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Verfahren zum Betrieb einer Spritzgießmaschine und Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens zum Betrieb einer Spritzgießmaschine zur Verarbeitung
von Kunststoffen mit einer in axialer Richtung in einem solchen Maße verschiebbaren
Schnecke, daß der vor dem Schneckenkopf befindliche Füllraum (Spritzkopfraum) nur
einen Bruchteil des maximal zu füllenden Formhohlraumes beträgt, und mit einem sich
in Einspritzrichtung verjüngenden Schneckenkopf, der in einen entsprechend ausgebildeten
Spritzkopfraum eintaucht.
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Es sind Spritzgießmaschinen zur periodischen Herstellung von Formkörpern
aus Kunststoffen bekannt, bei denen eine Schnecke durch Rotation die aufgegebenen
thermoplastischen Kunststoffe plastifiziert und durch Axialverschiebung der Schnecke
die Schmelze in die Form einspritzt. Ferner sind auch Maschinen bekannt, bei denen
eine nur rotierende Schnecke die Aufgabe des Plastifizierens und ein Kolben die
Funktion des Einspritzens ausüben. Bei diesen bekannten Maschinen wird die Schnecke
bzw. der Kolben in einem solchen Maße axial verschoben, daß der vor dem Schneckenkopf
bzw. vor der Kolbenstirnfläche im Zylinder befindliche Füllraum (Spritzkopfraum)
mindestens dem maximal zu füllenden Formhohlraum entspricht. Das auf solchen Maschinen
herzustellende maximale Spritzlingsgewicht ist also durch den maximalen axialen
Hub der Schnecke bzw. des Kolbens begrenzt.
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Weiterhin sind bereits Spritzgießmaschinen bekannt, bei denen die
Schnecke den aufgegebenen Kunststoff allein durch Rotation sowohl plastifiziert
als auch in die Form füllt. Derartige bekannte Anordnungen haben aber gewisse Nachteile.
Infolge des Abkühlungsprozesses, der schon während der Formfüllung beginnt und im
wesentlichen nach beendeter Formfüllung abläuft, schrumpft der in der Form befindliche
Kunststoff. Wird nun nicht - wie bei den bekannten Spritzgießmaschinen - zum Ausgleich
dieser Schrumpfung weiterer plastifizierter Kunststoff unter Druck nachgefördert,
so treten am Fertigteil Einfallstellen, Lunker, Abweichungen von den Formmaßen und
Verminderungen der Festigkeitseigenschaften ein. Soweit nur durch Rotation der Schnecke
während des Abkühlprozesses Kunststoff nachgeför dert wird, reicht der dabei erzeugte
Druck nicht in allen Fällen zum Schwundausgleich aus. Durch das ständige Rotieren
der Schnecke wird - da keine nennenswerte Materialförderung mehr stattfindet -der
gesamte in der Schnecke bzw. im Schneckenzylinder befindliche Kunststoff in einem
solchen Maße dünnflüssig, daß sich kein Förderdruck mehr aufbaut,
weil der flüssige
Kunststoff unter Druckeinwirkung in den Schneckengängen zurückweicht. Außerdem wird
durch das Drehen der Schnecke während des Abkühlvorganges der Kunststoff um so leichter
überhitzt, je friktionsempfindlicher er ist. Besonders bei langen Abkühlzeiten für
dickwandige Teile tritt dann schließlich eine chemische Vernetzung oder Zersetzung
des überhitzten Kunststoffs ein.
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Von Extrudern und Schneckenpressen her ist es bekannt, die Schnecke
mit einem sich in Richtung der Düse verjüngenden Schneckenkopf zu versehen, der
in ein entsprechend ausgebildetes Kopfstück des Zylinders eintaucht. Schneckenkopf
und Zylindergehäuse bilden auf diese Weise eine Ventilanordnung, die es gestattet,
auf den kontinuierlich ausströmenden Kunststoff einen konstanten Druck auszuüben,
da die Schnecke unter dem kombinierten Druck einer Druckflüssigkeit und einer einstellbaren
Druckfeder steht.
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Mit dieser bekannten kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung soll erreicht
werden, daß der gleichmäßig aus der Düse des Extruders austretende Kunststoff stets
gleiche Dichte aufweist. Der Spalt zwischen Schneckenkopf und Kopfstück des Zylinders
ist zwar - je nach den Erfordernissen des zu verarbeitenden Kunststoffs - einstellbar,
bleibt aber während des kontinuierlichen Herstellungsverfahrens konstant.
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Diese bekannten Anordnungen sind für ein diskontinuierliches Arbeitsverfahren
- d. h. für die periodische Produktion gleicher Formteile von gleichbleibender
Qualität
- ungeeignet, da es nicht möglich ist, die axiale Lage der Schnecke (und damit den
Spalt) auch innerhalb eines Arbeitszyklus steuerbar zu verändern.
