DE2365820A1

DE2365820A1 - Spritzgiessmaschine zum spritzgiessen von elastomeren

Info

Publication number: DE2365820A1
Application number: DE2365820*A
Authority: DE
Inventors: Robert T De Capite; John D Counceller
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1972-03-13
Filing date: 1973-03-13
Publication date: 1976-08-12
Also published as: US3846057A; GB1429561A; DE2312480A1; GB1429562A; JPS492859A; FR2175972A1; DE2312480B2; AU5318673A; FR2175972B1; CA1007021A

Description

Pr. Ir^, W-IU-Dr. Di el ζ r Γ. Μ ο rf
Dr. Hans-A. Brauns

B Müni&ea^₁ pioflieaauöisir,» 26. Januar 1976

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P 23 12 '48O. 3-16 Tr. A.

E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Del. I9898, V.St.A,

Spritzgiessmasehine zum Spritzgiessen von Elastomeren

Die Erfindung betrifft eine Spritzgiessmasehine zum Spritzgiessen von Elastomeren, ..nit einer Schnecke zum Vorplast if izieren des Elastomers, die durch die Ansammlung des an ihr Ausstossende geförderten Elastomers entgegen einem einstellbaren Gegendruck zurückdrückbar ist, wobei abhängig von einem bestimmten Rückwärtshub der Schnecke die Plastifizierungseinwirkung zur Erhöhung der Temperatur des Elastomers während des restlichen Rückwärtshubes der Schnecke verstärkbar ist.

Da die erfindungsgemässe Spritzgiessmasehine zum Spritzgiessen von Kautschuk in einem Extruder mit verschiebbarer Schnecke dienen soll, haben sich bestimmte der bisher bekannten Verfahren zur Konstanthaltung der Temperatur von Thermoplast-Schmelzen nicht als völlig zufriedenstellend oder frei von Nachteilen in der praktischen Anwendung erwiesen. Das Spritzgiessen von Kautschuk, einem hitzehärtbaren Material, ist im

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Vergleich mit Thermoplasten aus einer Reihe von Gründen besonders problematisch. Verfahren zum Formen von Kautschuk erfordern im allgemeinen Form- oder Spritztemperaturen in einem engeren Bereich und lassen in verschiedenen Bereichen des in das Werkzeug eingespritzten Kautschuks nur relativ geringere Temperaturdifferenzen zu. Ausserdem ist das Härten von Kautschuk sowohl zeit- als auch temperaturabhängig: je höher die Temperatur, je kurzer die Härtezeit. Dieses Merkmal verursacht unterschiedliche Temperaturen sowohl in verschiedenen Teilen des Werkzeuges während des Zuhaltevorgangs als auch im Extruderzylinder während des Plastifizier- und SpritζVorgangs. Da ausserdem Kautschuk gegenüber den meisten Thermoplasten mit einer verhältnismäss.ig höheren Viskosität gespritzt wird, wird die Aufheizung des Extruders oder die Plastifizierwirkung nicht wie beim Extrudieren von Thermoplasten durch einen von aussen beheizten Extruderzylinder des Extruders erzielt, sondern durch Reibungswärme, die beim Transportieren des Kautschuks entlang der Extruderschnecke durch Scherung erzeugt wird. Beim Zurückschieben der Schnecke wird die wirksame Schneckenlänge kleiner, und im hinteren Teil eines von der Schnecke transportierten Kautschuk-Schusses tritt weniger Reibung auf, so dass sich zwischen den vorderen Teilen eines Schusses, die über eine verhältnismässig grosse wirksame Schneckenlänge transportiert werden, und den eine niedrigere Temperatur aufweisenden hinteren Teilen des Schusses eine Temperaturdifferenz ergibt. Diese ist problematisch, da die in ein Werkzeug eingespritzten ersten oder vorderen und heisseren Teile eines Schusses viel schneller härten als die später eingespritzten kühleren Teile des Schusses. Verlängert man die Verweilzeit des Schusses im Werkzeug so, dass die kühleren Teile des Schusses im Werkzeug härten können, so wird die GesamtZykluszeit nutzlos verlängert und die anfänglich heisseren Teile des Schusses können "überhärten"

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und spröde werden und somit nicht verkaufsfähig sein. Wird das gespritzte Kautschukteil aus dem Werkzeug entnommen, bevor es in allen Bereichen ausreichend gehärtet ist, besteht natürlich die Gefahr, dass unerwünschte Verformungen und andere Nachteile eintreten.

