DE10346877B4

DE10346877B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Spritzgießen

Info

Publication number: DE10346877B4
Application number: DE2003146877
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr. Hunold; Walter Kilchenmann
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: DE10346877A1; AT7992U1

Abstract

Vorrichtung zum Spritzgießen von Mikrospritzgussteilen aus Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder thermoplastischem Kunststoff, mit einer Misch- oder Plastifiziereinheit, die einen Schneckenzylinder (1), der eine Materialzuführung aufweist, eine Misch- oder Plastifizierschnecke, die drehbar und entsprechend dem Schneckenkolbenprinzip längsbeweglich in dem Schneckenzylinder gelagert ist, und eine Austrittsöffnung (4) zum Ausbringen des Materials aus dem Schneckenzylinder (1) in ein Formwerkzeug umfasst, wobei die Misch- oder Plastifizierschnecke mit jedem Misch- oder Plastifiziervorgang einen dem Volumen des gemischten oder plastifizierten Materials entsprechenden Dosierhub ausführt,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Austrittsöffnung des Schneckenzylinders und dem Formwerkzeug eine Düse (6) vorgesehen ist,
die einen Kolbenraum (12) mit einem darin beweglich gelagerten Einspritzkolben (10) zum Aufnehmen eines Einspritzvolumens, welches im wesentlichen durch das Volumen des Mikrospritzgussteils gegeben ist, aufweist und
die eine Strömungsverbindung zwischen Austrittsöffnung (4), Kolbenraum (12) und Formwerkzeug herstellt, und wobei das Volumen des gemischten/plastifizierten Kunststoffmaterials einem Vielfachen eines Einspritzvolumens...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spritzgießen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Düse zum Einsatz bei einer Vorrichtung zum Spritzgießen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16, und ein Verfahren zum Herstellen von Mikrospritzgussteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24. Obwohl sich die vorliegende Erfindung insbesondere mit dem Spritzgießen von Mikrospritzgussteilen befasst, soll auch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitgestellt werden, die bzw. das problemlos an unterschiedliche Spritzgussteilgrößen anpassbar ist.
Beim Spritzgießen von Mikrospritzgussteilen ergibt sich regelmäßig das Problem, dass es ab Unterschreiten einer gewissen Teilegröße nicht mehr möglich ist, durch eine reine Miniaturisierung der vom Spritzgießen normal großer Teile bekannten Vorrichtungen zu funktionstüchtigen Vorrichtungen zu gelangen, die außerdem eine hohe Teilequalität gewährleisten. Es muss also auf Sonderlösungen zurückgegriffen werden. Doch auch bei diesen weist oft bereits das in ein Formwerkzeug eingespritzte Material keine ausreichende Mischgüte auf, so dass die Materialqualität des erzeugten Formteils unzureichend ist.
Um eine gute und reproduzierbare Durchmischung des Ausgangsmaterials für Formteile sowohl aus Thermoplasten, Duroplasten als auch Elastomeren zu erzielen, wird bevorzugt eine für den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Schnecke verwendet. Diese dient entweder dem Aufschmelzen von Thermoplastmaterial oder aber dem dynamischen Mischen der vernetzenden Komponenten und eventueller Zusatzstoffe von Elastomeren, beispielsweise Flüssigsilikonkautschuk (LSR = liquid silicone rubber), oder Duroplasten. Die kleinsten bislang bekannten Schneckendurchmesser bewegen sich im Größenbereich von 12 mm und mehr, da darunter die Schnecke keine ausreichende Stabilität besitzt. Beim Aufschmelzen von Thermoplasten weisen Schnecken dieses Durchmessers jedoch eine so geringe Schneckengangtiefe auf, dass mit ihnen standardmäßig erhältliches Granulat nicht mehr verarbeitet werden kann.
Weitere, sich aus der kleinen Dimensionierung ergebende Probleme sind insbesondere eine relativ schlechte Mischgüte, da nur verhältnismäßig kurze Schnecken eingesetzt werden können und es zudem schwierig ist, insbesondere bei der Herstellung von Zwei- oder Mehrkomponentenmischungen, die Ausgangskomponenten in kleinsten Mengen korrekt zu dosieren.
Insbesondere bei geringen Schneckendurchmessern ist es meist nicht möglich, eine nach dem Schneckenkolbenprinzip funktionierende Einspritzeinheit einzusetzen, bei der die Schnecke neben den Misch- und/oder Plastifizieraufgaben auch durch einen Axialvorschub das Einspritzen des fertig gemischten Materials in eine zugeordnete Kavität übernimmt. Einerseits ist hierfür die mechanische Stabilität der Schnecke unzureichend, außerdem wird es hier bei den realisierbaren Schneckendurchmessern schwierig, die Lageposition der Schnecke so genau zu bestimmen bzw. anzusteuern, dass die von Mikrospritzgussteilen geforderten, sehr kleine Schussgewichte im Bereich von unter einem Gramm durchgängig korrekt dosiert werden können. Hierbei kommt noch hinzu, dass insbesondere bei sehr kleinen Spritzgussteilen eine hohe Einspritzgeschwindigkeit gewährleistet werden muss, um die meist dünnwandigen Kavitäten des Formwerkzeugs zufriedenstellend auszufüllen.
Andererseits gibt es auch reine Kolbensysteme, die aufgrund der beliebig anpassbaren Kolbendurchmesser eine sehr hohe Dosiergenauigkeit erlauben. Allerdings kommt es hier bei sehr kleinen Schussgewichten von unter einem Gramm zu großen Problemen bei der Mischgüte. Die Ursache hierfür ist, dass die verschiedenen Komponenten üblicherweise von Dosieranlagen mit einem bestimmten einstellbaren Druck aus den Vorratsbehältern durch einen statischen Mischer direkt in die Kolbeneinheit der Spritzgießmaschine gefördert werden. Die Durchmischungswirkung statischer Mischer hängt auch von dem Mengendurchsatz ab, wodurch sich gerade bei der Verarbeitung von Kleinstmengen Qualitätsprobleme beim fertiggestellten Spritzgussteil ergeben können.