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Weiterhin sind Schneckenpressen zur Verarbeitung von organischen
plastischen Massen bekanntgeworden, bei denen zwei oder mehrere mit exzentrischem
Kern ausgebildete Schnecken unmittelbar nebeneinander, jedoch ohne Ineinandergreifen
ihrer Gänge, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Derartige Schneckenpressen
bezwecken eine innige Mischwirkung der plastifizierten Teilchen und sind für einen
diskontinuierlichen Prozeß ungeeignet. Die Schnecken sind nicht axial bewegbar,
und auf die Schnecken kann auch kein einstellbarer axialer Druck zur Beeinflussung
der Plastifizierwirkung aufgebracht werden.
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Mit den in Versuchen erprobten erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen
ist es nun gelungen, unter Beibehaltung der Vorteile der bisher bekannten Systeme
deren Nachteile zu beseitigen und hochwertige Formteile aus allen thermoplastischen
Kunststoffen zu erzeugen.
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Das ertindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Spritzgießmaschine
zur Verarbeitung von Kunststoffen mit einer in axialer Richtung in einem solchen
Maße verschiebbaren Schnecke, daß der vor dem Schneckenkopf befindliche Füllraum
(Spritzkopfraum) nur einen Bruchteil des maximal zu füllenden Formhohlraumes beträgt,
und mit einem sich in Einspritzrichtung verjüngenden Schneckenkopf, der in einen
entsprechend ausgebildeten Spritzkopfraum eintaucht, ist dadurch gekennzeichnet,
daß die axiale Lage der Schnecke jeweils entsprechend aller ihrer augenblicklichen
Funktionserfüllungen von außen gesteuert wird.
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Zur Herstellung eines Formteiles muß die Schnecke innerhalb eines
Spritzzyklus entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nun folgende Funktionen
erfüllen: Zu Anfang eines neuen Arbeitszyklus befindet sich die Schnecke unter dem
Einfluß des Verschluß druckes - der vom vorausgegangenen Zyklus her noch auf dem
Schneckenkolben lastet - in vorderer, düsenseitiger Lage, d. h., der Schneckenkopf
bzw. die Schneckenspitze bildet mit dem Zylinderkopf eine Dichtung, wie später noch
näher erläutert wird. Bei beginn der Plastifizierung - nach Einschaltung der Rotation
der Schnecke - wird eine Förderung des Kunststoffs in die Form infolge des auf den
Schneckenkolben wirkenden Verschlußdruckes so lange steuerbar unterbunden, bis der
Kunststoff, der sich im vorderen konischen Abschnitt des Schneckenzylinders befindet
und der während des vorausgegangenen Entformungsvorganges an Temperatur und damit
an Fließfähigkeit verloren hat, durch Scherung wieder so weit aufgeschmolzen ist,
daß er die für den Formfüllprozeß notwendige Dünnflüssigkeit erreicht hat. Dann
wird vom Verschluß druck auf Fülldruck heruntergeschaltet.
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Die Schnecke plastifiziert nun durch Erzeugung von Scherkräften,
zum Teil unter Mitwirkung äußerer Beheizung in der vom Extruder her bekannten Weise,
den aufgegebenen thermoplastischen Kunststoff und transportiert ihn mit dem durch
Rotation in ihm erzeugten Förderdruck in die Form. Während dieses Prozesses befindet
sich die Schnecke in ihrer vorderen düsenseitigen Lage, in der sie durch den steuerbar
einzustellenden Fülldruck - der hydraulisch,
pneumatisch, mechanisch oder auf andere
Weise aufgebracht werden kann - gehalten wird. Auf diese Weise bilden der konische
Teil des Schneckenkopfes und der entsprechend ausgebildete Zylinderkopf einen Arbeitsspalt.
Die Größe dieses Arbeitsspaltes wird eingestellt durch den auf den Schneckenkolben
wirkenden steuerbar veränderlichen Fülldruck. Der jeweils zu verarbeitende Kunststoff
und die für die jeweilige Form erforderliche Dünnflüssigkeit bestimmen die Breite
des Arbeitsspaltes. In Versuchen konnte ermittelt werden, daß der auf dem Schneckenkolben
aufgebrachte Fülldruck linear proportional der im Arbeitsspalt erzeugten Temperatur
und damit der Viskosität bzw. der Fließfähigkeit der Kunststoffmasse ist.
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Sobald die Form gefüllt ist und der Kunststoff die Schneckengänge
nicht mehr verlassen kann, baut sich ein erhöhter Förderdruck auf, der den steuerbar
veränderlich eingestellten Fülldruck überwindet und die Schnecke zurückdrückt, wie
dies bei den bekannten Schnecken-Spritzgießmaschinen bereits bekannt ist.
