CN111263690A - 用于制造塑料成型件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造尤其是纤维增强的塑料成型件的方法，其中，将连续纤维束(10a、10b、10c、10d、10e、10f)借助纤维制动装置(40)输送给单螺杆塑化单元(3)和/或将经切割的纤维通过按重量计量的计量装置(50)输送给单螺杆塑化单元以及将待熔化的塑料材料(34)借助按体积计量的计量装置(30)输送给单螺杆塑化单元。将熔化的并且掺有纤维材料的塑料材料通过塑化螺杆(5)的注射行程注射到模具(2)中。按照本发明，由塑料材料的实际体积流量和纤维材料的实际质量流计算出塑料材料的实际质量流。将塑料材料的实际质量流与塑料材料的额定质量流进行比较，并且必要时调整计量装置(30)的计量机构(32)的旋转驱动装置(33)的转速nd。

Description

用于制造塑料成型件的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于制造塑料成型件的方法。
背景技术
WO2011/066917A2公开一种用于制造纤维增强的塑料成型件的注塑成型机，该注塑成型机具有缸和在该缸中可旋转驱动的并且可线性驱动的塑化螺杆，其中，在缸中设置有第一开口作为用于输送待熔化的塑料材料的给料开口，并且在缸中在第一开口的输送下游侧设置有第二开口作为用于输送一个或多个纤维束的给料开口。纤维束可以从一个或多个纤维料筒中被抽出。在制造纤维增强的塑料成型件时，纤维由塑化螺杆在塑化螺杆旋转时拉入并且混入到熔体中。在此，纤维束通过纤维制动装置。待加工的塑料材料作为颗粒被输送，其中，可以设置有按重量计量的或按体积计量的计量装置。
在按体积计量时，颗粒的排出仅根据体积进行。按体积计量工作的计量装置的计量机构可以校准相应的材料，也就是说要确定在限定的时间间隔内计量机构计量多少质量。例如，可以设置计量螺杆作为计量机构。按体积计量的计量装置的问题在于，不能自动补偿堆积密度的波动。然而，颗粒的堆积密度中的这种波动导致在注塑成型的、纤维增强的塑料成型件中纤维材料和塑料材料的比例的变化。然而，在制造纤维增强的塑料成型件时值得期望的是，在纤维增强的塑料成型件的生产期间保持纤维材料和塑料材料的尽可能恒定的比例。
在按重量计量的或重量调节的计量时，一个或多个以适当方式集成到计量装置中的称重器测量、即称重待计量的颗粒。借助重量作为测量参数，可以通过额定/实际比较进行计量的调节。因此，按重量计量工作的计量装置能够自动地补偿堆积密度的波动。按重量计量工作的计量装置的缺点是，按重量计量工作的计量装置比按体积计量的计量装置明显更贵，尤其是由于使用了高度灵敏的称重器和用于按重量计量的计量装置的运行的相对复杂的控制单元。
发明内容
从开头所述的现有技术出发，本发明的任务在于给出一种方法，利用该方法可以在配备有单螺杆塑化单元的注塑成型机上制造塑料成型件，其中，可以使用用于塑料材料的按体积计量的计量装置，并且仍然可以保持塑料材料的尽可能恒定的实际质量流。
所述任务通过一种具有权利要求1的特征的方法来解决。
本发明的另一个任务在于给出一种方法，利用该方法可以在配备有单螺杆塑化单元的注塑成型机上制造纤维增强的塑料成型件，其中，可以使用用于塑料材料的按体积计量的计量装置，并且仍然可以在这些部件的生产期间保持在制成的纤维增强的塑料成型件中的纤维材料和塑料材料的恒定比例。
所述另一个任务通过一种具有权利要求2的特征的方法来解决。
有利的设计方案和改进方案在其它权利要求中找到。
通过如下的方式：计算塑料材料的实际质量流，其中，由塑化螺杆在熔体计量过程期间的回程速度vscrew,back,n、塑化螺杆的直径以及熔体密度计算出实际质量流，将塑料材料的实际质量流与塑料材料的额定质量流进行比较，并且在塑料材料的实际质量流与塑料材料的额定质量流之间的差值可预先给定的情况下，计量机构的旋转驱动装置的转速nd以如下的方式发生变化：使差值减小，其中，该差值优选应达到零，可以对塑料材料的实际质量流进行再调节并且因此对堆积密度中的波动做出反应。因此，在塑料材料的堆积密度中有波动时，可以对计量功率进行再调节并且使实际质量流保持恒定，该计量功率对应于塑料材料的实际质量流。因此，使用按体积计量的计量装置，但由计量装置输入缸中的塑料材料的质量流而不是体积流被用于按照本发明的方法。因此，作为计算由计量装置输入到缸中的塑料材料的实际质量流和将该实际质量流与可预先给定的额定质量流进行比较的结果，对按体积计量的计量装置的计量功率进行再调节。
