DE102008037103B4

DE102008037103B4 - Plastification and injection device for an injection molding machine

Info

Publication number: DE102008037103B4
Application number: DE200810037103
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Grunitz Otto
Original assignee: Sumitomo SHI Demag Plastics Machinery GmbH
Current assignee: Sumitomo SHI Demag Plastics Machinery GmbH
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2028-08-09
Also published as: DE102008037103A1

Abstract

Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine umfassend
– eine Zuführeinheit (12) für das unplastifizierte Spritzgießmaterial,
– eine sich daran anschließende Plastifiziereinheit (15) zum Aufschmelzen und Homogenisieren des Spritzgießmaterials,
– einen Massepolsterraum (22) nach der Plastifiziereinheit (15) zur Zwischenspeicherung des plastifizierten Spritzgießmaterials, und
– eine Einspritzeinheit 18 zum Einspritzen des Spritzgießmaterials in ein Spritzgussformwerkzeug, wobei die Plastifiziereinheit (15) als Ultraschall-Plastifiziereinheit (15) mit einer Ultraschall-Sonotrode (19) ausgebildet ist, der ein Einspritzkolben (28) als Einspritzvorrichtung zugeordnet ist und die einen Plastifizier- und Förderspalt (21) für das Spritzgießmaterial begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die Ultraschall-Sonotrode (19) als sich in Richtung zum Massepolsterraum (22) verjüngende Trichtersonotrode (19) ausgebildet ist.Plastification and injection device for an injection molding machine comprising
A feed unit (12) for the unplastified injection molding material,
A subsequent plasticizing unit (15) for melting and homogenizing the injection molding material,
- A mass cushion space (22) after the plasticizing unit (15) for temporarily storing the plasticized injection molding, and
- An injection unit 18 for injecting the injection molding in an injection mold, wherein the plasticizing unit (15) as ultrasonic plasticizing unit (15) with an ultrasonic sonotrode (19) is associated with an injection piston (28) as an injection device and a plasticizer and conveying gap (21) for the injection molding limited
characterized in that
- The ultrasonic sonotrode (19) as in the direction of the mass cushion space (22) tapered Trichtersonotrode (19) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a plasticizing and injection device for an injection molding machine with the features specified in the preamble of claim 1.

Diese Merkmale geben die Grundkomponenten einer solchen Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung einer Spritzgießmaschine an, wie sie seit langem üblich sind. So ist eine Zuführeinheit für das noch unplastifizierte thermoplastische Spritzgießmaterial vorgesehen, bei dem es sich in aller Regel um einen Trichter mit Dosierschleuse für ein thermoplastisches Granulatmaterial handelt. Ferner schließt sich an diese Zuführeinheit eine Plastifiziereinheit zum Aufschmelzen des Spritzgießmaterials an. Dabei handelt es sich im Stand der Technik in der Regel um eine Plastifizierungsschnecke, die von einem Massepolsterraum vor der Einspritzdüse der Spritzgießmaschine gefolgt wird. Darin wird das plastifizierte Spritzgießmaterial gestaut und ein Schmelzevolumen für den Einspritzvorgang angelegt. Das so zwischengespeicherte plastifizierte Spritzgießmaterial wird mittels einer Einspritzeinheit in ein Spritzgieß-Formwerkzeug eingespritzt. Herkömmlicherweise wird die Einspritzeinheit durch die Schnecke selbst gebildet, die in längsaxialer Richtung linear antreibbar im Schneckenzylinder gelagert ist. Durch ein axiales Verschieben der Schnecke in Richtung Einspritzdüse wirkt diese als Einspritzkolben, wodurch das plastifizierte Spritzgießmaterial in das Werkzeug eingespritzt werden kann.These features indicate the basic components of such a plasticizing and injection device of an injection molding machine, as has long been common practice. Thus, a supply unit for the unplasticized thermoplastic injection molding material is provided, which is usually a funnel with metering lock for a thermoplastic granulate material. Furthermore, adjoining this feed unit is a plasticizing unit for melting the injection-molding material. In the prior art, these are generally a plasticizing screw, which is followed by a mass cushion space in front of the injection nozzle of the injection molding machine. Therein the plasticized injection molding material is jammed and created a melt volume for the injection process. The thus intermediately stored plasticized injection molding material is injected by means of an injection unit in an injection mold. Conventionally, the injection unit is formed by the screw itself, which is mounted linearly driven in the longitudinal axial direction in the screw cylinder. By an axial displacement of the screw in the direction of the injection nozzle, this acts as an injection piston, whereby the plasticized injection molding material can be injected into the tool.

