DE112004000054B4

DE112004000054B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgiessen von Kunststoffen

Info

Publication number: DE112004000054B4
Application number: DE112004000054T
Authority: DE
Inventors: Beda Grob
Original assignee: Netstal Maschinen AG; Maschinenfabrik und Giesserei Netstal AG
Current assignee: Netstal Maschinen AG
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: DE112004000054D2; WO2004073955A1

Abstract

Verfahren zum Spritzgiessen von Kunststoffteilen insbesondere in Mehrfachgiessformen, wobei die Schmelze mittels wenigstens einer längsverschiebbaren und rotierenden Plastifizierschnecke aufbereitet, schussweise nach dem Intrusionsprinzip von einem Plastifizierschneckenvorraum in einen Einspritzkolbenvorraum überführt und von einem Einspritzkolben in die Spritzgiessform gepresst wird, wobei die Plastifizierschnecke dauernd rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Steuer-/Regelmitteln beim automatischen Betrieb die Schneckendrehzahl geregelt wird, so dass durch Drehzahlregelung oder zyklusübergreifende Drehzahlanpassung ein vorbestimmbarer Positionsbereich der Plastifizierschnecke innerhalb von Betriebsgrenzen pendelt, und dass von Schuss zu Schuss, vorne wie hinten eine neue Position der Plastifizierschnecke resultieren kann.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgiessen von Kunststoffteilen, nach dem Intrustionsprinzip mit einem Steuer-/Regelsystem, insbesondere mittels Mehrfachgiessformen für Preformen, wobei Schmelze mittels einer längsverschiebbaren Plastifizierschnecke aufbereitet, zyklisch in einen Einspritzkolben überschoben und in die Spritzgiessform gepresst wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum zweistufigen Spritzgiessen von Kunststoffen mit einem Steuer-/Regelsystem, insbesondere mittels Mehrfachgiessformen mit einer längsverschiebbaren Plastifizierschnecke für das zyklische Bereitstellen einer Schmelzemenge, einem Einspritzkolben sowie einem im Takt des Spritzzyklus steuerbaren Schmelzeventil für das Intrudieren der Schmelze in den Einspritzkolbenvorraum.
Beim klassischen Spritzgiessen wird eine bestimmte Schmelzemenge in einem Vorraum einer Plastifizierschnecke bereitgestellt und innerhalb des Werkzeugzyklus in die Kavitäten des Werkzeuges eingespritzt. Mit der Erhöhung der qualitativen Anforderungen, ganz besonders aber der Plastifizierleistung, wurden die beiden Funktionen in baulich getrennten Einheiten in zwei Prozessschritte aufgeteilt:

– Schmelzeaufbereitung in einer rotierenden und längsverschiebbaren Plastifizierschnecke und
– Spritzgiessprozess mittels eines Einspritzkolbens.

Das Intrusionsverfahren setzt voraus, dass die aufbereitete Schmelzemenge von dem Plastifizierschneckenvorraum in den Einspritzkolbenvorraum überführt wird. Man unterscheidet zwischen dem rein zyklischen Überschieben der Schmelze mit stehender Plastifizierschnecke sowie der zyklischen Überführung mit rotierender Plastifizierschnecke, was als Intrusionsprinzip bezeichnet wird. Damit die beiden Prozessschritte nach den je eigenen Parametern optimiert werden können, wird zwischen der Plastifizierschnecke sowie dem Einspritzkolben ein steuerbares Ventil angeordnet, welches nur während der Phase des Schmelzeüberschiebens geöffnet ist. Bei kleinen Maschinenleistungen kann der Einspritzkolben und damit auch der Speicherraum des Einspritzkolbens, der sogenannte "shooting pot", senkrecht oder schräg angeordnet werden. Bei grossen Maschinenleistungen werden aus Platzgründen die Plastifizierschnecke und die Einspritzkolben fast ausschliesslich parallel übereinander angeordnet.

Die DE 195 17 009 A1 zeigt eine typische Ausgestaltung von einer kleinen Maschine, welche nach dem Intrusionsprinzip arbeitet und einen senkrecht angeordneten Einspritzkolben und einen Extruder in horizontaler Lage aufweist. Der "shooting pot" hat eine besondere Ausgestaltung. Im Inneren des Kolbenvorraumes befindet sich eine Hülse, welche die vom Einspritzkolben überschobene Schmelzemenge für einen Schuss aussen umlenkt und unmittelbar an der Spitze des Einspritzkolbens eintreten lässt. Der Vorteil dabei ist, dass die von dem Extruder zuerst überführte Schmelze am nächsten an den Spritzkanal in die Giessform und die zuletzt überführte Schmelze am weitesten weg eingelagert wird. Damit wird die Grundforderung "first in, first out" auf einfache Weise erfüllt. Diese Masssnahme erlaubt zumindest teilweise, eine Verschlechterung der Inhomogenität der Schmelzemasse zu reduzieren. Gemäss der DE 195 17 009 ist die Schnecke Teil eines Extruders. Die Schnecke läuft kontinuierlich weiter und sammelt Kunststoff in der Zeit, in welcher der plastifizierte Kunststoff nicht direkt zur Füllung eines der beiden Speicherräume für eine Doppelmaschine weitergeleitet werden kann. Die Leistung des Extruders einerseits und die für das Einspritzen des Kunststoffmaterials mit dem Einspritzkolben in die Spritzgiessformen, das Abkühlen und Verfestigen des in den Formnestern befindlichen Kunststoffmaterials, ferner die für das Öffnen und Schliessen der Spritzgiessform erforderliche Zeit andererseits können dabei so aufeinander abgestimmt sein, dass die Extruderschnecke kontinuierlich in Betrieb bleibt.

