EP1993806A1 - Vorrichtung zum plastifizieren eines granulats, insbesondere eines kunststoffgranulats, sowie mit einer solchen vorrichtung ausgestattete spritzgiess- oder extrusionsanlage - Google Patents

Vorrichtung zum plastifizieren eines granulats, insbesondere eines kunststoffgranulats, sowie mit einer solchen vorrichtung ausgestattete spritzgiess- oder extrusionsanlage

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EP1993806A1
EP1993806A1 EP07703985A EP07703985A EP1993806A1 EP 1993806 A1 EP1993806 A1 EP 1993806A1 EP 07703985 A EP07703985 A EP 07703985A EP 07703985 A EP07703985 A EP 07703985A EP 1993806 A1 EP1993806 A1 EP 1993806A1
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EP
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plasticizing
mandrel
cylinder
melt
plasticizing cylinder
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Withdrawn
Application number
EP07703985A
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Inventor
Markus Betsche
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KraussMaffei Technologies GmbH
Original Assignee
KraussMaffei Technologies GmbH
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Publication date
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    • B29C48/515—Screws with internal flow passages, e.g. for molten material for auxiliary fluids, e.g. foaming agents

Definitions

  • the invention relates to a device for plasticizing a granulate, in particular a plastic granulate, for processing the melt produced therewith on an injection molding machine or an extrusion plant.
  • the invention further relates to an injection molding or extrusion device with such a plasticizing device.
  • plasticizing devices for plastic processing machines in the areas of extrusion and injection molding various plasticizing devices are known, for example: single-screw and twin-screw extruders with cylindrical or conical screws, axially displaceable plasticizing screws (so-called augers),
  • Preplasticizing screws with downstream piston injection unit A common feature of these known plasticizing devices is that the screw has one or more screw flights and rotates in the center of a plasticizing cylinder.
  • the plasticizing cylinder is heated from the outside, for example by means of electrical heating bands, and generally has a smooth inner wall; In certain embodiments, grooves are recessed in the inner wall to increase the delivery rate.
  • the plastic is melted and conveyed in the screw flights.
  • a screw is divided into three zones, a feed zone, a compression zone and an ejection or metering zone.
  • the auger channel volume decreases from the intake zone to the metering zone. This means that a cylindrical screw in the catchment area has the smallest core diameter.
  • this core diameter is decisive for the torque to be introduced, which in turn brings about 2/3 of the melting energy in the plastic.
  • this lower limit is currently around 12-15mm.
  • plasticizers operate from the micro- Injection molding area with downstream piston injection units, which has an unfavorable effect on the melt quality.
  • the present invention seeks to provide a plasticizing, which has an improved heat input into the plastic granules and which is particularly suitable for use for micro-injection molding.
  • the core idea of the invention is to transfer the functions "screw flight” and “rotation” to the outer component, the plasticizing cylinder. This results in several advantages.
  • plasticizing apparatus there are virtually no restrictions on the strength of the plasticizing apparatus, since additional material on the plasticizing cylinder is exposed to the outside, i. to increase the wall thickness, not disturbing.
  • the plasticizing cylinder only has to have a suitably large wall thickness. With the standard design known hitherto, such miniaturization is certainly not possible.
  • the plasticizer cylinder is rotationally driven, a larger torque can be generated with the same motor than with standard standard screws, since the cylinder outer diameter is always and generally significantly larger than the core diameter of a screw in the region of the coupling with the rotary drive. Especially with the screws used for the micro injection molding of 14mm - 18mm diameter, the core diameter of the screw is very low. Therefore, only a small torque can be generated or produced by the rotary drive Torque could cause damage to the screw if the core diameter is too small.
  • the embodiment with a hollow cylindrical mandrel, in which an injection piston is reversibly guided offers several advantages.
  • the plasticizing and the Einspitzphase are separated from each other, i. it can be set independently of each other the required pressure; In particular, the comparatively high pressure during injection can not reach the cylinder passages.
  • the active lifting of the mandrel from the cylinder inner wall for plasticizing and the docking or sealing during injection results in lower losses due to leakage during injection compared to a passive non-return valve, which has a positive effect on the consistency of the shot weight.
  • a plasticizing cylinder 2 is rotatably mounted via suitable bearings 3 in a stationary housing 1 and can be rotated by a drive unit 4.
  • a drive unit 4 On its inside 5 and protruding inwardly from the plasticizer cylinder 2 has at least one helical bridge 6. This is from penetrated a cylindrical mandrel 7, so that at least one cylinder gear 11 is formed.
  • the mandrel 7 is led out to the rear of the plasticizing cylinder 2 and connected to a non-illustrated and known per se linear drive.
  • an opening is provided into which a hopper 9 for the plastic granules 10 opens.
  • a cutout 8 in the form of an oblique pocket, similar to a heart curve in Coextrusionswerkeugen that distributes the trickling out of the hopper 9 plastic granules around the rotationally fixed mandrel 7 and trickle into the helical cylinder gear 11, from where it at each Rotation of the plasticizing 2 through the beginning of the cylinder gear 11 is further promoted.
  • a vertical arrangement Figure 2
  • the Nachrieseln is supported by the gravity of the material.
  • the plasticizing electrical heating strips 29 may be provided, which are connected via a sliding contact 30 with a power source not shown here.
  • FIG. 3 schematically shows a molding tool 12 of an injection molding machine or an extrusion installation with a sprue bushing 13, which has a cylindrical recess 14.
