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Verfahren und Maschine zum Spritzgießen thermoplastischer Kunststoffe
Bei einem bekannten Verfahren wird der Kunststoff außerhalb des Spritzzylinders
vorplastifiziert und in flüssigem Zustand dem Spritzzylinder zugeführt. Dieses Verfahren
bewährt sich gut, sofern die Preßdrücke nicht allzu groß sein müssen, d. h. also,
wenn es sich um die Herstellung solcher Spritzlinge handelt, bei denen die Oberfläche
im Verhältnis zum Volumen klein ist. Wenn jedoch dünnwandige Teile, wie Wannen od.
dgl., gespritzt werden sollen, müssen, insbesondere wenn hochhitzebeständige Kunststoffe
mit geringer Viskosität verarbeitet werden sollen, sehr hohe Drücke (bis zu 1400
atü) aufgebracht werden. Bei diesen hohen Drücken ist aber eine einwandfreie Abdichtung
zwischen Kolben und Zylinderwand und ein störungsfreier Betrieb kaum möglich.
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Die üblichen Kolbendichtungen führen zu keinem Erfolg, weil Abschabungen
von der Wand erfolgen, die als Einschlüsse in die Spritzlinge gelangen und diese
unansehnlich erscheinen lassen. Noch unangenehmer ist der Umstand, daß bei dem geringen
Temperaturbereich, bei dem manche Kunststoffe verspritzt werden müssen, der zwischen
Kolben und Zylinderwandung eingedrungene Kunststoff erstarrt und ein Verkleben oder
gar ein Verklemmen des Kolbens verursacht und das Zurückschieben des Kolbens durch
die einfließende Kunststoffmasse unmöglich macht.
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Man ist daher bestrebt, diesem überstand durch besondere Verfahren
zu begegnen. So wurde bereits vorgeschlagen, in den Zylinderhohlraum, der einerseits
durch den Flüssigkeitsspiegel der eingebrachten Spritzmasse und andererseits durch
die untere Fläche des vollständig zurückgezogenen Spritzkolbens begrenzt wird, vor
jedem Spritzvorgang eine geringe Menge trockenen pulverförmigen Kunststoffes einzubringen.
Infolge der Luftwirbelung legt dieser Kunststoff sich als trockene, etwa 0,1 mm
starke Haut auf die Oberfläche der flüssigen Masse und in den Spalt zwischen Zylinderwand
und Spritzkolben. Die erwünschte Wirkung, daß ein Klemmen oder Pressen des Kolbens
vermieden wird, wird durch diese Maßnahme nicht auf die Dauer erzielt, da die dünne
Haut sich zu einem erstarrten Kunststoflkragen zwischen Kolben und Zylinderbohrung
auswächst. Dadurch wird zugleich verhindert, daß die im Spritzzylinder zwischen
dem Flüssigkeitsspiegel und der Unterkante des Spritzkolbens befindliche Luft beim
Spritzvorgang entlang des Kolbens entweichen kann. Sie wird vielmehr komprimiert,
gelangt unter Umständen in die Spritzmasse und verursacht Lunker im fertigen Spritzling.
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Diese Mängel treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf.
Dieses Verfahren geht ebenfalls davon aus, daß der Kunststoff in vorpiastifiziertem
Zustand dem mit einem Kolben versehenen Spritzzylinder in der Nähe der Spritzdüse
zugeführt und daß zwischen Spritzkolben und dem eingebrachten vorplastifizierten
Kunststoff eine als Kolbendichtung wirkende zusätzliche Masse eingeführt wird.
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Der erfinderische Schritt besteht nun darin, daß die Schichtstärke
der Dichtungsmasse so bemessen wird, daß die Dichtungsmasse als Druckkissen und
Hilfskolben wirkt, nicht aber bei vollem Einspritzhub des Spritzkolbens bis zur
Einlaßöffnung für den vorplastifizierten Kunststoff gelangt.
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Diese Zwischenschicht kann verschiedenster Art sein. So kann man
bei mittleren Drücken von etwa 700 bis 1000 atü einen körnigen Kunststoff verwenden.
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Bei größeren Drücken ist ein flüssiges Medium, das sich allerdings
mit dem Kunststoff nicht mischen darf, empfehlenswerter, beispielsweise ein Silikonöl
oder eine Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt, wie z. B. eine Wismut-Blei-Legierung.
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Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil ergibt sich dadurch, daß man
durch entsprechende Bemessung des Mediums den Antrieb des Spritzkolbens und die
Dosierung der Kunststoffmasse steuern kann, da der Hubraum des Spritzzylinders der
Summe des Volumens der zu verspritzenden Masse und des Volumens des Mediums entspricht.
Dabei kann der Spritzkolben immer von der gleichen Ausgangsstellung aus bewegt werden,
unabhängig vom Volumen der zu verspritzenden Masse. Diese kann dadurch dosiert werden,
daß man mehr oder weniger Medium zusetzt.
