DE3814571C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenspritzgießmaschine zur Verarbeitung wärmehärtbarer Kunststoffmassen, insbesondere von Gummi, mit einem Spritzzylinder, in den portionsweise gegebenenfalls über eine Plastifizierschnecke Masse gefördert wird, und einen in dem Spritzzylinder hin- und herschieb­ baren Spritzkolben, der die Masse aus dem Spritzzylinder durch eine Spritzdüse in eine Spritzform preßt, wobei der Kolben­ mantel mit einer unter dem Druck der Masse elastisch zur Zylinderinnenwand hin spreizbaren Dichtung ausgestattet ist.

Als Spritzmaterialien für diese Spritzeinheit kommen alle Materialien in Frage, die spritzfähig sind. Dazu gehören alle Thermoplaste und Elastomere, also Kunststoffe und insbesondere auch Gummi. Bei Gummi sind besonders hohe Drücke anzuwenden, weil dieses relativ schlechte Fließeigen­ schaften hat. Nach dem Stand der Technik ist bekannt, daß der Kolben derartiger Spritzzylinder zur Abdichtung des Druckraumes nach außen mit einer oder mehreren Dichtungen versehen werden muß.

In der FR-OS 73 32 411 wird ein Injektionskolben für thermo­ härtbare und thermoplastische Spritzmaterialien und insbesondere für Elastomere beschrieben, der an seinem Randumfang mit einer ringförmigen Lippe versehen ist, die nach vorn, d. h. in den Druckraum weist und im engen Kontakt mit der Innenfläche des Zylinderraumes steht. Diese Lippe spielt die Rolle einer Ab­ streifvorrichtung, übt jedoch auch eine gewisse Dichtungs­ funktion aus.

Eine entsprechende Konstruktion ist aus der DE-AS 15 79 020 bekannt, bei der die Dichtlippe aus starrem, reibungsmindern­ dem Material besteht und in eine Schneide ausläuft, die schräg zur Zylinderinnenwand gerichtet ist.

Diese Konstruktionen haben jedoch den Nachteil, daß die soge­ nannte Dichtlippe, welche aus Stahl bzw. starrem Material be­ steht, nur begrenzt elastisch ist, d. h. sich den jeweiligen Spritzdrücken nur begrenzt anpassen kann. Bei niedrigen Drücken (300 bis 400 bar) wird keine Anlage der Dichtlippe erreicht und somit auch keine Dichtwirkung. Ein wesentlicher Nachteil dieser Konstruktion besteht auch darin, daß die Spritzgenauigkeit nicht mehr gewährleistet ist, weil durch das Austreten von Spritzmaterial aus dem Spritzzylinderdruck­ raum die Menge des Spritzmaterials für den Spritzkörper nicht mehr erhalten bleibt. Bei hohen Spritzdrücken, die bis zu 3000 bar betragen können, wird die relativ kleine Berührungs­ fläche der Lippe zu stark an die Zylinderwand gedrückt, was zu Freßerscheinungen und zum Ausfall des gesamten Systems führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenspritz­ gießmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzu­ entwickeln, daß der Kolben auch bei Drücken in der Größenord­ nung von etwa bis zu 3000 bzw. 4000 bar im Spritzzylinderraum noch nach außen so abgedichtet ist, daß ein Spritzmaterialdurch­ tritt verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafterweise wird nach dem in der Ölhydraulik bekannten Prinzip der Dachmanschettendichtung die Dichtung so aufgebaut, daß deren Teile (Dichtringe) mit wachsendem Druck im Spritzraum sowohl mehr radial nach außen als auch nach innen gepreßt werden, was mit einem Gleiten der gegenseitig aneinander­ liegenden Anlage bzw. Abstützflächen einhergeht. Die axial auftretende Druckkraft liefert Kraftkomponenten sowohl radial nach außen als auch radial nach innen, je nach Seitenflächen­ neigung des Dichtringes.

Im einfachsten Fall kann die Dichtung aus drei Dichtringen bestehen, wobei nach einer Weiterbildung der Erfindung der Querschnitt der mittleren Dichtung bzw. - bei mehr als drei Dichtungen - der mittleren Dichtungen annähernd ein gleich­ schenkeliges Trapez ist. Im Idealfall ist die die Dichtung aufnehmende Ringnut im Querschnitt rechtwinklig, wobei die jeweils den Querschnittenseitenflächen gegenüberliegenden Dichtungsseitenflächen parallel verlaufen bzw. dort anliegen. Die übrigen Seitenflächen der im Querschnitt vorzugsweise trapezförmigen Dichtringe, die jeweils als aufeinandergleit­ bare schiefe Ebene ausgebildet sind, haben einen Neigungs­ winkel zur Kolbenachse von 30 bis 60° bzw. 150 bis 120°.

