DE102004028406B4 - Innerhalb eines Zylinders angeordnete Spritzgussschnecke - Google Patents

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Abstract

Innerhalb eines Zylinders (49) angeordnete Spritzgussschnecke (10, 110, 210) mit einem Antriebsende (12) und mit einem Auslaßende (14), umfassend: das Antriebsende (12), geeignet ausgebildet für eine Wirkverbindung mit einem Antriebsmittel am Antriebsende (12) des Zylinders (49); das Auslassende (14), geeignet ausgebildet für eine Wirkverbindung mit der Schneckenspitze (54) und benachbart dem entgegengesetzten, stromabwärts gelegenen Bereich (72) des Zylinders (49), einen langgestreckten Körper (16, 116, 216) der Spritzgussschnecke (10, 110, 210), der sich axial entlang der Länge der Spritzgussschnecke (10, 110, 210) zwischen dem Antriebsende (12) und dem Auslassende (14) erstreckt, und ein Druckbegrenzungselement (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (16, 116, 216) der Spritzgussschnecke (10, 210, 220) einen zum Antriebsende (12) benachbarten ersten Stufenabschnitt (20) und einen zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) umfasst, dass der erste Stufenabschnitt (20) so ausgebildet ist, dass er zunächst mindestens eine Substanz aufnehmen und diese mindestens eine Substanz zum...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine innerhalb eines Zylinders angeordnete Spritzgussschnecke mit einem Antriebsende und mit einem Auslassende gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind Extrusionsschnecken und Extrusionsvorrichtungen oder -systeme bekannt. Eine bekannte Spritzgussschnecke, die von Trexel Inc., Woburn, USA entwickelt wurde und im MuCell® – Verfahren (Marke der Trexel, Inc.; mikrozellulares Verfahren) für Polymermaterialien verwendet wird, besitzt keine optimale Form für die Verarbeitung von Metall- oder Keramikmaterialien u. dgl. Diese Spritzgussschnecke besitzt vier unterschiedliche Abschnitte.
  • Der erste Abschnitt, der beim Antriebs- oder Zuführende beginnt, umfasst einen Zufuhrabschnitt, einen Zwischenabschnitt und einen Dosierabschnitt. Der zweite Abschnitt, der auch als Beschränkungselement bezeichnet werden kann, hat einen vergrößerten Kerndurchmesser und ist zwischen den konventionellen Schraubengängen und dem ersten Mischabschnitt der Standardschnecke für das mikrozellulare Verfahren angeordnet.
  • Der zweite Abschnitt beschränkt den Rückfluss von geschmolzenem Material stromaufwärts von der Stelle des Gaseinlasses. Dieses Merkmal dient dem Aufrechterhalten des Schmelzdrucks, wenn das Hochdruckgas dem in dem Zylinder befindlichen geschmolzenen Material hinzugefügt wird.
  • Der dritte Abschnitt ist ein Mischabschnitt mit einem Gegenstromkanal basierend auf einer handelsüblichen Mischeinrichtung von Firma Union Carbide, USA oder Maddock, USA die von industriellen Zulieferern für Spritzgussmaschinen bezogen werden kann. Dieser Abschnitt überschneidet eine Gaseinlassöffnung für das Einleiten von überkritischem Fluid (SCF) oder einem Treibmittel, wie Stickstoff, Kohlendioxid und anderen atmosphärischen Gasen in das geschmolzene Material. Der Materialdurchfluss durch diesen Abschnitt bewirkt, dass eine große Menge des geschmolzenen Materials SCF oder Treibmittel aufnimmt, um eine gleichmäßige Verteilung und Dispergierung im geschmolzenen Material zu fördern.
  • Der vierte Abschnitt ist ein Mischabschnitt mit einem Doppelschraubengang mit enger Steigung. Die Schraubengänge haben unter-schiedliche Höhen und sind segmentiert, um das Hindurchströmen des geschmolzenen Materials zwischen den Schraubengängen dieses Mischabschnitts zu fördern.
  • Aus der WO 2000/59702 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Polymerschaummaterial mit einer innerhalb des Zylinders angeordneten Spritzgussschnecke mit einem Antriebs- und einem Auslassende und mit einem Druckbeschränkungselement bekannt.
  • Diese bekannten Spritzgussschnecken haben für das Verarbeiten von Polymermaterialien konstruktive Einschränkungen, die eine Verarbeitung von Rohstoffen aus Metall oder Keramik und ähnlichen Materialien nicht ohne weiteres erlauben.
  • Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine optimale Konstruktion zum Verarbeiten von metallischen oder keramischen Rohstoffen im Spritzguss und ähnlichem zu schaffen.
  • Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine innerhalb eines Zylinders angeordnete Spritzgussschnecke, die ein erstes zum Eingriff in Antriebsmittel geeignetes Ende, ein zweites zum Eingriff in eine Schneckenspitze geeignetes Ende, einen langgestreckten Körper, der sich axial entlang der Länge der Schnecke zwischen den beiden Enden erstreckt und ein Element zur Aufrechterhaltung des Drucks umfasst. Die Spritzgussschnecke kann ferner eine Schneckenspitze aufweisen.
  • Die Erfindung lehrt eine Spritzgussschnecke mit einem ersten und einem zweiten Stufenabschnitt, wobei der erste, nahe dem Antriebsende angeordnete Stufenabschnitt verjüngt ist. Der kleine Durchmesser der Spritzgussschnecke vergrößert sich, ausgehend von der Verbindung am Antriebsende bis zum Druckbegrenzungselement, in drei Abschnitten, dem Zufuhrabschnitt, dem Übergangsabschnitt und dem Dosierabschnitt.
  • Der erste Stufenabschnitt ist so ausgebildet, dass er zunächst mindestens eine Substanz aufnimmt und dass er diese Substanz zum zweiten Stufenabschnitt befördert. Der erste Stufenabschnitt umfasst mindestens einen, sich wendelförmig um ihn herum erstreckenden Schraubengang. Der Schraubengang des ersten Stufenabschnitts bildet mindestens einen Kanal, durch den die Substanz an dem ersten Stufenabschnitt entlang in Richtung stromabwärts zum zweiten Stufenabschnitt befördert wird. Der zweite Stufenabschnitt umfasst mindestens einen Mischabschnitt und mindestens einen, sich wendelförmig um einen Teil des zweiten Stufenabschnitts herum erstreckenden Schraubengang. Der zweite Stufenabschnitt ist so ausgebildet, dass er die vom ersten Stufenabschnitt transportierte Substanz zur Schneckenspitze befördert. Mindestens eine auf einem Teil eines stromabwärts des ersten Stufenabschnitts gelegenen Zylinders angeordnete Gaseinspritzöffnung führt der vom ersten Stufenabschnitt beförderten Substanz mindestens ein Fluid zu. Der Mischabschnitt ist so ausgebildet, dass er die vom ersten Stufenabschnitt beförderte Substanz mischt und diese gemischte Substanz zum Zweck der Extrusion zur Schneckenspitze befördert. Der Schraubengang des zweiten Stufenabschnitts bildet mindestens einen Kanal durch den die Substanz am zweiten Stufenabschnitt entlang zur Schraubenspitz befördert wird. Die zweite Stufe umfasst Mittel zum Induzieren von Schub und zum distributiven Vermischen des Fluids mit der Substanz, wie z. B. einem Rohstoff. Ein integriertes Element zum Aufrechterhalten des Drucks ist so ausgebildet, dass es in einem Übergangsabschnitt zwischen dem ersten Stufenabschnitt und dem zweiten Stufenabschnitt angeordnet ist. Das Element zum Aufrechterhalten des Drucks stellt Mittel zum Reduzieren und vorzugsweise Minimieren des Druckverlustes im zweiten Stufenabschnitt bereit.
  • Anhand einer schematischen Zeichnung mit konstruktiven Details und Betriebsergebnissen soll die Erfindung, ihr Zweck und ihre Vorteile dem Fachmann näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 2 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 3 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • 4 eine Ansicht einer StandardSchneckenspitze mit einem dreiteiligen Sperrring,
  • 5 eine Seitenansicht einer verbesserten Rückschlagventilkonstruktion, wobei Teile des Sperrrings weggebrochen und im Schnitt dargestellt sind,
  • 6 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, des Spritzguss-Extruders, die das automatische Absperrventil in der geöffneten Stellung zeigt,
  • 7–10a grafische Darstellungen der erzielten Ergebnisse mit einer Rückflusssperre der Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung zum Steuern der Druckänderungen beim Spritzgussverfahren, jeweils in psi über Zeiteinheiten von 0,2 Sekunden,
  • 10b grafische Darstellung der Ergebnisse eines Vergleichsversuchs,
  • 11 eine Schnittansicht des vorliegenden Beschränkungselements, das den Materialfluss mit einer stromabwärts gerichteten Strömung bei jeder der Spritzgussschnecken der 1–3 erlaubt,
  • 12 eine Schnittansicht des vorliegenden Beschränkungselements, das den Materialfluss mit einer stromaufwärts gerichteten Strömung bei jeder der Spritzgussschnecken der 1–3 verhindert.
  • Beim Versuch, die oben beschriebene Standardschnecke (4) für das mikrozellulare Verfahren für Polymermaterialien bei der Verarbeitung von metallischen oder keramischen Rohstoffen und ähnlichem zu verwenden, haben sich zahlreiche Probleme ergeben.
  • Der Schraubenspalt gemäß den von der US-Society of Plastics Industry festgelegten Daten, durch die einen Standardwert für Spritzguss-Ausrüstungen festsetzt wird, ist zu klein für die Verarbeitung von metallischem Spritzguss-Material (”MIM”). Die Standardschnecke für das MuCell-Verfahren hat einen Schnecken-Zylinder-Abstand von (0,002 Inches) 0,00508 cm für die Verarbeitung von Polymeren. Die Empfehlung der MIM-Industrie für den Schraubenspalt beträgt das Doppelte von dem für Polymerschnecken. Der schmale Spalt verursacht Abrieb und Verschleiß der Schnecke, der Schneckenspitze und des Zylinders der Gießmaschine. Die Größe einiger Metallpartikel übersteigt die Spaltbreite zwischen Schnecke und Zylinder. Der vorzeitige Verschleiß des Außendurchmessers der Schnecke vermindert die Leistungsfähigkeit des Verfahrens, weil ein Rückfluss von Material über die Schraubengänge hinweg, eine Verminderung der Pumpkapazität und der Fähigkeit des Aufrechterhaltens des minimalen Drucks, um das SCF oder das Treibmittel in der Lösung aus geschmolzenem Material zu halten, die Folge ist. Der vergrößerte Kerndurchmesser des zweiten Abschnitts der Schnecke beschränkt den Druck nicht gut genug, um den minimalen Schmelzdruck zu steuern, der erforderlich ist, um stabile Verfahrensbedingungen zu erhalten, wenn metallische Rohstoffe verarbeitet werden. Die Inhaltsstoffe und die Prozentsätze der Rohstoffbindemittel sind der Schlüssel zur Steuerung des Druckabfalls bei dieser Schnecke.
