DE19907118C1

DE19907118C1 - Spritzgießvorrichtung für metallische Werkstoffe

Info

Publication number: DE19907118C1
Application number: DE19907118A
Authority: DE
Inventors: Erwin Buerkle; Hans Wobbe; Dierk Hartmann; Andreas Dworog
Original assignee: Krauss Maffei Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: US20030111205A1; ATE296175T1; EP1152852A1; WO2000049192A1; US20020053416A1; US6648057B2; EP1152852B1; US6546991B2; AU2912900A; AU3281000A; WO2000048767A1; DE50010397D1

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Herstellen von Formteilen aus metallischem Material mit dentritischen Eigenschaften wird in einem Extruder ein weitgehend dendritefreier Strom aus metallischem Material mit thixotroper Struktur erzeugt und nachgeordneten Spritzgießeinrichtungen zugeführt. Um die Förderstabilität und den Druckaufbau im Extruder zu erhöhen, um damit gleichbleibende Prozeßzustände und reproduzierbare Bauteilqualitäten zu erreichen, wird vorgeschlagen, im Extruder (1) ein Schneckensystem aus zwei oder mehreren kämmenden Schnecken (3) anzuordnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Formteilen aus metalli schem Material mit dendritischen Eigenschaften gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der EP 0 080 787 bekannt, bei der ein metalli sches Material mit dendritischen Eigenschaften, bespielsweise eine Magnesiumle gierung in einem Extruder in einen thixotropen Zustand gebracht wird. In diesem Zustand hat das metallische Material eine schlammartige Konsistenz und kann in den dem Extruder nachgeschalteten Formgebungseinrichtungen zu metallischen Formteilen verarbeitet werden.

Zur Formgebung nach dem Spritzgießverfahren (injection molding) ist es aus der EP 0 080 787 bekannt, hierzu eine dem Extruder nachgeschaltete Einspritzeinheit zu verwenden oder, ohne vorherige Verarbeitung des metallischen Materials in einem Extruder, dieses Material direkt in einer herkömmlichen Spritzgießmaschine zu ver arbeiten. Die Verarbeitung in einer Spritzgießmaschine bleibt hier jedoch wegen der Überlagerung von Rotation und Translation der Spritzschnecke (reciprocating screw) und der damit in Vergleich zum Extruder (nur Rotation) erhöhten Probleme bei der Abdichtung außer Betracht.

Die Verarbeitung des metallischem Materials (z. B. der Magnesiumlegierung) im Ex truder zu einer thixotropen Masse erfolgt in der in der EP 0 080 787 beschriebenen Weise dadurch, daß das Material in Granulatform in einen vorbeheizten Fülltrichter eingegeben wird, wobei die Granulatpartikel in der Größe so angepaßt sind, daß sie von der Schnecke des Extruders gut verarbeitet werden können. Die Aufheizung des Granulats erfolgt auf eine Temperatur nahe oder über der Solidustemperatur, wobei die Aufheizung vor und/oder im Extruder erfolgen kann.

In jedem Fall erfolgt im Extruder eine weitere Aufheizung des metallischen Materials durch von außen über den Schneckenzylinder wirkende Heizeinrichtungen und durch Reibungswärme (Scherbeanspruchung). Die Aufheizung im Extruder wird dabei oder so dosiert, daß die Temperatur des metallischen Materials unterhalb seiner Liquidustemperatur bleibt.

Durch die Einhaltung eines Temperaturbereiches zwischen Solidus- und Liqui dustemperatur und durch die Scherbelastung wird im Extruder erreicht, daß zumin dest der größte Teil der dendritischen Strukturen des metallischen Materials gebro chen werden und am Ausgang des Extruders eine fest-flüssige Metalllegierung in einem thixotropen Zustand anfällt.

