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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Spritzgießmaschine,
die eine Spritzeinheit mit einer in einem Zylinder axial und rotierend
geführten
Schnecke aufweist, wobei in einem Einspritzvorgang durch axiales
Vorschieben der Schnecke eine Form mit einer plastifizierten Formmasse
gefüllt
und in einem anschließenden
Nachdruckvorgang verdichtet wird, und wobei danach in einem Plastifizier-
und Dosiervorgang Formmasse aus einer Einfüllvorrichtung in die Schneckengänge gefüllt, plastifiziert
und durch die in einer Transportdrehrichtung rotierende Schnecke
in den vor der Schnecke entstehenden Zylinderhohlraum transportiert
wird.
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Beim
Spritzgießverfahren
werden aus einer Formmasse, in der Regel einem Kunststoffgranulat, Formteile
hergestellt, indem in einer Spritzgießmaschine die Formmasse aufbereitet
und in ein Werkzeug gespritzt wird, das eine Negativform des gewünschten
Formteils darstellt. Abhängig
von der Art der Formmasse sind verschiedene Varianten von Spritzgießverfahren
bekannt, so bspw. Thermoplast-Spritzgießen, Duroplast-Spritzgießen oder Elastomer-Spritzgießen. Je
nach Varianten werden hierbei verschiedene Teile der Spritzgießmaschine beheizt.
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Eine
Spritzgießmaschine
besteht in an sich bekannter Weise aus zwei wesentlichen Baueinheiten,
nämlich
einer Spritzeinheit und einer Schließeinheit. In der Spritzeinheit
wird die Formmasse aufbereitet und unter Druck in das Werkzeug gespritzt.
Die Schließeinheit
nimmt das Werkzeug auf und öffnet und
schließt
es im Zyklus des Herstellprozesses.
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Die
Spritzeinheit weist eine in einem Zylinder axial und rotierend geführte Schnecke
auf, wobei der Innendurchmesser des Zylinders in der Regel dem Außendurchmesser
der Schnecke entspricht. Im hinteren Bereich des Zylinders befindet
sich eine Einfüllvorrichtung
für die
Zuführung
der Formmasse, bspw. des Kunststoffgranulats. Die Formmasse wird
in den Zylinder gefüllt
und durch eine Rotation der Schnecke in einer Transportdrehrichtung
wird die Formmasse im Zylinder nach vorne in Richtung des Werkzeugs
transportiert und dabei plastifiziert. An der Spitze des Zylinders
befindet sich eine Düse,
die mit ihrer Düsenspitze
den Übergang
zum Werkzeug bildet. Die Formmasse wird bis zur Düse transportiert und
davor gestaut. Dabei wird die Schnecke axial nach hinten in Richtung
der Einfüllvorrichtung
verschoben, so dass sich zwischen der Düse und der Schnecke ein Zylinderhohlraum
bildet, in dem sich die Formmasse sammelt.
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Wenn
der Dosier- und Plastifiziervorgang abgeschlossen ist, wird die
Rotationsbewegung der Schnecke gestoppt. Vor dem anschließenden Einspritzvorgang
wird die Schnecke zur Dekompression der Schmelze um eine kurze Strecke
zurückbewegt. Beim
Einspritzvorgang wird die Schnecke, jetzt ohne Drehbewegung, im
Zylinder axial zur Düse
hin gedrückt,
so dass die Formmasse durch die Düsenspitze in das Werkzeug gespritzt
wird. Dabei verhindert eine an der Schneckenspitze angeordnete Rückstromsperre,
dass die plastifizierte Formmasse in die Schneckengänge zurück gedrückt wird.
Dabei drückt ein
an der Schneckenspitze vorgesehener Stauring gegen einen dahinter
angeordneten Sitzring, so dass die Schneckengänge gegen die plastifizierte
Formmasse abgedichtet werden. Im darauffolgenden Nachdruckvorgang übt die Schnecke
einen Druck auf das im Zylinderhohlraum verbliebene Formmassepolster
aus, der sich bis in das Werkzeug fortsetzt und bewirkt, dass der
durch das Erstarren der Formmasse im Werkzeug verursachte Volumenschwund ausgeglichen
wird.
