-
Die Erfindung betrifft eine Durchflusszelle mit Sonotrode für die Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Es ist allgemein bekannt, dass mit der Einleitung von hochfrequenten Schwingungen, wie von Piezo-Aktoren und von Ultraschall mit bestimmten definierten Frequenzen in Polymerschmelzen, z. B. thermoplastische Werkstoffe, deren Eigenschaften sowie die Eigenschaften von Füll- und Verstärkungsstoffen, auch als Additive bezeichnet, beeinflusst werden können.
-
Die hochfrequenten Schwingungen werden z. B. direkt von Piezo-Aktoren (Quarz-Kristalle) direkt oder über schwingfähige metallische Bauteile, z. B. Sonotroden, in die Kunststoffschmelze eingeleitet. Es ist bekannter Stand der Technik, dass eine Befestigung einer Sonotrode am, das den Schmelzekanal umschließenden Gehäuse, in einem sogenannten Schwingungsknoten erfolgt. Dieser Schwingungsknoten ist dadurch gekennzeichnet, dass an dieser Stelle die Amplitude der hochfrequenten Schwingung Null ist und somit keine Bewegung an dieser Stelle auftritt.
-
Dazu existieren eine Reihe von Patentanmeldungen und weiteren Veröffentlichungen im Fachgebiet, die den Einsatz von Ultraschall zur Schmelzebeeinflussung in Spritzgießwerkzeugen und in Extrudern genauer beschreiben.
-
So ist in der
DE 101 53 706 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einkopplung von Ultraschall in ein Spritzgießwerkzeug in Kavitäten eines Spritzgießwerkzeuges während des eigentlichen Formgebungsprozesses beschrieben, bei denen die mechanischen Eigenschaften der Spritzgießformteile insbesondere im Bindenahtbereich und das Fließverhalten der Kunststoffschmelze verbessert werden sollen. Dabei wird erfindungsgemäß die Ultraschallenergie vom Ultraschallgenerator an die kritischen Stellen der Kavität, wie insbesondere den Bindenahtbereich und den Angussbereich eingeleitet und in einem zeitlichen Bereich von 1 bis 5 Sekunden aufrecht erhalten.
-
Dazu wird das Ultraschallsystem direkt konstruktiv in dieses Spritzgießwerkzeug integriert. Dabei ist die Sonotrode so ausgebildet und angeordnet, dass diese frei schwingend unmittelbar bis an die Kavität ragt und die Stirnfläche der Sonotrode gleichzeitig einen bestimmten Teil der Kavitätswandung bildet.
-
Aus der
DE 10 2005 025 461 A1 ist des Weiteren ein Verfahren zum Ausgleichen von Orientierungen und/oder Verteilungen von Füllstoffen in Spritzgussteilen, einschließlich des eigentlichen Spritzgussverfahrens und in eine Beziehung auf die damit hergestellten Spritzgusssteile beschrieben, bei dem während des Spritzgießens die Spritzgussform und gleichzeitig die zu spritzende Formmasse mit Schall beaufschlagt werden soll. Es wird ein bestimmter Frequenzbereich vorgeschlagen, welcher sich auf das jeweilige Füllstoff-Matrix-System bezieht. Dies ergibt eine bessere Verteilung von in der Spritzgussmasse eingebrachten Fasern und verbessert die mechanischen und optischen Eigenschaften der fertig ausgehärteten Spritzgusssteile
-
In der
DE 10 2009 048 696 B3 ist eine Sonotrodenanordnung für Kunststofftbe - und-Kunststoffverarbeitungswerkzeuge beschrieben, die so konstruktiv ausgebildet ist, dass die Sonotrode in Longitudinal und Transversalrichtung frei schwingen kann, und gleichzeitig eine präzise Aufnahme und Zentrierung der Sonotrode in alle drei Achsenrichtungen gewährleistet werden kann und zudem neben der Sonotrodenanpresskraft auch noch zusätzliche auf die Sonotrodenformfläche wirkende Kräfte aufnehmen kann. Die Sonotrodenanordnung besteht aus einer formflächenseitigen und einer gewindeseitigen Spannschale, wobei die Sonotrode dadurch wie in einem Art Gehäuse gehalten werden soll. Die Sonotrode hängt so in einem äußeren Ring und ist nur über Stege mit diesem verbunden.
