DE3500561C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine mit einem Heizzylinder, einem Materialzuführtrichter und einer in dem Heizzylinder angeordneten Schnecke mit einem Antrieb für die Drehung und Hin- und Herbewegung der Schnecke, mit einem vorne am Heizzylinder angebrachten Zylinderkopf, wobei der erste Abschnitt des Heizzylinders zylindrisch ausgestaltet ist und sich daran der Zylinderkopf mit einem zweiten, kegelstumpfförmigen Abschnitt anschließt, der in einen dritten, zylindrischen Abschnitt übergeht, dessen Innendurchmesser geringer als der des ersten Abschnittes ist, wobei die Innenwände des gesamten Heizzylinders absatzlos ineinander übergehen und die Schnecke im Bereich des ersten Heizzylinderabschnittes einen Schneckensteg aufweist.

Eine derartige Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine ist aus der DD-PS 1 22 227 bekannt, die einen Heizzylinder aufweist, dem das einzuspritzende Material über einen Zuführtrichter zugeführt wird und in dem eine Schnecke für den Vorwärtstransport des Materials angeordnet ist. Ein Stirnteil des Heizzylinders, das in bezug auf den Materialfluß stromabwärts liegt, ist als Zylinderkopf ausgebildet, der einen ersten Abschnitt als Rückteil aufweist, dessen Innendurchmesser stetig an eine Stirnfläche des Heizzylinders anschließt und einen kegelstumpfartigen Querschnitt aufweist sowie einen zweiten Abschnitt, der mit seinem Rückteil stetig an den Vorderteil des ersten Abschnitts anschließt und einen kleineren Innendurchmesser als der Heizzylinder besitzt. Die Innenflächen des Heizzylinders des ersten und zweiten Abschnitts schließen aneinander glatt an.

Aus der DE-OS 25 41 376 ist eine Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine bekannt, bei der die Schnecke eine Anzahl von Teilen umfaßt. Im Bereich der Beschickungszone und der Schmelzzone besitzt die Schnecke einen konstanten Außendurchmesser, während der Außendurchmesser im Bereich der Dekompressionszone und der Dosierzone einen demgegenüber kleineren konstanten Wert hat. Der Innendurchmesser des Heizzylinders ist zwei unterschiedlichen Außendurchmessern der Schnecke angepaßt.

Bei dem herkömmlichen Spritzgießvorgang erfolgt das Einspritzen mit einem maximalen Druck im Bereich von 14 000 bis 18 000 N/cm² (1400 bis 1800 kp/cm²) während des Materialeinspritzvorganges und während des Aufrechterhaltens des Druckes nach dem Einspritzvorgang. In jüngster Zeit wird demgegenüber ein Hochdruckspritzgießen mit erhöhtem Einspritzdruck im Bereich von etwa 25 000 bis 35 000 N/cm² (2500 bis 3500 kp/cm²) durchgeführt, um Spritzgußprodukte mit exzellenten Eigenschaften zu erhalten, die weit weniger Wellenlinien oder Zeichen und weniger irreguläre Einschnitte oder Lunker an der Oberfläche infolge von Schrumpfvorgängen des Spritzgießmaterials in der Spritzform im Vergleich zu Spritzgußprodukten, die in herkömmlicher Weise mit geringeren Drücken hergestellt werden, aufweisen.

Bei dem bekannten Hochdruckeinspritzvorgang wird der hohe Einspritzdruck dadurch erhalten, daß

• (a) ein Durchmesser D einer Spindel der Einspritzvorrichtung reduziert,
• (b) ein Durchmesser eines Kolbens einer hydraulischen Einspritzzylinderanordnung erhöht, oder
• (c) der Hydraulikdruck einer Hydraulikantriebsquelle erhöht wird. Der maximale Einspritzdruck P _max während des Spritzgießvorgangs wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben: mit F₀ gleich dem Druck des Hydraulikmediums mal der Kolbenfläche des Einspritzkolbens der Einspritzvorrichtung und D gleich dem Durchmesser der Schnecke der Einspritzvorrichtung, so daß der maximale Druck P _max umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Schneckendurchmessers D und proportional zu der Kraft F₀ in Einspritzrichtung ist.