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Die erfindungsgemäße Maschine zur Durchführung des neuen Verfahrens,
deren grundsätzlicher Aufbau
beliebig sein kann, ist im wesentlichen
dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzzytinder auszwei koaxial hintereinanderliegenden
Zylindern besteht, von denen der eine in bekannter Weise mit der- Spritzdüse und
der Einlaßöffnung für den vorplastifizierten Kunststoff versehen ist, während der
andere als Führung für den Spritzkolben und zur Aufnahme der Dichtungsmasse bei
gefülltem Spritzzylinder dient und mit einer Einfüllöffnung zum Einbringen der Dichtungsmasse
versehen ist.
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Weitere Merkmale und Einzelheiten werden an einigen Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 bis 3 Vertikalschnitte verschiedener Ausführungsformen, Fig. 4 einen Ausschnitt
aus Fig. 3 in vergrößertem Maßstab.
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Die Spritzgußmaschine besteht im wesentlichen aus der Vorplastifiziereinrichtung
1, mit der der mit der Spritzdüse 4 und einer Heizeinrichtung 5 versehene Spritzzylinder
3 über ein Rückschlagventil 2 in Verbindung steht, sowie aus dem Spritzkolben 8,
der auf beliebige Art, beispielsweise hydraulisch mittels der Kolbenstange 14 und
des Zylinders 13, betätigt wird.
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Die Einrichtung zur Zuführung des als Druckkissen dienenden Mediums
kann beliebig gestaltet sein. Deren Eintrittsöffnung in den Spritzzylinder ist zweckmäßig
in der Nähe der Ausgangsstellung des Spritzkolbens 8 angeordnet. Dadurch wird sie
nicht von den hohen Drücken beaufschlagt, die ja erst gegen Ende des Kolbenhubes
auftreten. Die Zuführeinrichtung besteht im gezeichneten Ausführungsbeispiel aus
dem Vorratsbehälter 10, der mit dem Spritzzylinder in Verbindung steht, wobei der
Zufluß zum Spritzzylinder durch einen Schieber oder ein Ventil 11 abgesperrt werden
kann.
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Der Spritzzylinder besteht aus zwei koaxial hintereinanderliegenden
Zylindern, von denen der eine, der eigentliche Spritzzylinder 3, mit der Einlaßöffnung
3 a sowie der Spritzdüse 4 versehen ist, während der andere, der Kolbenzylinder
7, als Führung für den Spritzkolben 8 und zur Aufnahme des Mediums 17 bei gefülltem
Spritzzylinder 3 dient. Die Verbindung der beiden Zylinder 3 und 7 erfolgt unter
Zwischenschaltung einer wärmeisolierendenAsbestdichtung 6 od. dgl.
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Dadurch ist es möglich, den Kolben 8 auf einer konstanten, von der
Temperatur der zu verspritzenden Kunststoffmasse weitgehend unabhängigen Temperatur
zu halten und damit die für die gute Kolbenabdichtung undKolbengleitführunggünstigstenVoraussetzungen
zu schaffen. Unterstützt wird dies dadurch, daß entweder der Kolben 8 durch eine
Kühlschlange 9 oder, wie Fig. 2 zeigt, der Zylinder 7 durch eine Kühlschlange 20
gekühlt wird.
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Ein weiterer Vorteil der zweiteiligen Ausbildung des Zylinders besteht
darin, daß man innerhalb kurzer Zeit die Maschine für verschiedene Spritzvolumen
einstellen kann, ohne an den Steuerungseinrichtungen und Dosiereinrichtungen, die
durch das Medium 17 betätigt werden, nennenswerte Änderungen vornehmen zu müssen.
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Bei der Maschine nach Fig. 1 dient als Medium ein Kunststoffgranulat.
Wenn der Kolben 8 belastet wird, drückt er auf das kalte Granulat, das den Druck
auf die plastifizierte Masse 12 überträgt und sie durch die Düse 4 in die Form einspritzt.
Danach wird der Kolben 8 mittels der Hydraulikeinrichtung 13, 14 in
seine Ruhestellung
zurückgebracht und verharrt in dieser Lage während nahezu des ganzen Füllvorganges,
und zwar so lange, bis das Granulat, das von der von der Plastilizierungseinrichtung
1 geförderten Masse 12 hochgeschdben wird, die Unterseite des Kolbens erreicht hat.
Infolge der noch weiterlaufenden Förderung wird der Kolben 8 vom Medium 17 etwas
aus der Ruhestellung nach oben gedrückt, bis die Kontakte 16 geschlossen werden.
Dadurch wird ein Organ, beispielsweise ein Magnetventil, eingeschaltet, das den
Kolbenantrieb in Gang setzt und zweckmäßig auch die Förderung der Vorplastifiziereinrichtung
abstellt.