Herkömmliche Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von in einem Extruder mit verschiebbarer Schnecke gespritzten Thermoplast-Schmelzen, wie z.B. bestimmte der in der US-Patentschrift 3 ^92 700 beschriebenen Verfahren, haben sich beim Spritzgiessen von Kautschuk in einem Extruder mit verschiebbarer Schnecke im allgemeinen nicht bewährt. Beispielsweise ist der in der genannten Patentschrift enthaltene Vorschlag, die Spritzgeschwindigkeiten zu erhöhen, bei Kautschuk von geringem praktischem Nutzen. Wenngleich es theoretisch möglich .sein kann, durch Erhöhung der Spritzgeschwindigkeiten die angestrebte Temperaturerhöhung in der Schmelze zu erzielen, so ist dies praktisch aufgrund mechanischer und prozessbedingter Beschränkungen nicht möglich. In diesem Zusammenhang sei auf Versuchsergebnisse hingewiesen, die zeigen, dass durch Erhöhen der Spritzgesehwindigkei-^n beim Spritzgiessen von Kautschuk sogar um das Dreifache keine merkliche Temperaturerhöhung in der Schmelze im hinteren Teil des Schusses erzielt wird. Jedenfalls können bei Erhöhung der Spritzgeschwindigkeiten auf die theoretisch erforderlichen Werte am vorderen Teil des Schusses Verbrennungen auftreten, die das Spritzteil unbrauchbar machen.

Als für die Verarbeitung von Kautschuk ebenfalls nicht geeignet hat sich der in der US-Patentschrift 3 ^92 700 gemachte Vorschlag erwiesen, die Temperatur einer in einem Extruder mit verschiebbarer Schnecke gespritzten Thermoplast-Schmelze dadurch zu erhöhen, dass man die Reaktionskraft, welche die Rüekwärtshubbewegung der Schnecke verlangsamt, verstärkt,

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indem man die Rückströmung oder die unter niedrigem Druck erfolgende Pluidabströmung aus der Niederdruckseite eines der Schneckenverschiebung dienenden Hydraulikzylinders drosselt. Der Grund hierfür liegt darin, dass durch eine derartige Erhöhung der die Rückwärtshubbewegung der Schnecke verlangsamenden Reaktionskraft auch die Zykluszeit und die Verweilzeit des Kautschuks in der Vorkompressions- oder Schusszone verlängert werden. Die Schusszone ist der Raum in der Bohrung des Pressenzylinders der vor einer sich nach hinten schiebenden Schnecke liegt. Da die Viskosität des Kautschuks selbst bei konstanter Temperatur des Kautschuks ansteigt (Fig. 6), ruft eine derartige verlängerte Verweilzeit eine Zunahme des Härtungsgrades von Teilen des im Pressenzylinder des Extruders befindlichen Kautschuks hervor und führt dadurch zu einer noch höheren Viskosität in Teilen des zu spritzenden Kautschuks, so dass eine gleichmässige Füllung aller Teile der Formhöhlung durch Spritzen schwieriger wird. Diese letztgenannte Erscheinung kann sich störend auf die angestrebte wechselseitige Vereinigung verschiedener, über verschiedene Verteilungskanäle in das Werkzeug eingespritzter Teile des Schusses auswirken, so dass eine einwandfreie Verknüpfung oder Verbindung dieser Teile nicht sichergestellt ist.

Nach dem in der US-Patentschrift 3 ^92 700 gemachten dritten Vorschlag zur Erhöhung der Temperatur der Schmelze soll die Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl der Extruderschnecke erhöht werden, sobald die Notwendigkeit hierfür von einer am hinteren Ende des Pressenzylinders angeordneten Fühlervorrichtung festgestellt ist. Bei unmittelbarer Anwendung dieses Verfahrens auf die Verarbeitung von Kautschuk können jedoch höhere Anfängstemperaturen in einem Zyklus tatsächlich eine Herabsetzung der Temperatur der letzten oder hinteren Teile eines Schusses hervorrufen. Es ist schwierig, auf einen von der Fühlervorrichtung festgestellten Fehler so rechtzeitig zu reagieren, dass dieser Fehler in wesentlichem Umfang korrigiert wird.

