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Verfahren zur Steuerung und Übenwachung von Schnecken-Spritzgießmaschinen
für Kunststoffe und Einrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schnecken-Spritzgießmaschine, deren Schnecke durch verschiedene Kombinationen
von Dreh- und Axialbewegungen sowohl plastifiziert als auch einspritzt, die wie
ein Ausströmviskosimeter betrieben wird und bei der die Wärmeenergiezufuhr in die
Verarbeitungsmasse in Anpassung an die Charakteristik der jeweils zu verarbeitenden
Masse automatisch und planmäßig gesteuert und überwacht werden kann.
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Mit den bisher bekanntgewordenen Schnecken-Spritzgießmaschinen gelingt
es nicht, immer Spritzlinge mit hoher Qualität und gleichbleibenden Eigenschaftswerten
herzustellen. So wurde z. B. beobachtet, daß Kunststoffe gleicher Type nach dem
Aufschmelzen im Plastifizierzylinder trotz gleicher Temperatur und Maschineneinstellung
eine unterschiedliche Viskosität von ihrer Herstellung her aufweisen. Diese Differenz
in der Viskosität des aufgeschmolzenen Kunststoffes bewirkt, daß sich während des
Formfüllvorganges im Düsenquerschnitt und ebenso in der Form jeweils verschieden
große Einströmwiderstände ergeben. Die Einspritzzeit schwankt demnach bei den einzelnen
Formfüllungen, so daß ein gleichmäßiger Arbeitsrhythmus nicht gesichert ist, was
sich ungünstig auf die Qualität der Spritzlinge und die gleichmäßige Produktion
auswirkt.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, Schnecken-Plastifiziermaschinen mit
schnellaufender Schnecke in Abhängigkeit von der Viskosität der gesamten im Plastifizierzylinder
befindlichen Masse derart zu steuern. daß entweder auf eine ständig gleichbleibende
Schneckendrehzahl geachtet wird oder daß die für die Schneckendrehzahl erforderliche
Leistungsaufnahme fortwährend überwacht wird. Abweichungen vom Sollwert sollen dann
wieder exakt rückgängig gemacht werden.
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Dieses Rotationsviskosimeter hat aber den Nachteil, daß die sich
ständig ändernden Reibungswiderstände aller Plastifizierzonen im Plastifizierzylinder
in den Anzeigewerten der Überwachungsinstrumente gleichzeitig und nur als Mittelwert
ihren Niederschlag finden. Die einzelnen Zonen im Zylinder haben je nach dem Aggregatzustand
der aufzuschmelzenden Masse einen verschiedenen Viskositätsgrad und ändern, bedingt
durch das aus dem Fülltrichter nachfallende Material, ständig ihre Größe. Vor allem
das in der Einzugzone des Plastifizierzylinders befindliche noch nicht aufgeschmolzene
Material beeinflußt die Schneckendrehzahl bzw. die Leistungsaufnahme erheblich.
Über die Viskosität der zwischen Düse und Schneckenkopf befindlichen aufgeschmolzenen
Masse kann man nach dem Vorschlag jedoch keinen Meßwert erhalten. Für eine einwandfreie
Formfüllung ist aber gerade die Viskosität derjenigen aufgeschmolze nen Masse von
entscheidender Bedeutung, die sich zwischen Düse und Schneckenkopf im Plastifizierzylinder
befindet.
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Zur Herstellung hochwertiger, spannungsarmer Formteile mit gleichbleibender
Qualität ist ein nach Art und Weise der Schmelzführung materialgerechtes, Verarbeiten
der jeweiligen Masse unbedingt erforderlich. Beispielsweise ist für die Herstellung
von Formteilen hochwertiger Struktur und von geringen Wandstärken eine bestimmte
steuerbar einzustellende Dünnflüssigkeit der Schmelze sowohl im Schneckenzylinder
als auch in der Form eine notwendige Voraussetzung. Die Erzeugung und Einhaltung
einer bestimmten optimalen Dünnflüssigkeit wird in dem Maße gewährleistet, in dem
es gelingt, die geforderten Werte hinsichtlich der Temperatur und der Viskosität
der Schmelze in engen Grenzen zu regeln.
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Die aus diesen Erkenntnissen sich ergebenden Forderungen erfüllen
das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung bei gleichzeitiger
Ausschaltung der vorbeschriebenen nachteiligen Erscheinungen.
