoffschmelze sorgt. Das Verhältnis der Gangvolumina und der Einzugszone wird Kompressionsverhältnis genannt und muss den Eigenschaften des verarbeiteten Kunststoffes ange-passt werden. Um nun den Anwendungsbereich ein- und derselben Schnecke zu verbreitern, fördert die Dosiereinrichtung während der Drehung der Plastifizierschnecke eine einstellbare Menge von Kunststoff-Granulat in die Einzugszone der Plastifizierschnecke (vergleiche z.B. Der Spritzgiess-prozess, VDI-Verlag, Düsseldorf 1979, S. 67 bis 89, DE-OS 1 801 259, DE-PS 2029 353). Die Dosiereinrichtung erlaubt eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses unter den von der Schneckengeometrie vorgegebenen Wert, indem der Plasitifizierschnecke weniger Material zugeführt wird, als diese zu fördern imstande ist. Durch diese «Unterdosierung» werden die Einzugszone und ein Teil der Kompressionszone nur teilweise mit Material gefüllt. Die Kompressionszone ist erst in dem Bereich wirksam, in dem die Schneckengänge vollständig gefüllt sind, woraus sich das angestrebte, variable Kompressionsverhältnis ergibt.

Der Nachteil dieser bekannten Einrichtungen besteht jedoch darin, dass die Zufuhr von Scherwärme in der Meteringzone nicht beeinflusst werden kann, da deren Länge durch die Geometrie der Schnecke festgelegt ist und diese Zone stets vollständig gefüllt sein muss. Dies hat zur Folge, dass bei den geringen, zur einwandfreien Homogenisierung der Schmelze notwendigen Gangtiefen der Meteringzone die Wärmezufuhr durch viskose Reibung zu gross wird, und der Plastifizierzylinder im Bereich der Meteringzone gekühlt werden muss (vgl. z.B. PS 2 029 353, Abschnitt 8, Zeile 5—15). Darüber hinaus zeigen praktische Versuche, dass das Förderverhalten der bekannten Dreizonen-Plastifizier-schnecken ab einer bestimmten Unterdosierung instabil wird, woraus stark schwankende Plastifizierzeiten und Schmelzetemperaturen resultieren. Dadurch wird der Anwendungsbereich bekannter Schnecken stark eingeschränkt, d.h. es ist nur eine schwache Unterdosierung möglich. Auch ist es nicht möglich, durch Unterdosieren das in der Meteringzone befindliche Schmelzevolumen zu verringern und damit die Verweilzeit der Schmelze an die jeweiligen Materialeigenschaften anzupassen, was insbesondere dann erforderlich ist, wenn das Material in der Nähe der oberen Grenze der zulässigen Verarbeitstemperatur plastifiziert werden muss. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die Orientierungen und Eigenspannungen im Formteil minimal sein müssen oder wenn glasklare Materialien zu Formteilen mit bestimmten, genau reproduzierbaren optischen Eigenschaften verarbeitet werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der genannten Art zu schaffen, deren Schnecke bei Unterdosierung über einen breiten Betriebsbereich ein stabiles Förderverhalten aufweist. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die genannte weitere Schneckenzone ebenfalls eine Kompressionszone mit in Förderrichtung abnehmendem Gangvolumen ist, wobei die axiale Länge der einspritzseitigen Kompressionszone 2 bis 5 Innendurchmesser des Plastifizierzylinders beträgt, und das Kompressionsverhältnis dieser Zone grösser ist als jenes der mittleren Kompressionszone. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Dank der Erfindung ist es möglich, die Kunststoffschmelze bezüglich Temperatur und Farbverteilung optimal zu homogenisieren und Kunststoffen mit unterschiedlicher Viskosität und spezifischer Wärme genau die richtige Energiemenge zuzuführen, sodass keine Kühlung des Plastifizierzylinders erforderlich ist.

Die Erfindung ermöglicht es ferner, die Verweilzeit der Schmelze bei hoher Temperatur möglichst gering zu halten, um dadurch den thermischen Abbau des Kunststoffs zu verhindern und eine Verarbeitung bei hohen Schmelzetemperaturen zu ermöglichen. Damit lassen sich beispielsweise opti-. sehe Formteile mit ausserordentlich geringen Orientierungen und Eigenspannungen herstellen. Auch andere optische Eigenschaften, wie beispielsweise Doppelbrechung, Lichtdurchlässigkeit und Brechungsindex erreichen mit der erfin-dungsgemässen Schnecke ein Qualitätsniveau, das bisher für unmöglich gehalten wurde.

Auch kann die Viskosität der Schmelze durch höhere Verarbeitungstemperaturen gesenkt werden, wodurch beim Einspritzen geringere Spritzdrücke benötigt werden und längere Fliesswege im Werkzeug überwunden werden können.

