DE2029353C3 - Spritzgießvorrichtung - Google Patents

Description

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beträgt, wobei für η die Beziehung 0,01 <tj< 0,1 gilt, daß für die Länge L der Meßzone die Beziehung D< L<3 Dgilt und daß das konstruktive Kompressionsverhältnis Arder Plastizierschnecke (2) >4 ist.

Die Erfindung betrifft eine Spritzgießvorrichtung mit einer in einem Heiz- und Spritzzylinder drehbaren und axial verschiebbaren Plastizierschnecke mit einer Meßzone von der Länge L und einem Außendurchmesser D sowie einer Übergangszone und einer Einzugszone, und mit einer der Plastizierschnecke vorgeschalteten Zuteilvorrichtung, durch deren regelbare Materialzufuhr das wirksame Kompressionsverhältnis des Materials in der Plastizierschnecke einstellbar ist.

Eine Spritzgießvorrichtung der bezeichneten Art ist aus der DE-OS 18 01 259 bekannt. In dieser Veröffentlichung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglichen sollen, bei gegebenem konstruktiven Kompressionsverhältnis der Plastizierschnecke das tatsächliche Kompressionsverhältnis zu variieren. Dies wird dort durch eine gesteuerte, volumetrische Dosierung des der Plastizierschnecke neu zugeführten Kunststoffmaterials erreicht. Dadurch soll vermieden werden, daß bei Änderung der Betriebsbedingungen auf ein anderes Kompressionsverhältnis des Kunststoffmaterials die Plastizierschnecke gegen eine entsprechende andere Schnecke ausgetauscht werden muß, deren konstruktives Kompressionsverhältnis dem gewünschten Kompressionsverhältnis entspricht.

Der Rückfluß an plastiziertem Kunststoffmaterial innerhalb des Spritzzylinders beim Einspritzhub wird, obwohl in der diese Maßnahme nicht betreffenden DE-OS 18 01 259 nicht speziell erwähnt, bei Verarbeitung konventioneller Spritzmassen durch ein Absperrventil verhindert, welches im allgemeinen als ein die Plastizierschnecke in einem bestimmten Bereich umgebendes Ringventil ausgebildet ist. Ein solches Ringventil ist bei bekannten Vorrichtungen unerläßlich. Der DE-OS 18 01259 ist auch kein Hinweis dafür zu entnehmen, unter welchen Bedingungen ein solches Absperrventil möglicherweise entfallen könnte.

In dem Fachbuch »Kunststoff-Extrudertechnik« von Gerhard Schenkel, Carl Hanser Verlag München, 2. Auflage 1963, Seiten 146 bis 160 und 229 bis 232 werden die theoretischen und experimentellen Grundlagen von Kunststoff-Plastifizierschnecken untersucht, wobei auch eine Beziehung für die Bemessung der Gangtiefen in der Meßzone der Plastizierschnecke angegeben wird. In Anwendung dieser Formel werden Gangtiefen von 3 und 2,5 mm genannt Eine Beziehung zum Verhindern des Rückströmens der Spritzmasse wird jedoch nicht erwähnt

Eine sich hyperbolisch ändernde Gangtiefe von etwa 0,5 mm bis herunter zu 0,05 mm ist von Gerhard Schenkel in »Kunststoffe«, Band 48,1958, Seiten 505 bis 512 in Verbindung mit Stranggießmaschinen beschrie-

ID ben. Diese Formgebung soll bei dem kontinuierlichen Spritzverfahren der Spritzmasse eine konstante Beschleunigung erteilen. Beim Strangpressen wird anders als beim Spritzgießen mit quasi stationären Verhältnissen gearbeitet die sich von denen des Spritzgießverfahrens maßgeblich unterscheiden. Beim kontinuierlichen Extrudieren entstehen keine plötzlichen Druckspitzen in der im Zylinder befindlichen Spritzmasse, die ein Rückströmen der Spritzmasse auslösen.

