DE2059496A1

DE2059496A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffen

Info

Publication number: DE2059496A1
Application number: DE19702059496
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl-Ing Anisic; Dieter Dr-Ing Koettgen; Guenther Nisch
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1970-12-03
Publication date: 1972-06-22
Also published as: DE2059496B2; DE2059496C3

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plastifizieren von Kunststoffen, bei dem der Kunststoff in fester Form, etwa als Granulat, einer Extrus ionsvorrichtung zugeführt, dort plastifiziert und schließlich ausgetragen wird, wobei die zum Plastifizieren benötigte Wärme dem Kunststoff zumindest teilweise durch Scherwärme zugeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren#s. Unter Scherwärme ist dabei derjenige Anteil der Gesamtwärme zu verstehen, der dem Kunststoff im Extruder durch äußere und/oder innere Reibung zugeführt wird.
Bekanntermaßen ist die Extrusion von Kunststoffen ein Vorgang, bei dem die jeweilige Temperatur des Kunststoffs zur Erzielung eines homogenen Endprodukts in engen Grenzen gehalten werden muß. Um etwa bei Funktionsstörungen der Maschine, die zu einem übermäßigen Anstieg der Temperatur der Kunststoffmasse führen, unnötigen Verschleiß und Ausschuß zu vermeiden, ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1 115 918, dort für Schnecken- Spritzgießmaschinen, bekannt, daß der Antrieb der Schnecke und die Heizung in Abhängigkeit von der Funktionserfüllung der Maschine abgeschaltet werden. Eine derartige Steuerung dient jedoch lediglich als Sicherheitsschaltung, mit der keine Einregelung von Förder- und Heizleistung auf die Erfordernisse des Extrusionsvorganges erreicht werden kann.
Demgegenüber ist es das Ziel der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zu schaffen, welches ohne großen Aufwand eine hohe Extrudatqualität gewährleistet und in seiner Förder- und Heizleistung schnell den Erfordernissen einer Verarbeitung von wechselnden Kunststoffen und/oder einer Anwendung von wechselnden Formwerkzeugen angepaßt werden kann.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Erzeugung von Scherwärme unabhängig von der Förderbewegung erfolgt und die Temperatur der Kunststoffmasse über eine trägheitsarme, dem Kunststoffstrom im wesentlichen gleichmäßig über seinen Querschnitt Wärme zuführende Heizung zusätzlich geregelt wird.
Mit einer an sich bekannten dielektrischen Heizung als Zusatzheizung wurden gute Erfolge erzielt.
Der Umstand, daß damit die Fördergeschwindigkeit von der Wärmezufuhr entkoppelt ist, gestattet es, den Förderdruck im Hinblick etwa auf den Strömungswiderstand des Formwerkzeugs in weiten Grenzen frei so zu wählen, daß eine gewünschte Fördergeschwindigkeit erreicht wird, und dieser Geschwindigkeit des Kunststoffstroms unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Arbeitsmaterials, die zur einwandfreien Plastifizierung gerade benötigte Wärmemenge zuzuordnen. Der weitaus überwiegende Teil der hierzu benötigten Wärmemenge wird dabei in aller Regel durch die relativ billige Scherwärme zugeführt, während die teuere dielektrische Zusatzheizung lediglich der exakten Einregelung der Wärmemenge zur Erziellmg eines optimalen Massezustandes dient. Dieser Regelvorgang ist äußerst trägheitsarm, so daß eine Regelabweichung sehr schnell ausgeglichen werden kann, wodurch unnötiger Zeitaufwand und damit Ausschuß vermieden wird.
Eine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignete Vorrichtung ist derart aufgebaut, daß zwischen Einfüllöffnungen für den festen Kunststoff und der Austragdüse für den plastifizierten Kunststoff ein ringförmiger Arbeitsraum mit zylindrischen und/oder kegeligen Begrenzungswänden in einem regelbaren dielektrischen Feld angeordnet ist, wobei zur Erzeugung einer Scherbewegung Teile der Begrenzungswände relativ zum Kunststoffstrom im Arbeitsraum bewegbar sind und unabhängig davon an sich bekannte Mittel zur Erzeugung eines Förderdrucks vorgesehen sind.