  • the plasticizing cylinder 2 has at its front end a cylindrical nozzle 15 which fits into the recess 14 so that the nozzle 15 in the sprue bushing 13 can rotate; the plasticizing cylinder 2 is thus supported in the sprue bushing 13.
  • An abrasion or wear resulting from the relative movement between the nozzle 15 and the sprue bushing 13 can be largely avoided by means of suitable material combinations of the nozzle 15 on the one hand and the sprue bushing 13 on the other hand.
  • the upper view in Figure 3 shows the position in the plasticizing phase, in which the nozzle 15 is moved backwards by a small amount in the sprue bushing 13, so that the plasticizing cylinder 2 can rotate freely.
  • the lower illustration of FIG. 3 shows the position in the injection phase and the holding pressure phase in which substantially higher pressures occur in the melt path and in which no rotation of the plasticizing cylinder takes place.
  • the nozzle 15 with the required Nozzle contact force is pressed against the sprue bushing 14 and the front cone of the nozzle 15 seals in the sprue bushing 14, so that a leakage flow is avoided in this phase.
  • the forming tool 12 has an axial and / or radial bearing 17 in which the nozzle 15 can rotate.
  • a small gap between the mold 12 and the nozzle 15 is formed can escape through the melt in small quantities.
  • This gap can optionally be sealed by a plain bearing washer 18.
  • This configuration allows the support of large (long and thick) and thus comparatively heavy plasticizing 2 and is well suited for extrusion equipment, as in the extrusion no axial movement between the plasticizing cylinder 2 and the extrusion mold 12.
  • FIG. 5 shows the use of the plasticizing device according to the invention in the extrusion area.
  • the plastic granules is promoted, melted and mixed.
  • the continuously following material produces a melt pressure which causes the melt to exit the nozzle 15 and to flow through an extrusion molding tool (not shown here).
  • a melt pump for example a gear pump, can be mounted in front of the rotating plasticizing cylinder 2.
  • Figures 6.1 and 6.2 show the use of the plasticizing device according to the invention in injection molding, wherein for closing and releasing the melt flow through the nozzle 15, an actively switchable closure nozzle 28 is provided.
  • plasticizing phase according to FIG. 6.1 plastic granules 2 are conveyed, melted and mixed by the rotating plasticizing cylinder 2, a melt pressure being built up by the following material.
  • the mandrel 7 Since the closure nozzle 28 is in the "closed” position in this phase, the mandrel 7 is moved backwards by the melt pressure, also called dynamic pressure, which is to be illustrated with the arrow pointing to the right in FIG a suitable counterforce on the mandrel 7 by means of the linear drive, the desired back pressure can be adjusted Plasticizing phase, the mandrel 7 is in a rear position.
  • the mandrel 7 can be moved forward by means of the linear drive, wherein melt is injected via the now opened nozzle 15 into an injection molding mold (FIG In this case, melt can and will migrate backward through the cylinder channel 11. This can be compensated to a certain extent by simultaneous plastification by rotation of the plasticizing cylinder constructed by return flow and delivery pressure.
  • the mandrel 7 is designed as a hollow cylindrical component and has an injection piston 19 in its interior.
  • the hollow cylindrical mandrel 7 and the injection piston 19 can be moved back and forth independently by means of suitable linear drive means in the axial direction.
  • the mandrel 7 In the plasticizing phase (FIG. 7.1), the mandrel 7 is in a rearward position, in which it has a predeterminable distance from the inner wall of the plasticizing cylinder 2, so that melt can penetrate into the mandrel 7 and move the injection piston 19 backwards.
  • the mandrel 7 acts in this case as a kind of closing nozzle between the injection piston chamber 20 and the cylinder gear 11. Subsequently, the injection process can be performed ( Figure 7.3) by the injection piston 19 is moved forward. The emphasis can also be applied by the injection piston 19. After completion of the Injection and holding pressure phase, the mandrel 7, optionally together with the injection piston 19, in its rearward position method ( Figure 7.4), so that again a gap with the inner wall of the plasticizing 2 is formed and melt penetrate into the mandrel 7 and start a new injection cycle can.
  • the mandrel may have in the region of the fixed housing and over the length of the axial stroke an anti-rotation, for example, longitudinal grooves which engage with a corresponding toothing in the fixed housing stand.
  • an injection piston such a rotation can be provided.
  • FIGS. 8.1 to 8.4 show a further development of the embodiment described above, in order to be able to realize the so-called FIFO principle (First In, First Out).
  • the mandrel 7 has, spaced from its front end, a plurality of melt bores 21 distributed over the circumference.
  • the injection piston is opposite the mandrel 7 in the "open" position, in which the melt bores 21 open into the groove channels 22.
  • the arrangement and course of the melt bores 21 is such that they start the plasticizing process, when the injection piston 19 is in its front end position, open at the rear end in the groove channels 22.
  • the mandrel 7 is up to a minimum gap close to the inner wall of the plasticizing, so on the one hand wear is avoided, on the other hand, no
  • the melt produced by rotation of the plasticizing cylinder first passes into the groove channels 22 via the melt bores 21. From there, the melt flows in front of the injection piston 19 and moves it backwards, with the melt first arriving at the melt collecting the front end of the mandrel 7 and the injection piston chamber 20 suk censively filled with subsequent melt. The last arrived melt is always located immediately in front of the injection piston 19, so that in the subsequent injection process, the first melt produced also first leaves the injection piston chamber 20 (FIFO).
  • the melt holes 21 are closed by a rotation of the injection piston 19 ( Figure 8.4) and the injection piston 19 can be moved forward to inject the melt into the mold.
