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Die Erfindung betrifft ein System zum Schleusen, Dosieren und Spritzgießen von Material und betrifft insbesondere eine Materialschleuse und ein Verfahren zum Schleusen von Material zwischen Bereichen unterschiedlicher Druckniveaus, eine Dosieranordnung mit einer solchen Materialschleuse und eine Spritzgießanordnung mit einer solchen Dosieranordnung.
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Aus
DE 10 2008 037 787 B4 ist eine Dosieranordnung zum Überführen gewünschter Mengen von schüttfähigem Material aus einem ein erstes Druckniveau aufweisenden ersten Bereich in einen zweiten Bereich bekannt. Die Dosieranordnung weist neben einer Dosiervorrichtung eine Materialschleuse zum zwischen den Bereichen unterschiedlicher Druckniveaus Schleusen des Materials auf, wobei die Materialschleuse eine Eingangspassage, die mit dem das zu schleusende Material enthaltenden ersten Bereich verbunden ist, eine Ausgangspassage, die mit dem zweiten Bereich verbunden ist, in den das Material aus dem ersten Bereich zu überführen ist und der mit einem Prozessgas beaufschlagt ist, welches ein gegenüber dem ersten Druckniveau erhöhtes zweites Druckniveau aufweist, und eine mittels eines Muffenventils bzw. Quetschventils in zwei Teile unterteilbare Schleusungskammer aufweist. Die Schleusungskammer ist eingerichtet, mittels zwei weiterer Muffenventile bzw. Quetschventile selektiv zu der Eingangspassage oder der Ausgangspassage zum Durchgang von Material geöffnet oder vollständig gasdicht verschlossen zu werden. Ein zu der Eingangspassage benachbartes dieser beiden Muffenventile bildet dabei die Dosiervorrichtung.
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Die Materialschleuse dieser bekannten Dosieranordnung weist außerdem Prozessgassteuermittel zum Steuern einer Richtung und eines Ausmaßes einer Prozessgasströmung auf. Genauer weisen die Prozessgassteuermittel eine Kompensationsgasdruckquelle und eine damit verbundene Zuleitung für Prozessgas zu der Schleusungskammer auf. Somit sind die Prozessgassteuermittel eingerichtet, so dass Prozessgas aus der Kompensationsgasdruckquelle als Teil eines Prozessfluidspeichers in die Schleusungskammer einleitbar ist.
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Beim Betrieb dieser bekannten Dosieranordnung bzw. Materialschleuse kommt es jedoch dazu, dass in der Schleusungskammer enthaltenes Prozessfluid in Form von Prozessgas in den ersten Bereich entweicht und damit für den im zweiten Bereich durchzuführenden Prozess verloren geht.
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Dies kann sich insbesondere bei einer mit einer solchen Dosieranordnung ausgerüsteten Spritzgießanordnung zum Herstellen eines geschäumten Formteils nachteilig auf die Prozesskosten auswirken, da in einer solchen Spritzgießanordnung ein Prozessfluid in Form von Prozessgas als Schäumungsgas zum Aufschäumen des Formteils verwendet wird.
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EP 0 390 873 B1 offenbart eine Materialschleuse zum Schleusen von Material mit einer Eingangspassage, einer Ausgangspassage und einer zwischen Eingangspassage und Ausgangspassage angeordneten Schleusungskammer. Mittels Prozessfluidsteuermittel ist in die Schleusungskammer ein Prozessfluid einleitbar. Dieser Prozessfluid kann aus der Schleusungskammer evakuiert und einer Wiederverwendung zugeführt werden.
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DE 10 2005 033 731 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung physikalischer getriebener Schäume. Hierbei ist eine Kammer der Dosiereinheit mit einem Treibfluidauslass mit einem Ventil ausgestattet. Durch das Ventil kann die Kammer entlüftet werden, so dass Treibfluid einer Wiederverwendung zugeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zum Schleusen, Dosieren und Spritzgießen von Material bereitzustellen, bei dem die Prozessfluidverluste reduziert sind.
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Dies wird mit einer Materialschleuse gemäß Anspruch 1, einem Verfahren zum Schleusen von Material gemäß Anspruch 7, einer Dosieranordnung gemäß Anspruch 8 und einer Spritzgießanordnung gemäß Anspruch 9 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß der Erfindung weist eine Materialschleuse zum Schleusen von Material zwischen Bereichen unterschiedlicher Druckniveaus auf: eine Eingangspassage zum Verbinden mit einem ersten Bereich, in den ein zu schleusendes Material einbringbar ist und der ein erstes Druckniveau aufweist; eine Ausgangspassage zum Verbinden mit einem zweiten Bereich, in den das Material aus dem ersten Bereich zu überführen ist und der mit einem Prozessfluid beaufschlagt ist, welches ein gegenüber dem ersten Druckniveau erhöhtes zweites Druckniveau aufweist; eine Schleusungskammer, die eingerichtet ist, selektiv zu der Eingangspassage oder der Ausgangspassage zum Durchgang von Material geöffnet oder hermetisch verschlossen zu werden; und Prozessfluidsteuermittel, die eingerichtet sind, so dass selektiv Prozessfluid aus einem Prozessfluidspeicher in die Schleusungskammer einleitbar ist. Die erfindungsgemäße Materialschleuse zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Prozessfluidsteuermittel eingerichtet sind, so dass selektiv Prozessfluid aus der Schleusungskammer evakuierbar und in den Prozessfluidspeicher überführbar ist.
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Dadurch, dass gemäß der Erfindung das Prozessfluid aus der Schleusungskammer evakuierbar und in den Prozessfluidspeicher überführbar ist, kann sicher vermieden werden, dass aus dem Prozessfluidspeicher bzw. dem zweiten Bereich in die Schleusungskammer eingebrachtes Prozessfluid in den ersten Bereich entweicht, und kann das Prozessfluid für eine Weiterverwendung im Prozessfluidspeicher gespeichert werden. Die erfindungsgemäße Materialschleuse arbeitet somit prozessfluidverlustfrei, wodurch Prozessfluidverluste wirksam reduziert bzw. gänzlich vermieden werden können.
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Gemäß der Erfindung kann das Evakuieren z.B. mittels einer Saugpumpe aber auch durch andere Mechaniken wie Kolben, Schieber, Membranen und andere Wirkweisen wie Verdrängen usw. realisiert werden, wobei diese Evakuierungsmittel in die Prozessfluidsteuermittel integriert sind.
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Gemäß der Erfindung sind die beiden Bereiche unterschiedlicher Druckniveaus insbesondere nur über die Materialschleuse miteinander verbunden und ansonsten gasdicht voneinander getrennt. Gemäß der Erfindung kann der erste Bereich z.B. Umgebungsdruck (atmosphärischen Druck) oder Überdruck oder Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck als erstes Druckniveau aufweisen, wobei das erste Druckniveau durch ein beliebiges Fluid, wie z.B. Luft oder ein Gas oder Gasgemisch anders als Luft, oder auch durch Vakuum realisiert sein kann. Der zweite Bereich weist durch die Beaufschlagung mit dem Prozessfluid das gegenüber dem ersten Druckniveau erhöhte zweite Druckniveau auf. Das Prozessfluid ist bevorzugt gasförmig, kann aber auch flüssig sein.
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Die erfindungsgemäße Materialschleuse ist bevorzugt so eingerichtet, dass sie einen Druckbereich von kleiner 1 bar (Vakuumbereich) bis hin zu 200 bar abdeckt.
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Gemäß der Erfindung kann das zu schleusende Material in einer beliebigen Form von fest, gasförmig, flüssig oder Zwischenzuständen davon bereitgestellt sein. Bevorzugt ist das zu schleusende Material als Feststoff, insbesondere als Schüttgut bzw. schüttfähiges Material wie z.B. Granulat oder Pulver, ausgebildet. Aber auch Lebensmittel und andere Materialien sind möglich. Gemäß der Erfindung können das Überführen von Material aus dem ersten Bereich in die Schleusungskammer und das Überführen von Material aus der Schleusungskammer in den zweiten Bereich jeweils z.B. mittels Schwerkraft oder z.B. auch mechanisch oder fluidisch angetrieben realisiert werden.