  • Das Ersetzen dieses Konstruktionsmerkmals durch ein mechanisches Rückschlagventil würde den Druckabfall bei der Verarbeitung von metallischen oder keramischen Rohstoffen reduzieren oder eliminieren. Jedoch werden mechanische Rückschlagventile nicht typischerweise bei Spritzgussschnecken mit einem Durchmesser von weniger als 45 mm eingesetzt, da die mechanische Stärke der Konstruktion an der Stelle, an der das Rückschlagventil angeordnet ist, verringert wird. Andererseits können diese Rückschlagventile jedoch auch mit Erfolg für Spritzgussschnecken mit kleineren Durchmessern verwendet werden. Die Mischabschnitte der Standardschnecke sind zu beschränkt und leiten zuviel kinetische und Schubkräfte in das geschmolzene Rohstoffmaterial. Die Konstruktion der Mischabschnitte ist für intensives Mischen des geschmolzenen Polymermaterials zum Fördern der Verteilung und Vermischung des SCF oder des Treibmittels geeignet.
  • Metallische und keramische Rohstoffe beinhalten einen hohen Prozentsatz an festen Partikeln im Bindemittel (ungefähr 60% Partikel zu 40% Bindemittel), die dazu neigen, sich abzuspalten, wenn sie zu hohen kinetischen oder Schubkräften ausgesetzt sind. Diese Mischabschnitte verursachen, dass die Pulverpartikel sich vom Bindemittel trennen, was dazu führt, dass Pulverpartikel in Bereichen mit geringer Strömung der Mischabschnitte der Schnecke festbacken, wodurch eventuell der Materialfluss durch den Zylinder blockiert wird. Das Ersetzen dieser Mischabschnitte durch weniger beschränkende, einen freien Durchfluss erlaubende Konstruktionen würde die Leistungsfähigkeit des Verfahrens für metallische oder keramische Rohstoffe verbessern.
  • Bei der Verarbeitung von metallischen oder keramischen Rohstoffen sind Konstruktionen mit sehr starken Mischabschnitten nicht erforderlich, da die Metall- oder Keramikpartikel als Keimbildungsmittel wirken. Die Keimbildungsmittel verbessern die Vermischung und Verteilung des SCF oder Treibmittels im Bindemittel. Dies ist bei dem hohen Anteil von festen Partikeln im Verhältnis zum Bindemittel bei diesen Arten von Material klar ersichtlich. Es gibt im wesentlichen 60% weniger auf einem Polymer basierendem Bindemittel, um das SCF oder das Treibmittel zu vermischen und verteilen, wobei die durch den Schub verursachte dynamische Bewegung der Partikel zum Verteilen des Gases beiträgt.
  • Das Kompressionsverhältnis der Standardschnecke für das MuCell-Verfahren ist zu hoch im Vergleich zu den Erfordernissen bei MIM- oder PIM(Pulverspritzguss-)Verfahren. Die Standardschnecke für das MuCell-Verfahren hat ein Kompressionsverhältnis von 2,6:1, während der Standard für die MIM- oder PIM-Industrie bei Kompressionsverhältnissen von 1,5:1 bis 1,7:1 liegt. Das Kompressionsverhältnis ist die Abnahme des Volumens zwischen dem Zufuhrabschnitt und dem Dosierabschnitt der Schnecke bei einer konstanten Steigung des Schraubengangs der Schnecke. Das höhere Kompressionsverhältnis kann auch zum Abspalten des Pulver-Bindemittels führen.
  • Wie aus der 7 ersichtlich ist, ist der Schmelzdruckabfall im Zylinder bei MIM-Rohstoffen größer als der Schmelzdruckabfall bei der Verarbeitung von Polymeren unter Verwendung des MuCell-Verfahrens mit der Standardschnecke. Der hohe Gehalt an Füllmaterial (Metallpartikel) im Bindemittel und die im Bindemittel enthaltenen Materialien der MIM-Rohstoffe machen diese Materialien anfällig für das Zähwerden und Änderungen im Schmelzdruck. das Hinzufügen des SCF-Gases zum geschmolzenen Bindemittel vermindert seine Viskosität. Ein Vorteil der verminderten Viskosität des geschmolzenen Rohstoffes ist der niedrigere Einspritzdruck, der zum Füllen der Gießform erforderlich ist. Ein Nachteil ist, dass die niedrigere Viskosität des Materials zusammen mit dem Materialdruck in diesem Bereich den Druckabfall bei der Standardschnecke für das MuCell-Verfahren verstärkt. Das höhere Kompressionsverhältnis erhöht die durch Schub erzeugte Wärme während der Rotation der Schnecke, wodurch die Viskosität des geschmolzenen MIM-Materials vermindert wird. Dies fördert im Zusammenhang mit dem Fließen des geschmolzenen Materials die Trennung des Pulvers vom Bindemittel, d. h. einen unerwünschten Effekt.
  • Der Druckabfall im Zylinder mit der Standardschnecke für das MuCell-Verfahren während eines Spritzguss-Zyklus war bei allen Materialien erheblich, wenn einem Polymer- oder Rohstoffmaterial Gas hinzugefügt wurde. Der Druckabfall beim Verfahren kann größer als 10,34 MPa (1500 psi) sein, wie aus 7 ersichtlich; dargestellt ist der Druckabfall in psi über Zeiteinheiten von 1/5 Sekunden. Das Aufrechterhalten des Schmelzdrucks des Polymers oder Rohstoffs im Zylinder, um das SCF-Gas in der Lösung zu halten, ist bei der Bildung von mikrozellularen Strukturen kritisch. Der kritische Druck für gasförmigen Stickstoff beträgt ungefähr 3,45 MPa (500 psi) und der für gasförmiges Kohlendioxid 7,45 MPa (1080 psi). Die Lösbarkeit des SCF-Gases im Polymer oder Rohstoff ist eine Funktion der Temperatur und des Drucks als physikalische Eigenschaften des geschmolzenen Materials unter Verfahrensbedingungen. Bei einigen Materialien sind stabile Verfahrensbedingungen schwer zu erzielen, weil es keinen gleichmäßigen Druckabfall beim Schmelzdruck im Zylinder gibt. Dies kann auf die zusätzliche Belastung durch die durch Schub erzeugte Wärme zurückgeführt werden, die die Viskosität des geschmolzenen Materials während des Plastifizier-Zyklus vermindert. Es kann sich dabei um eine Kombination aus der Aufrechterhaltung eines zu hohen Schmelzdrucks des Polymers oder Rohstoffs zum Ausgleich des Druckabfalls und/oder einer zu hohen Drehgeschwindigkeit der Schnecke handeln. Der Druck beim Schmelzprozess muss oberhalb des kritischen Drucks für das SCF-Gas gehalten werden, um es in dem geschmolzenen Material gelöst zu halten. Zusätzlich sind die Auswirkungen der durch Schub erzeugten Wärme bei höherem Druck größer und können es sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich machen, stabile Verfahrensbedingungen für gegenüber Schubkräften empfindliche Polymere oder Rohstoffe zu schaffen.
  • Die MIM-Rohstoffe sind aufgrund des das Bindemittel enthaltenden Materials empfindlich gegenüber Druck- und Schubkräften, zusammen mit der Gefahr einer Trennung von Pulver und Bindemittel oder einem Festbacken von Pulver in unbeweglichen Bereichen. MIM-Rohstoffe wurden mit der Standardschnecke für das MuCell-Verfahren verarbeitet, die eine konventionelle Schneckenspitze mit einem verschiebbaren Sperrring (4) aufweist. Aus verschiedenen Materialien wurden mikroporöse Strukturen im MIM-Rohstoff geschaffen. Das Verfahren war jedoch weder wiederholbar noch problemlos. Behinderungen des Materialsflusses haben sich ergeben, da eine Trennung des Pulvers vom Bindemittel dazu geführt hat, dass Metallpartikel in Bereichen mit niedrigem Durchfluss festgebacken sind. Es war zusätzlich schwierig, den Schmelzdruck des Rohstoffs zu steuern, um den erwünschten SCF-Gas-Gehalt im Material im Zylinder zu erhalten. Dies führte zu einem Überschuss oder Mangel an SCF-Gas im MIM-Material im Zylinder. Der Druckabfall beim MIM-Material war erheblich und es war schwierig, einen minimalen Druck im System aufrechtzuerhalten (7).
  • Die Verarbeitung von MIM-Rohstoffen mittels des MuCell-Verfahrens beim Spritzguss und die Verwendung von mikroporösen Metall erfordert eine unterschiedliche Schneckenkonstruktion aufgrund des darin enthaltenen hohen Anteils von festen Partikeln und des das Bindemittel enthaltenden Materials (z. B. Polymer oder Polymer und Wachs). Die Wärmeleitfähigkeit des metallischen Pulvers ist ebenfalls ein bei der Schneckenkonstruktion zu berücksichtigender Faktor. Das Kompressionsverhältnis hat eine direkte Beziehung zu der Erwärmung des Materials durch Schubkräfte während der Drehung der Schnecke. Die Metallpartikel leiten und halten von den Schubkräften erzeugte Wärme, so dass weniger Kompression und vermindertes Aufheizen des Zylinders erforderlich ist, um den MIM-Rohstoff zu schmelzen und zu befördern. Das Metallpulver kann sich vom Bindemittel trennen, wenn zu hohe Schubkräfte (bzw. zu hohe Kompression beim ersten Stufenabschnitt) auf den geschmolzenen Rohstoff wirken. Ein anderer Effekt von zu hohen Schubkräften ist die Verringerung der Schmelzviskosität, was die Trennung von Pulver und Bindemittel vereinfacht. Die Masse der metallischen Partikel zwingt das Bindemittel, hinter den Partikeln zurückzubleiben, wenn sie durch Schubkräfte bei der Rotation der Schnecke beschleunigt werden. Die Rotation der Schnecke kann an der Spritzgussmaschine eingestellt werden, um die Schubrate, den Gegendruck und den Schmelzdruck zu steuern. Als Ergebnis der Bewegung und der Verminderung der Viskosität bei der Bindungsphase tendieren die Pulverpartikel zum Festbacken in unbewegten Durchflussbereichen, was zu potentiellen Hindernissen in der Schnecke oder an der Schneckenspitze führt. Mit der Standardschnecke für das MuCell-Verfahren ist der zweite Stufenabschnitt zu beschränkt, was eine Trennung von Pulver und Bindemittel verursacht, was wiederum zu Blockaden durch Pulver und eine dadurch hervorgerufene zu große Erwärmung durch Schubkräfte führt.