Um ein Herausspringen der Dichtringe aus der Ringnut zu ver­ hindern, besitzt die Ringnut eine Tiefe von 2 bis 3 mm und/oder die Dichtringe schließen mit ihrer äußeren Fläche bündig mit der Kolbenmantelfläche ab.

Wählt man die sich im Querschnitt ergebende Basis der Trapeze 5 bis 7 mm lang und/oder die gegenüberliegende Seite mit 1 bis 2 mm entsprechend kurz, so ergeben sich zufriedenstellende Gleitflächen der aneinanderliegenden Ringdichtungen.

Wie bereits oben erwähnt, können die Dichtringe im Querschnitt von der idealen Trapezform abweichen, etwa dadurch, daß deren Kanten eine Fase aufweisen.

Es hat sich ferner als zweckdienlich herausgestellt, wenn die Dichtung in bezug auf die mittlere Kolbenmantelfläche normal spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, d. h. in bezug auf die mittlere Dichtung jeweils gleich viel Ringdichtungen gleicher Ausgestal­ tung zur Spritzdüse hin bzw. in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind.

Was das Material für die Dichtringe betrifft, so kann auf die nach dem Stand der Technik bekannten Dichtmaterialien zurück­ gegriffen werden; vorzugsweise sollten die Dichtringe jedoch aus einem Thermoplast bestehen, der eine hohe Druckbelastbar­ keit bis zu 40 000 N/cm², vorzugsweise 30 000 N/cm², einen geringen Reibungskoeffizient und eine Dauertemperaturbestän­ digkeit von 200°C aufweist.

Zur Stabilisierung können die einzelnen Dichtringe Füllstoffe wie Graphit, Glas- oder Kohlefasern aufweisen.

Um die Druckwirkung des in dem Spritzraum anstehenden Materials besser auf die Dichtung geben zu können, gibt es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung folgende Möglichkeiten: Zum einen kann auf der der Spritzdüse zugewandten Seite der Ringnut eine mit der Ringnut in Verbindung stehende umlaufende Aussparung vorgesehen sein, die vorzugsweise eine geringere Tiefe als die Ringnut für die Dichtung hat und etwa zwischen 0,1 und 0,5 mm beträgt. Zum anderen kann jedoch zusätzlich zur umlaufenden Aussparung auch der der Spritzdüse am nächsten liegende Dichtring so eingelegt sein, daß zwischen seiner vorderen Seitenfläche und der Ringnutenseitenwand ein Spiel von vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm besteht. Diese Ausbildung gewährleistet, daß Spritzmaterial ringsum des Kolbens bis zur Dichtung vordringen kann und dort eine aus­ reichende Angriffsfläche findet.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Flanke der Aussparung auf der der Spritzdüse zugewandten Seite abge­ schrägt, vorzugsweise in einem Abschrägungswinkel zwischen 30 und 60°, was die Reibung des hier vorbeifließenden Spritz­ mediums erheblich verringert.

Insgesamt besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vor­ teil, daß nicht nur bei neuen Dichtungen eine opti­ male Dichtwirkung erzielt wird, sondern daß diese Dichtwirkung auch nach Abnutzung der Dichtungen anhält. Abgenutzte Dichtungen lassen sich leicht austauschen und preis­ günstig ersetzen. Die gute Dichtwirkung ermöglicht zudem ein dosierungsgemäßes Spritzen, da kein Spritzgut mehr durch Entweichen über die Dichtungen verloren geht. Insbesondere können die erfindungsgemäßen Dichtungen extrem hohen Drücken standhalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und soll im folgenden näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Spritzeinheit mit Injektionskolben und Plastifizierschnecke,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine vergrößerte Darstellung des Spritzkolbens gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Details A nach Fig. 2 und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung von drei Dichtringen.

Die in Fig. 1 dargestellte Spritzeinheit 3 besteht aus dem Spritzzylinder 1 und der Plastifiziervorrichtung 2. In dem Ge­ häuse 4 des Spritzzylinders ist ein Hydraulikkolben 5 angeord­ net, der im vorliegenden Fall beidseitig beaufschlagbar ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Stellung befindet sich der Kolben in der rechten Endstellung. Wird dieser Kolben 5 auf seiner großen Kolben­ fläche 6 druckbeaufschlagt, so wird er in dem Gehäuse 4 nach links bewegt. Diese Bewegungen des Kolbens 5 werden über die Kolbenstangen 7 und 8 auf den Spritzkolben 9 übertragen, der in dem Spritzzylinderraum 10 hin- und herbewegbar ist. Der Spritzzylinderraum 10 ist ferner über einen Kanal 11 mit einer Spritzdüse 12 verbunden, von der aus das Spritzmaterial in eine nicht dargestellte Spritzform gefördert werden kann. Befindet sich der Kolben nach Beendigung des Spritzvorganges in der (nicht dargestellten) linken Endstellung, kann durch Druckbeaufschlagung der Ringfläche 13 des Kolbens 5 der Kolben zur Bewegung in die rechte Endstellung veranlaßt werden.

