DE4102971A1 - Verfahren zum spritzgiessen von formteilen aus kunststoff - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum spritzgießen von Formteilen aus Kunststoff der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Ein solches Spritzgießverfahren ist beispielsweise aus der DE 25 39 066 A1 bekannt.

Bei der Verarbeitung von rasch härtenden Formmassen, wie z. B. solchen aus glasfaserverstärkten ungesättigten Polyester (UP) mittels des bekannten Spritzgießverfahrens haben sich deutliche Mängel an den Spritzgießformteilen in Angußnähe gezeigt, insbesondere sind Risse und Oberflächenfehler zu beobachten. Es ist bekannt, daß bei härtbaren Formmassen in der Nachdruckphase der Forminnendruck im Spritzgießwerkzeug durch die Erwärmung der kalten Formmassen zunächst ansteigt und anschließend durch die Vernetzung und der damit verbundenen Volumenschwindung der Formmasse wieder auf Grenzniveau abfällt. Bei einem durch die Regelung der Spritzgießmaschine konstant gehaltenen Nachdruck findet je nach der gewählten Höhe des Nachdrucks ein Stofftransport von der Kavität der Spritzgießform in den Schneckenvorraum statt und umgekehrt.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (DE 33 44 553 A1) wird zwecks Erhöhung der Taktgeschwindigkeit bei Großmengenfertigung die Spritzgießform nach Spritzende durch eine an der Spritzgießform speziell angeordnete Vorrichtung verschlossen, von dem Spritzaggregat getrennt und für die Dauer der Nachdruckphase geschlossen gehalten. In der Zwischenzeit wird dem Spritzaggregat eine neue Spritzgießform zugeordnet und ein weiteres Spritzgießformteil abgespritzt.

Bei diesem bekannten Verfahren besitzen die Spritzgießformteile eine gute Oberflächenqualität und zeigen insbesondere in Angußnähe keine Oberflächenfehler, was die Ergebnisse der eingangs erwähnten Untersuchung erhärtet, daß ein in der Nachdruckphase stattfindender Stofftransport in die Spritzgießform hinein oder aus der Spritzgießform heraus, der hier durch den mechanischen Verschluß der Spritzgießform unterbunden wird, für die schlechte Oberflächenqualität der Spritzgießformteile in Angußnähe verantwortlich zu machen ist.

Beim Spritzgießen von einer Vielzahl unterschiedlicher Formteilen in Kleinserie ist dieses Verfahren jedoch zu teuer, da jeweils alle Spritzgießformen mit der relativ aufwendigen Verschlußvorrichtung versehen werden müssen. Außerdem sind solche Verschlußvorrichtungen bei Verarbeitung von glasfaserverstärkten Massen sehr stark verschleißgefährdet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine relativ einfache Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder für den Axialvorschub des Schneckenkolbens während der Nachdruckphase ein Transport von Formmasse zwischen Schneckenvorraum und Spritzgießform verhindert wird. Da das Spritzaggregat grundsätzlich mit einem Regler zum Regeln des Hydraulikdrucks während der Einspritz- und Nachdruckphase versehen ist (vergl. DE 25 39 066 A1) läßt sich das erfindungsgemäße Spritzgießverfahren mit nur geringem Zusatzaufwand leicht in das Spritzaggregat implementieren. An den Spritzgießformen selbst müssen keine diesbezüglichen Änderungen durchgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat zudem den zusätzlichen Vorteil, daß Schwankungen bei der Dosierung der Formmasse über das an der Schneckenkolbenspitze sich befindliche Massepolster ausgeglichen werden können.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Spritzgießverfahrens möglich.

Die Beeinflussung der axialen Verschiebeposition des Schneckenkolbens während der Nachdruckphase kann in verschiedener Weise realisiert werden und ist von den Gegebenheiten in dem Spritzaggregat und der zu verarbeitende Formmasse abhängig.

