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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Spritzgießen, bei
dem Kunststoffschmelze mindestens zweimal, vorzugsweise mehrmals,
aus einem Vorraum in einen Formhohlraum gespritzt wird und diesen unter
Druck füllt,
ohne dass dazwischen ein Dosieren erfolgt.
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Mit
gattungsgemäßen Verfahren
werden in der Regel kleine Werkstücke, also Spritzgussteile mit
geringem Gewicht hergestellt. Dabei sind meistens Toleranzen in
sehr engen Grenzen gefordert. Diese werden aber bei den beim Stand
der Technik bekannten gattungsgemäßen Verfahren häufig nicht
oder nur unzureichend eingehalten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die gattungsgemäßen Verfahren dahingehend weiter
zu verbessern, dass bei mehrmaligem Füllen der Werkzeugkavität ohne dazwischen
durchgeführtem
Dosieren die geforderten Qualitätsmerkmale
der produzierten Spritzgussteile eingehalten werden.
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Dies
wird erfindungsgemäß erreicht,
indem bei jedem Formfüllvorgang
durch eine Korrektur der Einspritzparameter, vorzugsweise eines
Vorspanndrucks, die Qualität,
vorzugsweise das Gewicht, der Spritzgussteile konstant gehalten
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht also vor, die sich durch mehrmaliges Einspritzen geänderten Einspritzparameter
durch ein Korrekturprogramm automatisch zu korrigieren, damit eine
gleichmäßige Teilequalität bei jedem
Formfüllvorgang
gewährleistet
ist.
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Bevorzugte
Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass
der Vorspanndruck im Vorraum so korrigiert wird, dass der Enddruck
nach jeder Füllung
den gleichen Wert aufweist. Unter dem Enddruck ist dabei der Druck
zu verstehen, der unmittelbar nach der vollständigen Füllung des Formhohlraums und
unmittelbar vor dem Schließen
der Verschlussdüse
im System aus Formhohlraum und Massezylinder herrscht. Es ist also
der Druck am Ende eines Formfüllvorgangs,
bei welchem die Kunststoffschmelze aus dem Vorraum in den Formhohlraum
gespritzt wurde.
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Neben
dieser ersten Variante die Qualität der erzeugten Werkstücke bzw.
Spritzgussteile auch bei mehreren Formfüllvorgängen ohne dazwischen erfolgtes
Dosieren konstant zu halten, bietet sich vorzugsweise noch eine
zweite erfindungsgemäße Variante
an. Diese besteht darin, dass der Vorspanndruck im Vorraum so korrigiert
wird, dass die gleiche Füllzeit
für jeden
Füllvorgang
enrreicht wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann besonders bevorzugt beim so genannten Expansionsspritzgießen eingesetzt
werden. Beim Expansionsspritzgießen an sich wird üblicherweise
ein Vielfaches (zB zehn- bis zwanzigfaches) des erforderlichen Spritzteilvolumens
in den Vorraum gefördert,
um die für
den Einspritzvorgang notwendige Energie zu speichern. Die so gespeicherte
Energie reicht dabei dazu aus, genug plastifiziertes Material ausreichend
rasch aus dem Vorraum in den Formhohlraum einzuspritzen, ohne dass
dazu noch ein Einspritzhub einer Schnecke oder eines Einspitzkolbens
notwendig wäre.
Das Expansionsspritzgießen
an sich wurde bereits 1962 im US Patent 3,052,925 beschrieben. Das
große
gespeicherte Schmelzevolumen ermöglicht
bei der erfindungsgemäßen Weiterbildung
des Expansionsspritzgießens
eine mehrmalige Füllung
des Formhohlraums, ohne dass zwischen den einzelnen Füllvorgängen ein
Dosieren, also ein Nachfüllen
von plastifiziertem Material in den Vorraum, erfolgt.
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Beim
Expansionsspritzgießen ändern sich
der Druck und die Volumina der komprimierten Stoffe (Kunststoffschmelze,
Hydrauliköl,
Druckgas) bei der Werkzeug- bzw. Formhohlraumfüllung. Werden die darauf folgenden
Füllvorgänge ohne
Korrektur eingeleitet, so sind die vorgegebenen Toleranzen in der
Regel nicht mehr einhaltbar. Maßgebend
für ein
entsprechendes Korrekturprogramm ist die Geometrie der druckbeaufschlagten
Maschinenteile der Spritzeinheit, der gewählte Vorspanndruck, die Volumen
der komprimierten Stoffe und deren physikalische Kenndaten.