  • Der für das MuCell-Verfahren erforderliche höhere Gegendruck und Schmelzdruck kann zusammen mit der verringerten Viskosität der Schmelze aus MIM-Rohstoffen mit darin gelöstem SCF-Gas eine Trennung von Pulver und Bindemittel und das Festbacken von Material im Bereich der konventionellen mit einem druckbetätigten Rückschlagventil ausgestatteten Schneckenspitze (4) verursachen. Dies führt dazu, dass der freischwimmende, verschiebbare Sperrring beim Einspritzen des MIM-Rohstoffes offen bleibt oder zuklebt. Diese Verzögerung verursacht unterschiedlich große Einspritzschüsse aufgrund des Rückflusses des Materials durch das offene Rückschlagventil. Der Rückfluss von geschmolzenem Material hat eine Beziehung zum Spritzdruck, der 4 bis 5 mal höher als der Schmelzdruck im Zylinder ist. Der Rückfluss von geschmolzenem Material tritt auf, wenn Spritzdruck auf das geschmolzene Material stromaufwärts des Rückschlagventils an der Schneckenspitze vor dem Schließen des Rückschlagventils einwirkt. Der Spritzdruck in diesem beschränkten Durchfluss-Mischabschnitt der Standardschnecke für das MuCell-Verfahren bewirkt, dass der MIM-Rohstoff entweder festbackt und den Durchflussweg auf der Schnecke versperrt oder führt zum Bersten der Hochdruck-Sicherheitsscheibe. Diese Sicherheitsscheibe ist in der Nähe der im Zylindervorgesehenen Gaszufuhröffnung angeordnet, die stromabwärts vom mittleren Rückschlagventil auf der Schnecke angeordnet ist. Zusätzlich kann das festgebackene Material Verschleiß durch Reibung an den Komponenten der Schneckenspitze verursachen, was zu einem vorzeitigen Ausfall dieser Komponenten der Schneckenspitze (4) führt.
  • Die Standardschnecke für das MuCell-Verfahren umfasst ebenfalls eine Steuerungsvorrichtung für den Schmelzfluss, die stromaufwärts der Gaseinlassöffnung angeordnet ist und das Entweichen des Gases bei Hochdruck an der Zylinderöffnung mit Normaldruck verhindert oder verringert. Die Steuerungs- und Beschränkungsvorrichtung für den Schmelzfluss besteht aus einer Vergrößerung des Kerndurchmessers der Schnecke über eine geringe Distanz, wodurch der Ringspalt zwischen dem Kerndurchmesser der Schnecke und dem inneren Durchmesser des Zylinders verringert wird. Die Viskosität des geschmolzenen Polymers und der Schmelzfluss durch diesen Ring werden benutzt, um das Druckdifferential stromabwärts und stromaufwärts dem atmosphärischen Druck anzugleichen. Diese Konstruktion hat gewisse Einschränkungen, da die Fähigkeit zum Steuern des Schmelzdrucks eine Funktion der Viskosität der Schmelze ist. Dadurch wird ein Element hinzugefügt, das es erschwert, das mit der MuCell-Spritzgussmachine und dieser Schneckenkonstruktion durchgeführte Verfahren zu steuern. Der große Druckabfall kann ein Zusammenballen des Gases hervorrufen, was zu großen Gasblasen im Zylinder führt. Dies ist ein unerwünschtes Ereignis, dass die Steuerung und die Leistung des Verfahrens hinsichtlich des geformten Polymerteils beeinträchtigt.
  • Die Spritzgussschnecke der vorliegenden Erfindung ist für einige konventionell ausgebildete Extrusionsschnecken mit einzelnen Schraubengängen, wie beispielsweise Schnecken mit einem, zwei und drei Abschnitten sowie für Schnecken mit mehreren Schraubengängen, wie Zwillingsschnecken, geeignet, um die Leistungsfähigkeit des Verfahrens und die Qualität des Produkts beim Spritzgießen von Material aus metallischen oder keramischen Rohstoffen und ähnlichem zu verbessern.
  • In der Zeichnung sind durchgehend gleiche Bezugszeichen verwendet worden, um die entsprechenden funktionell weitestgehend ähnlichen Bauteile in den beigefügten Zeichnungen zu benennen. In den 1–6 und 11–12 ist eine Spritzgussschnecke 10, 110, 210 in Übereinstimmung mit mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.
  • Die Spritzgussschnecke 10, 110, 210 der vorliegenden Erfindung umfasst ein Antriebsende 12, ein eine Schneckenspitze aufnehmendes Ende 14, einen weitgehend zylindrischen, langgestreckten Körper 16, 116, 216, der sich axial entlang der Länge der Schnecke 10, 110, 210 zwischen dem Antriebsende 12 und dem die Schneckenspitze aufnehmenden Ende 14 erstreckt, sowie ein Element 18 zur Aufrechterhaltung des Drucks, vorzugsweise eine ringförmige Rückflusssperre. Die Schnecke 10, 110, 210 kann weiterhin eine Schneckenspitze 54 aufweisen. Die Fließrichtung des Mediums wird durch den Pfeil 33 in den 1–3 und 11–12 dargestellt.
  • Wie in den 1–3 dargestellt ist, umfasst der langgestreckte Körper 16, 116, 216 einen ersten Stufenabschnitt 20 und einen zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222. Der erste Stufenabschnitt 20 der Schnecke ist in allen drei Ausführungsformen im wesentlichen gleich, während der zweite Stufenabschnitt 22, 122, 222 sich bei allen drei Ausführungsformen unterscheidet.
  • Der erste Stufenabschnitt 20 ist so ausgebildet, dass er zunächst mindestens eine Substanz (nicht dargestellt), wie beispielsweise einen Rohstoff aus metallischem Material, keramischem Material und ähnlichem aufnimmt und die mindestens eine Substanz stromabwärts zum zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 transportiert Der erste Stufenabschnitt 20 ist in mehrere Abschnitte oder Bereiche unterteilt und umfasst einen Zufuhrabschnitt 24, einen Übergangsabschnitt 26 und einen Dosierabschnitt 28. Der Zufuhrabschnitt 24 ist dem Antriebsende 12 am nächsten gelegen. Der Übergangsabschnitt 26 ist zwischen dem Zufuhrabschnitt 24 und dem Dosierabschnitt 28 angeordnet. Jeder der Abschnitte Zufuhrabschnitt 24, Übergangsabschnitt 26 und Dosierabschnitt 28 hat einen Kerndurchmesser 30, 32 bzw. 34. Der Kerndurchmesser 34 des Dosierabschnitts 28 ist größer als der Kerndurchmesser 32 des Übergangsabschnitts 26, während der Kerndurchmesser 32 des Übergangsabschnitts 26 größer als der Kerndurchmesser 30 des Zufuhrabschnitts 24 ist. Der Kerndurchmesser 34 des Dosierabschnitts 28 ist ungefähr der gleiche wie der Kerndurchmesser 38, 138, 238 eines Mischabschnitts 36, 136, 236 des zweiten Stufenabschnitts 22, 122, 222. Der Kerndurchmesser 42 eines Zwischenabschnitts 40 ist kleiner als der Kerndurchmesser 34 des Dosierabschnitts 28 und der Kerndurchmesser 38, 138, 238 des Mischabschnitts 36, 136, 236. Der Kerndurchmesser 30, 32, 34, 38, 138, 238, 42 trägt zum distributiven Mischen und zur gleichmäßigen Erwärmung durch Schubkräfte bei.
  • Der erste Stufenabschnitt 20 umfasst einen einzigen Schraubengang 44, der sich wendelförmig um den ersten Stufenabschnitt 20 herum erstreckt. Der einzelne Schraubengang 44 bildet einen Kanal 46, durch den die Substanz an dem ersten Stufenabschnitt 20 entlang zum zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 transportiert wird. Der einzelne Schraubengang 44 hat eine konstante Höhe und eine konstante Steigung. Es können jedoch auch Schraubengänge mit uneinheitlichen Steigungen oder eine Mehrzahl von Schraubengängen bei der praktischen Benutzung der vorliegenden Erfindung Verwendung finden. Weiterhin können die Kerndurchmesser der Abschnitte konzentrisch, exzentrisch oder eine Kombination aus beidem (Beispiel: Sperrgänge oder Doppelschraubgang oder -steigung) sein.
  • Wie in der 1 dargestellt ist, umfasst der zweite Stufenabschnitt 22 der ersten Ausführungsform einen Mischabschnitt 36, einen Mischschraubengang 50a, 50b, der sich wendelförmig um den Mischabschnitt 36 herum erstreckt und einen mit wendelförmig angeordneten Flügeln versehenen Mischabschnitt 52, der zwischen dem Mischabschnitt 36 und dem Zwischenabschnitt 40 angeordnet ist. Der zweite Stufenabschnitt 22 ist zum Transportieren der vom ersten Stufenabschnitt 20 beförderten Substanz stromabwärts zur Schneckenspitze 54 ausgebildet.
  • Mindestens eins Gaseinlassöffnung 48, die auf einem Teil eines stromabwärts vom ersten Stufenabschnitt 20 angeordneten Zylinders 49 vorgesehen ist, führt der vom ersten Stufenabschnitt 20 transportierten Substanz mindestens ein Fluid, ein überkritisches Fluid (SCF) oder ein Treibmittel (nicht dargestellt), wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid, andere atmosphärische Gase, Kohlenwasserstoffe, Chlorfluorkohlenwasserstoffe und ähnliches, zu. Die Gaseinlassöffnung 48 und ihre effektive Positionierung bei der Verwendung der Erfindung, vorzugsweise entlang eines Abschnitts des Zylinders 29, der dem zweiten Stufenabschnitt 22 entspricht, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die Gaseinlassöffnung 48 kann in einer Vielzahl von effektiven Positionen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, angeordnet sein.
  • Der mit wendelförmig angeordneten Flügeln versehenen Mischabschnitt 52 startet den Mischvorgang des SCF oder des Treibmittels mit der vom ersten Stufenabschnitt 20 transportierten Substanz und transportiert die Substanz zum Mischabschnitt 36. Der Mischabschnitt 36 vervollständigt den Mischvorgang und transportiert die gemischte Substanz zur Schneckenspitze 54 zwecks Einspritzung in die Form und/oder Extrusion. Der Mischschraubengang 50a, 50b erstreckt sich über einen beträchtlichen Teil der Länge des Mischabschnitts 36 und bildet mindestens einen Kanal 56, durch den die gemischte Substanz an dem zweiten Stufenabschnitt 22 entlang zur Schneckenspitze 54 befördert wird. Der Mischschraubengang 50a, 50b ist eine gezahnte Doppel-(oder Zwillings-)Mischwendel mit einer Steigung von 0,5. Die Schraubengänge 50a, 50b dieser gezahnten Doppelmischwendel haben unregelmäßige Höhen und sind gezahnt, um die Querströmung der Substanz zwischen den Schraubengängen 50a, 50b während des Mischvorgangs zu verbessern. Dies kann auch mit anderen Geometrien erreicht werden, wie zum Beispiel Mischgeometrien aus Einzelschraubengängen oder Mehrfachschraubengängen mit oder ohne Verzahnungen oder andere Ausgestaltungen, die für Mischabschnitte von Plastifizier-Schnecken typisch sind. Somit verursacht der Mischabschnitt 36 eine zackenartige Vermischung der Substanz entlang seiner Länge.