Aus der DE 101 45 560 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Mikrospritzgussteilen aus Flüssigsilikonkautschuk bekannt. Hier wurde das Problem der schlechten Durchmischung der Flüssigsilikonkautschukkomponenten in einem statischen Mischer aufgrund der kleinen Schussgewichte erkannt, und deshalb wurde vorgeschlagen, ein Mehrfaches der für einen Spritzgusszyklus benötigten Menge an Ausgangsmaterial durch den statischen Mischer zu bewegen und die so dosierte Menge in einem Dosierzylinder zwischenzuspeichern, der seinerseits mit einer weiteren Einspritzeinheit verbunden ist, die jeweils nur die für das Spritzgussteil erforderliche Menge aufnimmt und in ein Formwerkzeug einspritzt. Bei der Einspritzeinheit kann es sich entweder um eine Schneckenzylindereinheit handeln, die aufgrund ihrer Drehung das Material in das Formwerkzeug fördert, wobei hier weiterhin die Problematik der beschränkten Miniaturisierung der Schnecke besteht, oder aber das durch den statischen Mischer durchmischte Material wird von dem Dosierzylinder direkt in eine Kolbeneinspritzeinheit geleitet. Mit dieser zweiten Variante kann keine so hohe Mischqualität erreicht werden, da der Durchgang durch einen dynamischen Mischer fehlt.

Aus der EP 0 999 029 A2 ist es bekannt, eine vordefinierte Menge an Thermoplastgranulat in einem erhitzten Dosierzylinder unter Druck, jedoch ohne die Scherwirkung einer Schnecke aufzuschmelzen und das derart aufgeschmolzene Material sukzessive in einen miniaturisierten Einspritzzylinder zu übertragen, dessen Einspritzkolben von einem Linearmotor betätigt wird. Der Nachteil dieser Vorrichtung ist die unzureichende Mischqualität des Thermoplasten, da dieses ohne jegliche Durchmischung direkt in den Zylinder übertragen wird.

Aus der DE 199 25 578 A1 ist ferners eine Vorrichtung mit einer Rückströmsperre zum Herstellen von Mikrospritzgussteilen bekannt, wobei die miniaturisiert ausgeführte Schnecke keine separate Rückströmsperre aufweist, sondern vielmehr so ausgebildet ist, dass die Schneckenspitze durch Zusammenwirken mit einer Dichtfläche, die konzentrisch um einen Austrittskanal des Schneckenzylinders angeordnet ist, eine dichtende Verbindung eingeht, während das in einem Zyklus erzeugte Material aus einer mit der Austrittsöffnung verbundenen Kolbenzylindereinheit in ein Formwerkzeug eingespritzt wird. Auch hier stellen sich wieder die Probleme der genannten Art, dass nämlich die Schnecke nicht beliebig miniaturisiert werden kann, wenn sie einerseits eine ausreichende Durchmischung des Materials gewährleisten und andererseits noch mit konventionell erhältlichem Granulat betrieben werden soll.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Spritzgießen vorzustellen, die flexibel an unterschiedliche Spritzgussteilgrößen, und damit Einspritzvolumina anpassbar ist, gleichzeitig jedoch stets eine gute Mischqualität des verwendeten Kunststoffmaterials garantiert, sich insbesondere auch für die Herstellung von Mikrospritzgussteilen mit sehr kleinen Schussgewichten eignet und des weiteren für die unterschiedlichsten Kunststoffmaterialien anwendbar ist.

Die Lösung der genannten Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Düse gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 16 bzw. ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 24 erzielt.