  • the possible "plasticizing" is determined by the length L of the groove channels 22 and the distance between the front end of the injection piston 19 and the mouth region of the melt holes 21 in the groove channels 22nd
  • the mandrel 7 is designed as an axially movable hollow cylindrical member in the rotationally driven plasticizing cylinder 2 and has in its interior instead of the injection piston via a rotatably and linearly driven screw 31.
  • the mandrel 7th corresponds quasi a complete standard injection unit or a complete standard plasticizing, which can be moved axially in the rotating plasticizing.
  • Such a plasticizing device is suitable for the production of multi-component plastic molded parts in a sandwich process (see FIGS. 9.1 and 9.2).
  • FIG. 9.2 shows the situation at the end of the plasticizing phase.
  • a plastic molded part with a compact skin could be produced from the front melt block on a foamed core from the rear melt block.
  • the core melt forming the rear melt block 33 may also simply consist of a cheaper unfoamed plastic. Due to the design, such a plasticizing device is more suitable for larger shot weights.
  • FIG. 10 shows a plasticizing device according to the invention, in which a first hollow shaft motor 24 with stator 24.1 and rotor 24.2 is provided for driving the plasticizing cylinder 2, the plasticizing cylinder being installed in the rotor 24.2 of the hollow shaft motor.
  • the rotor 24.2 can also be formed by the plasticizing cylinder 2, for example, if suitable magnets are mounted on the outside of the plasticizing cylinder, which in interaction with the magnetic field generated by the stator for a rotation of the plasticizing.
  • a second hollow shaft motor 25 is provided with downstream spindle drive to the rotational movement of the rotor 25.2 in to convert a linear movement of the mandrel 7.
  • a spindle nut 26 is mounted in the rotor 25.2 and the mandrel 7 has a threaded portion 27 which is in engagement with the spindle nut 26. Furthermore, a suitable anti-rotation 34 is provided to block co-rotation of the mandrel 7.
  • plasticizing the speed of the second hollow shaft motor 25 is tuned to the speed of the first hollow shaft motor 24 that can adjust the desired back pressure due to the speed difference.
  • the first hollow shaft motor 24 rests and only the second hollow shaft motor 25 is driven.
  • This embodiment is well suited for the micro injection molding, as the drive is also the plasticizing and you only have to dock the drive to the clamping unit.
  • the heat which accumulates in any case during operation of the first hollow shaft motor 24 can be utilized for heating the plasticizing cylinder 2; Under certain circumstances can then be dispensed with an additional heating of the plasticizing 2.
  • 7 channels may be provided for a heating fluid or an electrical resistance heater in the interior of the mandrel to transport additional heat into the interior of the plasticizing.
  • the plasticizing can be surrounded with a suitable security housing and housed, so that the operating personnel can not hurt.

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum Plastifizieren eines Granulates, insbesondere eines Kunststoffgranulats. Die Erfindung zeichnet sich aus durch einen drehantreibbaren Plastifizierzylinder (2) mit mindestens einem im wesentlichen schraubenförmigen Steg (6) auf der Innenseite des Plastifizierzylinders (2), und einen im Innern des Plastifizierzylinders (2) angeordneten und von den Stegen (6) umgebenen Dorn (7), wobei mindestens ein Zylindergang (11) zur Materialförderung gebildet wird. Die Funktionen,,Schneckengang" und,,Rotation" werden auf diese Weise auf das äußere Bauteil, den Plastifizierzylinder übertragen. Die Erfindung betrifft desweiteren eine Spritzgieß- oder Extrusionsvorrichtung mit einer derartigen Plastifiziervorrichtung sowie mit einem Formwerkzeug (12), wobei das vordere Ende des Plastifizierzylinders (2) als zylindrische Düse (15) ausgebildet ist und das Formwerkzeug (12) eine Angußbuchse (13) mit einer zylindrischen Ausnehmung (14) aufweist, in der die Düse (15) des Plastifizierzylinders (2) drehbar gelagert ist, beispielsweise auf einem durch Leckströmung gebildeten Schmelzefilm nach Art eines hydrostatischen Lagers oder durch geeignete Radial- und/oder Axiallager (17).

Description

Vorrichtung zum Plastifizieren eines Granulats, insbesondere eines
Kunststoffgranulats, sowie mit einer solchen Vorrichtung ausgestattete
Spritzgieß- oder Extrusionsanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plastifizieren eines Granulats, insbesondere eines Kunststoffgranulats, zur Verarbeitung der damit erzeugten Schmelze auf einer Spritzgießmaschine oder einer Extrusionsanlage. Die Erfindung betrifft desweiteren eine Spritzgieß- oder Extrusionsvorrichtung mit einer derartigen Plastifiziervorrichtung.