  • Wie in den 1–3 und 11–12 dargestellt ist, ist das Element 18 zur Aufrechterhaltung des Drucks, wie beispielsweise eine ringförmige Rückflusssperre, gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise im oder in der Nähe des Zwischenabschnitts 40 zwischen dem ersten Stufenabschnitt 20 und dem zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 sowie stromabwärts des Dosierabschnitts 28 der Schnecke 10, 110, 210 angeordnet. Beim Gebrauch ist die ringförmige Rückflusssperre 18 vorzugsweise stromaufwärts von der Stelle der Gaseinlassöffnung 48 auf dem Zylinder 49 angeordnet. Die ringförmige Rückflusssperre 18 umfasst einen Ring 60 (11 und 12), der sich um den Durchmesser 42 eines kleinen Abschnitts der Schnecke 10, 110, 210, der bei der vorliegenden Erfindung als Zwischenabschnitt 40 bezeichnet ist, herum erstreckt und der seitlich zwischen einer ersten Position, die den Durchfluss von Material erlaubt und einer zweiten Position, die den Durchfluss von Material verhindert, beweglich ist Der Außendurchmesser 62 des Rings 60 ist so bemessen, dass er im wesentlichen den Durchfluss der Substanz oder einer Mischung aus der Substanz und dem SCF oder einem Treibmittel zwischen dem Ring 60 und dem Zylinder 49 hindurch verhindert, während der Ring 60 sich immer noch seitlich bewegen kann.
  • In der ersten Position steht, wie in der 11 gezeigt ist, eine innere Kante 64 des Rings 60 in Kontakt mit einer Sperrfläche 66, die sich vom Körper 16, 116, 216 der Schnecke 10, 110, 210 aus erstreckt. Der Ring 60 steht jedoch nicht in Eingriff mit einer Dichtfläche 68 der Schnecke 10, 110, 210, um einen Zwischenraum zu schaffen, durch den die Substanz oder die Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel stromabwärts dem Pfad 80 folgend, hindurchfließen kann. In dieser Position strömt die Substanz oder die Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel durch einen inneren Durchlass 70 im Ring 60, um stromabwärts das Druckbeschränkungselement 18 zu passieren.
  • In der zweiten Position ist, wie in der 12 gezeigt ist, der Ring 60 in Richtung stromaufwärts verlagert und steht in Eingriff mit der Dichtfläche 68 der Schnecke 10, 110, 210, um eine Einschränkung für das stromaufwärts gerichtete Fließen der Substanz oder der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder dem Treibmittel, dargestellt durch den Pfad 81, zu schaffen. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen verhindert der Eingriff zwischen dem Ring 60 und der Dichtfläche 68 im wesentlichen das stromaufwärts gerichtete Fließen der Substanz oder der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder dem Treibmittel dort hindurch. In anderen Fällen sind der Ring 60 und die Dichtfläche 68 so konstruiert, dass sie das stromaufwärts gerichtete Fließen in geringem Umfang erlauben, wenn sie miteinander in Eingriff stehen (z. B. durch Kanäle zwischen dem Ring 60 und der Dichtfläche 68, die gebildet werden, wenn der Ring 60 in der zweiten Position ist. Die Dichtfläche 68 und die Oberfläche des Rings 60 können, wie dargestellt, konisch ausgebildet sein, um eine undurchlässige Dichtung insbesondere dann zu schaffen, wenn das stromaufwärts gerichtete Fließen verhindert werden soll.
  • Die relative Position des Rings 60 ist abhängig von den auf ihn wirkenden Kräften. Insbesondere ist die Position des Rings abhängig von der Differenz zwischen dem Druck der Substanz oder der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder dem Treibmittel stromaufwärts des Rings 60 und dem Druck der Substanz oder der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder dem Treibmittel stromabwärts des Rings 60. Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist der Ring 60 so gestaltet, dass er sich in der ersten Position befindet, wenn stromaufwärts herrschende Druck größer als der stromabwärts herrschende Druck ist und sich in die zweite Position bewegt, wenn der stromabwärts herrschende Druck größer als der stromaufwärts herrschende Druck ist.
  • Bei einem typischen Betriebsablauf steht der Ring 60 am Beginn des Einspritz- oder Ausstoßzyklus im allgemeinen nicht in Eingriff mit der Dichtfläche 68 (11), da der Druck der geschmolzenen Substanz oder der geschmolzenen Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel stromaufwärts des Rings 60 größer als der Druck stromabwärts ist, so dass es der Substanz oder der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel ermöglicht wird, in Richtung stromabwärts an dem Druckbeschränkungselement 18 vorbei befördert zu werden und sich in dem Bereich 72 anzusammeln. Wenn sich eine ausreichende Menge der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel im Bereich 72 angesammelt hat, bewegt sich die Schnecke 10, 110, 210 stromabwärts von der Sammelposition (1) in eine Einspritz- oder Ausstoßposition (2) um das angesammelte Material zu extrudieren. Die stromabwärts gerichtete Bewegung der Schnecke 10, 110, 210 komprimiert die angesammelte Menge, wodurch der Druck ansteigt. Dies schafft den Zustand eines hohen Drucks auf der stromabwärts gelegenen Seite des Rings 60 relativ zu der stromaufwärts gelegenen Seite, was dazu führt, dass der Ring 60 sich in die zweite Position bewegt und in Eingriff mit der Dichtfläche 68 (12) gelangt, wodurch das Fließen des Materials beschränkt wird und der stromabwärts des Druckbeschränkungselements 18 herrschende Druck aufrechterhalten wird. Typischerweise verbleibt der Ring 60 in der zweiten Position bis der stromaufwärts des Druckbeschränkungselements 18 herrschende Druck den Druck stromabwärts übersteigt, wobei der Ring 60 dann in die erste Position zurückkehrt.
  • Die ringförmige Rückflusssperre 18 stellt ein Mittel bereit, um zumindest den Druckverlust oder -abfall im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 (7) im Zylinder 49 eines Verarbeitungssystems (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt), beispielsweise einer Formmaschine oder eines Formsystems zu minimieren, wenn MIM- oder keramische Rohstoffe mit der mikrozellularen Standardschnecke verwendet werden. Der Druckabfall kann zum Zusammenballen des Gases, d. h. zur Bildung von großen Gasblasen im Zylinder 49 führen. Die Steuerung des Schmelz- und Gegendrucks im Zylinder 49 durch den Verfahrenszyklus und das ausreichende Durchmischen des Materials nach dem Hinzufügen des SCF oder Treibmittels sind Schlüsselkriterien für die Herstellung von mikroporösen MIM. Gemäß 7 erlaubt die ringförmige Rückflusssperre 18 einen größeren Verfahrensspielraum für Gegen- und Schmelzdruck beim Verarbeiten von Rohstoffen aus metallischen Materialien. Die ringförmige Rückflusssperre 18 kann freischwimmend oder von der Schnecke 10, 110, 210 hinsichtlich der Bewegung beim Drehen der Schnecke 10, 110, 210 festgelegt sein. Die eingespannte oder festgelegte ringförmige Rückflusssperre 18 verhindert Abrieb oder vorzeitigen Verschleiß der Bestandteile der Rückflusssperre oder Verschleiß an den entsprechenden Flächen der Schnecke 10, 110, 210. Der Verschleiß der Schnecke und der Bestandteile ist ein wichtiges Kriterium beim Verarbeiten von MIM-Rohstoffen aufgrund der schleifenden Eigenschaften dieses Materials. Die Materialauswahl für die Schnecke 10, 110, 210, die Schneckenkomponenten und den Zylinder 49 ist wichtig für die Haltbarkeit sowohl der Schnecke als auch der Komponenten der Rückflusssperre bei MIM- und keramischen Rohstoffen. Die Zwischenräume zwischen der Schnecke 10, 110, 210 und der ringförmigen Rückflusssperre 18 sind die gleichen, wie für die Schnecken- und Schneckenspitzenkomponenten erforderlich sind, die für die Verarbeitung von MIM-Rohstoffen ohne Gaseinspritzung verwendet werden. Die ringförmige Rückflusssperre 18 kann einteilig ausgebildet und an einer zweiteiligen Schnecke mittels einer Gewinde- oder Stiftverbindung befestigt sein, oder sie ist zweiteilig bei einer einteiligen Schnecke. Die zweiteilige Rückflusssperre kann geschraubt, gesteckt zusammengepresst, lose zusammengefügt (und durch die Geometrie der Schnecke und des inneren Durchmessers des Zylinders am ihrem Platz gehalten) und/oder zusammengeschweißt sein. Andere Typen oder Verfahren für Rückflusssperren können als Alternative verwendet werden.
  • Die befestigte ringförmige Rückflusssperre 18 ist ein Beispiel für ein Druckbeschränkungselement, das in Extrudern (nicht dargestellt, aber aus dem Stand der Technik bekannt) Verwendung findet, um die Konsistenz der Substanz, wie beispielsweise Rohstoffe oder Polymere, und des SCF oder des Treibmittels innerhalb einer Verfahrenseinrichtung zwischen dem Treibmitteleinlass (nicht dargestellt, aber aus dem Stand der Technik bekannt) und einem Extrusionsauslass (nicht dargestellt), beispielsweise einer Düse, Einlass einer Form oder irgendeinem anderen Auslass, unter einem relativ hohen Druck während eines Einspritz- oder Ausstoßzyklus beizubehalten. Extruder, die so konstruiert und angeordnet sind, dass der Druck auf diese Weise aufrechterhalten wird, sind dem Stand der Technik gut bekannt und es werden hier Beispiele genannt, bei denen es nicht beabsichtigt ist, dass sie den Umfang der Erfindung einschränken. Das Druckbeschränkungselement 18 kann jede beliebige Form aus der dem Stand der Technik bekannten Vielzahl von Formen zum Beschränken des stromaufwärts gerichteten Fließens der Substanz haben, beispielsweise eine Blase, eine sich quer über den Zufuhrabschnitt der Schnecke erstreckende Sperre, einen gegenläufigen Schraubengang oder ein Ventil.
