WO2006024181A1 - Verfahren und vorrichtung zur zyklischen überführung heisser kunststoffschmelze - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zyklischen überführung heisser kunststoffschmelze Download PDF

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WO2006024181A1
WO2006024181A1 PCT/CH2005/000478 CH2005000478W WO2006024181A1 WO 2006024181 A1 WO2006024181 A1 WO 2006024181A1 CH 2005000478 W CH2005000478 W CH 2005000478W WO 2006024181 A1 WO2006024181 A1 WO 2006024181A1
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mixing
melt
mixer
channels
mixing channels
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Application number
PCT/CH2005/000478
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Inventor
Robert Weinmann
Original Assignee
Netstal-Maschinen Ag
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Publication date
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    • B29B7/00—Mixing; Kneading
    • B29B7/30—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices
    • B29B7/32—Mixing; Kneading continuous, with mechanical mixing or kneading devices with non-movable mixing or kneading devices
    • B29B7/325—Static mixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
    • B01F25/4323—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors
    • B01F25/43231—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa using elements provided with a plurality of channels or using a plurality of tubes which can either be placed between common spaces or collectors the channels or tubes crossing each other several times
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
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    • B29C45/46—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould
    • B29C45/58—Details
    • B29C45/581—Devices for influencing the material flow, e.g. "torpedo constructions" or mixing devices
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    • B29C48/705—Flow dividers, e.g. breaker plates comprising means for dividing, distributing and recombining melt flows in the die zone, e.g. to create flow homogeneity

Definitions

  • the invention relates to a method for cyclically transferring hot plastic melt under high pressure from an injection screw via an injection head into the cavities of an injection mold of an injection molding machine, wherein the melt is statically mixed over a plurality of differently extending and intersecting mixing channels in mixing bodies of a mixer.
  • the invention further relates to a device for the cyclical transfer of hot plastic melt via an injection head in the cavities of the injection mold of an injection molding machine with an intermediate static melt mixer, with a plurality of different running at an angle to the mixer longitudinal mixing channels.
  • the first area concerns the production of continuous products such as profiles, tubes, hoses, foils, etc.
  • the second area of application concerns the injection molding of individual parts in molds. Both have in common that plastic granules are processed in an externally heated plasticizing cylinder and a liquid melt is produced.
  • the liquid melt is produced by the mechanical work performed by the plasticizing screw as well as by the heating effect of the heated plasticizing cylinder.
  • the processed melt is continuously shaped into the rod, tube or sheet-like product by means of the extrusion screw with the required pressure via an injection mold.
  • a static mixer is interposed between the extrusion screw and the spray nozzle.
  • the aim of the static mixer is to place the hot, still insufficiently homogeneous melt mass in as homogeneous as possible Transfer melt stream.
  • static one achieves the mixing effect through fixed fixtures.
  • the melt stream is divided many times over mixing channels and combined repeatedly. In practice, with a corresponding effort for the mixing elements, a high mixing effect and thus good homogeneity are achieved.
  • the basic difference between the two processing areas is that:
  • the processed melt mass is collected in a plasticizing cylinder cavity during the so-called metering phase and then injected in batches by linear movement of the injection or plasticizing screw via a cylinder head and in many applications via a static mixer and a spray nozzle into the cavities of an injection mold. After injection, the melt flow in the mixer is stopped until the next injection phase. Already the plasticizing screw is designed to achieve the best possible homogeneity. In the case of injection molding, too, the static mixer serves to correct any inhomogeneities of any kind within the melt mass with the aim of achieving the highest possible melt quality or the highest possible quality of the finished molded parts.
  • melt should also be as homogeneous as possible in terms of viscosity and uniformity for colorants or other additives.
  • U.S. Patent No. 4,848,920 shows a static mixer for homogenizing the melt fed from an extruder.
  • the mixer consists of a plurality of eg six individual elements or mixing inserts, which are inserted in a cylindrical housing close to each other.
  • Each mixing insert is installed angularly offset with respect to the adjacent mixing insert, so that through corresponding flow divisions results in an enormous mixing effect. So that the pressure loss of the static mixer is small, the channel cross sections are relatively large. The channel walls within the mixing insert can therefore only be designed as thin ribs.
