DE19818605C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffmassen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Kunststoffmassen sowie eine Spritzgießmaschine mit einem Zylinder, der kopfseitig eine Düse aufweist, an dessen Seitenwand sich ein Zuführtrichter befindet und in dem ein Kunststoffmaterial-Zuführelement angeordnet ist. Dabei ist zwischen dem Zuführtrichter (31) und dem Zylinder (11) ein Reaktionsbehälter (41) vorgesehen. Im Bereich des Materialausgangs ist der Reaktionsbehälter (41) mit einem Kupplungselement (43) eines Hochfrequenzgenerators (42) verbunden und ein Kunststoffmaterial-Zuführelement (21) ist an Aktuatoren (25) angeschlossen, über welches es verschieb- und/oder drehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffmassen, die von einer Spritzgießeinheit mit einem Zuführtrichter, einem Einspritzzylinder und einem in diesem angeordneten Kunststoffmaterial-Einspritzelement über eine Düse in eine Form gespritzt werden, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus JP 3-266615 A und JP 60-31919 A ist es bekannt, Kunststoffpellets durch elektromagnetische Induktion zu trocknen bzw. zu erwärmen.

Die DE PS 858 744 schlägt vor einem zu erhitzenden Gut Stoffe zuzusetzen, die durch ein Hochfrequenzfeld stärker erwärmt werden als das Gut selbst. Da diese zugesetzten Stoffe aber vor der weiteren Verarbeitung wieder entfernt werden müssen, läßt sich dieses Verfahren nur bei stückig bleibendem Gut anwenden.

Aus EP 0 687 536 A1 ist es bekannt, Materialien in einer Form mit Mikrowellen zu behandeln. Das Material wird dabei in eine Form eingebracht, die aus mindestens zwei dielektrischen Stoffen bestehenden Matten aufgebaut ist, die das zu behandelnde Material umgeben.

Weiterhin ist aus der DE 42 20 896 C1 ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von aus Zweikomponentenmaterial gebildeten Fugendichtungsbändern aus extrudierten Kunststoffen bekannt, bei dem ein viskoses Fugenband zur Trocknung auf einem Transportband durch eine Mikrowellenanlage geführt wird.

Die zitierten Schriften zeigen aber keine Mikrowelleneinrichtung, bei der Kunststoffgranulat erhitzt wird.

Aus EP 0 437 267 A1 ist eine Kunststofftrockungsvorrichtung bekannt, bei der aus einem Kunststoffrohmaterialtank Kunststoffmaterial in einen Trocknerfülltrichter geliefert wird und in diesem mittels einer Trockenluftgeneratoreinheit zum Erzeugen von getrockneter Luft und einer Kunststofferhitzungs- und Trocknungseinrichtung in einem Tank getrocknet wird. Die hier beschriebene Trocknungsanlage versetzt das behandelte Kunststoffmaterial aber nicht in einen teigigen Zustand. Üblicherweise erfolgt das Aufschmelzen von Kunststoffgranulat durch Wärmeleitung, und zwar über Heizbänder, und Scherung des Materials, regelmäßig durch Schnecken. Bei schnellaufenden Spritzgießmaschinen liegt der Anteil der mechanischen Aufschmelzarbeit bei rund 80%. Dabei hat das mechanische Aufschmelzen durch Scherung folgende wesentliche Nachteile:

• - die installierte Leistung ist relativ teuer
• - der Kunststoff wird durch Scherung stark belastet und ggf. geschädigt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren vorzugeben und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, bei der mit konstruktiv einfachen Mitteln bei geringer mechanischer Antriebsleistung Spritzgießmaschinen zum Einsatz kommen und das Kunststoffmaterial bis zum Einspritzen über die Düse in die Form mechanisch und thermisch schonend behandelt wird.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 6 genannten Merkmale gelöst.

Bevor das Kunststoffmaterial in den Einspritzzylinder der Spritzgießmaschine eingebracht wird, wird es durch Erwärmen mindestens in einen teigigen Zustand gebracht. In Abhängigkeit des Spritzzyklus wird dieses erwärmte Kunststoffmaterial in den Einspritzzylinder der Spritzgießmaschine gefördert und nach Zufuhr einer definierten Menge in seinem Materialstrom unterbrochen. Anschließend wird das erwärmte Kunststoffmaterial durch eine Schnecke oder einen Kolben über die Düse in die Form gepresst.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Erwärmung über Mikrowellen. Hierzu ist der Materialausgang des Reaktionsraumes, der dem Einspritzzylinder der Spritzgießmaschine vorgeschaltet ist, mit einem Kupplungselement eines Hochfrequenzgenerators verbunden.