Die Plastifiziereinheit 2 besteht im wesentlichen aus einer Schnecke 14, die in einem Gehäuse 15 umläuft und von einem Motor 16 angetrieben wird. Das Spritzmaterial wird in eine Einfüllöffnung 17 gegeben, wonach es durch Erwärmung und Kne­ ten mit Hilfe der Plastifizierschnecke 14 in eine spritzfähige Konsistenz bringbar ist und dann über das Rückschlagventil 18 dem Spritzzylinderraum zugeführt werden kann. Konstruktions­ gemäß erfolgt diese Zuführung jeweils portionsweise, und zwar entsprechend der Menge, die für den zu fertigenden Spritzling benötigt wird. Der Spritzkolben 9 fördert die Spritzmaterial­ portion dann über die Spritzdüse 12 in die Spritzform (nicht dargestellt).

Zur Abdichtung des Spritzkolbens 9, der nach der vergrößerten Darstellung in Fig. 2 in dem Gehäuse 19 geführt wird, sind ring­ förmige Dichtungen 20 vorgesehen, die als Detail A in Fig. 3 dargestellt sind.

Weitere Ein­ zelheiten sind in nochmaliger Vergrößerung in Fig. 4 darge­ stellt. Hiernach besteht jede der Dichtungen 20 aus drei Dicht­ ringen 20 a, 20 b und 20 c, deren Seitenflächen 27 als gleitfähige schiefe Ebenen aneinander liegen. Die beiden äußeren Dichtringe 20 a und 20 c besitzen jeweils parallel zur Flächennormalen 32 stehende Seitenwände 28 und liegen spiegelsymmetrisch zum mittleren Dichtring 20 b, der im Querschnitt eine gleich­ schenklige Trapezform besitzt. Die Basis 29 dieses Trapezes liegt auf dem Ringnutgrund auf, während die parallel gegenüber­ liegende ringförmig verlaufende Mantelfläche 30 bündig mit der Kolbenmantelfläche abschließt. Die Basis 29 hat etwa eine Länge von 6 mm, während die gegenüberliegende Strecke 30 etwa 1 mm lang ist. Die Querschnittsform der beiden außenliegenden Dicht­ ringe 20 a und 20 c ist die eines asymmetrischen rechtwinkligen Trapezes, deren längere Basis 36 von ca. 4,2 mm jeweils bündig mit dem Streckenstück 30 bzw. der Kolbenmantelfläche abschließt. Die Randbereiche (Kanten) der aneinander liegenden Seitenflächen 27 besitzen jeweils eine Fase 31. Auf der der Spritzdüse zugewandten Seite der Ringnut 21 (siehe Fig. 1) ist diese mit einer umlaufenden Aussparung 22 versehen, deren Tiefe wesentlich geringer ist als die Tiefe der Ringnut 21 für die Dichtung 20. Die Tiefe t₁ der Ringnut 21 beträgt 2,5 mm, während die Tiefe t₂ der umlaufenden Ausnehmung 22 0,2 mm beträgt. Die Dichtung 20 ist so eingelegt, daß zwischen der der Spritzdüse 12 zugewandten Seitenfläche der Ringdichtung 20 c und der dieser gegenüberliegenden Seitenwand 34 der Ausnehmung 21 ein Spiel 33 von 0,5 mm gelassen ist. Ferner besitzt die umlaufende Ausnehmung 22 eine abgeschrägte Flanke 35, wobei der Abschrägungs­ winkel β 30 bis 60° beträgt. Der aus Fig. 4 ersichtliche Trapezwinkel α liegt bei 30 bis 60 bzw. 120 bis 150°.

Die Wirkung der Düse wird an Hand der Fig. 3 und 4 erläutert. In den Fig. 3 und 4 ist die Richtung, in der das Spritzmaterial Druck ausübt, durch einen mit P gekennzeichne­ ten Pfeil veranschaulicht. Drückt das Spritzmaterial in Richtung des Pfeiles P, so wird zunächst die Nut 22 und anschließend der durch das Spiel 33 gegebene Raum 25 aufgefüllt, wodurch die Dichtung 20 in Pfeilrichtung zusammengedrückt wird und an der Stirnwand 24 der Ringnut 20 mit hohem Druck anliegt. Der vom Spritzgußmaterial auf die Seitenfläche 28 ausgeübte Druck führt dazu, daß schließlich der Dichtring 20 b in Richtung des Pfeiles 37 und die Dichtringe 20 a und 20 c in Richtung der Pfeile 38 und 39 gedrückt werden, was durch Aufeinanderglei­ ten der Flächen 27 (schiefe Ebenen) geschieht. Die durch die Pfeile 37 bis 39 gekennzeichneten Kräfte werden durch den Winkel α bestimmt.