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Der erfinderische Schritt zur Steuerung und Uberwachung von Schnecken-Spritzgleßmaschinen,
deren Schnecke durch verschiedene Kombinationen von Dreh- und Axialbewegungen sowohl
plastifiziert als auch einspritzt, besteht nun darin, daß die Wärmeenergiezufuhr
in der Verarbeitungsmasse auch innerhalb eines Arbeitstaktes in Anpassung an die
Charak-
teristik der jeweils zu verarbeitenden Masse automatisch
und planmäßig in Abhängigkeit von der Viskosität der zwischen Düse und Schneckenkopf
im Plastifizierzylinder befindlichen Schmelze derart überwacht und gesteuert wird,
daß beispielsweise ein in das Hydrauliksystem eingebauter Mengenstrommesser die
Vorlaufgeschwindigkeit oder -zeit der Schnecke während des Einspritzens überwacht
und proportional der durchströmenden Menge an Druckmedium Impulse an einen Schaltschrank
weitergibt, der diese Istwerte registriert, mit einem vorher festlegbaren Sollwert
automatisch vergleicht und im Falle von Abweichungen vom Viskositäts-Sollwert weitere
Impulse an bekannte Vorrichtungen weiterleitet, die dann auf die Temperatur und
damit auf die Viskosität der im Plastifizierzylinder befindlichen Schmelze einwirken
und die aufgetretenen Abweichungen korrigieren.
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Dabei können erfindungsgemäß die vom Schaltschrank ausgehenden, beispielsweise
elektrischen Impulse auf den Schnecken-Antriebsmotor einwirken, um durch Erhöhung
oder Verringerung der Schneckenrotation entsprechend die Viskosität der im Plastifizierzylinder
befindlichen Schmelze zu ändern.
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In gleicher Weise können aber auch die Impulse über die Außenheizung
des Plastifizierzylinders, über den Schneckenstaudruck, -die Einspritzgeschwindigkeit
und über den Einspritzdruck die Viskosität der aufgeschmolzenen Masse steuern.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein normales Ausströmviskosimeter,
Fig. 2 den einspritzseitigen Teil einer Schnecken-Spritzgießmaschine mit den erfindungsgemäßen
Einrichtungen zur Steuerung und Überwachung von Schnecken-Spritzgießmaschinen und
Fig. 3 ein Diagramm mit der Einspritzgeschwindigkeit (Sollwert) der einspritzenden
Schnecke in Abhängigkeit von der Einspritzzeit für einen bestimmten thermoplastischen
Kunststoff.
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Die Schnecken-Spritzgießmaschine nach der Erfindung wird in der Art
eines an sich bekannten Ausströmviskosimeters gesteuert, das schematisch in Fig.
1 gezeigt ist. Die in dem Behälter 1 befindliche Flüssigkeit2 wird durch den Druckkolben3
unter Beaufschlagung einer bestimmten Kraft P durch den Rohrstutzen 4 in den Meßbecher
5 gepreßt, der mit entsprechenden Markierungen versehen sein kann.
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Die Zeit, in der eine bestimmte Menge Flüssigkeit 2 bei einer festgesetzten
Temperatur unter Wirkung der Kraft P in den Meßbecher 5 fließt, ist ein Maß für
die Viskosität der Flüssigkeit 2.
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Diese Viskositätsmessung wird nach der Erfindung sinngemäß für Schnecken-Spritzgießmaschinen
übernommen.
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In Fig. 2 ist der einspritzseitige Teil einer Schnecken-Spritzgießmaschine
mit den erfindungsgemäßen Steuerungs- und tJberwachungseinrichtungen dargestellt.
Die im Plastifizierzylinder 6 verschiebbar angeordnete Schnecke 7 wird durch den
Elektromotor 8 über das Getriebe 9 in Rotation versetzt und plastifiziert das aus
dem Einfülltrichter 10 nachfallende Material in den Raum zwischen Düse und Schneckenkopf.
Die axiale Kraftbeaufschlagung der Schnecke 7 erfolgt über den Kolben 11, der im
Druckzylinder 12 bewegbar angeordnet ist. Das Druckmedium, beispielsweise Drucköl,
wird hier ent-
;weder durch das Pumpenaggregat 13 über die Rohrleitung 14 dem Raum
15 des Druckzylinders 12 zugeführt oder auch gleichzeitig über die Rohrleitung 14,
die Rohrleitung 16 ein Umschaltorgan, beispielsweise einen Schieber 17, und die
Rohrleitung 18 dem Raum 19 des Druckzylinders 12 zugeleitet.
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In die Rohrleitung 14 sind ein Rückschlagventil 20 sowie ein Mengenregelventil
21 eingebaut, mit dem es durch entsprechende Einstellung möglich ist, jeweils die
gewünschte Menge an Druckmedium in die Räume 15 und 19 des Druckzylinders 12 fließen
zu lassen. Das aus den Rohrleitungen 18 bzw. 14 zurückfließende Druckmedium wird
von den Rohrleitungen 22 bzw. 23 aufgenommen und in die Olwanne 24 zurückgeleitet.
