DE1168630B

DE1168630B - Verfahren zum voelligen oder angenaeherten Ausgleichen der axialen Temperaturunterschiede der Masse im Sammelraum einer Schnecken-Spritzgiessmaschine

Info

Publication number: DE1168630B
Application number: DEA34626A
Authority: DE
Inventors: Herbert Goller; Dr-Ing August Kleine-Albers
Original assignee: Ankerwerk Gebr Goller
Current assignee: Ankerwerk Gebr Goller
Priority date: 1960-05-12
Filing date: 1960-05-12
Publication date: 1964-04-23
Also published as: US3146287A

Description

Verfahren zum völligen oder angenäherten Ausgleichen der axialen Temperaturunterschiede der Masse im Sammelraum einer Schnecken-Spritzgießmaschine Es ist bekannt und allgemein üblich, Schnecken-Spritzgießmaschinen mit axialer Schneckenverschlebung nach erfolgtem Anlauf mit konstanter Drehzahl der Schnecke zu betreiben. Der zur Plastifizierung des Kunststoffes notwendige Wärmebedarf wird hierbei in der Regel nur zu einem geringen Teil von der Außenheizung des Plastifizierungszylinders gedeckt.
Der größere Teil an Wärmeenergie wird über den Schneckenschaft der rotierenden Schnecke als Friktionswärme in die Kunststoffmasse eingeleitet, wobei diese Friktionswärme durch die Rotation der Schnecke und die dadurch hervorgerufene Reibung zwischen Kunststoff gegen Kunststoff und Kunststoff gegen Metalloberflächen erzeugt wird.
Beim Betrieb von Schnecken-Spritzgießmaschinen mit axialer Schneckenverschiebung hat sich nun der Nachteil ergeben, daß die Temperatur der aufgeschmolzenen Masse im Sammelraum zwischen Schneckenkopf und Spritzdüse in axialer Richtung häufig ungleich ist, und zwar im Mittelbereich höher als in den Endbereichen. Diese axialen Temperaturunterschiede werden um so größer, je länger der Schneckenhub ist.
Durch diese während eines Plastifizierganges auftretenden Temperaturunterschiede in der aufgeschmolzenen Masse ist es bisher nicht gelungen, mit Schnecken-Spritzgießmaschinen mit axialer Schneckenverschiebung befriedigend einheitlich plastifizierte und homogene Spritzteile zu erzeugen. Es traten stets nicht vermeidbare, erhebliche Streuungen in der Oberflächenbeschaffenheit und in den Festigkeitseigenschaften der Fertigteile auf. Diese Fertigteile waren daher minderwertig oder völlig unbrauchbar.
Beim Spritzgießen ist, wie bereits oben erwähnt, die zuerst in die Form einströmende Masse meist zu kalt, wodurch sich rings um den Anguß Kaltschlieren bilden. Durch eine am Ende des Plastifizierganges erzeugte zu kalte Masse tritt beim Einspritzen in die Form ein ungünstiges Verschweißen der Bindenähte und ein zu frühes Erstarren des Angußbereiches ein.