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Ein
mehrmaliges Einspritzen ohne Dosieren nach jedem Formfüllvorgang
ist aber auch zur Herstellung von Spritzgussteilen mit geringen
Gewichten auf Spritzgießmaschinen
im klassischen Spritzguss, bei dem das plastifizierte Material durch
einen Einspritzhub der Schnecke oder des Einspritzkolbens in den
Formhohlraum gepresst wird, anwendbar, wenn das geforderte Volumen
des Spritzgussteiles sehr klein ist im Verhältnis zum Dosiervolumen.
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Weitere
Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau einer Spritzeinheit zum Expansionsspritzgießen,
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2 eine
mögliche
Korrekturkurve für
den Kompressionsenddruck für
die aufeinander folgenden Füllungen.
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3 zeigt
ein Versuchsergebnis ohne Korrektur der Einspritzparameter.
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4 zeigt
ein Versuchsergebnis mit Korrektur der Einspritzparameter.
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Bei
der dargestellten Abbildung in 1 wird der
Kunststoff im Massezylinder 15 durch die Schnecke 5 mit
dem Antrieb 7 in dem Schneckenvorraum 1 plastifiziert.
Dieser Vorraum 1 reicht durch die Bohrungen der Nadelverschlussdüse 12 bis
an den Angusskegel des Formhohlraums 4 (Anguss und Kavität). Die
vordere Öffnung
der Verschlussdüse 12 ist
absperrbar. Das Rückströmen der
Schmelze aus dem Vorraum 1 wird durch die Rückströmsperre 6 verhindert.
Nach dem Dosieren des meist zehn- bis fünfzehnfachen Volumens eines Formlings
bzw. Spritzgussteiles in den Vorraum 1 wird die Schmelze,
das Hydrauliköl
im Spritzzylinder 2 und das Gas im Druckspeicher 3 durch
die Hydraulikpumpe 8 auf den Vorspanndruck komprimiert
und dann das Wegeventil 10 geschlossen. Der gewünschte Vorspanndruck
wird mit dem Druckventil 9 eingestellt und durch Drucksensoren
(DS1, DS2, DS3) in der Steuerung 13 registriert. Das Einspritzen
in den Werkzeughohlraum 4 erfolgt nach dem Öffnen der
Verschlussdüse 12 durch
Expansion der komprimierten Stoffe. Die Füllzeit wird durch die Druckdifferenz
zwischen Vorraum 1, der Werkzeugkavität 4 und die Fließwiderstände im Werkzeug (der
Form) und der Verschlussdüse
bestimmt.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist, dass nach jeder Füllung
die Nadelverschlussdüse 12 geschlossen wird
und bei geöffneten
Wegeventilen 10, 11, die das Pumpenaggregat 8 mit
dem Spritzzylinder 2 und dem Druckspeicher 3 verbinden,
der Vorspanndruck korrigiert wird.
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Die 2 zeigt
beispielhaft den Zusammenhang zwischen der Anzahl der Füllungen
und dem notwendigen Vorspanndruck im Vorraum 1, damit von
Füllung
zu Füllung
Spritzgussteile innerhalb der geforderten Toleranzen erzeugt werden.
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Bei
mehrfachem Expansionsspritzgießen
ohne Dosieren zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen können Spritzgussteile
mit einem gegenüber
dem aufdosierten Schmelzevolumen im Schneckenvorraum geringeren
Volumen hergestellt werden. Die Spritzgussteile können in
so genannte kleine Teile mit einem Fließweg/Wanddickenverhältnis bis
ca. 150 und so genannte Dünnwandteile
mit einem Fließweg/Wanddickenverhältnis über 150
(Wanddicken < 0,5
mm) eingeteilt werden. Damit bei dem Verfahren eine konstante Qualität der Teile
erreicht wird, ist eine Korrektur des Vorspanndruckes (Schmelzedruck
im Schneckenvorraum vor dem Öffnen
der Verschlussdüse)
vor jedem Einspritzvorgang bzw. Formfüllvorgang erforderlich.