Bei leckfreiem Schneckenkolben, d. h. unverschlissenen Schneckenstegen oder unverschlissener Rückstromsperre, und hinreichend hochviskoser Formmasse wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Regelung des Hydraulikdrucks so durchgeführt, daß der Schneckenkolben seine bei Einspritzende eingenommene Position über die gesamte Nachdruckphase unverändert beibehält.

Sind die Schneckenstege verschlissen und damit der Schneckenkolben undicht oder ist die Rückstromsperre verschlissen, so strömt ebenso wie bei Verarbeitung von niedrigviskosen Formmassen etwas Material aus dem Schneckenvorraum über die Schneckenstege zurück. Um den dadurch möglichen Materialtransport aus der Spritzgießform heraus zu unterbinden, wird die Regelung des Hydraulikdrucks bei einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahren so durchgeführt, daß der Schneckenkolben eine vorgegebene geringe axiale Verschiebegeschwindigkeit von einigen wenigen Millimetern pro Minute während der Nachdruckphase beibehält und sich dabei das Massepolster im Schneckenvorraum verringert. Hierdurch läßt sich der Verschleiß des Schneckenkolbens weitgehend kompensieren.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder der Innendruck in der Spritzgießform oder die Differenz zwischen dem Innendruck in der Spritzgießform und dem Druck vor dem Schneckenkolben bzw. in der Düse als Führungsgröße verwendet. Bedingt durch die Fließgrenze der Formmasse ist zur Vermeidung eines Massetransports durch den Angußkanal der Spritzgießform hindurch kein exakter Abgleich der Drücke notwendig. Sitzt der zur Regelung herangezogene Forminnendruckfühler nahe dem Angußkanal der Spritzgießform, so wird die Regelung des Hydraulikdruckes so durchgeführt, daß der Druck vor dem Schneckenkolben je nach Gestaltung des Angußkanals der Spritzgießform bis zu 20 bar dem Forminnendruck voreilt oder diesem nachgeführt wird.

Bei hohen Einspritzgeschwindigkeiten überfährt der Schneckenkolben häufig die Position, in welcher die Umschaltung auf Nachdruck erfolgt, um einige Millimeter. Um zu vermeiden, daß in diesem Fall die Nachdruckregelung erst einen Hydraulikdruck aufbaut, nachdem der Schneckenkolben durch den steigenden Forminnendruck wieder auf die zum Zeitpunkt Einspritzende innengehabte Position zurückgedrückt wird, wird in der Einspritzphase die Vorschubgeschwindinkeit bei Annäherung an den Umschaltpunkt verringert.

Alternativ hierzu kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Hydraulikregelung mit einer Zeitverzögerung gegenüber dem Einspritzende gestartet werden. Der Startzeitpunkt ist dabei so gewählt, daß die Hydraulikregelung erst dann einsetzt, wenn der Schneckenkolben zur Ruhe gekommen ist. Seine in der Ruhelage eingenommene Position stellt den Bezugspunkt für die Regelung dar. Dieser Zeitpunkt kann entweder durch einen Wegaufnehmer bestimmt werden, der die Geschwindigkeit Null meldet, oder durch eine frei wählbare zeitliche Verzögerung erreicht werden, die so eingestellt ist, daß in allen Betriebsfällen die Vorschubgeschwindigkeit des Schneckenkolbens auf Null abgeklungen ist.

