DE102005044586A1

DE102005044586A1 - Einspritzdüse

Info

Publication number: DE102005044586A1
Application number: DE200510044586
Authority: DE
Inventors: Ullrich Masberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-17
Filing date: 2005-09-17
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Die Erfindung beschreibt Einsatz und Aufbau beheizbarer Einspritzdüsen (1) zur Verarbeitung vernetzender Polymere, insbesondere Elastomere, in Werkzeugen zur Herstellung von Formteilen. Hierzu wird erfindungsgemäß die polymere Flüssigkeit kurzzeitig, unmittelbar vor dem Eintritt in die Formnester des Werkzeuges durch einen hohen Energieeintrag erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeugelement für Werkzeuge zur Herstellung von Formteilen aus polymeren Werkstoffen, vorzugsweise zur Herstellung von Formteilen aus elastomeren Werkstoffen. Es ist jedoch auch, in entsprechend angepasster Form, für die Verarbeitung von Thermoplasten und Duromeren zu Formteilen geeignet. Es unterstützt dabei Verfahren, die zur Erzielung kürzester Produktionszeiten bei der Verarbeitung von vernetzenden Polymeren der Klassen Elastomere und Duromere zu Formteilen mittels Prozesse wie Spritzgießen und Pressen eingesetzt werden, um nur beispielhaft Oberbegriffe und die Bedeutensten zu nennen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist Aufgabe der Erfindung, gezielt binnen kürzester Zeit, zu Temperaturerhöhungen innerhalb des eingesetzten Werkstoffes zu kommen.

Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aus der Vielzahl der bekannten Verarbeitungsverfahren-, greift die nachfolgende Beschreibung den Spritzgießprozess als das bekannteste und verbreitetste Formgebungsverfahren zur Verarbeitung von Elastomeren (Kautschuk) zu Gummi, aus der Vielzahl der Verfahrensvarianten, heraus. Bei diesem Verfahren werden in der Regel die zu verarbeitenden Kautschukmassen, die zuvor in einem Mischprozess mit anderen Materialien zu einer Kautschukmischung mit Vernetzersystem vermischt wurden, in Streifenform vom Einzugssystem der Spritzgießmaschine eingezogen. Unmittelbar danach wird das Material von der Einspritzschnecke ergriffen, erneut plastifiziert und durch den Plastifizierungsvorgang sowie Wärmeleitung, von der beheizten Zylinderwand aus, erwärmt.

Arbeitet die Schnecke auch als Einspritzschnecke, so wird das aufbereitete Material in einem der folgenden Einspritzvorgänge durch die Schneckenspitze, die nun als Kolben wirkt, in den Einspritzkanal, der bei modernen Werkzeugen als sogenannter Kaltkanal ausgeführt ist, hineingedrückt. Abhängig von der Größe des Einspritzsystems und von dem Einspritzvolumen in die Formnester, kann das Füllvolumen des Kaltkanales eine oder mehrere Formfüllungen umfassen. Entsprechende Vielfache der Zykluszeit eines Vulkanisationsvorganges (Summe aus Haupt- und Nebenzeiten) beträgt die Verweilzeit der Kautschukmischung, bevor sie in die jeweiligen Formnester eingespritzt wird. Das Einspritzen geschieht über sogenannte Einspritzdüsen, denen die Aufgaben zugewiesen werden einerseits das Material möglichst schnell im Formnest zu verteilen und andererseits nach dem Entformen kaum sichtbare Markierungen am Formteil zu hinterlassen. Hierzu ist letztendlich der Durchmesser der Einspritzdüse von entscheidender Bedeutung. Er bestimmt im Wesentlichen den Druckbedarf zur Werkzeugfüllung, da der Druck in dritter Potenz vom Durchmesser eines Fliesskanales und nur linear von seiner Länge abhängig ist. Verfahrenstechnisch ist die Umsetzung des Druckes in Dissipation, die zur Erhöhung der Massetemperatur bei den Prozessen gezielt genutzt wird von grösster Bedeutung, weil damit einerseits die Starttemperatur zur Vulkanisation im Formnest erhöht und andererseits der Abbau von Inkubationspotential beschleunigt wird.