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Gemäß der Erfindung sind die Prozessfluidsteuermittel insbesondere zum Steuern einer Richtung und eines Ausmaßes von einer oder mehreren Prozessfluidströmungen eingerichtet. Gemäß der Erfindung kann der Prozessfluidspeicher z.B. eine oder mehrere Prozessfluidquellen, eine oder mehrere Fluidleitungen, ein oder mehrere Ventile, eine oder mehrere Prozessfluidpumpen und/oder einen oder mehrere Speicherbehälter umfassen. Insbesondere kann der Prozessfluidspeicher auch den zweiten Bereich umfassen.
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Gemäß der Erfindung sind die Prozessfluidsteuermittel eingerichtet, die Schleusungskammer selektiv mit der Ausgangspassage zu verbinden, so dass aus der Schleusungskammer evakuiertes Prozessfluid in die Ausgangspassage überführbar ist, um von dort in den zweiten Bereich als Teil des Prozessfluidspeichers überführt zu werden.
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Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann das aus der Schleusungskammer evakuierte Prozessfluid in den zweiten Bereich zur direkten Weiterverwendung überführt werden. Somit braucht dem zweiten Bereich weniger Prozessfluid aus z.B. einer Prozessfluidquelle des Prozessfluidspeichers zugeführt werden und kann somit der Aufwand (z.B. die Kosten) für die Bereitstellung von Prozessfluid weiter reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Materialschleuse außerdem einen Druckspeicherbehälter auf, wobei die Prozessfluidsteuermittel eingerichtet sind, die Schleusungskammer selektiv mit dem Druckspeicherbehälter zu verbinden, so dass aus der Schleusungskammer evakuiertes Prozessfluid in den Druckspeicherbehälter als Teil des Prozessfluidspeichers überführbar ist.
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Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung kann das aus der Schleusungskammer evakuierte Prozessfluid zur späteren Weiterverwendung zwischengespeichert werden und flexibel bei Bedarf entweder direkt in die Schleusungskammer oder auch direkt in den zweiten Bereich eingespeist werden. Somit kann bei reduziertem Aufwand (z.B. die Kosten) für die Bereitstellung von Prozessfluid die Flexibilität der Weiternutzung des Prozessfluids erhöht werden.
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Bevorzugt sind dabei die Prozessfluidsteuermittel eingerichtet, den Druckspeicherbehälter selektiv mit der Ausgangspassage zu verbinden, so dass Prozessfluid aus dem Druckspeicherbehälter in die Ausgangspassage überführbar ist, um von dort in den zweiten Bereich als Teil des Prozessfluidspeichers überführt zu werden.
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Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung weist die Materialschleuse ferner eine Schleusungspassage und zwei Ventile auf, welche mit vorbestimmtem Abstand voneinander in die Schleusungspassage eingebunden sind, so dass in dem Abstand zwischen den Ventilen die Schleusungskammer gebildet ist und auf einer der Schleusungskammer abgewandten Seite des einen Ventils von der Schleusungspassage die Eingangspassage gebildet ist und auf einer der Schleusungskammer abgewandten Seite des anderen Ventils von der Schleusungspassage die Ausgangspassage gebildet ist. Die beiden Ventile können jeweils zum Durchgang von Material geöffnet werden und können jeweils hermetisch verschlossen werden. Die Prozessfluidsteuermittel weisen dabei mindestens einen Fluiddurchlass zur Schleusungskammer auf, über welchen mindestens einen Fluiddurchlass das Prozessfluid in die Schleusungskammer einleitbar und aus der Schleusungskammer evakuierbar ist. Bevorzugt erstreckt sich die Schleusungspassage geradlinig und noch bevorzugter geradlinig und vertikal.
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Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Materialschleusung entlang einer Passage realisiert, welche von den Ventilen unterteilt ist, so dass zwischen den Ventilen die Schleusungskammer gebildet ist. Bevorzugt sind die Ventile dabei jeweils als Kugelventile ausgebildet. Diese Lösung ist einfach und robust.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Materialschleuse ferner ein Gehäuse, das einen Innenraum mit einem kreisförmigen Querschnitt hat, und einen Gehäuseeinsatz auf, der einen kreisförmigen Querschnitt hat und der um einen mit dem Gehäuse gemeinsamen Kreismittelpunkt drehbar im Innenraum des Gehäuses angeordnet ist, so dass eine den kreisförmigen Querschnitt definierende Außenumfangsfläche des Gehäuseeinsatzes mit einer den kreisförmigen Querschnitt definierenden Innenfläche des Gehäuses eine hermetische Dichtung bildet. Dabei ist in der Außenumfangsfläche des Gehäuseeinsatzes eine sackähnliche bzw. nur zur Außenumfangsfläche hin offene Vertiefung vorgesehen, welche die Schleusungskammer bildet. Im Gehäuse sind auf einer Rotationsbahn der Vertiefung um den Kreismittelpunkt mit Winkelabstand voneinander zwei Materialdurchlässe zum Innenraum des Gehäuses vorgesehen, von denen ein Materialdurchlass mit der Eingangspassage verbunden ist und der andere Materialdurchlass mit der Ausgangspassage verbunden ist. Bevorzugt weisen der Innenraum des Gehäuses und der Gehäuseeinsatz jeweils eine Kugelform auf, in welcher der kreisförmige Querschnitt definiert ist. Bevorzugt weisen die Prozessfluidsteuermittel dabei mindestens einen Fluiddurchlass zur Schleusungskammer auf, über welchen mindestens einen Fluiddurchlass das Prozessfluid in die Schleusungskammer einleitbar und aus der Schleusungskammer evakuierbar ist.
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Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Materialschleusung in einer verlagerbaren, insbesondere drehbaren, Schleusungskammer realisiert und wird die Abdichtung der Materialschleuse über die Innenfläche des Gehäuses und die Außenumfangsfläche des Gehäuseeinsatzes realisiert. Auch diese Lösung ist einfach und robust.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind in der Außenumfangsfläche des Gehäuseeinsatzes auf der Rotationsbahn vier Vertiefungen mit jeweiligem Winkelabstand von 90 Grad voneinander vorgesehen, so dass jede der Vertiefungen eine Schleusungskammer bildet, wobei der Winkelabstand der zwei Materialdurchlässe des Gehäuses 180 Grad beträgt, und wobei die Prozessfluidsteuermittel zwei Fluiddurchlässe zum Innenraum des Gehäuses aufweisen, welche mit einem Winkelabstand von 180 Grad voneinander und jeweiligem Winkelabstand von 90 Grad von den Materialdurchlässen auf der Rotationsbahn der Vertiefungen vorgesehen sind.
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Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann durch um den Kreismittelpunkt Drehen des Gehäuseeinsatzes jede der Vertiefungen auf die jeweilige Drehposition von jedem der beiden Materialdurchlässe und jedem der beiden Fluiddurchlässe ausgerichtet werden, wodurch gleichzeitig jede der Schleusungsstufen der Materialschleuse von einer der Vertiefungen bzw. Schleusungskammern realisiert werden kann. Bevorzugt wird dabei durch den einen Fluiddurchlass das Prozessfluid in die dort gerade befindliche Schleusungskammer eingeleitet und wird durch den anderen Fluiddurchlass das Prozessfluid aus der dort gerade befindlichen Schleusungskammer evakuiert.
