WO1993016860A1 - Verfahren und vorrichtung zum taktgesteuerten spritzgiessen von formteilen aus vernetzbaren formmassen - Google Patents

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Hans-Peter Saul
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Henniges Elastomer- Und Kunststofftechnik Gmbh & Co. Kg
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    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2021/00—Use of unspecified rubbers as moulding material

Definitions

  • the invention relates to a process for the clock-controlled production of molded parts from crosslinkable molding compositions, in particular those with low thermal conductivity, and to a device for carrying out the process.
  • Crosslinkable materials are mainly elastomers or thermosets. Networking - so too Vulcanization of rubber to rubber - requires exposure to temperatures above the crosslinking temperature of the molecules for a certain period of time. The temperatures and the time can be varied within wide limits. The temperature must in rubber in the injection phase, the so-called scorch point not billets, is damaged otherwise the molding material upstream irreversibly '.
  • the material When entering the mold, the material should, if possible, already be heated to the optimum crosslinking temperature, which should be quite high in every volume increment in order to achieve high productivity - but should be below the scorch point to avoid damage to rubber. Controlling the temperature of the rubber - and especially rapid heating - is difficult because of its low thermal conductivity. Heating up by contacting a surface area with a heating surface is not very effective, since when trying to transfer a larger amount of heat at short notice, the scorch point is necessarily exceeded at the contact surface due to the required temperature increase.
  • the increments of a shot volume are heated to different extents on the one hand after the mold cavity has been filled, and on the other hand the process time between the plasticizing and the filling of the cavities depends on the design of the injection press on the one hand and on the path of the volume increment - tes in the form, on the other hand, of different lengths.
  • the invention has for its object to provide a method and a device for the cycle-controlled injection molding of workpieces from crosslinkable molding compositions with in particular low thermal conductivity, wherein a predetermined optimal melt temperature curve should be achievable, which achieves high product quality even at high cycle speed and rework on the finished product can be largely avoided.
  • the invention includes the general knowledge that by means of the shear effect and the internal friction generated thereby, relatively large amounts of heat can be transferred to a mold for a short period of time for a defined time range, so that the volume filling the shape obtains homogeneous vulcanization properties.
  • a high cycle speed and thus a large material throughput is possible because of the temperature profile that can be defined over a short transport path.
  • the supply of heat can also be suspended for a short time, so that between the cycle cycles in which there is no supply of the material into the mold cavities, there is no substantial increase in temperature which leads to crosslinking.
  • the temperature can preferably also be increased to just below the scorch point, since there is no fear of material damage in the solution according to the invention which would otherwise be caused by increased wall temperatures which must be selected to accelerate the heat transfer. Since the temperature required for crosslinking is achieved less by such a heat transfer than by a high melt temperature, the heating of the mold can optionally be restricted to maintaining the melt temperature, ie to replacing the lost heat.
  • This design feature of an injection mold has the disadvantage that a controlled, optimal supply of heat to achieve the optimum temperature of each increment of the workpiece volume is not possible.
  • the constriction of the flow channels also results in an increased back pressure and an increase in the injection work with a longer injection time.
  • the constriction only permits the processing of sufficiently homogeneous viscous masses and, for example, excludes the use of rubber powder as a filler.
  • the molding compound has after Leaving the shear element already at a low viscosity due to the high temperature and can flow into the cavity at a high flow rate without overcoming a pressure loss at the constriction point - which would have a positive effect on the quality of the weld lines.
  • the use of rubber powder as a filler is possible at high cycle speeds, which considerably improves the possibility of recycling elastomers.
  • the plasticized molding compound enters a shear gap and is there before it enters the mold.
  • the device for carrying out the method consists of a mold arranged between the press table and the upper press part, having a mold upper part, a lower tool part and a cavity with sprue channels, with a rotationally symmetrical shear mandrel inside a shear cylinder sleeve, which forms a shear gap with the latter and in the center of the mold is arranged in the immediate vicinity of the cavity.
  • a drive in conjunction with an associated control device, ensures its rotation in the interior of this shear cylinder sleeve with a certain power.
  • the shearing work is controlled by a speed or shear mandrel peripheral speed controller contained in the control device in such a way that a metered temperature increase is superimposed on the temperature profile of the molding compound entering the shear gap, to the extent that for each increment of the Injection volume sets an optimum temperature taking into account the process time between plasticizing and removal from the mold (residence time).
  • the rotationally symmetrical shear mandrel is arranged in the center as part of the mold in the lower part of the mold and is driven by a drive pin for melt temperature control during injection molding of molding compounds with low thermal conductivity. which protrudes through the press table into the lower part of the tool.
  • the injection unit consisting of a shear cylinder sleeve with rotationally symmetrical shear mandrel, which is part of the press, is located in an opening in the press part.
  • the temperature profile of the molding composition can thus be delayed.
  • the requirements of the injection molding process are largely adapted.
  • the front flow front can only be heated moderately so that the product of time and temperature which determines the crosslinking achieves a predetermined optimum despite the longer residence time of the first material in the mold nests. This at the same time ensures that the weld line, which results from the meeting of the front flow front in the case of a special shape, is formed from material which has not yet been crosslinked, and thus a good bond is made possible by the flow fronts flowing together.
  • the heating takes place discontinuously in the work cycle, the molding compound being fed through an extruder into the internal volume of an injection cylinder and being expelled into the shaving head by the piston cycle - as required.
  • the previously relatively low melt temperature is brought to a uniformly distributed maximum temperature just below the scorch point, so that heating by hot mold walls is unnecessary or is only necessary to a small extent and uniform networking is used.
  • the hot inner mold wall acts on the relatively cool, uncrosslinked molding compound, while the full internal mold pressure is present. This leads to a reduction in viscosity, particularly in the areas of thin gaps, for example in the mold parting plane, and thus to the formation of sprouts (so-called floating skin).
  • a valve arranged directly in front of the shear pin prevents cold molding compound from running on.
  • the locking by a lock (preferably a bayonet lock) .
  • Lockable molds are fed preheated to the injection unit.
  • thermocouple is expediently used as the temperature sensor and a speed controller for the shear pin.
  • the setpoints for the maximum temperature T ma ⁇ are specified via a control device.
  • the shear sleeves and / or the shear mandrel are cooled.
  • This further development of the method has the further advantage that, particularly in the case of low-viscosity molding compositions, the viscosity in the wall area of the shear gap is increased and thus the shearing work is increased, so that the control range of the shear mandrel speed is sufficient for a sufficient temperature increase even with low-viscosity compositions.
  • Figure la shows a device according to the prior art • in a sectional view
  • FIG. 1b shows a plan view of the lower tool part cut in the parting plane according to FIG.
  • FIG. 2a shows a first variant of a preferred exemplary embodiment of the device according to the invention with a shear mandrel in the lower part of the tool in a sectional view
  • FIG. 2b shows a top view of the lower tool part cut in the parting plane according to FIG. 2a
  • FIG. 3a shows a second preferred variant of the device according to the invention with a shear pin in the upper part of the tool in a sectional view
  • 3b shows a plan view of the lower tool part cut in the parting plane according to the second variant according to FIG. 3a.
  • FIGS. 1-10 A corresponding device according to the prior art is shown in FIGS.
  • a top tool part 5 In the parting plane 6 between the upper tool -and bottom 5 and 2 are in a star shape from the inside outwardly extending runners 14.
  • a hollow cylinder 8 in the upper die 5 is a hollow cylinder 8, with heating strips 9 on its outer surface and having 'air-filled outer space 10 as well as with conical In ⁇ nenraum introduced 11 into which the pin 3 protrudes, whereby an annular channel 12 is formed for the mass flow j.
  • This sprue system is used for further heating immediately before the mass flow enters the mold cavity 13, which is designed as a mold cavity.