-
In der
EP 1 536 936 B1 ist eine Vorrichtung zur Verbesserung der Fließeigenschaften von Spritzgießmaterial beschrieben, bei dem ein Ultraschallschwingungsmittel in einer Kammer angeordnet ist, wobei das eigentliche Formwerkzeug einen stationären und einen beweglichen Teil enthält. Die Kammer wird mit einem vorzugsweise nichtmetallischen Befestigungsring abgedichtet, damit eine metallische Berührung des Schwingungsgebers mit der Kammer definitiv ausgeschlossen ist, wobei der Befestigungsring als Dichtring wirkt und gleichzeitig das Schwingungsmittel führt und hält. Allerdings wird bei dieser Vorrichtung nur ein Teil des Schmelzestromes mit Ultraschall beaufschlagt.
-
In der
DE 10 2011 012 221 A1 ist eine Vorrichtung zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen beschrieben, wo das zu formende Material vor dem Füllvorgang und/oder während dem Füllvorgang und/oder nach dem Füllvorgang des Formraumes zur Ausgestaltung der Formteile mit Schwingungen beaufschlagt wird. Diese Vorrichtung weist eine mit der Spritzgießmaschine adaptierte Wirkeinheit auf, wobei innerhalb der Wirkeinheit eine spezielle begrenzte Kammer zur Aufnahme einer die Schwingungen bewirkende Baugruppe ausgestaltet ist und wobei ein Endabschnitt dieser Baugruppe mit dem im Formraum befindlichen und zu einem Formteil auszugestaltenden Kunststoff in Wirkverbindung steht.
-
In einer anderen technischen Lösung gemäß der
DE 695 28 060 T2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung des Durchflusses einer Flüssigkeit durch eine Düsenöffnung beschrieben, wo in einem Düsengehäuse eine Kammer angeordnet ist, durch die eine Flüssigkeit, insbesondere eine Kunststoffschmelze fließt und in der Vorrichtung ein Ultraschallhom mit einem ersten und einem zweiten Ende angeordnet ist, wobei ein Ende des Ultraschallhorns außerhalb des Düsengehäuses liegt und das andere Ende des Ultraschallhorns an seinem Knotenpunkt gehalten werden soll und dieses Ende des Ultraschallhorns nahe der Auslassöffnung, d. h. nahe einer Düsenöffnung liegt.
-
In der US 2006 / 0 210 664 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Beaufschlagung von Harzmaterial mit Ultraschallschwingungen mittels eines sogenannten Ultraschallhorns und das Einbringen der Schwingungen in das Harzmaterial beschrieben. Im zugehörigen Verfahren zum Schmelzeformen von Harzmaterial unter Verwendung dieser Vorrichtung werden Harzzusammensetzungen aufgezeigt. Mit den vorstehend beschriebenen technischen Lösungen sind die Ultraschallschwingungen allerdings immer nur in begrenzte Teile eines Schmelzestromes einleitbar.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Durchflusszelle mit Sonotrode (bzw. einem Ultraschallgeber) für die Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen zu schaffen, welche eine schmelzedichte und somit leckagefreie Verbindung der Sonotrode (Ultraschallsonde) mit einem, den Schmelzekanal umgebenden Gehäuse ermöglicht und einen molekularen Abbau von thermoplastischen Werkstoffen bei Temperatur in nichtströmenden Teilbereichen über die Zeit des Spritzgussverfahrens weitgehend zu verhindern.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der rückbezüglichen Unteransprüche. Die erfindungsgemäße universelle Durchflusszelle ist mit einer Sonotrode 1 zur Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen versehen. Die Durchflusszelle ist geeignet für Extruder oder Spritzgießmaschinen und ist mit einem Gehäuse 3 und einem Sonotrodenflansch 12 und einem Dosierer 4 ausgerüstet. Wahlweise kann die Sonotrode 1 mit dem Sonotrodenflansch 12 über einen zwischen geordneten Aufnahmekörper 2 oder auch direkt mit dem Gehäuse 3 verbunden sein. Im Aufnahmekörper 2 oder im Gehäuse 3 ist eine erste Hülse 5 angeordnet, welche sich bis in das Gehäuse 3 erstreckt. Die erste Hülse 5 ist im Gehäuse 3 mittels einer umschließenden zweiten Hülse 6 geführt. Zwischen dem Sonotrodenflansch 12 und dem Aufnahmekörper 2 bzw. dem Gehäuse 3 und der Innen angeordneten ersten Hülse 5 ist eine spezielle neuartige Metalldichtung 7 angeordnet, welche für die Schmelzedichtigkeit sorgt. Die Metalldichtung ist ein nichtgeschlossener federnder Metalldichtring d. h. ein sogenannter Metall-C-Ring. Die Sonotrodenstirnfläche 16 greift direkt in einen an dieser Stelle sich befindenden Raum zwischen den Schmelzekanälen 10.1 und 10.2 ein, und zwar genau gegenüber dem Dosierer 4. Das Schmelzevolumen in diesem Raum zwischen den Schmelzekanälen 10.1 und 10.2 vor der Sonotrodenstirnfläche 16 ist durch eine spezielle konstruktive Gestaltung des Dosierers 4 veränderbar ausgebildet. Dies erfolgt, indem bei Bedarf verschieden ausgebildete Dosierer 4 angeordnet werden können. Zum Beispiel kann ein Kegel im Inneren des Dosierers 4 verschieden lang ausgebildet sein oder es können verschiedene Winkel für die Kegelmantelfläche des Dosiererinnenkegels vorgesehen werden, oder die Schmelzekanäle 10.1 oder 10.2 sind mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet. Der Dosierer 4 ist schnell und einfach mit nur wenigen Handgriffen gut austauschbar.