  • the concept is primarily aimed at maximum homogeneity of the melt.
  • U.S. Patent No. 4,027,857 shows another embodiment.
  • a single cylindrical mixing insert is inserted into a corresponding bore of a spray nozzle. Through a variety of angular offset holes, the melt stream is repeatedly divided and merged.
  • the advantage of this solution lies in a compact design.
  • the static mixer has space within the small dimensions of a spray nozzle.
  • a sprue bushing is proposed for an injection molding apparatus which includes a hollow inner core of stainless steel.
  • a flow channel extends to the gate.
  • a passage channel jacket a helically wound, electrical heating element is arranged.
  • the heating element and the inner core piece are cast with a highly conductive cast copper and covered by a stainless steel outer shell.
  • a spiral inner steel body is fixed, through which the melt is given a rotational or angular movement when flowing through the gate in the mold cavity.
  • DE 28 22 096 proposes extruder inserts with drilled mixing channels for use with both static and dynamic mixers.
  • the basic concept is based on the effect of a large number of differently running channels in the missions.
  • the mixing channels are arranged relative to one another in such a way that an exchange surface arises between every two intersecting mixing channels.
  • the insert consists of solid material, into which are drilled groupwise mixing channels.
  • the channels of individual groups extend in parallel planes, wherein the inclination angle of the channels or planes each have a positive and a negative inclination angle ( ⁇ ) to the mixing axis, such that the holes Cross adjacent levels. This creates a skewed, grid-like, spatial structure.
  • the inserts are made of a cylindrical block of metal. It is also proposed to produce inserts with a diameter of 1 to 100 cm and a length of 1 to 4 times as long as the diameter.
  • WO2004 / 098759 represents a consistent further development of DE 28 22 096.
  • the mixing channels are drilled in rod-shaped material according to a first design idea from the side, so that one or more inserts can be installed in a nozzle head.
  • short cylindrical inserts are proposed.
  • different groups of mixing channels are drilled. Part of the holes are continuous and lead from end to end of the inserts.
  • a second and third group consists of one-sided blind holes, which lead to the mixer wall. The blind holes are intercepted by blind holes from the exit side, so that a kink is created for the melt flow in the wall area.
  • a disadvantage particularly of the second embodiment is the difficulty of cleaning.
  • the object of the new invention was to eliminate the disadvantages of the prior art solutions, but to utilize as many advantages of the individual solutions as possible, to achieve high mixing quality with relatively low pressure drop, easy cleaning and a long service life of the static mixer.
  • the inventive method is characterized in that the forces from the melt pressure is transferred by a solid construction of the mixer directly into the pressure holding structure of the injection head and the melt is repeatedly distributively mixed.
  • the device according to the invention is characterized in that the static melt mixer has at least one disc element with an outer mixer wall part and an inner, integrated mixing body with a multiplicity of mixing channels for the melt flow.
  • the static mixer consists of pressure-resistant disc elements.
  • the compressive strength is understood in all three space dimensions, ie both in the direction of the mixer wall part as well as in the axial direction of the static mixer.
  • the mixing body is preferably made of a solid body with a high mechanical strength, so that this massive foreign parts, in particular metal parts, can withhold damage.
  • the mixing body in the flow direction on roof-shaped convex entry surfaces, such that the whole melt stream is divided and the melt streams exiting through the angled arrangement of the mixing channels on the opposite side of the mixing body.
  • the mixing body may be formed convex on the input and output side, with correspondingly inclined inlet and outlet surfaces, wherein the two inclined surfaces preferably in a wedge shape about 30 ° to 60 °, especially preferably in the range of about 45 ° to the mixer longitudinal axis are arranged.
  • the mixing body particularly preferably has in a cross section, which contains the mixer longitudinal axis, at least approximately a quadrangular shape, with approximately equal length continuous mixing channels.
  • the inputs of the mixing channels are arranged with respect to the inclined surfaces such that a part of the inputs to the edge region of the inner mixer wall and a part of the inputs are arranged in the central region of the melt flow.
  • no accumulation zones arise in the inlet area into the mixing bodies.
  • even the smallest dead or congestion zones can lead to an uneven residence time of individual melt lots.