Die EP 0 672 512 A2 zeigt eine weitere Lösung des Standes der Technik, für eine Spritzgiessmaschine mit einem sehr kleinen Schneckendurchmesser von 36 mm. Dabei wird ein verengtes Überführrohr vorgeschlagen, um Inhomogenitäten zu vermeiden. Plastifizierschnecke und Einspritzkolben sind parallel angeordnet. Es werden wesentlich kleinere Gewichtsdifferenzen für die Schussmenge festgestellt.

Die neue Lösung richtet sich vor allem auf die Herstellung von Preformen für die Fabrikation von PET-Flaschen. Die Herstellung von Flaschen aus PET besteht aus zwei Arbeitsgängen. In einem ersten Arbeitsgang wird das PET-Granulat im Spritzgiessverfahren zu einem Vorformling, auch Preform oder Spritzling genannt, spritzgegossen. Hierfür wird das Granulat in einem grossen Silo während 4 bis 6 Stunden bei 170°C getrocknet, damit es einen Restfeuchtegehalt von <30ppm (parts per million) erreicht. Danach wird das getrocknete Granulat über ein Vakuumsystem in einen Trichter (Booster) über die PET-Maschine befördert. Über einen Schlauch rieselt das Granulat in die Plastifiziereinheit, in welcher die Granulatkörner aufgeschmolzen, komprimiert und homogenisiert werden, bevor es in den Einspritzkolben überführt wird. Mit ca. 900 bar oder mehr befördert der Einspritzkolben die Schmelze in das PET-Werkzeug, in dem die Preformen ausgeformt werden. Mittels eines Robotersystems werden die noch heissen Preformen aus dem Werkzeug entnommen und einer Kühlstationen übergeben, wo die Preformen während drei bis vier Spritzzyklen abgekühlt werden. Erst in der zweiten Stufe werden die Preformen einer Streckblasmaschine zugeführt. In einer Heizstrecke werden die Preformen vor dem Blasen mittels kurzwelliger Infrarotstrahlung auf die Umformtemperatur von ca. 90 bis 120°C aufgeheizt, in die Blaskavität eingelegt und in einer kombinierten Reckstangen- und Druckluftumformung ausgeformt. An der kalten Formwand wird der Kunststoff wieder abgekühlt und der Form entnommen. Die Flasche ist nun zum Befüllen für irgend ein flüssiges Konsumgut bereit. Ein wichtiges Kriterium für den Verarbeitungsprozess ist die Qualität der Preformen bzw. der daraus hergestellten PET-Flaschen. Die Qualität der Flasche beruht zum grössten Teil auf der Qualität der Preformen. Die Geometrie und die Wandstärke bestimmen durch das Verstrecken und Aufblasen des Preforms die Wandstärkenverteilung und somit auch die Geometrie der Flasche. Die Preformen nehmen eine wesentliche Rolle bei der Herstellung der PET-Flaschen ein. Aufgrund dessen werden die Preformen folgenden Qualitätsprüfungen unterzogen: Gewicht, Wandstärke, Geometrie, optische Prüfung und geschmackliche Prüfung.

Ein zentraler Parameter ist die geschmackliche Prüfung. Hier ist das Acetaldehyd im Vordergrund, das sich im Verlaufe der Herstellung der Preformen bilden kann. Der Geschmack und Geruch des Füllmediums darf jedoch nicht durch Fremdbestandteile beeinflusst werden. Darum führt man diverse Tests mit den PET-Flaschen durch, wobei Stoffe feststellbar sind, die einen fruchtigen Eigengeschmack haben. Insbesondere bei der Herstellung von Preformen für die Produktion von Mineralwassergetränkeflaschen besteht die Anforderung der Preform-Hersteller darin, den Acetaldehydwert so tief wie möglich zu halten, um den Eigengeschmack des Mineralwassers nicht zu beeinträchtigen. Bei der Verarbeitung von PET kann Acetaldehyd als Spaltprodukt der Polymerketten entstehen. Eine Degradation der Polyesterketten während des Aufschmelzvorganges führt zur Bildung von Acetaldehyd. Die wesentlichen Einflussfaktoren, die zur Bildung von Acetaldehyd beim Spritzgiessen führen können, sind die Temperatur und die Verweilzeit der Schmelze bei hohen Temperaturen. Da der Geschmack und der Geruch ganz besonders bei Mineralwasser nicht durch Fremdbestandteile beeinflusst werden soll, muss der Acetaldehydgehalt in der Flasche und damit auch im Preform so niedrig wie möglich sein. Wasser reagiert besonders empfindlich auf geringste Veränderungen im Geruch und Geschmack. Reinheit, Ursprünglichkeit und Natürlichkeit des Mineralwassers muss auch in der PET-Flasche unantastbar bleiben. Grenzwerte garantieren, dass vom Verbraucher keine geschmackliche Veränderung des Getränks durch Acetaldehyd festgestellt werden kann.

Bei der Granulatherstellung kann nicht verhindert werden, dass ein Rest von Acetaldehyd von bis zu einigen ppm im Granulat verbleibt. Die Erfahrung zeigt, dass beim Spritzgiessvorgang bei der Herstellung von Preformen erneut Acetaldehyd gebildet wird. Hierfür muss zur Erklärung und zur Lösung dieser Problematik eine komplette PET-Anlage im Detail betrachtet werden. Untersuchungen haben ergeben, dass in Bezug auf Acetaldehyd die folgenden Komponenten einer PET-Anlage von Bedeutung sind:

– Trockner
– Plastifiziereinheit • Temperatur • Schneckendrehzahl • Staudruck
– Mischelemente zur Homogenisierung
– Werkzeug (Heisskanalverteiler)

Die jüngste Erfahrung zeigt, dass neben der Frage der Gewichtskonstanz sowie der Homogenität in Bezug auf die Temperatur der Schmelze sich eine Problemsituation bei grössten Schneckendurchmessern von z.B. über 140 mm ergeben kann. Es können zu grosse Temperaturunterschiede und besonders zu grosse Variationen in Bezug auf den Acetaldehydgehalt auftreten, so dass die Performen den Qualitätsanforderungen nicht mehr genügen.

Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, die dominierenden Parameter in der Prozessführung bei hoher Plastifizierleistung zu optimieren, so dass auch bei höchster Plastifizierleistung beste Schmelzequalitäten und im Ergebnis beste PET-Qualitäten erzielbar sind.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze in wenigstens einer Plastifizierschnecke aufbereitet und die Schneckendrehzahl mit einer Automatik so gesteuert/geregelt wird, dass mit dauernder Rotation und möglichst niedriger Drehzahl ein vorbestimmbarer Positionsbereich des Schneckenverschiebeweges erreicht wird.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Steuer-/Regelmittel mit Rechner- und Speichermitteln sowie entsprechend Software für ein dauerndes Drehen wenigstens einer Plastifizierschnecke aufweist, wobei die Schmelze in der wenigstens einen Schnecke aufbereitet und die Schneckendrehzahl mit einer Automatik so steuer-/regelbar ist, dass mit dauernder Rotation bei möglichst niedriger Drehzahl ein vorbestimmbarer Positionsbereich des Schneckenverschiebe-weges erreichbar ist.

Im Zentrum der neuen Erfindung stehen, ausgehend vom Intrusinosprinzip und dem Ziel einer Minimierung der Schmelzeverweilzeit im Schneckenvorraum:

– die Steuer-/Regelung der Plastifizierschneckendrehzahl
– und die dauernde Rotation der Plastifizierschnecke bei möglichst niedriger Drehzahl, ferner
– die Vorbestimmbarkeit von Positionsbereichen des Schneckenverschiebeweges.

Alle bisherigen Versuche haben bestätigt, dass es sich um drei wichtige und kombinatorisch zusammenwirkende Einflussparameter handelt, über welche in günstigem Sinne die Qualitätseigenschaften der Preformen beeinflussbar sind. Der vorbestimmbare Positionsbereich erlaubt eine extrem hohe Konstanz und Gleichmässigkeit für die Schmelzeparameter, was besonders durch die dauernde Rotation bei niedriger Drehzahl zusätzlich unterstützt wird. Mit dem vorbestimmbaren Positionsbereich weist die von Schuss zu Schuss in den Kolbenvorraum intrudierte bzw. überschobene Schmelzemenge eine maximale Konstanz auf.

Die neue Erfindung gestattet, die Schneckendrehzahl und den Schneckenweg und in der Folge auch das Antriebsdrehmoment für die rotative Bewegung der Schnecke ohne Drehmomentspitzen sowie den Schmelzedruck auf einer höheren Stufe zu kontrollieren, um die Schmelzequalität bei höchster Plastifizierleistung sicher zu stellen. Ein besonders wichtiger Punkt liegt darin, dass eine Dosierreserve nahezu entfallen kann, die Schmelzeverweilzeit besonders im Schneckenvorraum reduziert wird und bei vorgegebener Zykluszeit von dem Werkzeug Schnecken mit kleinstmöglicher Drehzahl betreibbar sind. Es ist möglich, besonders bei grössten Durchsatzleistungen, bei bestehenden Maschinen die Kapazität um 15 bis 25% zu erhöhen und die A-A-Werte um bis zu 10% und mehr zu reduzieren. Die Plastifizierschnecke kann näherungsweise wie bei klassischen Extrudern betrieben werden, wobei auch die Überschiebezeit zur Aufbereitung von Schmelze dank der dauernden Schneckendrehung zum Plastifizieren genutzt werden kann.

Die neue Erfindung gestattet eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Lösungen, wofür auf die Ansprüche 2 bis 17 sowie 19 bis 25 Bezug genommen wird.

Die neue Lösung geht aus von der Werkzeugzykluszeit und passt sich für die Schmelzeaufbereitung optimal dieser Zeit an. Vorteilhafterweise gibt die im Automatikbetrieb jeweils vorangehende Werkzeugzykluszeit als Master den Takt für die Steuerung/Regelung der Schnecke vor, wobei als erste Möglichkeit entweder von Hand oder durch ein vorgegebenes Rezept des Steuer-/Regelsystems eine Startdrehzahl vorgegeben und nach zwei oder mehreren Spritzgiesszyklen auf Automatikbetrieb umgeschaltet wird. Beim Start einer neuen Produktionscharge oder bei grösseren Abweichungen kann zur Steuerung/Regelung eine realistische Schneckendrehzahl mit Hilfe der Schneckenkennzahl ermittelt und diese für einen oder mehrere Zyklen zugrunde gelegt wird.

Gemäss einer weiteren Lösung ist vorgesehen, dass das Steuer-/Regelsystem eine Werkzeugzykluszeit-Verlängerung oder -verkürzung sofort erkennt und entsprechend eine reduzierte oder erhöhte Drehzahl für die Schnecke mit Hilfe der Schneckenkennzahl ermittelt und der Steuer-/Regelung vorgibt. Ferner wird der Plastifizierschnecke ein Wegmesssystem zugeordnet. Durch Vorgabe von Wegbandbreiten und entsprechenden vorderen Positionsbereichen für die Schneckenverschiebung kann sichergestellt werden, dass die Plastifizierschnecke nicht auf Anschlag fährt. Durch eine Überwachung der Position der Plastifizierschnecke und der Ziel-Vorgabe eines minimalen Überschieberestes bzw. einer Bandbreite für einen minimalen Übergaberest kann die Schmelzeverweilzeit auf einem Minimum gehalten werden.