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Gemäß der Erfindung wird auch ein Verfahren zum Schleusen von Material zwischen Bereichen unterschiedlicher Druckniveaus bereitgestellt, wobei das Verfahren bevorzugt unter Verwendung einer Materialschleuse gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination durchgeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer hermetisch verschlossenen Schleusungskammer; Öffnen der Schleusungskammer zu einem ein erstes Druckniveau aufweisenden ersten Bereich; Befüllen der Schleusungskammer mit Material aus dem ersten Bereich; hermetisch Verschließen der Schleusungskammer gegenüber dem ersten Bereich; Einleiten eines Prozessfluids aus einem Prozessfluidspeicher in die mit dem Material befüllte Schleusungskammer; Öffnen der Schleusungskammer zu einem zweiten Bereich, der mit dem Prozessfluid mit einem gegenüber dem ersten Druckniveau erhöhten zweiten Druckniveau beaufschlagt ist; Entleeren des Materials aus der Schleusungskammer in den zweiten Bereich; hermetisch Verschließen der Schleusungskammer gegenüber dem zweiten Bereich; und Evakuieren von Prozessfluid aus der Schleusungskammer und Überführen des aus der Schleusungskammer evakuierten Prozessfluids in die Ausgangspassage.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist - wo anwendbar - die gleichen Vorteile und Optionen wie die erfindungsgemäße Materialschleuse auf, weshalb diesbezüglich auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird.
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Gemäß der Erfindung wird außerdem bereitgestellt eine Dosieranordnung zum Überführen gewünschter Mengen von schüttfähigem Material aus einem ein erstes Druckniveau aufweisenden ersten Bereich in einen zweiten Bereich, der mit einem Prozessfluid beaufschlagt ist, welches ein gegenüber dem ersten Druckniveau erhöhtes zweites Druckniveau aufweist.
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Die erfindungsgemäße Dosieranordnung umfasst eine Materialschleuse gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination und eine Dosiervorrichtung mit einem Materialeingang zum Verbinden mit dem ersten Bereich und einem Materialausgang, der mit der Eingangspassage der Materialschleuse verbunden ist. Die Dosiervorrichtung ist eingerichtet, gewünschte Mengen des schüttfähigen Materials aus dem ersten Bereich über den Materialeingang aufzunehmen und dosiert über den Materialausgang der Eingangspassage der Materialschleuse zuzuführen. Die Ausgangspassage der Materialschleuse ist mit dem zweiten Bereich verbunden, so dass bei zur Eingangspassage hin geöffneter Schleusungskammer in die Schleusungskammer überführtes Material über die Ausgangspassage in den zweiten Bereich überführbar ist, wenn die Schleusungskammer zur Ausgangspassage hin geöffnet ist. Gemäß der Erfindung kann die Dosiervorrichtung z.B. einen gravimetrischen Schneckendosierer aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Dosieranordnung weist die gleichen Vorteile und Optionen wie die erfindungsgemäße Materialschleuse auf, weshalb diesbezüglich auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird.
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Gemäß der Erfindung wird zudem bereitgestellt eine Spritzgießanordnung zum Herstellen eines geschäumten Formteils. Die erfindungsgemäße Spritzgießanordnung weist eine Spritzgießvorrichtung (wie insbesondere einen Extruder) mit einer Eingangskammer zum Zuführen von spritzzugießendem Material; eine erfindungsgemäße Dosieranordnung, wobei der Materialeingang von deren Dosiervorrichtung mit einem Materialspeicher verbunden ist, der ein erstes Druckniveau hat, und wobei die Ausgangspassage der Materialschleuse mit der Eingangskammer der Spritzgießvorrichtung verbunden ist; und eine Prozessfluidquelle auf zum Bereitstellen eines Schäumungsgases als Prozessfluid, wobei die Prozessfluidquelle einen Teil des Prozessfluidspeichers bildet. Die Prozessfluidsteuermittel sind dabei eingerichtet, selektiv Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle in die Schleusungskammer einzuleiten, und sind eingerichtet, Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle in die Eingangskammer der Spritzgießvorrichtung einzuleiten, so dass in der Eingangskammer ein gegenüber dem ersten Druckniveau erhöhtes zweites Druckniveau an Prozessfluid bereitgestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Spritzgießanordnung weist hinsichtlich der Materialschleusung die gleichen Vorteile und Optionen wie die erfindungsgemäße Materialschleuse auf, weshalb diesbezüglich auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird.
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Zur Herstellung von geschäumten Formteilen können chemische und physikalische Schäumverfahren verwendet werden. Diese können bei Verwendung von thermoplastischem Kunststoff als schüttfähiges Material unter dem Begriff TSG (thermoplastischer Schaumspritzguss) zusammengefasst werden. Ein Schäumen von Duromeren mit entsprechenden Verfahren ist ebenso denkbar. Für chemische Schäumverfahren wird dem spritzzugießenden Material ein chemisches Treibmittel in Granulatform beigemengt, welches in der Verarbeitung reagiert und entsprechend gasförmiges Treibmittel freisetzt. Im Gegensatz dazu wird bei physikalischen Schäumverfahren wie insbesondere gemäß der Erfindung das Treibmittel in der Regel in gasförmigem oder überkritischem Zustand zugeführt.
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Für das Schäumen mit physikalischen Treibmitteln besteht daher ein erhöhter technischer Aufwand, um das Treibmittel in den Prozess einzubringen, da das Treibmittel z.B. in die Atmosphäre verloren gehen kann. Um dies verhindern zu können, ist es notwendig eine Materialzuführung (Dosierung) unter Nutzung einer gasdichten Materialschleuse zu realisieren, welche es ermöglicht, eine Beladung in Räume mit Überdruck, wie auch Unterdruck, durchzuführen. Dies wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Dosieranordnung in der erfindungsgemäßen Spritzgießanordnung gewährleistet.
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Gemäß einer ersten Möglichkeit zur Herstellung von thermoplastischem Schaumspritzguss wird eine spezielle Schnecke benötigt, die eine Gasinjektion von überkritischem Gas in eine Plastifiziereinheit (also in eine Materialschmelze) ermöglicht. Dadurch kommt es zur Herstellung einer Ein-Phasen-Lösung. Beim Spritzguss in ein Werkzeug kommt es zur Expansion des Materials unter Ausbildung mikrozellulärer Schaumstruktur. Nachteilig an dieser ersten Möglichkeit ist jedoch der hohe Aufwand an Investitionskosten. Außerdem ist nachteilig, dass bedingt durch zum Gasinjizieren notwendige Einfüllstutzen eine Schneckengeometrieveränderung erforderlich ist, wodurch sich eine Beschränkung hinsichtlich der verwendbaren Spritzgießmaterialien wie Kunststoffmaterialien ergibt.
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Gemäß einer zweiten Möglichkeit zur Herstellung von Schaumspritzguss wird die Gesamtheit eines Plastifizieraggregates unter eine Treibfluidatmosphäre gesetzt, so dass das Treibfluid während des Plastifiziervorgangs in das Spritzgießmaterial eindiffundieren kann. Dazu wird die Plastifiziereinheit im hinteren Bereich an der Schnecke abgedichtet und eine Druckkammerschleuse zwischen Materialtrichter und Plastifiziereinheit installiert. Gegenüber der ersten Herstellungsmöglichkeit wird somit eine Vereinfachung in der Prozessführung erreicht, so dass im Unterschied zum Kompaktspritzguss lediglich die Schnecke nach hinten abgedichtet und eine Druckkammerschleuse installiert werden muss. Ein wesentlicher Nachteil der zweiten Herstellungsmöglichkeit besteht darin, dass es bei der Gasbeladung zu einem großen Prozessgasverlust kommen kann, was wiederum die Prozesskosten in die Höhe treibt.
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Gemäß einer dritten Möglichkeit zur Herstellung von Schaumspritzguss wird ein Treibfluid direkt in das Werkzeug eingebracht. Mit Hilfe von Mischelementen im Werkzeug wird das Treibfluid mit der Materialschmelze vermischt. Es entsteht keine Ein-Phasen-Lösung, d.h. es kann keine ausreichende Durchmischung der Materialschmelze mit dem Treibfluid sichergestellt werden, wodurch die Schaumstruktur nur unregelmäßig ausgebildet wird. Für die dritte Herstellungsmöglichkeit werden zudem ein zusätzliches Aggregat zum Einspritzen des Treibfluides sowie entsprechende Mischelemente im Werkzeug benötigt.
