DE102012112747A1

DE102012112747A1 - Plastifizierzylinder einer Spritzgießmaschine

Info

Publication number: DE102012112747A1
Application number: DE201210112747
Authority: DE
Inventors: Martin Kaiser
Original assignee: Dr Boy GmbH
Current assignee: Dr Boy GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: DE102012112747B4

Abstract

Bei einem Plastifizierzylinder (1, 1’) einer Spritzgießmaschine, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und der eine im Bereich seines ersten Längsendes (3) in seiner Mantelfläche ausgebildete Einzugsöffnung (4) für die Zuführung von zu plastifizierendem Material und eine mit einem Werkzeug der Spritzgießmaschine verbindbare Auslassöffnung (6) stirnseitig an seinem zweiten Längsende (5) aufweist, soll eine Lösung geschaffen werden, die eine verbesserte Plastifiziereinheit bereitstellt, die im Betrieb eine gesteigerte Energieeffizienz unter Senkung der Betriebskosten und Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass die von Außenwandung (10) und Innenwandung (11) definierte Wandstärke (12) des Plastifizierzylinders (1, 1’) von der Einzugsöffnung (4) bis zur stirnseitig angeordneten Auslassöffnung (6) hin zunimmt.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Plastifizierzylinder einer Spritzgießmaschine, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und der eine im Bereich seines ersten Längsendes in seiner Mantelfläche ausgebildete Einzugsöffnung für die Zuführung von zu plastifizierendem Material und eine mit einem Werkzeug der Spritzgießmaschine verbindbare Auslassöffnung stirnseitig an seinem zweiten Längsende aufweist, wobei der sich über die im Wesentlichen gesamte Axiallänge des Plastifizierzylinders erstreckende Hohlraum mit der Einzugsöffnung und der Auslassöffnung in Verbindung steht und eine das zu plastifizierende Material von der Einzugsöffnung in Richtung der Auslassöffnung fördernde Schnecke aufnehmen kann, und wobei sich der Hohlraum von der Einzugsöffnung hin zur Auslassöffnung der Reihe nach zumindest in einen an der Einzugsöffnung beginnenden Förderraum und einen an der Auslassöffnung endenden Meteringraum unterteilt.
Neben den klassischen Press- und Transferpressverfahren werden insbesondere komplex geformte Kunststoff- und Elastomerteile mehr und mehr spritzgegossen. Ein wesentliches Kernstück bei bekannten Spritzgießmaschinen stellt die sogenannte Plastifizier- und Einspritzeinheit dar, die das zu plastifizierende Rohmaterial aufbereitet und unter Druck in das Werkzeug oder in die Form einspritzt. Eine solche Plastifizier- und Einspritzeinheit weist im Wesentlichen einen Plastifizierzylinder und eine innerhalb des Plastifizierzylinders arbeitende Schnecke auf.
Der Plastifizierzylinder der Plastifizier- und Einspritzeinheit ist meist nicht mehr als ein einfaches zylindrisches Rohr, das in der Regel aus einem Nitrierstahl hergestellt und wegen der hohen Verschleißbelastung oberflächengehärtet ist. Die innerhalb des zylindrischen Plastifizierzylinders angeordnete und arbeitende Schnecke muss hingegen gleich mehrere Aufgaben erfüllen, denn sie muss die Formmasse fördern, plastifizieren und homogenisieren. Zu diesem Zweck kommt meist eine Universal-Schnecke zum Einsatz, bei der es sich genauer gesagt um eine Dreizonenschnecke handelt. Von diesen drei Zonen sind die Einzugs- oder Förderzone, die Kompressionszone und die Meteringzone umfasst. Die Einzugs- oder auch Förderzone befindet sich unmittelbar hinter einer Einzugsöffnung des Plastifizierzylinders, durch welche das zu plastifizierende Material in einen entsprechenden Förderraum des Plastifizierzylinders gelangt. Beim Durchlaufen dieser Zone der Schnecke bzw. dieses Raumes des Plastifizierzylinders nimmt das zu plastifizierende Material Wärme auf, die von den beheizbaren Wänden des Plastifizierzylinders abgegeben wird. Am Ende dieser Zone bzw. dieses Raumes sollte das Material seinen Erweichungspunkt erreicht haben. Das Gewindegangvolumen der Schnecke ist für die Einzugs- bzw. Förderzone konstant. An die Einzugszone schließt sich dann die Kompressionszone an, die in einem entsprechenden Raum, einem Kompressionsraum, des Plastifizierzylinders angeordnet ist. Innerhalb der Kompressionszone der Schnecke geht das zu plastifizierende Material in den geschmolzenen Zustand über. Das Gewindegangvolumen der Schnecke innerhalb der Kompressionszone verringert sich konstant, wodurch die plastifizierte Formmasse bzw. das plastifizierte Material komprimiert wird. An die Kompressionszone schließt sich dann die Meteringzone an, die sicherstellt, dass die Schmelze bzw. das geschmolzene Material vollständig vermischt und homogenisiert wird. Die Gewindegangvolumen der Schnecke bleiben in der Meteringzone konstant.