-
In der universellen Durchflusszelle mit Sonotrode 1 für die Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen kann anstelle einer Sonotrode 1, welche mit Ultraschall beaufschlagt ist, für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhafterweise auch ein Piezo-Aktor angeordnet werden.
-
Sinnvoll ist es in der universelle Durchflusszelle mit Sonotrode 1 gegenüber der Sonotrodenstirnfläche 16 ein oder mehrere Schwingungssensor(en) anzuordnen. Dadurch wird es möglich die tatsächliche Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen durch den eingeleiteten Ultraschall vor Ort direkt zu messen und gegebenenfalls durch Frequenz- oder Amplitudenänderung die Kunststoffschmelze gezielt zu beeinflussen.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in der universelle Durchflusszelle mit Sonotrode 1 für die Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen die erste Hülse 5 und die zweite Hülse 6 mit schräger Stirnfläche in Beziehung zum Gehäuse 3 so angeordnet sind, dass ein äußerer exzentrischer Spalt 18 entsteht, der im Zusammenwirken mit der schrägen (elliptischen) Stirnfläche der zweiten Hülse 6 eine annähernd konstante radiale Fließgeschwindigkeit der Kunststoffschmelze im inneren konzentrischen Spalt 17 und im äußeren exzentrischen Spalt 18 bewirkt. Dieser exzentrische Spalt sorgt über den gesamten radialen Umfang, d. h. über einen Bereich von 360° für unterschiedliche Fließwiderstände für die durchfließende Kunststoffschmelze. Dabei erfolgt die Schmelzeführung so, dass eine Aufteilung des Schmelzestroms auf die innere und die äußere Ringfläche um die Sonotrode 1 (dies wird eben dadurch erreicht, dass die Stirnflächen der Hülsen geschrägt ausgebildet sind, so dass jeweils eine elliptische Stirnfläche entsteht) erfolgt. Dadurch erreicht man ein annähernd konstantes Fließen der Kunststoffschmelze um die Sonotrode 1 herum. Auch kann die Schmelzeführung so erfolgen, dass die Strömung in Richtung des Ultraschalls oder in dessen Gegenrichtung wählbar ist.
-
In einer speziellen Ausführung der universelle Durchflusszelle mit Sonotrode 1 für die Beeinflussung von ruhenden und strömenden Kunststoffschmelzen sind unter den Schrauben 9 zur Verbindung der Sonotrode 1 mit dem Aufnahmekörper 2 bzw. dem Gehäuse 3 spezielle Eigenschaften besitzende Keilfederscheiben 8 angeordnet. Diese Keilfederscheiben 8 bewirken auch trotzt Ultraschalleinwirkung keine Lockerung der Schrauben 9, d. h. die Vorspannkraft der Schrauben bleibt erhalten. Dadurch erfolgt eine sichere leckagefreie Verbindung der Sonotrode 1 über den Sonotrodenflansch 12 mit dem Aufnahmekörper 2 bzw. dem Gehäuse 3 mit der Durchflusszelle auch bei verschiedensten hochfrequenten Schwingungen des jeweils eingesetzten Ultraschallgebers.