Erfindungsgemäß kann durch Vorsehen einer Düse zwischen einer Austrittsöffnung eines Schneckenzylinders mit einer darin gelagerten Plastifizier- oder Mischschnecke und einem Formwerkzeug eine im wesentlichen standardisierte Misch- oder Plastifiziereinheit verwendet werden, die nicht die oben genannten Nachteile einer übermäßigen Miniaturisierung aufweist. Die Düse verfügt über einen eigenen Kolbenraum, der in Strömungsverbindung sowohl mit der Austrittsöffnung als auch mit der Kavität des Formwerkzeugs steht und dessen Volumen leicht an Volumen des Spritzgussteils, das sogenannte Einspritzvolumen angepasst werden kann. Hierzu eignen sich beispielsweise mechanische Anschläge. Dadurch dass die Düse separat ausgebildet ist, kann sie sehr einfach an ansonsten in Standardausführung vorliegende Misch- oder Plastifiziereinheiten angekoppelt werden, die nach dem Schneckenkolbenprinzip arbeiten und die keinerlei spezielle Anpassung benötigen.

Hierdurch gestaltet sich die Herstellung insbesondere auch von Mikrospritzgussteilen aus den unterschiedlichsten Kunststoffmaterialien sehr flexibel. Beispielsweise können so einfach Spritzgussteile aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR), der insbesondere im Bereich der Medizintechnik mit ihrer zunehmenden Miniaturisierung sehr interessant ist, gefertigt werden. Die eingesetzten standardisierten Misch- oder Plastifiziereinheiten weisen generell zwar hervorragende Durchmischungsergebnisse auf, können jedoch sehr kleine Volumina nicht gut und reproduzierbar mischen. Deshalb wird derart vorgegangen, dass mit den standardisierten Einheiten ein Volumen gemischt oder plastifiziert wird, das einem Vielfachen eines Einspritzvolumens entspricht. Diese größere Menge an Kunststoffmaterial, die so für das Einspritzen vorbereitet wird, kann sehr gut und reproduzierbar durchmischt werden. So können selbst Mikrospritzgussteile mit hervorragender Kunststoffqualität hergestellt werden.

Bevorzugt wird in der Strömungsverbindung zwischen Austrittsöffnung, Kolbenraum und Formwerkzeug in dem Bereich, der die Austrittsöffnung des Schneckenzylinders mit dem Kolbenraum verbindet, eine Verschlussvorrichtung vorgesehen. Diese kann während eines Einspritzvorgangs die Strömungsverbindung blockieren, so dass keine Rückströmung des Materials in den Schneckenzylinder erfolgen kann. Insbesondere kann die Verschlussvorrichtung einen betätigbaren Kolben umfassen, der beispielsweise hydraulisch in die Strömungsverbindung zwischen der Austrittsöffnung des Schneckenzylinders und dem Kolbenraum einfährt, und der beispielsweise hydraulisch betätigt werden kann.

Die Strömungsverbindung innerhalb des Düsenkörpers wird im allgemeinen durch Kanäle gebildet, und lässt sich in verschiedene Abschnitte aufteilen. Ein sogenannter Angusskanal mündet im wesentlichen in das Formwerkzeug, und ist bevorzugt im wesentlichen koaxial zu einer Längsachse des Schneckenzylinders angeordnet. Des weiteren weist die Strömungsverbindung einen sogenannten Verbindungskanal auf, der den Angusskanal und den Kolbenraum mit der Austrittsöffnung des Schneckenzylinders verbindet. Über diesen Verbindungskanal kann das gemischte und/oder plastifizierte Kunststoffmaterial von dem Schneckenzylinder an der dann geöffneten Verschlussvorrichtung vorbei in den Kolbenraum übertragen werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform zweigen der Kolbenraum und der Verbindungskanal vom Angusskanal im wesentlichen Y-förmig ab, das heißt sowohl der Kolbenraum als auch der Verbindungskanal schließen mit dem Angusskanal einen Winkel ein. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass die Längsachse des Kolbenraums und der in den Angusskanal mündende Verbindungskanal einen Winkel von in etwa 90° einschließen.

Des weiteren ist der Verbindungskanal bevorzugt so ausgestaltet, dass er zwei verschiedene Abschnitte aufweist, von denen der erste an der Anschlussstelle zwischen Angusskanal und Kolbenraum mündet, und der zweite die Verbindung zwischen dem ersten Abschnitt und der Austrittsöffnung des Schneckenzylinders herstellt, wobei diese beiden Abschnitte unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn dieser Winkel in etwa 90° beträgt. Schmelze, die aufgrund einer Vorschubbewegung der Schnecke aus dem Schneckenzylinder durch die Austrittsöffnung austritt, wird so beispielsweise um einen Winkel von in etwa 45° umgelenkt, passiert den ersten Abschnitt des Verbindungskanals, wird sodann um den zweiten Winkel von in etwa 90° abgelenkt und mündet in die Verzweigung von Angusskanal und Kolbenraum, wo sie im wesentlichen in den Kolbenraum überführt wird.