Im allgemeinen ist es ausreichend, die Hydraulikregelung während der Nachdruckphase auf die Expansionsphase der Formmasse in der Spritzgießform zu beschränken. Dabei ist es ausreichend, daß das Spritzaggregat mit einem einseitig druckbeaufschlagten Hydraulikzylinder ausgerüstet ist. Will man die Hydraulikdruckregelung auch auf die Schwindungsphase (Phase der Volumenreduzierung) ausdehnen, um noch bessere Ergebnisse zu erreichen, so ist ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder am Spritzaggregat notwendig.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand einer in der Zeichnung dargestellten Spritzgießmaschine in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung ausschnittweise eine schematische Darstellung der Spritzgießmaschine mit Spritzgießform, teilweise geschnitten.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem in der Zeichnung im Längsschnitt schematisch dargestellten Teil der Spritzgießmaschine, auch Spritzgießaggregat oder Spritzaggregat genannt, ist in einem Schneckenzylinder 11 ein Schneckenkolben 12 verdrehbar und axial verschiebbar gelagert, der an einem Ende spitz ausläuft. Am gegenüberliegenden Ende ist der Schneckenkolben 12 mit einem Längsnutenprofil 13 versehen, über das er mit einem bezüglich seiner Axialverschiebung ortsfesten Antriebsrad 14 in Eingriff steht. Die Verdrehung des Antriebsrads 14 und damit des Schneckenkolbens 12 erfolgt durch eine mit dem Antriebsrad 14 kämmende Antriebsschnecke 15. In Verlängerung des Längsnutenprofils 13 ist am Schneckenkolben 12 ein Hydraulikkolben 16 angebracht, der in einem Hydraulikzylinder 17 axial verschieblich geführt ist und diesen in zwei Zylinderräume 26, 27 unterteilt. Der Hydraulikkolben 16 ist über Hydraulikventile 18, 19 doppelseitig mit Druck beaufschlagbar. Auch eine Ausführung als einseitig wirkender Hydraulikzylinder ist möglich.

Der zu verarbeitende Kunststoff wird dem Schneckenkolben 12 über einen Einfülltrichter 20 oder eine Stopfvorrichtung zugeführt und durch die Drehbewegung des Schneckenkolbens 12 und durch eine den Schneckenzylinder 11 umgebende Beheizung 22 allmählich plastifiziert. Die Viskosität des plastifizierten Kunststoffs, im folgenden Formmasse genannt, ist dabei durch die Verarbeitungsgrößen Staudruck, Schneckenkolbendrehzahl und Zylinderwandtemperatur beeinflußbar.

Am Spritzende des Schneckenzylinders 11 ist eine Spritzdüse 28 angesetzt, die in einen Angußkanal 24 einer Spritzgießform 23 hineinragt. Zwischen der Spitze des Schneckenkolbens 12 und der Spritzdüse 28 befindet sich dabei der sog. Schneckenvorraum 25. Ist das eingefüllte Kunststoffmaterial genügend aufbereitet, so wird die Spritzgießform 23 mit der Formmasse gefüllt, indem der eine Zylinderraum 26 des Hydraulikzylinders 17 über das Hydraulikventil 18 unter Druck gesetzt wird, so daß sich der Schneckenkolben 12 axial in Richtung auf die Spritzdüse 28 bin verschiebt und die vorgelagerte Formmasse über den Angußkanal 24 in den Innenraum 29 der Spritzgießform 23 hineindrückt.

Der gesamte Spritzgießvorgang wird mittels eines Reglers 30 überwacht und gesteuert. Als Eingangssignale sind dem Regler 30 die Istwerte des Forminnendrucks und des Spritzdüsendrucks, die durch entsprechende Druckgeber 31, 32 erfaßt werden, sowie die Istwerte der Hydraulikdrücke in den Zylinderräumen 26, 27 zugeführt, die durch entsprechende Druckgeber 33 und 34 gemessen werden. Zusätzlich ist noch ein Schneckenpositionsgeber 35 vorgesehen, der die momentane Vorschubposition des Schneckenkolbens 12 erfaßt und dem Regler 30 meldet. Der Regler 30 erzeugt entsprechende Steuersignale für die Hydraulikventile 18, 19, so daß die Hydraulikdrücke in den Zylinderräumen 26, 27 in gewünschter Weise geregelt werden. Auf die unterschiedlichen Möglichkeiten der Regelung des Einspritzvorgangs (vorgegebener Geschwindigkeitsverlauf, vorgegebene Druckverläufe in Hydraulikzylinder oder Einspritzdüse) soll hier nicht weiter eingegangen werden, ebenso nicht auf die verschiedenen Möglichkeiten zur Festlegung des Zeitpunktes für die Umschaltung der Regelung von der Einspritzphase in die Nachdruckphase. Die Umschaltung erfolgt üblicherweise nach Erreichen einer vorgegebenen Position des Schneckenkolbens 12 (wegabhängig) oder - um Dosierschwankungen auszugleichen - druckabhängig nach Erreichen eines vorgegebenen Hydraulikdruckes im Hydraulikzylinder 17, eines Düsendruckes oder eines Forminnendruckes.