Im Formnest schließlich wird in der Regel über Wärmeleitung, von den Formnestwandungen aus, der Vernetzungsprozess aktiviert und die Formgebung unter Druck, Temperatur und Zeit eingeleitet. Die drei genannten physikalischen Größen prägen den Prozess und die Zeit, darüber hinaus, die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, unabhängig davon ob gleichzeitig ein oder mehrere Formnester gefüllt werden. In DE 10 2005 005 544.3 wird ein Verfahren beschrieben, das diese Zusammenhänge gezielt zur Erzielung von minimalen Vulkanisationszeiten ausnutzt.

In der Kautschukmischung wird unter dem wesentlichen Einfluss von Zeit und Temperatur das zur Mischung gehörende Vernetzersystem aktiviert und der Vernetzungsprozeß gestartet. Eine Korrelation des Vernetzungsprozesses mit Meßgrößen liefern sogenannte Vulkameter. Es ist für Fachleute allgemein bekannt, dass der Beginn des Vernetzungsprozesses bei einer Temperatur eine gewisse Zeit erfordert, die als Inkubationszeit bezeichnet wird. Vulkameter geben nach erfolgtem Messvorgang unter anderem darüber Auskunft.

Bekannt ist auch, dass die Dauer der Inkubationszeit mit steigender Temperatur abnimmt. Dies bedeutet für die Verarbeitungsprozesse, dass das Sicherheitspolster, dass die Inkubationszeit darstellt, von der Zeit- und Temperaturgeschichte bis zum Einspritzen ins Formnest bestimmt wird. Außerdem ist bekannt, dass ein Beginn des Vernetzungsprozesses, vor dem Eintritt ins Formnest, gleichbedeutend einem Ablauf des Inkubationspotentials, wegen möglicher Produktfehler unbedingt zu vermeiden ist.

Im Herstellungsprozess wird zur Vermeidung von Produktfehlern der Einspritzvorgang unter Ausnutzung von Sicherheitspolstern so eingestellt, dass Anvernetzungsfehler durch Aufbrauchen des Inkubationspotentials vermieden werden. Unliebsamer Nebeneffekt dabei ist es, dass mit vergleichsweise geringen Materialtemperaturen ins Formnest eingespritzt wird.

Aufgrund dessen wird ein Teil der Vulkanisationszeit einerseits dazu verwendet, das nach dem Einspritzen noch vorhandene Inkubationspotential in den Materialbereichen aufzubrauchen und den Vernetzungsvorgang zu starten und andererseits um durch Wärmeleitung die erforderliche Energie in Form von Wärme zuzuführen, um möglichst schnell in allen Bereichen gleiche Temperaturen zu erreichen und den Vernetzungsvorgang beschleunigt ablaufen zu lassen. Letzteres wird durch die Tatsache, insbesondere bei dickwandigen Formteilen erschwert, dass Kautschuk insgesamt ein schlechter Wärmeleiter ist. Beide Vorgänge sichern auf der einen Seite die Produktqualität, führen jedoch auf der anderen Seite zu unwirtschaftlich hohen Produktionskosten. Diese bestimmen im Wesentlichen den Produktpreis und die Wettbewerbsfähigkeit der Hersteller.

Aufgelöst wird dieser Zielkonflikt mittels der hier vorgestellten Erfindung durch die Verwendung beheizbarer Einspritzdüsen, die eine genau angepasste Zeitdauer, in der Regel ist diese gleich der Einspritzzeit, mit sehr hoher Temperatur (bis ca. 550°C) Energie an die vorbeiströmende Kautschukmasse abgeben und mittels Ausnutzung der Wärmeübertragungselemente Leitung, Strahlung und Dissipation die Massetemperatur deutlich steigern. Auf diese Weise wird ein Mehrfaches erreicht. Im Einzelnen ist dies die Steigerung der Starttemperatur, bei der innerhalb der Kautschukmasse im Formnest die Vulkanisation beginnt, der Abbau der Inkubationszeit, beides führt zu kurzen Vulkanisationszeiten, und die Verlagerung beider Vorgänge in den Bereich unmittelbar vor dem Formnest, welches die Sicherheit des Verfahrensablaufes deutlich erhöht.