Im Betrieb wird somit dem Plastifizierzylinder bei drehender Schnecke zu plastifizierendes Material zugeführt, welches von der Schnecke in Richtung auf eine stirnseitige Auslassöffnung des Plastifizierzylinders gefördert wird, um am stirnseitigen Ende des Plastifizierzylinders aus einer Düsenöffnung in das Werkzeug bzw. in die Form eingespritzt zu werden. Somit wird unter dem innerhalb des Plastifizierzylinders aufgebauten Druck, ggf. unterstützt durch eine Beheizung des Plastifizierzylinders, das zu plastifizierende Material unter gleichzeitiger intensiver Durchmischung aufgeschmolzen. Durch die Erwärmung und das Kneten im Plastifizierzylinder (wie auch durch den Einspritzvorgang) wird dem zu plastifizierenden Material sehr effektiv und gleichmäßig Energie zugeführt. Zwar sind Spritzgießwerkzeuge im Vergleich zu anderen Formgebungsprozessen meist sehr viel aufwändiger und entsprechend teurer. Ein wesentlicher Vorteil besteht aber in der Automatisierbarkeit des Spritzgießprozesses. Sowohl die Materialzufuhr als auch die Entformung laufen in den meisten Fällen vollautomatisch sicher ab. Gerade bei großen Serien komplex geformter Teile ist dies ein entscheidender wirtschaftlicher Faktor.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, die auf konstruktiv einfache Weise und kostengünstig eine verbesserte Plastifiziereinheit bereitstellt, die im Betrieb eine gesteigerte Energieeffizienz unter Senkung der Betriebskosten und Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit aufweist.
Bei einem Plastifizierzylinder der eingangs bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die von Außenwandung und Innenwandung definierte Wandstärke des Plastifizierzylinders von der Einzugsöffnung bis zur stirnseitig angeordneten Auslassöffnung hin zunimmt.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird ein Plastifizierzylinder einer Spritzgießmaschine zur Verfügung gestellt, welcher sich dadurch auszeichnet, dass sein Außendurchmesser entsprechend dem Innendruck in den unterschiedlichen Zonen der Schnecke variiert. Im Stand der Technik war bislang die einheitliche Wandstärke des Plastifizierzylinders immer an der maximalen Innendruckbelastung ausgerichtet, so dass Längsabschnitte des Zylinders stark überdimensioniert waren. Im vorderen Bereich des Plastifizierzylinders und damit in der Meteringzone der Schnecke liegt eine sehr hohe Druckbelastung vor, so dass hier erfindungsgemäß eine große Wandstärke und hieraus resultierend ein entsprechend großer Außendurchmesser des Plastifizierzylinders vorgesehen ist. In den weiter zur Förder- bzw. Einzugszone hin liegenden Bereichen der Schnecke liegt keine hohe Innendruckbeanspruchung des Plastifizierzylinders vor. Hier kann die Wandstärke des Plastifizierzylinders entsprechend den restlichen Belastungen, wie zum Beispiel Zugspannungen durch die Einspritzkraft, unter Berücksichtigung des notwendigen Verformungswiderstandes – im Vergleich zum vorderen Bereich – reduziert werden. Das sich aus dem erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder mit variierender Wandstärke ergebene Energieeinsparpotential setzt sich wie nachstehend ausgeführt zusammen. Während der Aufheizphase der Wand des Plastifizierzylinders muss aufgrund der reduzierten bzw. optimierten Wandstärke des Zylinders im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Plastifizierzylindern weniger Masse aufgeheizt werden. Die Aufheizzeit wird somit bei dem erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder verkürzt, wodurch entsprechend weniger Heizenergie benötigt wird. Im stationären Betrieb der Plastifiziereinheit werden Wärme-Energieverluste durch Strahlung und Konvektion durch die kleinere zu beheizende Oberfläche des Plastifizierzylinders wesentlich reduziert. Durch die geringere Wandstärke bzw. durch den abschnittsweise kleineren Außendurchmesser und damit durch den kleineren Querschnitt des Plastifizierzylinders wird der Wärmetransport innerhalb des Plastifizierzylinders stark reduziert. Hierdurch werden die Energieableitung und damit der Energieverlust, insbesondere in die Einzugszonenkühlung und die Maschine, wirksam vermindert. Bei Verwendung einer Beheizung für den erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder besteht ein weiterer Vorteil in der besseren Reaktion auf Störgrößen, weil die Temperaturregelung weniger träge ist. Erfindungsgemäß variiert der Außendurchmesser des Plastifizierzylinders entsprechend dem Innendruck, der durch die unterschiedlichen Zonen der Schnecke erzeugt wird.
Die Querschnittsänderung bzw. die Änderung der Wandstärke des Plastifizierzylinders kann durch eine sprunghafte Durchmesseränderung unter Beibehaltung der Zylinderform des Plastifizierzylinders erfolgen. Entsprechend sieht die Erfindung in Weiterbildung des Plastifizierzylinders vor, dass die Wandstärke nach Art eines gestuften Zylinders sprunghaft zunimmt.