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Vor
allem bei den so genannten kleinen Teilen, bei denen ein Fließweg/Wanddickenverhältnis bis
ca. 150 und ein Vorspanndruck < 2000
bar vorliegt, bietet sich zur Korrektur der Einspritzparameter die
Korrektur des Vorspanndruckes in der Form an, dass der Enddruck
nach jeder Füllung
den gleichen Wert aufweist. Wichtig für die Qualität, vorzugsweise
ein gleich bleibendes Gewicht der hergestellten Teile, ist in diesem
Fall also der Enddruck, der nach der vollständigen Füllung der Kavität bzw. des
Formhohlraums
4 unmittelbar vor dem Schließen der
Verschlussdüse
12 im
zu diesem Zeitpunkt miteinander verbundenen System des Formhohlraums
4 und
des Schneckenvorraums
1 herrscht. Dieser Enddruck sinkt
nach dem Schließen
der Verschlussdüse
während
der Kühlzeit
gegen
1 bar. Der Enddruck PE wird abhängig von der Geometrie des
Spritzgussteiles vorgegeben, wie zB auch der Nachdruck beim Spritzgießen, und
ist Ausgangspunkt für
die Berechnung des Vorspanndruckes P1 für den ersten Schuss. Für die Berechnung
des Vorspanndruckes für
den ersten Formfüllvorgang
gilt:
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Dabei
ist V1 das Volumen der Schmelze im Schneckenvorraum 1 und
im Düsenbereich.
VT das Volumen des Spritzlings (Volumen
des Formhohlraums 4 und des Angusses). κK ist
die mittlere Kompressibilität
der Schmelze im Druckbereich zwischen P1 und PE. Vm ist
ein so genanntes fiktives Volumen der belasteten Maschinenteile.
Mit diesem Parameter werden die elastischen Verformungen der Spritzgießmaschine
berücksichtigt.
Die Berechnung von Vm wird weiter unten
erläutert.
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Die
Berechnung des Vorspanndruckes für
jeden folgenden Formfüllgang
n erfolgt dann nach:
wobei
n angibt, um den wievielten Formfüllvorgang seit dem letzten
Dosieren es sich handelt. Der Enddruck p
E wird
bei dieser Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens konstant gehalten
und wie oben bereits erläutert
in Abhängigkeit
der Geometrie des Spritzgussteiles vorgegeben.
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Bei
so genannten Dünnwandteilen,
die ein Fließweg/Wanddickenverhältnis über 150
aufweisen, liegen die erforderlichen Einspritzdrücke in der Regel im Bereich
zwischen 2000 und 3000 bar. Für
diese Spritzgussteile bietet sich eine Korrektur der Einspritzparameter
bzw. des Vorspanndrucks in der Weise an, dass die gleiche Füllzeit für jeden
Füllvorgang
erreicht wird. Generell sind für
diese Spritzgussteile die erforderlichen Füllzeiten sehr gering, da durch
die Abkühlung
der Schmelze die entstehende Grenzschicht den Fließquerschnitt
im Formhohlraum rasch verengt. Dies führt zu einem sehr hohen Druckbedarf
während
der Füllung.
Bei Spritzgussteilen mit Wanddicken von 0,15 bis 0,5 mm liegen die
optimalen Füllzeiten
im Bereich von 0,02 bis 0,05 sec. Die optimale Füllzeit und der notwendige maximale
Fülldruck
können
in Abhängigkeit
der Abmessungen des Spritzgussteils, den physikalischen Parametern
des Kunststoffes und den Verarbeitungsbedingungen ermittelt werden.
Der berechnete notwendige maximale Fülldruck p
E am
Ende des Füllvorgangs
entspricht dem Enddruck beim Expansionsspritzgießen. Der notwendige Vorspanndruck
p
1 für
den ersten Schuss ergibt sich daher wieder zu:
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Besonders
bei Dünnwandteilen
ist für
die Einhaltung der geforderten Qualitätsgrenzen eine konstante Füllzeit t
F notwendig. Der Enddruck p
E hat
wegen der raschen Abkühlung
bei Dünnwandteilen
eher einen geringeren Einfluss. Die Korrektur des Vorspanndruckes
p
n von Formfüllgang zu Formfüllgang bei
konstanter Füllzeit
wird daher in Abhängigkeit
des Vorspanndruckes p
n–1 beim vorhergehenden
Formfüllvorgang
nach folgender Formel berechnet:
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Durch
den Druck pn werden Teile der Spritzeinheit
der Spritzgussmaschine elastisch verformt, wodurch das Volumen des
Schneckenvorraums 1 vergrößert wird. Verformt werden
zB die Schnecke und der Massezylinder der Spritzeinheit. In den
obigen Formeln ist diese Volumensvergrößerung durch die elastischen Verformungen
der Spritzeinheit in Form des fiktiven Volumens Vm berücksichtigt.
