DE102010034342A1

DE102010034342A1 - Verfahren und Vorrichtung für die dynamische Temperierung einer Formmasse beim Elastomerspritzgießen

Info

Publication number: DE102010034342A1
Application number: DE201010034342
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Masberg Ullrich; Dipl.-Ing. Opdenwinkel Kai; Dipl.-Ing. Behmenburg Clemens; Dr.-Ing. Hoffmann Wolf-Martin; Rudolf Eisenhuber
Original assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 2010-08-14
Filing date: 2010-08-14
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Start-Massetemperatur beim Kautschukspritzgießen. Mit Hilfe eines dynamisch temperierten Kanals wird die Temperatur der einzuspritzenden Formmasse während des Einspritzvorgangs der zur Vernetzung notwendigen Temperatur angenähert. Während der Vulkanisationsphase wird die Massetemperatur im Düsenkanal unterhalb der Vernetzungstemperatur gehalten. Die Düse wird aktiv induktiv oder durch Gaskompression beheizt und ebenfalls aktiv durch Wasserkühlung oder Gasexpansion gekühlt. Der Heizvorgang beginnt vor dem eigentlichen Einspritzen in die Werkzeugkavität, um die bereits im Düsenkanal befindliche Masse vorzuwärmen. Analog wird vor dem Ende der Einspritzphase die Kühlphase gestartet, um eine kritische Massetemperatur im Düsenkanal während der Vulkanisationsphase zu vermeiden. Die Massetemperaturen werden im Ein- und Austritt der Düse erfasst und die Messwerte an eine angeschlossene Regeleinheit weitergegeben. Somit kann die zum Erreichen einer optimalen Start-Massetemperatur beim Kautschukspritzgießen notwendige Energieeinbringung beeinflusst werden.

