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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
CH 401 462 A ist eine Plastifiziereinrichtung zur Verbesserung der Aufschmelzleistung bei teilkristallinen Kunststoffen bekannt. Es wird eine als Misch- und Scherteil ausgeführte Schneckenspitze beschrieben. Hierbei wird allerdings ein Rückfließen der Schmelze beim Einspritzen nicht verhindert und es wird kein konstantes Spritzvolumen erreicht.
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In
DE 25 16 376 A1 wird ein Extruder für hochmolekulare Stoffe mit Schneckenplastifizierung für Einschneckenextruder beschrieben. Hierbei werden ebenfalls Misch-und Scherelemente zum verbesserten Aufschmelzen beim Plastifiziervorgang verwendet. Auch mit dieser technischen Lösung ist ein Rückfluss der Schmelze beim Einspritzen nicht zu verhindern.
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Gegenstand von
DE 2 028 636 B ist ein Plastifizier- und Einspritzzylinder zum Verarbeiten von plastifizierbaren Kunststoffen. Hierbei wird ein Spritzkolben mit getrennter Plastifizier- und Einspritzkammer verwendet.
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Beim Spritzgießverfahren werden zum Plastifizieren und Einspritzen des Kunststoffes überwiegend Schneckenkolben verwendet. Mit dem Schneckenkolben werden mehrere Verfahrensschritte durchgeführt, nämlich Kunststoff-Einziehen / Plastifizieren / Dosieren / Einspritzen in die Spritzgießform. Die Schneckenkolben führen für das Plastifizieren eine Rotationsbewegung durch und sind für das Dosieren und Einspritzen axial verschiebbar angeordnet, wobei die am Schneckenkolbenende angeordnete Rückstromsperre durch einen Schließvorgang das Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang beim Einspritzen verhindert. Beim Plastifizieren / Dosieren wird die Rückstromsperre wieder geöffnet, damit die Schmelze aus dem Schneckengang in den Stauraum fließen kann. Gegenwärtig werden meist sogenannte Schiebering- und Kugelrückstromsperren eingesetzt (Johannaber, F., Michaeli, W.; „Handbuch Spritzgießen“, Hanser Fachbuchverlag, Dez.2004), wobei entweder ein Schiebering- oder eine Kugel das Öffnen und Schließen übernimmt. Dadurch wird je nach technologischen Bedingungen eine Schließ- bzw. Öffnungszeit erforderlich.
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Beim Spritzgießverfahren wird die Qualität des Formteiles wesentlich bestimmt durch die Konstanz des Formteilgewichtes. Diese Konstanz steht im direkten Zusammenhang zum Schließverhalten der Rückstromsperre. Dem Schließverhalten der Rückstromsperre kommt somit eine zentrale Bedeutung zu. Bedingt durch die Doppelfunktion des Schneckenkolbens mit Plastifizieren und Einspritzen verhindert die Rückstromsperre das unkontrollierte Zurückfließen der Schmelze während des Einspritzvorganges in den Schneckengang und ermöglicht das ungehinderte Fließen vom Schneckengang in den Stauraum während der Dosierung. Zwischen Dosier- und Einspritzvorgang findet das Schließen der Rückstromsperre statt.
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Bei kleinen Einspritzzeiten, besonders bei Schnellläufern oder beim Spritzen von Klein- und Mikroformteilen ist oftmals die Schließzeit der Rückstromsperre größer als die Einspritzzeit. Es wird dadurch mit unterschiedlich geöffneter Rückstromsperre eingespritzt, das führt zu Schwankungen des Formteilgewichtes.
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Unter derartigen Betriebsbedingungen müssen zum Schließen und Öffnen der Rückstromsperre zusätzliche Bewegungen des Schneckenkolbens, beispielsweise ein Schneckenkolbenrückzug nach dem Einspritzen bzw. nach der Dosierung in den Spritzzyklus, eingebaut werden. Das wiederum führt zu längeren Zykluszeiten. Neuerdings werden Rückstromsperren mit gesteuertem Schließvorgang eingesetzt (siehe „Gesteuerter Schließvorgang ...‟, Kunststoffe 8/2013, S.70 - 72; „TechNews‟ Sumitomo (SHI) Demag, Juli 2011), was ebenfalls eine zusätzliche Funktion erfordert.