Grundlage des erfolgreiches Einsatzes dieser beheizbaren Einspritzdüsen ist das Wissen, das Kautschuknetzwerke einerseits eine bestimmte Energiemenge (Aktivierungsenergie) zu ihrer Bildung und Aufbau benötigen, aber andererseits bei Überschreitung einer Grenzenergie wieder zerstört werden können. Energiemengen bestimmen also den Ablauf dieser Prozesse. Diese Erkenntnis wird in vielfacher Weise bei der Herstellung von Profilen aus Kautschuk durch Extrusion genutzt. Je nach Produkt und Anwendungsgebiet wird dort die Energie zur Vernetzung des Kautschukmaterials, um also aus dem überwiegend plastischen Kautschuk den elastischen Gummi zu erzeugen, auf unterschiedlichste Weise übertragen. Im Anschluß an die Geometriebildung durch das Extrusionswerkzeug werden sogenannte Vernetzungsstrecken eingesetzt bei denen über Konvektion (Durchlauf-Umluftöfen), Strahlung (UHF-Strahler oder Infrarotstrahler) oder überwiegend durch Konvektion und Leitung (Salzbadvulkanisation) die Energieeinbringung erfolgt. Dabei werden auch sogenannte „Schock"-Strecken eingesetzt bei denen das Profil kuzzeitig, auf einer Wegstrecke von 0,5-1,0 Meter Temperaturen bis 500°C ausgesetzt wird.

Nachfolgend wird die Umsetzung dieser Basisüberlegung zur Nutzung im Formgebungsprozess erläutert.

In den Zeichnungen sind schematisch die Erfindung und Erläuterungen dargestellt, es zeigt
1 Einspritzdüse – prinzipieller Aufbau
2 Zweifach geteilte Einspritzdüse
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels näher erläutert. Auch Merkmale, die nur gezeichnet aber nicht ausführlich beschrieben sind oder die Umkehrung, stellen Ausfürungsbeispiele der Erfindung dar.
In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Einspritzdüse bildet in der Regel das Ende des Fliesskanalsystems eines Formgebungswerkzeuges und trennt das Formnest (auch Kavität genannt) vom Fließkanal während der Vulkanisation. Innerhalb der Einspritzdüse vulkanisiert der Kautschuk ebenfalls und verschliesst auf diese Weise das Formnest gegenüber dem Fliesskanal. Nach Abschluss der Vulkanisationsphase wird dieser vulkanisierte Düseninhalt, der sogenannte Anschnitt, mit entformt und die Düse für den nächsten Zyklus freigegeben. Der Anschnitt wird anschließend in einem weiteren Bearbeitungsschritt vom fertigen Formteil entfernt.
Die in den 1 und 2 dargestellten Düsenvarianten werden nun im Sinne der Erfindung an dieser Übergangsstelle zwischen Fliesskanal und Kavität eingesetzt, wobei Ihnen im Gegensatz zu den bisherigen Einspritzdüsen, die keinen eigenständiger Teil des Fliesskanales bilden, eine wesentliche Aufgabe zur Erhöhung der Massetemperatur der Kautschukmischung zukommt.
Dies geschieht einerseits durch die Ausnutzung dissipativer Effekte, die aufgrund der Querschnittsverengung der Düsenbohrung im Vergleich zum übrigen Fliesskanalquerschnitt vorliegen. Durch diese Querschnittsverengung wird infolge höherer Schergeschwindigkeiten in diesem Bereich auch die Fliessviskosität der Kautschukmischung beeinflusst. Beide Effekte, Temperaturanstieg durch Dissipation und Schergeschwindigkeitszunahme durch die Querschnittsverengung, sind gekoppelt und senken, bedingt durch das strukturviskose Verhalten der Kautschukmischung, deren Viskosität. Höhere Scherung hat wegen der in den Mischungen eingesetzten Füllstoffe den unangenehmen Nebeneffekt der stärkeren Abrasion. Durch den Einsatz von harten Werkstoffen wie Glas oder Keramik für den Düsenkörper 1 wird diesem Effekt begegnet.
Positiv im Sinne der Erfindung sind die geringere Wärmekapazität von Glas oder Keramik gegenüber dem umgebenden Werkzeugstahl. Dies bedeutet für die nur intermittierend arbeitende Düse, dass in dem Moment, in dem ihre Beheizung abgestellt wird, keine Wärmemenge von ihr in den Fliesskanal abfliesst.
Der zweite Effekt, der zur Erhöhung der Massetemperatur der Kautschukmischung führt, ist die Infrarotstrahlung, die durch die Düsenheizung erzeugt wird. Hierbei werden Temperaturen bis 800°C kurzzeitig erreicht. Der ideale Temperaturbereich wird durch die Wellenlänge bestimmt, bei der die eingesetzte Kautschukmischung ihr Absorptionsmaximum aufweist. In diesem Bereich ist der Kautschuk für die Infrarotstrahlung quasi transparent und ermöglicht auf diese Weise nicht nur ein Erwärmung der Fliessoberfläche, sondern auch von tiefer gelegenen Schichten unter Umgehung der schlechten Wärmeleitung des Kautschukmaterials.
Im Normalfalle führen Temperaturen größer als 200°C in Verbindung mit einer langen Beanspruchungszeit zur Zerstörung der Polymermatrix. Die Polymermatrix wird also einer großen Energiebelastung ausgesetzt. Dabei ist das Zusammenwirken von Temperatur und Zeit zu beachten. Dies geschieht bei der Verwendung der beheizten Einspritzdüsen.
Infolge der geringen Düsenquerschnitte ist die Fließgeschwindigkeit bei kurzen Einspritzzeiten sehr hoch und damit die Verweilzeit jedes Kautschukelementes in der Düse sehr kurz. Dies zusammen führt, trotz der hohen Temperaturen zu einer unkritischen Energiebelastung der Kautschukmischung, aber zum gewünschten Anstieg der Massetemperatur und damit zu einer hohen Starttemperatur für den Vernetzungsprozess in der Kavität.