Die zum Verhindern dieser Erscheinung bisher vorgesehenen Ringventile können häufig nicht schnell genug geschlossen werden, um den Rückfluß des Rohmaterials aufzuhalten. Auf diese Weise wird eine gewisse Menge des ausgespritzten Rohmaterials inhomogen und man erhält mangelhafte Produkte. Darüber

>> hinaus wird oft dort, wo das Ringventil mit der sich drehenden Plastizierschnecke in Berührung kommt, ein hoher Druck erzeugt. Auf diese Weise wird das Ventil an dieser Stelle abgenutzt und die Spritzleistung wird herabgesetzt. Außerdem bleibt ein Teil des geschmolzenen Rohmaterials im Ventil hängen, zersetzt sich dort möglicherweise, wodurch Farbfehler im Produkt entstehen können. Diese sind im Falle der Herstellung von durchsichtigen Erzeugnissen von größtem Nachteil.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

r, Spritzgießvorrichtung, d.h., im wesentlichen deren Plastizierschnecke so zu gestalten, daß unter Beibehaltung der in der DE-OS 18 01 259 beschriebenen Vorteile eines variablen Kompressionsverhältnisses ein Rückfluß an plastischem Material innerhalb des Zylinders beim Einspritzhub vermieden wird, so daß auf ein ringförmiges Absperrventil mit den ihm anhaftenden Nachteilen verzichtet werden kann. Dabei wird gleichzeitig ein möglichst geringer Energieverbrauch durch die Plastizierschnecke angestrebt.

4·-, Diese Aufgabe wird für eine Spritzgießvorrichtung der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tiefe der Schneckengänge in der Meßzone

'" h = 0,2 ■ I L-D-I₁

beträgt, wobei für η die Beziehung 0,01 <j/<0,1 gilt, daß für die Länge Lder Meßzone die Beziehung D<L<3 D

y, gilt und daß das konstruktive Kompressionsverhältnis k der Plastizierschnecke > 4 ist.

Durch eine Gestaltung der Plastizierschnecke innerhalb der durch diese empirische Beziehung gegebenen Konstruktionsparameter wird unter der Voraussetzung

_hi) einer regelbaren Materialzufuhr überraschenderweise erreicht, daß ohne nennenswerten zusätzlichen Energieaufwand ein Rückströmen der Spritzmasse verhindert werden kann, wobei das konstruktive Kompressionsverhältnis k der Plastizierschnecke gleichzeitig auf

ι einem Wert gehalten werden kann, bei dem die Steuerung des tatsächlichen Kompressionsverhältnisses durch die dosierte Materialzufuhr vorgenommen werden kann, ohne daß ein Austausch der Piastizier-

schnecke für unterschiedliche Betriebsbedingungen erforderlich ist

im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen noch näher erläutert. Darin stellt dar:

F i g. 1 eine teilweise als Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Ausführung der Spritzgießvorrichtung,

F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt der wesentlichen Teile der Spritzgieß vorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 UAd 4 graphische Darstellungen der Ergebnisse von Experimenten, die mit der Vorrichtung durchgeführt wurden.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 eine Spritzgießvorrichtung 10 mit einem Heiz- und Spritzzylinder 1, im folgenden nur Zylinder 1 genannt, und einer Plastizierschnecke 2, die drehbar im Zylinder 1 angeordnet ist, zum Einspritzen plastifizierten Materials in den Hohlraum 9 einer Spritzgießform.