Die Menge und der Druck des über die Rohrleitung 23 zurückfließenden Druckmediums
können bei 25 beliebig eingestellt werden.
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Die Steuerung und Überwachung der Schnecken-Spritzgießmaschine in
Abhängigkeit von der Viskosität der im Plastifizierzylinder 6 befindlichen Schmelze
erfolgt nach der Erfindung beispielsweise über den in die Rohrleitung 14 eingebauten
Mengenstrommesser 26. Der Mengenstrommesser 26 mißt die pro Zeiteinheit durchströmende
Menge des Druckmediums in den Druckzylinder 12. Diese Menge ist proportional derjenigen
Menge an aufgeschmolzener Kunststoffmasse, die pro Zeiteinheit in die Form einströmt.
Die Zeit und die Einströmgeschwindigkeit, in der das Druckmedium vom Pumpenaggregat
13 aus über die Rohrleitung 14 und den Mengenstrommesser 26 in den Druckraum 15
des Druckzylinders 12 fließt, sind also ein Maß für die Viskosität des in die Form
einströmenden Kunststoffes. Der Mengenstrommesser 26 gibt proportional der durchströmenden
Menge elektrische Impulse über die Leitungen 27 an ein an sich bekanntes Schreib-
oder Registriergerät des Schaltschrankes 28 weiter. In diesem Schaltschrank werden
die jeweiligen Istwerte mit dem vorher eingestellten Sollwert automatisch verglichen.
Wenn Abweichungen registriert werden, gehen vom Schaltschrank 28 sofort weitere
elektrische Impulse, beispielsweise über die Leitungen 29, zum Elektromotor 8, um
durch Erhöhung oder Verringerung der Schneckenrotation die Viskosität der Schmelze
wieder auf den Sollwert zu bringen.
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Dieser Sollwert für die Viskosität kann beispielsweise in Form eines
Diagramms (Fig. 3, Kurvenlinie30) durch die funktionelle Abhängigkeit der Einspritzgeschwindigkeit
von der Einspritzzeit gegeben sein.
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In gleicher Weise können aber auch die elektrischen Impulse über
die Leitungen 31 und das Mengenregelventil 21 bzw. über die Leitungen 32 und den
Schieber 17 durch Änderung der Einspritzgeschwindigkeit, des Einspritzdruckes bzw.
des Schneckenstaudruckes die Viskosität der Schmelze steuerbar beeinflussen. Ebenso
ist es möglich, daß die elektrischen Impulse über die Leitungen 33 bzw. 33' die
Regler34 bzw. die Heizbänder 35 der Außenheizung des Plastifizierzylinders 6 beeinflussen,
um durch Erhöhung oder Verringerung der Heizwärme im Plastifizierzylinder den Viskositäts-Sollwert
für den jeweiligen Einspritzvorgang zu erreichen bzw. konstant zu halten.
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Als Maß für die Viskosität der in die Form einströmenden Masse kann
auch der Einspritzdruck bzw. die Einspritzkraft dienen, denn für ein bestimmtes
Volumen, das in einer bestimmten Zeit in eine Form eingespritzt werden soll, ist
für eine bestimmte
Viskosität bei gleicher Maschineneinstellung
eine ganz bestimmte Einspritzkraft erforderlich. Ändert sich nun die Viskosität
der Masse unter sonst gleichen Bedingungen (unter anderem gleiche Temperatur, gleiches
Volumen, gleiche Einspritzzeit), dann muß sich auch die Einspritzkraft bzw. der
Einspritzdruck ändern. Die gemessene Druckänderung ist ein Maß für die Viskositätsänderung
und kann dazu benutzt werden. mit Hilfe der oben bereits erwahnten Mittel den vorher
festgelegten Sollwert wieder zu erreichen.
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Die Viskositätsmessung kann erfindungsgemäß auch in der Weise erfolgen,
daß eine beispielsweise am Schneckenschaft angeordnete Kontaktscheibe beim Einspritzvorgang
mehrere am Maschinenbett ortsbeweglich angebrachte Kontakte betätigt. Die Zeit bzw.
die Vorlaufgeschwindigkeit der Schnecke ist dann ebenfalls ein Maß für die Viskosität
der in die Form einströmenden aufgeschmolzenen Masse.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit auch auf solche Spritzgußmaschinen
angewendet werden, bei denen die axiale Verschiebung der Schnecke bzw. des Kolbens
mechanisch erfolgt.