Bei hydraulischen Systemen mit Druckspeicher müssen im fiktiven Volumen Vm auch die elastischen Verformungen des Hydraulikzylinders, die
Kompressiblilität
des Hydrauliköles
und des Druckgases bei den Berechnungen berücksichtigt werden. All diese
Einflussfaktoren können
unter Berücksichtigung
der elastischen Eigenschaften der beteiligten Bauteile berechnet
werden. Das gesamte in den obigen Formeln zu berücksichtigende fiktive Volumen
Vm ergibt sich aus Summe der für die einzelnen
Bauteile errechneten fiktiven Teilvolumina. In der Praxis reicht
es dabei aus, nur die wichtigsten Deformationen von Bauteilen zu
berücksichtigen,
was – wenn
nötig – durch
Versuchsreihen herausgefunden werden kann. Für eine so genannte elektrische
Maschine reicht es dabei zB aus, die elastischen Verformungen der
Schnecke, die Verlängerung
des Massezylinders und die Dehnung der Antriebsspindeln für den Schneckenvorschub
zu berücksichtigen.
Die Aufweitung des Massezylinders unter dem Einspritzdruck kann
in der Regel in Folge der großen
Wanddicke vernachlässigt
werden. Das für
die elastische Verformung der Schnecke charakteristische fiktive
Teilvolumen Vms kann wie folgt hergeleitet
und berechnet werden:
Die durch den Druck p im Schneckenvorraum 1 auf
die Schnecke wirkende Kraft Fs errechnet
sich aus der Gesamtquerschnittsfläche der Schnecke As multipliziert
mit dem Druck p gemäß Fs = As·p
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Die
auf die Schnecke wirkende Normalspannung σ berechnet sich dann aus σ =
Fs/Asm = (As/Asm)·pwobei
Asm der mittlere, für die Spannungsaufnahme in
der Schnecke repräsentative
Schneckenquerschnitt ist. Gemäß dem Hooke'schen Gesetz gilt
andererseits für
den elastischen Bereich, dass die Normalspannung σ gleich dem
Produkt aus relativer Längenänderung ΔL/L und Elastizitätsmodul
E ist σ =
(ΔL/L)·E.
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ΔL ist dabei
die auftretende Längenänderung
der Schnecke. L ist die Länge
der Schnecke ohne Belastung. Die Schneckenverkürzung ΔL berechnet sich damit aus ΔL
= (As/Asm)·L·(1/E)·p
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Die
dadurch hervorgerufene Volumenänderung ΔVS der Schnecke ergibt sich aus dem Produkt
As·ΔL. Diese
Volumenänderung
kann andererseits aber auch dem Produkt des fiktiven Volumens Vms für
die Schnecke mit dem Kehrwert des Elastizitätsmoduls E der Schnecke und
dem Druck p gleichgesetzt werden. Hieraus ergibt sich ΔVs = (As 2/Asm)·L·(1/E)·p = Vms·(1/E)·p
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Damit
lässt sich
das fiktive Teilvolumen Vms für die Schnecke
berechnen aus: Vms =
(As 2/Asm)·Ls
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In
analoger Weise lässt
sich die Berechnungsformel für
das fiktive Teilvolumen Vm z für die Verlängerung
des Massezylinders herleiten. Hier ist allerdings statt des mittleren
Schneckenquerschnitts Asm die ringförmige Querschnittsfläche Az der Wandung des Massezylinders als die
Spannung aufnehmende Fläche
zu berücksichtigen.
Darüber
hinaus ist natürlich
in die unten genannte Formel auch der Elastizitätsmodul des Materials des Massezylinders
und die Länge
des Massezylinders L einzusetzen. Unter Berücksichtigung dessen berechnet
sich das fiktive Teilvolumen Vm z zur
Berücksichtigung
der Verlängerung
des Massezylinders zu: Vmz =
(As 2/Az)·L
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Analog
berechnet sich auch das für
die Verformung der Antriebsspindeln für den Schneckenvorschub repräsentative
fiktive Teilvolumen Vmspzu Vmsp = (As 2/Asp)·Lwobei
L die Länge
der Antriebsspindeln und Asp deren Gesamtquerschnittsfläche ist.