Um die Innendruckbeanspruchung des Plastifizierzylinders, die sich im Betrieb in Axialrichtung des Zylinders wie vorstehend beschrieben von Zone zu Zone ändert, entsprechend zu berücksichtigen, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Wandstärke des Plastifizierzylinders beim Übergang vom Förderraum zum Meteringraum sprunghaft zunimmt, um dem hohen Innendruck in der Meteringzone der Schnecke und auch in dem Meteringraum des Plastifizierzylinders entsprechend Rechnung zu tragen.
Der Förderraum des Plastifizierzylinders kann sich ferner in einen Kompressionsraum und den Förderraum selbst unterteilen. Andererseits kann der Hohlraum des Plastifizierzylinders zwischen dem Förderraum und dem Meteringraum einen Kompressionsraum aufweisen, in welchem das Material im Gegensatz zum Förderraum nicht nur befördert, sondern zusätzlich unter Druckaufbau aufgeschmolzen wird. Erfindungsgemäß ist der Kompressionsraum zwischen dem Förderraum und dem Meteringraum angeordnet.
Unter Förderraum, Kompressionsraum und Meteringraum werden im Sinne der Erfindung die Räume verstanden, in welchen die entsprechenden und namensmäßig korrespondierenden Zonen, d.h. die Förderzone, die Kompressionszone und die Meteringzone, der Schnecke untergebracht und angeordnet sind, zumal in diesen Räumen das dem Plastifizierzylinder zugeführte Material entsprechend der Zone der Schnecke behandelt und bearbeitet wird.
Neben einer sprunghaften Durchmesseränderung kann sich der Querschnitt des Plastifizierzylinders auch durch eine stetige oder auch kontinuierliche Durchmesseränderung nach Art eines Kegels ändern. Die Erfindung sieht zu diesem Zweck vor, dass die Wandstärke des Plastifizierzylinders in Richtung der Auslassöffnung stetig oder kontinuierliche zunimmt. Die Wandstärke nimmt also gemäß dieser alternativen Weiterbildung kontinuierlich in Förderrichtung des Materials zu, um dem bei der Förderung zunehmenden Innendruck im Inneren des Plastifizierzylinders entgegenzuwirken.
Besonders von Vorteil ist es, wenn die Wandstärke lediglich in den Zonen bzw. Räumen eine Änderung erfährt, wo auch die Druckzunahme erfolgt. Aus diesem Grund sieht die Erfindung in Weiterbildung vor, dass die Wandstärke ausschließlich über die axiale Länge des Kompressionsraumes stetig zunimmt. Denn in der Kompressionszone und in dem Kompressionsraum verringert sich das Gewindegangvolumen der Schnecke, wodurch die plastifizierte Formmasse bzw. das plastifizierte Material komprimiert wird.
Ein besonders günstiges Verhältnis unter Berücksichtigung der im Betrieb vorherrschenden Innendrücke ist in Weiterbildung der Erfindung dadurch gegeben, dass die axiale Länge des Kompressionsraumes zwischen 20% und 30% der Axiallänge von Auslassöffnung bis Einzugsöffnung beträgt.
Ferner ist eine besonders kostengünstige Herstellung des von der Erfindung vorgesehenen Plastifizierzylinders mit variierender Wandstärke dadurch möglich, dass der Innendurchmesser des Plastifizierzylinders über seine gesamte Axiallänge im Wesentlichen konstant ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders ist vorgesehen, dass der Außendurchmesser des Förderraumes zwischen 60% und 80% des Außendurchmessers des Meteringraumes beträgt. Es hat sich gezeigt, dass dieser Bereich der Änderung des Außendurchmessers des Plastifizierzylinders ausreichend ist, um dem vorherrschenden Innendruck gerecht zu werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die axiale Länge des Meteringraumes zwischen 15% bis 25% der gesamten Axiallänge von Auslassöffnung bis Einzugsöffnung beträgt. Diese axiale Distanz ist für eine Homogenisierung der Schmelze vollkommen ausreichend.
Bei dem Plastifizierzylinder mit gestuft verlaufendem Außendurchmesser und/oder mit kegelförmig verlaufenden Außendurchmesser ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in der Außenwandung zumindest eine spiralförmig verlaufende Ausnehmung mit im Wesentlichen viereckigen Querschnitt vorgesehen ist, in welche wenigstens ein schraubenförmig gewundener Rohrheizkörper formschlüssig einlegbar ist. Durch die vorhandenen Ausnehmungen ist die zu beheizende Masse für die Rohrheizkörper reduziert, wodurch sich der Aufheizprozess verkürzt und zusätzlich zu diesem Zeitvorteil ferner Heizenergie eingespart wird. Auch verbessert sich der Wärmeübergang zur Beheizung der Zylinderwand, weil drei von vier Seiten der viereckigen Heizkörperaußenkontur direkten Kontakt und damit Wärmeübergang zu dem aufzuheizenden Plastifizierzylinder aufweisen. Durch die geringere aufzuheizende Masse und den verbesserten Wärmeübergang erfolgt die Regelung wesentlich direkter ohne größeren, zeitlichen Verzug. Dadurch, dass der Rohrheizkörper bündig und formschlüssig in der Ausnehmung angeordnet werden kann, kann der Plastifizierzylinder mitsamt dem Rohrheizkörper außenseitig glattflächig und damit optimal wärmeisoliert werden. Insgesamt sorgt die vorstehend beschriebene Ausgestaltung des Zylinders mit Ausnehmungen bzw. Nuten für eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Heizkörpers.