Für Kunststoffverarbeitungsmaschinen in den Bereichen Extrusion und Spritzgießen sind verschiedene Plastifiziervorrichtungen bekannt, zum Beispiel: Einschnecken- und Doppelschneckenextruder mit zylindrischen oder konischen Schnecken, axial verschiebbare Plastifizierschnecken (sogenannte Schubschnecken),
Vorplastifizierschnecken mit nachgeschaltetem Kolbenspritzaggregat. Gemeinsames Merkmal dieser bekannten Plastifiziervorrichtungen ist, dass die Schnecke einen oder mehrere Schneckengänge aufweist und im Zentrum eines Plastifizierzylinders rotiert. Der Plastifizierzylinder wird von außen beheizt, beispielsweise mittels elektrischer Heizbänder, und weist in der Regel eine glatte Innenwand auf; in bestimmten Ausführungsformen sind in der Innenwand Nuten eingelassen, um die Förderleistung zu steigern. In den Schneckengängen wird der Kunststoff aufgeschmolzen und gefördert. Typischerweise teilt man eine Schnecke in drei Zonen auf, eine Einzugszone, eine Kompressionszone und eine Ausstoß- bzw. Meteringzone. Das Schneckenkanalvolumen verringert sich von der Einzugszone bis zur Meteringzone. Das bedeutet, dass eine zylindrische Schnecke im Einzugsbereich den kleinsten Kerndurchmesser besitzt. Dieser Kerndurchmesser ist jedoch bestimmend für das einzubringende Drehmoment, das wiederum etwa 2/3 der Aufschmelzenergie in den Kunststoff einbringt. Insbesondere bei Spritzeinheiten für sehr kleine Schußgewichte, wie sie im Mikro-Spritzguß verlangt werden, gibt es somit eine technische Untergrenze für den Kerndurchmesser einer Plastifizierschnecke; diese Untergrenze liegt derzeit bei etwa 12 - 15mm. Außerdem arbeiten solche Plastifiziervorrichtungen aus dem Mikro- Spritzgußbereich mit nachgeschalteten Kolbenspritzaggregaten, was sich ungünstig auf die Schmelzequalität auswirkt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plastifiziervorrichtung anzugeben, die einen verbesserten Wärmeeintrag in das Kunststoffgranulat aufweist und die insbesondere für den Einsatz zum Mikro-Spritzguß geeignet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Plastifiziervorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, die Funktionen „Schneckengang" und „Rotation" auf das äußere Bauteil, den Plastifizierzylinder, zu übertragen. Daraus ergeben sich mehrere Vorteile.
Zum Einen gibt es praktisch keine Einschränkungen hinsichtlich der Festigkeit der Plastifiziervorrichtung, da zusätzliches Material an dem Plastifizierzylinder nach außen, d.h. zur Erhöhung der Wandstärke, nicht störend ist. Mit anderen Worten kann man einen Plastifizierzylinder mit einem Innendurchmesser von beispielsweise weniger als 10 mm und darin angordneten Kanälen bzw. Zylindergängen in Kombination mit einem Dorndurchmesser von etwa 3 - 4 mm schaffen, um kleinste Schußgewichte realisieren zu können, ohne dass eine solchermaßen miniaturisierte Plastifiziervorrichtung unter zu geringer Festigkeit leiden würde. Der Plastifizierzylinder muss nur eine geeignet große Wandstärke aufweisen. Mit der bisher bekannten Standardbauweise ist eine solche Miniaturisierung jedenfalls nicht möglich.
Dadurch, dass der Plastifizerzylinder drehangetrieben ist, kann mit dem gleichen Motor ein größeres Drehmoment als bei normalen Standardschnecken erzeugt werden, da der Zylinderaussendurchmesser stets und in der Regel deutlich größer ist als der Kerndurchmesser einer Schnecke im Bereich der Kopplung mit dem Drehantrieb. Insbesondere bei den für den Mikrospritzguß eingesetzten Schnecken von 14mm - 18mm Durchmesser ist der Kerndurchmesser der Schnecken sehr gering. Daher kann auch nur ein geringes Drehmoment erzeugt werden bzw. das vom Drehantrieb erzeugte Drehmoment könnte bei einem zu geringen Kerndurchmesser zu Beschädigungen der Schnecke führen.
Außerdem ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Energieeintrags und damit der Plastifizierleistung. Mit der neuen Plastifiziervorrichtung steht eine größere Oberfläche zur Verfügung, um die von außen zugeführte Wärme in das Kunststoffgranulat einzubringen, denn die Wärme kann nicht nur im Bereich der glatten Zylinderinnenwand, sondern auch über die von der Innenwand ins Zentrum abstehenden Stege an das Kunststoffgranulat bzw. die -schmelze abgegeben werden. Als Folge davon kann die über die Drehzahl und das Drehmoment einzubringende mechanische Energie des Drehantriebs verringert werden. Wegen der besseren Energieeinbringung kann im Umkehrschluß auch eine höhere Plastifizierleistung bei gleicher Bauteildimensionierung erreicht werden. Im Ergebnis kann eine erfindungsgemäße Plastifiziervorrichtung somit kurzer gebaut werden (kleineres Längen/Durchmesser-Verhältnis) als normale Plastifiziervorrichtungen mit Standardschnecken.
Die Ausgestaltung mit einem hohlzylindrischen Dorn, in dem ein Einspritzkolben reversierbar geführt ist, bietet mehrere Vorteile. Zunächst sind die Plastifzier- und die Einspitzphase voneinander getrennt, d.h. es kann der jeweils erforderliche Druck unabhängig voneinander eingestellt werden; insbesondere kann der vergleichsweise hohe Druck beim Einspritzen nicht in die Zylindergänge gelangen. Durch das aktive Abheben des Dorns von der Zylinderinnenwand zum Plastifizieren und das Andocken bzw. Abdichten beim Einspritzen ergeben sich im Vergleich zu einer passiven Rückströmsperre geringere Verluste durch Leckströmung beim Einspritzen, was sich positiv auf die Konstanz des Schußgewichts auswirkt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.