  • the result can be a qualitative deterioration of the melt.
  • this can lead to locally burnt melt lots and corresponding deposits in the molded parts.
  • the melt stream after leaving the mixed bodies by the correspondingly convex configuration of the mixing body to a melt stream again merged steadily.
  • the outer mixer wall part is designed as a flange, with the inner integrated micro body protruding in the flow direction and against the flow direction. Spacers are assigned to the flanges, which form a free flow cross-section through the melt mixer.
  • the integrated mixing body has approximately the thickness of the outer mixer wall part and, as a whole, forms a substantially flat disk element with an outer flange.
  • Each of the disc elements has within the flange on one side a cylindrical recess and on the other side over the flange projecting fitting ring, which result in a centering and guiding function with the respective subsequent disc elements.
  • the inner cylindrical part of the projecting fitting ring results in this embodiment, the largest internal flow area of the static mixer.
  • the cylindrical recess in the region of the fitting ring end face forms a stop surface, which in the assembled state of the static mixer forms the abutting surface between two forms adjacent disc elements.
  • the abutting surface of the fitting ring end face has a metallic sealing edge inwardly and, to the outside, has a supporting edge.
  • the sealing edge protrudes by a small amount over the supporting edge, such that the clamping forces of the anchor bolts are at least partially transmitted via the supporting edge.
  • the dowel end face between the sealing edge and the support edge on an annular recess, which is pressure-relieved via a bore. This can prevent the outside of the disk elements from escaping during normal operation.
  • the disk elements are joined together angularly rotated to deflect the melt flow from disk element to disk element. This gives the disc elements ever differently aligned mixing channels.
  • 60 °, 90 °, 1 20 °, etc. twisted joining creates a different flow direction for the melt flow of disk element to disk element.
  • Quick-release fasteners allow the operator, for example, to change the static mixer quickly and / or to clean the internal channels for the melt flow quickly and economically, for example for a product change.
  • the melt must be injected into the cavities of the molds with considerably high static pressures. After complete mold filling, the highest values, for example 800 to 2000 bar, must be added. Even under maximum load, no leaks may occur in the entire melt flow.
  • the fitting ring on the outside has a cylindrical centering, fitting in a corresponding cylindrical centering in the recess of the abutting disc element.
  • an additional supporting edge is provided, which takes over at least a portion of the clamping forces of the anchor bolts.
  • the mixing channels of at least one disc element are formed with a small cross-section and preferably have a diameter of less than 9 mm but more than 4 mm.
  • a very special aspect is that can be quickly removed by the formation of small cross-sectional mixing channels, especially metallic foreign body, by a corresponding filter effect in a quick-disassembled injection head.
  • Practice shows that again and again, though not very often, small parts such as screws, washers, etc. get into the melt. If these small parts are larger than the free flow cross section of the plasticizing screw, these are either stopped by the plasticizing screw, and / or they result in mechanical damage to the relevant points.
  • the foreign bodies are very small, eg only a few millimeters, then they are entrained with the melt mass into the cavity or the closing needle and can be removed with relatively little effort.
  • these foreign parts have a certain critical size, for example greater than 4 mm and less than 9 mm, they can reach the interior of the molding tool.
  • the labor required to remove the foreign parts may take several days.
  • this work can often only be done by the tool manufacturer.
  • the device has two or more disc elements.
  • the mixing channels of a disk element are preferably formed as through holes with different flow direction. At least in the current state, a disk element manufactured using diecasting would be susceptible to breakage under the highest loads.
  • the mixing channels of a disc element of two or more staggered groups which deflect the melt flow in different directions.
  • An important aspect is, for example, according to DE 32 01 710 in that the individual mixing channels of a group intersect with open exchange surfaces with the mixing channels of a different group.
  • Each disc element thus already has the concept of the static mixer in itself.
  • the melt stream is divided into many sub-streams, which are steered in different directions. In a re-merging of the partial flows a high mixing effect is achieved without moving parts.
  • the mixing bodies are formed as an integral disk element with an outer mixer wall part and heated or tempered as part of a mixing head analogously to a spray nozzle from the outside.
  • the heat flow is greatly favored by the massive construction on the one hand and the one-piece on the other hand.