Wie in einschlägiger Fachliteratur, wie beispielsweise G. Menges „Einführung in die Kunststoffverarbeitung”, Hanser-Verlag 1979, Seiten 56 bis 65 dargestellt ist, ist das Plastifizieren im Zylinder einer Schneckenmaschine mit verschiedenen Problemkreisen behaftet, die auf den spezifischen Plastifizierungsvorgängen in solchen Schneckenmaschinen beruhen. So wird darin das aufzuschmelzende Material in einer Umwandlungszone der Schnecke durch deren Gangverflachung kompaktiert und gleichzeitig durch die Rotationsbewegung der Schneckengänge gegenüber dem Schneckengehäuse geschert. Je nach den Wandhaftungseigenschaften des zu plastifizierenden Materials können sich verschiedene Probleme ergeben, wie Leckströmungen entgegen der Förderrichtung der Schnecke oder eine mangelnde Homogenisierung des Materials auf Grund unzureichend geschmolzener Kernzonen innerhalb der Materialbereiche in den Schneckengängen. Insoweit ist für den Betrieb der Schneckenmaschinen nach entsprechenden Kennlinien vorzugehen, die durch die Schneckengeometrie, Schneckendrehzahl und den angestrebten Ausstoß gegenüber dem sogenannten Werkzeugwiderstand, den der Einspritzdruck überwinden muss, bestimmt sind.As shown in relevant technical literature, such as G. Menges "Introduction to Plastics Processing", Hanser-Verlag 1979, pages 56 to 65, the plasticizing in the cylinder of a screw machine is subject to various problems based on the specific plasticizing processes in such screw machines , Thus, the material to be melted is compacted in a conversion zone of the screw by the gear flattening and simultaneously sheared by the rotational movement of the screw relative to the screw housing. Depending on the wall adhesion properties of the material to be plasticized, various problems may arise, such as leakage flows against the conveying direction of the screw or a lack of homogenization of the material due to insufficiently melted core zones within the material regions in the screw flights. In that regard, for the operation of the screw machines proceed according to corresponding characteristics, which are determined by the screw geometry, screw speed and the desired output against the so-called tool resistance, which must overcome the injection pressure.

Die Nachteile von Schneckenplastifiziereinheiten sind demnach schlaglichtartig wie folgt zu umreißen:

– Die Plastifizierleistung ist an die Einspritzkraft gekoppelt.
– Die Mischqualität und der Homogenisierungsgrad für das zu plastifizierende Material hängen stark von der Baulänge ab. Das Längen-Durchmesser-Verhältnis der Schnecke sollte > 20 sein. Je größer dieses Verhältnis ist, desto langer baut naturgemäß die Plastifiziereinheit.
– Die maximale Plastifizier-Umfangsgeschwindigkeit der Schnecke ist begrenzt, sie liegt bei etwa 1,4 m/s. Größere Reibgeschwindigkeiten führen zu Materialzerstörung durch partielle Verbrennung.
– Im Schnelllaufbetrieb führen die beiden vorgenannten Problempunkte zu noch größeren Schneckenlängen oder komplizierten Mischschnecken mit entsprechend höheren Kosten.
– Je größer die Plastifizierdrehzahl, desto größer ist der Anteil der Friktionswärme. Diese Verlustenergie senkt die Effizienz der Schnecken-Plastifiziereinheit und führt durch Scherung des Materials zu dessen Schädigung und verstärktem Verschleiß der gesamten Plastifiziereinheit.
– Die Schnecken-Plastifiziereinheit benötigt eine Rückstromsperre, um die Aufschmelz- und Dosierfunktion von der Einspritzfunktion zu entkoppeln.

The disadvantages of Schneckenplastifiziereinheiten are therefore to outline as follows:

- The plasticizing power is coupled to the injection force.
- The mixing quality and the degree of homogenization of the material to be plasticized depend strongly on the length. The length-diameter ratio of the screw should be> 20. The larger this ratio is, the longer it naturally builds the plasticizing unit.
- The maximum plasticizing peripheral speed of the screw is limited, it is about 1.4 m / s. Larger friction speeds lead to material destruction by partial combustion.
- In high-speed operation, the two aforementioned problems lead to even larger screw lengths or complicated mixing screws with correspondingly higher costs.
- The greater the plasticizing speed, the greater the proportion of friction heat. This energy loss reduces the efficiency of the screw plasticizing unit and, by shearing the material, leads to its damage and increased wear of the entire plasticizing unit.
- The screw plasticizing unit requires a backflow lock to decouple the melting and dosing function of the injection function.