Gemäß Figur 1 ist in einem feststehenden Gehäuse 1 ein Plastifizierzylinder 2 über geeignete Lager 3 drehbar gelagert und kann von einem Antriebsaggregat 4 in Rotation versetzt werden. Auf seiner Innenseite 5 und von dieser nach innen ragend verfügt der Plastifizerzylinder 2 über wenigstens einen schraubenförmigen Steg 6. Dieser wird von einem zylindrischen Dorn 7 durchdrungen, so dass wenigstens ein Zylindergang 11 gebildet wird. Der Dorn 7 ist nach hinten aus dem Plastifizierzylinder 2 herausgeführt und mit einem nicht näher dargestellten und an sich bekannten Linearantrieb verbunden. In dem Gehäuse 1 ist eine Öffnung vorgesehen, in die ein Einfülltrichter 9 für das Kunststoffgranulat 10 mündet. In dem Gehäuse 1 befindet sich ferner eine Ausfräsung 8 in Form einer schrägen Tasche, ähnlich einer Herzkurve bei Coextrusionswerkeugen, die das aus dem Trichter 9 nachrieselnde Kunststoffgranulat um den drehfesten Dorn 7 verteilt und in den schraubenförmigen Zylindergang 11 nachrieseln läßt, von wo es bei jeder Umdrehung des Plastifizierzylinders 2 durch den Anfang des Zylindergangs 11 weitergefördert wird. Es kann auch eine vertikale Anordnung vorgesehen werden (Figur 2), bei der das Nachrieseln durch die Schwerkraft des Materials unterstützt wird. Zum Beheizen des Plastifizierzylinders können elektrische Heizbänder 29 vorgesehen werden, die über einen Schleifkontakt 30 mit einer hier nicht dargestellten Stromquelle verbunden sind.
Figur 3 zeigt schematisch ein Formwerkzeug 12 einer Spritzgießmaschine oder einer Extrusionsanlage mit einer Angußbuchse 13, die eine zylindrische Ausnehmung 14 aufweist. Der Plastifizierzylinder 2 verfügt an seinem vorderen Ende über eine zylindrische Düse 15, die in die Ausnehmung 14 passt, so dass die Düse 15 in der Angußbuchse 13 rotieren kann; der Plastifizierzylinder 2 wird somit in der Angußbuchse 13 abgestützt. Ein sich durch die Relativbewegung zwischen Düse 15 und Angußbuchse 13 ergebener Abrieb oder Verschleiß kann mittels geeigneter Materialkombinationen von Düse 15 einerseits und Angußbuchse 13 andererseits weitgehend vermieden werden. Es besteht auch die Möglichkeit, in die Düse kleine Kanäle 16 in Form von Quer- und/oder Längsrillen einzubauen, um einen Leckstrom an Kunststoffschmelze zu erzeugen und so einen Schmelzefilm zwischen der Düse 15 und der Angußbuchse 13 zu bilden, auf dem die Düse 15 nach Art eines hydrostatischen Lagers gleiten kann. Der sich dabei ergebende Materialaustritt wird bewußt in Kauf genommen. Die obere Darstellung in Figur 3 zeigt die Position in der Plastifizierphase, in der die Düse 15 um ein kleines Stück in der Angußbuchse 13 nach hinten verfahren ist, so dass der Plastifizierzylinder 2 frei rotieren kann. Die untere Darstellung von Figur 3 zeigt die Position in der Einspritzphase und Nachdruckphase, in der wesentlich höhere Drücke in dem Schmelzeweg auftreten und in der keine Rotation des Plastifizierzylinders erfolgt. In dieser Phase wird die Düse 15 mit der erforderlichen Düsenanlagekraft an die Angußbuchse 14 gepresst und der vordere Konus der Düse 15 dichtet in der Angußbuchse 14 ab, so dass in dieser Phase eine Leckströmung vermieden wird.
In einer alternativen Ausgestaltung gemäß Figur 4 weist das Formwerkzeug 12 ein Axial- und/oder Radiallager 17 auf, in dem die Düse 15 rotieren kann. In dieser Ausgestaltung wird ein kleiner Spalt zwischen dem Formwerkzeug 12 und der Düse 15 gebildet, durch den Schmelze in geringen Mengen austreten kann. Dieser Spalt kann gegebenenfalls durch eine Gleitlagerscheibe 18 abgedichtet werden. Diese Ausgestaltung erlaubt die Abstützung großer (langer und dicker) und damit vergleichsweise schwerer Plastifizierzylinder 2 und eignet sich gut für Extrusionsanlagen, da bei der Extrusion keine axiale Bewegung zwischen Plastifizierzylinder 2 und dem Extrusions-Formwerkzeug 12 erfolgt.
In der Figur 5 ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Plastifiziervorrichtung im Extrusionsbereich dargestellt. Durch den rotierenden Plastifizierzylinder 2 wird das Kunststoffgranulat gefördert, aufgeschmolzen und durchmischt. Durch das kontinuierlich nachfolgende Material entsteht ein Schmelzedruck, der dazu führt, dass die Schmelze an der Düse 15 austritt und durch ein hier nicht gezeigtes Extrusions- Formwerkzeug fließt. Falls ein höherer Schmelzedruck gewünscht wird, kann vor dem rotierenden Plastifizierzylinder 2 eine Schmelzepumpe, beispielsweise eine Zahnradpumpe, angebaut werden.