  • through small cross-sectional formation of the mixing channels and thick an optimal heat flow are exploited into the interior of the mixing body.
  • the disc member is solidly formed from the mixer wall portion to the mixing body and integrally made of a material having high mechanical strength and high heat conductivity.
  • two or more disk elements are used serially one after the other.
  • the disk elements are held cage-like by several anchor bolts with the injection head. In the area of the static mixer enormous forces are built up by the briefly very high melt pressures of 1000 to 2000 bar. With the cage-like arranged anchor bolts, the compressive forces in the axial direction can be withstood.
  • Each of the disk elements is made of a highly heat conductive material, in particular of a steel alloy.
  • the invention takes advantage of the fact that metal has a high thermal conductivity, especially when the disk element is integral.
  • the compressive strength requires a massive construction.
  • the solid construction together with the integral nature of the whole disc elements is an ideal prerequisite, both for good thermal conductivity and for good compressive strength.
  • the static melt mixer is attached to the exit side of the injection head.
  • a disk-like transition piece with a cross-sectional transfer from the feed channel of the injection head into the inner flow cross section of the static mixer is arranged.
  • Each of the two or more disc elements has an outer flange with a plurality of through bores, in which the anchor bolts are guided, for pressure-tight connection with the spray head.
  • the whole static mixer can be disassembled in this way after loosening the anchor bolts in the single line and easily cleaned.
  • the injection head has an outer cylindrical transition piece, the outside corresponds approximately to the dimensions of the disc elements. This facilitates the attachment of the same heating elements.
  • the disc elements of the static mixer are completely surrounded by a heating jacket in the assembled state. This meets the requirement for optimal heat flow from the outside into the static mixer and vice versa in the best possible way.
  • FIG. 1 shows a spray head of an injection molding machine with intermediate static mixer and a mounted spray nozzle with flat
  • FIG. 2a shows a single flat disc element, shown in perspective
  • Figure 2b shows a disk element according to Figure 2a shown schematically in section
  • Figure 3a is a plan view of a single, flat disk element
  • FIG. 3b shows a section III-III of FIG. 3a
  • Figure 4a is a section VI - VI of Figure 4a
  • Figure 4b is a view IV of Figure 6
  • Figure 5 schematically shows a static mixer with four angularly rotated by 90 ° built flat disc elements
  • FIG. 6 shows a mixing head with two inlet and outlet surfaces installed offset by 90 ° and formed on both sides on a roof-shaped basis
  • FIG. 7a shows a mixing body according to FIG. 6 on a larger scale
  • FIG. 7b is a perspective view of FIG. 7a
  • FIG. 7c shows a detailed detail of a mixing channel inlet or outlet from the
  • Blended body shows the mixing body according to Figures 6 and 7 with different
  • Sectional views; 9 shows schematically the transfer of the hot melt of the
  • FIG. 10 schematically shows multiply distributive mixing with roof-shaped
  • FIG. 1 shows the foremost part of a plasticizing unit with an injection head 1, a static mixer 2 and a spray nozzle 3. Only indicated is the plasticizing cylinder 4. Not shown is the plasticizing screw, which is indicated by the reference numeral 5. With d.zyl. is the inner diameter of the plasticizing designated, with a conical transition 6 and a cylinder outlet 7. A heating mantle 8 is in the region of the injection head 1 and the plasticizing cylinder 4, further arranged a heating jacket 9 in the region of the static mixer. The direction of the melt flow is indicated by arrow 1 1, 1 1 ', which goes from right to left.
  • the spray nozzle 3 has a nozzle opening 1 2 for attaching to the injection mold, which is arranged at the end of the passage channel 1 3 of the spray nozzle.
  • the melt is guided into a relatively narrow melt channel 14, which is transferred in a conical extension 1 5 in the static mixer 2.
  • the static mixer consists of a disc-shaped transition piece 16 at the inlet to the mixer and a transition piece 1 7 at the outlet of the static mixer 2.
  • the transition piece 1 6 has an inlet cone 1 8 and the transition piece 1 7 an outlet cone 1 9.
  • the static mixer 2 has four flat disk elements 20, 20 ', 20 ", 20'", which are each installed rotated at an angle.