Bei der Erwärmung über Mikrowellen ist eine Messung der Temperatur entbehrlich, da diese über die Änderung des Dielektrizitätsfaktors regelbar ist.

In einer Ausgestaltung wird die Wirksamkeit der Mikrowellenstrahlung dadurch erhöht, daß dem Kunststoffmaterial Zusätze beigegeben werden, beispielsweise 1 bis 10% Wasser zum Gesamtvolumen. Diese Zusätze werden später wieder aus der Kunststoffmasse ausgetrieben.

Die vorgeschlagene Erwärmung über Mikrowellen eignet sich besonders zum Aufschmelzen von Kunststoffen, deren tanδ sehr klein ist (0,0001 < tanδ < 0,2 (Verlustwinkel des Kunststoffes). Das Aufschmelzen des Materials läuft dabei ohne jeglichen Temperaturgradienten in irgendeine Richtung gleichmäßig ab. Werden beispielsweise Farbstoffe zugesetzt, so werden diese besonders homogen in der Schmelze verteilt.

Weiterhin ermöglicht dieses Verfahren, gelöste und entstehende Gase sicher abzuführen. Darüber hinaus läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schmelze mit einem gewünschten relativ niedrigen Druck verdichten. Der Verzicht auf die Scherarbeit und das fehlende Erfordernis hohen Staudruckes ermöglichen eine spürbare Einsparung der erforderlichen elektrischen Energie.

Zur Durchführung des Verfahrens kommt eine Spritzgießeinheit zum Einsatz, bei der zwischen dem Zuführtrichter und dem Einspritzzylinder der Spritzgießmaschine ein Reaktionsbehälter vorgesehen ist, der im Bereich des Materialausganges ein Kupplungselement besitzt, das mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden ist. Als Kupplungselement werden eine Schleifkupplung, eine Sondenkupplung oder eine Schlitzkupplung vorgesehen.

In vorteilhafter Ausgestaltung wird das Kunststoffmaterial-Einspritzelement als Kolben ausgebildet, der drehbar und lateral verschiebbar ist. Im Kolben ist eine Rinne eingearbeitet, über die eine Materialverbindung zwischen dem Raum vor dem Kolben und dem Zuführtrichter herstellbar und unterbrechbar ist.

Im Zuführtrichter selber ist am Materialausgang eine Materialfördereinrichtung vorgesehen, die wiederum als Kolben oder als Schnecke ausgestaltet ist. Die Materialfördereinrichtung ist dabei aus Metall und in der Weise ausgestaltet, daß sie in der Schließstellung den Reaktionsbehälter dicht abschließt, so daß keine Mikrowellenenergie nach außen dringt.

Die verschiedenen Kupplungselemente sind entsprechend der erwünschten homogenen Temperaturverteilung auf eine Reihe von Resonanzfrequenzen abstimmbar. Die einzelne Frequenz ist dabei dem jeweiligen Kunststoff angepaßt.

Dabei sind die Sondenkupplungen so ausgestaltet, daß die Einkopplung der Hochfrequenzenergie den Spritz- und Dosiervorgang nicht behindern. Weiterhin ist der Aufschmelzraum des Reaktionsbehälters auf die entsprechende Frequenz abgestimmt.

Im folgenden wird ein Spritzzyklus beschrieben, bei dem als Materialzufuhr eine Schnecke und bei der Spritzgießmaschine als Kunststoffmaterial-Einspritzelement ein Kolben eingesetzt wird:

• - Der Spritzkolben wird im Einspritzzylinder der Spritzgießmaschine soweit verdreht, daß die Rinne im Reaktionsraum wegzeigt, so daß der Spritzkolben den Reaktionsraum vom Spritzraum abtrennt.
• - Über die im Zuführtrichter angeordneten Transportschnecke wird Granulat in den Reaktionsraum gefördert.
• - Durch Einwirkung der Mikrowellenenergie wird das Material im Reaktionsraum aufgeschmolzen.
• - Durch die Schneckendrehung kann zusätzlich eine Durchmischung des Kunststoffmaterials während des Aufschmelzvorganges durchgeführt werden.
• - Nach Erreichen der Solltemperatur im Reaktionsraum wird der Kolben im Zylinder der Spritzgießmaschine verdreht, so daß die Mündung des Reaktionsraumes geöffnet wird.
• - Durch die Schnecke wird Granulat nachgefördert, welches das bereits erschmolzene Kunststoffmaterial in den Spritzraum gefördert wird.
• - Je nach eingestelltem Stau verdichtet sich die Schmelze vor dem Spritzkolben und drückt diesen zurück.
• - Ist das gewünschte Spritzvolumen erreicht, wird durch eine Verdrehung des Kolbens der Reaktionsraum vom Spritzraum getrennt.
• - Durch Vorwärtsbewegen des Kolbens wird der Einspritzvorgang eingeleitet.
• - Parallel zum Einspritzen kann das nachgeführte Granulat in dem Reaktionsbehälter bereits aufgeschmolzen werden.

