-
Schnecken-Spritzgießmaschine zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spritzgieß-Maschine zur Verarbeitung thermoplastischer
Kunststoffe, bei der das Granulat mittels einer rotierenden Schnecke plastifiziert
und in einen Spritzdüsenvorraum gefördert wird.
-
Die bisher bekannteste und weit verbreitete Spritzgießmaschine war
die Kolbenmaschine. Hierbei wird von einem hydraulischen Kolben unter hohem Druck
Granulat in einen Zylinder befördert, der über Heizbänder von außen beheizt wird.
In diesem Zylinder wird das Granulat plastifiziert und über eine Düse in die geschlossene
Form eingespritzt. Die Plastifizierung des Granulats innerhalb des Heizzylinders
erfolgt durch Wärmeabgabe der inneren Heizzylinderoberflächen. Es liegt hier also
eine isotherme Zustandsänderung vor, obwohl besonders bei Schnelläufern durch das
schnelle Entlanggleiten an den inneren Oberflächen zusätzliche Reibungswärme erzeugt
wird, die eine Erhöhung der Plastifizier-bzw. Verflüssigungsleistung ergibt.
-
Entsprechend dem Gewicht des Spritzlings wird je Schuß eine genau
dosierte Menge Granulat bzw.
-
Pulver in die Form gespritzt. Die Dosierung erfolgt durch eineVolumen-
oderGewichtsdosierung, wobei eine Volumendosierung außerordentlich betriebssicher
arbeitet, jedoch bei gewissen Materialien den Nachteil aufweist, daß das Granulat
an den Einfüll- und Ausschrittöffnungen abgeschert, also mechanisch zerstört wird.
-
Es kann teilweise zu innermolekularen Zerstörungen kommen, die bei
der nachfolgenden Plastifizierung eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften
des Thermoplastes ergeben können. Diese Nachteile treten bei einer Gewichtsdosierung
nicht auf. Unwirtschaftlich ist der hohe Energieaufwand beim Einspritzen, der zum
Ausgleich der großen Reibungsverluste innerhalb des Heizzylinders erforderlich wird.
Da der Kunststoff selbst ein schlechter Wärmeleiter ist und innerhalb des Heizzylinders
nicht immer ein gleichmäßiger Wärmeübergang und gleichmäßige Wärmeaufnahme vorhanden
ist, ist die plastische Masse teilweise inhomogen, was zu erhöhten Spannungen des
erkalteten Spritzlings führt.
-
Im Hinblick auf den Ausgleich der Nachteile, die mit einem selten
homogenen Thermoplast verbunden sind, bedeutet die Entwicklung der Kolbenmaschine
mit Vorkammer eine Verbesserung der bisherigen Verfahrenstechnik. Über einen langen
Heizzylinder pumpt ein Kolben das Granulat in eine Vorkammer.
-
Das fast kontinuierlich erfolgende Durchpumpen und die lange Wärmeübergangsfläche
bewirken, daß das Material besser mit Wärme durchflutet und die
plastische Masse
weitaus besser homogenisiert wird.
-
Es entfällt gleichzeitig die besondere Dosierung des Granulats, denn
die Volumendosierung wird durch den rückläufigen Hub des Vorkammerkolbens gesteuert.
Die aufzunehmende Energie beim Einspritzen in die Form erniedrigt sich durch die
Vorkammer wesentlich, vor allen Dingen kann mit einem verhältnismäßig gleichmäßigen
Druck, wenn man den ansteigenden Druckwiderstand durch das Einfließen des Thermoplastes
in die Form vorerst vernachlässigt, eingespritzt werden.
-
Nachteilig können sich die nicht immer exakten Abdichtungen des Vorkammerkolbens
auswirken.
-
Ebenfalls sind die Schwierigkeiten beim Farb- und Materialwechsel
wie bei den vorher beschriebenen Kolbenmaschinen nicht beseitigt.
-
Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man die Schneckenvorplastifizierung
mit Vorkammerkolbeneinspritzung entwickelt. Bei diesem Verfahren der Vorplastifizierung
durch eine Extruderschnecke erreicht man eine gute homogene Aufbereitung des Thermoplastes.
Die Abdichtung des Vorkammerkolbens ist durch gute konstruktive Lösungen heute besser
beherrschbar, jedoch muß besonders auf eine gute Temperaturführung am Vorkammerzylinder
geachtet werden, da sich sonst das Austreten von plastischer Masse nicht verhindern
läßt. Gleichzeitig ist es nicht immer zu umgehen, bei Farb- und Materialwechsel
die Vorkammer zu reinigen.