Bei dieser aus der EP 0 080 787 bekannten Vorrichtung zur Erzeugung einer fest- flüssigen thixotropen Metalllegierung besteht der Förderkanal zwischen den Schneckenflanken vom Schneckenanfang bis zum Schneckenende aus einem durchgängigen wendelförmigen Kanal, in dem die niedrigviskose flüssige Phase durch sich bildende Fließpassagen schneller durchströmen kann als die übrigen fe sten Bestandteile. Dieser unerwünscht unkontrollierbare Effekt wird noch durch thermische Schwankungen verstärkt, die jeweils mit erheblichen Veränderungen der Viskositätswerte der flüssigen Phase einhergehen. Als Folge dieser Gegebenheiten treten Inhomogenitäten zwischen festen und flüssigen Bestandteilen auf sowie eine sehr unzureichende Förderstabilität und ein sehr ungleichförmiger Druckaufbau. Es ergeben sich somit laufend verändernde Prozeßrückstände, wodurch nicht reprodu zierbare Bauteilqualitäten in Kauf genommen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art kon struktiv und funktionell so zu verbessern, daß stets reproduzierbare Bauteilqualitäten erzeugt werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Verarbeitung des metallischen Materials vom Granulat bis zum thixotropen fest-flüssigen Material, bezogen auf die axiale Länge des Extruders, weitestgehend in gleichbleibenden Prozeßschritten und in stetiger Zwangsförderung. Die negativen Folgen von Temperaturschwankungen und damit einhergehenden Unregelmäßigkeiten in der Viskosität und der anteilsmä ßigen Zusammensetzung der flüssigen Materialbestandteile sind damit auf ein ver nachlässigbares Maß reduziert.

Aufgrund der im Extruder stets gleichförmig ablaufenden Prozeßzustände ist dieser auch zur Seiteneinspeisung unterschiedlicher metallischer und nichtmetallischer Ma terialien geeignet. Die Seiteneinspeisung erfolgt für die verschiedenen Materialien in den für das jeweilige Material geeigneten Temperatur- und Funktionszonen. Es las sen sich somit reine Metalle, z. B. Al, Zn, Mg und dergleichen zu Metalllegierungen zusammenführen, desgleichen können auch Vorlegierungen, wie z. B. AlZn dem er findungsgemäßen Extruder zugeführt werden. Schließlich lassen sich auf diese Weise auch nichtschmelzende Materialien, wie z. B. Kohlestofffasern, Siliziumkar bidpartikel, Gesteinspartikel und dergleichen in den fest-flüssig Metallstrom einbin den, wodurch der erfindungsgemäße Extruder die Funktion eines Compounders er füllt. Grundsätzlich sind somit Bauteile gleichbleibender Qualität herstellbar, die aus reinem Metall, Metalllegierungen, oder aus mit dem Metall oder den Metalllegierun gen homogen vermengten bzw. compoundierten nichtschmelzenden Materialien bestehen können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind dem Extruder einer oder mehrere Einspritzzylinder mit Stufenkolben gemäß Anspruch 6 nachgeordnet. Mit dem Stufenkolben kann das vom Extruder in den Einspeiseraum mit einem Druck von z. B. 120 bar eingespeiste thixotrope metallische Material auf Einspritzdruck von z. B. 1500-2000 bar gebracht werden, wobei Leckageverluste keinerlei Rolle spie len, da die vom Einspritzraum in den Einspeiseraum gelangenden Leckagemengen beim nächsten Einspritzhub wieder in den Einspritzraum zurückgefördert werden. Ein weiterer Vorteil des Stufenkolbens besteht darin, daß das mit verhältnismäßig geringem Druck in den Einspritzzylinder eingegebene Material den Stufenkolben aufgrund der sich einstellenden Druckdifferenz zwischen größerer Kolbenfläche und geringerer ringförmiger Kolbenfläche selbsttätig zurückstellt, wodurch sich die An bringung von Mehrwegschaltventilen zwischen Extruder und Einspritzzylinder erüb rigt. Schließlich ergibt sich noch der Vorteil, daß das vom Extruder erzeugte thixotrope, fest-flüssige Material bis zur Einspritzung in die Spritzgießform immer nur in einer Richtung gefördert wird, was sich insbesondere bei der Verarbeitung von Material eignet, dem im Extruder über eine Seiteneinspeisung lange Verstärkungsfa sern (z. B. Endlos-Kohlefasern) eincompoundiert wurden.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der Zeich nung erläutert.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Extruder 1 vom Typ eines Doppelschneckenextruders in dessen Extruderzylinder 2 zwei Schnecken gelagert sind, von denen in dem aufgebrochen dargestellten Bereich nur die vordere Schnecke 3 zu sehen ist. Die Schnecke 3 greift mit ihrem Profil in das Profil der da hinter liegenden Nachbarschnecke. Dabei schließt die Kopffläche 4 der Schnecken gänge der einen Schnecke 3 an die Kernfläche 5 der (nicht sichtbaren) Nachbar schnecke an. Der Abstand vom Kopfdurchmesser K₁ der einen Schnecke zum Kern durchmesser K₂ der Nachbarschnecke sowie der Abstand der Schneckenflanken zueinander sind so gewählt, daß bei dem zu verarbeitenden metallischen Material mit dendritischen Eigenschaften zum einen eine gewünschte Scherbelastung er zeugt werden kann, zum anderen aber die verflüssigte Phase des metallischen Ma terials aufgrund seiner hohen Viskosität nicht unkontrolliert durch die Spalte zwi schen den Schneckenflanken, den Kopfflächen 4 und den Kernflächen 5 sowie den Kopfflächen 4 und der Innenwandung 6 des Extruderzylinders 2 strömen kann. Die kämmenden Schnecken bilden dabei nach vorn fortschreitende abgeschlossene Kammern, die im wesentlichen durch die der Scherbelastung unterworfenen festen metallischen Partikel abgedichtet werden. Mit dem Schervorgang werden zum einen die dendritischen Strukturen der festen Partikel in globulistische Strukturen gewan delt, zum anderen wird damit Reibungswärme freigesetzt.