Aus der EP 0 930 144 A2 ist eine Spritzgießmaschine mit einer ultraschallunterstützten Plastifiziereinheit bekannt. Dabei werden allerdings nach wie vor zylinderförmige, langgestreckte Gehäuse der Plastifiziereinheit verwendet, in denen schnecken- oder kolbenförmige Förderelemente für den Transport des plastifizierten Thermoplastmaterials in den Massepolsterraum sorgen. Insoweit ist der Raumbedarf solcher Plastifiziereinheiten immer noch verbesserbar.From the EP 0 930 144 A2 An injection molding machine with an ultrasonically assisted plasticizing unit is known. In this case, however, still cylindrical, elongated housing of the plasticizing unit are still used, in which screw or piston-shaped conveying elements for the transport of the plasticized thermoplastic material provide in the mass cushion space. In that regard, the space requirement of such plasticizing is still improved.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine so auszugestalten, dass bei kompakter Bauart eine effektive, materialschonende Aufbereitung des thermoplastischen Spritzgießmaterials erzielt wird.Based on this, the object of the invention is to design a plasticizing and injection device for an injection molding machine in such a way that, with a compact design, effective, material-saving treatment of the thermoplastic injection molding material is achieved.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Ultraschall-Sonotrode als sich in Richtung zum Massepolsterraum verjüngende Trichtersonotrode ausgebildet ist.This object is achieved in conjunction with the preamble of patent claim 1, characterized in that the ultrasonic sonotrode is designed as in the direction of the mass cushion space Trichtersonotrode tapered.

Durch diese Maßnahme ist grundsätzlich die Plastifizierung des thermoplastischen Spritzgießmaterials vom Einspritzvorgang entkoppelt. Das in der Regel granulatförmige Spritzgießmaterial wird durch ultraschallgestütztes Aufschmelzen aufbereitet und homogenisiert, wonach das Einspritzen mit dem maschinentechnisch davon getrennten Kolben erfolgt.By this measure, in principle, the plasticization of the thermoplastic injection molding material is decoupled from the injection process. The usually granular injection molding material is processed by ultrasound-assisted melting and homogenized, after which the injection is carried out with the machine technically separate piston.

Durch den Verzicht auf Schnecken zur Aufbereitung des Spritzgießmaterials lässt sich eine wesentliche Reduzierung des Bauvolumens und damit des Raumbedarfs für Spritzgießmaschinen eine Fertigungsstätte erzielen. Durch den kompakten Aufbau können Spritzgießmaschinen mit einer erfindungsgemäßen Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung einfach in Mehrfachmaschinen oder Fertigungslinien integriert werden. Durch die Kombination eines hocheffektiven Aufschmelzen des Spritzgießmaterials mit dem davon getrennten Einspritzkolben kann die Gewichtskonstanz des Massepolsters für jeden Einspritzvorgang wesentlich verbessert werden, so dass der Erfindungsgegenstand besonders für den Präzisionsspritzguss geeignet ist.By dispensing with screws for processing the injection molding material, a substantial reduction of the construction volume and thus of the space required for injection molding machines can achieve a production site. Due to the compact design injection molding machines can be easily integrated with a plasticizing and injection device according to the invention in multiple machines or production lines. By combining a highly effective melting of the injection molding material with the injection piston separated therefrom, the weight constancy of the mass cushion for each injection process can be substantially improved, so that the subject invention is particularly suitable for precision injection molding.

Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, die in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es sollen lediglich einige besonders prägnante Maßnahmen im Folgenden herausgegriffen werden. So ist in bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, das Gehäuse der Plastizifierungsvorrichtung und/oder die Sonotrode der Ultraschall-Plastifizierungsvorrichtung beheizbar, insbesondere induktiv beheizbar auszulegen. Dadurch wird eine große beheizte Oberfläche zu dem Granulat hin geschaffen, die eine effektive Unterstützung des Aufschmelzvorganges und der Homogenisierung mit sich bringt.Preferred developments of the subject invention are specified in the dependent claims, which are explained in more detail in the description of the embodiment. Only some particularly concise measures are to be selected below. Thus, in preferred embodiments, it is provided that the housing of the plasticizing device and / or the sonotrode of the ultrasonic plasticizing device can be heated, in particular designed to be heated inductively. This provides a large heated surface to the granules which effectively promotes melting and homogenization.