Die maximale Einspritzmenge W _max eines Materials und die maximale Einspritzdurchsatzmenge Q _max bzw. Menge pro Zeiteinheit ergeben sich zu

mit dem Einspritzhub S eines Kolbens einer hydraulischen Kolbenzylinderanordnung, der Materialdichte γ und dem Einspritzwirkungsgrad η und

mit der Einspritzgeschwindigkeit v des Kolbens.

Wie aus diesen Gleichungen (2) und (3) zu ersehen ist, sind sowohl die maximale Einspritzmenge W _max als auch die maximale Einspritzdurchsatzmenge Q _max proportional zu dem Quadrat des Schneckendurchmessers D.

Aus den drei Gleichungen (1) bis (3) folgt, daß bei der zuvor erwähnten Methode (a) der maximale Einspritzdruck P _max durch Verminderung des Schnecken- bzw. des Heizzylinderdurchmessers erhöht wird, woraus jedoch umgekehrt ein Absinken der Einspritzmenge W und der Einspritzdurchsatzmenge resultiert. Werden somit die Plastifizierfähigkeit und die Einspritzmenge pro Zeiteinheit erniedrigt, so sinkt die Herstellungsproduktivität ab, was in jedem Fall unwirtschaftlich ist. Auch bei der zuvor erwähnten Methode (b) ergeben sicht die gleichen Nachteile oder Probleme, wie sie unter Bezugnahme auf die Methode (a) beschrieben wurden, da der maximale Einspritzdruck P _max im Verhältnis zu dem Quadrat des Durchmessers des Kolbens der hydraulischen Kolbenzylinderanordnung der Einspritzvorrichtung erhöht wird, jedoch die maximale Einspritzdurchsatzmenge _max im umgekehrten Verhältnis zu dem Quadrat des Durchmessers der Schnecke absinkt. Nach Gleichung (3) ist die maximale Einspritzdurchsatzmenge _max proportional der Einspritzgeschwindigkeit

mit der konstanten Pumpeneinspritzmenge Q _c pro Zeiteinheit und dem Flächenquerschnitt A _c der hydraulischen Einspritzzylinderanordnung 11. Der Flächenquerschnitt A _c ist proportional dem Quadrat des Durchmessers der Schnecke. Wird die Methode (c) näher untersucht, so ist dabei zu berücksichtigen, daß der maximale Pumpendruck einer herkömmlichen Hochpräzisionsdrehkolbenpumpe ungefähr 1400 bis 1500 N/cm² (140 bis 150 kp/cm²) oder einer herkömmlichen Kolbenpumpe etwa 1900 bis 2100 N/cm² (190 bis 210 kp/cm²) beträgt, so daß ein hydraulisches Aggregat mit erhöhter Pumpenleistung oder mit Rohrleitungen, die vergrößerte Querschnitte besitzen, erforderlich ist, um den extrem erhöhten Maximalpumpendruck der Hydraulikquelle verfügbar zu machen. Aufgrund dieser Tatsachen ergibt sich ein Anstieg der Konstruktionskosten der Spritzgießmaschine, und zusätzlich wird die Wartung des Hydraulikteils bzw. Hydraulikkreises extrem schwierig, und darüber hinaus steigt der elektrische Leistungsverbrauch für den Betrieb der Hydraulikquelle enorm an.