Sobald ausreichend Schmelze in den Kolbenraum eingebracht wurde, was beispielsweise dadurch angezeigt werden kann, dass der Einspritzkolben gegen eine hintere mechanische Begrenzung fährt, oder aber dadurch, dass ein elektrischer Weggeber das Erreichen einer vordefinierten Position registriert, wird – falls vorhanden – die Verschlussvorrichtung zwischen Austrittsöffnung und Kolbenraum geschlossen.

Diese Verschlussvorrichtung befindet sich bevorzugt zwischen den beiden Abschnitten des Verbindungskanals, und ist in besonders bevorzugter Ausführungsform als Kolben ausgebildet, dessen Durchmesser in etwa dem Durchmesser eines Abschnitts des Verbindungskanals entspricht, zu dem er im wesentlichen koaxial angeordnet ist, und in den er in Verschlussstellung zumindest partiell eintaucht, wodurch der in diesen Bereich mündende erste Abschnitt des Verbindungskanals vom eintauchenden Kolben versperrt wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Verschlusskolben in Richtung des Schmelzeflusses in den Verbindungskanal einfährt, wodurch sich effektiv Totstellen in der Strömungsverbindung vermeiden lassen, an denen sich altes Material ansammelt.

Das Volumen des Kolbenraums ist bevorzugt über mechanische Anschlagvorrichtungen für den im Kolbenraum gelagerten Einspritzkolben auch auf minimalste Einspritzvolumina exakt einstellbar. Der Einspritzkolben selbst ist bevorzugt hydraulisch betätigbar, es ist jedoch auch möglich, ihn beispielsweise über einen elektrischen Linearmotor anzusteuern.

Generell ist es aus strömungstechnischen Gründen von Vorteil, wenn die Durchmesser des Kolbenraums, des Angusskanals und des Verbindungskanals in derselben Größenordnung liegen, beziehungsweise im wesentlichen übereinstimmen. So können sich keine Drosselstellen mit Düsenwirkung ergeben.

Da durch die Führung des einzuspritzenden Kunststoffmaterials durch die Düse der Fließweg des Kunststoffmaterials stark verlängert wird, und sich hierbei die Temperatur des zu verarbeitenden Kunststoffmaterials der Düsenkörpertemperatur anpasst, ist die Düse bevorzugt mit einem Temperiersystem ausgestattet. Dadurch kann die Kunststoffmasse fließfähig gehalten werden, also durch Kühlen oder Heizen am Ausreagieren oder Erstarren gehindert werden. Solche Temperiersysteme sind an sich bekannt, beispielsweise können im Körper der Düse Kanäle für ein Temperiermittel vorgesehen sein, durch die dieses gepumpt wird.

Vorzugsweise wird eine separate Steuerung für die Ansteuerung sowohl der Schnecke der Misch- oder Plastifiziereinheit, des Einspritzkolbens und der Verschlussvorrichtung vorgesehen, so dass diese jeweils korrekt zeitlich abgestimmt betätigt werden.

Außerdem kann es in bestimmten Anwendungsfällen von Vorteil sein, ein zusätzliches, ansteuerbares Verschlussventil im Bereich des Angusskanals vorzusehen, durch das die Strömungsverbindung zwischen dem Kolbenraum und dem Verbindungskanal einerseits sowie dem Formwerkzeug auf der anderen Seite abgeschlossen werden kann. So ist es möglich, den Kolbenraum auch bei bereits entleertem Formwerkzeug zu füllen, ohne dass es zu einem Austropfen von Kunststoffmasse in das Formwerkzeug kommen kann.

Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Düse zum Herstellen einer Strömungsverbindung zwischen einem Formwerkzeug und einem dynamischen Mischer mit darin betätigter Schnecke oder einem Plastifizieraggregat erhöht sich die Flexibilität der Verarbeitung von Kunststoff insbesondere für Mikrospritzgussteile enorm, da standardisierte Misch- bzw. Plastifiziereinheiten verwendet werden können.

Beim Herstellen von Spritzgussteilen aus Kunststoffmaterial mit insbesondere sehr kleinen Dimensionen wird derart vorgegangen, dass ein Vorrat an Kunststoffmaterial durch Mischen oder Plastifizieren des Ausgangsmaterials mit einer Misch- oder Plastifizierschnecke in einer Misch- oder Plastifiziereinheit erzeugt wird, ein Teil des gemischten oder plastifizierten Kunststoffmaterials in einen separaten Kolbenraum übertragen wird und das übertragene Material durch eine Vorschubbewegung eines im Kolbenraum gelagerten Einspritzkolbens in ein Formwerkzeug eingespritzt wird, wobei erfindungsgemäß bei dem Misch- oder Plastifiziervorgang ein Vielfaches des Volumens des in den Kolbenraum übertragenen Materials erzeugt wird. Das Volumen des übertragenen Materials selbst ist ein im wesentlichen durch das Volumen des Mikrospritzgussteils gegebenes Einspritzvolumen. Da das in einem Misch- oder Plastifiziervorgang erzeugte Volumen einem Vielfachen des Volumens des herzustellenden Mikrospritzgussteiles entspricht, wird das einmal gemischte oder plastifizierte Material im Schneckenvorraum zwischengespeichert und von diesem Vorrat wird so oft eine dem Einspritzvolumen entsprechende Menge in den Kolbenraum übertragen, bis der verbleibende Vorrat kleiner als ein einstellbarer Minimalwert ist. Hierbei wird der Minimalwert spätestens dann erreicht, wenn der im Schneckenvorraum vorhandene Vorrat kleiner als ein Einspritzvolumen ist.