  • da ⁇ takes place against the total heat transfer during the first Pha ⁇ se in which the material is -zuêt ', .- Since the molding material is a poor thermal conductivity through the surface of a "Hot Cones" of the working stroke, causes the supply of a significant amount of heat in a short time a large overtemperature on the cone surface, which is not tolerated by the material. The amount of heat required must therefore be transferred relatively slowly. If an increase in the operating cycle frequency is desired, the temperature achieved with the preheating would have to be increased in the embodiment according to the state of the art. However, this would lead to an early networking which would also take place over demolding times the work piece continues, so that the material which has already been preheated can no longer be processed properly.
  • a mold consisting of a lower tool part 2 with a rotatable, cone-shaped, rotationally symmetrical shear mandrel 7 in the center thereof and with mold nests 13, which are closed at the top with a tool upper part 5 on the nozzle side are, in which mold cavities 13 can also be incorporated.
  • mold nests 13 In the parting plane 6 between the tool upper and lower parts 5 and 2 are in a star shape from the inside to the mold cavities' 13 extending towards runners 14, which are visible in Figure 2b.
  • FIG. 2a also shows above the mold a valve 21 opening onto the conical interior of the shear cylinder sleeve 8, which can prevent molding compound from running on if necessary.
  • the valve 21 is advantageously arranged at the outlet opening of an injection cylinder (not shown).
  • the rotationally symmetrical shear mandrel 7 is part of the mold and arranged in the lower tool part 2 and is driven by a drive pin 15 which projects through the press table 1 into the lower tool part 2.
  • An annular shear gap 16 for the mass flow j is formed by a shear cylinder sleeve 8 arranged in the upper tool part 5 and the shear mandrel 7. With this arrangement, a rotation occurs when the shear mandrel 7 rotates. tere heating immediately before the entry of the mass flow j into the mold cavity formed as a mold cavity 13.
  • the heating of the elastomer mass takes place only during its advance into the mold cavities from a temperature that does not cause substantial crosslinking to a temperature in which material is almost completely crosslinked, essentially within the work cycle sequence, so that in the work cycles following injection in the waiting position, do not pre-cross-link the elastomer materials entering the mold cavity during the next cycle to the extent that irreversible damage occurs, or that they form weld line defects or already cross-link to the walls of the device.
  • the speed of the shear mandrel can be briefly adapted to the desired temperature increase by changing the speed, the speed of the shear mandrel also being in the phases of the work cycle when the material is at a standstill is reduced to zero.
  • the predetermined - possibly variable - target material temperature is maintained by means of a corresponding control circuit and a corresponding change in the speed of the shear element by comparison of the target and actual values.
  • thermocouple 23 is arranged in a ceramic embedding 24 in the immediate vicinity on the mold side, and the sprue channels 14 are preferably arranged in the lower tool part 2. The thermocouple extends almost into the center of the flow cross-section, since this area is the most representative for the measurement.
  • the distance between the mandrel and the wall is increased in the direction of the enlarged mandrel diameter for a constant flow cross section.
  • the major part of the heat transfer takes place because of the increased circumferential (and thus relative speed in the area of the largest mandrel diameter. This is therefore preferably located on the outlet side.
  • the regulation can also take place with an extremely short time constant and thus a maximum outlet temperature are precisely maintained, and the temperature in the shear element will always remain below the crosslinking.
  • the injection unit is arranged in the upper press part 19 in an opening 20, consisting of a shear cylinder sleeve 18 with a rotationally symmetrical and essentially cylindrical shear mandrel 17, which is driven from above.
  • the mass flow enters laterally via a valve 21 into the upper part of the shear cylinder sleeve 18 provided with a funnel-shaped cavity on the inside.
  • the upper part of the shear mandrel 17 is conical and then merges into a cylindrical part.
  • the shear gap 16 is hollow cylindrical in the lower part.
  • No shear mandrel 7 is arranged in the press table 1 and lower tool part 2.
  • the invention is not limited to these exemplary embodiments alone; rather, further variants can be carried out according to the inventive principle set out above.
  • the inventive principle can thus be used both for one-station presses (with shear element in the mold or shear element in the press) and for multi-station (rotary table) presses - also with the respective shear elements in the molds or the shear element as part of the injection unit gregates of the press - can be used.
  • the molding composition leads zuge ⁇ and in a second phase of the working cycle the workpiece away alternately in a first phase.
  • the molding compound is released to the molding compound immediately before it enters the molding cavity or a flow channel leading to it by means of the surface parts of at least one shear element which are affected by shear as a result of the relative movement of its transport path heated.
  • the limit for the vulcanization of rubber is in particular that the temperature of the molding compound after passing through the shear element is below the scorch point. is still so low that there is no crosslinking of the molding material in the region of the flow channel.
  • heating of the mold can be considerably reduced in a number of applications or - with appropriate insulation - heating can largely be dispensed with.
  • the relatively large fluctuations in the heating of the molding composition required in the cyclically operating method can be controlled by regulating the temperature of the Comply with the molding compound emerging from the shear element by measuring the temperature and changing the shear rate as a function of the temperature measured by means of a temperature sensor in the shear region or on the path of the molding compound behind the shear element and within short tolerances.
  • the melt temperature can be measured at the zones relevant to the quality of the part and, given the known crosslinking behavior of the material, the most favorable considering the dwell time of the relevant volume increments
  • the temperature is determined and precisely adjusted by the corresponding speed control of the shear element.
  • the workpieces can be removed from the injection molding device in two ways: Either the workpiece is removed by demolding or by removing the entire mold containing the molding compound to be crosslinked from the injection molding device.
  • the shape can in particular also be supplied in the closed state.
  • the invention allows a low melt temperature all the way from the plasticizing screw (not shown in the drawing) over the flow channel to ' just before the mold nests. A thermal preload on the material is thus avoided.
  • the invention thus enables extremely short heating times even for large-volume, thick-walled parts. Thanks to the exact control of the melt temperature before entering the mold cavity, the mix-specific temperature optimum is maintained consistently and reliably, which leads to high quality consistency. Due to the uniform temperature distribution over the overall 'entire cross section of the molding overheating of the molded part at the surface (reversion) is avoided and da ⁇ quality achieved with a uniformly constant adherence to the material.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiment specified above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown, even in the case of fundamentally different types. It should be noted here that in spraying arrangements in which different molds are successively filled with the crosslinkable molding compound, the working speed can be greatly increased.
  • the cycle times according to the invention relate to the production of a molded part in a mold, including cross-linking. Because the first phase of the work cycle is shorter in time than the following phase, several "subsequent phases" can run in parallel if several forms together with one
  • Injection unit can be used.

Abstract

Im Verfahren zum taktgesteuerten Spritzgießen von Werkstücken aus Elastomeren mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird die Elastomermasse bei diskontinuierlichem Betrieb in der ersten Phase des Arbeitstakts unmittelbar vor ihrem Eintritt in die Formkavität mittels Scherenergie aufgeheizt, wobei eine Temperaturerhöhung von einer auch über mehrere Arbeitstakte keine wesentliche Vernetzung herbeiführenden Temperatur bis zu einer eine nahezu vollständige Vernetzung im Zeitraum des Arbeitstaktes herbeiführenden Temperatur erfolgt und die Massetemperatur geregelt wird. Die Vorrichtung dazu, besteht aus einer ein Werkzeugoberteil (5), ein Werkzeugunterteil (2) und eine Kavität (13) mit Angußkanälen (14) aufweisenden Form, mit einem rotationssymmetrischen Scherdorn (7) im Inneren einer Scherzylinderhülse (8), der mit dieser einen Scherspalt (16) bildet und im Zentrum der Form in unmittelbarer Nähe der Kavität angeordnet ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum taktgesteuerten Spritzgießen von Formteilen aus vernetzbaren Formmassen.