Bei der dann üblichen Erhöhung des Druckes auf den zur Vermeidung von Lunkern erforderlichen Nachdruck wird der erstarrte Anguß lediglich in das Spritzteil eingedrückt, ohne aber mit der bereits vorher eingespritzten Masse zu verschweißen. Der Angußbereich ist dadurch spröde und inhomogen.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß durch das Absinken der Massetemperatur im Endbereich des Plastifinervorganges ein an sich konstruktiv möglicher größerer axialer Schneckenhub und damit eine mögliche größere Ausstoßleistung der Schnecken-Spritzgleßmaschine nicht ausgenutzt werden können. Der Schneckenhub einer Spritzgießmaschine und damit das mit einem Schneckenhub auszustoßende Spritzteilvolumen konnten daher bisher nicht größer bemessen werden, als dies die axialen Temperaturunterschiede zulassen. Würde der Schneckenhub ohne Rücksicht auf die axialen Temperaturunterschiede zu groß bemessen werden, so würde am Ende des Einspritzvorganges zu wenig aufgeschmolzenes oder sogar unaufgeschmolzenes Material in die Form gedrückt werden, wodurch alle in dieser Weise produzierten Teile unbrauchbar sein würden.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und ermöglicht ein völliges oder angenähertes Ausgleichen der axialen Temperaturunterschiede der Masse im Sammelraum einer Schnecken-Spritzgießmaschine, bei der die Plastifizierung und die Förderung des Kunststoffes in den zwischen Schneckenkopf und Spritzdüse gelegenen Sammelraum im wesentlichen durch die Drehbewegung und das Ausspritzen des Kunststoffes aus diesem Raum durch die Axialbewegung der Schnecke erfolgt, wobei die Förderung der Schnecke im Sammelraum einen Druck aufbaut, der die rückläufige Bewegung der Schnecke gegen einen Gegendruck bewirkt, dadurch, daß die Masse im Sammelraum in dem der Spritzdüse benachbarten Teil und in dem dem Schneckenkopf zugekehrten Teil der in rückwärtiger Lage befindlichen Schnecke zusätzlich erwärmt wird.
Es ist nun zwar bereits eine Schnezken-Spritzgießmaschine bekannt, bei welcher der zu plastifizierenden Masse sowohl von außen am Umfang des Plastifizierzylinders angeordneten Heizelementen als auch vcn einer im hohlen Inneren der Schnecke befind-! zhei FIissigkeit Wärme zugeführt wird. Hierbei besitzt jedes der am Umfang des Plastifizierzylinders angeordneten Heizelemente einen eigenen Thermostaten, so daß jedes der Heizelemente getrennt von den anderen Heizelementen auf eine vorbestimmte Temperatur eingeregelt werden kann. Bei dieser bekannten getrennten Regelung der Heizelemente fehlte aber noch die Erkenntnis, daß bei Schnecken-Spritzgießmaschinen mit axialer Schnekkenverschiebung die am Anfang und die am Ende eines Schußgewichtes zu plastifizierende Masse zu kalt ist. Außerdem würde mit dieser bekannten Anordnung auch ein Ausgleichen der axialen Temperaturunterschiede im Sinne der Erfindung gar nicht durchführbar sein, weil die Wärme innerhalb der während der Plastifizierung der Masse eines Schußgewichtes zur Verfügung stehenden Zeit gar nicht rasch genug über die vorhandenen Trennwände (Wand des Plastifizierzylinders, Wand der Schnecke zwischen dem hohlen Inneren und den außen angeordneten Schneckengängen) den eine zusätzliche Erwärmung benötigenden Teilen der zu plastifizierenden Masse zugeführt werden kann.
Die Erfindung sei an den F i g. 1 bis 6 der Zeichnung beispielsweise näher beschrieben. Hierbei zeigt Fig. 1 den Verlauf der Massetemperatur in Abhängigkeit vom Schneckenweg innerhalb des Sammelraumes eines Schußgewichtes, Fig.2 einen Plastifizierzylinder im Schnitt mit vorderer Stellung der Schnecke, F i g. 3 einen Plastifizierzylinder im Schnitt mit rückwärtiger Stellung der Schnecke, Fig.4 den Verlauf der Massetemperatur als Funktion des Schneckenstaudruckes, F i g. 5 eine schematische Darstellung des Verlaufes der Massetemperatur nach Fig. 1, des Verlaufes der erfindungsgemäßen zusätzlichen Erwärmung und des Verlaufes der sich daraus ergebenden Massetemperatur und F i g. 6 eine der F i g. 5 entsprechende schematische Darstellung, aber mit einer Anhebung der Temperatur der Masse am Anfang und am Ende des Sammelraumes der Schußgewichtsmasse.