Vorteilhaft besonders im Hinblick auf eine gute Durchmischung des Kunststoffs wird dabei die innere Begrenzung des Arbeitsraums durch einen drehbaren Dorn gebildet. Bei einer Verwendung der Vorrichtung als Spritzgußmas chine zum intermittierenden Austreiben des Kunststoffs durch das Formwerkzeug ist dieser Dorn in Längsrichtung verschiebbar gehalten.
Die Steuerung dieser Bewegung kann zweckmäßig dadurch bewerkstelligt werden, daß der Dorn in einem nicht mehr Teil des Arbeitsraums bildenden Bereich eine senkrecht zu seiner Achse liegende Steuerfläche aufweist, die zur Steuerung seiner Bewegungen in axialer Richtung durch ein bezüglich seines Druckes einstell- und steuerbares Medium beaufschlagbar sind. Bei einer derartigen Ausbildung kann die Steuerung der Bewegung in axialer Richtung ohne großen mechanischen Aufwand erfolgen.
Das Fördermittel zur Erzeugung eines Förderdrucks ist zweckmäßigerweise so ausgestaltet, daß die im Bereich des Ortes der Zufuhr festen Kunststoffes liegende axiale Begrenzungswand des ring Arbeitsraums durch die kreisförmige Arbeitsfläche eines Förderkolbens gebildet und relativ zu den radialen Begrenzungswänden des Arbeitsraums axial verschiebbar ausgebildet ist. Zur Steuerung der Förderbewegung erscheint es auch hier vorteilhaft, daß der Förderkolben eine senkrecht zu seiner Achse liegende Steuerschulter aufweist, die von einem hinsichtlich seines Druckes einstell- und steuerbaren Medium beaufschlagbar ist.
Zur Verhinderung eines Rückfließens von Kunststoff nach der Förderbewegung, wodurch die Förderleistung stark beeinträchtigt werden könnte, ist in der ortsfesten radialen Begrenzungswand des Arbeitsraums in Strömungsrichtung knapp unterhalb der Einfüllöffnungen für den festen Kunststoff eine in den Arbeitsraum vorspringende Sperrkante vorgesehen. Ein Zurückfließen des Kunststoffs in störendem Ausmaß wird dabei durch eine plötzliche Kanalverengung in der Rückfließrichtung vermieden.
Um Energieverluste der dielektrischen Zusatzheizung zu verlneiden, besteht die äußere und ortsfeste radiale Begrenzungswand des Arbeitsraums zumindest im Bereich der dielektrischen Heizung aus einem elektrisch nichtleitenden Material mit möglichst hoher Die lektrizitätskonstante und kleinem Ve rlustfaktor. Durch eine vorteilhafte Anordnung derart, daß außerhalb der äußeren und ortsfesten Begrenzungswand des Arbeitsraums konzentrisch zu diesem eine oder mehrere in Achsrichtung nebeneinanderliegende, an einem Hochfrequenz-Generator angeschlossene Ringelektroden angeordnet sind, wird einerseits eine für jeden axialen Bereich des Kunststoffstroms gleichmäßige Energiezufuhr bewirkt, andererseits in Achsrichtung eine Möglichkeit der Abstufung der Energiezufuhr durch die dielektrische Zusatzheizung geschaffen. Eine solche Abstufung kann, sofern von vornherein ein Maß für die Abstufung zumindest grob festgelegt werden kann, vorteilhaft dadurch erreicht werden, daß Ringelektroden in unterschiedlichen radialen Abständen zum Arbeitsraum angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich z. B. durch eine relative Erhöhung der Feldstärke an der hinteren Elektrode eine frühzeitige Erwärmung und damit Viskositätserhöhung erzielen, um den Anteil an Scherwärme bei scherempfindlichen Materialien herabzusetzen, ohne die Mischwirkung des rotierenden Dornes zu beeinträchtigen.