-
Um die Gefahr von Kolbenundichtigkeiten, wie sie bei einer Vorkammer
teilweise vorliegen, auszuscheiden, wurden Schneckenmaschinen mit axial verschiebbarer
Schnecke entwickelt. Das Verfahren bezieht sich dabei auf Mehr- und Einfachschnecken.
-
Den Erfahrungen aus der Extrudertechnik entsprechend ergibt die Mehrfachschnecke
eine sehr
gute Durchmischung des Materials, so daß derartige Maschinen,
insbesondere für die Verarbeitung von pulverigem Material, gut geeignet erscheinen.
Wie jedoch bereits bei der Volumendosierung in den Kolbenmaschinen behandelt, liegt
die Gefahr einer intermolekularen Zerstörung durch die Abscherung an den Profilkanten
der Schnecken vor, was bekanntlich zu einer Veränderung der physikalischen Eigenschaften
des Kunststoffes führt. Aus diesem Grunde bevorzugt man die Einfachschnecke, da
sich das Material hierbei ohne innere Schädigung plastifizieren läßt.
-
Die Plastifizierung des Kunststoffes erfolgt durch die Schnecke,
und die verflüssigte Masse wird durch die rotierende Schnecke nach vorn befördert.
Bei verschlossenem Düsenmund verschiebt sich die Schnecke zwangläufig nach hinten.
Die Dosierung erfolgt durch den rückläufigen Schneckenhub. Durch die koaxiale Anordnung
arbeitet die Schnecke selbstreinigend so daß schneller Farb- und Materialwechsel
gegeben ist.
-
Obwohl die Rückstauverluste bei dem letztgenannten Verfahren gegenüber
dem erstgenannten nur noch etwa 1ohio betragen, sind diese Verluste objektiv gesehen
noch verhältnismäßig hoch. Infolgedessen ist man dazu übergegangen, derartige Schneckenmaschinen
mit einem Sperring zu versehen.
-
Durch den Einbau eines Sperringes im Schneckenkopf wird beim Einspritzen
ein Zurückfluten des Materials innerhalb der Schneckengänge verhindert. Dadurch
wurde das Verspritzen niedrig viskoser Massen, wie Polyamid A überhaupt erst möglich.
Hier liegt die geschickte Kombination einer Schneckenmaschine mit Kolbeneinspritzung
vor. Ein weiterer Vorteil des Sperrings ist. daß sich durch einen erhöhten Spritzdruck
eine Verbesserung der Fließfähigkeit des Materials erreichen läßt, was eine erhöhte
Spritzgeschwindigkeit zur Folge hat.
-
Den Vorteil einer solchen Schneckenspritzgießmaschine mit einem Sperring
am Schneckenkopf erkennt man klar aus den Kennlinien für den Schneckenkolben mit
und ohne Sperring. Gegenüber der Einfachschnecke ohne Sperring ist die Ausschußquote
in Kilogramm je Schuß und Stunde bei dem Schneckenkolben wesentlich größer. Bei
der Schnecke ohne Sperring fällt die Einspritzkennlinie gegenüber der Staudruckkennlinie
merklich auf Grund des Einspritzdruckes und des damit nicht zu verhindernden größeren
Rückstromverlustes ab.
-
Bei allen Schneckenmaschinen ob mit oder ohne Sperring dient also
die Schnecke sowohl als Fördermittel, durch das das Material zunächst vor den Düsenmund
gefördert wird, als auch als Schußkolben. durch das vorgeförderte und vorplastifizierte
Material durch die Spritzdüse in die Form eingespritzt wird. Durch die verhältnismäßig
große Relativbewegung zwischen Schnecke und Schneckenhülse kommt es jedoch immer
noch zu einer schwer zu beherrschenden Zerstörung des Materials durch die Abscherung
an den Profilkanten der Schnecke.
-
Zwar wird durch den Sperring diese Gefahr gemildert, da durch ihn
beim Schuß der hintere Schnecken raum abgeschlossen wird. Da jedoch das Radialspiel
zwischen den Schneckenflanken und der Schneckenhülse nur in kleinen Grenzen gehalten
werden kann, fällt auch der Sperring sehr schwach aus. Das hat zur Folge, daß der
Sperring starken Verschleißerscheinungen unterworfen ist, wodurch
wiederum höhere
Rückstauverluste eintreten. Der Sperring muß also häufig ausgewechselt werden Fernerhin
ist durch die starken Reibungskräfte zwischen Schnecke, dem vorplastifizierten Material
und der SchneckenhüIse beim Schuß ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich. um
die Schnecke vorzutreiben. Da darüber hinaus die Schußkraft unmittelbar auf die
rotierende Schnecke übertragen werden muß, ist das Schneckendrucklager sehr starken
Verschleißerscheinungen unterworfen. Aus diesem Grunde kann man mit den Spritzdrücken
auch nur bis zu der 600- bis 700kg'cm-'-Grenze herangehen. Fließuntersuchungen haben
jedoch gezeigt, daß sich die Fließfähigkeit bei plastischen Massen bei hohem Druck
wesentlich erhöhte. Deshalb empfiehlt es sich, bei größerem Spritzvolumen mit maximal
möglichen Einspritzdrucken einzuspritzen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser
Nachteile den bisher hõchstmöglichen Spritzdruck wesentlich zu erhöhen und damit
das Schußgewicht erheblich zu steigern.