Ferner ist es auch möglich, die in bekannten 3-Zonen-Schnecken stets vorhandenen axialen Temperaturunterschiede in der Schmelze im Schneckenvorraum gänzlich zu eliminieren, was ebenfalls zur Qualitätsverbesserung der hergestellten Formteile beiträgt. Schwankungen der Schmelzetemperatur von Schuss zu Schuss, wie sie bei Anwendung von

2

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

662 531

Unterdosierung in herkömmlichen Schnecken auftreten werden vermieden, indem das Förderverhalten bei der Schnecke stabil bleibt und die Plastifizierzeiten von Schuss zu Schuss konstant sind.

Die Verringerung des Gangvolumens in der zweiten Kompressionszone kann durch folgende Massnahmen einzeln oder kombiniert erreicht werden:

— Verringerung der Gangtiefe

— Verringerung der Gangsteigung

— Vergrösserung der Stegbreite

Je nach Anwendung kann eine Kombination von zwei oder von allen drei Möglichkeiten zu optimalen Ergebnissen führen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 im Axialschnitt und schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 in grösserem Massstab und im Axialschnitt den Plastifizierzylinder mit 3-Zonen-Schnecke gemäss Fig. 1,

und

Fig. 3 in grösserem Massstab eine Einzelheit aus Fig. 2 mit eingetragenen Bemessungsgrössen.

Figur 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung. Das Kunststoff-Granulat tritt aus einem Trichter 1 in eine Schnecken-Dosiervorrichtung bekannter Bauart, die aus einem innen zylindrischen Gehäuse 2 besteht, in dem die Dosierschnecke 3 drehbar gelagert ist. Die Dosierschnecke wird beispielsweise durch einen nicht dargestellten Elektromotor mit einstellbarer Drehzahl angetrieben und ermöglicht damit einen einstellbaren Förderstrom von Kunststoff-Granulat, der während des Plastifiziervorganges durch die Einfüllöffnung 4 in den Plastifizierzylinder 6 eintritt. Die Plastifizierschnecke 5 ist im Plastifizierzylinder 6 drehbar und axial verschiebbar gelagert. Die Plastifizierschnecke 5 wird durch einen nicht dargestellten Hydraulik- oder Elektromotor mit einstellbarer Drehzahl angetrieben. Der Plastifizierzylinder 6 ist mit Heizbändern 7, 8,9 ausgerüstet, die den Plastifizierzylinder in der Anfahrphase auf Betriebstemperatur bringen und während des Betriebs Wärmeverluste nach aussen ausgleichen. Die Plastifizierschnecke 5 weist 3 Zonen auf, nämlich die Einzugszone I, die erste Kompressionszone II und die erfindungsgemässe Kompressionszone III. Die Schneckenspitze 10 kann wahlweise mit einer bekannten, hier nicht dargestellten Rückströmsperre ausgerüstet sein. Während des Plastifiziervorganges dreht sich die Plastifizierschnecke 5 mit der Drehzahl np und die Dosierschnecke 3 mit der Drehzahl nD. Das Verhältnis der beiden Drehzahlen no:nP und die Drehzahl np der Plastifizierschnecke 5 können vom Bediener der Maschine vorgewählt werden. Das Drehzahlverhältnis nD:np ist für den in Figur 3 näher erklärten Füllgrad der zweiten Kompressionszone III und damit für die der Schmelze zugeführte Energie massgebend. Die Fördermenge der Plastifizierschnecke und damit die Plastifizierzeit wird in bekannter Weise durch die Drehzahl der Plastifizierschnecke nP festgelegt. Während des Pla-stifizierens fördert die Plastifizierschnecke 5 die Schmelze in den Schneckenvorraum 11 und verschiebt sich dabei in bekannter Weise aus der gezeichneten vordersten Stellung axial in Richtung A. Nach Erreichen einer vorgegebenen Axialverschiebung werden die Drebewegungen der Dosierschnek-ke 3 und der Plastifizierschnecke 5 gestoppt. Ein nicht dargestellter Hydraulikzylinder schiebt nun die Plastifizierschnek-ke 5 entgegengesetzt zur Richtung A wieder nach vorn und drückt dabei die im Schneckenvorraum 11 befindliche Kunststoff-Schmelze durch die Düse 12 in den Werkzeug-Hohlraum 13, der von den beiden Werkzeughälften 14 und 15 gebildet wird. Anstelle der hier gezeichneten offenen Düse 12 kann auch eine bekannte Verschlussdüse, die beispielsweise hydraulisch gesteuert oder federbelastet ist, verwendet werden. Das erwähnte, einstellbare Drehzahlverhältnis no. nP ist als Einstepllparameter besonders vorteilhaft, es ist aber auch möglich, die Drehzahl nD der Dosierschnecke 3 separat vorzugeben oder die Unterdosierung dadurch zu erreichen, dass die Dosierschnecke nur während eines Teils der Plastifizierzeit Granulat in den Plastifizierzylinder fördert. Schliesslich kann die gesamte Dosiereinrichtung 2, 3 durch andere, bekannte Dosiereinrichtungen ersetzt werden (vergleiche z.B.: Der Spritzgiessprozess, VDI-Verlag, Düsseldorf 1979, Seite 67-85).