Durch die bewegliche Lagerung der Sonotrode in Schwingungsrichtung kann diese zum Verschluss des Förder- und Plastifizierungsspalts und somit als Rückstromsperre dienen. Eine eigene Rückstromsperre wird damit überflüssig. Es lässt sich damit eine wesentlich höhere Konstanz des Massepolsters erreichen, was wichtig für den Mikrospritzguss ist.Due to the movable mounting of the sonotrode in the direction of vibration, this can serve to close the conveying and plasticizing gap and thus as a non-return valve. A separate backflow lock is thus superfluous. It can thus achieve a much higher consistency of the mass cushion, which is important for the micro injection molding.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Sonotrode in ihrer Schließstellung als Rückstromsperre gleichzeitig mit dem Einspritzantrieb aktivierbar. Dadurch wird das bereits aufgeschmolzene, sich im Einspritzvorgang befindliche Material zusätzlich mit Ultraschall- und folglich mit thermischer Energie beaufschlagt, was den Einspritzwiderstand deutlich absenkt. Damit ist der Antrieb des Einspritzkolbens mechanisch kleiner zu dimensionieren.According to a further preferred embodiment, the sonotrode can be activated in its closed position as a backflow lock simultaneously with the injection drive. As a result, the already molten, located in the injection process material is additionally subjected to ultrasonic and thus thermal energy, which significantly reduces the injection resistance. Thus, the drive of the injection piston is mechanically smaller to dimension.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes an Hand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the following description in which an embodiment of the subject invention with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. Show it:

1 eine Seitenansicht einer Spritzgießmaschine mit einer Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung, 1 a side view of an injection molding machine with a plasticizing and injection device,

2 eine perspektivische Gesamtansicht einer Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung gemäß 1, 2 an overall perspective view of a plasticizing and injection device according to 1 .

3 einen schematischen Vertikalschnitt in der Spritzachse der Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung gemäß 1 mit Detail-Perspektive der Sonotrode mit Ultraschall-Aktoren von hinten in 3A, 3 a schematic vertical section in the injection axis of the plasticizing and injection device according to 1 with detail perspective of the sonotrode with ultrasonic actuators from the rear in 3A .

4 einen schematischen Vertikalschnitt der Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung analog 3, 4 a schematic vertical section of the plasticizing and injection device analog 3 .

5 eine Schemadarstellung zur Erläuterung des Hubübersetzungsverhältnisses in einer Sonotrode, und 5 a schematic representation for explaining the Hubübersetzungsverhältnisses in a sonotrode, and

6 ein Funktionsschaubild der Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung mit ihrem Steuerungsumfeld. 6 a functional diagram of the plasticizing and injection device with its control environment.

Die 1 zeigt eine Spritzgießmaschine in ihrer Gesamtheit, an deren Maschinenbett in üblicher Weise die Schließeinheit 2 mit ihrer Festplatte 3 angeordnet ist. Die verbleibenden Komponenten der Schließeinheit 2 sind von üblichem Aufbau und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht relevant.The 1 shows an injection molding machine in its entirety, on the machine bed in the usual way, the clamping unit 2 with her hard drive 3 is arranged. The remaining components of the clamping unit 2 are not of conventional design and are not relevant in the context of the present invention.

An die Festplatte 3 ist die als Ganzes mit 4 bezeichnete Spritzeinheit angebunden, indem eine parallel zur Spritzrichtung S verlaufende Lagertraverse 5 an der Festplatte 3 befestigt ist. Die Lagertraverse 5 weist eine in ihrer Längsrichtung verlaufende Linearführung 6 auf, auf der die als Ganzes mit 7 bezeichnete Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung verschiebbar geführt ist. Für diesen Verschiebeantrieb ist ein Spindeltrieb 8 mit entsprechendem Elektromotor 9 vorgesehen.To the hard disk 3 is that as a whole with 4 designated injection unit connected by a parallel to the injection direction S bearing truss 5 on the hard disk 3 is attached. The bearing beam 5 has a linear guide running in its longitudinal direction 6 on, on the as a whole with 7 designated Plastifizierungs- and injection device is guided displaceably. For this displacement drive is a spindle drive 8th with corresponding electric motor 9 intended.