Im Bereich des Fülltrichters 7 zur Beschickung des Extruders 1 mit granulatförmi gem metallischem Material befindet sich das Antriebsaggregat 8 für die Schnecken 3. Anschließend an den Fülltrichter 7 befinden sich eine Reihe von Einführtrichtern 9 bis 12 durch die Zusatzmaterialien an den Prozeß- und Temperaturstufen in den Ex truder 1 eingegeben werden können, die für das jeweilige Eingabematerial geeignet sind. Über jeweils im Halbschnitt dargestellte Heizmanschetten 13 wird thermische Energie von außen in den Extruder 1 eingebracht.

Das im Extruder 1 erzeugte fest-flüssige, metallische, thixotrope Material, das mit den verschiedensten Zusatzmaterialien compoundiert sein kann, wird über einen er sten Heißkanal 14 in den Einspeiseraum 15 eines Einspritzzylinders 16 geleitet. Im Einspritzzylinder 16 ist ein Stufenkolben 17 reversierbar angeordnet, der den Zylin derraum des Einspritzzylinders 16 in den Einspeiseraum 15 und in den Einspritzraum 18 unterteilt. Die den Einspritzraum 18 begrenzende Kolbenfläche 19 ist größer als die den Einspritzraum 15 begrenzende ringförmige Kolbenfläche 20. Im Stufenkol ben 17 befindet sich eine Rücktromsperre 21 von der Bauart, wie sie bei den Plasti fizierschnecken von Spritzgießmaschinen bekannt sind. Die Rückstromsperre 21 sperrt die Durchgangspassage (nicht dargestellt) im Stufenkolben 17 vom Einspritz raum 18 zum Einspeiseraum 15 und schaltet die Durchgangspassage in umgekehr ter Richtung frei durchgängig.

An den Einspritzraum 18 schließt sich ein zweiter, zur Spritzgießform (nicht darge stellt) führender Heißkanal 22 an, der mit einer aktiv steuerbaren Verschlußdüse 23 verschließbar ist.

Der Stufenkolben 17 ist über eine hydraulische Kolben-Zylindereinheit 24 im Ein spritzkolben 16 in reversierender Weise verschiebbar.

Im Betrieb wird das im Extruder 1 erzeugte thixotrope metallische Material, das mit den verschiedenen Zusatzmaterialien compoundiert sein kann, über den ersten Heißkanal 14 in den Einspeiseraum 15 geleitet und gelangt über die Durchgangs passage im Stufenkolben 17 in den Einspritzraum 18, dessen Ausgang durch die Verschlußdüse 23 abgesperrt ist. Aufgrund des Flächenverhältnisses von größerer Kolbenfläche 19 zu kleinerer ringförmiger Kolbenfläche 20 wirkt der Stufenkolben 17 als Differenzdruckkolben und stellt sich selbsttätig zurück, bis die für den anschlie ßenden Spritzvorgang erforderliche Materialmenge eingefüllt ist. Die hydraulische Kolben-Zylindereinheit 24 wird für den Füllvorgang des Einspritzzylinders 16 so an gesteuert, daß der Stufenkolben 17 kontrolliert zurückgeschoben werden kann und bei Erreichen der erforderlichen Füllmenge gestoppt wird. Der Füllvorgang erfolgt bei dem vom Extruder 1 erzeugten niedrigen Druckniveau (z. B. 120 bar).