In der F i g. 1 ist in Abhängigkeit vom Schneckenweg oder Schneckenhub s der in Versuchen ermittelte Verlauf der Massetemperatur T für einen Plastifiziervorgang bei dem bisher bekannten Betrieb von Schnecken-Spritzgießmaschinen mit axialer Längsverschiebung der Schnecke schematisch dargestellt.
Der Kurvenverlauf 1 zeigt deutlich, daß die zuerst und die zuletzt in die Form einströmenden Massen, d. h. die Bereiche A und C des Massenvolumens V eines Schußgewichtes, zu kalt sind. Diese kälteren Massenanteile verursachen die bereits beschriebenen nachteiligen Erscheinungen bei der Herstellung von Spritzteilen.
Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen die Plastifizierung der Masse eines Schußgewichtes bei einer Schnecken-Spritzgießmaschine mit axialer Schneckenverschiebung. Hierbei ist der in seiner Größe während des Plastifizierens sich verändemde Sammelraum für die Masse eines Schußgewichtes mit 2, die Düse mit 3, der Plastifizierzylinder mit 4, die Schneckenspitze mit 5 und die Schnecke mit 6 be zeichnet. 7 ist der Fülltrichter und 8 sind außen um den Plastifizierzylinder 4 angeordnete Heizelemente.
Beim Beginn des Arbeitszyklus (Fig. 2) lagert in den Gängen der Schnecke 6 und in dem Sammelraum 2 teils Masse, welche am Ende des vorangegangenen Arbeitszyklus erst aus dem Fülltrichter 7 gekommen und daher kalt ist, und teils Masse, welche zwar während des vorangegangenen Arbeitszyklus noch aufgeschmolzen worden ist, aber während der Arbeitspause an Wärme, beispielsweise durch die fehlende Friktion der in der Arbeitspause (und bei manchen Schnecken-Spritzgießmaschinen auch während des Einspritz- und Nachdruckvorganges) nicht rotierenden Schnecke, verloren hat. Wenn nun die Plastifizierung des folgenden Arbeitszyklus mit gleichbleibendem Schneckengegendruck und gleicher Schneckendrehzahl einsetzt, dann ist die düsenseitig für eine Formfüllung lagemde Masse (Bereich A) zu kalt und nicht genügend aufgeschmolzen und damit für die Herstellung von Formteilen hochwertiger Qualität ungeeignet.
Auf den mittleren TeilB der zu plastifizierenden Masse wirkt dagegen beim Durchlaufen dieser Masse durch die Schneckengänge die Friktion der rotierenden Schnecke 6 lange genug ein, um diesem Teil der Masse die für eine optimale Schmelztemperatur erforderliche Wärmeenergie zuzuführen.
Die im Endbereich C befindliche Masse ist dagegen wieder für eine ausreichende Plastifizierung zu kalt. In diesem Bereich muß nämlich aus dem Fülltrichter 7 kommende kalte Masse verarbeitet werden.
Außerdem haben sich, wie ein Vergleich der Fig. 2 und 3 zeigt, durch die rückläufige Bewegung der Schnecke 6 die Heizzonen der Außenheizung (Heizelemente 8) und die Arbeitszonen der Plastifizierschnecke gegeneinander inzwischen derart verschoben, daß beim Plastifizieren dieser Masse die wirksame Länge der plastifizierenden Schnecke wesentlich kürzer ist als in den Bereichen A und B.
Die in den F i g. 1, 2 und 3 angegebenen und von den Linien a, b, c und d begrenzten Bereiche A, B und C zeigen nur ein Ausführungsbeispiel. Die Bereiche A, B und C (und damit auch die Begrenzungslinien b, c und d) verschieben sich entsprechend den jeweils zu verarbeitenden Kunststofftypen und auch entsprechend den jeweiligen Spritzlingsformen.
Ohne weitere Faktoren für die unvermeidlichen und unkontrollierbaren Temperaturschwankungen im einzelnen zu beschreiben, kann in Versuchen gezeigt werden, daß die Schwankungsbreite der Temperatur mit größeren Arbeitstaktzeiten auf größere Beträge anwächst.