Die Figuren 6.1 und 6.2 zeigen den Einsatz der erfindungsgemäßen Plastifiziervorrichtung beim Spritzgießen, wobei zum Verschließen und Freigeben des Schmelzeflusses durch die Düse 15 eine aktiv schaltbare Verschlußdüse 28 vorgesehen ist. Während der Plastifizierphase gemäß Figur 6.1 wird durch den rotierenden Plastifizierzylinder 2 Kunststoffgranulat gefördert, aufgeschmolzen und gemischt, wobei durch das nachfolgende Material ein Schmelzedruck aufgebaut wird. Da sich in dieser Phase die Verschlußdüse 28 in der „Geschlossen"-Position befindet, wird der Dorn 7 durch den Schmelzedruck, auch Staudruck genannt, nach hinten verfahren. Diese Bewegung soll mit dem nach rechts gerichteten Pfeil in der Figur 6.1 veranschaulicht werden. Durch eine geeignete Gegenkraft auf den Dorn 7 mittels des Linearantriebs kann der gewünschte Staudruck eingestellt werden. Am Ende der Plastifizierphase befindet sich der Dorn 7 in einer hinteren Position. Nachdem die Verschlußdüse 28 in die „Offen"-Position geschaltet worden ist, kann der Dorn 7 mittels des Linearantriebs nach vorne verfahren werden, wobei Schmelze über die nun geöffnete Düse 15 in ein Spritzguß-Formwerkzeug eingespritzt wird (Figur 6.2). Diese Bewegung soll mit dem nach links gerichteten Pfeil in der Figur 6.2 veranschaulicht werden.. Dabei kann und wird Schmelze durch den Zylinderkanal 11 nach hinten zurückwandern. Dies kann bis zu einem gewissen Grad durch gleichzeitiges Plastifizieren durch Rotation des Plastifizierzylinders ausgeglichen werden. In diesem Zustand wird ein Druckgleichgewicht von Rückströmung und Förderdruck aufgebaut.
Eine weitere Variante der erfindungsmäßen Plastifiziervorrichtung soll nachfolgend anhand der Figuren 7.1 bis 7.4 erläutert werden. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Ausführungsformen ist im vorliegenden Fall der Dorn 7 als hohlzylindrisches Bauteil ausgeführt und weist in seinem Innern einen Einspritzkolben 19 auf. Der hohlzylindrische Dorn 7 sowie der Einspritzkolben 19 können mittels geeigneter Linearantriebsmittel unabhängig voneinander in axialer Richtung vor- und zurückbewegt werden. In der Plastifizierphase (Figur 7.1 ) befindet sich der Dorn 7 in einer rückwärtigen Position, in der er von der Innenwand des Plastifizierzylinders 2 einen vorgebbaren Abstand hat, so dass Schmelze in den Dorn 7 eindringen und den Einspritzkolben 19 nach hinten bewegen kann. Ein Austritt von Schmelze aus der Düse 15 wird dadurch verhindert, dass der Angußkanal im Spritzgieß-Formwerkzeug 12 aus dem vorangegangenen Einspritzvorgang noch mit erstarrter Kunststoffschmelze (Anguß 23) gefüllt ist und die Düse 15 damit abdichtet. Das Plastifizieren erfolgt während der Kühlzeit, so dass die Düse 15 genügend lange geschlossen gehalten wird. Anstelle des Angußteils 23 kann aber auch eine Verschlußdüse wie in den Ausgestaltungen gemäß den Figuren 6.1 und 6.2 vorgesehen werden; damit kann der Plastifiziervorgang von der Kühlzeit entkoppelt werden. Wenn das Plastifizieren beendet ist und der Plastifizierzylinder 2 steht, wird zuerst der Dorn 7 gegebenenfalls zusammen mit dem Einspritzkolben 19, nach vorne bewegt und schließt den Einspritzkolbenraum 20 gegen den Zylindergang 11 ab (Figur 7.2), auch bei hohen Einspritzdrücken. Der Dorn 7 wirkt in diesem Fall als eine Art Verschlussdüse zwischen dem Einspritzkolbenraum 20 und dem Zylindergang 11. Nachfolgend kann der Einspritzvorgang durchgeführt werden (Figur 7.3), indem der Einspritzkolben 19 nach vorne verfahren wird. Der Nachdruck kann ebenfalls von dem Einspritzkolben 19 aufgebracht werden. Nach Beendigung der Einspritz- und Nachdruckphase wird der Dorn 7, gegebenenfalls zusammen mit dem Einspritzkolben 19, in seine rückwärtige Position zurückverfahren (Figur 7.4), damit wieder ein Spalt mit der Innenwand des Plastifizierzylinders 2 gebildet wird und Schmelze in den Dorn 7 eindringen und ein neuer Spritzgießzyklus beginnen kann.
Um ein Verdrehen des Dorns bei Rotation des Plastifizierzylinders zu unterbinden ohne den Linearantrieb zu belasten, kann der Dorn im Bereich des feststehenden Gehäuses und über die Länge des axialen Hubs eine Verdrehsicherung aufweisen, beispielsweise Längsnuten, die im Eingriff mit einer entsprechenden Verzahnung in dem feststehenden Gehäuse stehen. Ebenso kann bei Verwendung eines Einspritzkolbens eine derartige Verdrehsicherung vorgesehen werden.