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Schliesslich ist es aus der DT-PS 1 152 250 bekannt, eine Drehzahlerhöhung der Schnecke vorzusehen, die während des Formfüllvorgangs abhängig von der Vorlaufgeschwindigkeit bzw. -zeit oder dem Einspritzdruck während des Formfüllvorgangs bei Abweichungen von einem Sollwert erfolgt. Im Gegensatz zu der bekannten Vorrichtung erfolgt jedoch der Regelvorgang erfindungsgemäss bereits während der Vorplastifizierung, wodurch Abweichungen vom Sollwert bereits bei ihrer Entstehung erfasst werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spritzgiessmaschine zum Spritzpressen von Elastomeren zu schaffen, mit welcher sich Kautschuk mit gleichmässiger Temperatur spritzgiessen lässt.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass hierzu die Drehzahl der Schnecke durch eine Steuervorrichtung in bekannter Weise selbsttätig erhöhbar ist.

Als Folge der erfindungsgemässen Ausbildung wird eine sehr empfindliche Regelung erhalten, weil die Drehzahlerhöhung bereits während der Vorplastifizierung wirksam wird, so dass, wie erwähnt, Abweichungen vom Sollwert bereits während ihrer Entstehung berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird anschliessend anhand eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Spritzgiessmaschine näher erläutert, Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Extruder in horizontaler Bauart mit verschiebbarer Schnecke in Stellung zum Einspritzen von Kautschuk in ein zwischen Elementen einer Sehliesseinheit angeordnetes Werkzeug,

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Fig. 2 eine Vorderansicht von Teilen des in Fig. 1 dargestellten Extruders,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der hydraulischen Anlage einer erfindungsgemäss gebildeten Spritzgiessmaschine, mit der die Schneckendrehzahl des in Fig.l dargestellten Extruders entsprechend der Rückwärtshubbewegung der Schnecke veränderbar ist,

Fig. 4 ein Diagramm des Arbeitszyklusses eines herkömmlichen, mit verschiebbarer Schnecke ausgerüsteten Extruders zum Einspritzen von Kautschuk in eine Formhöhlung, in dem über dem Verschiebeweg.der Schnecke Schneckendrehzahl und Temperatur der Schmelze eingetragen sind,

Fig. 5 ein dem Diagramm in Fig. 4 ähnliches Diagramm für die durch Anwendung der Erfindung erzielten Ergebnisse und

Fig. 6 ein Diagramm bestimmter Merkmale von zum Spritzgiessen plastifiziertem Kautschuk, in dem die Beziehung zwischen der Schussviskosität des Kautschuks und der Härtezeit über der Raumtemperatur dargestellt ist und worin als besonders wichtiges Merkmal des Kautschuks zu erkennen ist, dass die Viskosität bei gleichbleibender Temperatur zunimmt.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Spritzgiessen von Kautschuk in Gestalt eines Extruders oder einer Spritzgiessmaschine mit verschiebbarer Schnecke. Die Vorrichtung weist im wesentlichen eine Einheit 10 zum Plastifizieren und Spritzen von Kautschuk auf, mit der Kautschukschmelze in ein Werkzeug 12 einführbar ist j welches zwischen Elementen einer herkömmlichen, hydraulisch betätigbaren Spritzgusswerkzeug-Schliesseinheit I4,l6 angeordnet

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ist. Das Werkzeug 12 ist aus voneinander trennbaren Werkzeug-. halften 18 und 20 zusammengesetzt, an deren Trennfläehen Ausnehmungen ausgebildet sind, welche im Zusammenwirken miteinander eine Formhöhlung 22 für einen Kautschukgegenstand bilden. Zur Versorgung der Werkzeughälften mit Heizfluid oder Heizöl sind Leitungen 2k an eine (nicht gezeichnete) beliebige herkömmliche Quelle für erwärmtes öl angeschlossen. Bei Bedarf können für die Beheizung der Werkzeughälften (nicht gezeichnete) herkömmliche elektrische Heizvorrichtungen vorgesehen sein.