Durch das erfindungsgemäße Aufschmelzen durch die Mikrowellenenergien in einem außerhalb des Einspritzzylinders der Spritzgießmaschine befindlichen Reaktionsraum wird das Material schonend aufgeschmolzen. Während des Transportes der Schmelze ist keine Scherwärme erforderlich, wobei die sonst üblichen mechanischen Plastifizierleistungen entfallen. Weiterhin kann das Plastifizieren und Dosieren parallel stattfinden, wodurch in besonderer Weise die Zykluszeit verkürzt wird.

Darüber hinaus kann die Baulänge einer solchen Spritzgießeinheit deutlich geringer ausgeführt werden.

Weiterhin kann durch die räumliche Trennung von Aufschmelzen und Spritzen insbesondere beim Mehrfarbenspritzen eine deutliche Qualitätssteigerung erreicht werden.

Darüber hinaus kann beim Erwärmen des Granulats über Mikrowellen dieses vor dem Aufschmelzprozeß getrocknet werden. Hierdurch wird nicht nur die Qualität des eingesetzen Stoffes durch definierte Prozeßparameter verbessert, es kann auch die Vorbehandlung des Granulats vor Einsatz in der Spritzgießmaschine vereinfacht werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend erläutert. Dabei zeigen die

Fig. 1 Einen Schnitt durch die Spritzgießeinheit.

Fig. 2 Einen Reaktionsbehälter mit einer Schleifenkupplung und einen Zuführtrichter mit einem Materialförderkolben.

Fig. 3 Einen Reaktionsbehälter mit einer Sonden- sowie einer Schlitzkupplung und einen Zuführtrichter mit einer Schnecke.

Die Fig. 1 zeigt eine Spritzgießeinheit mit einem Zylinder 11, der über eine Düse mit einer Form 14 verbunden ist.

Im Einspritzzylinder 11 ist als Kunststoffmaterial-Einspritzelement 21 ein Kolben 22 angeordnet, der über eine Welle 24 mit einem Aktuator 25 verbunden ist, durch den der Kolben lateral verschiebbar und darüber hinaus verdrehbar ist.

Im Kolben 22 ist eine Rinne 23 vorgesehen, deren Länge kleiner ist als die des Kolbens und die im Bereich der Kolbenspitze mündet. Durch Verdrehen des Kolbens kann die in der Zylinderwand 12 vorgesehene Zylinderöffnung 15 geöffnet bzw. geschlossen werden.

Oberhalb der Zylinderöffnung 15 ist ein Reaktionsbehälter 41 vorgesehen, an dem ein Kupplungselement 43 angeordnet ist, welches über eine Zuleitung 44 mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung steht.

Am Eintritt des Reaktionsbehälters 41 ist ein Zuführtrichter 31 angebracht, an dessen Materialausgang 32 eine Materialfördereinrichtung einschließlich seines Antriebs 37 angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist die Materialfördereinrichtung 33 eine Schnecke 34.

In der Fig. 2 ist im Einspritzzylinder 11 der Spritzgießeinheit der Kolben 22 so gedreht, daß man auf die Rinne 23 schaut. Bei dieser Stellung des Kolbens 22 ist die Zylinderöffnung 15 der Zylinderwand 12 geschlossen.

Im mit der Zylinderwand 12 verbundenen Reaktionsbehälter 41 ist eine Schleifenkupplung 45 angeordnet, die über die Zuleitung 44 mit dem Hochfrequenzgenerator 42 verbunden ist.

Am Eingang des Reaktionsbehälters 41 ist ein zylindrisches Zwischenstück 35 vorgesehen, an dessen Eingang sich der Zuführtrichter 31 befindet. Als Materialfördereinrichtung 33 ist im vorliegenden Fall ein Materialförderkolben 36 vorgesehen, der an der linken Stellung die geöffnete Betriebsweise zeigt und in der rechten Stellung die Stellung nach dem Ausfördern des Materials aus dem Zuführtrichter 31 in den Reaktionsbehälter 41.