Um nach der zu Beginn einer Produktion erfolgten Einstellung der Heizleistungen auch kleinere Regelabweichungen der erforderlichen Kunststofftemperatur während der laufenden Produktion schnell ausgleichen zu können, werden in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Meßwerte eines vorzugsweise in der Nähe der Austragdüse angeordneten Meßfühlers mit einem Sollwert verglichen und entsprechend einer dabei auftretenden Abweichung die an die Ringelektroden angelegten Spannungen geregelt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer beispielhaften speziellen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Maschine, die sich besonders für die Spritzgußanwendung eignet, weist einen zylindrischen, sich zur Austragungsöffnung kegelig verjüngenden Mantel 1 auf, der die Austragdüse 2 enthält. Zwischen einem im Inneren des Mantels 1 angeordneten Dorn 3 und dem Mantel 2 selbst verbleibt ein Arbeitsraum 4 von kreisringförmigem Querschnitt. Der beispielsweise als Granulat in fester Form vorliegende Kunststoff gelangt aus einem Fülltrichter 5 durch eine Mehrzahl von Einfüllöffnungen 6 in den Arbeitsraum 4. Da die Maschine im zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel vertikal angeordnet ist, umgibt der Fülltrichter 5 den Mantel 1 ringförmig. Im Falle einer horizontalen Anordnung wird naturgemäß ein an sich bekannter Rundtrichter verwendet, wobei durch Taschen im Mantel 1 das Material dem Arbeitsraum 4 gleichmäßig zugeführt wird.
Der Arbeitsraum 4 wird an seiner der Austragdüse 2 abgewandten Seite durch einen ringförmigen Förderkolben 7 dicht abgeschlossen.
In seinem oberen Bereich weist der Förderkolben 7 eine kreisringförmige Steuerschulter 8 auf, die an ihrer Außenseite dicht an der Innenseite des Mantels 1 geführt ist, und die eine zentrische Ausnehmung 9 aufweist. Durch diese zentrische Ausnehmung 9 hindurch ist eine Antriebswelle 10 des Dornes 3 unter Spiel hindurchgeführt, im Oberteil des Mantels 1 gelagert und zur Übertragung einer Drehbewegung radial kraftschlüssig mit einer Drehvorrichtung 11 verbunden. Diese Verbindung der Antriebswelle 10 mit der Drehvorrichtung 11, beispielsweise einem Hydromotor, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Längskeilverbindung ausgeführt, wobei Längskeile 12 des Zapfens der Antriebswelle 10 eine axiale Verschiebung der Antriebswelle 10 und damit des Dornes 3 zulassen.
Als Zusatzheizung ist im vorliegenden Anwendungsbeispiel eine dielektrische Heizung mit Ringelektroden 13 vorgesehen, die in einer ringförmigen Ausnehmung 14 an der Innenseite des Mantels 1 angeordnet sind und sich an der Außenseite eines hohlzylindrischen Haltekörpers 15 abstützen, dessen Innenseite den Arbeitsraum 4 in diesem Bereich nach außen hin begrenzt. Der hohlzylindrische Haltekörper 15 besteht aus einem unpolaren Material, welches sich durch eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen kleinen Verlustfaktor auszeichnet, beispielsweise aus Oxyd-Keramik oder Quarz. Wird, wie in der Zeichnung schematisch angedeutet ist, an die Ringelektroden 13 ein Hochfrequenz-Generator angeschlossen, so bilden die Ringelekt#roden über den Dorn 3 ein kapazitives elektrisches Feld, das zur dielektrischen Erwärmung des Materials im Arbeitsraum 4 dient. Die Feldstärke ist dabei über die an die Ringelektroden 13 angelegte Ausgangsspannung des Hochfrequenz-Generators regelbar.
Zur Steuerung der axialen Bewegungen des Dornes 3 und des Förderkolbens 7 sind zwei Druckleitungen 16 und 17 beispielsweise für eine Steuerflüssigkeit vorgesehen, wobei durch die Druckleitung 16 das Druckmedium in einen Raum oberhalb der Steuerschulter 8 des Förderkolbens 7 eingeleitet wird und dabei über die zentrische Ausnehmung 9 der Steuerschulter 8 eine rückwärtige Steuerfläche 18 des Dornes 3 beaufschlagen kann.