在当前情况下，“熔体计量过程”应理解为如下的过程，在该过程中塑化螺杆通过旋转运动混合通过在塑化缸中的一个或多个开口被添加的塑料颗粒和/或其它成分，将混合物转化成熔融状态并且将混合物朝向塑化螺杆的输送下游侧的端部输送到所谓的螺杆前部空间中。通过在螺杆前部空间中产生的压力，塑化螺杆在熔体计量过程期间沿塑化螺杆的轴线在与输送方向相反的方向上移动。
熔体密度ρs是一个值，该值主要取决于材料类型、熔体温度和施加到熔体上的压力。因此，为了表征材料类型，由材料制造商实施压缩试验并且记录所谓的pvT-曲线。在所述曲线中，表示密度ρs的倒数(v＝1/ρ)的特定熔体体积vs根据当前温度T和压力p来绘制。在已知关系vs(p,T)时，可以根据环境条件如下地确定熔体密度ρs：
ρs(p,T)_＝1/[vs(p,T)]
ρs(p,T)： 熔体密度
p： 压力
T： 温度
vs： 特定熔体体积。
由此可能的是，即使在停留时间关键的塑料材料中也保持所希望的实际质量流。在一种优选的实施形式中，螺杆尤其是能够以低加料的方式运行。低加料的状态是指一种运行形式，在该运行形式中向螺杆输送的材料比从全漏斗中拉入的材料少。优选的应用领域是制造用于光学目的的塑料成型件。用于光学目的的塑料成型件、例如透镜大多是厚壁的并且需要在模具(或成型工具)中足够长的冷却。为了在冷却阶段期间在塑化单元中熔融液态存在的塑料不会由于聚合物链降解或氧化变性而受到损坏，力求降低塑料熔体在塑化单元中的平均停留时间。对于平均停留时间来说起决定性的尤其是在塑化单元中绝对存在的塑料体积。因为在塑化单元中绝对存在的塑料体积通过相对于从全漏斗中输送的材料的低加料的运行状态而减少，所以可以通过低加料的运行来减少平均停留时间，并且因此可以防止塑料熔体的损坏。
另一个应用领域是纤维增强的塑料成型件的制造。在此，可以在缸中添加纤维材料并且制造纤维增强的塑料成型件，其中，可以将连续纤维束通过纤维制动装置和/或将经切割的纤维通过按重量计量的计量装置输送给塑化单元。优选地，通过在缸中的第一开口可以将作为颗粒的待熔化的塑料材料输入到缸中。在第一开口的输送下游侧，可以将连续纤维束通过第二开口输入到缸中和/或将经切割的纤维通过第三开口输入到缸中并且将连续纤维束和/或经切割的纤维由塑化螺杆通过旋转拉入。熔化的并且掺有纤维材料的塑料材料可以通过塑化螺杆的注射行程被注射到模具中并且制造纤维增强的塑料成型件。因此可能的是，即使在使用用于塑料材料的按体积计量的计量装置时，也可以在纤维增强的塑料成型件的生产期间保持纤维材料和塑料材料的尽可能恒定的比例。
根据另一种实施形式，塑料材料的实际体积流量可以由在熔体计量过程期间输送到螺杆前部空间中的熔化的并且掺有纤维材料的塑料材料的体积来确定。
纤维材料的实际质量流dm/dt在已知纤维输送速度vf以及已知纤维束纱线细度ntex和纤维束数量nf时可以借助以下公式来计算：
dmf/dt＝vf*nf*ntex
dmf/dt： 纤维材料的实际质量流
vf： 纤维输送速度
nf： 所输送的纤维束的数量
ntex： 所输送的纤维束的纱线细度。
根据按照本发明的方法的一种改进方案，可以逐注塑成型周期地改变计量转速nd。但也可以使用PI调节器来改变计量转速nd。
根据另一种实施形式，可以对在多个注塑成型周期上的实际质量流取平均值。这样形成的平均值因此可被用于改变计量驱动装置的旋转驱动装置的转速nd。
根据按照本发明的方法的一种特别优选的改进方案，塑料材料的实际质量流dmk/dt可以如下地计算：
dmk/dt＝Ds*π*vscrew,back,n*ρs(p,T)-dmf/dt
dmk/dt： 塑料材料的实际质量流
Ds： 螺杆公称直径
vscrew,back,n： 在塑化期间的螺杆回程速度
ρs(p,T)： 熔体密度
p： 压力
T： 温度
dmf/dt： 纤维材料的实际质量流。
当对一个注塑成型周期n计算塑料材料的实际质量流时，对在其之后的多个注塑成型周期中的一个注塑成型周期、尤其是对直接在其之后的那个注塑成型周期n+1，可以通过改变计量机构的旋转驱动装置的转速使实际质量流匹配额定质量流。
根据待加工的颗粒，可以使用计量螺杆或计量盘作为计量机构。