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Um das auszuschließen und ein definiertes Einspritzen zu ermöglichen, werden insbesondere bei der Fertigung von Klein- und Mikroteilen oftmals die Funktionen Plastifizieren und Dosieren/Einspritzen getrennt. Dabei übernehmen z.B. eine axial feststehende Schnecke oder andere Plastifizieraggregate den Plasifiziervorgang und ein separater Spritzkolben die Dosierung und das Einspritzen.
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Beispiele für die Trennung von Plastifizieren und Einspritzen wurden realisiert an den Maschinen Mikrosystem 50 der Firma Battenfeld („Kleinsteile höchst wirtschaftlich‟, Kunststoffe 9/2010, S. 133 - 135), micro-män 50 der Firma Männer (Firmenprospekt 09/12, Otto Männer GmbH) und an der Maschine MW injection 50-1 der Firma ÖKOPLAST („Kleinteile Spritzgießmaschine mw injection 50‟, Vortrag 22. TECHNOMER 10.-12.11. 2011 in Chemnitz).
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Da der Spritzzylinder durch die Plastifiziereinheit beschickt werden muss, ist mit dieser Variante ein erhöhter technologischer und Steuerungsaufwand erforderlich. Gleichzeitig ist das Trennen der Verfahrensschritte mit einer erhöhten Verweilzeit der Schmelze in der Plastifiziereinheit verbunden, was besonders bei thermisch empfindlichen Materialien problematisch ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Spritzgießen von Formteilen mit einem Schneckenkolben bei vorzugsweise geringen Einspritzzeiten zu schaffen, bei dem das Öffnen und Schließen der Rückstromsperre mit all seinen Nachteilen beim Plastifizieren und Einspritzen der Schmelze entfällt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der Fließkanal ist konstruktiv in einem Winkel α zur Axialbewegung des Schneckenkolbens angeordnet und der Sinus vom Winkel α ist größer als das Verhältnis von Fließkanalbreite b zu Gesamtlänge a der Ringfläche. Dadurch wird erreicht, dass im Fließkanal die während des Einspritzens axial wirkende Kraft, bedingt durch den spezifischen Spritzdruck und durch den Querschnitt des Fließkanals in zwei oder mehrere radial wirkende Kräfte aufgeteilt wird. Damit entfällt die Axialkraft in Richtung Schneckengang und ein Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang wird verhindert. Die Wirkung wird auch erreicht, wenn der Fließkanal spiralförmig angeordnet ist. Die Funktion der Rückstromsperre wird ohne axial bewegliche Bauteile wie z.B. Schiebering oder Kugel erreicht. Zusätzliche Zeitanteile für das Schließen und Öffnen der Rückstromsperre entfallen. Weiterhin wird der Verschleiß auf ein Minimum reduziert.
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Für den Fall, dass die o.g. Bedingung für die konstruktive Auslegung der Fließkanäle nicht eingehalten werden kann, wird eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen. Der mindestens eine Fließkanal ist konstruktiv in einem Winkel α zur Axialbewegung des Schneckenkolbens angeordnet und durch einen über den Umfang verlaufenden Kanal mit mindestens einer darauffolgenden Reihe mit mindestens einem Fließkanal verbunden, wobei der Fließkanal der darauffolgenden Reihe axial versetzt zum Fließkanal der ersten Reihe angeordnet ist. Auch bei dieser Ausführung wird beim Einspritzvorgang ein Druckabfall erzeugt, so dass das Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang verhindert wird. Möglich ist bei dieser Anordnung, dass der Fließkanal in Richtung der Axialbewegung des Schneckenkolbens angeordnet ist.