Wie bekannt, wird die Plastizierschnecke 2 in eine Meßzone L, eine Druckzone und eine Einzugszone unterteilt Die Plastizierschnecke 2 besitzt Schneckengänge mit einem großen Kompressionsverhältnis k, z. B. größer als 4:1. Dieses Kompressionsverhältnis k ist größer als bei bekannten Schnecken. Die Plastizierschnecke 2 ist ferner mit einer Kompressionszone für das Rohmaterial versehen, in der die Tiefe h der Schneckengänge einen sehr kleinen Wert im Vergleich zu üblichen Schnecken aufweist. Bei einer Ausführung ist die Schneckengangtiefe h in der Größenordnung von Λ=1 mm (siehe Fig. 2). Je kleiner der Wert für £ ist, desto besser kann der Rückfluß des plastischen Rohmaterials verhindert werden. Jedoch kann man den Wert wegen des ansteigenden Widerstandes und damit wegen der Erwärmung des Rohmaterials beim Durchgang durch die Schneckengänge nicht übermäßig klein gestalten. Auf der fliegend eingebauten Plastizierschnecke 2 ist kein Ringventil montiert. Um die Spritzleistung zu verbessern, muß der Rückfluß des Rohmaterials während des Spritzens verhindert werden, indem die Schneckengangtiefe h der Plastizierschnecke 2 im Bereich der Meßzone L erniedrigt wird. Die Spritzleistung K kann jedoch mit dem Durchmesser D und der Länge L der Meßzone, über die sich die gewünschte Schneckengangtiefe Λ erstreckt, variieren, und zwar zusätzlich zur Abhängigkeit von der Schneckengangtiefe h selbst. Aus diesem Grund kann für h auf empirischem Wege ein optimaler Wert als Funktion von £>und L ermittelt werden, um damit eine Spritzleistung K innerhalb eines gewissen Bereichs zu erreichen. Allgemein wird die Beziehung zwischen h, D, L und Y (Y= 1 — K) im Fall einer Newton'schen Fließbewegung durch das Hagen-Poiseuille'sche Gesetz und im Fall einer nicht Newton'schen Fliebbewegung durch das Power-Gesetz beschrieben. Bei nicht Newton'schen Fließbewegungen variiert der Index η des Power-Gesetzes mit den jeweiligen Bedingungen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde die Formel

h =

L- D

aus den beiden obengenannten Gesetzen hergeleitet, indem die Randbedingungen etwa mit n= 1 festgelegt wurden. Eperimentelle Befunde haben gezeigt, daß die Beziehung zwischen h, L, D und η verifiziert ist, wenn λ den Wert 0,2 einnimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wert von h für die Plastizierschnekke 2 in Abhängigkeit vom Durchmesser D und der Länge L durch die folgende Formel ausgedrückt

h = 0,2 ι LD,,.
0,01 < ,_; < 0,1

worin

Hi ISL

In dem so definierten Bereich wurde eine zufriedenstellende Spritzleistung erzielt ohne daß ein Sperrventil auf der Plastizierschnecke 2 angebracht wurde. Dabei sollen die η-Werte im Bereich von 0,01 <η<0,1 und die L-Werte im Bereich D<L< 3 Dliegen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich auf dem Zylinder 1 ein Zuteilzylinder 3 für das Rohmaterial, der mit einer Zuteilschnecke 4 versehen ist. Die Zuteilschnecke 4 hat einen Bereich AB, dessen Schraubenführung derjenigen des Zuteilabschnittes für das Rohmaterial entgegengerichtet ist, wie man ebenfalls in F i g. 1 ersehen kann. Der Bereich 44 dieser Zuteilschnecke 4 dient zur Einführung des Rohmaterials. Der Bereich 4ß mit der entgegengesetzten Schraubenführung dient dazu, sämtliches über die Zuteilschnecke 4 eingeführte Rohmaterial in den Zylinder 1 zu fördern.

Die öffnungen la und 3a im Zylinder 1 bzw. im Zuteilzylinder 3 bilden die Einfüllöffnung 16. Mit Hilfe eines regelbaren Antriebes 5 kann die Drehzahl der Zuteilschnecke 4 kontinuierlich verändert werden. Die dem Füllvorgang dienende Zuteilschnecke 4 wird zusammen mit der Plastizierschnecke 2 angetrieben, obwohl eine solche Verbindung in der Zeichnung nicht angedeutet ist. Beide Schnecken 2 und 4 können aber auch unabhängig voneinander bewegt werden. In diesem Fall wird die Menge an Rohmaterial, die in den Zylinder 1 eingeführt wird, durch die Veränderung der Förderleistung der Zuteilschnecke 4 beeinflußt. Das Rohmaterial wird über einen Trichter 6 in den Zuteilzylinder 3 eingebracht.