Dadurch dass erfindungsgemäß bei dem Misch- oder Plastifiziervorgang ein Vielfaches des Volumens des in den Kolbenraum übertragenen Materials mit einer standardisierten Misch- oder Plastifiziereinheit erzeugt wird, kann auch bei kleinsten Spritzgussteilvolumina eine sehr gute und reproduzierbare Durchmischung des aufbereiteten Kunststoffmaterials garantiert werden, da die Schnecke mit einem relativ großen Hub und großem Volumenstrom gefahren wird. Es können also Schnecken mit einem Durchmesser verwendet werden, der keine Probleme aufgrund übermäßiger Miniaturisierung bedingt und der bei der Herstellung von Mikrospritzgussteilen beispielsweise im Bereich von 18 Millimetern liegen kann.

Beim Übertragen eines Einspritzvolumens an Kunststoffmaterial aus dem Vorrat im Schneckenvorraum wird bevorzugt derart vorgegangen, dass einerseits die Misch- oder Plastifizierschnecke eine Vorschubbewegung erfährt und dadurch der an der Schneckenspitze befindliche Vorrat mit Druck beaufschlagt wird, während gleichzeitig der Einspritzkolben im Kolbenraum zurückgezogen wird, so dass das Material aktiv angesogen wird. Der Vorteil hierbei ist, dass die Misch- oder Plastifizierschnecke nur mit einem Bruchteil des Druckes beaufschlagt werden muss, der normalerweise bei einer nach dem Schneckenkolbenprinzip arbeitenden Misch- oder Plastifiziereinrichtung benötigt wird. Da also der Druck zum Füllen des Kolbenraums relativ gering ist, kann bei dieser Konfiguration auf die Verwendung einer Rückströmsperre verzichtet werden. Dies ist insbesondere deshalb günstig, weil Rückströmsperren bei kleinen Schneckendurchmessern schwierig auszuführen sind und ein schlechtes Reinigungsverhalten zeigen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn während des Einspritzvorgangs der Kolbenraum vom Kunststoffvorrat, der im Schneckenvorraum vorhanden ist, beispielsweise durch ein Umschaltventil abgekoppelt wird.

Es ist auch möglich, die Misch- oder Plastifizierschnecke kontinuierlich mit Druck zu beaufschlagen, wobei ein Füllen des Kolbenraums nur dann erfolgt, wenn der Kolbenraum nicht vom Kunststoffvorrat abgekoppelt ist, was durch Betätigen eines Umschaltventils gesteuert werden kann.

Dadurch, dass die Misch- oder Plastifizierschnecke erfindungsgemäß nur mit einem geringen Druck, der einen Bruchteil des üblicherweise bei einer nach dem Schneckenkolbenprinzip arbeitenden Schnecke aufgebrachten Drucks beträgt, beaufschlagt wird, und die Dosierung des Einspritzvolumens über eine Lageregelung des Einspritzkolbens erfolgt, muss keine genaue Lageregelung der Schnecke vorgesehen werden, wie dies bei einer nach dem Schneckenkolbenprinzip arbeitenden Schnecke notwendig wäre.

Nach dem Einspritzen eines Einspritzvolumens aus dem Kolbenraum in das Formwerkzeug härtet das übertragene Kunststoffmaterial dort entweder durch Erhitzen oder aber durch Kühlen des Formwerkzeugs aus. Während dieses Aushärtevorgangs wird bereits ein neues Einspritzvolumen aus dem vor der Misch- oder Plastifizierschnecke vorhandenen Vorrat an Kunststoffmaterial in den Kolbenraum übertragen. Erst wenn der Kolbenraum vollständig gefüllt und der Vorrat im Schneckenvorraum abgekoppelt worden ist, wird das Werkzeug geöffnet und das im vorherigen Schritt erzeugte Formteil entnommen. Erst nach dem Schließen des Formwerkzeugs wird der Einspritzkolben mit dem Einspritzdruck beaufschlagt, und ein neues Formteil wird erzeugt.