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Um eine optimale Förderwirkung im Fließkanal während der Plastifizierung, d.h., während der Rotation des Schneckenkolbens zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Steigung des Fließkanals der Steigung des Schneckengangs entspricht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Fließkanals besteht darin, dass die Querschnittsfläche aller Fließkanäle kleiner oder gleich der Querschnittsfläche des Schneckengangs vor der Rückstromsperre ist.
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Um den Fließwiderstand beim Plastifizieren gering zu halten, besitzt die Rückstromsperre mehrere Fließkanäle, deren Gesamtquerschnittsfläche dem Querschnitt des letzten Schneckengangquerschnittes entspricht. Wenn ein zusätzlicher Druckbedarf für den Schmelzefluss vom Schneckengang in die Fließkanäle für eine bessere Homogenisierung notwendig ist, ist die Gesamtquerschnittsfläche der Fließkanäle kleiner als die Querschnittsfläche des Schneckenganges.
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Der Außendurchmesser der Ringfläche der Rückstromsperre und der Innendurchmesser des Zylinders sind mit einer Passung versehen, damit die Schmelze während des Einspritzens nicht über diesen Spalt zurückfließt. Die Passung entspricht den in der Kunststoffverarbeitung für Rückstromsperren bekannten Angaben.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Rückstromsperre als Schneckensteg ausgebildet ist, wobei die Schneckengeometrie am Schneckenende mit Steigung Null ausläuft. In diesem Fall übernimmt der Schneckensteg die Aufgabe, das Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang zu verhindern. Lediglich am offenen Schneckengangende ist ein Zurückfließen der Schmelze möglich, wobei auch hier die während des Einspritzens axial wirkende Kraft, bedingt durch den spezifischen Spritzdruck und durch den Querschnitt des Fließkanals in zwei oder mehrere radial wirkende Kräfte aufgeteilt wird.
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Schließlich wird eine verfahrenstechnische Ausgestaltung vorgeschlagen, wobei durch die förderwirksame Rotation der Schnecke während des Einspritzens eine Gegenkraft erzeugt wird, die der sich in Abhängigkeit vom spezifischen Spritzdruck bildenden Rückflusskraft beim Einspritzen entgegen wirkt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen
- 1 den grundsätzlichen Aufbau der Plastifiziereinrichtung
- 2 eine erste Variante der technischen Lösung gemäß Stand der Technik
- 3 eine zweite Variante der erfindungsgemäßen technischen Lösung
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In 1 ist ein Schneckenkolben 1 mit einer Rückstromsperre 2 ausgeführt. Der Schneckenkolben 1 kann innerhalb eines Plastifizierzylinders 4 Rotations- und Translationsbewegungen ausführen. Die im Beispiel ausgeführte Rückstromsperre 2 besitzt mehrere Strömungskanäle 3.
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Über einen Einfüllschacht 5 des Zylinders 4 der Plastifiziereinrichtung wird der Kunststoff meist in Granulatform bei Rotation des Schneckenkolbens 1 in den Schneckengang 6 eingezogen und in Richtung Rückstromsperre 2 transportiert. Durch Zuführung von Heizenergie 7 über den Plastifizierzylinder 4 und durch die durch Rotation des Schneckenkolbens 1 erzeugte Scherenergie wird der Kunststoff in eine homogene Schmelze überführt und die für das Schussgewicht erforderliche Menge über die Fließkanäle 3 in den Stauraum 8 gefördert.
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Die Rückstromsperre 2 besitzt mehrere Fließkanäle 3 deren Gesamtquerschnittsfläche, um den Fließwiderstand beim Plastifizieren gering zu halten, dem Querschnitt des letzten Schneckengangquerschnittes entspricht. Dabei ist die Geometrie der Fließkanäle 3 so gestaltet, dass durch die Rotation ein Fördereffekt erzeugt wird.