In der mit Einspritzende einsetzenden Nachdruckphase erwärmt sich die kalte Formmasse in der heißen Spritzgießform 23 und expandiert. Entsprechend steigt der Forminnendruck nach Einspritzende zunächst an. Anschließend tritt eine Vernetzung und Volumenschwindung ein. Entsprechend fällt dann der Forminnendruck wieder auf ein Grenzniveau ab. Um zwecks Verbesserung der Oberflächenqualität der Spritzgießformteile während dieser Änderung des Forminnendrucks einen Transport von Formmasse durch den Angußkanal 24 hindurch in den Schneckenvorraum 25 oder umgekehrt in den Innenraum 29 ( evtl. in die Kavität) der Spritzgießform 23 zu verhindern, wird nunmehr während der Nachdruckphase der Hydraulikdruck in den beiden Zylinderräumen 26, 27 des Hydraulikzylinders 17 in einer solchen Weise geregelt, daß der Schneckenkolben 12 jeweils eine solche momentane axiale Verschiebeposition einnimmt, daß die Druckdifferenz zwischen Schneckenvorraum 25 einerseits und Innenraum 29 (evtl. in der Kavität) der Spritzgießform 23 andererseits hinreichend gering ist, um einen solchen Stofftransport zu unterbinden. Je nach in der Spritzgießmaschine vorhandenen Bedingungen ist dies auf verschiedene Weise realisierbar.

Bei leckfreiem Schneckenkolben 12, dessen Schneckenstege 21 dicht am Schneckenzylinder 11 anliegen und somit einen Rückstrom von ausreichend hochviskoser Formmasse entgegen der Verschieberichtung des Schneckenkolbens 12 sicher unterbinden, was ebenso durch eine unverschlissene Rückstromsperre erzielt werden kann, wird die Regelung des Hydraulikdruckes im Hydraulikzylinder 17 so durchgeführt, daß der Schneckenkolben 12 während der gesamten Nachdruckphase seine axiale Verschiebeposition, die er zum Einspritzende, also beim Umschalten von der Einspritzphase auf die Nachdruckphase, eingenommen hat, unveränderlich beibehält.

Bei infolge verschlissener Schneckenstege undichtem Schneckenkolben 12 oder bei verschlissener Rückstromsperre sowie bei niedrigviskoser Formmasse strömt etwas Material aus dem Schneckenvorraum 25 über die Schneckenstege 21 zurück. In diesem Fall wird die Regelung des Hydraulikdrucks in dem Hydraulikzylinder 17 so durchgeführt, daß der Schneckenkolben 12 während der Nachdruckphase eine geringe axiale Vorschubgeschwindigkeit von einigen wenigen Millimetern pro Minute erhält und sich das Massepolster im Schneckenvorraum 25 entsprechend verringert. Damit läßt sich der Verschleiß des Schneckenkolbens 12 kompensieren.

Eine verschleißunabhängige Einstellung des Schneckenkolbens 12 während der Nachdruckphase erhält man dadurch, daß bei der Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder 17 als Führungsgröße die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck in der Spritzgießform 23 und dem Druck im Schneckenvorraum 25 verwendet. Der Hydraulikdruck im Hydraulikzylinder 17 wird also derart geregelt, daß der Druck im Schneckenvorraum 25, der in etwa dem mit dem Druckgeber 32 gemessenen Düsendruck entspricht, in einer vorgegebenen Relation zum zeitlichen variierenden Forminnendruck steht. Bedingt durch die Fließgrenze der Formmasse ist dabei kein exakter Abgleich der Drücke notwendig. Im Falle, daß der Druckgeber 31 für den Forminnendruck nahe dem Angußkanal 24 angeordnet ist, erfolgt die Hydraulikregelung im Hydraulikzylinder 17 derart, daß der Druck im Schneckenvorraum 25 bzw. in der Spritzdüse 28 je nach Gestaltung des Angußkanals 24 bis zu 20 bar dem Forminnendruck voreilt oder diesem nachgeführt wird. Ferner ist es auch möglich, anstelle der Differenz zwischen Forminnendruck und Druck im Schneckenvorraum 25 auch nur einen zeitlich vorgegebenen Verlauf des Forminnendruckes zur Regelung des Hydraulikdruckes im Hydraulikzylinder 17 heranzuziehen. Dabei entspricht die Forminnendruck-Sollkurve den Forminnendruckverlauf in einer zu Einspritzende aktiv versiegelten Kavität.

