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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Spritzgießen, bei
dem unter Druck stehender Kunststoff aus einem Vorraum mit einem
absperrbaren Eingang und einem absperrbaren Ausgang nach Schließen des
Einganges und Öffnen
der Absperrung des Ausganges in einen Formhohlraum gespritzt wird
und diesen unter Druck füllt,
wobei das Volumen des Vorraumes nach dem Schließen des Einganges durch Vorschieben eines
Kolbens in eine Endposition so stark verringert wird, daß der im
Vorraum herrschende Druck beim Öffnen der
Absperrung des Ausganges die Füllung
des Formhohlraumes durch Expansion des Kunststoffes im Vorraum bewirkt.
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In
der
EP 0 513 774 A2 wird
ein Verfahren zum Betrieb einer Spritzgießmaschine vorgeschlagen, bei dem
vor dem Einspritzvorgang zunächst
bei geschlossenem Absperrorgan Druck im stromaufwärts angesammelten
einzuspritzenden Material erzeugt und gemessen wird. Nach Öffnen des
Absperrorgans wird abstromseitig der Druck während des Einspritzvorgangs
und des Nachdrückens
gemessen und zur Regelung herangezogen.
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Die
EP 0 484 549 A1 offenbart
ein Verfahren zum Spritzgießen,
welches zur Reduktion der Zykluszeit vorsieht, ein Absperrorgan
zwischen Plastifizierschnecke und Spritzgußform nach dem Einspritzen
zu schließen.
Dies erlaubt es, den Nachdrückprozess
in der Form fortschreiten zu lassen, während gleichzeitig auf der zur
Schnecke weisenden Seite des Absperrorgans der nächste Zyklus bereits eingeleitet
werden kann.
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Gemäß der WO
02/062555 A1 ist es, insbesondere für die Herstellung dünnwandiger
Spritzgußteile, vorgesehen,
dass die Einspritzschnecke vor dem Einspritzen einen gesteuerten
oder geregelten Kompressionshub durchführt, wobei das Absperrorgan
bei optimalem Druck im Kompressionsraum kontrolliert geöffnet wird
und den Übergang
von der Schmelzekompression zur Volumenstromübertragung herstellt.
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Die
US 5,665,282 zeigt ein Verfahren
zum Betrieb einer Spritzgießvorrichtung,
bei der ein vom Plastifizierzylinder mit Schnecke separierter Einspritzzylinder
mit Einspritzkolben vorgesehen ist. Beim Befüllen des Einspritzzylinders
wird der Kolben um einen vorab berechneten Hub zurückgezogen.
Bei der Berechnung dieses Hubes wird ein Einspritzhub, bei dem der
Kolben mit Druck beaufschlagt ist, und ein Dekompressionshub berücksichtigt.
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Aus
der
US 2,952,041 A ist
ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem der Druck im Vorraum
durch die kontinuierliche Drehung einer Extrusionsschnecke erzielt
wird, die kontinuierlich plastifiziertes Material in einen Schneckenvorraum
zuführt.
Der auf diese Weise erzielbare maximale Druck liegt bei etwa 700
bar. Die Expansion des Kunststoffes in die Form nach dem Öffnen der
Absperrung des Vorraumes würde
für sich
allein nicht ausreichen, die Form zu füllen, doch wird während des
Einspritzvorganges dauernd Kunststoff in den Schneckenvorraum nachgefüllt.
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Anders
als nach
US 2,952,041
A ist die Erfindung weniger auf eine rasche Folge von Einspritzvorgängen gerichtet,
sondern es ist vielmehr ein Ziel der Erfindung, die Zeit jeden einzelnen
Einspritzvorganges in den Formhohlraum zu verkürzen. Insbesondere beim Herstellen
kleiner und dünnwandiger
Teile ist es wesentlich, den Einspritzvorgang rasch zu vollenden,
da es sonst bereits während
des Einspritzens zu einem teilweisen Erstarren des Kunststoffes
in der gekühlten
Form kommt. Um hohe Einspritzgeschwindigkeiten zu erzielen, hat
man bisher die Vorlaufgeschwindigkeit der Schnecke bzw. eines allenfalls
vorgesehenen gesonderten Einspritzkolbens immer mehr gesteigert.
Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, daß eine
Weiterentwicklung in dieser Richtung nicht sinnvoll ist, da bei
hohen Schneckenvorlaufgeschwindigkeiten in erster Linie die Schmelze
im Vorraum verdichtet wird, wogegen für die Füllung des Formhohlraumes dadurch
wenig gewonnen wird.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es somit, insbesondere beim Spritzen von
dünnen
und kleinen Formteilen den Formhohlraum rasch zu füllen, wobei
die Geschwindigkeit des Einspritzkolbens keine oder nur eine untergeordnete
Rolle spielen soll.
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Diese
Aufgabe wurde von der Anmelderin in einer früheren Anmeldung (W0 01/03906)
im Prinzip dadurch gelöst,
daß der
plastifizierte Kunststoff durch einen Kolben so stark komprimiert
wurde, daß lediglich durch
Expansion des Kunststoffes im Vorraum die Füllung des Formhohlraumes erzielt
wird.
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Soweit
man früher
bereits vor dem Öffnen
einer Absperrung einen mit dem Druck im Forminnenraum vergleichbaren
Druck vor der Absperrung aufgebaut hatte, führte dies lediglich dazu, daß die Form
zunächst teilweise
durch Expansion des Kunststoffes im Vorraum gefüllt wurde, bis nach einiger
Verzögerung
die Wirkung des Schneckenvorschubs einsetzte. Die WO 01/03906 hingegen
geht davon aus, daß der
gesamte Formhohlraum lediglich durch Expansion des im Vorraum angesammelten,
unter hohem Druck stehenden Kunststoffvorrates gefüllt wird.
Kommt es hiebei absichtlich oder unabsichtlich zu einer Bewegung
der Schnecke bzw. eines sonstigen Einspritzkolbens, so führt diese
lediglich zu einer Modifikation des an sich die Füllung der
Form beherrschenden adiabatischen Expansionsvorganges. Praktisch
bedeutet dies, daß der
herkömmlicherweise
800 bar nicht übersteigende
Druck im Vorraum bei Durchführung
der Erfindung typischerweise über 1500
bar gesteigert wird, und vor allem, daß das Volumen des Vorraumes
nicht wie üblich
beim Einspritzvorgang weitestgehend reduziert wird, sondern ganz
oder doch überwiegend
erhalten bleibt.
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Bei
der praktischen Durchführung
des in der WO 01/03906 skizzierten Gedankens stellte sich heraus, daß das Füllgewicht
der unter anscheinend gleichen Bedingungen hergestellten Gegenstände und
damit deren Qualität
unerwarteten Schwankungen unterworfen war. Als mögliche Erklärung dafür boten sich Variationen beim
Fließvorgang
der Schmelze oder Veränderungen
in der Absperrung an. Schließlich
wurde herausgefunden, daß eine
wesentliche Ursache für
das unbefriedigende Funktionieren der bekannten Einrichtung darin
liegt, daß das
Volumen des Vorraumes am Beginn der Axialbewegung des Kolbens nicht
identisch ist mit dem im Vorraum eingeschlossenen Volumen des Kunststoffes. Üblicherweise
wird die an der Spitze der Plastifizierschnecke angeordnete Rückströmsperre
erst durch die axiale Bewegung der Schnecke selbst wirksam gemacht.
Der Augenblick, an dem die Schnecke beginnt, mehr als Kolben zu
wirken als als Plastifiziereinrichtung, ist daher nicht bestimmt.
Daher variiert die vom Kolben komprimierte Masse von einem Zyklus
zum anderen.
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Hier
setzt nun die Erfindung ein, welche vorsieht, daß nach dem Schließen des
Einganges des Vorraumes die Position des Kolbens und der Druck im
Vorraum überwacht
werden, und die Endposition des Kolbens durch eine Rechnung bestimmt
wird, in welche mindestens ein Wert des gemessenen Druckes samt
der entsprechenden Position des Kolbens eingeht.
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Es
wird also nach dem Beginn der Axialbewegung des Kolbens die Position
des Kolbens und der Druck im Vorraum überwacht. Jene Position des
Kolbens, bei welcher die Vorkammer zum Formraum hin geöffnet wird,
wird aufgrund einer Rechnung bestimmt, in welche zumindest ein zugehöriges Wertepaar
dieses gemessenen Druckes und der zugehörigen Position des Kolbens
eingeht.