Gemäss einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann während dem Intrudieren der Schmelzedruck im Schneckenvorraum überwacht und im Hinblick auf ein schonendes Überschieben der Spritzgiessmasse durch Steuerung-/Regelung der Schneckenverschiebung z.B. in dem Bereich von 200 bis 500 bar optimiert werden. Ein ganz besonders vorteilhafter Lösungsweg ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion des Schneckendurchmessers die Schmelzeaufbereitung in zwei oder mehreren synchron und parallel zu dem Spritzkolben arbeitenden Plastifiziereinheiten erfolgt, welche die Schmelze im gleichen Takt in den Einspritzkolben intrudieren. Bei kritischen Schnecken (ø >140 mm) können zwei oder mehrere Schnecken eingesetzt werden. Die Maschine wird kürzer, ergibt eine kleine Standfläche und wird dadurch preiswerter. Die oben aufgeführten Parameter, welche primär die Qualität bestimmen, bleiben optimal unter Kontrolle. Die Lebensdauer aller Komponenten der Plastifiziereinheiten wird vergrössert, da Drehmomentspitzen verhindert und bei niedriger Drehzahl die Schnecke quasi konstant bei tieferem Antriebsmoment dreht. Es ist ferner möglich, dass zwei oder mehrere parallel arbeitende Plastifiziereinheiten vorgesehen werden, über welche im gleichen Takt auf einen gemeinsamen Einspritzkolben Schmelzemasse schussweise intrudierbar ist.

Bevorzugt werden die Steuer-/Regelmittel ausgelegt für einen Automatikbetrieb, so dass die Schneckenposition durch zyklusübergreifende und/oder permanente Drehzahlanpassung im Bereich von Betriebsgrenzen pendelt. Im Falle eines Störbetriebes mit grösseren Schwankungen wird für den jeweils folgenden Schuss eine neue Drehzahl auf Grund der Schneckenkennzahl ermittelt und für den folgenden Regel-/Steuervorgang genutzt. Wichtig ist, dass dafür die Vorrichtung Sensormittel aufweist für die Schneckendrehzahl und/oder den Schneckenweg und/oder das Motordrehmoment für die rotative Bewegung der Schnecke und/oder den Druck im Schneckenvorraum, damit die Steuer-/Regelprogramme zur Optimierung der Plastifizierleistung und der Schmelzequalität ausgelegt werden können. Besonders im Falle der Herstellung von Preformen weist die Vorrichtung eine Plastifiziereinheit, eine Mehrfachform sowie einen Entnahmeroboter für spritzgegossene Preformen für PET-Flaschen auf, wobei die Spritzgiesszykluszeit durch die Einfahrbewegung des Entnahmeroboters in die geöffneten Formhälften insbesondere für einen vollautomatischen Betrieb festlegbar ist. Die Steuerregelung ist ausgebildet für eine zyklusübergreifende Drehzahlnachführung und/oder für eine Drehzahlnachführung während eines einzelnen Zyklus. Die Plastifiziereinheit weist bevorzugt einen hydraulischen Antrieb für die Axialbewegung und einen elektromotorischen Antrieb für die rotative Bewegung der Schnecke auf. Bei Durchmessern grösser als 140 mm besteht das Problem, dass die qualitativen Forderungen nicht mehr sichergestellt sind. Der Raum zwischen Schnecke und Plastifizierzylinder wird zu gross und, das Verhältnis von Reib-, Scher- und Heizwärme sehr ungünstig, so dass die Homogenität der Schmelze in jeder Beziehung leiden kann. Für grosse Maschinen konnten optimale Resultate erreicht werden, wenn der äussere Durchmesser der Plastifizierschnecke höchstens 140 mm, vorzugsweise 130 mm beträgt, wobei die erforderliche Totalleistung durch zwei, drei oder mehr parallel betriebene Plastifizierschnecken sichergestellt wird. Bei der zur Zeit bevorzugten Lösung weist die Vorrichtung ein gesteuertes Ventil auf für die Schmelzeüberführung von dem Schneckenvorraum in den Einspritzkolbenvorraum.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun an Hand einiger Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten erläutert: Es zeigen:
die 1 eine Gesamtansicht einer Spritzgiessmaschine für Preformen;
die 2a die Kernkomponenten eines Spritzaggregates;
die 2b ein Schnitt B mit nur einer Plastifizierschnecke sowie einem Einspritzkolben;
die 2c ein Schnitt B mit zwei Plastifizierschnecken, welche auf einem Einspritzkolben arbeiten;
die 3a, 3b und 3c drei Ablaufschematas für die neue Erfindung;