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Gegenüber den drei o.g. Möglichkeiten zum Herstellen von Schaumspritzguss weist die erfindungsgemäße Spritzgießanordnung, bei der die Ausgangspassage der prozessfluidverlustfreien bzw. prozessgasverlustfreien Materialschleuse mit der Eingangskammer der Spritzgießvorrichtung verbunden ist, Vorteile auf bezüglich geringerer Investitionskosten für eine Anlagenumrüstung und Kompatibilität zu nahezu allen Füllstoffen, da keine besondere Schneckengeometrie notwendig ist. Da nach Materialbeschickung der Eingangskammer der Spritzgießvorrichtung das Prozessfluid aus der Schleusungskammer evakuiert und dem Prozessfluidspeicher zugeführt wird und es damit zu keinem wesentlichen Prozessfluidverlust kommt, kann das eingesetzte Prozessfluid nahezu vollständig für den Schäumungsprozess genutzt werden. Damit wird der Spritzgießprozess effizienter und kostengünstiger.
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Bevorzugt ist das schüttfähige Material für die Spritzgießanordnung von Kunststoff (Granulat oder Pulver) gebildet, wobei der Kunststoff insbesondere thermoplastischer Kunststoff ist. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch z.B. auch schüttfähige Materialen aus anderen Feststoffen wie Metall, insbesondere Leichtmetall, Elastomeren, Duroplasten oder anderen plastifizierbaren Feststoffen oder aus Gemischen dieser Feststoffe denkbar. Außerdem kann das schüttfähige Material z.B. Fasern wie Glasfasern, Plättchen, Fetzen oder anderes Füllmaterial oder andere reaktive Materialien bzw. Stoffe enthalten.
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Bevorzugt weist im Fall der erfindungsgemäßen Spritzgießanordnung das erste Druckniveau Umgebungsdruck bzw. atmosphärischen Druck auf und weist das zweite Druckniveau einen Druck von ca. 1 bis 50 bar auf. Bevorzugt wird das erste Druckniveau durch Luft oder Vakuum realisiert. Bevorzugt wird das zweite Druckniveau durch ein Prozessgas wie inertes Gas (z.B. Edelgas, Stickstoff oder Kohlendioxid) oder durch andere Gase oder durch ein Gasgemisch (z.B. komprimierte Luft) als Schäumungsgas für den Spritzgießprozess realisiert.
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Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Spritzgießvorrichtung von der Eingangskammer bis zu einem Spritzgutausgang gegen Gasaustritt abgedichtet. Dies reduziert bzw. verhindert vorteilhaft einen Austritt von Prozessgas, wodurch die Prozesskosten weiter reduziert werden und außerdem die Aufrechterhaltung stabiler Druckverhältnisse im gesamten Spritzgießprozess bis zur Spritzgutausgabe und damit die Qualität des geschäumten Formteils vorteilhaft begünstigt werden.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Spritzgießanordnung können Kunststoffteile hergestellt werden, die mittels Prozessgas geschäumt sind. Es entstehen Integralschaumstrukturen mit variablen Blasengrößen und variablen Randschichten. Diese sind abhängig von Prozessgas, Prozessgasdruck, verwendeten Füllstoffen, welche auch als Nukleierungsmittel fungieren, wie auch den Werkzeugtemperaturen oder der verwendeten Werkzeugtechnik (z.B. negativer Prägehub).
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Der Vorteil in der Verwendung von Prozessgasen beim Spritzgießprozess besteht nicht nur darin, das Material aufzuschäumen, es verbessert zusätzlich die Verarbeitungsparameter dahin, dass die Flieseigenschaften verbessert werden bzw. gleiche Fließeigenschaften bei geringerer Materialbelastung erreicht werden, wodurch Materialkombinationen mit Naturfasern verbessert realisiert werden können.
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Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist - beliebig miteinander kombiniert sein können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
- 1 zeigt in seitlicher Schnittansicht eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Spritzgießanordnung, die mit einer Dosieranordnung mit einer Materialschleuse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung versehen ist, wobei sich die Materialschleuse in einer Schleusungsstufe befindet.
- 2 zeigt in seitlicher schematischer Schnittansicht die Dosieranordnung von 1 mit der Materialschleuse in einer weiteren Schleusungsstufe.
- 3 zeigt in seitlicher schematischer Schnittansicht die Dosieranordnung von 1 mit der Materialschleuse in noch einer Schleusungsstufe.
- 4 zeigt in seitlicher schematischer Schnittansicht die Dosieranordnung von 1 mit der Materialschleuse in noch einer weiteren Schleusungsstufe.
- 5 zeigt in seitlicher Schnittansicht eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Spritzgießanordnung, die mit einer Dosieranordnung mit einer Materialschleuse gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung versehen ist.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein erfindungsgemäßes System zum Schleusen, Dosieren und Spritzgießen von Material beschrieben werden.
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Zu diesem Zweck werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 erfindungsgemäße Ausführungsformen für eine Materialschleuse, ein Verfahren zum Schleusen von Material, eine Dosieranordnung zum Dosieren gewünschter Mengen von schüttfähigem Material und eine Spritzgießanordnung beschrieben werden.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Spritzgießanordnung 1 zum Herstellen eines geschäumten Formteils beschrieben werden.
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Die Spritzgießanordnung 1 umfasst eine bevorzugt als Extruder ausgebildete Spritzgießvorrichtung 2 mit einer Eingangskammer 3 zum Zuführen von spritzzugießendem schüttfähigem Material M, eine Dosieranordnung 10, eine Prozessfluidquelle 4 zum Bereitstellen eines Prozessfluids in Form eines Prozessgases und einen Materialspeicher 8 zum Speichern bzw. Vorhalten des Materials M.
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Der Materialspeicher 8 bildet einen ersten Bereich B1, der ein erstes Druckniveau P1 aufweist. Das erste Druckniveau P1 liegt bevorzugt auf Umgebungsdruck (atmosphärischem Druck). Die Eingangskammer 3 bildet einen zweiten Bereich B2, der mit dem Prozessfluid als Treibmittel bzw. Schäumungsgas beaufschlagt ist, wobei das Prozessfluid ein gegenüber dem ersten Druckniveau P1 erhöhtes zweites Druckniveau P2 aufweist. Das zweite Druckniveau P2 kann bevorzugt bis zu 200 bar, insbesondere bis zu 50 bar betragen.
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Bevorzugt umfasst das schüttfähige Material M Kunststoff (Granulat oder Pulver), wobei der Kunststoff insbesondere thermoplastischer Kunststoff ist. Das schüttfähige Material M kann jedoch z.B. auch andere Feststoffe wie Metall, Elastomere, Duroplaste oder andere plastifizierbare Feststoffe und außerdem z.B. Fasern wie Glasfasern, Plättchen, Fetzen oder anderes Füllmaterial oder andere reaktive Materialien bzw. Stoffe enthalten.
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Die Prozessfluidquelle 4, welche Teil eines Prozessfluidspeichers (nicht separat bezeichnet) ist, kann z.B. eine gasbefüllte Druckflasche und/oder eine gasfördernde Druckpumpe umfassen. Bevorzugt weist das gasförmige Prozessfluid inertes Gas (z.B. Edelgas, Stickstoff oder Kohlendioxid) oder andere Gase oder Gasgemische (z.B. komprimierte Luft) auf und dient als Schäumungsgas bzw. Treibmittel für den Spritzgießprozess.
