DE19653099A1

DE19653099A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spritzgießen von aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehenden Kunststoffgegenständen

Info

Publication number: DE19653099A1
Application number: DE1996153099
Authority: DE
Inventors: Helmut Eckardt; Karl-Heinz Hill; Juergen Ehritt; Rainer Teschner
Original assignee: Battenfeld GmbH
Current assignee: Adcuram Maschinenbauholding 80333 Muenchen De GmbH
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: DE19653099C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehenden Kunststoff gegenständen, das die Schritte aufweist:

a) Fördern einer ersten Kunststoffkomponente in ein Misch element,
b) Zumindest teilweise gleichzeitig mit Schritt a): Fördern mindestens eines zweiten Materials, vorzugsweise einer zweiten Kunststoffkomponente, in ein Mischelement und
c) Fördern der im Mischelement vermischten Materialien in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs.

Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Spritzgießen solcher Kunststoffgegenstände, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens.

Bei der Herstellung von Kunststoffgegenständen, die aus mehreren Rohmaterialien bestehen, kommt es darauf an, diese möglichst gut vor dem Einspritzen ins Formwerkzeug zu vermischen, damit aus den beiden unterschiedlichen Rohstoffen ein möglichst homogener Spritzgieß werkstoff entsteht. Der intensiven Vermischung der einzelnen Materialkomponenten kommt also eine große Bedeutung zu.

Hierzu ist folgende Lösung bekannt: Die zu vermischenden einzelnen Kunststoffkomponenten werden zunächst getrennt aufgeschmolzen, wobei in bekannter Weise Plastifizierextruder eingesetzt werden. Die beispielsweise zwei unterschiedlichen Schmelzen werden dann in ein Mischelement eingespeist, in dem beide Kunststoffkomponenten vermischt werden. Die Schmelzen werden dabei durch eine Anordnung von statischen Mischelementen hindurchgepreßt, so daß es zu einem Homogenisierungsprozeß kommt. Die Mischelemente weisen beispiels weise Stifte und andere Mischelemente auf, die - in bekannter Weise - zu einer guten Vermischung der Schmelze führen.

Nachteilig ist bei dem bekannten Vorgehen, daß die Vermischung - ins besondere wenn die zu vermischenden Komponenten stark unterschiedliche Viskosität aufweisen - bei ungenügend langer Mischstrecke nicht ausreichend ist und außerdem mit einem starken Druckverlust einhergeht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Mischverfahren und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen die bestehenden Nachteile eliminiert werden können. Es sollen also auch Komponenten mit sehr unterschiedlicher Viskosität vor der Einspritzung ins Werkzeug einwandfrei homogenisiert werden, wobei gleichzeitig ein platzsparendes Mischelement angestrebt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vermischung der mindestens zwei Materialien (K1, K2) im Mischelement (2) durch eine von einem mechanischen Antrieb (5) bewirkte Mischbewegung vorgenommen wird.

Im Gegensatz zum Stand der Technik befindet sich nunmehr ein aktiv angetriebenes Mischelement im Einsatz, das unabhängig von der Zuführung der Komponenten aus den Extrudern einen separat angetriebenen Mischungsvorgang durchführt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, daß die Mischbewegung von einem Elektro- oder Hydromotor (5) oder von einem ähnlichen Antrieb veranlaßt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mischbewegung im Mischelement (2) gemäß einer vorgegebenen Zeitfunktion (n(t)) erfolgt. D. h. es wird beispielsweise von der Maschinensteuerung für die Drehzahl der Mischanordnung ein Zeitverlauf vorgegeben, der unabhängig von anderen Prozeßparametern ist. Damit wird es insbesondere möglich, bereits vor der Zuführung der zu mischenden Komponenten die Mischvorrichtung zu aktivieren, so daß von Anfang an eine optimale Durchmischung der Materialien erreicht werden kann.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die Mischbewegung im Mischelement (2) in Abhängigkeit von mindestens einem Zustands parameter mindestens einer der Förderelemente (6, 7) für das Fördern eines Materials (K1, K2) erfolgt. Als besonders brauchbare Parameter haben sich hier die Einspritzgeschwindigkeit der Extruder (6, 7) und deren Temperatur, aber auch der Einspritzdruck in den Extrudern herausgestellt.

Es kann aber auch angedacht werden, daß die Mischbewegung im Mischelement (2) in Abhängigkeit von mindestens einem, die Qualität des zu fertigenden Formteils bestimmenden Parameter erfolgt. Hier kommt in Betracht, daß die Intensität der Vermischung nach Feststellung des Spritzgieß-Ergebnisses modifiziert, also z. B. intensiviert, wird.