优选地，可以将连续纤维束从配备有纤维料筒的纤维架中抽出。
纤维制动装置优选可以设置在配备有纤维料筒的纤维架与塑化单元之间并且给予被输送给塑化单元的纤维束可调节的纤维输送速度。即使当存在于塑化单元中的螺杆以大于设定的纤维输送速度的圆周速度旋转时，也不会超过所述速度。
可以将经切割的纤维作为切割玻璃纤维或者作为另一种塑料颗粒的组成部分输送。此外，存在如下可能性，即切割并且然后输送连续纤维束。
此外可以规定，不仅将连续纤维而且将切割玻璃纤维和/或纤维增强的颗粒加入到溶体中。这在处理再生材料时可以是特别有意义的。
附图说明
下面借助实施例并参照附图详细阐述本发明。其中：
图1示出具有按照本发明的单螺杆塑化单元的注塑成型机的第一种实施形式；
图2示出具有按照本发明的单螺杆塑化单元的注塑成型机的第二种实施形式；
图3示出具有按照本发明的单螺杆塑化单元的注塑成型机的第三种实施形式。
具体实施方式
图1示出按照本发明的单螺杆塑化单元作为注塑成型机的组成部分的应用。在图1中示出的注塑成型机1基本上包括在当前情况中仅示意性示出的合模单元2以及按照本发明的单螺杆塑化单元3。合模单元2和单螺杆塑化单元3以本身已知的方式安装在这里未示出的机座上。单螺杆塑化单元3包括具有塑化螺杆5的缸4。在缸4的外侧上安装有多个加热元件19。螺杆5的后端部与旋转驱动装置6和线性驱动装置7作用连接。借助线性驱动装置7，螺杆5可以在缸4中轴向移动，也就是说螺杆5构造成往复式螺杆并且设置用于将掺有纤维的塑料熔体注射到在这里未示出的、位于合模单元2中的注塑模具中。在螺杆导程的后端部区域中设置有第一开口作为给料开口8，用于输送待熔化的塑料材料。
塑料材料作为颗粒存在并且由按体积计量的计量装置30排出给给料开口8。计量装置30包括用于容纳颗粒的储备容器31、可旋转的计量机构32和用于操纵计量机构的旋转驱动装置33。应该通过储备容器31中的点来表明使用以颗粒形式的塑料材料。对于这些点中一个点给出附图标记34。
在第一开口8的输送下游侧，在缸4中设置有第二开口作为用于输送纤维材料的给料开口9。纤维材料优选以空间上彼此分开的纤维束10a-10f的形式通过纤维制动装置40被引入到开口9中。纤维束也可以被称为粗纱。在前端部处，螺杆5具有回流闭锁件11并且在回流闭锁件11的输送下游侧具有与螺杆5不相对转动地连接的并且与螺杆5一起旋转的混合部件12。图1示出一种如在注射过程结束时存在的情况。螺杆5位于其前端部位置中。混合部件12的逐渐形成锥形的头部放置在缸4中配合的锥形凹部中的止挡件上。
纤维材料的输送和纤维制动装置40的作用方式应借助纤维束10a详细描述。为了更好地看清，整体上用附图标记13表示的并且仅示意性示出的纤维输送装置相对于塑化单元3以显著放大的比例示出。纤维输送装置13包括具有一个或多个纤维料筒15的纤维储备容器14，从这些纤维料筒中可以分别抽出一个纤维束。在根据图1的本实施例中，总共六个纤维束10a至10f应被输送给螺杆5，从而在纤维储备容器14中因此设置六个纤维料筒。在当前情况中仅示出用于纤维束10a的唯一的纤维料筒15。纤维束10a由构造成抗静电软管的软管16引导，该软管具有进口16a和出口16b。进口16a设置在纤维储备容器14上或中的合适的位置处。纤维制动装置40连接在出口端部16b的下游。
总体上用附图标记40表示的纤维制动装置允许确定纤维材料的实际质量流。纤维制动装置40基本上包括至少一个转向辊17和至少一个制动驱动的制动辊18，其中，连续纤维无打滑地通过两个辊被引导。通过无打滑的引导可以由制动辊的转速nbw确定纤维输送速度vf。
当纤维束10a由螺杆5这样检测，使得通过螺杆5的旋转将纤维束10a拉入到熔体中并且因此从纤维料筒15中拉出时，纤维输送装置13作为制动器起作用，其中，制动作用并且因此制动力如下面描述的那样分配到纤维输送装置13的不同组成部分上。
第一制动力设置在纤维料筒15上。纤维料筒15可旋转地支承并且通过(未示出的)轴承的摩擦在其旋转方面受到制动，使得纤维束10a以约10牛顿被预紧。
第二制动力借助软管16获得，其中，软管16布设成，使得软管具有一个或多个圆弧段。这通过根据Euler-Eytelwein的绳摩擦的效果导致具有第二制动力的第二制动作用。所述第二制动力产生约70牛顿的纤维拉入力，使得在软管16的端部处的纤维拉入力总体上约为纤维拉入力的80％。