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Im Gegensatz zur Schnecke bei den bekannten Maschinen wandert die
Schnecke der erfindungsgemäßen Anordnung aber nur eine geringe, steuerbar veränderlich
einstellbare Strecke zurück, um gerade den Schwund ausgleich in der Form zu decken.
Während dieses kurzen Zurückwanderns der Schnecke sammelt sich nämlich plastifizierter
Kunststoff vor dem Schneckenkopf an, der während des Abkühlvorganges des Formteiles
in der Form unter der Wirkung eines dem Schrumpfprozeß angepaßten steuerbaren Nachdruckes
durch die Axialverschiebung der nicht rotierenden Schnecke in die Form eingepreßt
wird. Infolge der Nachförderung von plastifiziertem Kunststoff wandert die Schnecke
während des Abkühlvorganges wieder in die vordere düsenseitige Lage.
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Sobald diese erreicht ist, wird von dem Nachdruck auf Verschlußdruck
umgeschaltet, so daß die Schneckenspitze den Schneckenzylinder wieder abdichtet.
Dadurch wird vermieden, daß nach Abheben der Form von der Düse bzw. der Düsenabhebung
von der Form plastifizierter Kunststoff aus dem Zylinder austritt. Das in der Form
inzwischen erkaltete Teil kann in bekannter Weise entformt werden, der nächste Arbeitszyklus
kann beginnen. Durch die erfindungsgemäß ausgeführte Dichtung des Schneckenzylinders
durch die Schneckenspitze wird das Herausziehen des Angußpfropfens erleichtert,
da dieser von dem Kunststoff im vorderen Teil des Schneckenzylinders abgetrennt
ist.
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Erfindungsgemäß wird das durch den Einfülltrichter aufgegebene Kunststoff-Rohmaterial
zunächst in der Schnecke vorplastifiziert und unter Mitwirkung der äußeren Beheizung
bis auf Schmelztemperatur gebracht. Im vorderen düsenseitigen Teil des Schneckenzylinders,
d. h. in dem Schneckenkopf und/oder in den vorderen Schneckengängen wird die vorplastifizierte
Gießmasse unter der Wirkung starker Scherkräfte infolge der Rotation und des steuerbar
veränderlichen Fülldruckes während des Formfüllvorganges kurzzeitig überhitzt und
damit auf eine sehr geringe Viskosität gebracht. Dadurch erhält der Kunststoff die
für die Füllung der Form und die Herstellung von Formteilen hochwertiger Struktur
erforderliche Dünnflüssigkeit. Die Erfahrung zeigt, daß sehr kurzzeitige Überhitzungen
keine Schädigungen der Kunststoffmasse verursachen, und zwar auch nicht bei solchen
Stoffen, die eine kurze Reaktionszeit
haben oder die, wie z. B.
Polyvinylchlorid, sehr leicht zur Zersetzung neigen. Infolge der Überhitzung bleibt
die hohe Fließfähigkeit des Kunststoffs während des Füllvorganges in die Form erfindungsgemäß
noch länger erhalten, denn die Wärmeabführung durch die Wandungen der Form dauert
wesentlich länger als die Erzeugung von Wärme durch Scherkräfte im Kunststoff.
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In Ausführung des Erfindungsgedankens ist die Konizität des in an
sich bekannter Weise kegelig glatten oder mit Schneckengängen ausgerüsteten Schneckenkopfes
geringer ausgeführt als die entsprechende Verjüngung des in an sich ebenfalls bekannter
Weise glatten oder mit Konturen versehenen Spritzmundstückes oder des Zylinderkopfes.
Durch diese Ausbildung des Spritzzylinderkopfes bilden die innere konische Zylinderwand
und der vordere Schneckenkopf einen Spalt, dessen Größe über der Länge des Schneckenkopfes
in Richtung auf die Düsenöffnung hin stetig abnimmt. Mit Hilfe dieser erfindungsgemäß
abnehmenden Spaltbreite wird eine in Richtung auf die Austrittsbohrung progressiv
steigende Scherwirkung erreicht. Die Größe des Spaltes ist mit Hilfe der geringen
axialen Verschiebung der Schnecke zu einem beliebigen Zeitpunkt des Arbeitsablaufes
der Schnecke steuerbar veränderlich.
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Die in Richtung auf die Austrittsbohrung hin zunehmende Scherwirkung
wird erfindungsgemäß noch dadurch verbessert, daß der konische Teil des Schneckenkopfes
Gewindegänge aufweist, deren Teilung in Einspritzrichtung abnimmt.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ausführungsformen der Spritzgießmaschine wird eine ausgezeichnete Förder-, Reinigungs-
und Knetwirkung des Kunststoffs erreicht. Ein Anbrennen oder Haften des Kunststoffs
wird durch das erfindungsgemäß über der Länge des kegeligen Abschnittes im Schneckenkopf
bzw. Zylinderkopf wechselnde Schergefälle unter Mitwirkung der hohen Strömungsgeschwindigkeit
des aufgeschmolzenen Kunststoffs vermieden. Selbst schwierigste Farb- und Materialwechsel
können in kürzester Zeit ohne Schwierigkeit und ohne besondere Reinigung durchgeführt
werden.