Die Druckleitung 17 hingegen mündet in einen ringförmigen Druckraum 19, der von Innenflächen des Mantels 1, von der Außenfläche des ringförmigen Förderkolbens 7 sowie der Steuerschulter 8 begrenzt wird.
Zur Förderung des über die Einlaßöffnungen 6 im Arbeitsraum 4 anstehenden Kunststoffs wird bei einem konstanten Druck p1 in der Druckleitung 16 der Druck p2 in der Druckleitung 17 und damit der Druck im Druckraum 19 periodisch so verändert, daß der Förderkolben 7 sich in axialer Richtung auf- und abbewegt und beim Überfahren der Einfüllöffnungen 6 Kunststoff mitnimmt und in Richtung auf die Austragdüse 2 drückt.
Ein Rücklaufen des Kunststoffs in störendem Ausmaß beim Zurücklaufen des Förderkolbens 7 nach Beendigung der Förderbewegung wird dabei durch eine unterhalb der Einfüllöffnungen 6 in den Arbeitsraum 4 vorspringende Sperrkante 20 verhindert. Dem in den Arbeitsraum 4 geförderten Kunststoff wird durch den sich nunmehr drehenden Dorn 3 Scherwärme zugeführt. Wenn die Oberfläche des Dornes 3 im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch glatt dargestellt ist, so kann sie insbesondere zur Verbesserung der Durchmischung jedoch auch mit einem Profil versehen werden. Eine exakte Steuerung des Plastifiziervorganges kann über die Regelung der an die Elektroden 13 angelegten Spannung erreicht werden.
Die dielektrische Zusatzheizung kann auch dazu herangezogen werden, an Hand der von einem Meßfühler 21 in der Nähe der Austragdüse 2 gelieferten Meßwerte, beispielsweise der Temperatur etwa während des Extrusionsprozessea auftretende Abweichungen im Zustand des Kunststoffes selbsttätig auszuregeln. Hierzu werden die Meßwerte des Meßfühlers 21 mittels eines Sollwertgebers 22 mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und entsprechend einer Abweichung die an die Ringelektroden 13 angelegte Spannung mittels eines Reglers 23 und eines Stellgliedes 24 geregelt.
Während des Fördervorgangs wird immer mehr Kunststoff mit einem über die Drücke p1 und p2 in den Druckleitungen 16 und 17 steuerbaren Druck in den Arbeitsraum 4 eingeführt und wirkt dabei auf eine kegelig zulaufende Spitze des Dornes 3. Durch diesen Druck, den der Kunststoff auf die Spitze des Dornes 3 ausübt, wird der Dorn mit zunehmendem Füllvorgang gegen den auf die Steuerfläche 18 des Dornes 3 wirkenden konstanten Druck p1 aus der Druckleitung 16 zurückgedrückt. Vor der Austragdüse 2 wird damit der Arbeitsraum 4 zunehmend erweitert und dort ein Vorrat von plastifiziertem Kunststoff angesammelt. Zur Auslösung des Spritzvorganges wird in die Druckleitung 16 ein hoher Spritzdruck gegeben, der auf die Steuerfläche 18 des Dornes 3 wirkt und den Dorn 3 zur Austragdüse 2 hinschiebt. Gleichzeitig wird die Druckleitung 17 entlüftet, so daß die Steuerschulter 8 des Förderkolbens 7 ebenfalls ausschließlich vom Spritzdruck beaufschlagt wird und, an der Steuerfläche 18 des Dornes 3 aufliegend, ebenfalls in Richtung auf den Arbeitsraum 4 gedrückt wird. Dadurch wird erreicht, daß der Förderkolben 7 während des Spritzvorganges die Einfüllöffnungen 6 überdeckt und dort ein Zurückdrücken des Kunststoffes verhindert.