第三制动力借助制动辊18产生。纤维束10a围绕可自由旋转地支承的转向辊17并且随后围绕速度调节的制动辊18并且从那里被引导给螺杆5。制动辊18的驱动优选借助变速马达实现。借助制动辊18施加最后20％的预紧力。转向辊17和制动辊18这样布置，使得转向辊17和制动辊18都分别被以180°环绕。
所输送的纤维材料的实际质量流由纤维制动装置40的给定条件已知地可以如下确定：
dmf/dt＝vf*nf*ntex
dmf/dt： 纤维材料的实际质量流
vf： 纤维输送速度
nf： 所输送的纤维束的数量
ntex： 所输送的纤维束的纱线细度
关于按体积计量的计量装置30，首先要对所使用的材料进行校准。这种校准提供初始的计量功率PD,0，该初始的计量功率对应于计量机构32每旋转一圈以克为单位的颗粒通过量。
在接下来的生产运行中，注塑成型周期n的塑料材料的实际质量流可以如下确定：
dmk/dt＝Ds*π*vscrew,back,n*ρs(p,T)-dmf/dt
dmk/dt： 塑料材料的实际质量流
Ds： 螺杆公称直径
vscrew,back,n： 在塑化期间的螺杆回程速度
ρs(p,T)： 熔体密度
p： 压力
T： 温度
dmf/dt： 纤维材料的实际质量流。
额定质量流和实际质量流的比较或者额定计量功率和实际计量功率的比较提供用于调整用于计量机构、尤其是计量螺杆的旋转驱动装置的转速nd的预给定值。例如，这种调整可以逐个周期地进行。但也可以使用PI调节器。
此外可能的是，将经过多个周期的塑料材料的实际质量流或实际计量功率取平均值并且基于该平均值调整转速nd。
借助按照本发明的方法可以实现，使用按体积计量的计量装置并且因此节省成本，因为按体积计量的计量装置明显比按重量计量的计量装置便宜。仍然可以识别和补偿在堆积密度中的波动。因此，可以在生产这些部件期间保持在制成的纤维增强的塑料成型件中的纤维材料和塑料材料的尽可能恒定的比例。
图2示出具有按照本发明的单螺杆塑化单元的注塑成型机的第二种实施形式。与图1不同的是，在当前情况中纤维材料不是以连续纤维的形式而是作为经切割的纤维被输送。与图1不同，纤维材料和塑料材料通过同一孔被输入到缸中。经切割的纤维35通过按重量计量的计量装置50被输入到缸4中。基于称重器51已知经切割的纤维35的实际质量流。因此，在这里也可以在生产这些部件期间保持在制成的纤维增强的塑料成型件中的纤维材料和塑料材料的尽可能恒定的比例。优选使用切割玻璃纤维作为经切割的纤维。
图3示出按照本发明的单螺杆塑化单元，该单螺杆塑化单元在不添加纤维材料的情况下以仅一种塑料组分运行。在这种情况下，仅使用按体积计量的计量装置30。借助按照本发明的方法可以保持塑料材料的尽可能恒定的实际质量流。因此可能的是，也在停留时间关键的塑料材料的情况下保持所希望的实际质量流。在优选的实施形式中，螺杆尤其是能够以低加料的方式运行。优选的应用领域是制造用于光学目的的塑料成型件。
本发明的其它变型方案未示出。例如也可能的是，将连续纤维和切割玻璃纤维都加入到熔体中。
附图标记列表
1 注塑成型机
2 合模单元
3 单螺杆塑化单元
4 缸
5 塑化螺杆
6 旋转驱动装置
7 线性驱动装置
8 第一给料开口
9 第二给料开口
10a-10f 单个纤维束或者说粗纱
11 回流闭锁件
12 混合部件
13 纤维输送装置
14 纤维储备容器/纤维架
15 纤维料筒
15a-15f 纤维料筒
16 抗静电软管
16a 进口
16b 出口
17 转向辊
18 制动辊
19 加热元件
30 按体积计量的计量装置
31 储备容器
32 计量螺杆
33 旋转驱动装置
34 颗粒
35 经切割的玻璃纤维
40 纤维制动装置
50 按重量计量的计量装置
51 称重器

Claims (12)

1.用于利用塑化单元(3)制造塑料成型件的方法，该塑化单元具有缸(4)和在该缸(4)中可旋转驱动的并且可线性驱动的塑化螺杆(5)，其中，通过缸(4)中的开口(8)将待熔化的塑料材料(34)、优选作为颗粒、粉末、锭坯或液态硅树脂输入到缸(4)中，其中，将塑料材料(34)借助按体积计量的计量装置(30)输入到缸(4)中，其中，按体积计量的计量装置(30)具有用于容纳塑料材料(34)的储备容器(31)、可旋转的计量机构(32)和用于操纵计量机构(32)的旋转驱动装置(33)，并且将熔化的塑料材料通过塑化螺杆(5)的注射行程注射到模具(2)中，
其特征在于，