die 4a eine schematische Darstellung definierter bzw. vorbestimmter Schneckenpositionsbereiche;
die 4b bis 4d drei Beispiele von verschiedenen konkreten Schneckenverschiebewegen;
die 5, 6, 7 und 8 verschiedene Schriebe aus Versuchsreihen für die wichtigsten veränderlichen Parameter während einigen Minuten Produktion von Preformen;
die 9a bis 9d verschiedene Vergleichs-Messkurven mit rein zyklischem Hub und Intrusionshub des Schneckenhubes und in Bezug auf Schmelzedruck (9a), Drehzahl (9b), Schneckenhub (9c), Drehmoment (9d);
die 10a bis 10c eine Lösung des Standes der Technik mit einem Stop der Dosierschnecke in der hinteren Position.
Wege und Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt die wichtigsten Bauteile einer Spritzgiessmaschine für die Herstellung von Preformen, wobei mit 1 die fertigen Preformen bezeichnet sind. Das Rohmaterial 2 wird in der Form von Granulat über einen Zuführtrichter 3 direkt in die Plastifizierschnecke 4 und von dieser in den Einspritzkolben 5 in der Form von aufbereiteter Schmelze übergeben. Die flüssige Schmelze wird schussweise über einen Heisskanal 6 in die Kavitäten der Formhälften 7 und 8 gespritzt. Nach genügender Temperaturabsenkung der frischen Spritzgiessteile werden die Formhälften 7 und 8 geöffnet, und ein Entnahmeroboter 9 fährt zwischen die offenen Formhälften und übernimmt die noch heissen Preformen, übergibt diese einem Transfergreifer 10, welcher Preformen einem Kühlblock 11 zur Fertigkühlung weiter gibt. Mit Pfeil 12 ist der Abwurf der fertig gekühlten Preformen 1 bezeichnet, wobei einige Beispiele von unterschiedlichen Preformabmessungen dargestellt sind.
Die 2 zeigt die Plastifizierschnecke 4 und den Einspritzkolben 32. Eine Plastifizierschnecke 4 weist rechts in der 2 einen Antriebsstummel 15 mit einem zylindrischen Wellenteil 16 auf. Der Einzugsbereich 17 hat etwa die Länge eines Schneckenganges. Die Plastifizierschnecke 4 ist über die ganze Länge mit unterschiedlichen Schneckenprofilen sowie unterschiedlichen Steigungen ausgebildet. Die erste Zone hat primär eine Förderwirkung und wird als Einzugszone 25 bezeichnet. Anschliessend an die Einzugszone 25 ist eine Barrierezone 26 mit geringer Schneckensteigung. Als letztes folgt eine Meteringzone 27. In der Einzugszone 25 wird von der Plastifizierschnecke 4 trockenes Granulat 2 eingezogen. Es beginnt an der geheizten Zylinderwand 28 sofort ein leichtes Aufschmelzen. Die Barrierezone 26 hat die Aufgabe, Feststoff 2 und Schmelze 30 durch Barrierestege zu separieren. Die Meteringzone hat als Hauptaufgabe, die Schmelze 30 zu homogenisieren und für den jeweils nächsten Schuss im Schneckenvorraum bereitzustellen. Mit dem Bezugszeichen 29 ist ein Mass für einen minimalen Überschieberest 29 am Ende des Überschiebevorganges bezeichnet. Ein wichtiges Kennzeichen einer Plastifizierschnecke 4 ist die doppelte Bewegung. Die Plastifizierschnecke hat Antriebsmittel für eine Längsbewegung (Pfeil 18) sowie Antriebsmittel für eine Rotationsbewegung (Pfeil 19). Die 2a zeigt eine ganze Einspritzeinheit 31, wobei im unteren Bildteil ein Einspritzkolben 32 ist, welcher über einen Hydraulikzylinder 33 über entsprechende Steuermittel im Zyklus des Einspritzzyklusses bewegt wird. Dieser Teil wird als bekannt vorausgesetzt. Vorgelagert dem Einspritzkolben 32 ist ein Schmelzedepot 34, welches schussweise über eine Hotrunnerdüse 35 in die Kavitäten der Form gespritzt wird. Im Rhythmus des Spritzzyklusses wird ein Ventil 36 geöffnet und geschlossen, so dass entweder eine Schussmenge von der Plastifizierschnecke 4 an den Einspritzkolben 32 übergeben oder von dem Einspritzkolben 32 in die Kavitäten gespritzt wird. Die Plastifizierschnecke rotiert ständig in einem engen Bandbereich in Bezug auf Drehzahlvariationen. Die 2b zeigt eine Lösung, bei der eine Plastifizierschnecke 4 auf einem Einspritzkolben 32 arbeitet. Die 2c zeigt eine Lösung, bei der zwei Plastifizierschnecken 4 auf einem Einspritzkolben 32 arbeiten.
Die 3a, 3b und 3c zeigen drei Beispiele des zeitlichen Ablaufs für den Werkzeugzyklus und die daran angepasste Schmelzeaufbereitung. Beim Anfahren der Anlage werden folgende Daten erfasst:

1. Werkzeugzykluszeit: Einspritzen, Nachdruck, Kühlen, Werkzeug Öffnen, Roboter-Entnahme, Werkzeug Schliessen
2. Schneckenweg beim Dosieren
3. Dosierzeit
4. Dosierdrehzahl

Mit Hilfe dieser Daten und einer Schneckenkennzahl kann der Intrusions-Automatikbetrieb aktiviert werden.
Schneckenkennzahl:
Die Schneckenkennzahl beschreibt den Fortschrittsgrad der Schnecke beim Dosieren und ist abhängig von der Schneckengeometrie. Die Schneckenkennzahl unterliegt aber auch Plastifiziereinflüssen und kann daher während der Produktion, beispielsweise bei der Zugabe von Farbe, schwanken. Die Schneckenkennzahl kommt an verschiedenen Stellen zur Bestimmung einer neuen Drehzahl zum Tragen, wofür Dosierschwankungen sowie das Plastifiziervermögen berücksichtigt sind. Mit Hilfe einer Schneckenkennzahl kann die real benötigte Drehzahl für die Regelung/Steuerung erfasst und eingespeist werden. Die Drehzahl wird dabei einem Weg zugeordnet, so dass nach dem Transfer mit Intrusion ein optimal kleiner Überschieberest (29) in einer gewünschten Bandbreite resultiert.
Die 3a bis 3c zeigen drei Beispiele für die logische Verknüpfung zwischen Plastifiziervorgang und Werkzeugablauf. Die 3a zeigt das Grundprinzip des Prozessablaufes. Die Werkzeug-Zykluszeit dient grundsätzlich als Master für den Plastifiziervorgang und setzt sich aus den Zeiten: Einspritzen, Nachdruck, Kühlung, Werkzeug öffnen, Entnahme der Spritzlinge und Werkzeug schliessen zusammen. Der frühestmögliche Zeitpunkt den Schmelzetransfer mit Intrusion in den Einspritzkolben zu starten, ist nach Beendigung des Kolbenrückzuges. Der Prozessablauf wird auf diese Weise gesteuert/geregelt, dass der Kolben immer mit der erforderlichen Plastifikatmenge auf seine Endposition geschoben wird, bevor wieder ins Werkzeug eingespritzt werden kann. Das Plastifikat verweilt während der Pufferzeit im Spritzkolben. Die durch das Werkzeug vorgegebene Zykluszeit wird dabei nicht durch den Plastifiziervorgang beeinflusst.
Die 3b zeigt die Verzögerungszeit zur Reduktion der Schmelze-Verweilzeit im Kolben. In Abhängigkeit der einzelnen Prozesszeiten kann die Pufferzeit, in der das Plastifikat im Einspritzkolben verweilt so gross werden, dass die Schmelze übermässig thermisch belastet wird. In solchen Fällen wird gemäss der neuen Erfindung nach dem Kolbenrückzug eine Verzögerungszeit aktiv, damit eine bestimmte Pufferzeit nicht überschritten und somit das Plastifikat nicht unnötigen Verweilzeiten ausgesetzt wird. Der Prozessablauf wird dabei auf diese Weise gesteuert/geregelt, dass die Pufferzeit immer mehr als 0 Sekunden beträgt und somit die durch das Werkzeug vorgegebene Zykluszeit nicht durch den Plastifiziervorgang beeinflusst wird.
Die 3c zeigt die Kompensation von Dosierschwankungen. Beim Plastifizieren können insbesondere bei der Zugabe von Additiven Dosierschwankungen auftreten. Daraus können von Zyklus zu Zyklus unterschiedliche Dosierzeiten resultieren. Der Prozessablauf für die Plastifizierung wird gemäss der neuen Lösung auf diese Weise gesteuert/geregelt, dass zyklusübergreifende Schwankungen der Dosierzeit "gepuffert" werden ohne die durch das Werkzeug vorgegebene Zykluszeit zu beeinflussen.
Die 4a zeigt ein Beispiel mit 4 Bereichen A, B, C, D in Bezug auf den Schneckenvorraum. Die 4b, 4c und 4d zeigen drei Beispiele für konkrete Verschiebewege der Plastifizierschnecke.

In der vorderen Schneckenposition wird der Überschieberest (29) erfasst. Dabei können vier Fälle eintreten (4):

Bereich A:	Der Überschieberest 29 liegt unterhalb der gewünschten Bandbreite ⇨ es folgt eine Drehzahlerhöhung.
Bereich B:	Der Überschieberest 29 liegt in der gewünschten Bandbreite ⇨ die aktuelle Drehzahl wird übernommen.
Bereich C:	Der Überschieberest 29 liegt oberhalb der gewünschten Bandbreite ⇨ die Drehzahl wird reduziert.
Bereich D:	Die Drehzahl liegt weit oberhalb oder unterhalb der gewünschten Bandbreite (Störungen, instabiler Prozess, usw.) ⇨ die neue Drehzahl wird mit Hilfe einer neuen Schneckenkennzahl ermittelt.

Werden zykluszeitbestimmende Eingaben gemacht, wird dies sofort erkannt und unmittelbar oder zyklusübergreifend die Drehzahl mit Hilfe von einer Schneckenkennzahl korrigiert. In allen Fällen wird neben der Drehzahl auch ein Mindestweg vorgegeben, den die Schnecke in jedem Fall zurücklegen muss. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Schnecke in einem Folgezyklus auch bei spontaner Schwankung oder einer Störung auf Anschlag fährt.
Schneckenposition hinten:
Zur Bestimmung der Intrusionsparameter, wenn die Schnecke ihre hintere Position erreicht hat, gelten folgende Bedingungen:
E wenn: Nachdruck/Kolbenrückzug beendet und Mindestweg überschritten
dann: Intrusion Starten
F wenn: Nachdruck/Kolbenrückzug beendet und Mindestweg nicht erreicht
dann: Weiterdosieren bis Mindestweg erreicht
dann: Intrusion Starten
Dass der Mindestweg nicht "rechtzeitig" erreicht wird tritt einerseits dann ein, wenn sich beispielsweise durch Farbzugabe das Dosierverhalten verschlechtert. Dabei reduziert sich die Schneckenkennzahl, weil eine längere effektive Dosierzeit resultiert. Der Fall F tritt aber auch ohne Veränderung der Schneckenkennzahl ein, wenn die Einspritz- bzw. Nachdruckzeit verstellt wird. Dies wird jedoch sofort erkannt, und es folgt unmittelbar oder zyklusübergreifend eine Drehzahlkorrektur mit Hilfe von SK und der veränderten zur Verfügungen stehenden Zeit.
Wenn: n_{d neu} > n_max dann: n_{d neu} = n_{d max}
Wenn die maximale Drehzahl vorliegt, kann die Prozessführung nur über den Schneckenweg definiert werden. Mit der Drehzahl n_d
max, die eigentlich zu klein ist, reicht dann der minimale Schneckenendpunkt als Wegvorgabe nicht aus. Entsprechend wird ein grösserer Mindestweg definiert. Bis dieser erreicht wird, muss der Kolben warten, so dass in der Schneckenposition hinten voraussichtlich der Fall F eintritt. Damit läge für das Intrudieren weiterhin n_{d max} vor.
In der Position vorne wird wieder Fall A bis D überprüft, usw.
Die 5 bis 8 zeigen Beispiele von Aufschrieben für die wichtigsten Regelparameter:

– der Schneckendrehzahl (RPM)
– des hinteren Schnecken-Verschiebebereiches (mm)
– des vorderen Schnecken-Verschiebebereiches (mm)
– des Drehmomentes kNm des Schnecken-Antriebsmotores.