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Die Dosieranordnung 10 ist eingerichtet zum Überführen gewünschter Mengen des schüttfähigen Materials M aus dem ersten Bereich B1 in den zweiten Bereich B2. Zu diesem Zweck umfasst die Dosieranordnung 10 eine Materialschleuse 20 und eine Dosiervorrichtung 11 mit einem Materialeingang 12, der mit dem ersten Bereich B1 bzw. dem Materialspeicher 8 verbunden ist, um von dort Material M zu empfangen, und einen Materialausgang 13 zum Ausgeben des Materials M an die Materialschleuse 20.
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Die Materialschleuse 20 weist eine in einem Rohrteil 21 ausgebildete sich geradlinig und vertikal erstreckende Schleusungspassage 22 und zwei jeweils als Kugelventil ausgebildete Ventile 30, 31 auf, welche mit vorbestimmtem Abstand voneinander in die Schleusungspassage 22 eingebunden sind, so dass in dem Abstand zwischen den Ventilen 30, 31 eine Schleusungskammer 25 gebildet ist.
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Durch die Einbindung der Ventile 30, 31 ist außerdem auf einer der Schleusungskammer 25 abgewandten Seite eines oberen ersten Ventils 30 der beiden Ventile 30, 31 von der Schleusungspassage 22 eine Eingangspassage 23 gebildet und ist auf einer der Schleusungskammer 25 abgewandten Seite eines unteren zweiten Ventils 31 der beiden Ventile 30, 31 von der Schleusungspassage 22 eine Ausgangspassage 24 gebildet.
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Die beiden Ventile 30, 31 können jeweils zum Durchgang von Material M geöffnet werden und können jeweils hermetisch verschlossen werden. Zu diesem Zweck können die Ventile 30, 31 über eine jeweils außenseitig daran vorgesehene mechanische und/oder elektrische Stelleinrichtung 30a bzw. 31a angesteuert und drehbetätigt werden, um in einen Offenzustand oder einen Geschlossenzustand versetzt zu werden. Die Stelleinrichtungen 30a, 31a werden zu diesem Zweck von einer z.B. elektronischen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) angesteuert. Eine direkte Verbindung der Stelleinrichtungen 30a, 31a zu den Ventilen 30, 31 ist nicht unbedingt notwendig, da die Ansteuerung auch mit Hilfe eines Magneten erfolgen kann.
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Die Eingangspassage 23 der Materialschleuse 20 ist mit dem Materialausgang 13 der Dosiervorrichtung 11 und dadurch mit dem ersten Bereich B1 bzw. dem Materialspeicher 8 verbunden. Die Ausgangspassage 24 der Materialschleuse 20 ist mit dem zweiten Bereich B2 bzw. der Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 verbunden.
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Die Dosiervorrichtung 11 umfasst einen gravimetrischen Schneckendosierer und ist somit eingerichtet, gewünschte Mengen des schüttfähigen Materials M aus dem ersten Bereich B1 bzw. dem Materialspeicher 8 über den Materialeingang 12 aufzunehmen und dosiert über den Materialausgang 13 der Eingangspassage 23 der Materialschleuse 20 zuzuführen.
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Durch Öffnen und Schließen der Ventile 30, 31 kann die Schleusungskammer 25 selektiv zu der Eingangspassage 23 oder der Ausgangspassage 24 zum Durchgang von Material M geöffnet oder hermetisch verschlossen zu werden.
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Dadurch, dass die Ausgangspassage 24 der Materialschleuse mit dem zweiten Bereich B2 bzw. der Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 verbunden ist, kann bei zur Eingangspassage 23 hin geöffneter Schleusungskammer 25 per Schwerkraft in die Schleusungskammer 25 überführtes Material M über die Ausgangspassage 24 per Schwerkraft in die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 überführt werden, wenn die Schleusungskammer 25 zur Ausgangspassage 24 hin geöffnet ist.
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Im Bereich der Schleusungskammer 25 weist die Wandung des Rohrteils 21 einen ersten Fluiddurchlass 26 zur Schleusungskammer 25 und einen zweiten Fluiddurchlass 27 zur Schleusungskammer 25 auf. Der erste Fluiddurchlass 26 ist über eine Fluidleitung und ein darin eingebundenes Ventil 40 mit der Prozessfluidquelle 4 verbunden. Das Ventil 40 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden, um selektiv Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 in die Schleusungskammer 25 einzuleiten.
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Auch die Spritzgießvorrichtung 2 weist einen Fluiddurchlass 3a zum Inneren der Eingangskammer 3 auf. Der Fluiddurchlass 3a der Eingangskammer 3 ist über eine Fluidleitung und ein darin eingebundenes Ventil 41 mit der Prozessfluidquelle 4 verbunden. Das Ventil 41 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden, um selektiv Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 in die Eingangskammer 3 einzuleiten, so dass das zweite Druckniveau P2 an Prozessfluid hergestellt wird.
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Im Bereich der Ausgangspassage 24 weist die Wandung des Rohrteils 21 einen Fluiddurchlass 28 zur Ausgangspassage 24 auf. Der zweite Fluiddurchlass 27 zur Schleusungskammer 25 ist über eine Fluidleitung 29, zwei darin eingebundene Ventile 42, 43 und eine zwischen den Ventilen 42, 43 in die Fluidleitung 29 eingebundene Saugpumpe 44 mit dem Fluiddurchlass 28 zur Ausgangspassage 24 verbunden.
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Die Ventile 42, 43 können von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden und die Saugpumpe 44 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv in Betrieb gesetzt werden, um die Schleusungskammer 25 selektiv mit der Ausgangspassage 24 zu verbinden und dabei selektiv Prozessfluid aus der Schleusungskammer 25 zu evakuieren, insbesondere abzusaugen, und in die Ausgangspassage 24 zu überführen und von dort das aus der Schleusungskammer 25 evakuierte Prozessfluid in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 als Teil des Prozessfluidspeichers zu überführen.
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Optional kann ein Druckspeicherbehälter 45 vorgesehen sein, welcher über eine Fluidleitung und ein darin eingebundenes Ventil 46 strömungsabwärts der Saugpumpe 44 und zwischen den Ventilen 42, 43 der Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 28 der Ausgangspassage 24 mit der Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 28 der Ausgangspassage 24 verbunden ist. Das Ventil 46 in der Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden, um die Schleusungskammer 25 selektiv mit dem Druckspeicherbehälter 45 zu verbinden, so dass aus der Schleusungskammer 25 evakuiertes Prozessfluid in den Druckspeicherbehälter 45 als Teil des Prozessfluidspeichers überführbar ist.
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Durch selektives Öffnen des in die Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 eingebundenen Ventils 46 und des strömungsabwärts der Saugpumpe 44 in die Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 28 der Ausgangspassage 24 eingebundenen Ventils 43 kann der Druckspeicherbehälter 45 selektiv mit der Ausgangspassage 24 verbunden werden, so dass Prozessfluid aus dem Druckspeicherbehälter 45 in die Ausgangspassage 24 überführbar ist, um von dort in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 als Teil des Prozessfluidspeichers überführt zu werden.
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Die Fluiddurchlässe 26, 27, 28, die Fluidleitungen 29, die Ventile 40, 41, 42, 43, 46 und die Saugpumpe 44 bilden Prozessfluidsteuermittel zum Steuern einer Richtung und eines Ausmaßes mehrerer beim Betrieb der Spritzgießanordnung 1 zu realisierender Prozessfluidströmungen.
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Schließlich ist an die Ausgangspassage 24 der Materialschleuse 20 noch ein Füllstandssensor 47 angeschlossen, welcher den Befüllungsstand mit Material M misst und welcher mit der Steuereinrichtung verbunden ist, um die Zuladung bzw. Dosierung des Materials M über die Ansteuerung der Ventile 30, 31 der Schleusungspassage 22, der Dosiervorrichtung 11 und der Prozessfluidsteuermittel zu regeln.
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Im Folgenden wird nun der Betrieb der Spritzgießanordnung 1 bezüglich der Dosierung des Materials M, d.h. insbesondere der Betrieb der Dosieranordnung 10 und der Materialschleuse 20, beschrieben werden, woraus sich ein Verfahren zum Schleusen von Material zwischen den Bereichen B1, B2 unterschiedlicher Druckniveaus herleiten lässt.