计算塑料材料(34)的实际质量流，其中，由塑化螺杆(5)在熔体计量过程期间的回程速度vscrew,back,n、塑化螺杆(5)的公称直径和熔体密度计算出实际质量流，将塑料材料(34)的实际质量流与塑料材料(34)的额定质量流进行比较，并且在塑料材料(34)的实际质量流与塑料材料(34)的额定质量流之间的差值可预先给定的情况下，计量机构(32)的旋转驱动装置(33)的转速nd以如下的方式发生变化：使差值减小，其中，该差值优选应达到零。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将纤维材料添加到缸(4)中并且制造纤维增强的塑料成型件，其中，将连续纤维束(10a、10b、10c、10d、10e、10f)通过纤维制动装置输送给塑化单元(3)和/或将经切割的纤维(35)通过按重量计量的计量装置(50)输送给所述塑化单元，并且将熔化的并且掺有纤维材料的塑料材料通过塑化螺杆(5)的注射行程注射到模具(2)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过缸(4)中的第一开口(8)将待熔化的塑料材料作为颗粒(34)输入到缸(4)中；在第一开口(8)的输送下游侧通过第二开口(9)将连续纤维束(10a、10b、10c、10d、10e、10f)输入到缸(4)中，和/或通过第一开口(8)或者通过第三开口将经切割的纤维(35)输入到缸(4)中并且将连续纤维束和/或经切割的纤维由塑化螺杆(5)通过旋转拉入。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在输送连续纤维或输送经切割的连续纤维时，纤维材料的实际质量流计算如下：dmf/dt＝vf*nf*ntex
其中：
dmf/dt：纤维材料的实际质量流
vf：纤维输送速度
nf：所输送的纤维束的数量
ntex：所输送的纤维束的纱线细度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，逐注塑成型周期地改变计量转速nd或者为了改变计量转速nd而使用PI调节器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对塑料材料在多个注塑成型周期上的实际质量流取平均值并且将这样形成的平均值用于改变计量机构(32)的旋转驱动装置(33)的转速nd。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，塑料材料的实际质量流计算如下：
dmk/dt＝Ds*π*vscrew,back,n*ρs(p,T)-dmf/dt
其中：
dmk/dt：塑料材料的实际质量流
Ds：螺杆公称直径
vscrew,back,n：在塑化期间的螺杆回程速度
ρs(p,T)：熔体密度
p：压力
T：温度
dmf/dt：纤维材料的实际质量流。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对一个注塑成型周期计算塑料材料的实际质量流，并且对在该注塑成型周期之后的多个注塑成型周期中的一个注塑成型周期、尤其是对直接在该注塑成型周期之后的那个注塑成型周期，通过改变计量机构(32)的旋转驱动装置(33)的转速nd使实际质量流匹配额定质量流。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用计量螺杆(32)或者计量盘作为计量机构。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将连续纤维束(10a、10b、10c、10d、10e、10f)从配备有纤维料筒(15)的纤维架(18)抽出。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维制动装置(40)将可调节的、无打滑的速度施加到纤维束(10a、10b、10c、10d、10e、10f)上。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将经切割的纤维作为切割玻璃纤维或者作为塑料颗粒的组成部分来输送。
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