Beim anschließenden Einspritzvorgang wird der Stufenkolben 17 von der hydrauli schen Kolben-Zylindereinheit 24 vorgeschoben, wobei sich die Rückstromsperre 21 schließt und im Einspritzraum 18 eine Drucküberhöhung auf Einspritzdruck (z. B. 1500-2000 bar) stattfindet. über das geöffnete Verschlußventil 23 und den zweiten Heißkanal 22 gelangt das thixotrope metallische Material in die Spritzgießform. Bei dem hohen Einspritzdruck vorkommende Leckagen spielen keine Rolle, da die Leckagemengen nur in den Einspeiseraum 15 gelangen können, von wo aus sie wieder in den Einspritzraum 18 gefördert werden. Die Abdichtung des Einspei seraumes 15 gegenüber der Atmosphäre oder gegenüber einem Hydraulikraum der hydraulischen Kolben-Zylindereinheit stellt aufgrund des wesentlich geringeren Druckniveaus kein Problem dar.

In der Zeichnung ist lediglich ein Einspritzzylinder 16 dargestellt, es können jedoch zwei oder mehrere wechselweise zu befüllende Einspritzzylinder vorgesehen wer den. Diese Einspritzzylinder können dabei lediglich über einen verzweigten ersten Heißkanal versorgt werden. Die Anordnung von Mehrwegeschaltventilen ist dabei nicht erforderlich, da die Befüllung der Einspritzzylinder jeweils über die Ansteuerung der zugehörigen hydraulischen Kolben-Zylindereinheit erfolgt.

Bezugszeichenliste

1

Extruder

2

Extruderzylinder

3

Schnecke

4

Kopffläche; Kopfdurchmesser K₁

5

Kernfläche; Kerndurchmesser K₂

6

Innenwandung

7

Fülltrichter

8

Antriebsaggregat

9

Einführtrichter

10

Einführtrichter

11

Einführtrichter

12

Einführtrichter

12

Einführtrichter

13

Heizmanschette

14

Heißkanal, erster

15

Einspeiseraum

16

Einspritzzylinder

17

Stufenkolben

18

Einspritzraum

19

Kolbenfläche (größer)

20

ringförmige Kolbenfläche (kleiner)

21

Rückstromsperre

22

Heißkanal, zweiter

23

Verschlußdüse

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen von Formteilen aus metallischem Material mit dendritischen Eigenschaften bestehend aus einem Extruder zur Erzeugung eines weitgehend dendritefreien fest-flüssig Metallstromes mit thixotroper Struktur und dem Extruder nachgeschaltenen Einrichtungen zum Spritzgießen der Formteile, da durch gekennzeichnet, daß der Extruder (1) ein Schneckensystem aus zwei oder mehreren kämmenden Schnecken (3) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken (3) des Schneckensystems dicht kämmende Schnecken sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken (3) des Schneckensystems gleichsinnig drehend sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß dem Extruder (1) eine oder mehrere Spritzgießformen nachgeordnet sind, die kon tunierlich oder diskontinuierlich über Mehrwegeschalter und Heißkanäle mit dem fest-flüssig metallischen Material beschickbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder (1) Einrichtungen (9-12) zur Seiteneinspeisung von Materialien auf weist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß dem Extruder (1) einer oder mehrere Einspritzzylinder nachgeschaltet sind, die über einen oder mehrere Mehrwegeschalter und Heißkanäle mit dem fest-flüssigen Me tallstrom befüllbar sind und über die in eine oder mehrere Spritzgießformen Teil mengen von fest-flüssig Metall unter hohem Druck zyklusweise einspritzbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß dem Extruder (1) ein oder mehrere Einspritzzylinder (16) nachgeschaltet sind, deren Einspritzkolben jeweils aus einem Stufenkolben (17) bestehen, der den Zylinderraum des Einspritzzylinders (16) in einem Einspritzraum (18) und in einem Einspeiseraum (15) unterteilt, wobei der Einspeiseraum (15) mit dem Extruderausgang über einen Heißkanal (14) direkt in Verbindung steht und der Einspritzraum (18) mit einer oder mehreren Spritzgießformen in Verbindung steht, wobei der Stufenkolben (17) mit ei ner Rückstromsperre (21) versehen ist, die die Passage vom Einspritzraum (18) zum Einspeiseraum (15) sperrt und in umgekehrter Richtung durchgängig schaltet und wobei die den Einspritzraum (18) begrenzende Kolbenfläche (19) des Stufenkolbens (17) größer ist als die den Einspeiseraum (15) begrenzende ringförmige Kolbenfläche (20).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen Spritzgießwerkzeug und Einspritzraum eine steuerbare Ver schlußdüse (23) angeordnet ist.