Ein Zylinder 7 mit einem am Ende der Plastizierschnecke 2 ausgebildeten Kolben 8 dient auf bekannte Weise zum Ausführen des Einspritzhubes.

Die graphischen Darstellungen der Fig. 3 und 4 zeigen die Ergebnisse von Experimenten, die mit einer erfindungsgemäßen Plastizierschnecke 2 durchgeführt wurden, die einen äußeren Durchmesser von 40 mm und ein Kompressicnsverhältnis k von 4,4 :1 sowie eine Schneckengangtiefe Λ im Bereich der Meßzone L am Ende der Schraubenspindel von Λ= 1 mm besaß.

Die F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Spritzkapazität (in kg/Stunde) von der Umdrehungszahl (U.p.m.) der Plastizierschnecke 2 für den Fall, daß das Rohmaterial aufgrund seines eigenen Gewichts über einen gewöhnlichen Trichter direkt in den Zylinder 1 gelangt.

Die Fig.4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Plastizierschnecke 2 und dem Öldruck (in kg/cm²) eines hydraulischen Motors, der eine den Bedingungen zu F i g. 3 entsprechende Plastizierschnekke 2 antreibt. Die Kurve A zeigt die Abhängigkeit für den Fall, daß das Rohmaterial über einen üblichen Trichter aufgrund seines Gewichts in den Zylinder 1 gelangt. Die Kurve B zeigt die Verhältnisse, wenn das Rohmaterial erst über eine Füllvorrichtung in den Zylinder 1 eingeführt wird. Im Fall der Kurve B wurde die Drehzahl der Plastizierschnecke 2 auf den gleichen Wert eingestellt, der sich auch für die Einfüllung aufgrund des Eigengewichts einstellte. Dies konnte

durch eine Angleichung der Drehzahl der Zuteilschnekke 4 auf den Wert erfolgen, der die gleiche Spritzkapazität wie beim Einfüllen ohne besondere Vorrichtung ergab. Für diese Bedingungen konnte dann der Öldruck des Antriebsmotors der Piastizierschnecke 2gemessen weiden.

Wie aus F i g. 4 zu entnehmen ist, ist der öldruckwert für den Antrieb der Piastizierschnecke 2 für einen Punkt (Abszissenwert) der Kurve B wesentlich geringer als für einen korrespondierenden Punkt der Kurve A, für den die gleiche Drehzahl des Antriebsmotors gilt. Dabei wird jeweils an korrespondierenden Punkten der Kurven A und B, d.h. bei gleichen Drehzahlen, die gleiche Menge Rohmaterial extrudiert. So beträgt z. B. der Öldruck bei der Drehzahl von 300 U.p.m. 65 kg/cm² (Kurve B), während sich der Wert für die gleiche Drehzahl unter den Bedingungen der Kurve A auf 80 kg/cm² beläuft. Daraus kann man erkennen, daß man 20% der Belastung für den Antrieb der Plastizierschnekke 2 während des Extrusionsvorgangs aussparen kann. Diese Versuche zeigen eindeutig, daß bei bisher üblichen Spritzgießvorrichtungen des Schneckentyps mit dem auf dem Eigengewicht beruhenden Füllverfahren eine größere Menge an Rohmaterial als tatsächlich notwendig in den Zylinder 1 eingeführt wird. Auf diese Weise wird zusätzlich Antriebsenergie für die Plastizierschnecke 2 verbraucht Mit der vorliegenden Vorrichtung kann die Antriebsleistung für die Plastizierschnekke 2 dadurch verringert, d. h. ein Teil eingespart werden, daß man die Menge an Rohmaterial, das in den Zylinder 1 eingeführt wird, im Verhältnis zur Drehzahl der Schnecke 2 auf einen optimalen Wert während des Spritzvorgangs einstellt. Gleichzeitig wird eine notwendige minimale Menge an Rohmaterial in den Zylinder 1 eingespeist, indem die Drehzahl der Zuteilschnecke 4 entsprechend angepaßt wird. Auf diese Weise wird die thermische Hystereseerscheinung des Materials schließlich auf ein Minimum reduziert. Bei der beschriebenen Spritzgießvorrichtung ist ein größeres Drehmoment zum Antrieb der Piastizierschnecke 2 notwendig, da der Widerstand des Rohmaterials während des Plastizierungs- und Extrusionsvorgangs aufgrund der Verringerung der Größe Λ, d. h. der Verringerung der Tiefe der Schneckengänge Λ im Bereich der Meßzone L zunimmt, was wiederum den Rückfluß des geschmolzenen plastischen Materials verhindert. Tatsächlich wird dieser Anstieg des erforderlichen Drehmomentes für die Schnecke 2 nicht erfolgen, wenn das Rohmaterial mit Hilfe der Zuteilvorrichtungen dosiert wird, wobei die oben anhand der Experimente beschriebenen

