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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plastifizieren und Einspritzen von Kunststoffen, insbesondere zur Fertigung von Klein- und Mikroformteilen oder auch zur Fertigung von Mehrkomponenten-Formteilen auf Spritzgießmaschinen bestehend aus einer Plastifiziereinrichtung zum Fördern, Entlüften, Aufschmelzen, Homogenisieren und Dosieren des Kunststoffes sowie einer Einspritzeinrichtung zum Füllen und Ausformen der Kavität im Werkzeug mit Schmelze.
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Das Spritzgießen von Kunststoffteilen wird durch die Prozessstufen Plastifizieren, Formfüllen/Verdichten, Formstabilisieren und Entformen charakterisiert. Durch das Plastifizieren wird die erforderliche Menge Kunststoffschmelze in ausreichender Qualität für den Einspritzvorgang zur Verfügung gestellt. Dabei muss beim Plastifiziervorgang dem als Feststoff vorliegenden Kunststoff die erforderliche Wärmemenge durch Wärmeübertragung bzw. durch mechanisch thermischen Energieumsatz zugeführt werden. Deshalb wird die konstruktive Gestaltung der Plastifizier- und Einspritzeinheit oftmals der jeweiligen Fertigungsaufgabe angepasst.
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Ein grundlegendes Problem beim Spritzgießen von Klein- und Mikroformteilen ist, unabhängig von der ohnehin schwierigen Abstimmung der Plastifizier- und Einspritzparameter, die Verweilzeit des Kunststoffes bei hoher Temperatur und die Scherbelastung in der Plastifiziereinheit. Um die Verweilzeit des Kunststoffes zu reduzieren, beträgt oftmals das Angussvolumen ein Vielfaches des Klein- und Mikroformteilvolumens.
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Für die Fertigung von Klein- und Mikroteilen ergeben sich folgende Forderungen an die Plastifiziereinheit einer Spritzgießmaschine:
- – geringe Verweilzeiten der Schmelze in der Plastifiziereinheit,
- – geringe Scherbelastung der Schmelze,
- – sehr gute thermische und mechanische Homogenität der Schmelze,
- – exaktes Regelverhalten der Temperatur,
- – hohe Reproduzierbarkeit der Plastifiziervorgänge,
- – Verarbeitung von Standardgranulaten.
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Die Schneckenplastifizierung (Schneckenkolben- und auch Schneckenvorplastifizierung mit Kolbeneinspritzung) führt bei Klein- und Mikroformteilen zu einer homogenen Schmelze, aber oftmals auch zu thermischen Schädigungen des Kunststoffes durch lange Verweilzeiten der Schmelze in der Plastifiziereinheit. So besitzt z. B. eine Schnecke mit einem Durchmesser von 14 mm und einer Länge des Zwanzigfachen des Durchmessers ein Gangvolumen von 10 bis 11 cm3. Bei einem durchaus üblichen Formteilvolumen für Kleinteile von 0,1 cm3 ergibt das theoretisch eine Verweilzeit von bis zu 110 Spritzzyklen.
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Eine Reduzierung der Verweilzeit kann teilweise erreicht werden durch eine Miniaturisierung des Schneckenkolbens. Allerdings sind der Verkleinerung von Plastifizierzylinder und Schneckenkolben physikalische und technische Grenzen gesetzt. Gegenwärtig betragen die praktisch realisierten minimalen Durchmesser bei Schneckenkolben vor allem aus Festigkeitsgründen, aber auch technologisch bedingt, immer noch 12 bzw. 14 mm.
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Eine mit entsprechend kleineren Kolbendurchmessern ausgelegte Kolbenplastifizierung führt einerseits zu geringen Verweilzeiten, andererseits aber auch zu Inhomogenitäten in der Schmelze. Verfahren, wie Kolbenplastifizierung und Infraroterwärmung, die vorrangig auf Wärmeübertragung beruhen, haben den Nachteil, keine Scherdeformationen in der Schmelze zu erzeugen. Dadurch können keine Mischungsaufgaben, die zu einer besseren thermischen und stofflichen Homogenität führen, übernommen werden. Zudem kann sich im Raum vor dem Spritzkolben neben der Schmelze auch ein Gemisch aus teilaufgeschmolzenen Granulatkörnern und Luft befinden, was zu Einschränkungen der Einspritzgenauigkeit führt. Plastifizierverfahren, die mechanische Energie in Wärme umsetzen, sind deshalb zu bevorzugen.