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Nun
beginnt der Zyklus wieder von vorne, indem die Rotation der Schnecke
in Transportdrehrichtung wieder einsetzt und frische Formmasse,
bspw. als Granulat, im Zylinder nach vorne in Richtung des Werkzeugs
transportiert und dabei plastifiziert wird.
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Ein
wesentliches Problem hierbei ist der Verschleiß von Bauteilen der Spritzgießmaschine,
vor allem der Schnecke und des Zylinders. Die Entwicklungen im Bereich
der Formmassen, die bspw. durch Füll- und Verstärkungsstoffe,
Additive und Flammschutzmittel gezielt auf ein bestimmtes Eigenschaftsspektrum
eingestellt werden, stellen immer höhere Anforderungen an den Verschleißschutz
insbesondere von Schnecke, Zylinder, Düsenspitze und der Bauteile
der der Rückstromsperre,
vor allem Stauring und Sperrring.
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Ein
hierbei wesentlicher Verschleißmechanismus
ist die Abrasion. Durch die Relativbewegung von Schnecke und Zylinder
zueinander besteht die Gefahr, dass harte Teilchen, bspw. Granulat-Teilchen,
Füllstoffe
aus der aufgeschmolzenen Formmasse oder bereits abgetragene, verfestigte
Verschleißteilchen
die Oberflächen
von Schnecke und Zylinder auffurchen. Dementsprechend tritt abrasiver Verschleiß an Zylinder
und Schnecke in der Regel über
deren gesamte Länge
auf. Ein abrasiver Verschleiß hat
in der Regel auch einen korrosiven Verschleiß zur Folge, da die Oberflächen von
Zylinder und Schnecke im Bereich der Furchenbildung elektrochemischen
Korrosionsvorgängen
leichter zugänglich
sind.
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Spritzgießmaschinen
werden im Produktionsalltag allerdings in der Regel für die unterschiedlichsten
Produkte und Materialien eingesetzt. Für den Aufbau und die Oberflächengestaltung
insbesondere der vom Verschleiß besonders
betroffenen Bauteile muss also eine möglichst allgemein gehaltene
Auslegung gewählt
werden, um einen höchstmöglichen Verschleißschutz
zu erreichen.
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Die
DE 100 60 086 C1 offenbart
ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzaggregats für eine Spritzgießmaschine,
mit dem die beiden das Aggregat antreibenden Elektromotoren vor Überlastung geschützt werden
sollen. Das Problem des Verschleißes wird nicht angesprochen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die bekannten
Verfahren zum Betrieb einer Spritzgießmaschine so weiterzubilden,
dass der Verschleiß weiter
reduziert wird.
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Die
Lösung
besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass während
des Einspritzvorgangs die Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung
rotiert und axial nach hinten zurückbewegt wird, dass die Rotationsbewegung
der Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung zu Beginn des
Nachdruckvorgangs beendet wird und dass die Geschwindigkeit der
Rotationsbewegung der Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung
sich proportional zur Vorschubgeschwindigkeit der Schnecke während des
Einspritzvorgangs verhält.