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Der Plastifiziervorgang wird durch das Beenden der Schneckenrotation abgeschlossen. Der Einspritzvorgang wird mit einer Axialbewegung des rotatorisch fest eingespannten Schneckenkolbens 1 durchgeführt. Abhängig vom Fließwiderstand der Kavität im Werkzeug stellt sich ein spezifischer Spritzdruck im Stauraum 8 vor der Rückstromsperre 2 in der Plastifiziereinrichtung ein, was zu einem erheblichen Druckunterschied zwischen Stauraum 8 und Schneckengang 6 führt.
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Eine erste Variante der technischen Lösung zeigt 2. Durch die geometrische Gestaltung und Länge der Fließkanäle 3 wird der Druck über die Rückstromsperre 2 soweit abgebaut, dass die Schmelze nicht in den Schneckengang 6 fließt und damit im Schneckengang 6 keine Druckänderung während des Einspritzens erfolgt. Dies wird erreicht, indem die Fließkanäle 3 konstruktiv in einem Winkel a, vorzugsweise größer 45°, zur Axialbewegung des Schneckenkolbens angeordnet sind und der Sinus vom Winkel α größer ist als das Verhältnis von Fließkanalbreite b zu Gesamtlänge a der Ringfläche 11. Bei Einhaltung dieser Bedingung für die Auslegung der Fließkanäle (Breite b, Winkel α und Gesamtlänge a der Ringfläche 11) ist der Axialweg c der wirkenden Rückkraft beim Einspritzen kleiner als die Länge a der Ringfläche.
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Für den Fall, dass die o.g. Bedingung nicht eingehalten werden kann, zeigt 3 die zweite Variante und somit die erfindungsgemäße technische Lösung. Die abgebildeten Fließkanäle 3 sind axial zur Einspritzbewegung des Schneckenkolbens 1 angeordnet. Die Fließkanäle 3 sind über einen umlaufenden Kanal 9 mit einer weiteren Reihe Fließkanälen 12 verbunden. Die Fließkanäle 12 sind axial versetzt zu den Fließkanälen 3 angeordnet. Durch diese Lösung wird beim Einspritzvorgang ein Druckabfall erzeugt, so dass das Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang verhindert wird. Möglich ist bei dieser Anordnung, dass die Fließkanäle 3 und/oder 12 konstruktiv in einem Winkel α zur Axialbewegung des Schneckenkolbens 1 angeordnet sind.
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Nicht in der Zeichnung dargestellt ist die Möglichkeit, dass die Fließkanäle 3 konstruktiv so ausgeführt sind, dass die Steigung der Fließkanäle 3 der Steigung des Schneckengangs 6 entspricht. Damit wird erreicht, dass während der Rotation des Schneckenkolbens 1 eine Förderwirkung der Schmelze in Richtung Schneckenspitze erzeugt wird.
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Weiterhin nicht näher in der Zeichnung dargestellt ist eine Ausführung, bei der die Rückstromsperre 2 als Schneckensteg ausgebildet ist. Während des Einspritzens der Schmelze mit dem Schneckenkolben 1 wird das Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang weitestgehend verhindert, wenn die Schneckengeometrie am Schneckenende 10 mit Steigung Null ausläuft.
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Durch hohen Staudruck bei der Plastifizierung und damit im letzten Schneckengang 6 bzw. durch kurze Drehbewegungen des Schneckenkolbens 1 in Förderrichtung während des Einspritzens kann ein zusätzliches Druckniveau im Schneckengang 6 erzeugt werden. Das erhöhte Druckniveau wirkt der sich in Abhängigkeit vom spezifischen Spritzdruck bildenden Rückflusskraft beim Einspritzen entgegen und reduziert damit das Zurückfließen der Schmelze in den Schneckengang.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schneckenkolben
- 2
- Rückstromsperre
- 3
- Fließkanal „1“
- 4
- Plastifizierzylinder
- 5
- Einfüllöffnung
- 6
- Schneckengang
- 7
- Heizung
- 8
- Stauraum
- 9
- umlaufender Kanal
- 10
- Schneckenende
- 11
- Ringfläche
- 12
- Fließkanal „2“