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Unter Anwendung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
und Anordnungen konnten z. B. große, dickwandige Rohrfittings aus weichmacherfreiem
Polyvinylchlorid hergestellt werden, die hinsichtlich ihrer Berstdruckhöhe sowie
ihrer Zähigkeit und ihrer Gesamtstruktur solchen im bekannten Spritzgießverfahren
hergestellten überlegen waren und außerdem noch eine wesentlich bessere Oberflächenbeschaffenheit
zeigten. Auch relativ dünnwandige Teile aus anderen Massen konnten durch starke
Kurzzeiterhitzung erzeugt werden, ohne daß ein erhöhter Molekularabbau nachgewiesen
werden konnte.
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Die Erfindung soll an Hand eines in den Fig. 1 bis 3 schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden. Dargestellt ist
in Fig. 1 der einspritzseitige Teil einer nach der Erfindung ausgeführten Spritzgießmaschine
während des Formfüllvorganges, Fig. 2 der einspritzseitige Teil einer erfindungsgemäß
ausgeführten Spritzgießmaschine nach soeben erfolgter Formfüllung und Fig. 3 die
Dichtung der Austrittsöffnung des Schneckenzylinders durch die Schneckenspitze.
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In dem Schneckenzylinder 1 arbeitet die Schnecke 2, die den durch
den Einfülltrichter 3 aufgegebenen Kunststoff durch Erzeugung von Scherkräften unter
Mitwirkung der äußeren Beheizung 4 plastifiziert, transportiert und mit dem durch
die Rotation erzeugten Förderdruck in die Form 7 füllt. Ein Motor 9 versetzt über
das Getriebe 10 die Schnecke 2 in Rotation. Die steuerbare axiale Druckbeaufschlagung
der Schnecke 2 erfolgt durch den Kolben im Hydraulikzylinder 8. Diese steuerbare
axiale Druckbeaufschlagung der Schnecke ist notwendig, um die Schnecke 2 während
des Formfüllvorganges entgegen dem Förderdruck im vorderen düsenseitigen Teil des
Schneckenzylinders 1 derart zu halten (Fig. 1), daß der steuerbar veränderliche
Spalt 12, der von dem sich verjüngenden Teil des Schneckenkopfes 5 und dem entsprechend
ausgebildeten Teil des Schneckenzylinders 1 gebildet wird, die für den jeweiligen
Spritzvorgang notwendige Größe hat. Sobald die Form 7 gefüllt ist, wandert die Schnecke
2 infolge des überhöhten Förderdruckes, der den im Hydraulikzylinder 8 herrschenden
Fülldruck überwindet, um einen geringen Betrag zurück (Fig. 2).
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Nun wird der Schnecke 2 durch den Kolben im Hydraulikzylinder 8 ein
anderer Druck, der Nachdruck, auferlegt, der dem Abkühlungsprozeß des in der Form
7 erstarrenden Formteiles 13 angepaßt ist.
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Während des Abkühlungsprozesses drückt die unter Nachdruck stehende
Schnecke 2 den vor dem Schneckenkopf 5 lagernden aufgeschmolzenen Kunststoff zum
Ausgleich des Schrumpfens in die Form 7.
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Infolge dieser Nachförderung von aufgeschmolzenem Kunststoff gelangt
die Schnecke 2 wieder in die vordere düsenseitige Lage des Schneckenzylinders 1.
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Durch Aufbringen des Verschluß druckes im Hydraulikzylinder 8 wird
durch die Schneckenspitze 11 die Austrittsbohrung 6 des Zylinders abgedichtet (Fig.
1 und 3), wie oben bereits beschrieben wurde. Der Spalt 12 ist nun so weit verringert,
daß kein Kunststoff während des Entformungsvorganges aus dem Zylinder 1 austreten
kann.
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Der vorstehend beschriebene funktionsgemäße Arbeitsablauf für die
Herstellung eines Formteiles kann durch an sich bekannte zeit-, weg-, druck-, temperatur-
und/oder viskositätsabhängige Anzeigegeräte oder Relais überwacht und gesteuert
werden.
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Das erfindungsgemäße Spritzgießverfahren eignet sich auch für die
Herstellung von dickwandigen komplizierten Spritzlingen aus thermisch empfindlichen
Massen, weil der Plastifizierprozeß und der Abkühlvorgang beliebig steuerbar überlagert
werden können.
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Die Erfindung ist sinngemäß auch auf Spritzgießmaschinen mit mehreren
Schnecken anwendbar.