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Hierbei
wird unter dem Begriff „Transportdrehrichtung” diejenige
Drehrichtung der Schnecke verstanden, mit der die Formmasse im Zylinder
von der Einfüllvorrichtung
zur Düse
transportiert wird. Bei rechtsgängigen
Schnecken ist die Transportdrehrichtung also im Uhrzeigersinn, und
bei linksgängigen Schnecken
ist die Transportdrehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass der Verschleiß der Spritzgießmaschine, insbesondere
bei Schnecke, Zylinder und Rückstromsperre,
weiter reduziert wird, ohne dass hierzu bauliche Veränderungen
an der Spritzgießmaschine oder
neue Werkstoffe für
die besonders verschleißbelasteten
Bauteile notwendig sind. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für alle Spritzgießmaschinen ungeachtet
ihres Aufbaus und ihrer Anwendung gleichermaßen gut geeignet. Insbesondere
spielt es keine Rolle, wie die Schneckengeometrie im Einzelnen ausgestaltet
ist und ob die Schnecke hydraulisch oder mit einem Elektromotor
angetrieben wird. Bei einem hydraulischen Schneckenantrieb kann
die Drehung der Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung bspw. über ein
geregeltes Proportionalventil erfolgen, welches mit dem Wegmesssystem
der Schnecke gekoppelt ist. Bei einem elektromotorischen Schneckenantrieb
kann die Drehung der Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung bspw. über die
Kennfelderkennung (360°)
erfolgen, die ebenfalls mit dem Wegmesssystem der Schnecke verbunden
ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeigt überraschenderweise
viele Effekte, die die Verschleißbelastung insbesondere der
Schnecke, des Zylinders und der Rückstromsperre verringern. Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass im Wesentlichen kontinuierlich Formmasse aus
der Einfüllvorrichtung
in die Schneckengänge und
den Zylinder eingezogen, aufgeschmolzen und plastifiziert wird.
Dies bedeutet, dass eine größere Menge
an Formmasse als im Stand der Technik bekannt im Zylinder vorhanden
ist und im Wesentlichen alle Schneckengänge mit Formmasse gefüllt sind. Die
Formmasse wird ferner aufgrund ihrer längeren Verweilzeit im Zylinder
länger
als bisher plastifiziert. Dies bewirkt eine bessere Homogenisierung
der plastifizierten Formmasse sowie eine bessere Vermischung der
Formmasse während
der Nachdruckzeit, da stets eine gewisse Menge an Formmasse im Zylinder
aufgeschmolzen und plastifiziert wird. Aufgrund der größeren Menge
an Formmasse wird der Dosiervorgang beschleunigt, da der Zylinderhohlraum
während
des Plastifizier- und Dosiervorgangs rascher als bisher gefüllt werden
kann. Deshalb kann die Drehzahl der Schnecke reduziert werden, wodurch
die Reibungswärme
verringert und der Verschleiß von
Schnecke, Zylinder und Rückstromsperre
vermindert wird. Stattdessen oder zusätzlich kann die Zylindertemperatur
reduziert werden, da der Plastifiziervorgang verlängert ist,
was ebenfalls den Verschleiß vermindert
und insbesondere bei der Verarbeitung von thermisch empfindlichen
Werkstoffen von besonderem Nutzen ist. Ein weiterer für den Verschleiß wesentlicher
Parameter ist der für
den Plastifizier- und Dosiervorgang notwenige Staudruck, der aufgrund
der größeren Menge
an Formmasse im Zylinder ebenfalls reduziert werden kann, was auch eine
Verminderung des Verschleißes
bewirkt. Schließlich
kann auch die Baugröße von Schnecke und
Zylinder verringert werden, weil während des gesamten Zyklus ein
größeres Volumen
an Formmasse pro Zeiteinheit als bisher im Zylinder aufgeschmolzen und
plastifiziert wird. Ferner kann ggf. auf eine Barriereschnecke verzichtet
werden.
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Da
die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung der Schnecke entgegen
ihrer Transportdrehrichtung erfindungsgemäß auf die Vorschubgeschwindigkeit
der Schnecke während
des Einspritzvorgangs abgestimmt ist, wird im optimalen Fall die größtmögliche Anzahl
von Schneckengängen
kontinuierlich mit Material befüllt,
so dass sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders wirkungsvoller
Weise zeigen. Diese Abstimmung der Geschwindigkeiten kann in der
Regel über
die Maschinensteuerung erfolgen, so dass sie bei allen Spritzgießmaschinen,
gleich welcher Größe und Bauart,
verwirklicht werden kann.