Schließlich sieht die Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung vor, dass die Windungen der spiralförmigen Ausnehmung mit einem Abstand verlaufend ausgebildet sind, der in etwa dem Dreifachen der Breite der Ausnehmung entspricht. Dadurch ist ein optimaler Kompromiss zwischen dem Aufwand der Herstellung der umlaufenden Ausnehmung und der dadurch verbesserbaren Wärmeübertragung geschaffen. Bei quadratischen Rohrheizkörpern sind die Ausnehmungen entsprechend quadratisch, so dass die Breite gleich der Tiefe der Ausnehmung ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhaft bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
1 einen erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder gemäß einer ersten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht,
2 den Plastifizierzylinder aus 1 in der perspektivischen Ansicht im Längsschnitt,
3 den Plastifizierzylinder aus 1 in einer schematischen Seitenansicht,
4 den erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder gemäß der ersten Ausführungsform mit spiralförmiger Ausnehmung in seiner Mantelfläche in perspektivischer Ansicht,
5 eine seitliche Ansicht des Plastifizierzylinders aus 4,
6 eine vergrößerte Ansicht des in 5 markierten Ausschnitts X,
7 einen erfindungsgemäßen Plastifizierzylinder gemäß einer zweiten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht,
8 den Plastifizierzylinder aus 7 in der perspektivischen Ansicht im Längsschnitt und
9 den Plastifizierzylinder aus 7 in einer schematischen Seitenansicht.
In den 1 und 3 ist ein Plastifizierzylinder 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Der Plastifizierzylinder 1 wird in einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung von plastischen Formmassen, wie zum Beispiel von thermoplastischen Kunststoffen und Elastomeren, eingesetzt. Der Plastifizierzylinders 1 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet, wobei sich in dem Hohlraum 2 eine in den Figuren nicht dargestellte Schnecke in axialer Richtung erstreckt. Der Plastifizierzylinder 1 weist im Bereich seines ersten Längsendes 3 eine Einzugsöffnung 4 auf, durch die der im Hohlraum 2 angeordneten und arbeitenden Schnecke zu plastifizierendes Material zugeführt wird. An dem anderen, zweiten Längsende 5 weist der Plastifizierzylinder 1 eine Auslassöffnung 6 auf, die mit einer Form oder einem Werkzeug der Spritzgießmaschine verbindbar ist. Der Hohlraum 2 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Axiallänge 7 des Plastifizierzylinders 1 und steht mit der Einzugsöffnung 4 und der Auslassöffnung 6 in Verbindung. An der Einzugsöffnung 4 gelangt zu plastifizierendes Material in den Plastifizierzylinder 1 und wird im Inneren des Plastifizierzylinders 1 von der in den Zeichnungen nicht näher dargestellten Schnecke von der Einzugsöffnung 4 in Richtung der Auslassöffnung 6 gefördert. Die Schnecke ist in dem Plastifizierzylinder 1 drehbar gelagert wird üblicherweise durch einen Hydraulik- oder Elektromotor mit einstellbarer Drehzahl angetrieben. Der Plastifizierzylinder 1 ist mit einer in der Zeichnung ebenfalls nicht näher dargestellten Heizeinrichtung versehen, welche auf der Außenwand des Plastifizierzylinders angeordnet ist. Bei der Schnecke kann es sich um eine Standardschnecke oder auch Dreizonenschnecke handeln, die aus einer Einzugs- und Förderzone, einer Kompressionszone und einer Meteringzone besteht. Die Zonenaufteilung der Schnecke entspricht den verschiedenen Aufgaben, die die Schnecke innerhalb der jeweiligen Abschnitte zu erfüllen hat. Die Förderzone befindet sich unmittelbar stromab der Einzugsöffnung 4. Beim Durchlaufen dieser Zone nimmt das Material die von den Zylinderwänden abgegebene Wärme auf. Am Ende der Förderzone sollte das Material seinen Erweichungspunkt erreicht haben. Das Gewindegangvolumen der Einzugs- und Förderzone ist üblicherweise konstant. Innerhalb der sich der Förderzone anschließenden Kompressionszone geht das Material in den geschmolzenen Zustand über. Das Gewindegangvolumen innerhalb der Kompressionzone verringert sich konstant, wodurch das plastifizierte Material komprimiert wird. Dies bewirkt eine Druckzunahme und gewährleistet einen erhöhten Kontakt des Materials mit der Zylinderwand, durch die dem Material Wärme zugeführt wird. Das Material gelangt anschließend in die Meteringzone, in der die ankommende Masse weiter homogenisiert und in ein nachfolgendes Werkzeug gefördert wird. Insgesamt dient damit die Förderzone primär dem Einziehen des zu plastifizierenden Materials, wohingegen in der Kompressionszone das Material unter Druckaufbau aufgeschmolzen wird, während in der Meteringzone der Enddruck aufgebaut und die Schmelze weiter homogenisiert werden soll.