Die Figuren 8.1 bis 8.4 zeigen eine Weiterentwicklung der oben beschriebenen Ausführugsform, um das sogenannte FIFO-Prinzip (First In, First Out) realsieiren zu können. Der Dorn 7 weist von seinem vorderen Ende beabstandet über den Umfang verteilt mehrere Schmelzebohrungen 21 auf. In gleicher Weise weist der Einspritzkolben über den Umfang verteilte Nutkanäle 22 der Länge L auf. In der Darstellung gemäß Figuren 8.1 und 8.2 befindet sich der Einspritzkolben gegenüber dem Dorn 7 in der „Offen"-Position, in der die Schmelzebohrungen 21 in die Nutkanäle 22 münden. Die Anordnung und der Verlauf der Schmelzbohrungen 21 ist dergestalt, dass diese zu Beginn des Plastifiziervorgangs, wenn sich der Einspritzkolben 19 in seiner vorderen Endlage befindet, am hinteren Ende in die Nutkanäle 22 münden. Der Dorn 7 liegt bis auf einen minimalen Spalt dicht an der Innenwand des Plastifizierzylinders an, so dass einerseits Verschleiß vermieden wird, andererseits aber keine dickflüssige Schmelze durch den Spalt hindurch gelangen kann. Die durch Rotation des Plastifizierzylinders erzeugte Schmelze gelangt über die Schmelzebohrungen 21 zunächst in die Nutkanäle 22. Von dort fließt die Schmelze vor den Einspritzkolben 19 und bewegt diesen nach hinten, wobei sich die zuerst angekommene Schmelze an dem vorderen Ende des Dorns 7 sammelt und der Einspritzkolbenraum 20 sukzessive mit nachfolgender Schmelze aufgefüllt wird. Die zuletzt angekommene Schmelze befindet sich dabei immer unmittelbar vor dem Einspritzkolben 19, so dass bei dem nachfolgenden Einspritzvorgang die zuerst erzeugte Schmelze auch als erstes den Einspritzkolbenraum 20 verläßt (FIFO). Wenn das Plastifizieren beendet ist und der Einspritzkolben 19 seine hintere Position erreicht hat (Figur 8.3), werden die Schmelzebohrungen 21 durch eine Drehung des Einspritzkolbens 19 verschlossen (Figur 8.4) und der Einspritzkolben 19 kann nach vorne verfahren werden, um die Schmelze in das Formwerkzeug einzuspritzen. Der mögliche „Plastifizierhub" wird durch die Länge L der Nutkanäle 22 bestimmt bzw. den Abstand zwischen dem vorderen Ende des Einspritzkolbens 19 und dem Mündungsbereich der Schmelzebohrungen 21 in die Nutkanäle 22.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Plastifiziervorrichtung gemäß den Figuren 9 sowie 9.1 und 9.2 ist in dem drehangetriebenen Plastifizierzylinder 2 der Dorn 7 als axial verfahrbares hohlzylindrisches Bauteil ausgeführt und verfügt in seinem Innern anstelle des Einspritzkolbens über eine dreh- und linearantreibbare Schnecke 31. Der Dorn 7 entspricht quasi einem kompletten Standardspritzaggregat bzw. einer kompletten Standardplastifiziereinrichtung, die in dem rotierenden Plastifizierzylinder axial verfahren werden kann. Eine derartige Plastifiziervorrichtung eignet sich zum Herstellen von mehrkomponentigen Kunststoff-Formteilen im Sandwichverfahren (siehe Figuren 9.1 und 9.2). Hierbei wird von dem äußeren Plastifizierzylinder ein erster, vorne liegender Schmelzeblock 32 und von der Standardplastifiziereinrichtung 7 ein zweiter, hinten liegender Schmelzeblock 33 erzeugt. Die Figur 9.2 zeigt die Situation am Ende der Plastifizierphase. Beispielsweise könnte auf diese Weise eine Kunststoff-Formteil mit einer kompakten Haut aus dem vorderen Schmelzeblock auf einem geschäumten Kern aus dem hinteren Schmelzeblock erzeugt werden. Der den Kern bildende hintere Schmelzeblock 33 kann aber auch einfach aus einem preiswerteren ungeschäumten Kunststoff bestehen. Konstruktionsbedingt eignet sich eine derartige Plastifiziervorrichtung eher für größere Schußgewichte.
In der Figur 10 ist eine erfindungsgemäße Plastifiziervorrichtung gezeigt, bei der zum Antrieb des Plastifizierzylinders 2 ein erster Hohlwellenmotor 24 mit Stator 24.1 und Rotor 24.2 vorgesehen ist, wobei der Plastifizierzylinder in den Rotor 24.2 des Hohlwellenmotors eingebaut ist. Der Rotor 24.2 kann aber auch von dem Plastifizierzylinder 2 gebildet werden, wenn beispielsweise auf der Aussenseite des Plastifizierzylinders geeignete Magnete angebracht werden, die in Wechselwirkung mit dem vom Stator erzeugten Magnetfeld für eine Rotation des Plastifizierzylinders sorgen. Für den Linearantrieb des Dorns 7 ist ein zweiter Hohlwellenmotor 25 mit nachgeschalteten Spindeltrieb vorgesehen, um die Drehbewegung des Rotors 25.2 in eine Linearbewegung des Dorns 7 umzuwandeln. Hierzu ist in dem Rotor 25.2 eine Spindelmutter 26 befestigt und der Dorn 7 weist einen Gewindeabschnitt 27 auf, der im Eingriff mit der Spindelmutter 26 steht. Desweiteren ist eine geeignete Verdrehsicherung 34 vorgesehen, um eine Mitdrehen des Dorn 7 zu blockieren. Beim Plastifizieren ist die Drehzahl des zweiten Hohlwellenmotors 25 so auf die Drehzahl des ersten Hohlwellenmotors 24 abzustimmen, dass sich aufgrund der Drehzahldifferenz der gewünschte Staudruck einstellen kann. Beim Einspritzen ruht der erste Hohlwellenmotor 24 und nur der zweite Hohlwellenmotor 25 wird angetrieben. Diese Ausgestaltung eignet sich insofern gut für das Mikrospritzgießen, als der Antrieb gleichzeitig die Plastifiziervorrichtung ist und man nur noch den Antrieb an die Schließeinheit anzudocken hat. Außerdem kann die beim Betrieb des ersten Hohlwellenmotors 24 ohnehin anfallende Wärme zum Beheizen des Plastifizierzylinders 2 ausgenutzt werden; unter Umständen kann dann auf eine zusätzliche Beheizung des Plastifizierzylinders 2 verzichtet werden. Gegebenfalls können im Innern des Dorns 7 Kanäle für ein Heizfluid oder eine elektrische Widerstandsheizung vorgesehen werden, um zusätzliche Wärme in das Innere des Plastifizierzylinders zu transportieren.