Aus den 2 und 3 ist der grundsätzliche Aufbau der Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung 7 zu verdeutlichen. Rückgrat dieser Baugruppe bildet eine als aufrecht stehende Platte ausgebildete Lagereinheit 10, die auf einem Schlitten 11 der Linearführung 6 ruht. An dieser Lagereinheit 10 ist zuoberst eine als Materialtrichter 12 mit Dosierschleuse 13 ausgebildete Zuführeinheit mit ihrem Auslaufstutzen 14 des Materialtrichters 12 für das zu plastifizierende Spritzgießmaterial befestigt. Der Auslaufstutzen 14 führt in die Beschickungsseite der Plastifiziereinheit 15, die – wie aus 2 deutlich wird – ein trichterförmiges, sich in Spritzrichtung S trompetenförmig verjüngendes Gehäuse 16 aufweist. An dessen schmalem, in Spritzrichtung S weisenden Ende ist die Einspritzdüse 17 für das in der Plastifiziereinheit 15 aufgeschmolzene und homogenisierte Spritzgießmaterial ausgebildet, das mit Hilfe der noch näher zu erläuternden, in die Plastifiziereinheit 15 integrierten Einspritzeinheit 18 in das Spritzgießwerkzeug einspritzbar ist.From the 2 and 3 is the basic structure of the plasticizing and injection device 7 to clarify. The backbone of this assembly forms a bearing unit formed as an upright plate 10 on a sled 11 the linear guide 6 rests. At this storage unit 10 is one at the top as a material funnel 12 with dosing lock 13 trained feeding unit with its outlet nozzle 14 of the material funnel 12 attached for the plasticizing injection molding material. The spout 14 leads into the feed side of the plasticizing unit 15 that - like out 2 becomes clear - a funnel-shaped, in the injection direction S trumpet-shaped tapered housing 16 having. At its narrow, pointing in the direction of injection S end is the injector 17 for that in the plasticizing unit 15 formed molten and homogenized injection molding, with the help of the still closer to be explained, in the plasticizing 15 integrated injection unit 18 can be injected into the injection mold.

Die Plastifiziereinheit 15 ist als Ultraschall-Plastifiziereinheit ausgebildet, d. h. die Energie zum Aufschmelzen und Homogenisieren des über die Zuführeinheit 12 eingefüllten Spritzgießmaterials wird über Ultraschall eingebracht. Dazu weist die Plastifiziereinheit 15 eine im Gehäuse 16 angeordnete, sich ebenfalls in Spritzrichtung S verjüngende Trichtersonotrode 19 auf, die – wie insbesondere aus den 3 und 4 deutlich wird – zusammen mit der Innenfläche 20 des Gehäuse 16 einen sich in Spritzrichtung S verjüngenden, ringförmigen Plastifizier- und Förderspalt 21 bildet. Dieser mündet im Bereich des schmalen Endes der Trichtersonotrode 19 in den vor der Einspritzdüse 17 gelegenen Massepolsterraum 22, in dem das von der Plastifiziereinheit 15 aufgeschmolzene und homogenisierte Spritzgießmaterial für den Einspritzvorgang zwischengespeichert wird.The plasticizing unit 15 is designed as an ultrasonic plasticizing unit, ie the energy for melting and homogenizing the over the feed unit 12 filled injection molding material is introduced via ultrasound. For this purpose, the plasticizing unit 15 one in the housing 16 arranged, also in the injection direction S tapered Trichtersonotrode 19 on, which - as in particular from the 3 and 4 becomes clear - together with the inner surface 20 of the housing 16 a tapered in the injection direction S, annular plasticizing and conveying gap 21 forms. This opens in the area of the narrow end of the Trichtersonotrode 19 in the front of the injector 17 located mass cushion room 22 in which that of the plasticizing unit 15 molten and homogenized injection molding material is temporarily stored for the injection process.

Die Trichtersonotrode 19 ist mit ihrer rechtwinklig zur Spritzrichtung S verlaufenden, kreisförmigen Basis 23 über regelmäßig über die Basisfläche verteilte Ultraschallaktoren 24 (siehe auch 3A) an die Lagereinheit 10 der Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung 7 angebunden. Diese Ultraschallaktoren sind als piezo- oder ferromagnetische Aktoren ausgelegt und führen bei einer Erregung durch Hochfrequenz-Wechselspannung Längsschwingungen aus. Die Schwingungsenergie wird auf die Trichtersonotrode 19 übertragen und – bedingt durch die geometrische Form der Sonotrode 19 – transformiert. Es erfolgt eine Kraft-Amplituden-Umwandlung, aus wenigen Mikrometern Schwingungsamplitude im Bereich der Basis 23 der Sonotrode 19 werden Bruchteile eines Millimeters am spritzdüsenseitigen Ende 25 der Trichtersonotrode 19 (siehe 5).The Trichtersonotrode 19 is with its perpendicular to the injection direction S extending, circular base 23 via ultrasound actuators regularly distributed over the base area 24 (see also 3A ) to the storage unit 10 the plasticizing and injection device 7 tethered. These ultrasonic actuators are designed as piezo or ferromagnetic actuators and perform in an excitation by high frequency AC voltage longitudinal vibrations. The vibration energy is applied to the funnel sonotrode 19 transmitted and - due to the geometric shape of the sonotrode 19 - transformed. There is a force-amplitude conversion, from a few micrometers vibration amplitude in the base 23 the sonotrode 19 become fractions of a millimeter at the injection nozzle end 25 the funnel sonotrode 19 (please refer 5 ).