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum taktgesteuerten Herstellen von Formteilen aus vernetzbaren Formmassen, insbesondere solcher mit geringer Wärmeleitfähigkeit, so¬ wie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Als vernetzbare Werkstoffe kommen vorwiegend Elastomere oder Duroplaste in Betracht. Die Vernetzung - so auch die Vulkanisation von Kautschuk zu Gummi - erfordert über eine gewisse Zeitdauer die Einwirkung von Temperaturen, die oberhalb der Vernetzungstemperatur der Moleküle liegen. Dabei können die Temperaturen und die Zeit in weiten Gren- zen variiert werden. Die Temperatur darf bei Kautschuk in der Einspritzphase den sogenannten Scorch-Punkt nicht überscheiten, da sonst der Formwerkstoff irreversibel vor-' geschädigt wird.
Der Werkstoff soll beim Eintreten in die Form möglichst bereits auf die optimale Vernetzungstemperatur aufgeheizt sein, welche in jedem Volumeninkrement zur Erzielung einer hohen Produktivität recht hoch - jedoch zur Vermeidung ei¬ ner Materialschädigung bei Kautschuk sicher unter dem Scorchpunkt liegen soll. Eine Kontrolle der Temperatur des Kautschuks - und insbesondere ein schnelles Aufheizen - ist jedoch wegen dessen geringer Wärmeleitfähigkeit nur schwer möglich. Gerade ein Aufheizen durch Kontaktierung eines Oberflächenbereichs mit einer Heizfläche ist wenig effektiv, da bei dem Versuch, eine größere Wärmemenge kurzfristig zu übertragen, an der Kontaktfläche wegen der erforderlichen Temperaturüberhöhung zwangsläufig der Scorch-Punkt überschritten wird. Außerdem ist bei einigen Werkstoffen, insbesondere Naturkautschukmischungen, eine Überschreitung des optimalen Vernetzungsgrades zu vermei¬ den, da bei weiterer Temperatur-Erhöhung eine Verschlech¬ terung der relevanten technisch-physikalischen Qualitäts¬ parameter wie Dehnung, Festigkeit und Druckverformungsrest eintritt (Reversion genannt) . Ein weiterer negativer Ef- fekt findet vorwiegend bei dickwandigen Formteilen statt: Durch die nach dem Füllen der Kavität durch den Einfluß der hohen Wandtemperatur erfolgenden Wärmeausdehnung der Formmasse tritt an der Formtrennebene und an der Ansprit¬ zung ein Fließen bereits vernetzter Partikel auf. Dieses führt zu Fehlstellen am Formteil ( "Backrinding" genannt).
Diese Gefahren bestehen insbesondere auch bei dem bekann¬ ten Hot-Cone-In ektionsverfahren, bei dem sich auf einem Pressentisch ein Werkzeugunterteil mit einem vom zugeführ¬ ten Formwerkstoff umströmten Zapfen befindet, der eine Heizpatrone in seinem Inneren aufweist und mit ringsherum angeordneten, die Form bildenden, Werkzeugkavitäten verse¬ hen ist, die nach oben zur Düsenseite mit einem Werkzeug¬ oberteil abgeschlossen sind.
Die herkömmlichen allgemein üblichen Spritzgießverfahren für vernetzbare Formmassen weisen außerdem alle eine pro¬ zeßtechnisch bedingte Problematik auf:
Bedingt durch den Verfahrensablauf sind die Inkremente ei- nes Schußvolumens nach dem Ausfüllen der Formkavität ein¬ erseits unterschiedlich stark erwärmt und andererseits ist die Verfahrenszeit zwischen dem Plastifizieren und dem Ausfüllen der Kavitäten, abhängig von der Bauart der In¬ jektionspresse einerseits und vom Weg des Volumeninkremen- tes in der Form andererseits, unterschiedlich lang. Dieses führt dazu, daß der optimale Vernetzungsgrad - als Produkt der Verfahrenszeit und der Temperatur - nicht von allen Volumeninkrementen der Formmasse erreicht wird, sondern viele Inkremente entweder nicht vollständig vernetzt sind oder nach der vollständigen Vernetzung noch weiter der ho¬ hen Prozeßtemperatur ausgesetzt sind, was bei einigen Werkstoffen an diesen Stellen zur Reversion führt, in je¬ dem Falle jedoch eine unnötig lange und damit unwirt¬ schaftliche Zykluszeit erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum taktgesteuerten Spritzgießen von Werkstücken aus vernetzbaren Formmassen mit insbesondere geringer Wärmeleitfähigkeit zu schaffen, wobei ein vorge¬ gebener optimaler Massetemperaturverlauf erreichbar sein soll, der auch bei hoher Taktgeschwindigkeit eine hohe Produktqualität erreicht und die Nacharbeit am fertigge¬ stellten Produkt weitgehend vermieden werden kann.
Die Erfindung schließt die generelle Erkenntnis ein, daß mittels Scherwirkung und der dadurch erzeugten inneren Reibung relativ große Wärmemengen kurzfristig für einen definierten Zeitbereich in eine For masse übertragen wer¬ den können, so daß das die Form ausfüllende Volumen homo¬ gene Vulkanisationseigenschaften erhält. Dabei ist wegen dem über einen kurzen Transportweg definiert einstellbaren Temperaturverlauf eine hohe Taktgeschwindigkeit und damit ein großer Materialdurchsatz möglich. Die Wärmezufuhr kann auch kurzfristig ausgesetzt werden, so daß zwischen den Taktzyklen, in denen keine Zufuhr des Werkstoffs in die Formkavitäten erfolgt, keine eine wesentliche Vernetzung herbeiführende Temperaturerhöhung erfolgt. Damit ist ein¬ erseits ein Anvernetzen des Werkstoffs in den Zufüh¬ rungskanälen zur Formkavität verhindert und andererseits auch die Gefahr des Auftretens sogenannter "Bindenahtfeh- 1er" herabgesetzt. Die Temperaturerhöhung kann bevorzugt auch bis dicht unterhalb des Scorchpunktes erfolgen, da bei der erfin-- dungsgemäßen Lösung Materialschädigungen nicht zu be¬ fürchten sind, welche sonst durch erhöhte Wandtempe- raturen bedingt sind, die zur Beschleunigung des Wärmeübergangs gewählt werden müssen. Da die zur Vernet¬ zung erforderliche Temperatur weniger durch einen solchen Wärmeübergang als durch hohe Massetemperatur erreicht wird, kann die Beheizung der Form gegebenenfalls auf die Erhaltung der Massetemperatur, d.h. auf den Ersatz der Verlustwärme beschränkt werden.
Bei herkömmlichen Spritzgießverfahren wird zusätzlich zur Temperaturerhöhung durch Wärmeübergang aus der heißen Form- innenwand eine Massetemperaturerhöhung durch Einschnürung der Fließkanäle und die hierdurch entstehende Friktion er¬ reicht.
Dieses Konstruktionsmerkmal einer Spritzgießform hat den Nachteil, daß eine gesteuerte optimale Wärmezufuhr zur Er¬ reichung der optimalen Temperatur eines jeden Inkrements des Werkstückvolumens nicht möglich ist. Durch die Ein¬ schnürung der Fließkanäle ergibt sich zudem ein erhöhter Gegendruck und eine Erhöhung der Einspritzarbeit bei ver- längerter Einspritzzeit. Die Einschnürung läßt nur die Verarbeitung hinreichend homogener viskoser Massen zu und schließt beispielsweise die Verwendung von Gummimehl als Füllstoff aus.