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In einer ersten Schleusungsstufe wird die bislang hermetisch verschlossene Schleusungskammer 25 durch Öffnen des ersten Ventils 30 der Schleusungspassage 22 zur Eingangspassage 23 und damit zur Dosiervorrichtung 11 und zu dem ersten Bereich B1 bzw. dem Materialspeicher 8 geöffnet, wie in 1 gezeigt. Wie außerdem in 1 gezeigt ist, ist in dieser ersten Schleusungsstufe das zweite Ventil 31 der Schleusungspassage 22 geschlossen.
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In einer zweiten Schleusungsstufe wird durch Betreiben der Dosiervorrichtung 11 eine definierte Menge an Material M aus dem ersten Bereich B1 bzw. Materialspeicher 8 gefördert und per Schwerkraft in die Schleusungskammer 25 überführt bzw. gefüllt, wie in 1 gezeigt. In einer dritten Schleusungsstufe wird das erste Ventil 30 der Schleusungspassage 22 geschlossen, so dass die mit der Dosis an Material M befüllte Schleusungskammer 25 gegenüber dem ersten Bereich B1 wieder hermetisch verschlossen ist, wie in 2 gezeigt.
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In einer vierten Schleusungsstufe wird durch Öffnen des Ventils 40 Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 über den ersten Fluiddurchlass 26 der Schleusungskammer 25 in die mit dem Material M befüllte Schleusungskammer 25 eingeleitet, so dass mit dem Prozessfluid das zweite Druckniveau P2 in der Schleusungskammer 25 hergestellt wird, wie in 2 gezeigt.
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In einer fünften Schleusungsstufe wird die Schleusungskammer 25 durch Öffnen des zweiten Ventils 31 der Schleusungspassage 22 zur Ausgangspassage 24 und damit zu dem zweiten Bereich B2 bzw. der Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 geöffnet, wie in 3 gezeigt. Der zweite Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 ist in diesem Zustand schon mit dem Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 auf dem zweiten Druckniveau P2 beaufschlagt. Durch das Öffnen des zweiten Ventils 31 der Schleusungspassage 22 kann das Material M aus der Schleusungskammer 25 in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 entleert werden, d.h. per Schwerkraft aus der Schleusungskammer 25 in die Eingangskammer 3 fallen, wie in 3 gezeigt.
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In einer sechsten Schleusungsstufe wird das zweite Ventil 31 der Schleusungspassage 22 geschlossen, so dass die Schleusungskammer 25 wieder gegenüber dem zweiten Bereich B2 hermetisch verschlossen ist, wie in 4 gezeigt. In einer siebten Schleusungsstufe wird durch Öffnen der Ventile 42, 43 der die Schleusungskammer 25 und die Ausgangspassage 24 selektiv verbindenden Fluidleitung 29 und in Betrieb setzen der Saugpumpe 44 das Prozessfluid aus der Schleusungskammer 25 evakuiert bzw. abgesaugt und das aus der Schleusungskammer 25 evakuierte Prozessfluid in die Ausgangspassage 24 und den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 überführt. Nachdem in der Schleusungskammer 25 das erste Druckniveau P1 hergestellt ist, werden die geöffneten Ventile 42, 43 wieder geschlossen und die Saugpumpe 44 außer Betrieb gesetzt.
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In einer alternativen siebten Schleusungsstufe werden das in die Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 eingebundene Ventil 46 und das strömungsaufwärts der Saugpumpe 44 in deren Fluidleitung 29 eingebundene Ventil 42 geöffnet und die Saugpumpe 44 in Betrieb gesetzt, so dass das Prozessfluid aus der Schleusungskammer 25 evakuiert bzw. abgesaugt wird und das aus der Schleusungskammer 25 evakuierte Prozessfluid in den Druckspeicherbehälter 45 überführt wird. Nachdem in der Schleusungskammer 25 das erste Druckniveau P1 hergestellt ist, werden die geöffneten Ventile 46, 42 wieder geschlossen und die Saugpumpe 44 außer Betrieb gesetzt.
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Gemäß einer Option zur alternativen siebten Schleusungsstufe werden bei Bedarf das in die Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 eingebundene Ventil 46 und das strömungsabwärts der Saugpumpe 44 in die Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 28 der Ausgangspassage 24 eingebundene Ventil 43 geöffnet, so dass der Druckspeicherbehälter 45 mit der Ausgangspassage 24 verbunden wird und dadurch das Prozessfluid aus dem Druckspeicherbehälter 45 in die Ausgangspassage 24 und von dort in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 überführt wird. Danach werden die geöffneten Ventile 46, 43 wieder geschlossen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 5 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Spritzgießanordnung 1' zum Herstellen eines geschäumten Formteils beschrieben werden.
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Die in 5 gezeigte Spritzgießanordnung 1' ist bis auf einige Unterschiede identisch mit der in den 1 bis 4 gezeigten Spritzgießanordnung 1 ausgebildet. Daher werden im Folgenden im Wesentlichen nur diese Unterschiede beschrieben werden und sind in 5 zu der in den 1 bis 4 gezeigten Spritzgießanordnung 1 identische oder ähnliche Komponenten mit zu den 1 bis 4 identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Spritzgießanordnung 1' nach 5 weist eine Dosieranordnung 10' auf, welche mit einer modifizierten Materialschleuse 50 versehen ist. Die Materialschleuse 50 weist ein Gehäuse 51 und einen Gehäuseeinsatz 52 auf. Das Gehäuse 51 hat einen kugelförmigen Innenraum, welcher einen kreisförmigen Querschnitt definiert. Der Gehäuseeinsatz 52 ist ebenfalls kugelförmig ausgebildet, so dass er einen kreisförmigen Querschnitt definiert. Der Gehäuseeinsatz 52 ist um einen mit dem Gehäuse 51 gemeinsamen Kreismittelpunkt, welcher eine Drehachse R1 für den Gehäuseeinsatz 52 bildet, drehbar im Innenraum des Gehäuses 51 angeordnet, so dass eine den kreisförmigen Querschnitt definierende Außenumfangsfläche des Gehäuseeinsatzes 52 mit einer den kreisförmigen Querschnitt definierenden Innenfläche des Gehäuses 51 eine hermetische Dichtung bildet.
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In der Außenumfangsfläche des Gehäuseeinsatzes 52 sind vier Vertiefungen mit jeweiligem Winkelabstand von 90 Grad voneinander vorgesehen, so dass jede der Vertiefungen eine Schleusungskammer 53.1, 53.2, 53.3, 53.4 (die Schleusungskammern können als Gesamtheit oder allgemein mit dem Bezugszeichen „53“ bezeichnet sein) bildet. Die Vertiefungen bzw. Schleusungskammern 53 bewegen sich beim im Uhrzeigersinn Drehen des Gehäuseeinsatzes 52 um den Kreismittelpunkt bzw. die Drehachse R1 auf einer gemeinsamen Rotationsbahn, so dass jede der Schleusungskammern 53 nacheinander in eine von vier einen jeweiligen Winkelabstand von 90 Grad voneinander aufweisenden Schleusungsstellungen A, B, C, D verbringbar ist. Zu diesem Zweck kann der Gehäuseeinsatz 52 über eine außenseitig des Gehäuses 51 daran angreifende mechanische und/oder elektrische Stelleinrichtung (nicht gezeigt) angesteuert und drehbetätigt werden, um die Schleusungskammer 53.1, 53.2, 53.3, 53.4 in die jeweiligen Schleusungsstellungen A, B, C, D zu verbringen. Die Stelleinrichtung wird wiederum von der Steuereinrichtung angesteuert. Eine direkte Verbindung der Stelleinrichtung zum Gehäuseeinsatz 52 ist nicht unbedingt notwendig, da die Ansteuerung auch mit Hilfe eines Magneten erfolgen kann.