  • the static mixer 2 is firmly screwed together with a clamping flange 21 of the spray nozzle 3 via anchor bolts 22 with the injection head.
  • the spray nozzle 3 can be solved together with the elements 16, 20, 20 ', 20 ", 20'" and 1 7 and taken apart, for example, for service or cleaning purposes and again together or grown.
  • Six powerful anchor bolts 22 are proposed, which are arranged in a ring and form a kind of "cage" for the disk elements 20.
  • each disk element has six through holes 23 for the anchor bolts 22. If the flat disk elements 20 are then rotated by 60 °, 90 ° or 1 °, etc., an additional direction is created for the partial streams TMx, TMy, of the disk element Disc element and a corresponding additional mixing effect.
  • FIGS. 2a and 2b An example of a flat disk element 20, 20 ', 20 ", 20'” is shown in perspective in FIGS. 2a and 2b on a larger scale.
  • the outer characteristic features of a flat disc element are the outer diameter D and the width B.
  • Transversely to the direction of the melt flow 29 is the mixing space width Mw together with the mixing space length ML ( Figure 1).
  • Each flat disk element 20 has inside the mixing chamber width Mw or 27 an inlet end face 25 with mixing channels or mixing bores 24, which are continuously guided to the outlet end side 26.
  • the mixing bores or mixing channels 24 are arranged in several staggered rows as groups 32, 32 ', 33, 33' which each have an angle ⁇ or ⁇ at different angles of inclination to the center axis 29 are drilled ( Figure 2b).
  • FIGS. 3a and 3b show different sections and views of a flat disc element.
  • Each disc element has a fitting ring 40 on one side and a matching cylindrical recess or centering 41 with a mating surface 42 on the other side.
  • the fitting ring 40 has on the front side an inner sealing surface 43 and an outer support edge 44.
  • exchange surfaces 30 are provided at the intersecting points of the offset rows 32, 33 of mixing channels 24 .
  • the crossing mixing channels are arranged so close to each other that they overlap at the intersections.
  • the exchange surfaces provide additional mixing effects from mixing channel to mixing channel.
  • the mixing channels 24 are lined up so close together that the inner mixing channels overlap, as evidenced by the frustrating-looking partial penetrations 47 in Figures 4a and 4b.
  • FIG. 5 shows an assembled mixer 2 with flat disk elements on a larger scale.
  • the mixer has four disk elements 20, 20 ', 20 ", 20'".
  • two disc elements 20, 20 "in relation to the disc elements 20 ', 20"' rotated by 180 °.
  • the degree of twist possibility depends on the number of holes 23.
  • the mixing quality can thus directly: 1 . by the number, size and arrangement of the mixing bores 24 and their arrangement to each other and
  • the mixing bores and their alignment in a single disk element can be identical and also different.
  • the last disc element can only have mixing bores parallel to the center axis 29, so that an undisturbed laminar flow for the outflow of melt arises.
  • FIG. 6 shows a static mixing head 56 with two disk elements 50, 50 'installed rotated by 90 ° with a roof-shaped mixing body.
  • Each of the disk elements 50, 50 ' has inside a mixing body 51 x or 51 XX and on the outside a mixer wall part 52.
  • Between the two disc elements 50, 50 ' is a spacer sleeve 53 interposed.
  • Depending on a corresponding inlet spacer sleeve 54 and outlet spacer sleeve 55 is arranged.
  • the entire mixing head 56 is screwed by means of the anchor bolts 22 at the outlet end of the injection head 1.
  • FIGS. 7a and 7b show a disk element 50, 50 'with a roof-shaped mixing body 51 on a larger scale.
  • FIG. 7c shows a mixing channel or a mixing bore 24 in the outlet or inlet region. In this case, the mixing bore has a countersink 57.
  • FIG. 8 shows various sections A - F.
  • the exchange surfaces 58 can also be seen.
  • the two roof-shaped inlet end faces 25 *, 25 ** are arranged at an angle of approximately 45 °.
  • the mixing body has approximately a quadrangular shape. It follows that all mixing bores 24 are approximately the same length (BL).
  • FIG. 9 shows schematically the melt transfer from the injection screw into the mold, a complete mixing head 60.