Bei dem hier vorgestellten Verfahren ist eine Verengung der Fließkanäle nicht erforderlich. Die Formmasse hat nach Verlassen des Scherelementes bereits durch die hohe Tempe¬ ratur eine niedrige Viskosität und kann ohne Überwindung eines Druckverlustes an der Einschnürstelle - was sich po¬ sitiv auf die Qualität der Bindenähte auswirken würde - mit hoher Fließgesc windigkeit in die Kavität einströmen. Die Verwendung von Gummimehl als Füllstoff ist bei hoher Zyklusgeschwindigkeit möglich, wodurch die Möglichkeit des Recyclen von Elastomeren erheblich verbessert wird.
Wenn - entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung - bei rotationssymmetrischer Ausgestaltung des als Konus ausgebildeten Scherelements, letzteres einen sich in Richtung auf die Form erweiternden Querschnitt auf¬ weist r lassen sich die Zuführungskanäle zu d'en Formkavitä- ten besonders kurz halten. Dabei ist der Abstand zwischen- Wandung und Konus mit zunehmendem Durchmesser derart ver¬ ringert, daß sich ein im wesentlichen konstanter Fließ- guerschnitt ergibt. Wenn die Antriebsvorrichtung für das Scherelement und die Zuführvorrichtung für die Elastomer- masse an derselben Seite der Form angeordnet sind, verein¬ facht sich die Zu- und Abfuhr der mit der Elastomermasse zu beschickenden Formen.
Bei einer bevorzugten Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des hier dargestellten Verfahrens zur Massetemperatursteuerung beim Spritzgießen von Formmassen mit geringer Wärmeleitfähigkeit als Mehrstationenspritz- gießmaschine tritt nach dem Zuführen der Formen an das Einspritzaggregat die plastifizierte Formmasse in einen Scherspalt ein und wird dort vor Eintritt in die Formne-- ster durch Scherenergie in Verbindung mit einer Temperie- rung des Scherdornes und der Scherzylinderhülse aufge¬ heizt, wobei durch eine in dem Scherspalt abgegebene Lei¬ stung Ps eine schnelle Aufheizung des Massestromes j = ς • i von einer vorher möglichst niedrigen Masse- temperatur auf Maximaltemperatur Tmaχ in unmittelbarer Nä¬ he der Formnester erfolgt und die Massetemperatur nach Verlassen des Scherspaltes gemessen und die Scherdornum¬ fangsgeschwindigkeit Uo derart verändert wird, daß die Massetemperatur den vorher eingestellten, jeweils optima- len Wert erhält.
Die Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens besteht aus einer zwischen dem Pressentisch und dem Pressenoberteil angeordneten, ein Werkzeugoberteil, ein Werkzeugunterteil und eine Kavität mit Angußkanälen aufweisenden Form, mit einem rotationssymmetrischen Scherdorn im Inneren einer Scherzylinderhülse, der mit dieser einen Scherspalt bildet und im Zentrum der Form in unmittelbarer Nähe der Kavität angeordnet ist. Ein Antrieb sorgt in Verbindung mit einer zugehörigen Steuereinrichtung für dessen Rotation im Inne¬ ren dieser Scherzylinderhülse mit einer bestimmten Lei¬ stung. Durch einen in der Steuereinrichtung enthaltenen Drehzahl- bzw. Scherdornumfangsgeschwindigkeitsregler wird die Scherarbeit in der Weise gesteuert, daß dem Tempera- turprofil der in den Scherspalt eintretenden Formmasse ei¬ ne dosierte Temperaturerhöhung überlagert wird, und zwar in dem Maße, daß sich für jedes Inkrement des Einspritzvo¬ lumens eine unter Berücksichtigung der Verfahrenszeit zwi¬ schen Plastifizieren und Entnahme aus der Form (Verweilzeit) optimale Temperatur einstellt. Bei einer bevorzugten Variante der Vorrichtung ist zur Massetemperatursteuerung beim Spritzgießen von Formmassen mit geringer Wärmeleitfähigkeit der rotationssymmetrische Scherdorn im Zentrum als Bestandteil der Form in deren Werkzeugunterteil angeordnet und wird von einem Antriebs¬ zapfen angetrieben; der durch den Pressentisch hindurch in das Werkzeugunterteil ragt.
In einer anderen vorteilhaften Variante befindet sich im Pressenoberteil in einer Öffnung das Einspritzaggregat, bestehend aus einer Scherzylinderhülse mit rotationssym¬ metrischem Scherdorn, der Bestandteil der Presse ist.
Beim Spritzgießen von vernetzbaren Formmassen • kommt es durch die Einspritzarbeit WE zu einer Temperaturerhöhung ΔT-L nach der Formel:
Figure imgf000010_0001
Hierbei sind neben der Einspritzarbeit E , auch die spe¬ zifische Wärmekapazität cw und die Dichte c der Formmasse m mit dem Volumen Vo von Einfluß. So kommt es bei einem bestimmten Massestrom j = c • i = m/tE , d.h. bei einer Formmasse mit einem Einspritzvolumen VE in der Ein- spritzzeit tE, durch die Antriebsleistung P zur Tem¬ peraturerhöhung ΔT2.- die durch Scherung aufgebracht werden soll:
ΔT2 = P /(cw • ς • i) (2)
mit dem Volumenstrom i = vE/tE (3) und mit der Dichte c = m/VE (4)
Bei einer Drehzahl n eines kegelförmigen rotationssymme¬ trischen Scherdornes, der in halber Höhe den Durchmesser d und eine Länge 1 aufweist und zusammen mit der Zylinder¬ hülse den Scherspalt s mit der dynamischen Viskosität η bildet, läßt sich das Drehmoment Md und daraus die durch die Scherung abgegebene Leistung Ps ermitteln:
Md = FR • d/2 [in Nm] (6)
mit der inneren Reibungskraft FR = (AM • üo • η)/s (7)'
mit der Kegelmantelfläche AM = π « d « / d2 + l2 (8)
bzw. der Zylindermantelfläche AM = π • d • 1 (9)
mit der Umfangsgeschwindigkeit U0 = π • d • n (10)
Bei der Scherung mittels Mantelfläche ergibt sich das Drehmoment Md für einen Kegel bei 1 > d näherungsweise und für einen Zylinder exakt zu:
Md = π ' d' * λ ' "■ ' uo [Nm] (11) 2 s
P S = FR • Uo = [Md/(d/2)] • ιτ • d • n (12)'
mit der einzusetzenden Drehzahl n in U/min gilt: Ps = Md ' n [kW] (13)
9549
Nach dem Einsetzen der Gleichungen in (2) ergibt sich für P = Ps bei gleichbleibendem Drehmoment Md, daß die Temperaturerhöhung ΔT2 direkt proportional zur Drehzahl n ist.
Durch die Änderung der Drehzahl des Scherdornes kann somit verzögerungsfrei das Temperaturprofil der Formmasse den. Erfordernissen Spritzgießverfahrens weitestgehend angepaßt werden. So kann beispielsweise die vordere Fließfront nur mäßig erhitzt werden, damit das die Vernetzung bestimmende Produkt von Zeit und Temperatur trotz längerer Verweildau- er des ersten Werkstoffs in den Formnestern ein vorgebba¬ res Optimum erreicht. Hierdurch wird gleichzeitig er¬ reicht, daß die Bindenaht, die sich bei spezieller Formen¬ geometrie durch das Zusammentreffen der vorderen Flie߬ front ergibt, aus noch nicht vernetztem Material gebildet wird und somit eine gute Bindung durch Zusammenfließen der Fließfronten ermöglicht ist.