Erfindungsgemäß ist der Plastifizierzylinder 1 in Anlehnung an die Unterteilung der vorstehend beschriebenen Dreizonenschnecke in dazu korrespondierende Abschnitte unterteilt. Genauer gesagt ist der Hohlraum 2 des Plastifizierzylinders 1 zwischen der Einzugsöffnung 4 und der Auslassöffnung 6 zumindest in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich in einen Förderraum 8 und einen Meteringraum 9, wobei sich der Förderraum 8 von der Einzugsöffnung 4 aus in Richtung der Auslassöffnung 6 erstreckt und der Meteringraum 9 sich an den Förderraum 8 anschließt und an der Auslassöffnung 6 endet. Von der Einzugsöffnung 4 bis zur Auslassöffnung 6 hin ist der Hohlraum 2 somit der Reihe nach betrachtet in den Förderraum 8 und den Meteringraum 9 unterteilt. Dabei korrespondiert der Förderraum 8 des Plastifizierzylinders 1 zu der Förderzone sowie der Kompressionszone der Dreizonenschnecke, wohingegen der Meteringraum 9 des Plastifizierzylinders 1 zu der Meteringzone der Dreizonenschnecke korrespondiert. Dabei sind in dem Förderraum 8 und in dem Meteringraum 9 die angesprochenen Zonen der Dreizonenschnecke im Wesentlichen angeordnet, so dass die in den verschiedenen Zonen der Schnecke durchgeführten Aufgaben gleichzeitig in den korrespondierenden Räumen des Plastifizierzylinders 1 erfolgen.
Für die Erfindung ist es wesentlich, dass die von Außenwandung 10 und Innenwandung 11 definierte Wandstärke 12 des Plastifizierzylinders 1 von der Einzugsöffnung 4 bis zur stirnseitig angeordneten Auslassöffnung 6 hin zunimmt. Wie den 1 bis 3 in eindeutiger Weise zu entnehmen ist, nimmt bei der gezeigten ersten Ausführungsform des Plastifizierzylinders 1 die Wandstärke 12 nach Art eines gestuften Zylinders in Richtung der Auslassöffnung 6 sprunghaft zu. Diese Zunahme kann irgendwo entlang der Axiallänge 7 des Plastifizierzylinders 1 zwischen der Einzugsöffnung 4 und der Auslassöffnung 6 erfolgen. In dem in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die sprunghafte Zunahme der Wandstärke 12 jedoch genau definiert beim Übergang vom Förderraum 8 zum Meteringraum 9 vorgesehen.
Die Erhöhung der Wandstärke bewirkt eine Änderung des Außendurchmessers 13 der Außenwandung 10, denn der Innendurchmesser der Innenwandung 11 ist über die gesamte Axiallänge 7 des Plastifizierzylinders 1 im Wesentlichen konstant. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser 13 des Förderraumes 8 in etwa 80% des Außendurchmessers 15 des Meteringraumes 9, wobei alternative Abwandlungen möglich sind, bei denen der Außendurchmesser 13 des Förderraumes 8 mindestens 60%, höchstens jedoch 80% des Außendurchmessers 15 des Meteringraumes 9 beträgt. Nicht nur in der Wandstärke, sondern auch hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung unterscheiden sich die Bereiche des Förderraumes 8 und Meteringraumes 9. In dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die axiale Länge 16 des Meteringraumes 9 in etwa 20% der gesamten Axiallänge 7, die von der Einzugsöffnung 4 bis zur Auslassöffnung 6 definiert ist. Entsprechend beträgt die axiale Länge 17 des Förderraumes 8 rund 80% der gesamten Axiallänge 7. Denkbar sind aber auch andere Verhältnisse der axialen Längen, denn die axiale Länge 16 des Meteringraumes 9 kann zwischen 15% und 25% der gesamten Axiallänge 7 betragen. Es sei angemerkt, dass der Hohlraum 2 bei der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform in Übereinstimmung mit einer Dreizonenschnecke zusätzlich einen Kompressionsraum aufweisen kann, der zwischen dem Förderraum 8 und dem Meteringraum 9 angeordnet ist, so dass der Hohlraum 2 sich in drei Räume unterteilt.