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In einer ersten Schleusungsstellung A weist das Gehäuse 51 einen ersten Materialdurchlass zum Innenraum des Gehäuses 51 auf, welcher mit einer in einem Rohrteil 54 definierten Eingangspassage 55 verbunden ist und über den die jeweils dort befindliche Schleusungskammer 53 zugänglich ist. In einer dritten Schleusungsstellung C, welche einen Winkelabstand von 180 Grad zur ersten Schleusungsstellung A hat, weist das Gehäuse 51 einen zweiten Materialdurchlass zum Innenraum des Gehäuses 51 auf, welcher mit einer in einem Rohrteil 56 definierten Ausgangspassage 57 verbunden ist und über den die jeweils dort befindliche Schleusungskammer 53 zugänglich ist.
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Die Eingangspassage 55 der Materialschleuse 50 ist mit dem Materialausgang 13 der Dosiervorrichtung 11 und dadurch mit dem ersten Bereich B1 bzw. dem Materialspeicher 8 verbunden. Die Ausgangspassage 57 der Materialschleuse 20 ist mit dem zweiten Bereich B2 bzw. der Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 verbunden.
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In einer zweiten Schleusungsstellung B, welche einen Winkelabstand von 90 Grad zur ersten Schleusungsstellung A und zur dritten Schleusungsstellung C hat, weist das Gehäuse 51 einen ersten Fluiddurchlass 58 zum Innenraum des Gehäuses 51 auf, über den die jeweils dort befindliche Schleusungskammer 53 zugänglich ist. Der erste Fluiddurchlass 58 ist wieder über die Fluidleitung und das darin eingebundene Ventil 40 mit der Prozessfluidquelle 4 verbunden. Das Ventil 40 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden, um selektiv Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 in die in der zweiten Schleusungsstellung B befindliche Schleusungskammer 53 einzuleiten.
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In einer vierten Schleusungsstellung D, welche einen Winkelabstand von 90 Grad zur ersten Schleusungsstellung A und zur dritten Schleusungsstellung C und einen Winkelabstand von 180 Grad zur zweiten Schleusungsstellung B hat, weist das Gehäuse 51 einen zweiten Fluiddurchlass 59 zum Innenraum des Gehäuses 51 auf, über den die jeweils dort befindliche Schleusungskammer 53 zugänglich ist.
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Im Bereich der Ausgangspassage 57 weist die Wandung des Rohrteils 56 einen Fluiddurchlass 60 zur Ausgangspassage 57 auf. Der in der vierten Schleusungsstellung D befindliche zweite Fluiddurchlass 59 ist wieder über die Fluidleitung 29, die zwei darin eingebundenen Ventile 42, 43 und die zwischen den Ventilen 42, 43 in die Fluidleitung 29 eingebundene Saugpumpe 44 mit dem Fluiddurchlass 60 zur Ausgangspassage 57 verbunden.
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Die Ventile 42, 43 können von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden und die Saugpumpe 44 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv in Betrieb gesetzt werden, um die in der vierten Schleusungsstellung D befindliche Schleusungskammer 53 selektiv mit der Ausgangspassage 57 zu verbinden und dabei selektiv Prozessfluid aus der Schleusungskammer 53 zu evakuieren, insbesondere abzusaugen, und in die Ausgangspassage 57 zu überführen und von dort das aus der in der vierten Schleusungsstellung D befindlichen Schleusungskammer 53 evakuierte Prozessfluid in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 als Teil des Prozessfluidspeichers zu überführen.
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Optional kann wieder der Druckspeicherbehälter 45 vorgesehen sein, welcher über die Fluidleitung und das darin eingebundenes Ventil 46 strömungsabwärts der Saugpumpe 44 und zwischen den Ventilen 42, 43 der Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 60 der Ausgangspassage 57 mit der Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 60 der Ausgangspassage 57 verbunden ist. Das Ventil 46 in der Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 kann von der Steuereinrichtung angesteuert selektiv geöffnet und geschlossen werden, um die in der vierten Schleusungsstellung D befindliche Schleusungskammer 53 selektiv mit dem Druckspeicherbehälter 45 zu verbinden, so dass aus der Schleusungskammer 53 evakuiertes Prozessfluid in den Druckspeicherbehälter 45 als Teil des Prozessfluidspeichers überführbar ist.
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Die Fluiddurchlässe 58, 59, 60, die Fluidleitungen 29, die Ventile 40, 41, 42, 43, 46 und die Saugpumpe 44 bilden wieder Prozessfluidsteuermittel zum Steuern einer Richtung und eines Ausmaßes mehrerer beim Betrieb der Spritzgießanordnung 1' zu realisierender Prozessfluidströmungen.
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Im Folgenden wird nun der Betrieb der Spritzgießanordnung 1' bezüglich der Dosierung des Materials M, d.h. insbesondere der Betrieb der Dosieranordnung 10' und der Materialschleuse 50, beschrieben werden, woraus sich das Verfahren zum Schleusen von Material zwischen den Bereichen B1, B2 unterschiedlicher Druckniveaus herleiten lässt.
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Bei der Spritzgießanordnung 1' gemäß 5 kann durch um den Kreismittelpunkt bzw. die Drehachse R1 Drehen des Gehäuseeinsatzes 52 jede der Schleusungskammern 53 nacheinander auf die jeweiligen Schleusungsstellungen A, B, C, D gestellt werden, wodurch gleichzeitig jede der Schleusungsstufen der Materialschleuse 50 von einer der Schleusungskammern 53 realisiert wird. Demzufolge werden im Folgenden die in den jeweiligen Schleusungsstellungen A, B, C, D gleichzeitig ablaufenden Prozesse in ihrer Reihenfolge für eine spezifische der Schleusungskammern 53 beschrieben werden.
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In der ersten Schleusungsstellung A ist die bislang hermetisch verschlossene Schleusungskammer 53 (hier Schleusungskammer 53.1) zur Eingangspassage 55 und damit zur Dosiervorrichtung 11 und zu dem ersten Bereich B1 bzw. dem Materialspeicher 8 geöffnet. Durch Betreiben der Dosiervorrichtung 11 wird in der ersten Schleusungsstellung A eine definierte Menge an Material M aus dem ersten Bereich B1 bzw. Materialspeicher 8 gefördert und per Schwerkraft in die in der ersten Schleusungsstellung A befindliche Schleusungskammer 53 überführt bzw. gefüllt.
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Danach wird der Gehäuseeinsatz 52 um die Drehachse R1 im Uhrzeigersinn um 90 Grad in die zweite Schleusungsstellung B gedreht, so dass die mit der Dosis an Material M befüllte Schleusungskammer 53 gegenüber dem ersten Bereich B1 wieder hermetisch verschlossen ist. In der zweiten Schleusungsstellung B wird durch Öffnen des Ventils 40 Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 über den ersten Fluiddurchlass 58 in die mit dem Material M befüllte Schleusungskammer 53 eingeleitet, so dass mit dem Prozessfluid das zweite Druckniveau P2 in der Schleusungskammer 53 hergestellt wird.
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Danach wird der Gehäuseeinsatz 52 um die Drehachse R1 im Uhrzeigersinn um 90 Grad in die dritte Schleusungsstellung C gedreht, so dass die mit dem Material M befüllte Schleusungskammer 53 zur Ausgangspassage 57 und damit zu dem zweiten Bereich B2 bzw. der Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 geöffnet ist. Der zweite Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 ist in diesem Zustand schon mit dem Prozessfluid aus der Prozessfluidquelle 4 auf dem zweiten Druckniveau P2 beaufschlagt. Durch das Öffnen der Schleusungskammer 53 in der dritten Schleusungsstellung C kann das Material M aus der Schleusungskammer 53 in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 entleert werden, d.h. per Schwerkraft aus der Schleusungskammer 53 in die Eingangskammer 3 fallen.