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Man
beobachtet somit über
den gesamten Bereich von Schnecke und Zylinder bis hin zur Rückstromsperre
eine deutliche Verminderung der Riefenbildung bzw. des Materialabtrags
an den Oberflächen der
Bauteile. Besonders stark wird der Verschleiß im Einzugsbereich zwischen
den Schneckenzügen
und dem Zylinder reduziert. Zusätzlich
wird der Verschleiß auch
im Be reich der Einfüllvorrichtung
deutlich reduziert, weil die Formmasse, die in der Regel als Granulat
vorliegt, im Wesentlichen kontinuierlich und damit gleichmäßiger eingefüllt wird
als es bisher üblich
war. Diese erfindungsgemäße Wirkung
zeigt sich besonders deutlich bei der Verarbeitung von faserhaltigen
(insbesondere glasfaserhaltigen) und mineralstoffhaltigen Formmassen.
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Aufgrund
der besseren Homogenisierung der plastifizierten Formmasse ist das
erfindungsgemäße Verfahren
besonders gut zur Verarbeitung von Formmassen geeignet, die während des
Plastifiziervorgangs eingefärbt
werden. Somit wird auch die Batch-Verarbeitung optimiert.
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Schließlich wurde
beobachtet, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das gewünschte Dosiervolumen
von Schuss zu Schuss noch genauer bzw. präziser realisiert werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist besonders wirkungsvoll beim Betreiben von Spritzgießmaschinen
mit vergleichsweise großem
Dosiervolumen und/oder vergleichsweise langen Nachdruckzeiten, da
diese Zeiten bisher nicht effektiv genutzt werden konnten.
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Da
die Rotationsbewegung der Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung
zu Beginn des Nachdrückvorgangs
beendet wird, besteht eine zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
darin, am Ende des Nachdrückvorgangs
die Schnecke so zu positionieren, dass sich in Höhe der Einfüllvorrichtung ein freier Schneckengang
befindet, so dass die Formmasse möglichst kontinuierlich in den
Zylinder eingezogen wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben.
Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 eine
Spritzeinheit für
eine Spritzgießmaschine
im Schnitt während
des Plastifizier- und Dosiervorgangs;
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2 eine
Spritzgießmaschine
mit einer Spritzeinheit gemäß 1 und
einer Schließeinheit im
Schnitt während
des Einspritzvorgangs;
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3 die
Spritzeinheit gemäß 1 im Schnitt
während
des Nachdruckvorgangs.
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2 zeigt
schematische eine Spritzgießmaschine 10 mit
einer Schließeinheit 11 und
einer Spritzeinheit 20. Die Schließeinheit 11 weist
ein Werkzeug 12 mit einer Form für ein Kunststoffspritzgießteil auf.
Die Schließeinheit 11 öffnet und
schließt das
Werkzeug 12 im Verlauf des Herstellungsverfahrens. Derartige
Schließeinheiten
sind an sich bekannt.
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Die
Spritzeinheit 20 weist einen mittels Heizelementen 22 beheizbaren
Zylinder 21 auf. Im Zylinder 21 ist eine Schnecke 23 axial
verschiebbar und drehbar geführt.
Der Innendurchmesser des Zylinders 21 entspricht im Wesentlichen
dem Außendurchmesser
der Schnecke 23. Am vorderen, der Schließeinheit 11 zugekehrten
Ende des Zylinders 21 ist eine Düse 26 mit einer Düsenspitze 26a vorgesehen,
die den Übergang
zwischen dem Zylinder 21 und dem Werkzeug 12 bildet.
Im hinteren Bereich des Zylinders 21 befindet sich eine
Einfüllvorrichtung 28 mit
einem Einfülltrichter 29 für die Zuführung der Formmasse,
bspw. eines Kunststoffgranulats in den Zylinder, und zwar durch
eine Einzugsöffnung 31 im Zylinder 21.
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Die
Schnecke 23 weist im Ausführungsbeispiel rechtsgängige Schneckenzüge 24 auf,
die Schneckengänge 25 begrenzen.