An Hand der 4 und 5 ist die Plastifizierung und Förderung des Spritzgießmaterials im Plastifizierung- und Förderspalt 21 zu erörtern. So ist grundsätzlich die Innenfläche 20 des Gehäuses 16 und die Außenfläche 26 der Trichtersonotrode 19 mit parallelen Konturen versehen. Da sich bei der trompetenförmigen Verjüngung der Trichterkontur sich die Steigung in Spritzrichtung S abflacht, verengt sich in dieser Richtung der Plastifizier- und Förderspalt 21 zunehmend. Damit kann das über die Zuführeinheit 12 in die Plastifiziereinheit 15 eingebrachte, noch nicht geschmolzene Granulat nur bis zu einer bestimmten Position gelangen, in der der Abstand der Außenfläche 26 der Trichtersonotrode 19 von der Innenfläche 20 des Gehäuses 16 der Granulatgröße entspricht. Bei der in 5 schematisch angedeuteten Umsetzung des Hubes der Ultraschallaktoren 24 von einem kleinen Hub a im Bereich der Basis 23 in einen großen Hub b im Bereich des Endes 25 der Trichtersonotrode 19 verkleinert sich beim Aktivieren der Ultraschall-Trichtersonotrode 19 der Abstand zwischen Gehäuse 16 und Sonotrode 19 periodisch mit der Ultraschallfrequenz. Die Granulatkörner des in den Plastifizier- und Förderspalt 21 eingeführten Spritzgießmaterials werden mit dieser Frequenz gequetscht und durch die Friktionswärme aufgeschmolzen. Je weiter der Aufschmelzvorgang voranschreitet, desto kleiner wird der Granulatdurchmesser. Gleichzeitig fließt die damit gebildete Schmelze am Ende der Trichtersonotrode 19 in den Massepolsterraum 22.Based on 4 and 5 is the plasticizing and conveying of the injection molding material in the plasticizing and conveying gap 21 to discuss. So basically is the inner surface 20 of the housing 16 and the outer surface 26 the funnel sonotrode 19 provided with parallel contours. Since in the trumpet-shaped taper of the funnel contour, the slope flattening in the direction of injection S, narrows in this direction, the plasticizing and conveying gap 21 increasingly. This can be done via the feed unit 12 into the plasticizing unit 15 introduced, not yet melted granules only reach a certain position, in which the distance of the outer surface 26 the funnel sonotrode 19 from the inner surface 20 of the housing 16 corresponds to the granule size. At the in 5 schematically indicated implementation of the stroke of the ultrasonic actuators 24 from a small stroke a in the area of the base 23 in a big stroke b in the area of the end 25 the funnel sonotrode 19 shrinks when activating the ultrasonic horn funnel 19 the distance between housing 16 and sonotrode 19 periodically with the ultrasonic frequency. The granules of the in the plasticizing and conveying gap 21 introduced injection molding material are squeezed at this frequency and melted by the friction heat. The farther the melting process progresses, the smaller the granule diameter becomes. At the same time, the melt thus formed flows at the end of the horn sonotrode 19 in the mass cushion room 22 ,

Der Plastifiziervorgang wird dabei durch die in das Gehäuse 16 integrierte induktive Heizung 27 unterstützt. Wie in den Zeichnungen nicht eigens dargestellt ist, kann eine entsprechende induktive Heizung auch bei der Sonotrode 19 vorgesehen sein. Die Ermittlung der Temperatur kann dabei sensorlos erfolgen, indem sie aus den Werten der Induktionsspannung und des Heizstromes berechnet wird. Technologisch bedingte Temperaturprofile können dabei mit Hilfe von Reglern abgefahren werden. Auf Grund der geringen Eindringtiefe des Wechselspannungsfeldes in der Größenordnung von wenigen Mikrometern sind die Regelzeitkonstanten dabei nur sehr gering und liegen im Bereich von Millisekunden.The plasticizing process is thereby through the in the housing 16 integrated inductive heating 27 supported. As is not specifically shown in the drawings, a corresponding inductive heating also in the sonotrode 19 be provided. The determination of the temperature can be done sensorless by being calculated from the values of the induction voltage and the heating current. Technologically conditioned temperature profiles can be traversed with the help of controllers. Due to the low penetration depth of the AC field in the order of a few micrometers, the control time constants are only very small and are in the range of milliseconds.