  • Das Druckbegrenzungselement 18 sorgt für die Aufrechterhaltung des Drucks in der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel stromabwärts des Druckbegrenzungselements oberhalb eines minimalen Drucks während des ganzen Zyklus. In vielen Fällen hält das Druckbegrenzungselement 18 einen Druck stromabwärts des Druckbegrenzungselements 18 während des ganzen Zyklus von mindestens 6,9 MPa (1.000 psi), in einigen Fällen 13,8 MPa (2.000 psi) und in einigen Fällen 20,7 MPa (3.000 psi) aufrecht. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der Druck stromabwärts des Druckbegrenzungselements 18 während des ganzen Zyklus auf einem Wert gehalten, der größer als der kritische Druck ist, der für eine einphasige Lösung der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel für eine Anzahl von gegebenen Verfahrensbedingungen erforderlich ist. Der kritische Druck ist abhängig von den Gewichtsprozenten des SCF oder Treibmittels, die in der Substanz gelöst sind, sowie von anderen Verfahrensbedingungen, wie zum Beispiel die Temperatur. Dadurch, dass die einphasige Lösung der Substanz und des SCF oder Treibmittels auf einem Druck oberhalb des kritischen Drucks gehalten wird, stellt das Druckbegrenzungselement 18 sicher, dass das SCF oder Treibmittel nicht vorzeitig aus der Lösung innerhalb des Extruders vor einem Keimbildungsschritt aufgrund eines Druckabfalls entweicht, der vom stromaufwärts gerichteten Fließen der Mischung aus der Substanz und dem SCF oder Treibmittel während des Einspritzens oder Ausstoßens hervorgerufen werden kann.
  • Bei einigen Ausführungsformen, die eine ringförmige Rückflusssperre 18 verwenden, gibt es eine nicht zu vernachlässigende Zeitspanne, während der der Ring 60 sich von der ersten Position in die zweite Position bewegt. Während dieser Zeitspanne erlaubt die ringförmige Rückflusssperre 18 ein beschränktes stromaufwärts gerichtetes Fließen von Material durch sie hindurch, bevor sie in die Dichtfläche 68 eingreift, was von Vorteil sein kann, da die Hochdruckbedingung stromabwärts des Druckbegrenzungselements 18 verringert wird. Dieses beschränkte, stromaufwärts gerichtete Fließen verhindert eine unsichere Hochdruckbedingung (z. B. eine Druckbedingung, die höher als der Betriebsdruck des Extruders ist), die sich ergeben könnte, wenn das Druckbegrenzungselement 18 das gesamte stromaufwärts gerichtete Fließen des Materials am Druckbegrenzungselement 18 vorbei verhindern würde. Der Umfang der Druckentlastung ist von dieser Zeitspanne abhängig, die eine Funktion des Viskosität des geschmolzenen Materials, der Ringkonstruktion und der Einspritzgeschwindigkeit ist und kann von einem Fachmann angemessen eingestellt werden.
  • Um das Verfahren zu verbessern, sind vorzugsweise ein Sicherheitselement und ein Element zur Steuerung der Größe des Einspritzschusses vorgesehen. Die Schneckenspitze 54 ist vorzugsweise eine mit einem automatischen Schließventil versehene Schneckenspitze 54. Außen liegende und eingebaute Schneckenspitzen des Typs mit federbetätigten automatischen Schließventilen sind in der Spritzgussindustrie handelsüblich. Ein Beispiel für eine Schneckenspitze 54 mit einem automatischen Schließventil ist das automatische Absperrventil (6), gemäß dem am 17. November 1992 herausgegebenen US-Patent 5,164,207 von Michael Durina, das auf die Spirex Corporation übertragen wurde und das durch die Bezugnahme darauf hier integriert wird. Dieses automatische Absperrventil ist für das MIM-Verfahren geeignet und erfüllt die Bedingungen für die Schnecke 10, 110, 210, da das MIM-Pulver dazu neigt, Verschleiß durch Abschliff und Abrieb der sich berührenden oder aneinander angrenzenden Komponenten der Schneckenspitze und der Zylinderoberfläche zu verursachen. Diese Schneckenspitzenkonstruktion hat Ausbildungsmerkmale, die sie für die Verarbeitung von MIM-Rohstoffen kompatibel macht, insbesondere die innen gelegene Feder und die Tellerventilkonstruktion. Der Außendurchmesser der Schneckenspitze wurde reduziert, um den Spalt, der für die Verarbeitung von MIM-Rohstoffen erforderlich ist, zu vergrößern. Ein anderes Beispiel für eine Schneckenspitze 54 mit einem automatischen Schließventil ist das in dem am 15. August 1995 herausgegebenen US-Patent 5,441,400 von Donald Zeiger, das hier durch die Bezugnahme darauf integriert wird, offenbarte unter Federspannung stehende Rückschlagventil. Ferner kann ebenfalls eine StandardSchneckenspitze (4) mit einem dreiteiligen Sperrring verwendet werden. Die automatisch schließende Schneckenspitze 54 ist für die Steuerung des Drucks im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 der Schnecke 10, 110, 210 zwingend erforderlich, um eine sichere und verbesserte Steuerung bei der Verarbeitung von MIM-Rohstoffen zu erhalten. Diese Arten von Schneckenspitzen 54 können in den Schneckenspitzenkanal 58 am die Schneckenspitze aufnehmenden Ende 14 der Schnecke 10, 110, 210 eingeschraubt werden. Es können jedoch auch andere Arten von Schneckenspitzen an die Schnecke 10, 110, 210 angebaut oder eingebaut werden und die Schneckenspitze kann ferner durch andere Vorrichtungen oder Verfahren in dem Schneckenspitzenkanal 58 befestigt werden.
  • Wie in der 2 dargestellt ist, umfasst der zweite Stufenabschnitt 122 der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Mischabschnitt 136 und einen Mischschraubengang 50, der sich wendelförmig an dem zweiten Stufenabschnitt 122 entlang erstreckt. Der zweite Stufenabschnitt 122 ist so ausgebildet, dass er die vom ersten Stufenabschnitt 20 beförderte Substanz in Richtung stromabwärts zur Schneckenspitze 54 transportiert. Die Gaseinlassöffnung 48 und ihre effektive Anordnung bei der Benutzung der Erfindung vorzugsweise an einem Abschnitt des Zylinders 49, der dem zweiten Stufenabschnitt 122 entspricht, ist gemäß dem Stand der Technik bekannt. Die Gaseinlassöffnung 48 kann an einer Vielzahl von effektiven Positionen angeordnet werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Mischabschnitt 136 mischt das SCF oder das Treibmittel und die vom ersten Stufenabschnitt 20 beförderte Substanz und transportiert die gemischte Substanz zur Schneckenspitze 54 zum Zweck der Extrusion. Der Mischschraubengang 50 durchquert einen beträchtlichen Teil der Länge des zweiten Stufenabschnitts 122 und bildet einen Kanal 156, durch den die gemischte Substanz an dem zweiten Stufenabschnitt 122 entlang zur Schneckenspitze 54 transportiert wird. Der Mischschraubengang 50 ist eine Einzel-Mischwendel 50 mit konstanter Steigung und konstanter Höhe. Somit verursacht der Mischabschnitt 136 ein Befördern der Substanz unter Vermischung durch Reibungsfluss, so dass eine konstante Menge der gemischten Substanz an der Schneckenspitze 54 extrudiert wird.
  • Wie in der 3 gezeigt ist, umfasst der zweite Stufenabschnitt 222 der dritten Ausführungsform einen Mischabschnitt 236 und einen Mischschraubengang 150, der sich wendelförmig an dem zweiten Stufenabschnitt 222 entlang erstreckt. Der zweite Stufenabschnitt 222 ist so ausgebildet, dass er die vom ersten Stufenabschnitt 20 beförderte Substanz in Richtung stromabwärts zur Schneckenspitze 54 transportiert. Die Gaseinlassöffnung 48 und ihre effektive Anordnung bei der Benutzung der Erfindung vorzugsweise an einem Abschnitt des Zylinders 49, der dem zweiten Stufenabschnitt 222 entspricht, ist gemäß dem Stand der Technik bekannt. Die Gaseinlassöffnung 48 kann an einer Vielzahl von effektiven Positionen angeordnet werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Mischabschnitt 236 mischt das SCF oder das Treibmittel und die vom ersten Stufenabschnitt 20 beförderte Substanz und transportiert die gemischte Substanz zur Schneckenspitze 54 zum Zweck der Extrusion. Der Mischschraubengang 150 durchquert einen beträchtlichen Teil der Länge des Mischabschnitts 236 und bildet mindestens einen Kanal 256, durch den die gemischte Substanz an dem zweiten Stufenabschnitt 222 entlang zur Schneckenspitze 54 transportiert wird. Der Mischschraubengang 150 ist eine gezahnte Einzel-Mischwendel 150. Die gezahnte Einzel-Mischwendel 150 hat eine konstante Steigung und konstante Höhe und ist gezahnt, um die Querströmung der Substanz zu fördern. Somit verursacht der Mischabschnitt 236 ein Vermischen der Substanz durch Verzahnung und eine Beförderung unter Vermischung durch Reibungsfluss und Nebenströmung, so dass eine konstante Menge der gemischten Substanz an der Schneckenspitze 54 extrudiert wird.
  • Im allgemeinen hat die Spritzgussschnecke 10, 110, 210 der vorliegenden Erfindung ein niedriges Kompressionsverhältnis im Vergleich zu bekannten Schnecken, wie beispielsweise eine konventionelle Allzweckschnecke für Kunststoff- oder Metallspritzguss, die im allgemeinen ein Kompressionsverhältnis von 1,5:1 bis 4,0:1 hat, oder wie die Standardschneckenkonstruktion für das mikrozellulare Verfahren, die im allgemeinen ein Kompressionsverhältnis von 2,6:1 hat. Die Spritzgussschnecken 10, 110, 210 der drei vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen haben jeweils Kompressionsverhältnisse von ungefähr 2,0:1, ungefähr 1,5:1 bis ungefähr 1,7:1 bzw. ungefähr 1,5:1 bis ungefähr 1,7:1. Ein zum Abfall des Schmelzdrucks beitragender Faktor ist, wie in Tests mit MIM-Rohstoffen unter Verwendung der Standardschnecke für das mikrozellulare Verfahren festgestellt wurde, das Kompressionsverhältnis des ersten Stufenabschnitts von 2,6:1, das um 1 Punkt höher ist als das Verhältnis von 1,5:1 bis 1,7:1 für Allzweck-MIM-Schnecken, das in der MIM-Industrie üblich ist. Zum Mischen und Extrudieren von Rohstoffen mit nichtpolymeren Bindemitteln kann die Spritzgussschnecke vorzugsweise ein Kompressionsverhältnis von ungefähr 1,2:1 bis ungefähr 1,49:1 haben.