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sonst übliche Ringventil weggelassen werden und man erhält eine hohe Spritzleistung und eine große Plastizierungskapazität, wenn man eine Spritzgieß vorrichtung der vorliegenden Art verwendet.

Bei den bisher üblichen Ausführungen von Spritzgießvorrichtungen wurden die verschiedenen Faktoren wie der Spritzdruck, die Spritzgeschwindigkeit, die Drehzahl der Schnecke, die Schmelzflußtemperatur, der äußere Druck auf die Gießform, die Temperatur der Gießform und die Dauer des Druckes durch Druckknopfsysteme oder Hebel variiert, um die Bedingungen während des Gießvorganges zu bestimmen. Bei der vorliegenden Ausführung kann nun als zusätzlicher Bestimmungsfaktor für den Spritzgießvorgang das Kompressionsverhältnis k, bei dem das geschmolzene Rohmaterial geknetet und bearbeitet wird, variiert werden. Die Veränderung dieses Kompressionsverhältnisses k kann einfach durch eine Veränderung der Drehzahl der Zuteilschnecke 4 für das Rohmaterial bewirkt werden. Demgegenüber müßte bei den bisher üblichen Vorrichtungen für den gleichen Zweck die den ■-> Spritzvorgang bewirkende Plastizierschnecke 2 ausgetauscht werden.

Im folgenden sollen die Vorrichtungen näher beschrieben werden, mit deren Hilfe man das Kompressionsverhältnis k verändern kann.

κι Nimmt man an, daß die Plastizierschnecke 2 ein gegebenes Kompressionsverhältnis von 4,4 :1 besitzt und daß die Zuteilschnecke 4 eine Schneckengangtiefe und eine Schneckengangsteigung hat, die derjenigen der Plastizierschnecke 2 im Bereich der Einfüllzone bzw. der

i^r, Förderzone des Rohmaterials gleicht und daß die Drehzahl der Zuteilschnecke 4 die Hälfte des Wertes der Drehzahl der Plastizierschnecke 2 ausmacht, so wird die Hälfte der Aufnahmekapazität der Schnecke 2 in diese und damit in den Zylinder 1 eingeführt und in die Kompressionszone geleitet. Wird das Rohmaterial gemäß der vollen Aufnahmekapazität der Schnecke 2 eingeführt, so wird es gemäß den Volumenverhältnissen in der Kompressionszone zusammengepreßt, d. h. auf 1/4,4 seines ursprünglichen Volumens. Der Grad der Kompression wird aber verringert, wenn weniger Material eingeführt wird, d. h. das Rohmaterial wird auf den 1/2,2-ten Teil seines ursprünglichen Volumens komprimiert, wenn es nur mit der Hälfte der Aufnahmekapazität der Schnecke 2 zugeführt wird. In

ίο der Spritzgießvorrichtung der vorliegenden Art kann also der Grad der Kompression in der Schnecke 2 beliebig variiert werden, ohne daß die Schnecke 2 ausgetauscht werden muß und zwar einfach dadurch, daß man die Drehzahl der Zuteilschnecke 4 im

r, Verhältnis zur Drehzahl der Plastizierschnecke 2 verändert. Die Drehzahl der Zuteilschnecke 4 kann mit Hilfe eines kontinuierlich regelbaren Antriebes 5 (entsprechend F i g. 1) automatisch reguliert werden.