In eingehenden Versuchen wurde nun gefunden, daß die Temperatur T der plastifizierten Kunststoffmasse linear mit dem Schneckenstaudruck (Schnekkengegendruck) p gemäß der Geraden 9 der Fig. 4 ansteigt.
Dieser funktionelle Zusammenhang zwischen dem Schneckenstaudruck (Schneckengegendruck) p und der Massetemperatur wird nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dazu benutzt, die beim diskontinuierlichen Prozeß bisher unvermeidlichen Schwankungen der Massetemperatur T auszugleichen.
In der Fig. 5 ist über dem Schneckenhub s noch einmal der dem diskontinuierlichen Prozeß eigene Verlauf der Massetemperatur T dargestellt. Diesem Temperaturverlauf 1 wird nun gemäß der Erfindung durch eine planmäßige steuerbare Druckstufen- bzw.
Druckkurvenregelung des Schneckenstaudruckes (Gegegendrucke) p ein entsprechend veränderter stufenweiser Temperaturverlauf 10 (punktierter Linienzug) oder ein stufenloser Temperaturverlauf 11 (stri.2hpunktierte Linie) überlagert. Auf diese Weise wird auch innerhalb eines Schußgewichtes, wie die ausgezogene Linie 12 zeigt, plastifizierte Masse mit konstanter Temperatur über den Schneckenweg s erzeugt.
Gemäß der Erfindung kann aber gewünschtenfalls die Massetemperatur auch, wie die F i g. 6 zeigt, durch eine planmäßige stufenweise (punktierte Linie 10') oder stufenlose (strichpunktierte Linie 11') Steuerung des Schneckenstaudruckes (Gegendruckes) innerhalb eines Schußgewichtes derart geregelt werden, daß sich nach der Überlagerung mit dem bekannten Verlauf 1 der Massetemperatur der in der F i g. 6 dargestellte effektive Temperaturverlauf 12' (ausgezogene Linie) innerhalb eines Schußgewichtes ergibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die zuerst und die zuletzt in die Form einströmende Masse eine höhere Temperatur hat als die übrige Kunststoffmasse im Bereich B (der Fig. 1, 2 und 3).
In beiden Fällen werden die bereits erwähnten Nachteile bei der spritztechnischen Fertigung von Formteilen vermieden, die dadurch entstehen, daß das zuerst, das zuletzt oder das zuerst und zuletzt in die Form einströmende Material, das in der Form den weitesten Weg zurückzulegen hat, zu kalt ist.
Erst durch die planmäßige Veränderung der Massetemperatur mit Hilfe der erfindungsgemäßen Druckstufen- oder Druckkurvenregelung werden die für das Spritzen eines hochwertigen technischen Formteiles notwendigen Voraussetzungen geschaffen.
Das erfindungsgemäße Ausgleichen der axialen Temperaturschwankungen der zu plastifizierenden Masse eines Schußgewichtes kann nicht nur durch eine Druckstufen- oder Druckkurvenregelung sondem auch allein oder zusammen mit der Regelung des Gegenstaudruckes durch eine stufenweise (gemäß den Linien 10, 10') oder stufenlose (gemäß den Linien 11, 11') Regelung der Rotationsgeschwindig keit der Schnecke bewirkt werden. Auch auf diese Weise können die in den F i g. 5 und 6 dargestellten optimalen Temperaturen 12 und 12' der im Sammelraum 2 befindlichen Masse innerhalb eines Spritzzyklus erhalten werden.
Ein Ausgleichen der axialen Temperaturschwankungen im Sinne der Erfindung, insbesondere gemäß der Liniel2' der Fig.6, kann durch die Kombination von Druckregelung und Rotationsgeschwindigkeitsregelung der Schnecke auch dadurch erzielt werden, daß beim Beginn des Plastifizierganges kurzzeitig über den Schneckengegendruck und die Rotation der Schnecke die Masseförderung der Schnecke verringert wird. Dadurch wird der Energieanteil, bezogen auf die plastifizierte Kunststoffmenge, erheblich gesteigert. Anschließend daran kann dann in Abhängigkeit von der Zeit oder von der geförderten besonders heißen Kunststoffmenge der Schnekkengegendruck reduziert und dadurch eine normale Förderung der Schnecke mit geeigneten niedrigeren Plastifiziertemperaturen im Bereich B erzielt werden.