Description

Verfahren und Element zur Erhöhung der Start-Massetemperatur beim Spritzgießen, insbesondere beim Kautschukspritzgießen, aber auch beim Spritzgießen von anderen Werkstoffen, mittels eines dynamisch temperierten Kanals, welcher sich vor der eigentlichen Werkzeugkavität befindet.
Anwendungsgebiet
In der Kautschukverarbeitung wird unter anderem das Spritzgießverfahren zur Herstellung von Formteilen eingesetzt. Das Spritzgießen ist ein diskontinuierlicher Prozess. Dabei wird das Ausgangsmaterial, die Kautschukmischung, mit einer Schnecke gefördert und in einem Werkzeug zu der gewünschten Geometrie ausgeformt. Anschließend wird die Masse im Werkzeug bis zum Erreichen der Formstabilität vulkanisiert. Die Kautschukmischung muss zur Durchführung des Vulkanisationsprozesses von einem hochviskosen Zustand bei Raumtemperatur in einen niedrigviskoseren Zustand im Temperaturbereich von 160°C bis 200°C überführt werden. Nach der Vulkanisation besitzt das Gummiformteil seine gewünschten elastischen Eigenschaften. Die Temperaturerhöhung der Kautschukmischung erfolgt dabei in der Regel durch Wärmeleitung von der Wand des Spritzzylinders in die Kautschukmasse und durch Dissipation (innere Reibung). Zur Vermeidung von vorzeitiger Vernetzung (Scorch) wird die Temperatur in den Bereichen Einzug, Materialaufbereitung und Spritzzylinder bzw. Spritzkammer in der Regel auf max. 120°C (oder weniger) begrenzt. Dies gilt auch noch für den Kaltkanalverteiler, falls ein solcher eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu werden mit dem Eintritt in das Formnest ein drastischer Temperaturanstieg und ein Inkubationsabbau angestrebt (auf eine Werkzeugwandtemperatur im Bereich von 180°C und Inkubationsgrade von ca. 30%). Ein deutlicher Anstieg der Massetemperatur kurz vor Eintritt in die Werkzeugkavität erlaubt einen wirtschaftlicheren Prozess, da der gemessen am Gesamtzyklus hohe Zeit- und Energieaufwand für die Vulkanisation im Formnest reduziert werden kann.
Stand der Technik
Beim Spritzgießen soll eine Formmasse bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck einer Werkzeugkavität zugeführt werden. Um den später zu entformenden Anguss möglichst klein zu halten, werden in der Thermoplastverarbeitung formnestnah, zur Vermeidung von vorzeitigem Erstarren der Formmasse, Heisskanäle mit entsprechenden Düsen eingesetzt. Bei der Elastomerverarbeitung werden analog, zur Vermeidung von frühzeitiger Vernetzung, vor der eigentlichen Kavität Kaltkanalsysteme eingesetzt.
Die Beheizung eines Heißkanalsystems wird im Kanal oder in der eigentlichen Düsenspitze vorgenommen. So wird in DE19848508B4 eine elektrisch beheizte Heißkanaldüse vorgestellt. In US 4911636 und US 4758945 werden Einspritzdüsen beschrieben, bei der elektrische Widerstandsheizungen einen Schmelzekanal vor dem Düsenmundstück in dafür vorgesehenen Nuten umkreisen. Ein ähnlicher Aufbau ist in US 7407379 zu finden. DE 8717790U1 stellt eine elektrisch beheizte Düsenspitze vor. In DE 10 2005 044 586 A1 wird eine beheizbare Düse aus einem keramischen oder glasartigen Werkstoff dargestellt, die das Material vor Werkzeugeintritt durch ein vollständig eingebettetes Infrarot-Heizelement erwärmen soll. In DE 3590090T1 werden die Einspritzdüsen einer Heißkanal-Spritzgießanlage induktiv erwärmt. Neben aktiven Heizungen werden in Kanal- bzw. Düsensystemen auch dissipative Effekte genutzt. In DE 20 2007 002 817 U1 wird eine Düse vorgestellt, deren Düsenmundstück mit Scherelementen versehen ist. Diese Einbauten sollen den Massestrom durchmischen und homogenisieren. In DD 232456B1 / DE 3533349A1 werden Scherelemente zur Erwärmung plastischer Formmassen beim Spritzgießen in einem Kanal eingesetzt, wobei die Scherschlitze einstellbar sind. Ein für die Verarbeitung vernetzender Formmassen eingesetztes Kaltkanalsysteme wird in DE 9110897U1 vorgestellt. DE 4014244 C2 stellt die Modifikation eines Kaltkanalblocks für die Verarbeitung von Ein-Komponentensilikon vor.
Nachteile des Standes der Technik
Die verfügbaren Systeme sind derzeit nicht in der Lage, dynamische Temperaturprofile der Formmassen zu erzeugen. Sie erhöhen die Massetemperatur oder halten sie konstant. Elektrische Widerstandsheizungen haben zudem ein vergleichsweise träges Ansprechverhalten. Der Einsatz von Scherelementen sowohl zur Homogenisierung als auch zur Erwärmung eines plastischen Materials birgt gerade bei scherempfindlichen Ausgangsmaterialien Schwierigkeiten und erzeugt hohe Druckverluste.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und Element, das die Nachteile der Lösungen, die den Stand der Technik darstellen, nicht aufweist und die Aufgabe erfüllt, die Massetemperatur beim Spritzgießen vor Werkzeugeintritt dynamisch zu kontrollieren. Das entwickelte Verfahren ist im industriellen Umfeld einsetzbar und kann in bereits bestehende Produktionskonzepte nachträglich oder bei Neukonstruktion direkt integriert werden.