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Durch
die erfindungsgemäße Maßnahme kann
der Tatsache Rechnung getragen werden, daß für verschieden große im Vorraum
eingeschlossene Massen eine verschieden starke Kompression zu gleichem
Gewicht und damit zu gleicher Qualität des Spritzteils führt. Dies
wird im einzelnen anhand der Zeichnung erläutert. In dieser zeigt 1 das
bekannte Verfahrensprinzip anhand eines Ausführungsbeispiels aus WO 01/03906,
und 2 die Erfindung anhand eines Diagramms.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auf jeder herkömmlichen
Spritzgießeinrichtung
durchgeführt werden,
sofern der Zufluß zum
Formhohlraum durch eine Absperrung steuerbar ist. Es sind daher
nur die verfahrenswesentlichen Teile einer Spritzgießeinrichtung
dargestellt und beschrieben.
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Bei
der dargestellten Einrichtung wird thermoplastischer Kunststoff
im Zylinder 8 durch eine Schnecke 5 plastifiziert
und gelangt dabei in den Vorraum 1. Dieser reicht durch
die Bohrungen 13 bis fast an die Form 7. Seine
vordere Öffnung 14 ist
zur Form 7 hin mittels einer Absperrung 2 verschließbar, wogegen
ein Rückströmen des
Kunststoffes aus dem Vorraum 1 durch eine Rückstromsperre 6 an
der Spitze der Schnecke 5 verhindert wird.
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Wesentlicher
Funktionsteil der Absperrung 2 ist eine Verschlußnadel 9,
welche unter dem Druck des Kunststoffes im Vorraum 1 die
Tendenz hat, sich nach rechts in der Zeichnung zu bewegen. In Verschlußrichtung
wird die Nadel 9 von einem um den Bolzen 10 schwenkbaren
Hebel 11 beaufschlagt, welcher unter der Wirkung einer
steuerbaren Hydraulikeinheit 12 steht.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist, daß in
dem vor der Absperrung 2 liegenden Kunststoff ein hoher
Druck aufgebaut wird, und daß die
Füllung
des Formhohlraumes 3 und des davor liegenden Angußbereiches 4 durch Expansion
des Kunststoffes im Vorraum 1 erfolgt. Das Öffnen der
Absperrung 2 kann gesteuert erfolgen, um den Druckverlauf
im Formhohlraum 3, der primär durch die adiabatische Entspannung
des Kunststoffes im Vorraum 1 bestimmt ist, zu modifizieren.
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Um
für einen
gegebenen Formhohlraum
3 Druck und Volumen im Vorraum
1 passend
bestimmen zu können,
wählt man
zweckmäßigerweise
zuerst ein Volumen für
den Vorraum
1, welches das Volumen des Formhohlraumes
3 wesentlich übersteigt.
Anschließend
wird der gewünschte
Druck im Formhohlraum
3 gewählt. Der Druck im Vorraum
1,
welcher zu diesem Resultat führt,
kann in einer einfachen Versuchsreihe ermittelt werden. Bei Kenntnis
der Zustandsgleichung des verwendeten Kunststoffes ist es auch ohne
weiteres möglich,
diesen Druck zu berechnen. Dies wird anschließend anhand eines Ausführungsbeispieles
dargelegt. Beispiel:
| Verwendetes
Material: | Polystyrol
143E |
| Dichte
bei Raumtemperatur: | 1,047
g/cm3 |
| Volumen
des vor der Absperrung 2 liegenden Vorraumes 1: | 45,6
cm3 |
| Hinter
der Absperrung 2 liegendes Volumen: | 1,37
cm3, davon 1 cm3 eigentlicher
Formhohlraum 3. |
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Der
Kunststoff steht unter einem Druck von 2000 bar, seine Temperatur
liegt um 30° über der
gewünschten
Arbeitstemperatur von 220°C.
Dieser Druck ist weit über
dem durch Rotation der Schnecke erreichten Gegendruck. Er ist hauptsächlich von
der Vorwärtsbewegung
der nach dem Verschluss des Vorraumeinganges als Kolben wirkenden
Schnecke 5 abhängig.
Dieser Eingang liegt in der Rückströmsperre 6 und
wird von der Position eines Ringes 15 kontrolliert. Die
Absperrung 2 wird nun geöffnet, wodurch sich der Kunststoff auf
das gesamte zur Verfügung
stehende Volumen, also in den Bereich 4 des Angusses und
in den Formhohlraum 3 hinein ausbreitet. Durch diese adiabatische
Expansion erfolgt eine Abkühlung
um 30°C
und ein Druckabfall auf den gewünschten
Enddruck von 500 bar.