  • Die 7, 7–10, 10a zeigen in grafischen Darstellungen die Auswirkungen oder Ergebnisse, die durch das Hinzufügen der ringförmigen Rückflusssperre zum Steuern der Druckänderungen beim Spritzgussverfahren erzielt werden können. Der Druck ist auf der Y-Achse über einer Anzahl Zeitintervalle von 1/5 Sekunden aufgetragen.
  • Die 7 zeigt einen Vergleich zwischen dem Druck des (mittleren) Förder- und Mischabschnitts unter Verwendung einer MIM-Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung und dem Druck des mittleren Abschnitts unter Verwendung der Standard-MIM-Schnecke des MuCell-Verfahrens. In diesem Fall ist der verarbeitete Rohstoff PA (Polyamid), 33% GF (Glasfaser).
  • Die 8 zeigt den Druck des mittleren Abschnitts unter Verwendung einer Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung und bei der Verarbeitung von PP-Rohstoffen (Polypropylen).
  • Die 9 zeigt den Druck des mittleren Abschnitts unter Verwendung einer Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung und bei der Verarbeitung von PSU-Rohstoffen (Polysilikonurethan) und der Verwendung von Gas.
  • Die 10 zeigt den Druck des mittleren Abschnitts unter Verwendung einer Spritzgussschnecke gemäß der vorliegenden Erfindung und bei der Verarbeitung von BASF-Rohstoffen und unter Verwendung von Gas.
  • Die 7–10a zeigen die Änderung des Schmelzdrucks bei jedem Zyklus in kontinuierlicher Form. Der Druck wird in dem Zylinder an der Stelle gemessen, an der sich die SCF-Gaseinlassöffnung befindet. Die Position der Öffnung ist wichtig für die Verzögerung, Verteilung und Vermischung des Gases mit einem optimalen Druckdifferential.
  • Beispiel 1
  • Der Druckabfall des geschmolzenen Materials im Förder- und Mischabschnitt der Standardschnecke für das mikrozellulare Verfahren ist in der 7 dargestellt und zeigt Druckänderungen von 13,8 MPa (2000 psi) während eines Spritzgusszyklus mit dem getesteten PA-Material. Das verarbeitete Material zum Erzeugen dieses Schaubilds war ein Polyamid-6-(Nylon 6)Harz, das mit 33% kurzen Glasfasern verstärkt war. Diese Material wurde beim Verarbeiten von Polymer-MuCell-Teilen mit der Standard-Trexel-MuCell-Schnecke verwendet, und dieses Material wurde auch als Ausgangsbasis für die Verbesserungen hinsichtlich der Verfahrenssteuerung durch Einfügen des Sperrrings im mittleren Abschnitt bei der Verarbeitung von MIM-Rohstoffen verwendet. Dabei wurden anfangs bei einem Versuch, die Entwicklungskosten zu kontrollieren, Polymermaterialien verwendet, da MIM-Rohstoffe kostspielig sind und letztendlich sollte ein günstiger Vergleich zwischen der Standardschnecke von Trexel und der Schnecke der vorliegenden Erfindung erstellt werden. Die Kurve mit den hohen Spitzen und tiefen Tälern zeigt die Daten der Trexel-Schnecke. Die 7a zeigt eine zeitlich gedehntere Ansicht der in 7 gezeigten Daten.
  • Unter den gleichen Betriebsbedingungen für die Spritzgussmaschine und mit dem gleichen Material ergab sich mit der MP-MIM-Schnecke 10 (wie in 1 gezeigt) gemäß der ersten Ausführungsform eine Druckänderung von 1,72 MPa (250 psi). Die Reduzierung der Druckänderungen ermöglicht eine größere Verfahrensbreite für den Gusszyklus, was der Hauptfaktor für die erfolgreiche Verarbeitung von MIM-Rohstoffen zur Herstellung von mikroporösem Material ist.
  • Beispiel 2
  • Die in der 8 dargestellten Daten zeigen die Leistung der Schnecke der vorliegenden Erfindung bei der Verarbeitung einer Allzweckqualität eines offe. Dieses PolymermatePolypropylenmaterials ohne Füllstrial gehört zur gleichen Harzfamilie wie Polyethylen und Polystyrol (Olefine), dessen Inhaltsstoffe bei den MIM-Rohstoffen der Firmen AMP, USA und Penn State, USA Verwendung finden, die benutzt werden um mikroporöses Metallmaterial herzustellen. Das Ziel war, den Druckabfall vom Zeitpunkt des Starts des Verfahrens bis zum Zeitpunkt eines stabilen Verfahrens an der Stelle des Sperrrings im mittleren Abschnitt zu bestimmen. Der Abfall betrug ungefähr 4,14 MPa (600 psi). Die Verfahrensbedingungen sind in der Tabelle A dargestellt. Tabelle A
    Verfahrenseinstellung der Maschine Wert Einheit Bemerkung
    Zylindertemperatur, Zone #1 430 221 Fahrenheit Celsius Ende der Zufuhröffnung
    Zylindertemperatur, Zone #2 440 227 Fahrenheit Celsius
    Zylindertemperatur, Zone #3 440 227 Fahrenheit Celsius
    Zylindertemperatur, Zone #4 440 227 Fahrenheit Celsius
    Absperrdüse, Zone # 5 440 227 Fahrenheit Celsius Ende der Absperrdüse
    Hub der Schnecke 0,9 2,286 Inch cm 30 mm Schnecke Umfangsgeschwindigkeit
    Fördergeschwindigkeit der Schnecke 8,0 20,32 Inch/Sekunde cm/s
    Gegendruck 1.500 10,5 Pounds/Inch2 MPa
    Einspritzgeschwindigkeit 1,0 2,54 Inch/Sekunde cm/s
    Einstellwert für Einspritzdruck 13.000 91 Pounds/Inch2 MPa
    Aktueller Einspritzdruck 8.200 57,4 Pounds/Inch2 MPa
    Einspritzumschaltpunkt 0,18 0,45 Inch cm
    Haltedruck 8.000 56 Pounds/Inch2 MPa
    Haltezeit 0,2 Sekunden
    Zykluszeit 32,31 Sekunden
    Abkühlzeit 20 Sekunden
    Klemmkraft 50 45359 US Tonnen kg Schließkraft der Form beim Einspritzzyklus
    Druck der Stickstoffzuführung 2.800 19,6 Pounds/Inch2 MPa
    Fließgeschwindigkeit der Stickstoffzufuhr 0,3 136 Massepfund/Stunde pounds mass/hour gr/h
    Öffnungszeit des Ventils für den Stickstoffzufluss 2,0 Sekunden
  • Beispiel 3
  • Die Daten der 9 zeigen die Druckänderung beim Verfahren im mittleren Abschnitt im Bereich der Sperre auf der Schnecke mit der Spritzgussschnecke der vorliegenden Erfindung. Festes MIM-Material, das von der Penn State University formuliert wurde, wird verarbeitet (mikroporöses MIM auf AUS gestellt). Der Schmelzdruckabfall des MIM-Rohstoffs an der Stelle des Sperrings entspricht dem der Darstellung der 7 und 7A. Der Druckanstieg bei der Fördertätigkeit der Schnecke ist jedoch ein Ergebnis der niedrigeren Viskosität des MIM-Rohstoffs im Vergleich zu dem mit 33% Glasfasern verstärkten Nylonmaterial der 7 und 7A. Der Abfall nach dem Stoppen der Schnecke entsprach nahezu dem des Einspritzpunkts, angedeutet durch den leichten Druckabfall bevor der Druck durch die Rotation der Schnecke ansteigt. Das Fehlen eines Druckabfalls nach dem Stoppen der Schnecke und vor dem Einspritzen zeigt an, dass der im mittleren Abschnitt vorgesehene Sperrring mit dem MIM-Rohstoff funktioniert. Die Verfahrensbedingungen sind in Tabelle B dargestellt. Tabelle B
    Verfahrenseinstellung der Maschine Wert Einheit Bemerkung
    Zylindertemperatur #1 425 218 Fahrenheit Celsius Ende der Zufuhröffnung
    Zylindertemperatur #2 470 243 Fahrenheit Celsius
    Zylindertemperatur #3 460 238 Fahrenheit Celsius
    Zylindertemperatur #4 460 238 Fahrenheit Celsius
    Absperrdüse # 5 475 246 Fahrenheit Celsius Absperrdüse
    Hub der Schnecke 0,82 2,08 Inch cm 30 mm Schnecke
    Fördergeschwindigkeit der Schnecke 7,0 17,78 Inch/Sekunde cm/s Umfangsgeschwindigkeit
    Gegendruck 1.500 10,34 Pounds/Inch2 MPa
    Einspritzgeschwindigkeit 6,2 15,75 Inch/Sekunde cm/s
    Einstellwert für Einspritzdruck 20.000 137,9 Pounds/Inch2 MPa
    Aktueller Einspritzdruck 17.900 123,4 Pounds/Inch2 MPa Durchschnitt
    Einspritzumschaltpunkt 0,18 0,457 Inch cm
    Haltedruck 3.000 20,68 Pounds/Inch2 MPa
    Haltezeit 0 Sekunden
    Zykluszeit 32,75 Sekunden
    Abkühlzeit 25 Sekunden
  • Klemmkraft 50 45359 US Tonne kg Schließkraft der Form beim Einspritzzyklus
    Druck der Stickstoffzuführung 2.800 19,3 Pounds/Inch2 MPa
    Fließgeschwindigkeit der Stickstoffzufuhr 0,3 136 Massepfund/Stunde pounds mass/hour gr/h
    Öffnungszeit des Ventils für den Stickstoffzufluss 0,6 Sekunden
  • Beispiel 4
  • Die Daten in der 10 zeigen die Druckänderungen bei der Verarbeitung des von der Penn State University formulierten MIM-Rohstoffs im mittleren Abschnitt an der Stelle der Sperre auf der Schnecke mit der Einstellung EIN für mikroporöses MIM. Der Druckanstieg bei der Fördertätigkeit der Schnecke im Vergleich zu dem festen MIM in 9 ist ein Ergebnis der reduzierten Viskosität des Bindemittels des MIM-Rohstoffs bei der Hinzufügung von SCF-Gas, eines höheren Gegendrucks und des Drucks der SCF-Gaszufuhr. Die Steuerung des Druckabfalls auf einen minimalen Wert ist wichtig für die Beibehaltung eines stabilen Verfahrens zum Spritzgießen von mikroporösen MIM. Der minimale Druck sollte über dem kritischen Druck des SCF-Gases gehalten werden, um eine einphasige Lösung während der Verarbeitung zu erhalten. Dieses Schaubild zeigt einen geringen Druckanstieg beim Einspritzvorgang kurz bevor der schnelle Druckanstieg durch den Schneckenrotationszyklus stattfindet (10), gefolgt durch einen Druckabfall auf das Niveau kurz vor dem Einspritzvorgang.