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Danach wird der Gehäuseeinsatz 52 um die Drehachse R1 im Uhrzeigersinn um 90 Grad in die vierte Schleusungsstellung D gedreht, so dass die Schleusungskammer 53 wieder gegenüber dem zweiten Bereich B2 hermetisch verschlossen ist. In der vierten Schleusungsstellung D wird durch Öffnen der Ventile 42, 43 der die Schleusungskammer 53 und die Ausgangspassage 57 selektiv verbindenden Fluidleitung 29 und in Betrieb setzen der Saugpumpe 44 das Prozessfluid aus der in der vierten Schleusungsstellung D befindlichen Schleusungskammer 53 evakuiert bzw. abgesaugt und das aus der Schleusungskammer 53 evakuierte Prozessfluid in die Ausgangspassage 57 und den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 überführt. Nachdem in der Schleusungskammer 53 das erste Druckniveau P1 hergestellt ist, werden die geöffneten Ventile 42, 43 wieder geschlossen und die Saugpumpe 44 außer Betrieb gesetzt.
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Alternativ werden in der vierten Schleusungsstellung D das in die Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 eingebundene Ventil 46 und das strömungsaufwärts der Saugpumpe 44 in deren Fluidleitung 29 eingebundene Ventil 42 geöffnet und die Saugpumpe 44 in Betrieb gesetzt, so dass das Prozessfluid aus der in der vierten Schleusungsstellung D befindlichen Schleusungskammer 53 evakuiert bzw. abgesaugt wird und das aus der Schleusungskammer 53 evakuierte Prozessfluid in den Druckspeicherbehälter 45 überführt wird. Nachdem in der Schleusungskammer 53 das erste Druckniveau P1 hergestellt ist, werden die geöffneten Ventile 46, 42 wieder geschlossen und die Saugpumpe 44 außer Betrieb gesetzt.
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Gemäß einer Option zu der Alternative in der vierten Schleusungsstellung D werden bei Bedarf das in die Fluidleitung zum Druckspeicherbehälter 45 eingebundene Ventil 46 und das strömungsabwärts der Saugpumpe 44 in die Fluidleitung 29 zum Fluiddurchlass 60 der Ausgangspassage 57 eingebundene Ventil 43 geöffnet, so dass der Druckspeicherbehälter 45 mit der Ausgangspassage 57 verbunden wird und dadurch das Prozessfluid aus dem Druckspeicherbehälter 45 in die Ausgangspassage 57 und von dort in den zweiten Bereich B2 bzw. die Eingangskammer 3 der Spritzgießvorrichtung 2 überführt wird.
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Im Folgenden werden Beispiele für eine Anwendung der in den 1 bis 5 gezeigten Spritzgießanordnungen 1, 1' aufgezeigt werden.
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Gemäß einem ersten Beispiel können Thermoplastschäume unter Verwendung einer Spritzgießanordnung 1 gemäß den 1-4 hergestellt werden, wobei als Prozessgas Stickstoff unter einem Druck (zweites Druckniveau P2) von 50 bar als Treibmedium eingesetzt wird.
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Gemäß einem zweiten Beispiel kann ein Folienhinterspritzen mit unter Verwendung einer Spritzgießanordnung 1' gemäß 5 hergestellten Thermoplastschäumen durchgeführt werden, wobei als Prozessgas Kohlendioxid unter einem Druck (zweites Druckniveau P2) von 25 bar als Treibmedium eingesetzt wird.
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Gemäß einem dritten Beispiel können faserverstärkte Thermoplasten geschäumt werden. Dazu werden mit einer Spritzgießanordnung 1' gemäß 5 Kunststoffgranulat und Langfasern (Glasfasern) als Material M in den druckbeladenen Zwischenspeicher (Eingangskammer 3) über einer Plastifiziereinheit der Spritzgießvorrichtung 2 eingebracht. Zum Schäumen des Kunststoff-Fasergemisches wird als Prozessgas komprimierte Luft unter einem Druck (zweites Druckniveau P2) von 50 bar als Treibmedium eingesetzt.
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Gemäß einem vierten Beispiel können Thermoplaste, die mit Talkum als zusätzliches Nukleierungsmittel versetzt sind, geschäumt werden. Dazu wird die Spritzgießanordnung 1 gemäß den 1-4 verwendet, wobei das Materialgemisch in den druckbeaufschlagten Plastifizierraum der Spritzgießvorrichtung 2 eingebracht wird.
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Gemäß einem fünften Beispiel werden Sandwichbauteile erzeugt, die aus zwei Blechen (z.B. Aluminium, 1mm dick) / Organoblechen als Deckschichten bestehen. Als Kernmaterial wird ein unter Verwendung der Spritzgießanordnung 1' gemäß 5 erzeugter Thermoplastschaum eingesetzt. Der Thermoplastschaum wird mit Hilfe von Kohlendioxid als Treibmedium bzw. Prozessgas unter einem Druck (zweites Druckniveau P2) von 50 bar hergestellt und zwischen die beiden Bleche eingespritzt.
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Gemäß einem sechsten Beispiel werden Thermoplastschäume unter Verwendung einer Spritzgießanordnung 1' gemäß 5 hergestellt, wobei als Prozessgas komprimierte Luft unter einem Druck (zweites Druckniveau P2) von 50 bar als Treibmedium eingesetzt wird. Dabei werden die Werkzeughälften eines zweiteiligen Formwerkzeugs unterschiedlich temperiert, um unterschiedlich starke Randschichten zu erhalten.
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Gemäß einem siebten Beispiel können unter Verwendung einer Spritzgießanordnung 1' gemäß 5 Thermoplaste hergestellt werden, wobei zum Aufschäumen als Prozessgas Kohlendioxid unter einem Druck (zweites Druckniveau P2) von 25 bar als Treibmedium eingesetzt wird. Als zusätzliches Nukleierungsmittel werden GlasBubbles (Glashohlkugeln) verwendet.
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Als Prozessfluid (Treibmittel) kommen auch andere Gase oder gasgenerierende Substanzen in Frage. Dazu gehören u.a. Trockeneis, diverse geeignete Gase und chemische Treibzusätze. Diese können unter Verwendung anderer Prozessparameter (Druck, Temperatur, Einspritzgeschwindigkeit, andere Additive) zum Schäumen von Kunststoffen (Thermoplasten und Duroplasten) genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1; 1'
- Spritzgießanordnung
- 2
- Spritzgießvorrichtung
- 3
- Eingangskammer
- 3a
- Fluiddurchlass
- 4
- Prozessfluidquelle
- 8
- Materialspeicher
- 10; 10'
- Dosieranordnung
- 11
- Dosiervorrichtung
- 12
- Materialeingang
- 13
- Materialausgang
- 20
- Materialschleuse
- 21
- Rohrteil
- 22
- Schleusungspassage
- 23
- Eingangspassage
- 24
- Ausgangspassage
- 25
- Schleusungskammer
- 26, 27, 28
- Fluiddurchlass
- 29
- Fluidleitung
- 30, 31
- Ventil
- 30a, 31a
- Stelleinrichtung
- 40,41
- Ventil
- 42,43
- Ventil
- 44
- Saugpumpe
- 45
- Druckspeicherbehälter
- 46
- Ventil
- 47
- Füllstandssensor
- 50
- Materialschleuse
- 51
- Gehäuse
- 52
- Gehäuseeinsatz
- 53
- Schleusungskammer
- 53.1, 53.2
- Schleusungskammer
- 53.3, 53.4
- Schleusungskammer
- 54
- Rohrteil
- 55
- Eingangspassage
- 56
- Rohrteil
- 57
- Ausgangspassage
- 58, 59, 60
- Fluiddurchlass
- A, B
- Schleusungsstellung
- C, D
- Schleusungsstellung
- B1
- erster Bereich
- B2
- zweiter Bereich
- P1
- erstes Druckniveau
- P2
- zweites Druckniveau
- M
- Material
- R1
- Drehachse (Kreismittelpunkt)