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Um das für das Spritzgießen von Klein- und Mikroteilen zum Einspritzen gut geeignete Kolbenprinzip zu nutzen, wurde das Plastifizieren und Einspritzen in verschiedenen technischen Lösungen funktionell getrennt.
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So werden z. B. in
DE 100 65 162 C1 das Plastifizieren und das Einspritzen verfahrenstechnisch getrennt, indem das Plastifizieren in an sich bekannter Weise mit einer relativ großen Plastifizierschnecke, die eine optimale Homogenisierung und konstante Förderung gewährleistet, erfolgt. Innerhalb der Plastifizierschnecke ist eine verschiebbare Nadel angeordnet, die als Einspritzkolben wirksam wird. Mit dieser technischen Lösung können sehr kleine Schussgewichte realisiert werden, so dass gegenüber dem Stand der Technik ein wesentlich besseres Verhältnis von Spritzgewicht zu Formteilgewicht erzielt werden kann. Allerdings ist die Verweilzeit des Kunststoffes in der Plastifiziereinheit sehr groß und die kleinen Einspritznadeln zeigen auch funktionelle Mängel bezüglich Dichtheit und Stabilität auf.
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Allgemein bekannt ist das Aufschmelzen von Kunststoffen, welches auf dem Prinzip des Weißenbergextruders als Scheibenplastifizierung basiert.
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Mit der Scheibenplastifizierung lassen sich geringe Mengen Schmelze bei guter thermischer Homogenität und geringer Verweilzeit plastifizieren. Trotz vieler theoretischer Arbeiten und Erprobungen hat sich das Prinzip aufgrund zu geringer Durchsatzmengen in der Extrusion in der Vergangenheit nicht durchgesetzt. Darüber hinaus gibt es noch weitere Gründe, wie z. B. der geringe Druckaufbau, die problematische Materialspeisung und die schwierige Reinigung, die den Einsatz der Scheibenplastifizierung erschwerten. Vorteile der Scheibenplastifizierung sind die kurze, gedrungene Bauweise, die kurze Verweilzeit des Materials und die kurze Antriebswelle durch horizontale Aufstellung.
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In
EP 0 619 172 B1 wird eine Spritzgießvorrichtung beschrieben, wobei die Schnecke im Innern mit einem Kolben versehen ist, der in Richtung der Drehachse der Schnecke verstellbar ist. Dabei hat die Schnecke zusätzlich im Innern eine Hülse, die in Richtung der Schnecke verstellbar ist, um den Plastifizierraum durch Vorwärtsbewegung der Hülse abzuschneiden. Weitere Kennzeichen sind, dass die Heizfläche des Plastifizierzylinders und die Plastifizierfläche der Plastifizierschnecke konisch bzw. senkrecht zur zentralen Achse (Scheibenform) verlaufen und damit das Prinzip des Weißenbergextruders nutzen.
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Nachteilig bei der Plastifizierung des Kunststoffes mit diesem Aufbau ist, dass durch die kurze Heiz- und Plastifizierfläche eine hohe Scherbelastung des Kunststoffes erfolgt. Dies kann auch zum Verstopfen der Schnecke und damit zum Stillstand der Plastifiziereinheit führen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Plastifizieren und Einspritzen von Kunststoffen zu schaffen, bei der die Kunststoffe in kleiner Menge mit geringer Scherbelastung plastifiziert werden, eine gute thermische und mechanische Homogenität der Schmelze erreicht wird und die Verweilzeit des Kunststoffes in der Vorrichtung ein Minimum wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Scheibenplastifizierung, kombiniert mit der Schneckenzuführung so ausgestaltet ist, dass die Schneckenzuführung eine Länge von maximal 2D (D Durchmesser der Scheibe) hat und die Geometrie der Schneckenzuführung so gestaltet ist, dass die Gangtiefe und/oder die Gangsteigung in Förderrichtung abnimmt oder dass die Gangtiefe der Schneckengeometrie in Förderrichtung abnimmt und die Gangsteigung zunimmt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Schneckenzuführung sieht vor, dass mit Abnahme der Gangtiefe der Schneckenzuführung die Gangsteigung in dem Maße zunimmt, dass das Gangvolumen konstant bleibt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Plastifizierspalt zwischen Stator und Scheibe in Abhängigkeit von der Drehzahl der Scheibe und/oder des eingesetzten Kunststoffes verstellbar ausgeführt.