Als Material für den Dichtring wurde ein Thermoplast ver­ wendet, der folgende mechanische Eigenschaften hat:

Dichte 1,3 g/cm³
Schmelzpunkt 300°C
Wasseraufnahme 0,5%
Ölaufnahme 0,015%
Zugfestigkeit
bei 23°C etwa 90 N/mm²
bei 150°C etwa 35 N/mm²
bei 250°C etwa 12 N/mm²
Reißdehnung
bei 23°C 50%
Biege-E-Modul
bei 23°C oberhalb von 3500 N/mm²
bei 150°C < 2000 N/mm²
bei 250°C 300 N/mm²
Kugeldruckhärte
bei 23°C 120 N/mm²
Wärmeausdehnungskoeffizient
bei 20 bis 100°C
etwa 4,7×10^-5 K^-1

Claims (16)

1. Kolbenspritzgießmaschine zur Verarbeitung wärmehärtbarer Kunststoffmassen, insbesondere von Gummi, mit einem Spritz­ zylinder (1), in den portionsweise gegebenenfalls über eine Plastifizierschnecke Masse gefördert wird, und einen in dem Spritzzylinder (1) hin- und herschiebbaren Spritzkolben (9), der die Masse aus dem Spritzzylinder (1) durch eine Spritz­ düse (12) in eine Spritzform preßt, wobei der Kolbenmantel mit einer unter dem Druck der Masse elastisch zur Zylinder­ innenwand hin spreizbaren Dichtung (20) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (20) aus mehreren in einer Ringnut (21) des Kolbens (9) angeordneten aneinanderliegenden Dichtringen (20) besteht, deren gegenseitige Anlage- bzw. Abstützseiten­ flächen (27) so gestaltet sind, daß durch den durch die Masse auf die Dichtung (20) vermittelten axialen Druck ein Teil der Dichtringe (z. B. 20 a, c) radial nach außen und ein Teil (z. B. 20 b) radial nach innen gepreßt wird.

2. Kolbenspritzgießmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (20) aus drei Dichtringen (20 a-c) besteht.

3. Kolbenspritzgießmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des mittleren Dichtringes (20 b) bzw. der mittleren Dichtringe annähernd ein gleichschenkeliges Trapez ist.

4. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (21) des Spritzkolbens (9) im Querschnitt rechtwinklig ist und die außen liegenden Ringdichtungen (20 a, c) diesem Querschnitt angepaßte, senkrecht zum Kolben verlaufende Seitenflächen (28) aufweisen.

5. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinanderliegenden Anlageflächen (27) zur Kolbenachse einen Winkel (α) von 30°-60° bzw. 150°-120° bilden.

6. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (21) des Kolbens (9) eine Tiefe (t₁) von 2 bis 3 mm hat und die Dichtringe (20 a-c) mit ihrer äußeren Fläche bündig mit der Kolbenmantelfläche abschließen.

7. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Querschnitt ergebende Basis (29) der Trapeze 5-7 mm und/oder die gegenüberliegende Seite (30) 1-2 mm lang ist.

8. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten (21) der Dichtringe (20 a-c) eine Fase auf­ weisen.

9. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen in bezug auf eine Kolbenmantelflächennormale (32) spiegelsymmetrischen Aufbau.

10. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (20 a-c) aus einem Thermoplast be­ stehen, der folgende mechanische Eigenschaften aufweist:

• a) Druckbelastbarkeit bis zu 40 000 N/cm², vorzugs­ weise 30 000 N/cm²
• b) gute Gleiteigenschaften bzw. einen geringen Reibungs­ koeffizienten und
• c) eine Dauertemperaturbeständigkeit von 200°C.

11. Kolbenspritzgießmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoplaste Füllstoffe wie Graphit, Glas- oder Kohlefasern aufweisen.

12. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Spritzdüse (12) zugewandten Seite der Ring­ nut (21) eine mit der Ringnut (21) in Verbindung stehende umlaufende Aussparung (22) vorgesehen ist.

13. Kolbenspritzgießmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur umlaufenden Aussparung (22) der der Spritzdüse (12) am nächsten liegende Dichtring (20 c) ein Spiel (33) von vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm zur Ringnuten­ seitenwand (34) aufweist.

14. Kolbenspritzgießmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t₂) der ringförmigen Aussparung (22) geringer als die Tiefe (t₁) der Ringnut (21) für die Dichtung ist und vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt.

15. Kolbenspritzgießmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanke (35) der Aussparung (22) auf der der Spritz­ düse (12) zugewandten Seite abgeschrägt ist.

16. Kolbenspritzgießmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschrägungswinkel (β) zwischen 30 und 60° liegt.