-
Weiter wird angestrebt, die Schnecke beim Schuß nicht mehr, wie bei
verschiedenert Spritzgießmaschinen üblich, auf Druck, sondern auf Zug zu belasten,
um hierdurch Verformungen der Schnecke und damit Verschleiß während des Schneckenantriebes
zu vermeiden. Schon bei geringen Ausbiegungen aus ihrer Normallage stößt die Schnecke
nämlich mit ihren Flanken an die Innenbohrung des Spritzzylinders an, wodurch dieser
ausgeschabt und durch das sich hierdurch ergebende größere Spiel zwischen Zylinder
und Schnecke vorgefördertes Granulat an der Schnecke entlang zurückwandern kann.
Neben anderem ist hierbei die Gefahr einer intermolekularen Zerstörung durch die
Abscherung an den Profilkanten gegeben, was bekanntlich zu einer Veränderung der
physikalischen Eigenschaften des Kunststoffes führt.
-
Man hat bereits diese Gefahr dadurch zu verhindern gesucht, daß man
an dem vorderen Teil des Spritzkolbens eine verhältnismäßig kleine, durch ein Rückschlagventil
verschlossene Öffnung gelassen hat, die beim Anfördern des Granulats geöffnet und
beim Schuß durch das Rückschlagventil verschlossen wird. Da jedoch die Spritzkolbenöffnung
eine starke Drosselstelle darstellt, wird der angestrebte Erfolg einer Druckentlastung
der Schnecke schon vor dem Spritzvorgang teilweise rückgängig gemacht, da die sich
zwischen Schneckenkopf und Spritzkolbenöffnung ergebenden Förderdrucke als erhebliche
Staudrücke gegen die Schnecke wirken.
-
Weiter soll gemäß der Erfindung das Rückfließen des Kunststoffes
in die Schneckengänge während des Spritzhubes verhindert und gleichzeitig die Schnecke
während des Spritzhubes entlastet werden.
-
Zur Lösung dieser Aufgaben ist die erfindungsgemäße Schnecken-Spritzgießmaschine
zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe von einer Bauart abgeleitet bei der
die Schnecke in der Innenbohrung eines in radialer Richtung unverdrehbaren, mit
seinem vorderen Ende in einen als Spritzzylinder ausgebildeten Sammelraum der im
Maschinengestell feststehenden Spritzdüse eintauchenden Spritzkolbens gelagert ist
und bei der die Schnecke und der Spritzkolben sowie die Schneckenantriebseinheit
eine geschlossene Vorschubeinheit bilden.
-
Von einer solchen zum Stand der Technik gehörenden Konstruktion unterscheidet
sich die erfindungsgemäße
Maschine nur dadurch, daß die Schnecke
mit axialem Spiel im Spritzkolben und in ihrer Antriebseinheit gelagert ist daß
die Innenbohrung des Spritzkolbens an dessen vorderem Ende bis zum Außenrand der
Spritzkolbenstirnseite trichterförmig erweitert ist und daß am Übergang der Schnecke
in einen birnenförmigen Schneckenkopf eine kegelige Paßfläche vorgesehen ist, gegen
die sich beim Spritzhub des Spritzkolbens dessen Trichterrand dichtend anlegt.
-
Die Schnecke wird dadurch beim Spritzhub entlastet, da sich die an
ihrem Kopf vorgesehene kegelige Paßfläche dichtend an den Trichterrand des Spritzkolbens
anlegt. Gleichzeitig erreicht man damit, daß die zum Schuß erforderlichen Vortriebskräfte
ausschließlich auf den Spritzkolben ausgeübt werden müssen, der die Schnecke beim
Spritzhub durch die Anlage zwischen Paßfläche und Trichterrand von selbst nach vorn
mitzieht.
-
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist der aus der Spritzkolbenbohrung
herausragende hintere Schneckenschaft in Achsrichtung verschiebbar in der Aufnahmebohrung
eines im Spritzkolbensupport gelagerten Rades der Schneckenantriebseinheit geführt,
dessen eine Seite gegen den Spritzkolbenboden anliegt und an dessen andere Seite
ein durch das Lager des Antriebsrades hindurchgeführtes, mit dem Spritzkolbenantrieb
in kraftschlüssiger Verbindung stehendes Zwischenstück angreift.