Der in den 1 bis 3 gezeigte Plastifizierzylinder 1 ist mit Hilfe von auf der Außenwandung 10 angebrachten Heizbändern elektrisch beheizbar, um das im Plastifizierzylinder 1 befindliche Material auf Fließtemperatur zu erwärmen, mindestens jedoch auf Fließtemperatur zu halten. Es ist bekannt, Rohrheizkörper als elektrische Heizkörper zu verwenden, die den Plastifizierzylinder 1 schraubenförmig gewunden umschließen und von außen temperieren, um eine fortschreitende Beheizung des im Plastifizierzylinder 1 geförderten Materials in definierter Art und Weise zu bewirken. In den 4 bis 6 ist eine optionale Weiterbildung der in den 1 bis 3 gezeigten ersten Ausführungsform des Plastifizierzylinders 1 dargestellt. Zur Aufnahme eines in den Figuren nicht näher dargestellten Rohrheizkörpers ist in der Außenwandung 10 zumindest eine Ausnehmung 18 bzw. 19 vorgesehen, die in axialer Richtung des Plastifizierzylinders 1 spiralförmig verläuft. Aufgrund des gestuft ausgebildeten Plastifizierzylinders 1 sind in dem in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Ausnehmungen 18 und 19 erforderlich, um den Zylinder 1 über seine gesamte Axiallänge 7 zu temperieren. Dabei erstreckt sich die erste Ausnehmung 18 über den Bereich des Förderraumes 8, wohingegen sich die zweite Ausnehmung 19 über den Bereich des Meteringraumes 9 erstreckt. Die Ausnehmungen 18 und 19 weisen jeweils einen viereckigen Querschnitt auf, was bei einem im Querschnitt viereckigen Heizkörper den Wärmeübergang in den Zylinder 1 verbessert, weil drei von vier Seitenflächen der Außenkontur des viereckigen Heizkörpers in direktem Kontakt zu der Außenwandung 10 des Plastifizierzylinders 1 stehen. Außerdem kann dadurch der schraubenförmig gewundene Rohrheizkörper formschlüssig in die Ausnehmungen 18 und 19 eingebettet oder eingelegt werden, wodurch der Plastifizierzylinder 1 eine glattwandige bzw. glattflächige Außenkontur erhält, die optimal isolierbar ist, da nicht die Beheizung, sondern im Wesentlichen der Plastifizierzylinder 1 direkt isoliert werden kann. Als besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine effiziente Energieeinbringung zur Temperierung bzw. Beheizung des Plastifizierzylinders 1 hat es sich herausgestellt, wenn die Windungen der spiralförmigen Ausnehmung 18 und 19 mit einem Abstand 20 verlaufend ausgebildet sind, der in etwa dem Dreifachen der Breite 21 der jeweiligen Ausnehmung 18 oder 19 entspricht. Da der Querschnitt der Ausnehmungen 18, 19 im Wesentlichen quadratisch ist, ist die Breite 21 der Ausnehmung 18, 19 gleich der Tiefe 22 der Ausnehmung 18, 19. Es ist ersichtlich, dass sich der Abstand 20 zwischen den Windungen der spiralförmigen Ausnehmung 18, 19 aus der Summe der Breite 21 der Ausnehmung 18, 19 und dem Abschnitt 23 der Außenwandung 10 des Plastifizierzylinders 1 zwischen zwei Windungen ergibt.
Neben der sprunghaften Durchmesseränderung kann die Querschnittsänderung des Plastifizierzylinders auch durch eine stetige und damit kontinuierliche Durchmesseränderung erfolgen, wie es in den 7 bis 9 gezeigt ist, in denen eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plastifizierzylinders 1’ dargestellt ist. Auch der Plastifizierzylinder 1’ gemäß der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet und weist – wie die erste Ausführungsform auch – im Bereich seiner jeweiligen Längsenden 3, 5 eine Einzugsöffnung 4 und eine Auslassöffnung 6 auf. Der Hohlraum 2 des Zylinders 1’ unterteilt sich in den an der Einzugsöffnung 4 beginnenden Förderraum 8 und den an der Auslassöffnung 6 endenden Meteringraum 9, wobei gemäß der zweiten Ausführungsform zwischen dem Förderraum 8 und dem Meteringraum 9 ein Kompressionsraum 24 vorgesehen ist, in welchem im Wesentlichen die Kompressionszone der Schnecke untergebracht ist. Wie den 7 bis 9 zu entnehmen ist, nimmt die von Außenwandung 10 und Innenwandung 11 definierte Wandstärke 12 des Plastifizierzylinders 1’ in Richtung der Auslassöffnung 6 stetig und kontinuierlich zu, wohingegen der Innendurchmesser 14 über die gesamte Axiallänge 7 im Wesentlichen konstant ist. Dabei kann die Wandstärke 12 im Bereich des Meteringraumes 9 zunehmen. Es ist jedoch vorteilhafter, wenn die Wandstärke 12 ausschließlich über die axiale Länge 25 des Kompressionsraumes 24 stetig zunimmt, so dass die maximale Wandstärke 12 bereits am Beginn des Meteringraumes 9 vorliegt.