In allen vorbeschriebenen Ausführugsformen kann die Plastifiziervorrichtung mit einem geeigneten Sicherheitsgehäuse umgeben und eingehaust sein, damit sich das Bedienpersonal nicht verletzen kann.
Bezugszeichenliste
Gehäuse
Plastifizierzylinder
Lager
Drehantrieb
Zylinderinnenwand bzw. -innenseite
Steg
Dorn
Ausfräsung
Trichter
Kunststoffgranulat
Zylindergang
Formwerkzeug
Angußbuchse
Zylindrische Ausnehmung
Düse
Leckstromkanal
Axial- und/oder Radiallager
Gleitlagerscheibe
Einspritzkolben
Einspritzkolbenraum
Schmelzebohrung
Nutkanal
Anguß
Erster Hohlwellenmotor (24.1 = Stator; 24.2 = Rotor)
Zweiter Hohlwellenmotor (25.1 = Stator; 25.2 = Rotor)
Spindelmutter
Gewindeabschnitt
Verschlußdüse
Heizbänder
Schleifkontakt
Schnecke
Vorderer Schmelzeblock
Hinterer Schmelzeblock

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Plastifizieren eines Granulates, insbesondere eines Kunststoffgranulats, gekennzeichnet durch einen drehantreibbaren Plastifizierzylinder (2) mit mindestens einem im wesentlichen schraubenförmigen Steg (6) auf der Innenseite des Plastifizierzylinders (2), und einen im Innern des Plastifizierzylinders (2) angeordneten und von den Stegen (6) umgebenen Dorn (7), wobei mindestens ein Zylindergang (11 ) zur Materialförderung gebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass das hintere Ende des Plastifizierzylinders (2) drehbar in einem feststehenden Gehäuse (1) gelagert ist und dass das Gehäuse (2) eine Ausfräsung (8) in Form einer schrägen Tasche aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass im Innern des Dorns (7) ein axial verfahrbarer Einspritzkolben (19) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass dass der Dorn (7) und der Einspritzkolben (19) unabhängig voneinander axial verfahren werden können.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet dass der Dorn radial angeordnete Schmelzebohrungen (21 ) aufweist, die durch eine relative Drehbewegung zwischen Dorn (7) und Einspritzkolben (19) verschließbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass im Innern des Dorns (7) eine linear- und drehantreibbare Schnecke (31 ) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass die Schnecke (31 ) und der Dorn (7) unabhängig voneinander in axialer Richtung verfahrbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass ein oder mehrere elektrisch betriebene Heizbänder (29) an dem Plastifizierzylinder (2) vorgesehen sind, die über Schleifkontakte (30) mit einer Stromquelle verbunden sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet dass als Drehantrieb für den Plastifizierzylinder (2) ein erster Hohlwellenmotor (24) vorgesehen ist, wobei der Plastifizierzylinder (2) im Innern des Rotors (24.2) montiert ist oder der Rotor (24.2) den Plastifizierzylinder (2) bildet.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet dass als Linearantrieb für den Dorn (7) ein zweiter Hohlwellenmotor (25) mit nachgeschaltetem Spindeltrieb vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet dass in dem Rotor (25.2) eine Spindelmutter (26) montiert ist oder der Rotor (25.2) als Spindelmutter (26) ausgebildet ist, und dass der Dorn (7) einen Gewindeabschnitt (27) aufweist, der sich im Eingriff mit der Spindelmutter (26) befindet.
12. Spritzgieß- oder Extrusionsvorrichtung mit einer Plastifiziervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche sowie mit einem Formwerkzeug (12), in das Schmelze eingespritzt oder durch das hindurch Schmelze extrudiert werden kann, dadurch gekennzeichnet dass dass das vordere Ende des Plastifizierzylinders (2) als zylindrische Düse (15) ausgebildet ist und dass das Formwerkzeug (12) eine Angußbuchse (13) mit einer zylindrischen Ausnehmung (14) aufweist, in der die Düse (15) des Plastifizierzylinders (2) drehbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass dass zwischen der Düse (15) und der Angußbuchse (13) ein sich durch Leckströmung ergebender Schmelzefilm als hydrostatisches Lager vorgesehen ist, insbesondere durch Leckstromkanäle (16).
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass dass das vordere Ende des Plastifzierzylinders (2) als zylindrische Düse (15) ausgebildet ist und dass die Düse (15) über ein Axial- und/oder Radiallager (17) in dem Formwerkzeug (12) drehbar gelagert ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet dass dass zwischen dem vorderen Ende der Düse (15) und dem Formwerkzeug (12) eine Gleitlagerscheibe (18) vorgesehen ist.
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