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Die Vorrichtung ist so aufgebaut, dass der Plastifizierzylinder eine Wärmetrennung aufweist, die die Feststoffförderung des Kunststoffes vom Aufschmelzen des Kunststoffes trennt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Lage der Wärmetrennung im Plastifizierzylinder zwischen reiner Feststoffförderung und Aufschmelzen des Kunststoffes in Abhängigkeit von der Drehzahl der Scheibe und/oder vom eingesetzten Kunststoff verstellbar ausgeführt werden.
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Für das Spritzen von Klein- und Mikroteilen wird vorgeschlagen, die Plastifiziereinrichtung mit der Einspritzeinrichtung über einen Heißkanal zu verbinden. Dabei ist in einer weiteren Ausgestaltung der Heißkanal direkt am Spritzgießwerkzeug befestigt und über eine Düse mit der Kavität des Werkzeuges verbunden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
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1 den grundsätzlichen Aufbau der Plastifiziereinrichtung
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2 einen Schnitt A-A der Plastifiziereinrichtung gemäß 1
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3 den grundsätzlichen Aufbau einer Plastifiziereinrichtung mit Kolbeneinspritzung
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Die vorgeschlagene technische Lösung ist für das Plastifizieren und Einspritzen von Kunststoffen, insbesondere zur Fertigung von Klein- und Mikroformteilen oder auch zur Fertigung von Mehrkomponenten-Formteilen auf Spritzgießmaschinen geeignet. Die Plastifiziereinrichtung ist so aufgebaut, dass die Scheibenplastifizierung mit einer Schneckenzuführung kombiniert wird. Dabei wird über eine Schneckenzuführung das Granulat dosiert, vorgewärmt und entgast.
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In 1 ist die Plastifiziereinrichtung 1 dargestellt und 2 zeigt den Schnitt A-A der Plastifiziereinrichtung 1 aus 1. Gemäß 2 umfasst die Plastifiziereinrichtung 1 die feststehenden Baugruppen Trägerplatte 2, Kühlring 3 mit Kühlbohrungen 4, Plastifizierzylinder 5 und den beheizten Stator 6, der über eine beheizte Düse 7 mit der Einspritzeinrichtung verbunden ist.
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Der Plastifizierzylinder 5 wird durch eine Wärmetrennung 8 in zwei Bereiche aufgeteilt. Damit können der Bereich der Feststoffförderung gekühlt (Zylinderteil 5a) und der Bereich des Aufschmelzens des Kunststoffes (Zylinderteil 5b) thermisch getrennt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Wärmetrennung 8 in Abhängigkeit der Drehzahl der Scheibe und des eingesetzten Kunststoffes verlagerbar ist, was in 1 nicht näher dargestellt ist. Im Stator 6 befinden sich beispielhaft Bohrungen 9 für Heizpatronen und eine Bohrung für den Temperatursensor 10, die in 1 dargestellt sind. Andere Heizmethoden können eingesetzt werden.
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Auf einer von einem Elektromotor angetriebenen Welle 11 in 2 sitzt die austauschbare Schneckenzuführung 12, an der die ebenfalls austauschbare Plastifizierscheibe 13 befestigt ist. Die Schneckenzuführung 12 weist dabei eine Länge von 1D bis maximal 2D (D = Scheibendurchmesser) auf.