Ebenso wie bei der ersten Ausführungsform beträgt auch bei der zweiten Ausführungsform der Außendurchmesser 13 des Förderraumes 8 in etwa 80% des Außendurchmessers 15 des Meteringraumes 9, wobei alternative Abwandlungen möglich sind, bei denen der Außendurchmesser 13 des Förderraumes 8 mindestens 60%, höchstens jedoch 80% des Außendurchmessers 15 des Meteringraumes 9 beträgt. Der Außendurchmesser 26 des Kompressionsraumes 24 verläuft entsprechend stetig und kontinuierlich ansteigend vom Außendurchmesser 13 des Förderraumes 8 zu dem bzw. auf den Außendurchmesser 15 des Meteringraumes 9, wobei der Anstieg vorzugsweise linear erfolgt.
Dabei beträgt die in den 7 bis 9 gezeigte axiale Länge 16 des Meteringraumes 9 in etwa 20% der gesamten Axiallänge 7, die von der Einzugsöffnung 4 bis zur Auslassöffnung 6 definiert ist. Die axiale Länge 17 des Förderraumes 8 beträgt hingegen rund 50% der gesamten Axiallänge 7, so dass auf die axiale Länge 25 des Kompressionsraumes 24 die verbleibenden 30% der gesamten Axiallänge 7 entfallen. Denkbar sind aber auch andere Verhältnisse der axialen Längen, denn die axiale Länge 16 des Meteringraumes 9 kann zwischen 15% und 25% der gesamten Axiallänge 7 betragen, wohingegen dann die axiale Länge 25 der Kompressionszone mindestens 20%, höchstens jedoch 30% der gesamten Axiallänge 7 betragen sollte.
Zusammenfassend richtet sich die Erfindung auf eine Plastifiziereinrichtung für eine Kunststoffspritzmaschine und insbesondere auf eine energieeffiziente Plastifiziereinrichtung in Verbindung mit einem Plastifizierzylinder mit gestuftem oder mit kontinuierlich zur Austrittsöffnung hin zunehmendem Außendurchmesser. Die Erfindung bezieht sich dabei auf eine Plastifiziereinrichtung, insbesondere für die Verarbeitung von Kunststoffen. Eine solche Plastifiziereinrichtung weist einen Plastifizierzylinder auf, dessen Außendurchmesser entsprechend dem Innendruck in den unterschiedlichen Zonen der Förderschnecke variiert. Im vorderen Bereich, welcher dem Werkzeug zugewandt ist, liegt eine sehr hohe Druckbelastung vor. Somit muss in diesem Bereich die Wandstärke und der sich daraus ergebende Außendurchmesser entsprechend dimensioniert werden. In den weiter zur Einzugszone hin liegenden Bereichen liegt keine hohe Innendruckbeanspruchung des Plastifizierzylinders vor, so dass hier in diesen Bereichen die Wandstärke entsprechend den restlichen Belastungen, wie zum Beispiel Zugspannungen durch die Einspritzkraft, unter Berücksichtigung des notwendigen Verformungswiderstandes, reduziert werden kann. Die Querschnittsänderung kann hierbei durch eine sprunghafte Durchmesseränderung (Zylinderform gemäß erster Ausführungsform) als auch durch eine stetige Durchmesseränderung (Kegelform gemäß der zweiten Ausführungsform) erfolgen. Das hieraus resultierende Energieeinsparpotential setzt sich wie folgt zusammen: Während der Aufheizphase des Plastifizierzylinders muss weniger Masse aufgeheizt werden. Die Aufheizzeit wird somit verringert, wodurch entsprechend weniger Heizenergie benötigt wird. Im stationären Betrieb werden die Energieverluste durch Strahlung und Konvektion durch die kleinere Oberfläche des Zylinders wesentlich reduziert. Durch den kleineren Querschnitt wird der Wärmetransport innerhalb des Plastifizierzylinders stark reduziert. Hierdurch werden die Energieableitung und damit der Energieverlust der Einzugszonenkühlung und der Maschine wirksam vermindert. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist die bessere Reaktion auf Störgrößen, wobei die Temperaturregelung weniger träge ist. Folglich richtet sich die Erfindung auf eine Plastifiziereinrichtung für eine Spritzgießmaschine, insbesondere für die Verarbeitung von Kunststoffen mit einem Plastifizierzylinder, dessen Außendurchmesser entsprechend dem Innendruck in den unterschiedlichen Zonen variiert.