Bei dem verarbeiteten Kunststoffmaterial handelt es sich bevorzugt um Flüssigsilikonkautschuk (LSR = liquid silicone rubber), der als Zweikomponentensystem verarbeitet wird, wobei Komponenten A (LSR + Katalysator) und B (LSR + Vernetzer) erst kurz vor dem Eintritt in die Mischeinheit zusammengebracht werden, die nach Art eines dynamischen Mischers mit einer rotatorisch und axial beweglichen Schnecke ausgebildet ist. Die hier eingesetzten Schnecken weisen eine Sondergeometrie auf, da sie nur der Durchmischung des Materials dienen. Häufig wird im Strömungsgang vor der Mischeinheit noch zusätzlich ein statischer Mischer für eine Vorabdurchmischung eingesetzt. Ebenso können mit solch einer Einheit auch andere Mehrkomponentensysteme wie beispielsweise Elastomere oder Duroplaste verarbeitet werden.

Anstelle eines dynamischen Mischers kann auch eine gemäß dem Schneckenkolbenprinzip betriebene Plastifiziereinheit zum Verarbeiten von Thermoplasten bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung soll anhand der Figur noch näher erläutert werden.
Diese zeigt stark schematisch ein Austrittsende eines Standardzylinders 1 einer nicht näher dargestellten dynamischen Misch- oder Plastifiziereinheit. An diesem ist unter Zwischenschaltung eines Zwischenstücks 2, das im wesentlichen die Funktion einer Austrittsöffnung 4 des Schneckenzylinders übernimmt, eine separate Düse 6 angebracht. Die Düse 6 stellt über einen Angusskanal 16 und einen Verbindungskanal 8 eine Strömungsverbindung zwischen der Austrittsöffnung 4, einem in der Düse 6 aufgenommenen Kolbenraum 12 und einem links im Anschluss vorgesehenen, nicht dargestellten Formwerkzeug her. Diese Strömungsverbindung ist derart ausgelegt, dass Schmelze beim Übertragen aus dem Schneckenzylinder 1 in den Kolbenraum 12 keine zu starken Richtungsänderungen erfährt, und dass insbesondere die Umlenkung der Schmelze bei einem Einspritzen aus dem Kolbenraum 12 über den Angusskanal 16 in das nicht dargestellte Formwerkzeug nicht zu stark umgelenkt wird.
Der Verbindungskanal 8 kann zwischen seinem Einmünden in den Angusskanal 16 und dem Kolbenraum 12 und der Austrittsöffnung 4 des Schneckenzylinders 1 durch ein Umschaltventil 14 verschlossen werden. Das Umschaltventil 14 hat in der Figur die Form eines betätigbaren Kolbens 15, der koaxial zu einem Bereich des Verbindungskanals 8 verfahrbar ist, im wesentlichen dessen Durchmesser aufweist und der den Verbindungskanal 8 durch Einfahren verschließt.
Im Kolbenraum 12 ist ein Einspritzkolben 10 axial verschieblich gelagert, dessen Hub durch nicht dargestellte mechanische Anschlagsvorrichtungen begrenzt ist. Hierdurch kann sein Volumen hochpräzise eingestellt werden.
Um ein zumindest teilweises Aushärten des verarbeiteten Kunststoffmaterials im Bereich der Düse 6 und ein dadurch verschlechtertes Spritzgussergebnis zu vermeiden, ist ein Temperierkreislauf 18 vorgesehen. Bei der Verarbeitung von vernetzenden Kunststoffen handelt es sich hierbei um einen Kühlkreislauf, während bei der Verarbeitung von Thermoplasten die Düse 6 geheizt wird.
Beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Spritzgießvorrichtung wird ein Misch- oder Plastifziervorgang von einer im Schneckenzylinder 1 einer zugeordneten Misch- oder Plastifiziereinheit gelagerten Schnecke durchgeführt. Durch das Aufbauen eines Förderdrucks wird hierbei die Schnecke von der Austrittsöffnung 4 weg axial verschoben, entsprechend eines Dosierhubs, der durch das Volumen des auf Vorrat erzeugten Materials bestimmt wird. Bei diesem Dosiervorgang ist das Umschaltventil 14 geschlossen, und der Einspritzkolben 10 befindet sich im Kolbenraum 12 in einer vorderen Endstellung. Nach erfolgtem Dosieren des Vorratsvolumens wird die Drehbewegung der Schnecke angehalten, das Vorratsvolumen durch Beaufschlagen der Schnecke mit einem Schub unter Druck gesetzt, und das Umschaltventil 14 durch Zurückziehen des Kolbens 15 geöffnet. Über die so hergestellte Strömungsverbindung zwischen der Austrittsöffnung 4 und dem Kolbenraum 12 wird ein in etwa einem Einspritzvolumen entsprechender Volumenanteil des vorbereiteten Kunststoffmaterials übertragen, wobei das Kunststoffmaterial durch eine der Einspritzbewegung entgegengesetzte Rückhubbewegung des Einspritzkolbens 10 in den Kolbenraum 12 gesogen wird.
Bei Erreichen der hinteren Endstellung des Einspritzkolbens 10 wird das Umschaltventil 14 geschlossen, und die Strömungsverbindung zwischen dem Angusskanal 16 und der Kavität des nicht dargestellten Formwerkzeugs hergestellt. Hierzu kann entweder ein in einem vorigen Einspritzvorgang hergestelltes, noch im Formwerkzeug aufgenommenes ausgehärtetes Spritzgussteil, das die Verbindung blockiert hatte, entnommen werden, oder aber ein zusätzliches, nicht dargestelltes Verschlussventil zwischen Kolbenraum 12 und Formwerkzeug geöffnet werden. Sobald das leere Formwerkzeug verschlossen ist, wird der Einspritzvorgang durchgeführt. Dies geschieht durch Beaufschlagen des Einspritzkolbens 10 mit einem Vorwärtsschub.
Nach erfolgtem Einspritzen wird das Umschaltventil 15 erneut geöffnet, und unter Zurückziehen des Einspritzkolbens 10 der Kolbenraum 12 mit vorbereitetem Kunststoffmaterial aus dem unter Druck stehenden Vorrat im Schneckenzylinder 1 befüllt. Hierbei befindet sich das zuvor gespritzte Kunststoffteil noch im Formwerkzeug, so dass die Strömungsverbindung zu diesem blockiert ist, oder ein im Bereich des Angusskanals 16 befindliches Verschlussventil ist geschlossen. Sobald der Kolbenraum 12 gefüllt und das im vorhergehenden Einspritzvorgang erzeugte Spritzgussteil entformt ist sowie das Formwerkzeug und das Umschaltventil 15 wieder geschlossen sind, kann ein neuer Einspritzvorgang erfolgen. Dies wiederholt sich so lange, bis der im Schneckenzylinder 1 vorhandene Vorrat an Kunststoffmaterial den angebbaren Minimalwert unterschreitet. Erst dann wird durch einen erneuten Misch- oder Plastifiziervorgang ein Vorratsvolumen an Kunststoffmaterial erzeugt.
Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Spritzgießvorrichtung beziehungsweise einer Düse gemäß dieser Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen insbesondere von Mikrospritzgussteilen weiter vereinfacht werden, da auf flexible Weise bereits vorhandene standardisierte Misch- beziehungsweise Plastifiziervorrichtungen eingesetzt werden können, wobei nur eine separate Sondersteuerung für die Ansteuerung der Schnecke des Umschaltventils und des Einspritzkolbens vorgesehen werden muss. So können trotz der Miniaturisierung der Schussgewichte Spritzgussteile hervorragender Durchmischungsqualität des Kunststoffmaterials erhalten werden.