1: Düsenkörper
2: Beheizung/Heizelement
3: Verspiegelung
4: Düsenbohrung
5: Dichtfläche
6: Dichtfläche
7: Stecker/Buchse
8: Stege

Abkürzungen

D, d

Durchmesser

T

Temperaturen

P

Prozessdrücke

t, ti

Zeiten, Inkubationszeit

H, L

Höhen-, Längenangaben

i, a

Indices für innen und außen

Claims

Beheizbare Einspritzdüse für Werkzeuge der Polymerverarbeitung, insbesondere zur Herstellung von Formteilen aus Elastomeren, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse über ein eigenes, unabhängig regelbares Heizsystem verfügt.
Beheizbare Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse elektrisch beheizt wird.
Beheizbare Einspritzdüse nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper 1 aus keramischem oder glasartigem Werkstoff hergestellt ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement 2 in den Düsenkörper 1 voll eingebettet ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss 7 des Heizelementes 2 alternativ als Stecker oder Buchse ausgebildet ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass deren Befestigung im Werkzeug oder am Ende des Fliesskanales alternativ durch Kraft- oder Formschluss oder durch eine Kombination von beiden erfolgen kann.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement Infrarotstrahlung bis 800°C erzeugen und abstrahlen kann.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung des Heizelementes steuerbar ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die abgegebene Infrarotstrahlung dem Absorptionsspektrum der Polymermasse, insbesondere der Kautschukmasse angepasst wird.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit, insbesondere bei transparenten Düsenkörpern 1 die Leitfähigkeit für Infrarotstrahlung, anisotrop ist.
Einspritzdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Achse der Düsenbohrung 3 am größten und in Richtung der Bohrungsmittelachse am kleinsten ist.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Mantelflächen nach innen, vorzugsweise gegen Infrarotstrahlung, verspiegelt sind.
Einspritzdüsen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtflächen (5) und (6) bei den Varianten nach 1 mit einem Dichtelement ausgerüstet sind.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenbohrung 4 entsprechend der 2 durch Stege (8) ein- oder mehrfach geteilt ist.
Einspritzdüse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement bei einer Teilung der Düsenbohrung entsprechend der 2 die Teilungsstege mitbeheizt.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Innenbohrung (di) beliebige Werte zwischen 0 bis 15 mm annehmen kann.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verhältnisse Di/di , Da/Di und H/Di in den Bereichen 1,2 < Di/di < 3, 1,0 < Da/Di < 2 und 0,3 < H/Di < 2 liegen.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Düsenkörpers 1 eine geringere Wärmekapazität aufweist als Stahl.
Einspritzdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung intermittierend, gepulst, betrieben werden kann.