An der Spitze der Schnecke 23 ist eine Rückstromsperre 27 angeordnet.
Die Schnecke 23 ist mit einem im Ausführungsbeispiel hydraulischen
Antrieb 32 versehen. Derartige Spritzeinheiten 20 sind
an sich bekannt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im Folgenden ausgehend von 1 beispielhaft
beschrieben. In der Spritzeinheit 20 wird die zu verarbeitende
Formmasse aufbereitet und schließlich unter Druck in das Werkzeug 12 gespritzt.
In 1 ist als erster Schritt der Plasti fizier- und
Dosiervorgang dargestellt. Hierfür
wird bspw. im Einfülltrichter 29 bevorratetes
Kunststoffgranulat durch die Einzugsöffnung 31 in den Zylinder 21 gefüllt. Hierbei
dreht sich die Schnecke 23 in ihrer Transportdrehrichtung,
im Ausführungsbeispiel
von der Rückseite
betrachtet im Uhrzeigersinn, d. h. in Richtung des Pfeils A in 1. Das
Kunststoffgranulat wird in den Schneckengängen 25 und durch
die Rotation der Schnecke 23 entlang dem beheizten Zylinder 21 in
Richtung der Düse 26 transportiert.
Das Kunststoffgranulat wird im Verlauf dieses Transportvorgangs
aufgeschmolzen und aufgrund der aufeinander abgestimmten Abmessungen
von Zylinder 21 und Schnecke 23 plastifiziert,
so dass eine homogene Formmasse entsteht. Diese Formmasse wird zwischen
der Spitze der Schnecke 23 und der Düse 26 bzw. der Düsenspitze 26a in
einem Zylinderhohlraum 33 gesammelt. Dieser Zylinderhohlraum 33 wird
dadurch gebildet, dass die Schnecke 23 von der sich ansammelnden
Formmasse axial nach hinten zurückbewegt
wird, wobei sie weiter in ihrer Transportdrehrichtung rotiert. Die Spritzgießvorrichtung 10 wird
dabei so gesteuert, dass in einem vorgegebenen Zeitrahmen eine bestimmte
vorgegebene Menge an plastifizierter Formmasse im Zylinderhohlraum 33 dosiert
wird. Dann ist der vorbeschriebene Plastifizier- und Dosiervorgang abgeschlossen.
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Im
Ausführungsbeispiel
schließt
sich nun die Dekompression der plastifizierten Formmasse an. Dabei
wird die Schnecke 23 um eine geringe Wegstrecke zurück bewegt.
Gleichzeitig wird im Ausführungsbeispiel
ein freier Schneckengang 25 unterhalb der Einzugsöffnung 31 positioniert.
Dabei kann die Drehung der Schnecke gestoppt sein, um die Positionierung
des freien Schneckengangs 25 unterhalb der Einzugsöffnung 31 zu
vereinfachen.
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Wenn
der Dosier- und Plastifiziervorgang abgeschlossen ist, beginnt der
Einspritzvorgang, der in 2 dargestellt ist. Beim Einspritzvorgang
wird die Schnecke 23 im Zylinder axial nach vorne geschoben,
so dass die Formmasse durch die Düsenspitze 26a der
Düse 26 hindurch
in das Werkzeug gespritzt wird. Dabei verhindert die Rückstromsperre 27,
dass die plastifizierte Formmasse in die Schneckengänge 25 zurück gedrückt wird.
Während
des Einspritzvorgangs dreht sich die Schnecke 23 erfindungsgemäß entgegen
ihrer Transportdrehrichtung, im Ausführungsbeispiel also von hinten
gesehen entgegen dem Uhrzeigersinn, d. h. in Richtung des Pfeils
B in 2. Gleichzeitig wird weiterhin Kunststoffgranulat aus
dem Einfülltrichter 29 durch
die Einzugsöffnung 31 in
den Zylinder 21 gefüllt.