Die Erhitzung erfolgt diskontinuierlich im Arbeitstakt, wobei die Formmasse durch einen Extruder in das Innen- volumen eines Spritzzylinders geführt und durch den Kolben¬ taktweise - wie benötigt - in den Scherkopf ausgestoßen wird. Die vorher relativ niedrige Massetemperatur wird dabei im Falle von Kautschuk auf eine gleichmäßig ver¬ teilte kurz unter dem Scorch-Punkt liegende Maximaltem- peratur gebracht, so daß sich eine Aufheizung durch heiße Formwände erübrigt bzw. nur noch im geringen Maße erfor¬ derlich wird und eine gleichmäßige Vernetzung einsetzt. Beim herkömmlichen Verfahren wirkt nach dem Ausfüllen der Formkavität die heiße Forminnenwand auf die noch relativ kühle unvernetzte Formmasse ein, während der volle Formin¬ nendruck ansteht. Dieses führt zu einer Viskositätsabsen- kung insbesondere in den Bereichen dünner Spalte, z.B. in der Formtrennebene, und damit zur Bildung von Austrieb (sogenannter Schwimmhaut). Beim hier vorgestellten Verfah¬ ren, bei dem auf Wärmeübertragung aus der Forminnenwand weitgehend verzichtet werden kann und bei relativ geringe- rer Forminnenwandtemperatur und hoher Massetemperatur ge¬ arbeitet werden kann, tritt dieser Effekt nicht auf, zumal die Massetemperatur nahe am Vernetzungspunkt liegt und ei¬ ne weitere Erwärmung in der Formentrennebene zur Vulkani¬ sation und damit zu einer sofortigen Viskositätserhöhung führt. Hierdurch wird austriebsarmes Spritzgießen ermög¬ licht. Die Scherdornumfangsgeschwindigkeit wird dazu so geregelt, daß in den Pausen zwischen den Einspritzvorgän¬ gen ein hinreichend niedriges Temperaturniveau gehalten wird.
Ein unmittelbar vor dem Scherdorn angeordnetes Ventil ver¬ hindert ein Nachlaufen von kalter Formmasse. Die durch ei¬ nen Verschluß (vorzugsweise einem Bajonettverschluß) ver-. schließbaren Formen werden vorgeheizt dem Einspritzaggre- gat zugeführt.
Vorteilhaft ist insbesondere auch die mit der Erfindung erzielte kurze Erhitzungsstrecke, da dort mit kleiner Zeitkonstante geregelt werden kann. Zweckmäßigerweise wird dafür ein Thermoelement als Temperaturfühler und ein Dreh¬ zahlregler für den Scherdorn eingesetzt. Hierbei' ann auch die Auswirkung unterschiedlicher Viskostiät des einflie¬ ßenden Formmasse, die zu unterschiedlicher Erwärmung bei gleicher Drehzahl führt ausgeregelt werden. Über eine Steuereinrichtung werden dabei die Sollwerte für die Maximaltemperatur Tmaχ vorgegeben.
Besonders günstig ist es auch, wenn das Volumen des Scher-' bereichs, als derjenige Bereich, in dem in der ersten Phase des Arbeitstaktes eine Erhitzung der Formmasse er- folgt, kleiner oder gleich ist dem Volumen der Fließkanäle ist, da auf diese Weise sichergestellt ist, daß vorerwärm¬ tes Material, in dem die Vernetzung bereits angelaufen ist, in den Fließkanälen verbleibt und damit als Abfallma¬ terial entfernt werden kann. Damit ist einerseits die Abfallmenge klein gehalten und andererseits dafür gesorgt, daß die Formmasse im nächsten Arbeitstakt nicht unkon¬ trolliert vorvernetzt ist und somit insbesondere die zum Übergang in die Form notwendigen Eigenschaften des Werk¬ stoffs in die Form nicht beeinträchtigt' sind.
Um eine Anvernetzung des zwischen den Arbeitstakten im Scherspalt verbleibenden Formmassevolumens zu verhindern, werden die Scherhülsen und/oder der Scherdorn gekühlt. Diese Weiterbildung des Verfahrens hat den weiteren Vor- teil, daß insbesondere bei niedrig viskosen Formmassen die Viskosität im Wandbereich des Scherspaltes erhöht wird und damit die Scherarbeit erhöht wird, so daß auch bei niedrig viskosen Massen der Regelbereich der Scherdorndrehzahl für eine ausreichende Temperaturerhöhung ausreicht.
Durch die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens ist es , insbesondere bei der Gummiherstel- lung, sogar möglich, der Formmasse Anteile von Gummimehl zuzsetzen, so daß auf diese Weise bei der Neuproduktion ein Recycling von Gummi möglich ist, welches aus Altstof¬ fen stammt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen für das erfindungsge¬ mäße Verfahren sind in einer weiteren, gleichzeitig eingereichten Anmeldung derselben Inhaberin dargestellt.
Nachfolgend werden - folgend auf die Beschreibung einer Lösung entsprechend dem Stand der Technik - verschiedene Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zu Durchführung des gattungsgemäßen Verfahrens in verschiedenen Varianten be¬ schrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Figur la eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik • in Schnittdarstellung,
Figur lb eine Draufsicht auf das in der Trennebene ge- schnittene Werkzeugunterteil gemäß Figur la,
Figur 2a eine erste Variante eines bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Scherdorn im Werkzeugunterteil in Schnittdarstellung,
Figur 2b eine Draufsicht auf das in der Trennebene ge¬ schnittene Werkzeugunterteil gemäß Figur 2a,
Figur 3a eine zweite bevorzugte Variante der erfindungs- gemäßen Vorrichtung mit Scherdorn im Werkzeugoberteil in Schnittdarstellung, Figur 3b eine Draufsicht auf das in der Trennebene ge¬ schnittene Werkzeugunterteil nach der zweiten Variante gemäß Figur 3a.
Bevor die Erfindung näher erläutert . wird, soll zunächst- zum Vergleich das sogenannte "Hot-Cone-Injections-Ver- fahren" näher erläutert werden. Die Vorteile der daran anschließend zu beschreibenden Erfindung werden damit noch deutlicher. In den Figuren la und b ist eine ent- sprechende Vorrichtung nach dem Stand der Technik dar¬ gestellt.
Auf einem - in der Zeichnung nicht wiedergegebenen - Pres¬ sentisch befindet sich ein Werkzeugunterteil 2 'mit einem Zapfen 3, der eine Heizpatrone 4 in seinem Zentrum auf¬ weist, und darüber ein Werkzeugoberteil 5. In der Trenn¬ ebene 6 zwischen Werkzeug-Ober-und Unterteil 5 und 2 befinden sich sternförmig von innen nach außen verlaufende Angußkanäle 14. Im Werkzeugoberteil 5 ist ein Hohlzylinder 8 mit Heizbändern 9 an seiner Außenoberfläche und mit' luftgefülltem Außenraum 10 sowie mit kegelförmigem In¬ nenraum 11 eingebracht, in den der Zapfen 3 ragt, wodurch ein Ringkanal 12 für den Massestrom j gebildet wird. Durch dieses AngußSystem erfolgt eine weitere Aufhei- zung unmittelbar vor dem Eintritt des Massestromes in die als Formnester 13 ausgebildete Werkzeugkavität.
Beim Spritzgießen von vernetzbaren Formmassen ist bereits für das Einspritzen eines Volumens von VQ = l cm3 bei ei- nem Einspritzdruck von 2000 bar eine Einspritzarbeit von
WE = 20000 Nem erforderlich, was bei einer spezifischen Wärmekapazität cw = 2 J/g°C und bei einer Dichte ς = 1,25 g/cm3 der Formmasse m zu einer Temperaturerhöhung ΔTj_ = 80"C nach der Formel (1) führt. So wird bei einer Einspritztemperatur von 80°C durch Einspritzarbeit die Massetemperatur auf 160°C erhöht. Ausgehend von dieser Vorerwärmung soll nun die Formasse möglichst hoch auf die Vernetzungstemperatur erhitzt werden, wobei bei Kautschuk die Scorch-Temperatur nicht überschritten werden darf, da dies eine schlagartige Vernetzung und damit eine irrever- sible Vorschädigung des Werkstoffs zur Folge hätte.
Bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik erfolgt da¬ gegen die gesamte Wärmeübertragung während der ersten Pha¬ se des Arbeitstakts, in der das Material -zugeführt wird', durch die Oberfläche eines "Hot Cones".-Da die Formmasse schlecht wärmeleitend ist, bedingt die Zufuhr einer nen¬ nenswerten Wärmemenge in kurzer Zeit eine große Übertempe¬ ratur an der Konusoberfläche, welche vom Werkstoff nicht vertragen wird. Die benötigte Wärmemenge muß daher ver- hältnismäßig langsam übertragen werden. Wird eine Erhöhung der Arbeitstaktfrequenz angestrebt, so müßte bei der Aus¬ führung nach dem Stand der Technik die mit der Vorerwär¬ mung erzielte Temperatur heraufgesetzt werden.. Damit würde aber eine wesentliche Vernetzung schon vorzeitig einset- zen, welche sich auch über Zeiten des Entformens der Werk¬ stücke fortsetzt, so daß sich der bereits vorher vorer¬ wärmte Werkstoff nicht mehr einwandfrei verarbeiten läßt.
Eine erste Ausführung der bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im
Schnitt in einer ersten Variante in Figur 2a gezeigt.- (Zur Erleichterung der Übersicht werden für übereinstimmende Details dieselben Bezugszeichen verwendet wie in der vorangehenden Darstellung. )
Auf einem - ebenfalls nicht näher dargestellten - Pressen¬ tisch befindet sich eine Form, bestehend aus einem Werk¬ zeugunterteil 2 mit einem drehbaren kegelförmigen rota¬ tionssymmetrischen Scherdorn 7 in dessen Zentrum und mit Formnestern 13, die nach oben zur Düsenseite mit einem Werkzeugoberteil 5 abgeschlossen sind, in das ebenfalls Formnester 13 eingearbeitet sein können. In der Trennebene 6 zwischen Werkzeug-Ober- und Unterteil 5 und 2 befinden sich sternförmig von innen nach außen zu den Formnestern' 13 hin verlaufende Angußkanäle 14, welche in Figur 2b sichtbar sind.
In der Figur 2a ist außerdem oberhalb der Form ein an den kegelförmigen Innenraum der Scherzylinderhülse 8 mündendes Ventil 21 gezeigt, womit bei Bedarf ein Nachlaufen von Formmasse verhindert werden kann. In vorteilhafter Weise ist das Ventil 21 an der Austrittsöffnung eines nicht mit dargestellten Einspritzzylinders angeordnet.
Der rotationssymmetrische Scherdorn 7 ist Bestandteil der Form und im Werkzeugunterteil 2 angeordnet und wird von einem Antriebszapfen 15 angetrieben, der durch den Pres¬ sentisch 1 hindurch in das Werkzeugunterteil 2 ragt. Durch eine im Werkzeugoberteil 5 angeordnete Scherzylin¬ derhülse 8 und den Scherdorn 7 wird ein ringförmiger Scherspalt 16 für den Massestrom j gebildet. Durch diese Anordnung erfolgt bei Rotation des Scherdornes 7 eine -wei- tere Aufheizung unmittelbar vor dem Eintritt des Masse¬ stromes j in die als Formnester 13 ausgebildete Formkavi- tät.
Mittels der Erfindung wird es ermöglicht, die Formmasse beim Eintreten in die Formnester bereits auf die optimale
Vulkanisationstemperatur aufzuheizen. So kommt es bei einer Antriebsleistung für den Scherdorn 7 von P = 1 kW
= lkJ/sec und bei einem Volumenstrom i = 66,66 cmVsec (beispielsweise beträgt die Einspritzzeit tE = 15 sec und das Einspritzvolumen VE - 1000 cm3), bei einer Dichte- ς = 1,25 g/cm3 und bei einer spezifischen Wärmekapazität cw.= 2,24 J/g °C nach Gleichung (2) zur weiteren Tem¬ peraturerhöhung von ΔT2 = 5,36 °C.
Dabei erfolgt die Erwärmung der Elastomermasse nur während ihres Vortriebs in die Formkavitäten von einer Temperatur, welche eine wesentliche Vernetzung nicht bewirkt, auf eine Temperatur, in der Werkstoff im wesentlichen innerhalb der Arbeitstaktsequenz nahezu vollständig vernetzt, so daß in den auf das Einspritzen folgenden Arbeitstakten die beim nächsten Zyklus in die Formkavität gelangenden Elastomer¬ massen in ihrer Wartestellung nicht soweit vorvernetzen, daß eine irreversible Schädigung entsteht, oder daß sie Bindenahtfehler bildet bzw. bereits an Wandungen der Vor¬ richtung anvernetzt.
Die Drehzahl des des Scherdorns läßt sich der erwünschten Ter peraturerhöhung durch Wechsel der Drehzahl kurzfristig anpassen, wobei in den Phasen des Arbeitstaktes bei Werk¬ stoffstillstand auch die Geschwindigkeit des Scherdorns auf Null herabgesetzt wird. In den Phasen des Werkstoff¬ vorschubs wird die vorgegebenen - gegebenenfalls veränder¬ liche - Werkstoffsolltemperatur mittels entsprechenden Re¬ gelschaltung und eine entsprechende Veränderung der Dreh- zahl des Scherelements durch Soll-Istwert-Vergleich einge¬ halten.
Wens. P = 1 kW die Formmasse um ΔT2 = 5,36 °C erwärmt, dann läßt-sich die erforderliche Leistung Pιoo 0C, die eine Tem- peraturerhöhung um ΔT = 100 oC bewirkt, nach Gleichung (14) ermitteln:
p loo°C/ P = T/ ΔT2 . (14)
P1OOOC = (100°C • 1 kW)/ 5,36 °C = 18,7 kW (15)
Diese Leistung soll durch Scherung aufgebracht werden. Bei einer Drehzahl n = 500 Umdrehungen pro min eines kegelför¬ migen rotationssymmetrischen. Scherdornes 7, der in halber Höhe den Durchmesser d = 40 mm und eine Länge 1 = 100 mm aufweist und zusammen mit der Scherzylinderhülse 8 den Scherspalt 16 mit einer Breite s = 0,7 mm bildet, mit ei¬ ner dynamischen Viskosität η = 1 • 103 N sec/m2, läßt sich nach Gleichung (11) das Drehmoment zu Md = 375 Nm und. daraus nach Gleichung (13) die durch die Scherung abgege¬ bene Leistung Ps = 19,6 kW ermitteln. Die oben angegebe¬ nen Werte erwärmen die Formmasse auf ca. T = 105 °C , denn wegen Umstellung der Gleichung (14) gilt (16):
T = (Ps • ΔT2)/ P (16) In der geschlossenen Presse ist auf der Formseite eine Re¬ gelung der lokalen Erhitzung mit kurzer Zeitkonstante in unmittelbarer Nähe der Formnester entsprechend der durch die Steuereinrichtung vorgegebenen einstellbaren optimalen Werte vorgesehen. Auf der Formseite ist dazu ein Thermo¬ element 23 in einer Keramikeinbettung 24 in unmittelbarer Nähe, der Angußkanäle 14 vorzugsweise im Werkzeugunterteil 2 angeordnet. Das Thermoelement ragt nahezu in das Zentrum des Fließquerschnitts hinein, da dieser Bereich für die Messung am repräsentativsten ist.
Bei der dargestellten konischen Ausführung des Scherdorns ist für konstanten Fließquerschnitt der Abstand zwischen Dorn und Wandung in Richtung des vergrößerten Dorndurch- messers heraufgesetzt. Damit erfolgt der wesentliche Teil des Wärmeübergangs wegen der erhöhten Umfangs- (und damit Relativ-Geschwindigkeit im Bereich des größten Dorndurch¬ messers. Dieser befindet sich daher bevorzugt auf der Aus¬ trittsseite. Hierdurch kann die Regelung auch mit äußerst kurzer Zeitkonstante erfolgen und somit eine maximale Aus¬ trittstemperatur präzise eingehalten werden. Im Scherele¬ ment wird die Temperatur immer unterhalb der Vernetzung bleiben.