Alle Aufschriebe sind dargestellt über der Zeit von 0 bis 200 Sekunden.
In der 5 wurde die Kühlzeit im Werkzeug und damit die ganze Werkzeugzykluszeit von 2 Sekunden verlängert. Für die Steuerung der Schmelzeaufbereitung wird dies als Störgrösse erkannt und im Zeitpunkt 11 Sekunden sofort mit einer Drehzahlabsenkung reagiert. Man erkennt, dass in der Folge sowohl vorne wie hinten eine neue Position für den Verschiebeweg resultiert, im hinteren Bereich pendelt die Position zwischen 185 und 205 mm. Im vorderen Bereich zwischen 8 und 35 mm. Das Drehmoment schwankt nur innerhalb eines engen Bereiches von 3 und 5 kNm.
Die 6 zeigt ein Beispiel, bei dem die Kühlzeit eines Werkzeuges um 2 Sekunden reduziert wird. Dadurch wurde die ganze Werkzeugzykluszeit um 2 Sekunden reduziert. Die Folge ist eine Erhöhung der Schneckendrehzahl von 51 bis auf über 60 RPM. Gleichzeitig findet eine Wegreduktion von 190 auf 180 mm statt.
Die 7 zeigt von 0–60 Sekunden zwei Spritzzyklen beim Anfahren eines neuen Spritzauftrages. Zwei Spritzzyklen werden "von Hand gefahren". Die produzierten Preformen werden aus den offenen Formen ausgestossen und fallen als Ausschuss nach unten in einen Auffangbehälter. Bei 60 Sekunden wird auf "Automatik" geschaltet, wobei nunmehr ein Roboter innerhalb einer vorgegebenen Werkzeugzykluszeit die Preform den offenen Formen entnimmt. Auch hier erkennt man, dass über die Steuerung/Regelung schon nach einigen Zyklen eine optimale Schneckendrehzahl sowie ein optimaler Schneckenverschiebebereich erreicht wird.
Die 8 zeigt die Situation drei Minuten nach dem Start. Für jeden Werkzeugzyklus bzw. Schuss sucht die Steuerung/Regelung optimale Werte:

1. für eine möglichst tiefe Schneckendrehzahl
2. für einen optimalen Schneckenverschiebeweg
3. für einen minimalen Überschieberest (29).

In jedem Fall orientiert sich die Regelung an der Vorgabe der dauernden Rotation der Plastifizierschnecke bei möglichst niedriger Drehzahl mit möglichst kurzer Verweilzeit der Schmelze im Schneckenvorraum. Es wird dadurch eine hohe Konstanz der Qualitätsparameter erreicht und die mechanische Beanspruchung der Maschinenteile mit der tieferen Drehzahl der Plastifizierschnecke und einer beinahe konstanten Schneckendrehzahl auf einem tiefstmöglichen Niveau gehalten, so dass eine längere Lebensdauer erreicht wird. Durch Vermeiden von Drehmomentspitzen wird auch der ganze Antrieb weniger belastet.
Die 9a bis 9d zeigen in Bezug auf die folgenden Parameter:

– Schmelzedruck (9a)
– Drehzahl (9b)
– Schneckenhub (9c)
– Drehmoment (9d)

In der 9a erkennt man das langsamere Überschieben und die Drehzahl-absenkung, was beim Intrudieren kleinere Schmelzedrücke verursacht. Die niedrigeren Schmelzedrücke begünstigen eine schonende Materialaufbereitung.
Die 9b zeigt bei der Intrusion die Reduktion der Dosierdrehzahl bei gleicher Plastifizierleistung. Die leichte Absenkung der Drehzahl beim Intrudieren schont die Schmelze. Das kontinuierliche Drehen der Schnecke begünstigt das Einzugsverhalten. Eine Teilbefüllung der Schneckengänge, wie dies beim Überschieben mit stehender Schnecke der Fall ist entfällt.
Die 9c zeigt, dass im Falle der Intrusion etwa 15% der Schmelze beim Überschieben plastifiziert wird. Daraus resultiert ein entsprechend kleinerer maximaler Schneckenhub. Es folgt eine geringere Verkürzung der aktiven Schneckenlänge und dadurch ein besseres Betriebsverhalten. Die Kapazitätserhöhung erlaubt ein etwas langsameres Überschieben ohne Zykluszeiteinbussen.
Die 9d zeigt, dass aufgrund der kleineren Dosierdrehzahl mit der Intrusion auch ein kleineres mittleres Dosiermoment resultiert. Die Drehmomentspitze beim Dosierstart entfällt beim Intrudieren. Es resultiert lediglich ein leichter Drehmomentanstieg. Für Schneckenantrieb und Getriebe liegen näherungsweise stationäre Bedingungen vor. Weniger Verschleiss und Erhöhung der Lebensdauer dieser Bauteile ist einer der nicht zu unterschätzende Vorteile der neuen Lösung.
Figurenbeschrieb zu 4a bis 4d:

I

= Erfindungsgemässe Lösung mit unterbrechungsfreier Drehbewegung der Dosierschnecke bzw. mit dauernder Rotation

Figurenbeschrieb zu 10a bis 10c:

II

= Lösung des Standes der Technik mit der Vorgabe der rückwärtigen Dosierschneckenstellung mit Korrektur für die Folgezyklen ausgehend von der Stop-Position

II.1

= Definierter vorgegebener Start für den ersten Giesszyklus sowie Stop für das Ende des Dosiervorganges