Das Rohmaterial kann beispielsweise auch mittels einer Schüttelrutsche in die Plastizierschnecke dosiert werden.

Die Vorteile, die sich aas der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, ergeben, sind wie folgt:

4-, 1. Das Drehmoment, das notwendig ist, um die Plastizierschnecke 2 anzutreiben, wird dadurch verringert, daß man die Zufuhr des Rohmaterials anpaßt, gleichzeitig den Rückfluß des geschmolzenen plastischen Materials verhindert sowie eine hohe Spritzleistung aufrecht erhält, indem man eine Piästizierschnecke 2 verwendet, deren Schncckcngänge eine sehr kleine Tiefe A im Bereich der Meßzone aufweisen. Dabei wird kein Ringventil auf der Plastizierschnecke 2 benötigt und das Kompressionsverhältnis k des Rohmaterials, das durch die Plastizierschnecke 2 zusammengepreßt wird, wird variabel gestaltet, so daß man spritzgegossene Produkte mit ausgezeichneten Eigenschaften erhält.

bo 2. Es wird verhindert, daß das gespritzte Produkt ungleichmäßig gefärbt wird, da das geschmolzene plastische Material beim Durchgang durch den schmalen Spalt im Bereich der Meßzone der Schnecke 2 hinreichend durchmischt und geknetet

b5 wird.

3. Das Rohmaterial wird durch die sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Schnecke 2 und durch das Einführen des Rohmaterials in dosierten

Mengen schnell geschmolzen. Das Rohmaterial wird einheitlich und ausreichend plastisch, indem es während des Durchgangs durch die schmale öffnung am Spitzenende der Schnecke 2 aufgrund der Reibungskräfte im Innern des Materials erhitzt wird. Hierdurch wird eine ungleichmäßige Plastizität des Rohmaterials verhindert. Demgegenüber werden die Eigenschaften der Erzeugnisse aus plastischem Material in Ermanglung einer hinreichenden Länge zwischen der Einfüllöffnung für das Rohmaterial und der äußeren Spitze der Schnecke 2 bei den bisher verwandten Spritzgießapparaten in Frage gestellt.

Ein indirekter Vorteil der vorliegenden Vorrichtung besteht darin, daß man Energie spart, die man für die Überführung des Materials in eine plastische Form benötigt. Außerdem wird die thermische Hystereseerscheinung des Rohmaterials auf ein Minimum beschränkt, da nur die tatsächlich notwendige Menge des Materials in den Zylinder 1 eingeführt wird.

Bei der beschriebenen Spritzgießvorrichtung kann es erforderlich sein, Kühlvorrichtungen zum Abführen der

-) durch die Piastizierschnecke 2 erzeugten Wärme vorzusehen. Da im Zylinder 1 eine Piastizierschnecke 2 mit einer sehr kleinen Schneckengangtiefe Λ benutzt wird, steigt der Widerstand in dem geschmolzener, plastischen Material erheblich an. Dies hat zur Folge,

in daß dort eine aufgrund der inneren Reibungserscheinungen beträchtliche Wärmemenge entsteht. Die Entwicklung von hohen Temperaturen kann nicht ausgeschlossen werden, wenn man die Vorrichtung nicht mit Hilfe von geeigneten Kühlanlagen, z. B. einer

ι -, Luftkühlung, erheblich abkühlt. Solche Temperaturen werden besonders dann auftreten, wenn man die Extrusion kontinuierlich vornimmt oder wenn man das Rohmaterial mit einem hohen Kompressionsverhältnis zusammendrückt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Spritzgießvorrichtung mit einer in einem Heiz- und Spritzzylinder drehbaren und axial verschiebbaren Plastizierschnecke mit einer Meßzone von der Länge L und einem Außendurchmesser D sowie einer Übergangszone und einer Einzugszone, und mit einer der Plastizierschnecke vorgeschalteten Zuteilvorrichtung, durch deren regelbare Materialzufuhr das wirksame Kompressionsverhältnis des Materials in der Plastizierschnecke einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Schneckengänge in der Meßzone