-
Auf diese Weise erfolgt die Übertragung der auf den Spritzkolben
und die kegelige Paßfläche ausgeübten Vorschubkraft beim Schuß über das durch das
Lager durchgeführte Zwischenstück auf das Antriebsrad und von dort unmittelbar auf
den Boden des Preßkolbens. Das Lager wird dadurch nur ganz geringen Druckkräften
ausgesetzt, die nur einen Bruchteil des bisher üblichen Druckkräfte ausmachen. Es
ist also möglich, die Schußkräfte praktisch beliebig zu steigern.
-
Weiter sieht die Erfindung vor, daß zur Rückführung des Supports
nach dem Spritzhub in seine Ausgangsstellung ein zusätzlicher Rückführkolben vorgesehen
ist.
-
Zur weiteren Erläuterung der erfindungsgemäßen Spritzgießmaschine
dient die folgende Beschreibung und die Zeichnung, die die Maschine im Längsschnitt
zeigt.
-
Die Fundamentplatte 1 der Spritzgießmaschine ist verschiebbar auf
Führungsholmen 2 geführt. Am vorderen Ende der Fundamentplatte 1 ist die Spritzdüse3
mit dem daran angeschlossenen Spritzzylinder 4 in einer Konsole 24 befestigt. Am
gegenüberliegenden Plattenende ist in einer Konsole 25 der Druckzylinder 26, in
den der Druckkolben 16 geführt ist, gehalten. Beide Konsolen sind zum Abfangen der
Spannung beim Schuß über eine Traverse 22 miteit:ander verbunden. Auf der Fundamentplatte
ist der Support9 verschiebbar gelagert. Am Support 9 ist der Spritzkolben 6 befestigt,
der in seiner Innenbohrung 14 die Schnecke 5 aufnimmt. Das Vorderende des in den
Spritzzylinder 4 eintauchenden Spritzkolbens 6 ist trichterförmig erweitert. Am
Übergang der Schnecke 5 in den birnenförmig ausgebildeten Schneckenkopf 7 ist eine
kegelige Paßfläche 8 mit derselben Steigung vorgesehen, die auch der Trichterrand
27 einnimmt. Der aus der Spritzkolbenbohrung 14 herausragende hintere Schneckenschaft
10 greift in eine Bohrung im Antriebsrad 12
ein, das im Support9 in einem Drucklager
13 gelagert ist. Die Mitnahmebohrung im Antriebsrad 12 ist so vertieft, daß sich
die Schnecke 5 mit geringem Axialspiel in der Spritzkolbenbohrung 14 bewegen kann.
Dabei ist das Spiel so bemessen, daß bei der Förderbewegung der Schnecke der Abstand
zwischen Paßfläche 8 und Trichterrand 27 genügend groß für die in den Spritzzylinder
4 eintretende Fördermasse ist, die über die Einfüllöffnung 20 aus dem Füllbehälter
21 in den hinteren Schneckenraum gelangt. Die Schußkraft wird über den Kolben 16
auf ein Zwischenstück 15 und von dort unter Umgehung der Drucklager 13 direkt auf
das Antriebsrad 12 und den Kolbenboden des Spritzkolbens 6 übertragen. Bei der Schußbewegung
legt sich der Spritzkolbentrichter 27 gegen die Paßfläche 8 der Schnecke 5 an und
nimmt diese unter gleichzeitiger Abdichtung des Schneckenraumes nach vorn mit.
-
Durch den birnenförmigen Schneckenkopf wird eine gleichmäßige Druckverteilung
im Spritzzylinder- und Düsenraum erreicht. Es sei darauf hingewiesen, daß die in
der Zeichnung dargestellte Größe der Paßfläche lediglich als Anhalt dienen soll.
Abhängig vom Durchmesser der Schnecke 5, des zu verarbeitenden Materials, der Schußmenge
und anderer Einflußgrößen kann die Paßfläche 8 auch wesentlich größer als dargestellt
ausgeführt werden.
-
Auf der Fundamentplatte 1 ist ferner ein Rückführkolben 19 vorgesehen,
durch den der Support 9 nach dem Schuß wieder in seine Ausgangslage zurückgeführt
wird. Als Antriebsmaschine 23 für den Schneckenantrieb dient ein stufenlos regelbarer
Drehstromkollektormotor. Hierdurch wird ein wesentlich geringerer Leistungsverbrauch
für den Schneckenantrieb gewährleistet.