  • Die 10A ist ein Schaubild, das drei Einspritzzyklen der 10 wiedergibt.
  • Vergleichendes Beispiel
  • Die Daten in der 10B zeigen die Leistung einer ausgedehnten Fördertätigkeit unter Verwendung der Trexel-Schnecke. Der Druckabfall beim Einspritzen ist ein verkürzter Abfall kurz vor dem Einspritzen mit einem leichten Druckanstieg vor Beginn der Fördertätigkeit der Schnecke. Der erste Druckanstieg zwischen den Druckabfällen für jeden Zyklus ist ein Resultat des Hinzufügens des SCF-Gases mit einem Druck, der oberhalb des eingestellten Gegendrucks der Spritzgussmaschine liegt. Dies zeigt, dass der Druckabfall zwar in einem erträglichen Rahmen gehalten werden kann, jedoch ein unerwünschtes Attribut aufgrund der erheblichen Druckschwankungen innerhalb eines Verfahrenszyklus ist. Die Verfahrensbedingungen sind in Tabelle C gezeigt. Tabelle C
    Verfahrenseinstellung der Maschine Wert Einheit Bemerkung
    Zylindertemperatur #1 390 189,8 Fahrenheit Celsius Ende der Zufuhröffnung
    Zylindertemperatur #2 425 218,3 Fahrenheit Celsius
    Zylindertemperatur #3 400 204,4 Fahrenheit Celsius
    Zylindertemperatur #4 380 193,3 Fahrenheit Celsius
    Absperrdüse # 5 425 218,3 Fahrenheit Celsius Absperrdüse
    Hub der Schnecke 0,6 1,52 Inch cm 30 mm Schnecke
    Fördergeschwindigkeit der Schnecke 16,0 40,64 Inch/Sekunde cm/s am Umfang
    Gegendruck 2.700 18,9 Pounds/Inch2 MPa
    Einspritzgeschwindigkeit 2,0 5,08 Inch/Sekunde cm/s
    Einstellwert für Einspritzdruck 20.000 140 Pounds/Inch2 MPa
    Aktueller Einspritzdruck 8.350 58,45 Pounds/Inch2 MPa Durchschnitt
    Einspritzumschaltpunkt 0,15 0,38 Inch cm
    Haltedruck 4.000 28 Pounds/Inch2 MPa
    Haltezeit 3.0 Sekunden
    Zykluszeit 27,91 Sekunden
    Abkühlzeit 20 Sekunden
    Klemmkraft 40 36287 US Tonne kg Schließkraft der Form beim Einspritzzyklus
    Druck der Kohlendioxidzuführung 2.800 19,6 Pounds/Inch2 MPa
    Fließgeschwindigkeit der Kohlendioxidzufuhr 0,3 136 Massepfund/Stunde pounds mass/hour gr/h
    Öffnungszeit des Ventils für den Kohlendioxidzufluss 0,6 Sekunden
  • Das Hinzufügen der mit einem Rückschlagventil versehenen Schneckenspitze 54 (4–6) für die Verarbeitung von MIM-Rohstoff verhindert, dass der Rohstoff durch den Einspritzdruck im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 festbackt, was ein Hindernis oder eine Beschränkung für das Fließen des Materials bedeuten würde. Weiterhin reduziert die mit einem Rückschlagventil versehene Schneckenspitze 54 die Wahrscheinlichkeit, dass das Druckentlastungs-Sicherheitsventil (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt), das auf dem Zylinder der Spritzgussmaschine angeordnet ist, durch den im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 herrschenden Einspritzdruck Fehlfunktionen hat. Zusätzlich verbessert das Schließen des Ventils die Steuerung über die Teilchen- oder Einschussgröße um mehr als 50%, da es kein Schließen des freischwimmenden Ventils als Reaktion auf den Einspritzvorgang gibt.
  • Der Vorteil des mikroporösen MIM-Verfahrens unter Verwendung der Schnecke 10, 110, 210 besteht in der Möglichkeit, die Druckschwankungen im Schmelzgut im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 der Schnecke 10, 110, 210 für einen breiten Bereich von geschmolzenen MIM-Rohstoffen, Schmelztemperaturen und Gegendruckeinstellungen für die Spritzgussmaschine zu kontrollieren. Die Viskosität des geschmolzenen Materials ändert sich mit den Temperatureinstellungen und führt direkt zum Druckabfall während eines Spritzgusszyklus. Je höher die Temperatur ist, desto niedriger ist die Viskosität des geschmolzenen MIM-Rohstoffs. Die MIM-Rohstoffe haben im Vergleich zu Polymermaterialien ein unterschiedliches Verhalten aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit der metallischen Pulverpartikel und des Verhältnisses von Pulver und Bindemittel-Materialien, aus denen der Rohstoff besteht.
  • Die ringförmige Rückflusssperre 18 kontrolliert den Rückfluss von Material durch den ersten Stufenabschnitt 20 zur Materialzuführeinrichtung (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt) bei atmosphärischem Druck, wodurch der Druckabfall an der ringförmigen Rückflusssperre 18 maximiert wird. Der Materialzufuhrdruck vom ersten Stufenabschnitt 20 muss den Druck im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222 überwinden, um das Fließen von Material zu ermöglichen. Der geringe, in der 7 dargestellte Druckabfall bei der MIM-Schnecke 10 resultiert aus dem Spalt zwischen dem inneren Durchmesser des Zylinders 49 und dem äußeren Durchmesser der ringförmigen Rückflusssperre 18.
  • Der nächste Faktor, der zu den in den 7–10 gezeigten Ergebnissen beigetragen hat, ist die im Vergleich zu der Standardschnecke für das mikrozellulare Verfahren geänderte Schneckengeometrie im zweiten Stufenabschnitt 22, 122, 222. Durch Änderung des zweiten Stufenabschnitts 22, 122, 222, so dass sich eine weniger beschränkende, zwangsläufig pumpende Geometrie der mikroporösen MIM-Schnecke 10, 110, 210 mit der ringförmigen Rückflusssperre ergibt, können jetzt höhere oder niedrigere Gegendrücke genutzt werden, da der Materialfluss weniger beschränkt ist, als dies bei der Standardschnecke für das mikrozellulare Verfahren bei der Verarbeitung von MIM-Rohstoffen der Fall ist. Es ist jedoch aus dem Stand der Technik bekannt, dass es viele unterschiedliche Misch- und Fördergeometrien für die Schnecke gibt, die diese Voraussetzung erfüllen.
  • Bei der Benutzung wird die Spritzgussschnecke 10, 110, 210 der vorliegenden Erfindung in einen Extrusionszylinder, wie beispielsweise den Zylinder 49, eingeführt und funktionell mit ihrem Antriebsende 12 mit einer Antriebsvorrichtung sowie mit ihrem die Schneckenspitze aufnehmenden Ende 14 mit einer Schneckenspitze 54 verbunden oder in Eingriff gebracht. Alternativ kann die Spritzgussschnecke 10, 110, 210 der vorliegenden Erfindung in einen Extrusionszylinder eingeführt werden, der Teil eines Verarbeitungssystems (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt) ist und wird dann funktionell mit ihrem Antriebsende 12 mit einer Antriebsvorrichtung sowie mit ihrem die Schneckenspitze aufnehmenden Ende 14 mit einer Schneckenspitze verbunden oder in Eingriff gebracht. Es ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, dass ein Verarbeitungssystem mindestens ein Temperatursteuereinheit, mindestens eine Materialzuführeinrichtung, mindestens eine Vorrichtung zum Dosieren des Fluids, mindestens einen Schmelzdruckumwandler und weitere Elemente, Einheiten, Vorrichtungen oder Systeme aufweisen kann. Nachdem die Antriebsvorrichtung und die Schneckenspitze 54 befestigt oder in Eingriff gebracht wurden, kann die Schnecke 10, 110, 210 in Betrieb genommen werden. Es kann auch wichtig sein, einen auf das geschmolzene Material oder die Substanz wirkenden Staudruck (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt) aufrechtzuerhalten, um die Bildung von Gasblasen im Material stromabwärts der Rückflusssperre 18 zu verhindern.
  • Als ein Beispiel zur Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem Verarbeitungssystem (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt) weist eine Spritzgussmaschinendüse (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt) vorzugsweise ein Absperrventil (nicht dargestellt, dem Stand der Technik bekannt) zur Aufrechterhaltung des Drucks im Zylinder stromabwärts des Gaseinlasses und eine Rückflusssperre oder ein Druckbeschränkungselement auf der Schnecke auf. Dieses Ventil ist entweder federbelastet und durch Druck aktivierbar oder ein pneumatisches oder hydraulisches einzubauendes oder externes Ventil vom Nadeltyp. Diese sind über den Handel von Formmaschinenherstellern wie den US-Firmen Herzog, Xaloy und anderen OEM's erhältlich.
  • Ein Beispiel für den externen Nadeltyp wird von der Firma Arburg, USA hergestellt, das eine mechanische Verbindung zu einem hydraulischen Zylinder ist, um durch Hydraulikdruck zu öffnen und zu schließen oder durch Federdruck öffnet, durch Hydraulikdruck schließt. Die externe Nadelkonstruktion von Arburg ist das bevorzugte Verfahren zum Arbeiten mit den mikroporösen Metallen, aufgrund der zwangsläufig gesteuerten Funktion des Öffnens oder Schließens der Nadel. Dies ist wichtig, wenn SCF oder ein Treibmittel dem geschmolzenen Rohmaterial hinzugefügt werden, was dazu führen kann, dass Metallpartikel in den die Absperrnadel umgebenden Zwischenraum geraten. Es besteht bei gewissen Partikelgrößen die Neigung, Verschleiß durch Reibung und das Ankleben von Partikeln an dem Absperrstift oder dem inneren Durchmesser der Stiftöffnung in der Düse zu fördern.
  • Die einzubauenden Nadeltypen werden typischerweise durch den Druck des geschmolzenen Materials aktiviert und sind entweder federbelastet oder werden durch hydraulischen oder pneumatischen Druck mechanisch geschlossen. Diese Konstruktion besitzt mehrere Durchlässe, damit das geschmolzene Material in die Düse fließen kann und durch die Schub- und Fließeigenschaften kann das Pulverbindemittel sich bei entsprechender Konstruktion trennen, was eventuell zu Behinderungen in der Düse führen kann.