Dabei werden die Schneckengänge 25,
die infolge der axialen Vorwärtsbewegung
der Schnecke 23 unter der Einzugsöffnung 31 hindurchwandern,
nacheinander mit Kunststoffgranulat gefüllt. Die gefüllten Schneckengänge 25 wandern
im Zylinder 21 weiter nach vorne, so dass das Kunststoffgranulat
während
des Einspritzvorgangs aufgeschmolzen und plastifiziert wird. Da
die Schnecke 23 sich dabei entgegen ihrer Transportdrehrichtung,
also in Richtung des Pfeils B in 2, dreht,
wird das aufgeschmolzene und plastifizierte Kunststoffgranulat nicht
innerhalb der Schneckengänge 25 transportiert.
Das Kunststoffgranulat verbleibt vielmehr stationär in den
Schneckengängen 25 und
wird aufgrund der Vorwärtsbewegung
der Schnecke 23 im Zylinder 21 in Richtung der
Düse 26 bewegt,
wobei es plastifiziert und gemischt wird.
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An
den Einspritzvorgang schließt
sich ein in 3 dargestellter Nachdrückvorgang
an. Dabei verbleibt zwischen der Düse 26 bzw. der Düsenspitze 26a und
der Schneckenspitze ein Formmassepolster 34. Mit der Schnecke 23 wird
nun über
das Formmassepolster ein Druck auf die im Werkzeug 12 befindliche
Formmasse ausgeübt,
der bewirkt, dass der durch das Verdichten der Formmasse im Werkzeug 12 verursachte
Volumenschwund ausgeglichen wird. Dabei kann sich die Schnecke 23 weiterhin
entgegen ihrer Transportdrehrichtung, d. h. in Richtung des Pfeils
B in 2, drehen. Diese Rotationsbewegung der Schnecke 23 wird
spätestens
am Ende des Nachdrückvorgangs,
ggf. schon vorher gestoppt. Im Ausführungsbeispiel wird diese Rotationsbewegung sogar
bereits zu Beginn des Nachdrückvorgangs
gestoppt, wobei die Steuerung weg- oder zeitabhängig erfolgen kann, je nachdem,
ob der Umschaltpunkt für den
Nachdrückvorgangs
selbst einer weg- oder zeitabhängigen
Steuerung unterliegt. Am Ende des Nachdrückvorgangs ist es empfehlenswert,
während des
Dekompressionshubs, der die Schnecke 23 wieder freigibt,
diese so zu positionieren, dass ein freier Schneckengang 25 möglichst
genau unter der Einzugsöffnung 31 positioniert
ist. Dann kann das Kunststoffgranulat aus dem Einfülltrichter 29 möglichst kontinuierlich
in den Zylinder 21 eingefüllt werden, d. h. das Einfüllen wird
nur für
eine möglichst
kurze Zeit unterbrochen.
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Nun
beginnt der Zyklus mit einem Plastifizier- und Dosiervorgang gemäß 1 erneut,
indem die Rotation der Schnecke 23 in Transportdrehrichtung, d.
h. in Richtung des Pfeils A in
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1,
wieder einsetzt und die während
des Einspritzvorgangs sozusagen „auf Vorrat” aufgeschmolzene
und plastifizierte Formmasse im Zylinder 21 nach vorne
in Richtung der Düse 26 transportiert wird.
Dadurch werden die Schneckengänge 25 nacheinander
wieder frei und können
wie üblich
mit „frischem” Kunststoffgranulat
aus dem Einfülltrichter 29 befüllt, wie
oben beschrieben plastifiziert und dosiert und dabei mit der „auf Vorrat” plastifizierten
Formmasse gemischt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich mittels
der jeweiligen Maschinensteuerung problemlos mit Spritzgießmaschinen
beliebiger Bauart und Größe realisieren.
Die erfindungsgemäße Drehung der
Schnecke entgegen ihrer Transportdrehrichtung während des Einspritzvorgangs
reduziert den Verschleiß der
wesentlichen Bauteile wie Schnecke, Zylinder, Düsenspitze und der Bauteile
der Rückstromsperre,
erheblich.