Im Folgenden wird nun der Einspritzvorgang mit Hilfe der gezeigten Plastifizierungs- und Einspritzvorrichtung 7 näher beleuchtet. So ist als Einspritzeinheit 18 ein koaxial in der Trichtersonotrode 19 in Spritzrichtung S angeordneter Einspritzkolben 28 vorgesehen, dessen Kolbenstange 29 entgegen der Spritzrichtung S aus der Sonotrode 19 über die Lagereinheit 10 hinweg herausgeführt ist und in einem Spindeltrieb 30 endet. Der Einspritzkolben 28 mit Kolbenstange 29 ist rotationsfest angeordnet, so dass die mit dem Spindeltrieb 30 gekoppelte Mutter 31 bei Rotation zu einer Einspritzbewegung des Einspritzkolbens 28 in Spritzrichtung S führt. Die Mutter 31 ist dabei vom Einspritzmotor 32 gesteuert angetrieben.In the following, the injection process with the aid of the plasticizing and injection device shown 7 closer illuminated. So is as an injection unit 18 a coaxial in the funnel sonotrode 19 In the injection direction S arranged injection piston 28 provided, the piston rod 29 opposite to the injection direction S from the sonotrode 19 over the storage unit 10 is led out and in a spindle drive 30 ends. The injection piston 28 with piston rod 29 is arranged rotationally stable, so that with the spindle drive 30 coupled mother 31 during rotation to an injection movement of the injection piston 28 in the injection direction S leads. The mother 31 is from the injection engine 32 driven driven.

Während der Befüllung des Massepolsterraums 22 kann der Einspritzkolben 28 durch den Staudruck P (4) entgegen der Spritzrichtung S gedrückt werden, wobei durch eine entsprechende Steuerung des Einspritzmotors 32 ein Grenz-Staudruck einstellbar ist, bis zu dem der Einspritzkolben 28 zurückgeschoben wird. Sobald im Massepolsterraum 22 genügend Spritzgießmaterial mit entsprechendem Staudruck vorgehalten und die Plastifizierung des Materials damit abgeschlossen ist, wird die Trichtersonotrode 19 in Spritzrichtung S zur Einspritzdüse 17 hin verschoben, womit der Plastifizier- und Förderspalt 21 in Rückrichtung geschlossen ist. Diese Schließbewegung der Trichtersonotrode 19 stellt die Rückstromsperre für den Einspritzvorgang dar. Vorteilhaft bei diesem Vorgehen ist die Abtrennung von Dosier- und Plastifizierraum und Spritzvolumen durch eine definierte Bewegung und Kraft. Dies garantiert eine hohe Konstanz des Massepolsters im Raum 22. Bei dem nachfolgenden Einspritzvorgang durch eine Bewegung des Einspritzkolbens 28 in Spritzrichtung S kann die Schmelze nur den Weg durch die Einspritzdüse 17 in das Werkzeug nehmen.During the filling of the mass cushion space 22 can the injection piston 28 through the dynamic pressure P ( 4 ) are pressed against the injection direction S, wherein by an appropriate control of the injection motor 32 a limit dynamic pressure is adjustable, up to that of the injection piston 28 is pushed back. Once in the mass cushion room 22 sufficient injection molding material is held with the appropriate back pressure and the plasticization of the material is thus completed, the Trichtersonotrode 19 in injection direction S to the injection nozzle 17 shifted, bringing the plasticizing and conveying gap 21 is closed in the return direction. This closing movement of Trichtersonotrode 19 represents the backflow valve for the injection process. Advantageous in this procedure is the separation of dosing and plasticizing and injection volume by a defined movement and force. This guarantees a high constancy of the mass cushion in the room 22 , In the subsequent injection process by a movement of the injection piston 28 in the injection direction S, the melt can only make its way through the injection nozzle 17 into the tool.

Die parallele Gestaltung der Gehäuse- und Sonotrodenform sowie die enge Toleranz der Außenfläche 26 der Sonotrode 19 und der Innenfläche 20 des Gehäuses 16 erlauben es, während des Einspritzvorganges die Schmelze im Massepolsterraum 22 durch Aktivierung der Ultraschallaktoren 24 unter Ultraschalleinfluss zu setzen und damit zusätzliche Energie in das Spritzgießmaterial einzukoppeln. Dies führt zu einer Reduzierung der Schmelzeviskosität, was turbulente Strömungen herabsetzt. Diese Reduzierung ermöglicht kleinere mechanische Antriebsleistungen, entsprechend niedriger dimensioniert kann der Einspritzmotor 32 ausgelegt werden.The parallel design of the housing and sonotrode shape and the tight tolerance of the outer surface 26 the sonotrode 19 and the inner surface 20 of the housing 16 allow, during the injection process, the melt in the mass cushion space 22 by activation of the ultrasound actuators 24 under the influence of ultrasound and thus couple additional energy into the injection molding material. This leads to a reduction in the melt viscosity, which reduces turbulent flows. This reduction allows smaller mechanical drive power, correspondingly lower dimensions of the injection engine 32 be interpreted.