Die Fig. 3 zeigt einen Einspritzzylinder 11, in dem eine Förderschnecke 26 angeordnet ist.

Im Reaktionsbehälter 41 ist auf der rechten Seite eine Sondenkupplung 46 dargestellt, die über die Zuleitung 44 mit dem Hochfrequenzgenerator 42 verbunden ist. Auf der linken Seite ist eine Schlitzkupplung 47 vorgesehen.

Im Zuführtrichter 31 ist als Materialförderrichtung 31 eine Schnecke 34 aufgezeigt.

Claims (14)

1. Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffmassen, die von einer Spritzgießeinheit mit einem Zuführtrichter, einem Einspritzzylinder und einem in diesem angeordneten Kunststoffmaterial-Einspritzelement über eine Düse in eine Form gespritzt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Nach Einfüllen des Kunststoffmaterials aus einem Rohmaterialtank in den Zuführtrichter wird das als Granulat vorliegende Kunststoffmaterial durch Erwärmen mindestens in einen teigigen Aggregatzustand gebracht.
• b) In Abhängigkeit des Spritzzyklus wird erwärmtes Kunststoffmaterial in den Einspritzzylinder gefördert.
• c) Nach Zufuhr einer definierten Menge des erwärmten Kunststoffmaterials wird der Materialstrom des Kunststoffteigs unterbrochen und
• d) das Kunststoffmaterial wird durch das Kunststoffmaterial-Einspritz­ element über die Düse in die Form gepreßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch Mikrowellen erfolgt, wobei eine Temperatur gewählt wird, die gleich oder geringfügig unterhalb der Einspritztemperatur in die Form eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur des Kunststoffmaterials geregelt wird und
daß die Veränderung des Dielektrizitätsfaktors als Stellglied der Temperatur dient.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kunststoffmaterial Zusätze beigegeben werden, die während der Erwärmung durch Mikrowellen aus der Schmelze entweichen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz Wasser gewählt wird, wobei der Anteil des Wassers zum Gesamtmaterialvolumen 1 bis 10% ausmacht.

6. Spritzgießeinheit mit einem Einspritzzylinder und einem Kunststoffmaterial- Einspritzelement, der an seinem einen Ende eine Düse und an dem entgegengesetzten Ende einen Zuführtrichter aufweist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Zuführtrichter (31) und dem Zylinder (11) ein Reaktionsbehälter (41) vorgesehen ist,
daß im Bereich des Materialausgangs der Reaktionsbehälter (41) mit einem Kupplungselement (43) eines Hochfrequenzgenerators (42) verbunden ist, und
daß ein Kunststoffmaterial-Einspritzelement (21) an Aktuatoren (25) angeschlossen ist, über welches es verschieb- und/oder drehbar ist.

7. Spritzgießeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial-Einspritzelement (21) als Kolben (22) ausgebildet ist, in dem eine achsparallel geführte Rinne (23) eingearbeitet ist, welche eine Verbindung zwischen dem Zuführtrichter (31) und der Düse (13) herstellt.

8. Spritzgießeinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (43) als Schleifenkupplung (45) ausgebildet ist.

9. Spritzgießeinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (43) als Sondenkupplung (46) ausgebildet ist.

10. Spritzgießeinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (43) als Schlitzkupplung (47) ausgebildet ist.

11. Spritzgießeinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Materialausgang (32) des Zuführtrichters (31) eine Materialfördereinrichtung (33) vorgesehen ist, durch die ein Granulat vom Zuführtrichter (31) in den Reaktionsbehälter (41) förderbar ist.

12. Spritzgießeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialfördereinrichtung (33) als Schnecke (34) ausgebildet ist.

13. Spritzgießeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß am Materialausgang (32) des Zuführtrichters (31) ein Zylinder (35) vorgesehen ist, und
daß in dem Zylinder (35) ein Materialförderkolben (36) axial führbar ist, wobei der Zylinder (35) und der Materialförderkolben (36) die Materialfördereinrichtung (33) bilden.

14. Spritzgießeinheit nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialfördereinrichtung (33) aus Metall ist und den Reaktionsbehälter (41) mindestens in der Schließstellung so dicht abschließt, daß keine Mikrowellenenergie nach außen dringt.