In einer zweiten Variante einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die in Fig.3a im Schnitt gezeigt ist, ist im Pressenoberteil 19 in einer Öffnung 20 das Einspritzag¬ gregat angeordnet, bestehend aus einer Scherzylinderhülse 18 mit rotationssymmetrischen und im wesentlichen zylin- drischen Scherdorn 17, welcher von oben angetrieben wird. Der Massestrom tritt seitlich über ein Ventil 21 in den oberen Teil der innen mit einem trichterförmigen Hohlraum versehenen Scherzylinderhülse 18 ein. Der obere Teil des Scherdorns 17 ist kegelförmig und geht dann in einen zy- lindrischen Teil über. Der Scherspalt 16 ist im unterem Teil hohlzylinderförmig.
Im Pressentisch 1 und Werkzeugunterteil 2 ist dabei kein Scherdorn 7 angeordnet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele allein beschränkt, vielmehr sind nach dem oben dargelegten erfinderischen Prinzip wei¬ tere Varianten ausführbar.
Das erfinderische Prinzip kann somit sowohl für Einstatio- nenpressen (mit Scherelement in der Form oder Scherelement in der Presse) als auch für Mehrstationen-(Rundtisch-) Pressen - auch hier mit den jeweiligen Scherelementen in den Formen oder dem Scherelement als Teil des Einspritzag¬ gregates der Presse - eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches sich der zuvor' beschriebenen Vorrichtungen bedient, wird abwechselnd in einer ersten Phase des Arbeitstaktes die Formmasse zuge¬ führt und in einer zweiten Phase des Arbeitstaktes das Werkstück entfernt. Die Formmasse wird bei diskontinuier¬ lichem Betrieb in der ersten Phase des Arbeitstakts unmit¬ telbar vor ihrem Eintritt in die Formkavität oder einem zu dieser führenden Fließkanal mittels der durch Scherung infolge Relativbewegung von ihren Transportweg tangieren- den Flächenteilen mindestens eines Scherelements an die Formmasse abgegebene Scherenergie erhitzt. Beim Passieren des Scherelements durch die Formmasse erfolgt eine Tempe¬ raturerhöhung von einer auch über mehrere Arbeitstakte keine wesentliche Vernetzung herbeiführenden Temperatur bis zu einer eine vollständige oder nahezu vollständige Vernetzung im Zeitraum des Arbeitstaktes herbeiführenden Temperatur. Auf diese Weise wird die Eindringfähigkeit der für die nachfolgende Formkavität bestimmten Werkstoffvo¬ lumens zum unbeeinträchtigten Eintreten in die Form im nachfolgenden Arbeitstakt voll erhalten, während das vorangehende Volumen im Interesse einer großen Arbeits¬ geschwindigkeit so hoch wie möglich erhitzt werden konnte, weil insbesondere in der zweiten Phase des Arbeitstakts keine wesentliche Erwärmung der in der ersten Phase des nachfolgenden Arbeitstakts in die Formkavität gelangenden Formmasse erfolgte.
Als Grenze gilt dabei für die Vulkanisation von Kautschuk insbesondere, daß die Temperatur der Formmasse nach dem Passieren des Scherelements unterhalb des Scorch-Punktes. noch derart niedrig ist, daß kein Anvernetzen der Form¬ masse im Bereich des Fließkanals vorkommt.
Durch die relativ große taktweise Erhitzung der Formmasse kann bei einer Anzahl von Anwendungsfällen sogar eine Be- heizung der Form erheblich reduziert oder - bei entspre¬ chender Isolierung - auf eine Beheizung weitgehend ver¬ zichtet werden.
Die bei dem taktweise arbeitenden Verfahren erforderlichen relativ großen Schwankungen bei der Beheizung der Form¬ masse lassen sich durch eine Regelung der Temperatur der aus dem Scherelement austretenden Formmasse durch Messung der Temperatur und Veränderung der Schergeschwindigkeit in Abhängigkeit von der mittels eines Temperaturfühlers im Scherbereich oder auf dem Weg der Formmasse hinter dem Scherelement gemessenen Temperatur kurzfristig und in engen Toleranzen einhalten.
Darüberhinaus kann bei Beginn der Fertigung eines Formtei¬ les durch Einbau von mehreren Temperaturfühlern in eine Kavität die Massetemperatur an den für die Qualität des Teiles relevanten Zonen gemessen werden und, bei bekanntem Vernetzungsverhalten des Werkstoffes, die in Anbetracht der Verweilzeit der relevanten Volumeninkremente günstig¬ ste Temperatur ermittelt und durch entsprechende Drehzahl- Steuerung des Scherelementes exakt eingestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Entfernen der Werkstücke von der Spritzgießvorrichtung auf zweierlei Art und Weise erfolgen: Entweder wird das Entfernen des Werk- Stücks durch Entformen oder aber durch Entfernen der ge¬ samten die zu vernetzende Formmasse enthaltenden Form von der SpritzgießVorrichtung vorgenommen. Hierbei kann ins¬ besondere die Form jeweils auch schon in geschlossenem Zustand zugeführt werden.
Beim Wechseln der Form können neben kraftschlüssiger Zu¬ haltung der oberen und unteren Formenhälfte in Mehr¬ stationen-(Rundtisch-)Pressen auch Anlagen eingesetzt wer¬ den, in denen eine formschlüssige Zuhaltung (z.B. durch Bayonettverschluß) erfolgt. Hierbei sind getrennte Ar¬ beitsschritte möglich, in der Weise, daß zyklisch im er- sten Schritt die Formen geschlossen werden, im zweiten- Schritt der Einspritzvorgang erfolgt, im dritten Schritt die Form während der Vernetzung geschlossen bleibt und im vierten Schritt die Form geöffnet, das Formteil entnommen und die Form gesäubert wird. Da sich mehrere Formen im Um¬ lauf befinden, wird die Taktzeit durch den längsten Teil- zyklus vorgegeben. Da nunmehr der Zyklus "Vernetzung", welcher bisher üblicherweise die Taktzeit bestimmt, durch die hohe Massetemperatur erheblich verkürzt ist, wird die Gesamtausstoßmenge der Mehrstationenanlage durch das hier dargestellte Verfahren erheblich verkürzt - insbesondere für großvolumige Teile.
Die Erfindung gestattet eine niedrige Massetemperatur auf dem gesamten weg von der (in der Zeichnung nicht darge¬ stellten) Plastifizierschnecke über den Fließkanal, bis' kurz vor die Formnεster. Somit wird eine thermische Vorbe¬ lastung des Materials vermieden.
,Erst kurz vor den Formnestern wird durch die Scherung wäh¬ rend des Zuführens schnellstmöglich die Massetemperatur auf Maximaltemperatur erhöht, was eine frühzeitig einset¬ zende Vernetzung verursacht. Dadurch wird die Neigung zur Schwimmhautbildung erheblich reduziert.