1: Schneckenzylinder
2: Zwischenstück
4: Austrittsöffnung
6: Düse
8: Verbindungskanal
10: Einspritzkolben
12: Kolbenraum
14: Umschaltventil
16: Angusskanal
18: Kühlkreislauf

Claims

Vorrichtung zum Spritzgießen von Mikrospritzgussteilen aus Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder thermoplastischem Kunststoff, mit einer Misch- oder Plastifiziereinheit, die einen Schneckenzylinder (1), der eine Materialzuführung aufweist, eine Misch- oder Plastifizierschnecke, die drehbar und entsprechend dem Schneckenkolbenprinzip längsbeweglich in dem Schneckenzylinder gelagert ist, und eine Austrittsöffnung (4) zum Ausbringen des Materials aus dem Schneckenzylinder (1) in ein Formwerkzeug umfasst, wobei die Misch- oder Plastifizierschnecke mit jedem Misch- oder Plastifiziervorgang einen dem Volumen des gemischten oder plastifizierten Materials entsprechenden Dosierhub ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Austrittsöffnung des Schneckenzylinders und dem Formwerkzeug eine Düse (6) vorgesehen ist, die einen Kolbenraum (12) mit einem darin beweglich gelagerten Einspritzkolben (10) zum Aufnehmen eines Einspritzvolumens, welches im wesentlichen durch das Volumen des Mikrospritzgussteils gegeben ist, aufweist und die eine Strömungsverbindung zwischen Austrittsöffnung (4), Kolbenraum (12) und Formwerkzeug herstellt, und wobei das Volumen des gemischten/plastifizierten Kunststoffmaterials einem Vielfachen eines Einspritzvolumens entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Austrittsöffnung (4) des Schneckenzylinders (1) und dem Kolbenraum (12) eine Verschlussvorrichtung (14) zur Unterbrechung der Strömungsverbindung zwischen Schneckenzylinder (1) und Kolbenraum (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung (14) einen betätigbaren Kolben (15) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung einen Angusskanal (16) aufweist, der im wesentlichen in das Formwerkzeug mündet, und der im wesentlichen koaxial zu einer Längsachse des Schneckenzylinders (1) orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung einen Verbindungskanal (8) aufweist, der den Angusskanal (16) und den Kolbenraum (12) mit der Austrittsöffnung (4) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenraum (12) und der Verbindungskanal (8) vom Angusskanal (16) im wesentlichen Y-förmig abzweigen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (8) zwei Abschnitte aufweist, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (15) der Verschlussvorrichtung (14) in Schließstellung zumindest partiell in einen der beiden Abschnitte des Verbindungskanals (8) eintaucht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Kolbenraums (12) über mechanische Anschlagvorrichtungen für den Einspritzkolben (10) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkolben (10) hydraulisch betätigbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Kolbenraums (12) in derselben Größenordnung liegt wie der Durchmesser des Angusskanals (16) und des Verbindungskanals (8).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (6) ein Temperiersystem (18) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Düsenkörper Kanäle für ein Temperiermittel vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung für die Ansteuerung der Schnecke, des Einspritzkolbens (10) und der Verschlussvorrichtung (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein ansteuerbares Verschlussventil im Bereich des Angusskanals (16) vorgesehen ist.
Düse zum Herstellen einer Strömungsverbindung zwischen einem Formwerkzeug für Mikrospritzgussteile aus Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder thermoplastischem Kunststoff, und einem dynamischen Mischer oder einem Plastifizieraggregat, wobei die Düse (6) einen Kolbenraum (12) mit einem darin beweglich gelagerten Einspritzkolben (10) zum Aufnehmen eines Einspritzvolumens, welches im wesentlichen durch das Volumen des Mikrospritzgussteils gegeben ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse zur Herstellung einer Strömungsverbindung zwischen dem Kolbenraum (12), dem Formwerkzeug und dem dynamischen Mischer oder dem Plastifizieraggregat dient, wobei die Strömungsverbindung einen Angusskanal (16) aufweist, der im wesentlichen in das Formwerkzeug mündet, und einen Verbindungskanal (8), der den Angusskanal (16) und den Kolbenraum (12) mit dem dynamischen Mischer oder dem Plastifizieraggregat verbindet und dass der Kolbenraum (12) und der Verbindungskanal (8) vom Angusskanal (16) im wesentlichen Y-förmig abzweigen.
Düse nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Strömungsverbindung zwischen dem Kolbenraum (12) und dem dynamischen Mischer oder dem Plastifizieraggregat eine Verschlussvorrichtung (14) zur Unterbrechung der Strömungsverbindung vorgesehen ist.
Düse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussvorrichtung (14) einen betätigbaren Kolben (15) umfasst.
Düse nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (8) zwei Abschnitte aufweist, die im wesentlichen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.
Düse nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (15) der Verschlussvorrichtung (14) in Schließstellung zumindest partiell in einen der beiden Abschnitte des Verbindungskanals (8) eintaucht.
Düse nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (6) ein Temperiersystem (18) aufweist.
Düse nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Düsenkörper Kanäle für ein Temperiermittel vorgesehen sind.
Düse nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein ansteuerbares Verschlussventil im Bereich des Angusskanals (16) vorgesehen ist.
Verfahren zum Herstellen von Mikrospritzgussteilen aus einem Kunststoffmaterial, bevorzugt aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR) oder thermoplastischem Kunststoff, mit den Schritten des Erzeugens eines Vorrats an Kunststoffmaterial durch Mischen oder Plastifizieren des Ausgangsmaterials mit einer Misch- oder Plastifizierschnecke in einer Misch- oder Plastifiziereinheit, des Übertragens eines Teils des gemischten oder plastifizierten Kunststoffmaterials in einen separaten Kolbenraum (12) und des Einspritzens des Materials durch eine Vorschubbewegung eines im Kolbenraum (12) gelagerten Einspritzkolbens (10) in ein Formwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Misch- oder Plastifiziervorgang ein Vielfaches des Volumens des in den Kolbenraum (12) übertragenen Materials erzeugt wird, wobei das Volumen des übertragenen Materials im wesentlichen ein durch das Volumen des Mikrospritzgussteils gegebenes Einspritzvolumen ist, und dass der Schritt des Übertragens sooft wiederholt wird, bis der verbleibende Vorrat kleiner als ein vorgebbarer Minimalwert ist.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übertragen eines Einspritzvolumens der Vorrat an Kunststoffmaterial von der Misch- oder Plastifizierschnecke durch eine Vorschubbewegung mit Druck beaufschlagt wird, während der Einspritzkolben (10) zurückgezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einspritzvorgangs der Kolbenraum (12) vom Kunststoffvorrat abgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Misch- oder Plastifizierschnecke kontinuierlich mit Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mit dem Misch- oder Plastifizierschnecke beaufschlagt wird einen Bruchteil eines üblicherweise bei einer nach dem Schneckenkolbenprinzip arbeitenden Schnecke aufgebrachten Drucks beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass während des Übertragens eines Einspritzvolumens in den Kolbenraum (12) im Formwerkzeug ein durch den vorhergehenden Einspritzvorgang erzeugtes Spritzgussteil aushärtet.