Die Plastifizier- oder Spritzeinheit 10 ist im wesentlichen herkömmlich und ähnlich der in der US-PS 2 73^ 226 beschriebenen Anlage ausgebildet. Zur Spritzeinheit gehört ein Zylinder 26, in dessen Bohrung 28 eine zum Extrudieren oder •Plastifizieren von Kautschuk geeignete Extruderschnecke 30 drehbar und verschiebbar aufgenommen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass unter dem hier gebrauchten Ausdruck "Kautschuk" sowohl Natur- und Synthetikkautschuke als auch andere Elastomere mit hoher Spritzviskosität verstanden werden, die die Verarbeitbarkeit von Kautschuk aufweisen, "ie einem in der Ausgabe vom Februar 1972 der Zeitschrift "Rubber World" auf den Seiten 31 bis 35 abgedruckten Artikel zu entnehmen ist, hat die Anmelderin von ihr hergestelltes Äthylen-Propylen-Dien-Monomer mit gutem Erfolg verwendet.

Die Extruderschnecke 30 weist wendeiförmige Stege 31 und an ihrem vorderen Ende eine konische Schneckenspitze oder kegeligen Schmierkopf 32 auf, der mit einer Spritzdüse "5k zusammenwirkt, um plastifizieren Kautschuk aus der Bohrung 28 durch Verteilungskanäle 36 in die Formhöhlung 22 zu leiten. •Um den hinteren Teil des Schmierkopfes 32 herum ist ein Rück-Btrömsperring 35 angeordnet, der während des Spritzvorganges das. Zurückströmen eines Schusses entlang der Schneckenstege

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verhindert. Das vordere Ende des Zylinders 26 ist von einer Mehrzahl von fluidführenden Ringkanälen 38 umschlungen. Jeder dieser Kanäle ist über geeignete Leitungen 40, von denen nur ein Paar gezeichnet ist, an eine Fluidpumpe 42 angeschlossen,, die zur Versorgung der Ringkanäle 38 mit Kühlmittel oder, bei Bedarf, mit Heizmittel unter Druck stehendes Fluid durch einen Kühler 44 oder durch einen bei Bedarf aufschaltbaren Fluiderhitzer 46 eines Wärmetauschers schickt. Der Fluiderhitzer 46 dient nur dazu, den Ringkanälen 38 Heizmittel während der Anlauf- oder Leerlauf-Phasen des Arbeitszyklusses der Spritzeinheit 10 zuzuführen. Danach wird das Fluid nicht erhitzt, sondern vielmehr im Wärmetauscher-Kühler 44 gekühlt. Bei normalem Betrieb der Einheit genügt die durch Scherung erzeugte Reibungswärme zum Plastifizieren des Kautschuks.

Zum Verschieben der Schnecke 30 aus einer vordersten Stellung, die entsprechend Fig. 2 von einer Aufgabeöffnung 48 für bandförmigen Kautschuk einen Abstand L₁ hat, in eine hintere Stellung, welche von der Aufgabeöffnung 48 um einen Betrag L„ entfernt ist, dienen zwei Hydraulikzylinder 50,52 (Fig. 1). Diese Zylinder 50 und 52 sind über ein Joch 5¹* fest mit dem hinteren Ende der Schnecke 30 verbunden. Sie weisen jeweils eine Bohrung 55 auf, in der ein Kolben 56 angeordnet ist. Dieser ist über eine Kolbenstange 58 starr an einen ortsfesten Rahmen 60 angeschlossen. Zum Verschieben der Schnecke 30 in beiden Richtungen wird von einer (nicht gezeichneten) geeigneten Quelle aus Druckmittel der einen oder der anderen Seite des Kolbens 56 zugeführt, so dass den Zylindern 50 und 52 eine Relativbewegung gegenüber den ortsfesten Kolben erteilt und dadurch die mit dem Zylinder und dem Joch fest verbundene Schnecke in der einen oder der anderen Richtung verschoben wird.

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Entsprechend Fig. 2 ist ein Kautschukband 64 von einem (nicht gezeichneten) Vorratswickel oder einem Vorratsbehälter aus, in dem das Band in beliebiger loser Form, beispielsweise in Zickzack- oder Schleifenform, abgelegt ist, in die Aufgabeöffnung 48 zuführbar.