Die Vorrichtung zum Spritzgießen von Kunststoffgegenständen (1) weist folgende Elemente auf:

- ein erstes Förderelement (6) zum Fördern einer ersten Kunststoffkomponente (K1),
- mindestens ein zweites Förderelement (7) zum Fördern eines zweiten Materials, vorzugsweise einer zweiten Kunststoff komponente (K2),
- ein Mischelement (2), in das die erste Kunststoffkomponente (K1) und das mindestens eine weitere Material (K2) gefördert wird,
- wobei über das Mischelement (2) die Materialien (K1, K2) in die Kavität (3) eines Spritzgießwerkzeugs (4) gelangen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Mischelement (2) zur Vermischung der mindestens zwei Materialien (K1, K2) Misch- oder Scherelemente (8) aufweist, die von einem mechanischen Antrieb (5) angetrieben werden; bei diesem ist wieder bevorzugt an einen Elektro- oder Hydromotor gedacht.

Vorzugsweise weist das Mischelement (2) eine von dem mechanischen Antrieb (5) angetriebene Welle (9) auf, auf der Misch- und/oder Scherelemente (8) angeordnet sind. Die Misch- oder Scherelemente (8) können im wesentlichen eine zylindrische Außenkontur haben und können in einer zylindrischen Bohrung (10) des Gehäuses des Mischelements (2) rotieren.

In vorteilhafter Weise wird mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand folgendes erreicht:

- Die Baulänge der Mischeinheit ist wesentlich kürzer als die der Mischeinheiten im Stand der Technik.
- Durch aktive Beeinflussung der Mischungsintensität können die einzelnen Materialien beliebig gut vermischt werden.
- Ein ggf. vorhandener Viskositätsunterschied zwischen den einzelnen Materialien spielt hinsichtlich der Durchmischung keine Rolle mehr. Es kann auch beispielsweise einer Kunststoffschmelze eine flüssige Komponente beigemischt werden. Im Grenzfall können auch zwei Flüssigkeiten vermischt werden.
- Das erfindungsgemäße Mischelement kann flexibel eingesetzt werden. Es ist leicht zugänglich, was insbesondere für die Handhabung und Instandhaltung wesentlich ist. Die einzelnen Maschinenelemente können leicht ausgetauscht werden.
- Es kann auf einfache Weise ein Spülbetrieb mit nur einer der zu verarbeitenden Kunststoffkomponente durchgeführt werden, wobei dann das das Mischelement passierende Material natürlich nicht in die Spritzgießform injiziert wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt. Die Figur zeigt schematisch den Schnitt durch eine Spritzgießvorrichtung für die Verarbeitung zweier Kunststoff komponenten K1 und K2.

Zwei unterschiedliche Kunststoffe K1 und K2 werden in jeweils einem Plastifizierextruder 6 und 7 aufgeschmolzen, d. h. der Kunststoff wird zunächst in den jeweiligen Schneckenschubeinheiten plastifiziert. Die beiden Schmelzeströme werden einem Mischelement 2 zugeführt, d. h. der plastifizierte Kunststoff für das nächste zu fertigende Formteil wird von den üblichen Spritzeinheiten (in der Figur nicht näher dargestellt) der Extruder in das Mischelement geleitet. Im Mischelement werden die Schmelzen vermischt und homogenisiert, bevor sie in die Kavität 3 eines Werkzeugs 4 eingespritzt werden. Dadurch entsteht in bekannter Weise ein Spritzgießformteil 1.

Das Mischelement 2 weist - in bekannter Weise - Misch- und/oder Scherelemente 8 auf. Im Unterschied zum Stand der Technik sind diese jedoch über einen Elektro- oder Hydromotor 5 im gezeigten Beispiel rotatorisch angetrieben, so daß es unabhängig von der Durchströmung der Elemente 8 zu einem Mischeffekt beider Komponenten K1 und K2 kommt. Hierzu steht der Elektro- oder Hydromotor 5 mit einer Welle in drehfester Verbindung, auf der Misch- und Scherelemente angeordnet sind.

Die Anordnung der Elemente 8 auf der Welle 9 kann an die aktuellen Bedürfnisse erfolgen. Hierzu werden Mischelemente oder Scherelemente in gewünschten Sequenzen auf der Welle angeordnet, wobei Erfahrungswerte die Anordnung bestimmen.

Vor der Einspritzung der Kunststoffkomponenten K1 und K2 wird der Elektro- oder Hydromotor aktiviert, womit sich die Misch- und Scherelemente 8 in Bewegung setzen. Bereits das erste eintretende Material K1 wird so mit dem ebenfalls in das Mischelement 2 eintretenden Material K2 effizient durchmischt. Für die Drehzahl der Welle kann ein Zeitprofil vorgegeben werden, daß den rheologischen Verhältnissen Rechnung trägt. Die Durchmischung wird damit - im Unterschied zum Stand der Technik - vom Einspritzvorgang abgekoppelt.

Die gute Vermischung der Einzelkomponenten ist insbesondere dann besonders wichtig, wenn die Komponenten eine chemische Reaktion ausüben. Durch die gute Vermischung können beispielsweise auch Kunststoffschmelzen mit stark unterschiedlicher Viskosität gut durchmischt verarbeitet werden.