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 1 und erklärt die Funktion der erfindungsgemässen zweiten Kompressionszone III. Man erkennt, dass nur der vordere Teil Illb vollständig mit Kunststoffschmelze gefüllt ist, alle übrigen Schnek-kengänge dagegen nur teilweise Kunststoff-Schmelze oder Kunststoff-Granulat enthalten. Wesentlich ist, dass die Zufuhr von Seher-Energie hauptsächlich in der Zone Illb erfolgt, in der Zone lila dagegen dank geringerer Füllung nur eine geringe Scherung der Kunststoff-Schmelze stattfindet. Die Grenze zwischen den Zonen lila und Illb kann der Bediener mit Hilfe der Fördermenge der Dosiereinrichtung,

also beispielsweise durch das Drehzahlverhältnis no:np in der Figur 1 bestimmen. Dadurch ist es möglich, mit ein- und derselben Schnecke eine Vielzahl von Kunststoffen auf die optimale Verarbeitungstemperatur zu bringen, ohne durch die Wandung des Plastifizierzylinders 6 Wärme zu- oder abführen zu müssen.

Figur 3 dient zur Erklärung vorteilhafter Abmessungen der Plastifizierschnecke 5. Das Gangvolumen V der Schnek-ke ist durch folgende Formel definiert:

4

Bezeichnet man mit V0 das Gangvolumen am Beginn der ersten Kompressionszone, mit Vi das Gangvolumen am Beginn der zweiten Kompressionszone und mit V2 das Gangvolumen am Ende der zweiten Kompressionszone, so ergeben sich folgende vorteilhafte Bereiche der Kompressionsverhältnisse:

Kompressionsverhältnis der ersten Kompressionszone II: Vi:Vo = 1:1.6 bis 1:4, beispielsweise 1:2.5

Kompressionsverhältnis der zweiten Kompressionszone III: V2:Vi = 1:1.10 bis 1:2.0, vorzugsweise 1:1.5

Länge der zweiten Kompressionszone III:

2 D bis 5 D, vorzugsweise: 3.5 D

Variation der Stegbreite:

h = 0.06 D bis 0.3 D, vorzugsweise zunehmend von 0.09 D bis 0.16 D

Gangtiefe der zweiten Kompressionszone III:

Diese kann nach dem folgenden Ähnlichkeitsgesetz umgerechnet werden;

_ _ (DJ 0,7 = ao (Do)

Für eine Schnecke mit D0 = 32 mm liegt a0 in folgendem Bereich:

a0 — 0.6 bis 3.0 mm, vorteilhaft von 1.5 auf 1.0 mm abnehmend.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3 Blatt Zeichnungen

Claims

662 531 PATENTANSPRÜCHE

1. Schnecken-Plastifizier- und Fördereinrichtung einer Kunststoff-Spritzgiessmaschine, deren im Plastifizierzylinder (6) angeordnete Schnecke (5) ausser einer mit einer Dosiervorrichtung (2, 3) verbundenen Einzugszone (1) mit über ihre Länge konstantem Gangvolumen und einer anschliessenden Kompressionszone (II) mit in Förderrichtung abnehmendem Gangvolumen einspritzseitig eine weitere Zone (III) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte weitere Schneckenzone ebenfalls eine Kompressionszone mit in Förderrichtung abnehmendem Gangvolumen ist, wobei die axiale Länge der einspritzseitigen Kompressionszone (III) 2 bis 5 Innendurchmesser (D) des Plastifizierzylinders (6) beträgt, und das Kompressionsverhältnis V2: Vi) dieser Zone (III) grösser ist als jenes (Vi : Vo) der mittleren Kompressionszone (II).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionsverhältnis der einspritzseitigen Kompressionszone (III) im Bereich 1:1.10 bis 1:2.0 liegt, und zweckmässig etwa 1:1.5 beträgt, während das Kompres-sionsverhältnis der mittleren Kompressionszone (II) im Bereich 1:1.6 bis 1:4 liegt, und zweckmässig etwa 1:2.5 beträgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gangvolumen jeder der beiden Kompressionszonen (III und II) kontinuierlich, aber unterschiedlich, abnimmt.