Die Erfindung ermöglicht damit auch bei großvolumigen dickwandigen Teilen extrem kurze Heizzeiten. Durch die exakte Steuerung der Massetemperatur vor dem Eintritt in das Formnest wird das mischungsspezifische Temperaturop- timum konstant und zuverlässig eingehalten, was zu einer hohen Qualitätskonstanz führt. Durch die gleichmäßige Temperaturverteilung über den ge-' samten Querschnitt des Formteils wird eine Überhitzung des Formteiles an der Oberfläche (Reversion) vermieden und da¬ mit eine gleichförmig konstante Einhaltung der Material- qualität erreicht.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei- spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Hierbei ist zu beachten, daß sich bei Spritzanordnungen, bei denen nacheinander verschiedene Formen mit der vernetzbaren Formmasse gefüllt werden, die Arbeitsgeschwindigkeit stark erhöht werden kann. Die Taktzeiten nach der Erfindung be¬ ziehen sich dabei auf das Erzeugen jeweils eines Formteils in einer Form, einschließlich Vernetzung. Dadurch, daß die erste Phase des Arbeitstakts zeitlich kürzer ist als die folgenden Phase, können also mehrere "nachfolgende Phasen" parallel ablaufen, wenn mehrere Formen zusammen mit einem
Spritzaggregat verwendet werden.
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Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum taktgesteuerten Spritzgießen von Form- teilen aus vernetzbaren Formmassen, insbesondere solchen mit geringer Wärmeleitfähigkeit, zum Vernetzen in eine Form, wobei abwechselnd in einer ersten Phase des Arbeits¬ taktes die Formmasse der Formkavität zugeführt und in ei¬ ner späteren Phase des Arbeitstaktes das fertige Formteil entfernt wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
daß die Formmasse bei diskontinuierlichem Betrieb in der- ersten Phase des Arbeitstakts unmittelbar vor ihrem Ein¬ tritt in die Formkavität oder einem zu dieser führenden Fließkanal mittels der durch Scherung infolge Relativbewe¬ gung von ihren Transportweg tangierenden Flächenteilen mindestens eines Scherelements an die Formmasse abgegebene Scherenergie erhitzt wird, wobei beim Passieren des Scher¬ elements durch die Formmasse eine Temperaturerhöhung von einer auch für einen über mindestens zwei erste Phasen des Arbeitstakts andauernden Zeitraum keine wesentliche Ver¬ netzung herbeiführenden Temperatur bis zu einer eine voll- ständige oder nahezu vollständige Vernetzung während eines Arbeitstaktes herbeiführenden Temperatur erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -' k e n n z e i c h n e t , daß in der zweiten Phase des
Arbeitstakts im Scherbereich keine wesentliche Erwärmung der in der ersten Phase des nachfolgenden Arbeitstakts in die Formkavität gelangenden Formmasse erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e e n n z e i c h n e t , daß die Tem¬ peratur der Formmasse nach dem Passieren des Scherelements knapp unterhalb des Scorchpunktes liegt sowie unterhalb der Temperatur, bei der an den Zusammenfluß-Stellen der Formmasse Bindenahtfehler entstehen.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Tem- peratur der Forminnenwand nicht wesentlich über der Tempe¬ ratur der Formmasse - inbesondere des heißesten Volumenin- krements - bei Eintritt in die Kavität gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Regelung der Temperaturerhöhung der aus dem Scherelement austretenden Formmasse durch Messung von deren Temperatur und entsprechender Veränderung der Geschwindigkeit der Relativbewegung des Scherelements erfolgt bzw. der Ge¬ schwindigkeit des Vorschubs der Formmasse erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Messung der Ausgangs¬ temperatur der Formmasse mittels eines vor dem Scherbe¬ reich liegenden Temperaturfühlers, erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Messung der Temperatur hinter dem Scherelement mittels eines im Scherbereich oder um eine geringe Distanz versetzt. hinter dem Scherbereich angeordneten Temperaturfühlers erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mes- sung der Temperatur in der Formenkavität an vorbestimmten, inbesondere qualitätsrelevanten Stellen, wie Bindenaht-' Stellen, Zonen größer Beanspruchung, Zonen größter Mate¬ rialanhäufung, erfolgt und daß die Steuerung der Geschwin¬ digkeit des Scherelementes während des Einspritzvorganges derartig angeglichen wird, daß sich für diese besonderen Zonen des Werkstückes eine optimale Temperatur ergibt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Form in geschlossenem Zustand zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Formmasse Gummimehl als Füllstoff zugesetzt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei- nem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h ¬ n e t d u r c h eine Steuervorrichtung, derart daß die Formmasse bei diskontinuierlichem Betrieb in der ersten Phase des Arbeitstakts unmittelbar vor ihrem Eintritt in die Formkavität oder einem zu dieser führenden Fließkanal mittels der durch Scherung infolge Relativbewegung von ih- ren Transportweg tangierenden Flächenteilen mindestens ei¬ nes Scherelements an die Formmasse abgegebene Scherenergie aufgeheizt wird, wobei beim Passieren des Scherelements durch die Formmasse eine Temperaturerhöhung von einer auch über mehrere Arbeitstakte keine wesentliche Vernetzung- herbeiführenden Temperatur . bis zu einer eine vollständige oder nahezu vollständige Vernetzung im Zeitraum des Ar¬ beitstaktes herbeiführenden Temperatur erfolgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k n n z e i c h n e t , daß das Scherelement als .rota¬ tionssymmetrischer Scherdorn (7, 17) ausgebildet ist, wel¬ cher im Inneren einer Scherzylinderhülse (8, 18) mit die¬ ser einen Scherspalt (16) bildet und mit einem Antrieb in Verbindung mit einer Steuereinrichtung versehen ist, wobei die Drehzahl bzw. die Scherdornumfangsgeschwindigkeit mit¬ tels der Steuereinrichtung und einem oder mehreren Thermo- fühlern entsprechend Anspruch 6 bis 8 regelbar ist und daß der rotationssymmetrische Scherdorn in unmittelbarer Nähe- der Formkavität bzw. der dahin führenden Fließkanäle ange¬ ordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß der rotationssymmetrische
Scherdorn (7) im Zentrum als Bestandteil der Form in deren Werkzeugunterteil (2) angeordnet und im wesentlichen ke¬ gelförmig ausgebildet ist und über einem Antriebszapfen (15) angetrieben wird, der durch den Pressentisch (l) hin¬ durch in das Werkzeugunterteil (2). hineinragt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der rota¬ tionssymmetrische Scherdorn (17) Bestandteil des des Ein- spritzaggregates der Presse (19) ist, wobei die Hülse (18) in eine der Formhälften (5) hineinragt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der als Konus ausgebildete Scherdorn (7) einen sich in Richtung auf die Form erweiternden Querschnitt aufweist, wobei sich der Abstand zwischen Wandung und Konus mit zunehmendem Durchmesser derart verringert, daß sich ein im wesent- liehen konstanter Fließquerschnitt ergibt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, d a ¬ d r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die An- triebsvorrichtung für den Scherdorn und die Zuführvor¬ richtung für die Formmasse an derselben Seite der mit der Formmasse zu beschickenden Form angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , - daß der Scherdorn und/oder die Scherhülse mit einer Kühlvorrich¬ tung, insbesondere in Form von inneren ein Kühlmittel füh¬ renden Kanälen, versehen sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fließkanäle nicht mit Einschnürungen zur Temperaturerhö¬ hung der Formmasse versehen sind und gegebenenfalls sich in Richtung auf die Formkavität sogar erweitern.
19. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Scherdorn kegelförmig ausgebildet ist und in einen gleichfalls kegelförmigen rö- tationssymmetrischen Hohlraum hineinragt, so daß sich ein Scherspalt in Form eines Kegelmantels bildet, wobei die Stärke des Scherspaltes durch axiale Verschiebung des Scherdornes einstellbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e -. k e n n z e i c h n e t , daß daß die Verschiebung des Scherdornes zur Einstellung der Stärke des Scherspaltes durch die Steuervorrichtung inbesondere parallel oder' al¬ ternativ zur Veränderung der Scherdorndrehzahl einstellbar ist.
* * * * *
PCT/DE1993/000190 1992-02-27 1993-02-27 Verfahren und vorrichtung zum taktgesteuerten spritzgiessen von formteilen aus vernetzbaren formmassen WO1993016860A1 (de)

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