Ferner richtet sich die Erfindung auf eine Beheizung einer Plastifiziereinrichtung für eine Kunststoffspritzgießmaschine und insbesondere auf eine energieeffiziente Plastifiziereinrichtung in Verbindung mit einem Plastifizierzylinder, der durch einen spiralförmig angeordneten Rohrheizkörper mit viereckigem Querschnitt beheizt wird. Diese effiziente Beheizung kommt zum Beispiel bei einer Plastifiziereinrichtung mit einem Plastifizierzylinder mit gestuftem Außendurchmesser zum Einsatz. Die besonderen Vorteile hierbei sind die Reduzierung der zu beheizenden Masse durch eingebrachte Nuten bzw. Ausnehmungen für die Rohrheizkörper. Diese ausgebrachte Masse muss beim Aufheizen der Maschine nicht mitbeheizt werden. Hierdurch wird der Aufheizprozess verkürzt und zusätzlich zum Zeitvorteil (frühere Betriebsbereitschaft der Maschine) auch Energie eingespart. Auch wird der Wärmeübergang der Beheizung in den Zylinder wesentlich verbessert, da drei von vier Seiten der viereckigen Heizkörperaußenkontur direkten Kontakt und damit Wärmeübergang zu dem aufzuheizenden Plastifizierzylinder haben. Ferner liegen eine flinkere Regelstrecke durch die geringe Masse und ein verbesserter Wärmeübergang vor. Schließlich sorgt die glattflächige Außenkontur zur optimalen Isolierbarkeit. Die Isolierung wirkt direkt, da nicht die Beheizung sondern der Zylinder direkt isoliert werden kann. Somit ist zusätzlich auch eine Plastifiziereinrichtung für eine Spritzgießmaschine, insbesondere für die Verarbeitung von Kunststoffen mit einem Plastifizierzylinder, der durch spiralförmig angeordnete Rohrheizkörper mit quadratischem Querschnitt beheizt wird, vorgestellt worden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es ist beispielsweise denkbar, dass bei einem wie vorstehend beschriebenen Plastifizierzylinder sowohl eine sprunghafte als auch eine kontinuierlich Vergrößerung der Wandstärke vorgesehen sein kann, wobei der Zylinder darüber hinaus auch mehr als zwei oder drei Räume, die zu den Zonen einer Schnecke korrespondieren, aufweisen kann. Ferner ist es ersichtlich, dass an der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Dabei gehört zur Erfindung alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und/oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abweichend von den konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt.

Claims

Plastifizierzylinder (1, 1’) einer Spritzgießmaschine, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und der eine im Bereich seines ersten Längsendes (3) in seiner Mantelfläche ausgebildete Einzugsöffnung (4) für die Zuführung von zu plastifizierendem Material und eine mit einem Werkzeug der Spritzgießmaschine verbindbare Auslassöffnung (6) stirnseitig an seinem zweiten Längsende (5) aufweist, wobei der sich über die im Wesentlichen gesamte Axiallänge (7) des Plastifizierzylinders (1, 1’) erstreckende Hohlraum (2) mit der Einzugsöffnung (4) und der Auslassöffnung (6) in Verbindung steht und eine das zu plastifizierende Material von der Einzugsöffnung (4) in Richtung der Auslassöffnung (6) fördernde Schnecke aufnehmen kann, und wobei sich der Hohlraum (2) von der Einzugsöffnung (4) hin zur Auslassöffnung (6) der Reihe nach zumindest in einen an der Einzugsöffnung (4) beginnenden Förderraum (8) und einen an der Auslassöffnung (6) endenden Meteringraum (9) unterteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die von Außenwandung (10) und Innenwandung (11) definierte Wandstärke (12) des Plastifizierzylinders (1, 1’) von der Einzugsöffnung (4) bis zur stirnseitig angeordneten Auslassöffnung (6) hin zunimmt.
Plastifizierzylinder (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (12) nach Art eines gestuften Zylinders sprunghaft zunimmt.
Plastifizerzylinder (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (12) beim Übergang vom Förderraum (8) zum Meteringraum (9) strunghaft zunimmt.
Plastifizierzylinder (1, 1’) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (2) zwischen dem Förderraum (8) und dem Meteringraum (9) einen Kompressionsraum (24) aufweist.
Plastifizierzylinder (1’) nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (12) in Richtung der Auslassöffnung (6) stetig zunimmt.
Plastifizierzylinder (1’) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (12) ausschließlich über die axiale Länge (25) des Kompressionsraumes (24) stetig zunimmt.
Plastifizierzylinder (1’) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (25) des Kompressionsraumes (24) zwischen 20% und 30% der gesamten Axiallänge (7) von Einzugsöffnung (4) bis Auslassöffnung (6) beträgt.
Plastifizierzylinder (1, 1’) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (14) der Innenwandung (11) des Plastifizierzylinders (1, 1’) über die gesamte Axiallänge (7) im Wesentlichen konstant ist.
Plastifizierzylinder (1, 1’) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (13) des Förderraumes (8) zwischen 60% und 80% des Außendurchmessers (15) des Meteringraumes (9) beträgt.
Plastifizierzylinder (1, 1’) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (16) des Meteringraumes (9) zwischen 15% bis 25% der gesamten Axiallänge (7) von Einzugsöffnung (4) bis Auslassöffnung (6) beträgt.
Plastifizierzylinder (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Außenwandung (10) zumindest eine spiralförmig verlaufende Ausnehmung (18, 19) mit im Wesentlichen viereckigen Querschnitt vorgesehen ist, in welche wenigstens ein schraubenförmig gewundener Rohrheizkörper formschlüssig einlegbar ist.
Plastifizierzylinder (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der zumindest einen spiralförmigen Ausnehmung (18, 19) mit einem Abstand (20) verlaufend ausgebildet sind, der zumindest dem Dreifachen der Breite (21) der Ausnehmung (18, 19) entspricht.