Das gesamte fiktive Volumen Vm berechnet
sich dann aus Vm = Vms + Vm z +
Vmsp
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Die
Erfahrung zeigt, dass es bei vollelektrisch angetriebenen Spritzgießmaschinen
ausreicht, die genannten fiktiven Teilvolumina zu berücksichtigen.
Es obliegt dem Fachmann im Zuge von Versuchen, zu überprüfen, ob
diese Vereinfachung bei der jeweils verwendeten Spritzgießeinrichtungen
zulässig
ist oder ob in analoger Weise zu der obigen Berechnung weitere elastische
Verformungen der Spritzeinheit oder anderer Bauteile oder Fluide,
wie zB von Hydrauliköl,
berücksichtigt
werden müssen.
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Zur
Demonstration der Auswirkungen des erfindungsgemäßen Vorgehens werden in den 3 und 4 das
Mehrfachspritzgießen
mit und ohne Korrektur des Vorspanndrucks gegenübergestellt. Bei beiden Versuchsreihen
wurde nach dem Expansionsspritzgussverfahren vorgegangen. Es wurde
jeweils Scheckkarten in der Größe 85 mm·54 mm·0,5 mm
mit einem Volumen von 2,295 cm3 aus dem
Material PS 143 E der Firma BASF spritzgegossen. Verwendet wurde
dabei eine vollelektrische Spritzgießmaschine vom Typ Engel Typ
E-300/100 mit einem Schneckendurchmesser von 30 mm. Als Form wurde
ein Einfachwerkzeug mit Punktanguss und eine pneumatisch gesteuerte
Verschlussdüse
verwendet. Das Fließweg/Wanddickenverhältnis entsprach
150. Es wurden jeweils sieben Scheckkarten spritzgegossen, ohne
dass dazwischen ein Dosieren von plastifiziertem Material in den
Schneckenvorraum 1 erfolgte. Dargestellt sind in den 3 und 4 jeweils
die Verläufe
des Vorspanndrucks pn, des Enddruckes pE und des angussnahe gemessenen Forminnendrucks
pF in Abhängigkeit der Formfüllvorgänge n (mit
n = 1 bis 7). Bei der in 3 dargestellten Versuchsreihe wurde
keine Korrektur des Vorspanndrucks pn vorgenommen.
Dieser wurde bei allen sieben Füllvorgängen konstant
auf 1400 bar gehalten. Sowohl der Enddruck pE als
auch der Forminnendruck pF nahmen ohne die Korrektur
von Formfüllvorgang
zu Formfüllvorgang
jeweils ab. Infolgedessen verminderte sich das Gewicht der jeweils
hergestellten Scheckkarte von anfänglich 2,450 g auf 2,381 g
beim siebten Formfüllvorgang.
Diese deutliche Gewichtsverminderung zeigt einen nicht zu vernachlässigenden
Qualitätsverlust
im Laufe der Formfüllvorgänge, der
durch die fehlende Korrektur der Einspritzparameter hervorgerufen
ist.
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Bei
dem in 4 dargestellten Versuchsverlauf wurde der Vorspanndruck
pn im Vorraum 1 gemäß oben angegebenen
Formeln so korrigiert, dass der Enddruck pE nach
jeder Füllung
praktisch konstant war. Dies ist in 4 am Verlauf
von pE gut zu erkennen. Gemäß oben angegebener
Formel wurde der Vorspanndruck pn von anfänglich 1400
bar auf 1520 bar beim siebten Formfüllvorgang erhöht. Der
Verlauf des Gewichts der hergestellten Scheckkarten über die
sieben Formfüllvorgänge zeigt
den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Das Gewicht der hergestellten Scheckkarten schwankte lediglich zwischen
2,437 und 2,446 g, was eine sehr gleich bleibende Qualität bedeutet.
Auch bei einer Mehrfachdurchführung
des in 4 im Ergebnis dargestellten Versuchs mit Dosierungen
nach jeweils sieben Formfüllvorgängen bestätigten sich
die in 4 dargestellten Ergebnisse.