-
Die Vorteile der erfindungsgemäßen universellen Durchflusszelle sind die sichere, schmelzedichte und damit leckagefreie Verbindung der Sonotrode und/oder anderer Bauelemente, welche hochfrequente Schwingungen in Kunststoffschmelzen einleiten können, mit dem Gehäuse der Durchflusszelle. Mit dieser Ausführung und der zugehörigen Anordnung der Schmelzekanalführung sowie der Anschlussadapter kann der Ultraschall sowohl in Strömungsrichtung oder auch entgegen der Strömungsrichtung in die Kunststoffschmelze wirken. Des Weiteren besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass das Volumen unterhalb der Sonotrodenstirnfläche 16 im Raum zwischen den Schmelzekanälen 10.1 und 10.2 je nach Anforderung variabel einstellbar ist. Damit kann die Verweilzeit der Schmelze im Bereich der Schwingungseinleitung und die Einwirkzeit der hochfrequenten Schwingungen auf die Schmelze genauestens gesteuert und definiert beeinflusst werden. Durch die Volumenänderung kann auch die Menge der Schmelze so eingestellt werden, dass diese optimal abgestimmt wird bezüglich der Eigenfrequenz der Schmelzemenge im Raum vor der Sonotrodenstirnfläche 16 in Abhängigkeit von der Art und den Eigenschaften der jeweils gerade durchfließenden Schmelze. Außerdem ermöglicht diese Ausbildung der gesamten Durchflusszelle die Anordnung eines Ultraschall- oder anderen Schwingungssensors gegenüber der Sonotrodenstirnfläche. Damit wird es möglich, direkt praktisch vor Ort Messungen auszuführen um genau zu ermitteln, wie die Kunststoffschmelze durch den Ultraschall beeinflusst wird und wie durch die Schmelze Frequenzgang und Amplitude des Ultraschalls rückwirkend beeinflusst wird (beispielsweise insbesondere die Schallsignaldämpfung und mögliche Zeitverzögerungen). Weitere Vorteile sind, dass keinerlei zusätzliche Spaltdichtungen erforderlich sind und keine „toten“ Schmelzekanalabschnitte entstehen, da die gesamte einfließende Schmelzemenge wieder aus der Durchflusszelle heraus fließt und vollständig mit Ultraschall beaufschlagt wird.
-
Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der 1 in drei Ansichten näher erläutert werden. In 1 sind als Draufsicht eine Schnittdarstellung C-C und als zwei seitliche Ansichten zwei Schnittdarstellungen A-A und B-B durch den erfindungsgemäßen Durchflusskörper in seiner Gesamtanordnung gezeigt. Die Sonotrode 1 wird an dem Sonotrodenflansch 12 mittels Schrauben 13 an einem zwischen Sonotrode 1 und Gehäuse 2 zwischengeordneten Aufnahmekörper 2 befestigt. Um den Aufnahmekörper 2 ist ein Heizband 11 angeordnet, welches den Durchflussköper und sein Inneres in geeigneter Art und Weise in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Schmelze temperiert. Keilfederscheiben 14 unter den Schraubenköpfen dienen der Sicherung der Schraubenvorspannkraft und verhindern ein Lösen der Schraubenverbindung zwischen Sonotrodenflansch 12 und Aufnahmekörper 2. Der Aufnahmekörper 2 ist mittels Schrauben 9 mit dem Gehäuse 3 fest verbunden. Die Keilfederscheiben 8 unter den Schraubenköpfen der Schrauben 9 dienen der Sicherung der Schraubenvorspannkraft und verhindern ein Lösen der Schraubverbindung zwischen Aufnahmekörper 2 und Gehäuse 3.
-
Die angeordnete Metalldichtung 7 bewirkt bei einer bestimmten Schraubenvorspannkraft der Schraubenverbindung zwischen Sonotrodenflansch 12 und Aufnahmekörper 2, dass keine Kunststoffschmelze in den Dichtspalt zwischen Sonotrodenflansch 12 und Aufnahmekörper 2 eindringen kann.
-
Die Kunststoffschmelze (nicht dargestellt) gelangt über den Schmelzekanal-Einlauf 10.1 durch Bohrungen im Gehäuse 3 und im Dosierer 4 zum Raum vor der Sonotrodenstirnfläche 16 und fließt weiter über den inneren konzentrischen Spalt, gebildet zwischen Sonotrode 1 und der Bohrungsoberfläche der ersten Hülse 5 in den äußeren exzentrischen Spalt 18, gebildet zwischen erster Hülse 5 und der Bohrungsoberfläche im Gehäuse 3. Die exzentrische Stellung zwischen der äußeren Oberfläche der ersten Hülse 5 und der Bohrung im Gehäuse 3 wird durch die konstruktive Gestaltung der zweiten Hülse 6 bewirkt. Durch diese Anordnung der beiden Bauteile zueinander wird der äußere exzentrische Spalt 18 gebildet, durch den die Kunststoffschmelze fließen kann, wobei dieser Spalt 18 auf Grund seines unterschiedlichen Querschnittes unterschiedliche Fließwiderstände auf die Kunststoffschmelze erzeugt. Die zweite Hülse 6 wird mit der ersten Hülse 5 durch den Ausrichtstift 15 radial zum Schmelzekanal-Auslauf 10.2 ausgerichtet und positioniert, so dass die Kunststoffschmelze vom Raum zwischen den Schmelzekanälen 10.1 und 10.2 durch den inneren konzentrischen Spalt 17 über den äußeren exzentrischen Spalt 18 in die Gehäusebohrung zum Schmelzekanal-Auslauf 10.2 fließen kann.