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Der zu verarbeitende Kunststoff gelangt über die Einfüllöffnung 21 in der Trägerplatte 2 in den ersten Schneckengang der Schneckenzuführung 12 und wird in Richtung Plastifizierscheibe 13 gefördert. Dabei wird der Kunststoff, der auch als Standard-Granulat eingesetzt werden kann, als Feststoff über die Kernprogression verdichtet und die Luft über die Einfüllöffnung 21 entfernt. Nach Überschreiten der Wärmetrennung 8 erfolgt die Erwärmung des Granulates durch Wärmeübergang vom beheizten Zylinder 5b und durch Scherenergie über den Antrieb 11. Um einen optimalen Energieeintrag in das Kunststoffgranulat zu gewährleisten, wird die Geometrie der Schneckenzuführung 12 so ausgelegt, dass in Förderrichtung die Gangtiefe des Schneckensegmentes 12 abnimmt und die Gangsteigung kontinuierlich zunimmt. Dadurch wird das Granulat ständig an die Zylinderwand 5b gepresst und erreicht optimal vorgewärmt und teilweise angeschmolzen den Plastifizierspalt 14 der Scheibenplastifizierung. Im Plastifizierspalt 14 erfolgen das Aufschmelzen und Homogenisieren des Kunststoffes sowie der erforderliche Druckaufbau zum Füllen der Einspritzeinrichtung.
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Wichtig ist, dass die Feststoffförderung mit der Aufschmelzleistung des Plastifizierspaltes 14 abgestimmt ist. Deshalb wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Plastifizierspalt 14 zwischen Stator 6 und Scheibe in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem eingesetzten Kunststoff verstellbar ausgeführt.
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Für das Spritzen von Klein- und Mikroteilen kann die Plastifiziereinrichtung 1 mit einer Einspritzeinrichtung, die für das Einspritzen von geringen Mengen an Kunststoffschmelze geeignet ist, kombiniert werden.
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In 3 ist der grundsätzliche Aufbau der Plastifiziereinrichtung 1 mit der Kolbeneinspritzung 15 dargestellt. Die Plastifiziereinrichtung 1 ist direkt auf einem Heißkanalbalken 20 montiert und über den Heißkanalbalken 20 mit der Kolbeneinspritzung 15 und der Heißkanaldüse 7 verbunden. Der Heißkanalbalken 20 ist direkt am Spritzgießwerkzeug befestigt und über eine Düse mit der Kavität des Werkzeuges, die in 3 nicht näher dargestellt ist, verbunden.
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Der in der Plastifiziereinrichtung 1 aufgeschmolzene Kunststoff gelangt über den Schmelzekanal 16 in die Kolbeneinspritzung 15 und schiebt den Kolben 17 den vorgegebenen Hub zurück. Nach Bereitstellen der erforderlichen Schmelze wird durch die Vorwärtsbewegung des Kolbens 17 die Kunststoffschmelze über die Düse 7 in das Werkzeug eingespritzt. Dabei schließt sich das Kugelrückströmventil 18 und verhindert das Zurückfließen der Schmelze in die Plastifiziereinrichtung 1. Nach Beendigung des Einspritzvorganges wird über den Nadelverschluß 19 die Düse 7 geschlossen und die Plastifizierung für den nächsten Einspritzvorgang beginnt.
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Weitere Möglichkeiten bestehen in der Kombination der Scheibenplastifizierung mit dem Einspritzen der Schmelze ohne Verwendung mechanisch verschiebbarer Baugruppen. So kann das Einspritzen der Schmelze in das Werkzeug unmittelbar durch ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium oder auch mit Ultraschall zum Einsatz kommen. Diese Möglichkeiten sind in 3 nicht näher dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Plastifiziereinrichtung
- 2
- Trägerplatte
- 3
- Kühlring
- 4
- Kühlbohrungen
- 5
- Plastifizierzylinder
- 5a
- Zylinderteil Feststoffförderung
- 5b
- Zylinderteil Aufschmelzen
- 6
- beheizter Stator
- 7
- beheizte Düse
- 8
- Wärmetrennung
- 9
- Bohrung für Heizpatrone
- 10
- Bohrung für Temperatursensor
- 11
- elektromotorisch angetriebene Welle
- 12
- austauschbare Schneckenzuführung
- 13
- austauschbare Plastifizierscheibe
- 14
- Plastifizierspalt
- 15
- Kolbeneinspritzung
- 16
- Schmelzekanal
- 17
- Kolben
- 18
- Kugelrückströmventil
- 19
- Nadelverschluß
- 20
- Heißkanalbalken
- 21
- Einfüllöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10065162 C1 [0009]
- EP 0619172 B1 [0012]