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und System mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 12 gelöst. Die Lösung der Aufgabe wird aus folgender Beschreibung des Verfahrens deutlich. 1 zeigt einen allgemeinen Ablaufplan. Eine Spritzgießmaschine (1) trägt während der Einspritzphase einen Werkstoffmassestrom mit einer definierten Temperatur (T_ein) aus. Diese Temperatur ist so gewählt, dass eine unmittelbare Vernetzung der Formmasse vermieden wird. Der Werkstoff durchströmt einen Temperierkanal (2), welcher der Formmasse Energie zuführt. Im Vergleich zum Eintritt hat der Werkstoff bei Austritt aus dem Kanal (2) und Eintritt in ein Ausformwerkzeug (3) eine erhöhte Massetemperatur (T_aus). Die aktive Energiezufuhr wird durch einen Prozessrechner (4) geregelt. Diesem werden aus der Spritzgießmaschine (1) die zeitlichen Parameter des Spritzgießprozesses übergeben (z. B. Einspritzdauer, Vulkanisationszeit, Zykluszeit). Zusätzlich wird die Ein- und Austrittsmassetemperatur des dynamischen Temperierkanals (2) durch Thermoelemente erfasst und dem Prozessrechner (4) zugeführt. Dieser regelt z. B. das Ein- und Ausschalten eines Multi-Frequenz-Generators (5) sowie die Höhe einer in dem dynamischen Temperierkanal (2) induzierten Spannung.
2 zeigt einen idealisierten zeitlichen Verfahrensablauf beim Elastomerspritzgießen. Dem dynamischen Temperierkanal (2) wird nur während der Einspritzphase (b) Material aus der Spritzgießmaschine (1) zugeführt. Außerhalb dieses Zeitfensters, während des Werkzeugschließens (a), des Vulkanisierens (c) sowie des Werkzeugöffnens und der Teilentnahme (d), muss ein Anvernetzen des Werkstoffs im Kanal verhindert werden. 3 zeigt die dazu notwenige Temperaturführung (7) im Temperierkanal. Die aktive Energiezufuhr (8) bspw. durch induktive Erwärmung der Temperierkanalwand wird bereits vor Beginn der Einspritzphase gestartet und vor Beginn der Vernetzungsphase beendet. Durch Auslegung der eigentlichen Kanalgeometrie wird die Formmasse zudem während des Einspritzvorgangs dissipativ erwärmt und thermisch homogenisiert. Wärme wird über ein geeignetes integriertes Kühlsystem (6), wenn benötigt, dem Temperierelement entzogen. Der Temperaturverlauf des Werkstoffs (7) wird dadurch so geregelt, dass das Material außerhalb der Einspritzphase nicht zu stark erwärmt wird.
Vorteile der Erfindung
Durch das skizzierte Verfahren werden die Nachteile des Stands der Technik gelöst und die Aufgaben der Erfindung erfüllt, was die Vorteile der Erfindung darstellt. Die Erfindung kombiniert dazu insbesondere die folgenden Möglichkeiten der Wärmeübertragung durch die Form ihres Fließkanals sowie die in ihr angewandten Heizmethoden: Umwandlung kinetischer Energie in Wärme (Druck in Dissipation), Verteilung der Wärme durch eine Querströmung, Wärmeeinbringung durch elektromagnetische Effekte sowie Wärmeleitfähigkeit im Kautschuk. Mit Hilfe dieser Erfindung muss dem Kautschuk nach dem Einspritzvorgang weniger Energie als beim klassischen Kautschukspritzgießen zugeführt werden. Dies führt neben einer Energieeffizienzsteigerung zu einer Verkürzung der zykluszeitbestimmenden Heizphase.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Um den angestrebten Temperaturverlauf (7) zu gewährleisten ist das in 4 dargestellte Element entwickelt worden. Am Einlass (9) wird die Formmasse aus der Spritzgießmaschine (1) dem Element zugeführt. Sie verlässt den Kanal am Austritt (16) und gelangt in das Spritzgießwerkzeug (3). Ein- und Austritt haben z. B. einen kreisrunden Querschnitt (17; 21). Im mittleren Bereich hat der Kanal z. B. eine polygone Querschnittsform (20; 22), windet sich entlang seiner Achse und kann eine Durchmesseränderung besitzen (13). Die Form der Fließkanals fördert dabei durch Querströmungen und Stauchzonen die passive Durchmischung und Erwärmung der Formmasse. Die Ein- und Austrittstemperaturen am Ein- und Auslass werden mit Thermoelementen oder IR-Thermometern erfasst, die sich in Bohrungen mit Massekontakt befinden (10, 15) und an einen Prozessrechner (4) übertragen. Die Kühlung des Elements erfolgt bspw. durch eine Öl- oder Wassertemperierung (6). Dazu sind ein Ein- (11) und ein Auslass (14) vorgesehen. Es erfolgt eine Aufspaltung (18) des Temperiermediums in ein oder mehrere Kühlkanäle (12) die z. B. konzentrisch um den mittleren Kanalabschnitt (20) angeordnet sind. Die Erwärmung des Kanals erfolgt z. B. durch eine konzentrisch angebrachte Induktionsspule (19), die mit einem Multi-Frequenz-Generator (5) verbunden ist, wobei gerade bei gefüllten Formmassen auch eine direkte Beheizung möglich ist.
Der Grundkörper des Elements kann z. B. durch generative Verfahren aufgebaut werden.
Bezugszeichenliste
Fig. 1