Bei hohen Spritzgeschwindigkeiten überfährt der Schneckenkolben 12 die im Moment des Umschaltens von Spritzphase auf Nachdruckphase eingenommene axiale Verschiebeposition um einige Millimeter. Um dies zu vermeiden, wird die Vorschubgeschwindigkeit des Schneckenkolbens 12 unmittelbar vor Erreichen des Umschaltpunktes abgesenkt.

Anstelle einer Absenkung der Geschwindigkeit des Schneckenkolbens 12 vor Erreichen des Umschaltpunktes kann auch die beschriebene Regelung des Hydraulikdruckes im Hydraulikzylinder 17 erst dann erfolgen, wenn der Schneckenkolben 12 nach Einspritzende zur Ruhe gekommen ist. Dies läßt sich über den Schneckenpositionsgeber 35 erfassen, aus dessen Ausgangssignal ein Signal für die Schneckengeschwindigkeit Null abgeleitet werden kann. Alternativ ist es auch möglich, eine feste Zeitverzögerung einzustellen, bevor die Regelung der Schneckenposition über den Hydraulikdruck einsetzt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Spritzgießen von Formteilen aus Kunststoff, bei welchem mittels eines in einem Schneckenzylinder rotierenden Schneckenkolbens mit durch einen Hydraulikzylinder bewirkten Axialvorschub des Schneckenkolbens plastifizierter Kunststoff (Formmasse) unter Druck in eine Spritzgießform eingepreßt und nach Einspritzende ein Nachdruck für eine vorgegebene Zeitspanne (Nachdruckphase) aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Nachdruckphase der Hydraulikdruck im Hydraulikzylinder (17) in einer solchen Weise geregelt wird, daß die momentane axiale Verschiebeposition des Schneckenkolbens (12) einen Transport von Formmasse in die Spritzgießform (23) hinein oder aus der Spritzgießform (23) heraus in jedem Zeitpunkt der Nachdruckphase verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei leckfreiem Schneckenkolben (12) oder unverschlissener Rückstromsperre sowie hinreichend hochviskoser Formmasse die Regelung des Hydraulikdruckes so durchgeführt wird, daß der Schneckenkolben (12) seine bei Einspritzende eingenommene axiale Verschiebeposition unverändert beibehält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei undichtem Schneckenkolben (12) oder verschlissener Rückstromsperre sowie bei niedrigviskoser Formmasse die Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder (17) so durchgeführt wird, daß der Schneckenkolben (12) eine vorgegebene geringe axiale Verschiebegeschwindigkeit beibehält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungsgröße für die Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder (17) der Innendruck in der Spritzgießform (23) oder die Differenz zwischen dem Forminnendruck und dem Druck vor dem Schneckenkolben (12) bzw. in der Spritzdüse (28) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder (17) so durchgeführt wird, daß der Druck vor dem Schneckenkolben (12) je nach Gestaltung des Angußkanals (24) der Spritzgießform (23) bis zu 20 bar dem Forminnendruck voreilt oder diesem nachgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Schneckenkolbens (12) kurz vor Erreichen des Einspritzendes abgesenkt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Hydraulikdrucks im Hydraulikzylinder (17) erst mit einer Zeitverzögerung nach Einspritzende gestartet wird.