Auf diese Weise lagert vor dem Schneckenkopf ein Massevorrat mit gesteuert verschiedenen Massetemperaturen und entsprechend verschiedener Viskosität. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes könnenw sich die verschiedenen Temperaturen bis zum Einspritzzeitpunkt noch nicht ausgleichen. Die Maste höherer Temperatur hat die geringere Viskosität - und wird bein Beginn der Einspritzung besonders leicht in die Fprm einströmen und den Eimpritzvorgßng für die ;nachfließende, weniger heiße Masse (des Bereiches B) erleichtern, da die Kanäle bereits beim ersten Durchströmen vorgewärmt sind und eine wärmeisolierende erstarrte Kunststoffschicht besitzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur bei Schnecken-Spritzgießmaschinen verwendet werden, bei denen die Schnecke während des Einspritz-und Nachdruckvorganges nicht rotiert, sondern auch bei Schnecken-Spritzgießmaschinen, bei denen die Einspritzbewegung der Schnecke mit einer Schnekkenrotation überlagert wird.
Die zuletzt einströmende Masse höherer Temperatur bewirkt, daß das theoretisch angestrebte Erstarrungsgefälle vom äußersten Ende der Form in Richtung auf den Anguß hin entsteht, und daß der Anguß besonders lange durchlässig bleibt. Außerdem kann die heiße Masse ohne große Verschiebekräfte nachströmen und verschweißt auch im Angußbereich zu einem homogenen Körper, wie aus den Ergebnissen verschiedener Gefügeprüfteste ermittelt werden konnte.
In der Praxis konnte gezeigt werden, daß es in einigen Fällen, besonders bei langen Nachdruckzeiten, zweckmäßig ist, die Energieeinspeisung in das Schußvolumen V über das Zusammenwirken von Schneckenrotation und Schneckengegendruck zu sieren. Zum Beispiel kann man mit drehender Schnecke und hohem Druck einspritzen, dann die Rotation der Schnecke stillsetzen und bei niedrigem Gegendruck den Schrumpf der Masse ausgleichen.
Das Ein- und Ausschalten der Energiezufuhr in die Masse kann innerhalb des Gesamtzyklus als Funktion von bekannten weg- oder zeitabhängigen Impulsgebern erfolgen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zum völligen oder angenäherten Ausgleichen der axialen Temperaturunterschiede der Masse im Sammelraum einer Schnecken-Spritzgießmaschine, bei der die Plastifizierung und die Förderung des Kunststoffes in den zwischen Schneckenkopf und Spritzdüse gelegenen Sammelraum im wesentlichen durch die Drehbewegung und das Ausspritzen des Kunststoffes aus diesem Raum durch die Axialbewegung der Schnecke erfolgt, wobei die Förderung der Schnecke im Sammelraum einen Druck aufbaut, der die rückläufige Bewegung der Schnecke gegen einen Gegendruck bewirkt, d a d u r c h g e k e n n -zeichnet, daß die Masse im Sammelraum in dem der Spritzdüse benachbarten Teil und in dem dem Schneckenkopf zugekehrten Teil der in rückwärtiger Lage befindlichen Schnecke zusätzlich erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Masse im Düsenteil und/oder im Schneckenkopfteil des Sammelraumes etwas über die Temperatur der Masse im Mittelteil des Sammelraumes angehoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erwärmung durch ein gesteuertes Anheben des Gegendruckes auf die rotierende Schnecke erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätz- liche Erwärmung durch eine gesteuerte Drehzahlerhöhung der Schnecke erfolgt In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2734226.