Somit ergibt sich, daß die herkömmlichen Methoden zum Erreichen eines hohen Spritzdrucks für die Einspritzvorrichtung eine große Kapazität oder ein großes Volumen für den Betrieb der Schnecke mit hoher Geschwindigkeit erfordert. Dem steht entgegen, daß die Vergrößerung der Druckzylinderanordnung die Gesamtgröße der Einspritzvorrichtung vergrößert und im übrigen kostentreibend und daher unwirtschaftlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß ein hoher Einspritzdruck ohne die Bereitstellung einer Einspritzvorrichtung großer Kapazität und ohne daß die Plastifizierfähigkeit der Einspritzvorrichtung absinkt, erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Bemessung der Länge des dritten Schneckenteils derart, daß die vordere Stirnfläche im zweiten Abschnitt des Zylinderkopfes verbleibt, wenn die Schnecke ihre hintere Endstellung einnimmt, wird während der Hin- und Herbewegung der Schnecke stets ein hoher Einspritzdruck aufrechterhalten.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Zylinderkopf mit dem Heizzylinder zu einem Bauteil integriert. Der Zylinderkopf ist in einer anderen Ausgestaltung der Erfindung als ein separates, am Heizzylinder befestigtes Bauteil ausgebildet. Zweckmäßigerweise bilden der erste, zweite und dritte Schneckenteil ein einstückiges Bauteil. Ebenso ist es möglich, daß der erste, zweite und dritte Schneckenteil jeder für sich ein separates Bauteil bilden und miteinander verbunden sind.

Um ein Zurückfließen des Materials zu verhindern, ist ein Absperrventil an dem dritten Schneckenteil befestigt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt eines wesentlichen Teils einer Spritzgießmaschine mit einer Einspritzvorrichtung.

Die Einspritzvorrichtung umfaßt einen Heizzylinder 1, dem Material wie beispielsweise Kunststoff über einen Behälter 10 zugeführt wird, eine in dem Heizzylinder 1 angeordnete Schnecke 7 zum Plastifizieren des Kunststoffmaterials und Vorwärtsfördern, eine hydraulische Kolbenzylinderanordnung 11 zum Hin- und Herbewegen der Schnecke 7. Heizeinrichtungen wie Heizkörper 12 sind rings um den Heizzylinder 1 an verschiedenen Abschnitten zum Beheizen des Zylinders 1 angeordnet und schmelzen das zugeführte Kunststoffmaterial auf.

Ein Zylinderkopf 2 ist an dem Stirnteil, in der Zeichnung an der linken Stirnfläche des Heizzylinders 1, befestigt. Der Zylinderkopf 2 umfaßt einen Rückteil 4, der im Längsschnitt eine kegelstumpfartige Gestalt besitzt, einen zentralen zylindrischen Teil 5 und einen Vorderteil 6, an dem eine Düse 9 ausgebildet ist. Der Innendurchmesser des kegelstumpfartigen Teils 4 auf der stromauf liegenden Seite in bezug auf die Durchflußrichtung des geschmolzenen Kunststoffes in dem Heizzylinder 1 entspricht im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Heizzylinders, so daß ein glatter Anschluß zwischen dem kegelstumpfartigen Teil und der Innenfläche 3 des Heizzylinders 1 gegeben ist. Der Innendurchmesser des kegelstumpfartigen Teils 4 auf der stromabwärts liegenden Seite in bezug auf die Durchflußrichtung des geschmolzenen Kunststoffes ist im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des zentralen Abschnitts 5 des Zylinderkopfs 2, wobei der hohle Innenteil des zentralen Abschnitts 5 axial parallel zu dem hohlen Innenteil des Heizzylinders und der Innendurchmesser kleiner als derjenige des Heizzylinders 1 ist.

Der mittlere zylindrische Abschnitt 5 besitzt eine Länge L, die so vorgegeben ist, daß ein vorderer Abschlußteil der Schnecke 7, der nachstehend noch näher beschrieben wird, in dem zylindrischen Abschnitt 5 verbleibt, wenn sich die Schnecke in der hinteren Grenzposition des Heizzylinders 1 befindet. Ein Zurückfließen des aufgeschmolzenen Kunststoffes von der Düse 9 in den zylindrischen Abschnitt 5 wird verhindert, da in diesem der Druck ausreichend hoch ist, um das Zurückfließen nicht zuzulassen.