Claims

Verfahren zum Spritzgiessen von Kunststoffteilen insbesondere in Mehrfachgiessformen, wobei die Schmelze mittels wenigstens einer längsverschiebbaren und rotierenden Plastifizierschnecke aufbereitet, schussweise nach dem Intrusionsprinzip von einem Plastifizierschneckenvorraum in einen Einspritzkolbenvorraum überführt und von einem Einspritzkolben in die Spritzgiessform gepresst wird, wobei die Plastifizierschnecke dauernd rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Steuer-/Regelmitteln beim automatischen Betrieb die Schneckendrehzahl geregelt wird, so dass durch Drehzahlregelung oder zyklusübergreifende Drehzahlanpassung ein vorbestimmbarer Positionsbereich der Plastifizierschnecke innerhalb von Betriebsgrenzen pendelt, und dass von Schuss zu Schuss, vorne wie hinten eine neue Position der Plastifizierschnecke resultieren kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensormitteln die Schneckendrehzahl und/oder Schneckenweg und/oder das Motordrehmoment für die rotative Bewegung der Schnecke und/oder der Druck im Schneckenvorraum überwacht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regelmittel ausgelegt sind für einen automatischen Betrieb, so dass die Schneckenposition mit Veränderung der Intrusionszeit durch Regelung oder zyklusübergreifende Anpassung der Überschiebegeschwindigkeit innerhalb Betriebsgrenzen pendelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke dauernd rotiert und Störungen durch Drehzahlvariationen ausgeglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Längsbewegung der Plastifizierschnecke aus der Regelung/Steuerung derart beeinflusst wird, dass die Plastifizierschnecke nicht auf Anschlag fährt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessablauf in der Weise gesteuert/geregelt wird, dass der Einspritzkolben beim Schmelzeüberschieben immer mit der erforderlichen Plastikatmenge auf seine Endposition geschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Plastifizierschnecke und der Positionsbereich des Schneckenverschiebeweges dauernd überwacht wird mit der Zielvorgabe eines minimalen Überschieberestes in dem Schneckenvorraum für jeden Spritzzyklus
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal für den Start der Intrusion auf die Weise gesetzt wird, dass die Schmelzeverweilzeit im Einspritzkolben auf einem Minimum gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Intrudieren der Schmelzedruck im Schneckenvorraum im Hinblick auf ein schonendes Überschieben der Spritzgiessmasse in den Einspritzkolben durch Steuerung/Regelung der Schneckenverschiebung überwacht und optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Plastifizierschnecke für das Überschieben zum Absenken der Schmelzedrücke, insbesondere in einen Bereich von 200–500 bar, abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Intrudieren die Plastifizierung aufrechterhalten und vorzugsweise die freie Ladezeit des Spritzkolbens ausgenützt wird, wobei die Überschiebemenge aus der bei Beginn des Überschiebens bereits vorbereiteten Schmelzemenge sowie der während dem Überschieben aufbereiteten Schmelzemenge von beispielsweise 10–15% besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrmenge an Plastifizierung während des Überschiebens für ein entsprechend langsameres und schonenderes Überschieben genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die im Automatikbetrieb jeweils vorangehende Werkzeugzykluszeit als Master den Takt für die Steuerung/Regelung der Schnecke vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass entweder von Hand oder durch ein vorgegebenes Rezept des Steuer-/Regelsystems eine Startdrehzahl vorgegeben und nach zwei oder mehreren Spritzgiesszyklen auf Automatikbetrieb umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung/Regelung für eine zyklusübergreifende Drehzahlnachführung und/oder für eine Drehzahlnachführung während eines einzelnen Zyklus ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung/Regelung eine Schneckendrehzahl mit Hilfe der Schneckenkennzahl ermittelt und diese einem oder mehreren Zyklen zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuer-/Regelsystem eine Werkzeugzykluszeit-Verlängerung oder -verkürzung erkennt und entsprechend eine reduziert oder erhöhte Drehzahl für die Schnecke ermittelt und der Steuerung/Regelung vorgibt.
Vorrichtung zum Spritzgiessen von Kunststoffen mit einem Steuer-/Regelsystem, insbesondere in Mehrfachgiessformen, mit wenigstens einer längsverschiebbaren und rotierenden Plastifizierschnecke für das zyklische Bereitstellen einer Schmelzemenge, die schussweise nach dem Intrusionsprinzip von einem Plasfitizierschneckenvorraum in einen Einspritzkolbenvorraum überführbar und vom Einspritzkolben in die Spritzgiessform pressbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steuer-/Regelmittel die Plastifizierschneckendrehzahl bei dauernder Rotation so steuer-/regelbar ist, dass ein variierender, vorbestimmter Positionsbereich der Plastifizierschnecke innerhalb von Betriebsgrenzen erreichbar ist und dass von Schuss zu Schuss, vorne wie hinten eine neue Position der Plastifizierschnecke resultieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regelmittel ausgelegt sind für einen Automatikbetrieb, bei dem die Schneckenposition regelbar ist und/oder durch zyklusübergreifende Drehzahlanpassung im Bereich von Betriebsgrenzen pendelt.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Störbetriebes mit grossen Schwankungen eine neue Drehzahl ermittelbar und für den folgenden Regel-/Steuervorgang nutzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie Sensormittel aufweist für die Schneckendrehzahl und/oder den Schneckenweg und/oder das Motordrehmoment für die rotative Bewegung der Schnecke und/oder den Druck im Schneckenvorraum.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Plastifizierschnecke ein Wegmesssystem sowie ein Druckmesssystem zugeordnet ist und die Steuer-/Regelmittel ausgelegt sind für eine Reduktion des Schmelzedruckes durch ein entsprechend langsameres Überschieben der Schmelze während der Intrusionsphase.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-/Regelmittel so ausgelegt sind, dass die Schussmenge aus der am Beginn der Überschiebung vorbereiteten Schmelzemenge plus der während dem Überschieben aufbereiteten Schussmenge besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung/Regelung derart ausgelegt ist, dass die Regelung der Schneckendrehzahl oder Schneckenüberschiebegeschwindigkeit aufgrund des Überschieberestes in Bandbreiten veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei oder mehrere parallel arbeitende Plastifiziereinheiten aufweist, von denen im gleichen Takt die Schmelzemasse auf einem gemeinsamen Einspritzkolben schussweise intrudierbar ist.