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Bisher
ist man davon ausgegangen, daß sich
bei einer bestimmten Stellung der als Kolben wirkenden Schnecke
ein definierter Druck ergibt, sofern die Werte von Druck und Temperatur
konstant sind, bei welchen die Vorwärtsbewegung des Kolbens beginnt.
Wie in 2 in übertriebenem
Maßstab
dargestellt worden ist, erfolgt das Schließen der Rückströmsperre 6, das die
Plastifizierschnecke in einen Kolben wandelt, jedoch nicht in der
Kolbenposition x0, bei welcher die Vorwärtsbewegung
des Kolbens beginnt, sondern mit einer gewissen Verzögerung in
einer Kolbenposition xC.
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Je
nach dem Ausmaß dieser
Verzögerung
ist eine verschieden große
Masse (m1, m2, ...)
im Schneckenvorraum 1 eingeschlossen. Für jede dieser eingeschlossenen
Massen ist der Druck eine eindeutige Funktion der Kolbenposition.
Für jede
dieser Massen gibt es außerdem
eine durch Versuche festzustellende, im Diagramm durch ein Sternchen
gekennzeichnete Kombination von Druck p und Endposition xF(m1), xF(m2), xF(m3) der
Schnecke 5, die das Volumen des Vorraums 1 bestimmt,
und bei welcher das Öffnen
der Absperrung 2 zu einem bestimmten Gewicht des gespritzten
Gegenstandes führt.
Es leuchtet ein, daß die
kleinere Masse m3 auf einen höheren Druck
gebracht werden muß als
etwa die größere Masse
m1, um durch ihre Expansion das gleiche
Ergebnis zu erzielen. Im Falle der kleineren eingeschlossenen Masse
m3 muß also
der Kolben in eine weiter vorgefahrene Endposition xF(m3) gebracht und das eingeschlossene Volumen
stärker
verringert werden.
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Um
xF bestimmen zu können, muß man wissen, wie groß die im
Vorraum eingeschlossene Masse m ist. Da der Schließvorgang
der Rückströmsperre 6 nicht
direkt überwachbar
ist, ist xC nicht bekannt. Erfindungsgemäß ermittelt
man daher den Druck p im Vorraum als Funktion der Position x des
Kolbens und schließt daraus
auf m. Vorteilhafterweise erfolgt diese Messung kontinuierlich,
theoretisch genügt
ein einziger Wert p(x1), um zu erkennen,
auf welcher der in 2 dargestellten Kurven man sich
befindet und bis zu welchem Wert xF(m1), xF(m2),
xF(m3) daher der
Kolben vorgeschoben werden muß,
um den durch ein Sternchen gekennzeichneten Wert des Druckes p zu
erzielen.
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Der
angestrebte Wert von xF kann als Summe eines
aus der Erfahrung gewonnenen Mittelwertes und einer Korrektur dargestellt
werden, die nach dem Messen von p(x) während jedes Zyklus gemacht
wird. Das stellt sicher, daß auch
dann, wenn die Messung oder die Berechnung zu keinem klaren Ergebnis
führt,
ein zwar möglicherweise
nicht optimaler, jedenfalls aber vernünftiger Wert von xF vorliegt,
bei welchem die Schnecke 5 zum Stillstand gebracht und
die Absperrung 2 geöffnet
werden kann.
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Die
Messung des Druckes p(x) kann durch einen Sensor erfolgen, welcher
im Vorraum 1 angeordnet ist. Es kann jedoch auch jene Kraft
gemessen werden, mit welcher die Schnecke 5 durch den Druck
des im Vorraum 1 befindlichen Kunststoffes gegen ihre Lagerung
gepreßt
wird. Die Messung der Längsposition
x der Schnecke 5 ist konventionell. Bei Verwendung eines
elektrischen Servomotors zur Erzeugung der Längsbewegung der Schnecke 5 ergibt
sich die Position x eindeutig aus den dem Motor zugeführten Steuersignalen.
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Es
ist nicht notwendig, die Absperrung 2 genau in jenem Zeitpunkt
zu öffnen,
in welchem der Kolben an der Stelle xF(m1), xF(m2),
xF(m3) zum Stillstand
gekommen ist. Es ist sogar vorteilhaft, mit dem Öffnen der Absperrung 2 ein
bis zwei Sekunden zu warten, um eine Homogenisierung der Verhältnisse
im Vorraum 1 zu erzielen.