Zur Maximierung der Vermischungsleistung kann vorgesehen sein, daß der Antriebsmotor 5 des Mischelements 2 die Durchmischung bereits aktiviert, bevor Schmelze K1 bzw. K2 in das Mischelement eintritt, und daß der Antrieb auch noch für gewisse Zeit nach dem Ende des Einspeisens von Schmelze in das Mischelement fortgesetzt wird.

Wenngleich der Fall nicht dargestellt ist, kann auch vorgesehen werden, anstelle der in der Figur dargestellten Konzeption ein Mischelement vorzusehen, bei dem zwei ineinandergreifende (ggf. verzahnte) Mischzylinder zum Einsatz kommen.

Obwohl grundsätzlich beim Spritzgießen zunächst ein Dosieren des Kunststoffes über die Schneckenschubeinheit des Extruders erfolgt und danach der Kunststoff über die Schnecke als Kolben eingespritzt wird und somit erst dann Schmelze in das Mischelement 2 gelangt, ist es jedoch mit der erfindungsgemäßen Lösung genauso auch möglich, bereits während der Plastifizierung den Kunststoff dem Mischelement zuzuführen und somit den normalerweise getrennten Dosier- und Einspritzvorgang durch einen gleichzeitigen Vorgang der Plastifizierung und Einspritzung vorzunehmen. Dies ist z. B. beim sog. Intrusions verfahren der Fall.

Bezugszeichenliste

1

Kunststoffgegenstand

2

Mischelement

3

Kavität

4

Spritzgießwerkzeug

5

mechanischer Antrieb: Elektro- oder Hydromotor oder ähnlicher Antrieb

6

,

7

Förderelemente für die Materialien K1, K2: Extruder

8

Misch- und/oder Scherelemente

9

Welle

10

zylindrische Bohrung
K1 erstes spritzgießfähiges Kunststoffmaterial
K2 zweites Material
n(t) vorgegebene Drehzahl des Elektro- oder Hydromotors

5

als Funktion der Zeit

Claims

1. Verfahren zum Spritzgießen von aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien (K1, K2) bestehenden Kunststoff gegenständen (1), das die Schritte aufweist:

a) Fördern einer ersten Kunststoffkomponente (K1) in ein Mischelement (2);
b) Zumindest teilweise gleichzeitig mit Schritt a): Fördern mindestens eines zweiten Materials, vorzugsweise einer zweiten Kunststoffkomponente (K2), in ein Mischelement (2);
c) Fördern der im Mischelement (2) vermischten Materialien (K1, K2) in die Kavität (3) eines Spritzgießwerkzeugs (4);

dadurch gekennzeichnet, daß die Vermischung der mindestens zwei Materialien (K1, K2) im Mischelement (2) durch eine von einem mechanischen Antrieb (5) bewirkte Mischbewegung vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischbewegung von einem Elektro- oder Hydromotor (5) oder von einem ähnlichen Antrieb veranlaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischbewegung im Mischelement (2) gemäß einer vorgegebenen Zeitfunktion (n(t)) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischbewegung im Mischelement (2) in Abhängigkeit von mindestens einem Zustandsparameter mindestens einer der Förder elemente (6, 7) für das Fördern eines Materials (K1, K2) erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustandsparameter die Einspritzgeschwindigkeit eines Förderelements (6, 7) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustandsparameter die Temperatur und/oder der Einspritzdruck in mindestens einem der Förderelemente (6, 7) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischbewegung im Mischelement (2) in Abhängigkeit von mindestens einem, die Qualität des zu fertigenden Formteils bestimmenden Parameter erfolgt.

8. Vorrichtung zum Spritzgießen von aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien (K1, K2) bestehenden Kunststoff gegenständen (1), insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die aufweist:

- ein erstes Förderelement (6) zum Fördern einer ersten Kunststoffkomponente (K1),
- mindestens ein zweites Förderelement (7) zum Fördern eines zweiten Materials, vorzugsweise einer zweiten Kunststoff komponente (K2),
- ein Mischelement (2), in das die erste Kunststoffkomponente (K1) und das mindestens eine weitere Material (K2) gefördert wird,
- wobei über das Mischelement (2) die Materialien (K1, K2) in die Kavität (3) eines Spritzgießwerkzeugs (4) gelangen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Mischelement (2) zur Vermischung der mindestens zwei Materialien (K1, K2) Misch- oder Scherelemente (8) aufweist, die von einem mechanischen Antrieb (5) angetrieben werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Antrieb (5) ein Elektro- oder Hydromotor oder ein ähnlicher Antrieb ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischelement (2) eine von dem mechanischen Antrieb (5) angetriebene Welle (9) aufweist, auf der Misch- und/oder Scherelemente (8) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Misch- oder Scherelemente (8) im wesentlichen eine zylindrische Außenkontur aufweisen, und daß sie in einer zylindrischen Bohrung (10) des Gehäuses des Mischelements (2) rotieren.