  • Ein anderer Grund für die Verwendung des einzubauenden Nadeltyps anstatt des externen Nadeltyps ist die Möglichkeit, die Größe der Düsenöffnung zu ändern, was zu mehr Flexibilität beim Verarbeitung des mikroporösen Metalls führt, da die Fließrate des Materials und der Druckabfall während des Einspritzzyklus angepasst werden können. Dies ist die einzige Einschränkung hinsichtlich der Absperrnadeln des externen Typs. Die externe Absperrnadeldüse erfordert eine individuelle Düsenkonstruktion für jede Düsenöffnungsgröße, die für die Optimierung des mikroporösen Metallverfahrens benötigt wird. Diese müssten für größere Teilchen-Einschussgrößen vergrößert werden, da sie einen großen Volumenstrom von Material zum Füllen der Form benötigen, um den Druck abfallen zu lassen, was erforderlich ist, um die mikroporösen Strukturen in der Form zu bilden.
  • Zum Erzeugen von mikroporösen Metallen unter Verwendung dieser optimierten Schneckenkonstruktion für mikroporöse Metalle hat der Zylinder der Formmaschine vorzugsweise eine zwangsläufig betätigte Absperrdüse. Um das Verfahren für die mikroporösen Metalle robuster zu gestalten, sollte die Düse vom externen Nadeltyp sein, um sicherzustellen, dass das Öffnen und Schließen des Ventils zwangsläufig erfolgt.
  • Die Spritzgussschnecke 10, 110, 210 der vorliegenden Erfindung kann als einteilige Schnecke oder als mehrteilige Schnecke, beispielsweise als zweiteilige Schnecke gefertigt werden.
  • Die Spritzgussschnecke 10, 110, 210 mit dem Element 18 zur Aufrechterhaltung des Drucks und möglicherweise einer Schneckenspitze mit einer zwangsläufigen Absperrung ist eine bevorzugte Vorrichtung für die Herstellung von mikroporösen Metallen. Die sich durch diese bevorzugte Vorrichtung ergebenden Vorteile können auch bei Anwendungen, die sich auf Polymermaterialien und die Steuerung der Verarbeitung des mikrozellularen Polymers beziehen, erzielt werden.
  • Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern alle Ausführungsformen umfasst, die im Umfang der folgenden Ansprüche enthalten sind.

Claims (28)

  1. Innerhalb eines Zylinders (49) angeordnete Spritzgussschnecke (10, 110, 210) mit einem Antriebsende (12) und mit einem Auslaßende (14), umfassend: das Antriebsende (12), geeignet ausgebildet für eine Wirkverbindung mit einem Antriebsmittel am Antriebsende (12) des Zylinders (49); das Auslassende (14), geeignet ausgebildet für eine Wirkverbindung mit der Schneckenspitze (54) und benachbart dem entgegengesetzten, stromabwärts gelegenen Bereich (72) des Zylinders (49), einen langgestreckten Körper (16, 116, 216) der Spritzgussschnecke (10, 110, 210), der sich axial entlang der Länge der Spritzgussschnecke (10, 110, 210) zwischen dem Antriebsende (12) und dem Auslassende (14) erstreckt, und ein Druckbegrenzungselement (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (16, 116, 216) der Spritzgussschnecke (10, 210, 220) einen zum Antriebsende (12) benachbarten ersten Stufenabschnitt (20) und einen zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) umfasst, dass der erste Stufenabschnitt (20) so ausgebildet ist, dass er zunächst mindestens eine Substanz aufnehmen und diese mindestens eine Substanz zum zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) befördern kann, wobei der erste Stufenabschnitt (20) mindestens einen, sich wendelförmig um diesen ersten Stufenabschnitt (20) erstreckenden Schraubengang (44) aufweist, wobei der mindestens eine Schraubengang (44) mindestens einen Kanal (46) bildet, durch den die mindestens eine Substanz an dem ersten Stufenabschnitt (20) entlang zum zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) beförderbar ist, wobei der erste Stufenabschnitt (20) benachbart zum Antriebsende (12) einen Zufuhrabschnitt (24), stromab vom Zufuhrabschnitt (24) einen Übergangsabschnitt (26) und stromab vom Übergangsabschnitt (26) einen Dosierabschnitt (28) aufweist und jeder Abschnitt (24, 26, 28) einen kleinen Durchmesser aufweist, wobei der kleine Durchmesser des Übergangsabschnittes (26) größer ist als der Durchmesser des Zufuhrabschnittes (24) und der kleine Durchmesser des Dosierabschnittes (28) größer ist als der Durchmesser des Übergangsabschnittes (26), wobei der zweite Stufenabschnitt (22, 122, 222) mindestens einen Mischabschnitt (36) umfasst und so ausgebildet ist, dass dieser die mindestens eine, vom ersten Stufenabschnitt (20) beförderte Substanz zur Schneckenspitze (54) transportieren kann, wobei der mindestens eine Mischabschnitt (36) so ausgebildet ist, dass dieser die vom ersten Stufenabschnitt (20) beförderte Substanz mischt und die gemischte Substanz zum Zwecke der Extrusion zur Schneckenspitze (54) befördert, und der vom ersten Stufenabschnitt (20) beförderten Substanz durch mindestens eine Einspritzöffnung (48) eines Verarbeitungssystems mindestens ein Fluid hinzufügbar ist und wobei das Druckbegrenzungselement (18) zur Reduzierung eines Druckverlustes im zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) zwischen dem ersten Stufenabschnitt (20) und dem zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) angeordnet ist.
  2. Spritzgussschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerndurchmesser des Dosierabschnitts (28) ungefähr der gleiche ist wie der Kerndurchmesser des Mischabschnitts (36, 136, 236).
  3. Spritzgussschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stufenabschnitt (22, 122, 222) mindestens einen sich wendelförmig um den zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) erstreckenden Mischschraubengang (50, 150) umfasst, wobei der mindestens eine Mischschraubengang (50, 150) mindestens einen Kanal (46) bildet, durch den die mindestens eine gemischte Substanz an dem zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) entlang zur Schneckenspitze (54) befördert wird.
  4. Spritzgussschnecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mischschraubengang (50, 150) eine gezahnte Doppelmischwendel ist.
  5. Spritzgussschnecke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die gezahnte Doppelmischwendel eine Steigung von 0,5 hat.
  6. Spritzgussschnecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mischschraubengang (50, 150) eine gezahnte Einzelmischwendel ist.
  7. Spritzgussschnecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mischschraubengang (50) ein Einzelmischwendel mit einer konstanten Steigung ist.
  8. Spritzgussschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) die Schneckenspitze (54) an ihrem Auslassende (14) umfasst, wobei die Schneckenspitze (54) eine automatisch schließende Schneckenspitze ist.
  9. Spritzgussschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassende (14) einen Schneckenspitzenkanal aufweist, der so dimensioniert und ausgebildet ist, dass dieser das Eingriffsende der Schneckenspitze (54) aufnimmt.
  10. Spritzgussschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stufenabschnitt (22, 122, 222) weiterhin einen wendelförmigen Förderabschnitt umfasst, der zwischen dem mindestens einen Mischabschnitt (36, 136, 236) und einem zwischen dem ersten Stufenabschnitt (20) und dem zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) angeordneten Zwischenabschnitt (40) angeordnet ist.
  11. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) ein Kompressionsverhältnis von ungefähr 2,0:1 hat.
  12. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) ein Kompressionsverhältnis von ungefähr 1,5:1 bis ungefähr 1,7:1 hat.
  13. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) ein Kompressionsverhältnis von ungefähr 1,2:1 bis ungefähr 1,49:1 zum Mischen und Extrudieren von Rohstoffen mit nichtpolymeren Bindemitteln hat.
  14. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verarbeitungssystem mindestens eine Gaseinlassöffnung (48) zwischen dem ersten Stufenabschnitt (20) und dem zweiten Stufenabschnitt (22, 122, 222) umfasst.
  15. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement (18) zur Aufrechterhaltung des Drucks bei seiner Benutzung auf dem Zylinder (49) stromaufwärts der Stelle der Gaseinlassöffnung (48) angeordnet ist.
  16. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement (18) als ringförmige Rückflusssperre ausgebildet ist.
  17. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stufenabschnitt (22, 122, 222) den Mischabschnitt (36, 136, 236) und einen Zwischenabschnitte (40) aufweist und dass ein mit wendelförmig angeordneten Flügeln versehener weiterer Mischabschnitt (52) zwischen dem Mischabschnitt (36, 136, 236) und dem Zwischenabschnitt (40) angeordnet ist.
  18. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) von einer Sammelposition in eine Einspritz- oder Ausstoßposition bewegbar ist, um das angesammelte Material zu extrudieren.
  19. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement (18) ein Ventil umfasst, das so konstruiert und angeordnet ist, dass dieses das Fließen der mindestens einen Substanz stromabwärts durch es hindurch in einer ersten Position erlaubt und das Fließen der mindestens einen Substanz stromaufwärts durch dieses hindurch in einer zweiten Position beschränkt.
  20. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil so konstruiert und angeordnet ist, dass dieses sich von der ersten Position in die zweite Position bewegt, wenn der stromabwärts des Ventils herrschende Druck der mindestens einen Substanz den stromaufwärts des Ventils herrschenden Druck der mindestens einen Substanz übersteigt.
  21. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Federelement aufweist, wobei das Federelement verspannt ist, um das Ventil von der ersten Position in die zweite Position zu drücken.
  22. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil so konstruiert und angeordnet ist, dass dieses das Fließen der mindestens einen Substanz stromaufwärts durch dieses hindurch in der zweiten Position im Wesentlichen verhindert.
  23. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil so konstruiert und angeordnet ist, dass dieses ein eingeschränktes Fließen der mindestens einen Substanz stromaufwärts durch dieses hindurch während einer Zeitspanne, in der das Ventil sich von der ersten in die zweite Position bewegt, ermöglicht.
  24. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) sich zwischen einer Verdichtungsposition und einer Einspritzposition hin- und herbewegt und dass das Ventil sich mindestens für einen Teil der Zeitspanne, in der die Spritzgussschnecke in der Einspritzposition ist, in der zweiten Position befindet.
  25. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil sich mindestens für einen Teil der Zeitspanne, in der die Spritzgussschnecke (10, 110, 210) in der Leerlaufposition ist, in der zweiten Position befindet.
  26. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil eine ringförmige Rückflusssperre umfasst.
  27. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Rückflusssperre eine Dichtfläche und einen Ring umfasst, wobei der Ring zwischen einer ersten Position, in der dieser mit der Dichtfläche nicht in Eingriff steht, wodurch es der mindestens einen Substanz ermöglicht wird, durch diese hindurch zu fließen, und einer zweiten Position, in der dieser mit der Dichtfläche in Eingriff steht, wodurch das Fließen der mindestens einen Substanz stromaufwärts durch diese hindurch verhindert wird, bewegbar ist.
  28. Spritzgussschnecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche mindestens einen Teil der Spritzgussschnecke (10, 110, 210) umfasst.
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