Die in dem hohlen Innenteil des Heizzylinders 1 angeordnete Schnecke 7 wird hin- und herbewegt und in Drehung versetzt durch die Operation der hydraulischen Kolbenzylinderanordnung 11 und des Antriebsmotors M. Die Schnecke 7 bewegt sich in Axialrichtung des Heizzylinders 1 so hin und her, daß die Länge des vorderen Schneckenteils die Länge L nicht überschreitet, wenn die Schnecke 7 in die vordere Grenzposition geführt wird bzw. diese einnimmt. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Schnecke 7 aus drei Abschnitten besteht, die unterschiedliche Außendurchmesser besitzen, nämlich einen ersten Schneckenabschnitt 7 a mit großem Außendurchmesser, der im wesentlichen mit dem Innendurchmesser des hohlen Heizzylinders 1 übereinstimmt, einem dritten Schneckenabschnitt 7 b mit kleinem Außendurchmesser, der im wesentlichen mit dem Innendurchmesser des Abschnitts 5 des hohlen Zylinderkopfs 2 übereinstimmt, und einem zweiten Schneckenabschnitt 7 c mit kegelstumpfartigem Querschnitt, der eine äußere Konfiguration bzw. Durchmesser aufweist, die im wesentlichen mit der inneren Konfiguration bzw. den Durchmessern des kegelstumpfartigen Abschnitts 4 des Zylinderkopfs 2 übereinstimmen. Diese Schneckenabschnitte 7 a, 7 b und 7 c sind so konstruiert, daß ihre äußeren Konfigurationen mit den entsprechenden Abschnitten des Heizzylinders 1 und des Zylinderkopfs 2 übereinstimmen, wenn die Schnecke 7 ihre äußerste vordere Position einnimmt, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Diese Schneckenabschnitte können in einem einzigen Bauteil integriert sein, aber auch als drei Einzelteile gefertigt und zu einem Bauteil zusammengebaut sein. Nahe dem vorderen Endabschnitt des Schneckenteils 7 b mit kleinem Durchmesser ist ein Absperrventil 8 angeordnet, das ein Zurückfließen des geschmolzenen Kunststoffs in den Zylinderkopf 2 während des Einspritzvorgangs verhindert. Es ist auch möglich, je nach der Art des für den Spritzgußvorgang verwendeten Materials das Absperrventil 8 wegzulassen.

Die Einspritzvorrichtung arbeitet in folgender Weise:

Das in den Heizzylinder 1 über den Behälter 10 eingefüllte Kunststoffmaterial wird erhitzt und plastifiziert durch die hin- und hergehenden Bewegungen der von der hydraulischen Kolbenzylinderanordnung 11 betätigten Schnecke 7 und durch die Betätigung des Antriebs M. Der in dem Heizzylinder 1 aufgeschmolzene und plastifizierte Kunststoff wird dem Zylinderkopf 2 zugeführt und in diesem zunächst eine vorgegebene Menge gespeichert, die im wesentlichen der Menge entspricht, die für einen Einspritzhub der Einspritzvorrichtung notwendig und geeignet ist, um ein Produkt in eine Form 13 zu gießen, die mit der Düse 9 des Zylinderkopfs 2 verbunden ist. Nach Beendigung der Speicherung der notwendigen Menge des aufgeschmolzenen Kunststoffes in dem Zylinderkopf 2 dreht sich die Schnecke 7 wieder und bewegt sich vorwärts, in der Zeichnung nach links, wodurch der aufgeschmolzene Kunststoff in die Form 13 durch die Düse 9 im vorderen Stirnabschnitt 6 des Zylinderkopfs 2 eingespritzt wird. Durch die Bauweite der Schnecke 7 wird der Spritzdruck sehr stark erhöht, da der Innendurchmesser des Zylinderkopfs 2 kleiner ist als der Innendurchmesser des Heizzylinders 1.

Wenn beispielsweise der Durchmesser des Schneckenabschnitts 7 b gleich 5/7 des Durchmessers D des Schneckenabschnitts 7 a beträgt, wird der Absolutwert des Einspritzdrucks P auf einen Absolutwert P _max ≈ 1,96 F₀ in Übereinstimmung mit Gleichung (1) erhöht, wobei für F₀ gleichfalls der Absolutwert einzusetzen ist.