-
Es bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten der Durchflussrichtung der Kunststoffschmelze durch die erfindungsgemäße Durchflusszelle:
- 1. Schmelzekanal-Einlauf 10.1 durch den Raum vor der Sonotrodenstirnfläche 16 durch die Spalte 17 und 18 und durch den Schmelzekanal-Auslauf 10.2
- - Kunststoffschmelze fließt entgegen der Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls vor der Sonotrodenstirnfläche 16
- 2. Schmelzekanal-Einlauf 10.2 durch den Raum vor der Sonotrodenstirnfläche 16 durch die Spalte 17 und 18 und durch den Schmelzekanal-Auslauf 10.1
- - Kunststoffschmelze fließt in Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls vor der Sonotrodenstirnfläche 16
-
Über die Sonotrodenstirnfläche 16 werden die Ultraschallschwingungen in den Schmelzestrom eingeleitet. Der Dosierer 4 bewirkt die Umlenkung des Schmelzestromes im Gehäuse 3 und dessen konstruktive Ausführung bestimmt die Größe des Schmelzevolumens im Raum unterhalb der Sonotrodenstirnfläche 16 zwischen den Schmelzekanälen10.1 und 10.2. Oder an dessen Stelle ist eine Aufnahmeeinrichtung für einen Ultraschall-Empfänger (z. B. ein Ultraschall-Sensor zur Erfassung von Longitudinalwellen) angeordnet. Die Ultraschalleinleitung in die Kunststoffschmelze wird je nach Füll- und Verstärkungsstoff unterschiedlich beeinflusst, d. h. durch die Dämpfung liegt dann am Ultraschallsensor ein zeitlich versetztes Ultraschallsignal an. Dieses Signal ist ein Indikator für den Schmelzefluss und daraus kann die Beeinflussung des Schmelzestromes entsprechend abgeleitet werden. Der Dosierer 4 kann selbst auch als ein Ultraschall-Sensor (nicht dargestellt) ausgebildet werden, um die von der Sonotrodenstirnfläche 16 ausgehenden Schallwellen nach deren Durchdringung der Kunststoffschmelze messtechnisch besser erfassen zu können.
-
Das Gehäuse 3 kann über geeignete Verbindungselemente, z. B. Schraubverbindungen, Keilflansche, in Schmelzeleitungen in Extrudern oder bei Spritzgießmaschinen zwischen der Plastifizier- und Einspritzeinheit und der Werkzeugangießbuchse eingebaut werden, so dass ein kontinuierlich oder diskontinuierlich fließender Schmelzestrom mit geeigneten Ultraschallfrequenzen beaufschlagt werden kann.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Durchflusszelle kann diese universell für verschiedene Geräte eingesetzt werden, da die Fließrichtung beliebig ohne Probleme bei Bedarf umkehrbar ist. Durch geeignete, einfache Adapterstücke (z. B. mit Innen- und Außengewinde, Kegelflansche mit Spannketten) ist diese Durchflusszelle für verschiedenste Extruder und für unterschiedliche Spritzgießmaschinen geeignet. Ein weiter Vorteil besteht darin, dass sowohl der Schmelzkanal-Einlauf 10.1 als auch der Schmelzekanal-Auslauf 10.2 in einer bevorzugten Ausführung auf einer gleichen Achse liegen kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sonotrode
- 2
- Aufnahmekörper
- 3
- Gehäuse
- 4
- Dosierer
- 5
- erste Hülse
- 6
- zweite Hülse
- 7
- Metalldichtung
- 8
- Keilfederscheibe
- 9
- Schraube
- 10.1
- Schmelzekanal-Einlauf (Auslauf)
- 10.2
- Schmelzekanal-Auslauf (Einlauf)
- 11
- Heizband
- 12
- Sonotrodenflansch
- 13
- Schraube
- 14
- Keilfederscheibe
- 15
- Ausrichtstift
- 16
- Sonotrodenstirnfläche
- 17
- innerer konzentrischer Spalt
- 18
- äußerer exzentrischer Spalt