Wesentlich unkomplizierter kann das erfindungsgemäße Verfahren bei kontinuierlich arbeitenden Extrusionsvorrichtungen verwirklicht werden. Hier wird beispielsweise der Dorn 3 nicht längsverschieblich ausgeführt und der Förderkolben 7 durch ein kontinuierlich arbeitendes Fördermittel ersetzt, beispiels ~ weise eine Förderschnecke, die zwischen Einfüllöffnungen und dem Arbeitsraum 4 angeordnet ist und an der Gehäusewand dicht anliegt.
Wie die vorstehende Beschreibung zeigt ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

Ansprüche

rA t) Verfahren zum Plastifizieren von Kunststoffen, bei dem der Kunststoff in fester Form, etwa als Granulat, einer Extrusionsvorrichtung zugeführt, dort plastifiziert und schließlich ausgetragen wird, wobei die zum Plastifizieren benötigte Wärme dem Kunststoff zumindest teilweise durch Scherwärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von Scherwärme unabhängig von der Förderbewegung erfolgt und die Temperatur der Kunststoffmasse über eine trägheitsarme, dem Kunststoffstrom im wesentlichen gleichmäßig über seinen Querschnitt Wärme zuführende Heizung zusätzlich geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dielektrische Heizung als Zusatzheizung.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einfüllöffnungen (6) für den festen Kunststoff und der Aus -tragdüse (2) für den plastifizierten Kunststoff ein ringförmiger Arbeitsraum (4) mit zylindrischen und/oder kegeligen Begrenzungswänden in einem regelbaren dielektrischen Feld angeordnet ist, wobei zur Erzeugung einer Scherbewegung Teile der Begrenzungswände relativ zum Kunststoffstrom im Arbeitsraum (4) bewegbar und unabhängig davon an sich bekannte Mi#ttel zur Erzeugung eines Förderdrucks vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Begrenzung des Arbeitsraums (4) durch einen drehbaren Dorn (3) gebildet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (3) in Längsrichtung verschiebbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (3) in einem nicht mehr Teil des Arbeitsraums (4) bildenden Bereich eine senkrecht zu seiner Achse liegende Steuerfläche (18) aufweist, die zur Steuerung seiner Bewegungen in axialer Richtung durch ein bezüglich seines Druckes einstell- und steuerbares Medium beaufschlagbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bereich der Einfüllöffnungen (6?#für den festen Kunststoff liegende axiale Begrenzungswand'des Arbeitsraums (4) durch die kreisringförmige Arbeitsfläche eines Förderkolbens (7} gebildet und relativ zu den radialen Begrenzungswände##axial verschiebbar ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderkolben (7) eine senkrecht zu seiner Achse liegende Steuerschulter (8) aufwe ist, die von einem hinsichtlich seines Drucks einstell- und steuerbaren Medium beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß zur Verhinderung eines Rückfließens von Kunststoff nach der Förderbewegung in der ortsfesten radialen Begrenzungswand des Ar-Arbeitsraums (4) in Strömungsrichtung knapp unterhalb der Einfüliöffn#un#en (6) für den festen Kunststoff eine in den Arbeitsraum 14) v6rspringende Sperrkante (20) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere und ortsfeste radiale Begrenzungswand des Arbeitsraumes (4) zumindest im Bereich der d#elektrischen Heizung aus elektrisch nichtleitendem Material mit hoher Dielektrizitäts konstante und kleinem Verlustfaktor besteht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der äußeren und ortsfesten Begrenzungswand des Arbeitsraums (4) konzentrisch zu diesem eine oder mehrere in AchsriChtung nebeneinanderliegende, an einem Hochfrequenz-Generator angeschlossene Ringelektroden (13) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (13) in unterschiedlichem radialem Abstand zum Arbeitsraum (4) angeordnet sind.

13, Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte eines vorzugsweise in der Nähe der Austragdüse (2) angeordneten Meßfühlers (21) mit einem Sollwert verglichen und entsprechend einer dabei auftretenden Abweichung die an die Ringelektroden (13) angelegten Spannungen geregelt werden.