1: Spritzgießmaschine
2: Dynamischer Temperierkanal
3: Spritzgießwerkzeug
4: Prozessrechner
5: Multi-Frequenz-Generator
6: Kühlsystem

a: Werkzeug schließen
b: Einspritzen
c: Vulkanisieren
d: Werkzeug öffnen und Teilentnahme
7: Temperaturverlauf der Formmasse
8: Betriebszustand des Heizaggregats

9: Kanaleinlass
10: Temperaturmessung am Einlass
11: Kühlmittel Ein-/Auslass
12: Kühlkanal
13: Verjüngung des Fließkanals
14: Kühlmittel Ein-/Auslass
15: Temperaturmessung am Auslass
16: Auslass
17: Kreisrunder Kanalquerschnitt
18: Aufspaltung des Temperiermittels in Kühlkanäle
19: Induktionsspule
20: Polygoner Kanalquerschnitt
21: Kreisrunder Kanalquerschnitt

22: Polygoner Fließkanalquerschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19848508 B4 [0004]
US 4911636 [0004]
US 4758945 [0004]
US 7407379 [0004]
DE 8717790 U1 [0004]
DE 102005044586 A1 [0004]
DE 3590090 T1 [0004]
DE 202007002817 U1 [0004]
DD 232456 B1 [0004]
DE 3533349 A1 [0004]
DE 9110897 U1 [0004]
DE 4014244 C2 [0004]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung der Start-Massetemperatur beim Kautschukspritzgiessen aber auch beim Spritzgießen anderer Formmassen dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der einzuspritzenden Formmasse während des Einspritzvorganges der zur Vernetzung notwendigen Temperatur angenähert wird und während der Vulkanisationsphase im Temperierkanal unterhalb der Vernetzungstemperatur gehalten wird, wobei die Beheizung induktiv und die Kühlung durch ein flüssiges Temperiermedium erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Fliesskanalabschnitt über seine Länge eine vom Kreisquerschnitt abweichende Querschnittsform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Kanalabschnitts die Grundform des Querschnittes erhalten bleibt (z. B. Polygon) aber ihre geometrischen Werte (z. B. größte und kleinste Querschnittsabmessungen) variabel sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Fließkanalabschnitts die Grundform des Querschnittes und ihre geometrischen Werte (z. B. größte und kleinste Querschnittsabmessungen) variabel sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Fließkanalabschnitts die Grundform des Querschnittes ein Polygon nach 5 ist und ihre geometrischen Werte (z. B. größte und kleinste Querschnittsabmessungen) variabel sind.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das der Grundkörper des Heizelementes aus einem elektrisch neutralen Material (Keramik, Glas, Glas-Keramik oder ähnlichem) hergestellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass die den Fliesskanal bildende innere Oberfläche mit einem elektrisch leitenden Material im Dickenbereich von 0,01 bis 2,0 mm beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper des Heizelementes aus einem elektrisch leitfähigem Material (Stahl oder ähnlichem) hergestellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 6, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinbringung zur Temperaturerhöhung induktiv mittels einer oder mehrere achsparallel angeordneter elektrischer Spulen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Fließkanalabschnitts die Kühlkanäle konturnah zur Oberfläche des Fliesskanals ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Fließkanalabschnitts die Kühlkanäle konzentrisch und achsparallel zur Oberfläche des Fliesskanals ausgeführt werden.