Bei der Einspritzvorrichtung wird der Plastifiziervorgang des Kunststoffes im Heizzylinder 1 durchgeführt, d. h. in dem Abschnitt der Schnecke 7, der einen großen Durchmesser aufweist, so daß das Plastifiziervermögen nicht abgesenkt wird wodurch keine Notwendigkeit besteht, spezifische hydraulische Pumpmittel einzusetzen und somit ein herkömmliches Pumpsystem verwendet werden kann, was wirtschaftlich ist und nur Konstruktionsarbeiten ohne hohen Schwierigkeitsgrad erfordert.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist der Zylinderkopf 2 als eigenes Bauteil gegenüber dem Heizzylinder 1 ausgebildet und an einem vorderen Stirnteil des Heizzylinders 1 befestigt, jedoch kann der Zylinderkopf 2 selbstverständlich auch mit dem Heizzylinder 1 ein integrales Bauteil bilden. Ebenso ist es möglich, daß die Düse 9 mit dem vorderen Stirnteil des Zylinderkopfs 2 integriert ist, jedoch kann die Düse 9 auch als ein separates Bauteil ausgebildet sein, das bei verschiedenen Arten von Spritzgießvorgängen einsetzbar bzw. anwendbar ist.

In der gezeigten Ausführungsform ist der Zylinderkopf 2 so konstruiert, daß das Teil 4 eine äußere Umfangsfläche besitzt, die mit derjenigen des Heizzylinders 1 fluchtet, das Teil 5 jedoch einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als derjenige des Heizzylinders 1 ist.

Im allgemeinen besitzen die durch das Hochdruckspritzgießen erzeugten Spritzgußprodukte kleine Größen, so daß die Verminderung der Spritzgießmenge, verursacht durch Verkleinerung des Durchmessers des Zylinderkopfs 2, nicht ein unlösbares Problem für die Herstellung dieser Produkte darstellt.

Weitere Vorteile können durch Verkleinerung des Durchmessers des vorderen Schneckenabschnitts und des Innendurchmessers des vorderen Stirnteils des Heizzylinders erzielt werden, ohne daß irgendein spezifisches Mittel oder eine Einrichtung für den Hochdruckspritzvorgang vorgesehen werden müssen.

Claims (6)

1. Einspritzvorrichtung für eine Spritzgießmaschine mit einem Heizzylinder, einem Materialzuführtrichter und einer in dem Heizzylinder angeordneten Schnecke mit einem Antrieb für die Drehung und Hin- und Herbewegung der Schnecke, mit einem vorne am Heizzylinder angebrachten Zylinderkopf, wobei der erste Abschnitt des Heizzylinders zylindrisch ausgestaltet ist und sich daran der Zylinderkopf mit einem zweiten, kegelstumpfförmigen Abschnitt anschließt, der in einen dritten, zylindrischen Abschnitt übergeht, dessen Innendurchmesser geringer als der des ersten Abschnittes ist, wobei die Innenwände des gesamten Heizzylinders absatzlos ineinander übergehen und die Schnecke im Bereich des ersten Heizzylinderabschnittes einen Schneckensteg aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (7) anschließend an den ersten Schneckenteil (7 a) einen zweiten, kegelstumpfförmigen Schneckenteil (7 c) und einen dritten geraden Schneckenteil (7 b) aufweist, deren Außendurchmesser auf die jeweiligen Innendurchmesser der entsprechenden Heizzylinderabschnitte abgestimmt sind und daß die Länge (L) des dritten Schneckenteiles (7 b) größer als der Maximalhub der Schnecke ist.

2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (2) mit dem Heizzylinder (1) zu einem Bauteil integriert ist.

3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (2) als ein separates am Heizzylinder (1) befestigtes Bauteil ausgebildet ist.

4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite und dritte Schneckenteil (7 a, 7 c, 7 b) ein einstückiges Bauteil bilden.

5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite und dritte Schneckenteil (7 a, 7 c, 7 b) jeder für sich ein separates Bauteil bilden und miteinander verbunden sind.

6. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absperrventil (8) an dem dritten Schneckenteil (7 b) befestigt ist.