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Durch die geringere oder größere Bemessung des dazwischengeschalteten
Mediums läßt sich auf einfache Weise die Dosierung der einzufüllenden Kunststoffmasse
bewerkstelligen.
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Eine andere Art der Steuerung der Maschine durch das Medium zeigt
die in Fig. 2 dargestellte Spritzgußmaschine, bei der ein flüssiges Medium 17 verwendet
wird, und bei der der Kolben 8 mit Kolbenringen 15 versehen ist. Bei dieser Maschine
ist am Kolbenzylinder7 zusätzlich ein Schwimmergehäuse 21 mit einem Schwimmer 18
angeordnet, das mit dem Innenraum des Kolbenzylinders durch einen Verbindungskanal
in Verbindung steht, solange der Kolben sich in seiner Ruhestellung befindet. Die
Einschaltung des Kolbenantriebes und zweckmäßig gleichzeitig die Abschaltung der
Schneckenvorplastifizierungseinrichtung 1 erfolgt durch den Schwimmer 18, der die
Kontakte 19 schließt, wenn das durch die einströmende Kunststoffmasse hochgeschobene
flüssige Medium den Schwimmer erreicht bzw. hochhebt.
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Die Verwendung eines flüssigen Mediums und die Anordnung des Schwimmergehäuses
hat noch den Vorteil, daß die sich aus der plastifizierten Masse ausscheidenden
Gase durch das Medium hochsteigen und über den Verbindungskanal und das Schwimmergehäuse
entweichen können, während der Zutritt von Außenluft durch das flüssige Medium zur
Kunststoffmasse nicht möglich ist.
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Es ist aber auch dann eine Steuerung durch das Medium möglich, wenn
der Kolben nicht unmittelbar nach dem Spritzvorgang in seine Ruhelage zurückgebracht
wird, sondern sich nur schrittweise vor dem flüssigen Medium 17 während des Füllvorganges
zurückbewegen soll.
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Eine derartige Maschine weist eine die Druckseite des Spritzkolbens
überragende, axial bewegliche, vorzugsweise federbelastete Tastplatte auf, die mittels
eines Stößels od. dgl. derart mit an der Rückseite des Kolbens angeordneten Kontakten
zusammenarbeitet, daß die Kontakte nur dann geschlossen sind und die Einrichtung
zum Rückführen des Kolbens nur dann eingeschaltet wird, wenn die Tastplatte durch
die hochsteigende Flüssigkeit an den Kolben angedrückt wird.
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Eine-derartige Maschine ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. In einer
konzentrischen Ausnehmung des Spritzkolbens 8 ist mittels der Stifte 23 die Tastplatte
22 axial beweglich befestigt, wobei ihre Vorderseite, deren Durchmesser etwa dem
Kolbendurchmesser entspricht, über die Druckseite des Kolbens hinausragt, während
ihre Rückseite, deren Durchmesser etwa dem Durchmesser der Kolbenausnehmung entspricht,
sich über eine Druckfeder gegen den Kolbenboden abstützt. An der Rückseite der Tastplatte
ist ein Stößel 25 befestigt, der den Kolbenboden durchdringt und einen Schaltnocken
26 trägt. Auf der
festen Rückseite des Kolbens sind mittels eines
Trägers 30 die Kontakte 27 befestigt.
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Wenn nun die Tastplatte durch das aufsteigende Medium gegen die Wirkung
der Feder 24 hochgehoben wird, so wird auch der Stößel 25 mit dem Schaltnokken 26
hochgehoben. Dadurch werden die Kontakte 27 geschlossen und der Kolbenrückzugrnechanismus
in Gang gesetzt. Beim Hochfahren des Kolbens fahren aber auch die Kontakte 27 hoch,
während die Tastplatte 22 mit dem Stößel und dem Schaltnocken stehenbleiben, da
sich die Feder 24 entspannt. Die Kontakte 27 werden somit unterbrochen.
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Die Länge der einzelnen Kolbenrückzugwege kann man dadurch beeinflussen,
daß man, wie in Fig. 4 dargestellt ist, den Schaltnocken 26 axial beweglich auf
dem Stößel 25 zwischen einem Ansatz des Stößels 25 und dem Bund 29 anordnet. Der
Kolbenweg entspricht dann etwa dem Hub 28 des Schaltnockens.
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Der Spritzvorgang kann in üblicher Weise durch einen an der Kolbenstange
angebrachten Endschalter oder durch die bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2
beschriebene Schwimmerschalteinriclitung eingeleitet werden. Die Kontakte 27 sind
dabei durch eine elektrische Verriegelung außer Funktion gesetzt.
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Diese schrittweise Rückführung des Kolbens ist grundsätzlich auch
bei solchen Maschinen möglich, bei denen ein Medium nicht dazwischengeschaltet ist.
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Falls das spezifische Gewicht des flüssigen Mediums schwerer ist
als das der Kunststoffmasse, muß von unten nach oben gespritzt werden.