An Hand von 6 ist die Plastifiziereinheit 15 und Einspritzeinheit 18 eingebunden in ihr Steuerungsumfeld gezeigt. So ist grundsätzlich eine Spannungsversorgung 33 vorgesehen, die über einen Zwischenkreis 34 den Frequenzumrichter 35 für den Gleichspannungs-Einspritzmotor 32 und den Hochfrequenz-Generator 36 für die Ultraschallaktoren 24 mit elektrischer Energie versorgt. Zur Steuerung von Frequenzumrichter 35 und Hochfrequenz-Generator 36 ist eine SPS-Steuereinheit 37 vorgesehen, die über eine Busverbindung 38 mit diesen Anlagenkomponenten signaltechnisch verbunden ist. Der Hochfrequenz-Generator 36 stellt auch die Wechselspannung für die Induktionsheizung 27 zur Verfügung.Based on 6 is the plasticizing unit 15 and injection unit 18 involved in their control environment. So basically is a power supply 33 provided by an intermediate circuit 34 the frequency converter 35 for the DC injection engine 32 and the high frequency generator 36 for the ultrasound actuators 24 supplied with electrical energy. For controlling frequency inverters 35 and high frequency generator 36 is a PLC control unit 37 provided by a bus connection 38 is connected by signal technology with these system components. The high frequency generator 36 also provides the AC voltage for the induction heating 27 to disposal.

Claims

Plastification and injection device for an injection molding machine comprising - a feed unit ( 12 ) for the unplasticized injection molding material, - a subsequent plasticizing unit ( 15 ) for melting and homogenizing the injection molding material, - a mass cushion space ( 22 ) after the plasticizing unit ( 15 ) for temporarily storing the plasticized injection molding material, and - an injection unit 18 for injecting the injection molding material into an injection mold, wherein the plasticizing unit ( 15 ) as ultrasonic plasticizing unit ( 15 ) with an ultrasonic sonotrode ( 19 ) is formed, which is an injection piston ( 28 ) is assigned as an injection device and the one plasticizing and conveying gap ( 21 ) limited to the injection molding material, characterized in that - the ultrasonic sonotrode ( 19 ) when moving towards the earth cushion space ( 22 ) Trichtersonotrode tapered ( 19 ) is trained.

Plastification and injection device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic sonotrode ( 19 ) with a surrounding housing ( 16 ) one towards the mass cushion room ( 22 ) tapered, annular plasticizing and conveying gap ( 21 ) forms for the injection molding material.

Plastification and injection device according to claim 2, characterized in that in the resting state of the ultrasonic sonotrode ( 19 ) whose outer surface ( 26 ) parallel to the inner surface ( 20 ) of the surrounding housing ( 19 ) is contoured.

Plastification and injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic sonotrode ( 19 ) with a base perpendicular to the direction of oscillation ( 23 ) via at least one ultrasonic actuator ( 24 ) on a storage unit ( 10 ) of the plasticizing and injection device ( 7 ) is coupled.

Plastification and injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the injection piston coaxial in the ultrasonic sonotrode ( 19 ) slidably guided in the injection direction (S) and by an injection drive ( 30 . 31 . 32 ) is activated.

Plastification and injection device according to claim 5, characterized in that the injection drive by an electric motor ( 32 ) operated spindle drive ( 30 . 31 ) is formed.

Plastification and injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the ultrasonic sonotrode ( 19 ) in the injection direction (S) for closing the plasticizing and conveying gap ( 21 ) is movably mounted during the injection process.

Plastification and injection device according to claim 7, characterized in that the ultrasonic excitation of the sonotrode ( 19 ) in its closed position simultaneously with the injection drive ( 30 . 31 . 32 ) of the injection piston ( 28 ) is activated.

Plastification and injection device according to one of the preceding claims, characterized by an inductive heating ( 27 ) for the housing ( 16 ).

Plastification and injection device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the ultrasonic sonotrode ( 19 ) is heated, in particular inductively heated.