Für den Antrieb der Schnecke 30 mit verschiedenen Umlaufgeschwindigkeiten oder Drehzahlen ist am hinteren Schneckenende ein hydraulisch betätigter Motor 74 angebracht (Fig. 1). Die Drehzahlsteuerung des Motors 74 und der Schnecke 30 erfolgt erfindungsgemäss mit einer Sehneckendrehzahl-.steuervorrichtung 80, die in Fig. 3 schematisiert dargestellt ist.

Die Steuervorrichtung 80 weist erfindungsgemäss eine Hydraulikpumpe 82 auf, die über Leitungen 84 und ein elektrisch betätigtes Durchflussregelventil 86 in herkömmlicher Bauweise an den die Drehbewegung der Schnecke 30 antreibenden Hydraulikmotor 74 angeschlossen ist. Das Durchflussregelventil 86 vermag mit Steuerung durch ein Potentiometer 90 veränderbare Anteile an der Fördermenge der Pumpe 82 an einen Vorratsbehälter 88 abzugeben. Der elektrische Widerstand des Potentiometers 90 ist durch die Grosse des Rückwärtshubes der Schnecke 30 bestimmt. Nach Verschieben der Schnecke aus ihrer vordersten Stellung heraus, die sich im Abstand L^ von der Bandaufgabeöffnung befindet, um einen Betrag von 10 % von L₁ nach hinten tritt erfindungsgemäss eine allmähliche Erhöhung des Widerstandes des Potentiometers ein, welches die vom Durchflussregelventil 86 zurück in den Vorratsbehälter 88 abgeleitete Strömung drosselt. Dadurch wird während des nachfolgenden Rückwärtshubes der Schnecke die Umlaufgeschwindigkeit des Motors 74 allmählich erhöht, bis die Schnecke ihre hinterste Stellung mit Abstand Lp von der Aufgabeöffnung 48 erreicht (Fig. 2).

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Bei Bedarf können ein oder mehrere (nicht gezeichnete) Endschalter so angeordnet sein, dass sie bei Verschiebung der Schnecke 30 nach hinten nacheinander betätigt werden und ein oder mehrere Ventile und entsprechende Leitungsdrosselstellen schalten, um allmählich abnehmende Fluidströmung aus der Pumpe 82 durch die Ventile zurück in den Vorratsbehälter abzuleiten. Daraus ergibt sich entsprechend der Verschiebung der Schnecke 30 nach hinten eine schrittweise Erhöhung der Motordrehzahl.

Es sei darauf hingewiesen, dass das Spritzgiessen von Kautschuk mit einem Extruder mit verschiebbarer Schnecke unter Verwendung herkömmlicher Vorrichtungen möglich ist, wobei sieh in der Schmelze Temperaturveränderungen entsprechend Fig. 4 ergeben. Durch Anwendung der Vorrichtung nach der Erfindung erzielt man mit Vorteil eine konstante Temperatur der Schmelze, wie in Fig. 5 dargestellt.

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Claims

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1. Spritzgiessmaschine zum Spritzgiessen von Elastomeren, mit einer Schnecke zum Vorplastifizieren des Elastomers, die durch die Ansammlung des an ihr Ausstossende geförderten Elastomers entgegen einem einstellbaren Gegendruck zurückdrückbar ist, wobei abhängig von einem bestimmten Rückwärtshub der Schnecke die Plastifizierungseinwirkung zur Erhöhung der Temperatur des Elastomers während des restlichen Rückwärtshubes der Schnecke verstärkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu die Drehzahl der Schnecke (3) durch eine Steuervorrichtung (80) in bekannter Weise selbsttätig erhöhbar ist.

2. Spritzgiessmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (80) so ausgebildet ist, dass sie die Drehzahl der Schnecke (3) allmählich und gleichmassig während des grösseren Abschnittes des Rückwärtshubes der Schnecke aus ihrer vordersten Stellung heraus erhöht.

3. Spritzgiessmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (80) mit Begrenzungsschaltern zusammenarbeitet, so dass während der Rückwärtsbewegung der Schraube ein schrittweiser Anstieg der Schneckendrehzahl erzielt wird.

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