  • a transition piece 61 to the injection cylinder.
  • a rotary valve 62 is arranged in the transition piece 61.
  • a feed hopper 63 for the dry raw material and an injection unit 64 is shown.
  • the melt 65 flows from the transition piece 61 in the mixing head 60.
  • the melt M1 is transferred as a mass M2 in a Hotrunner / distribution system 66 and the individual cavities of an injection mold 67.
  • FIG. 10 shows, as a detail enlargement, the mixing head 60.
  • the melt stream M 1 is divided by the roof-shaped inlet surfaces 25 X , 25 XX into two partial streams Mal and Mb 1.
  • the respective partial flow Mal or Mb1 is deflected to the other side of the mixer.
  • the corresponding partial flows Ma2 and Mb2 occur on the respective other side in the second, rotated by 90 ° installed mixing body 51 XX a.
  • the twisted installation of the second Mischköprers 51 XX results in a further division into two streams, but this time in two other quadrants.

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  • Injection Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zyklischen Überführung heisser Schmelze von einer Plastifizierschnecke über einen Einspritzkopf (1) in die Kavitäten einer Spritzgiessform mit einem zwischengeschalteten statischen Schmelzemischer (2). Der statische Schmelzemischer weist wenigstens ein einstückiges, druckfestes Scheibenelement (20, 20‘, 20‘‘, 20‘‘‘) mit integriertem Mischerwandteil und einer Vielzahl von Mischkanälen (24) für den Schmelzefluss im Inneren auf. Jedes Scheibenelement ist mit hoher Wärmeleitfähigkeit von der Scheibenaussenseite bis zu den Mischkanälen ausgebildet. Die Scheibenelemente weisen ferner Dichtkanten auf, welche in Richtung der Mischaxe um ein geringes Stauchmass über Abstützkanten vorstehen, derart, dass die grossen Spannkräfte von Ankerschrauben(22) zumindest teilweise über die Abstützkanten übertragen werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur zyklischen Überführung heisser Kunststoffschmelze
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zyklischen Überführung heisser Kunststoffschmelze unter hohem Druck von einer Einspritzschnecke über einen Einspritzkopf in die Kavitäten einer Spritzgiessform einer Spritzgiessmaschine, wobei die Schmelze über eine Vielzahl von unterschiedlich verlaufenden und sich kreuzenden Mischkanälen in Mischkörpern eines Mischers statisch gemischt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur zyklischen Überführung heisser Kunststoffschmelze über einen Einspritzkopf in die Kavitäten der Spritzgiessform einer Spritzgiessmaschine mit einem zwischengeschalteten statischen Schmelzemischer, mit einer Vielzahl von unterschiedlich in einem Winkel zur Mischerlängsachse verlaufenden Mischkanälen.
Stand der Technik
In der Kunststoffindustrie kennt man zwei Verarbeitungsgebiete, bei denen aus heisser, flüssiger Kunststoffschmelze geformte Gegenstände hergestellt werden. Das erste Gebiet betrifft die Herstellung von Endlosprodukten wie Profile, Rohre, Schläuche, Folien, usw. Das zweite Verarbeitungsgebiet betrifft das Spritzgiessen von Einzelteilen in Giessformen. Beiden gemeinsam ist, dass Kunststoffgranulat in einem von aussen geheizten Plastifizierzylinder aufbereitet und eine flüssige Schmelze hergestellt wird. Die flüssige Schmelze entsteht durch die von der Plastifizierschnecke erbrachte mechanische Arbeit sowie von der Wärmewirkung des geheizten Plastifizierzylinders.
Beim Extrusionsverfahren wird die aufbereitete Schmelze mittels der Extrusionsschnecke mit dem erforderlichen Druck über eine Spritzform kontinuierlich zu dem Stangen-, schlauch- oder folienartigen Produkt geformt. In der Regel wird zwischen der Extrusionsschnecke und der Spritzdüse ein statischer Mischer zwischengeschaltet. Das Ziel des statischen Mischers liegt darin, die heisse noch ungenügend homogene Schmelzemasse in einen möglichst homogenen Schmelzestrom überzuführen. Wie mit dem Wort "statisch" zum Ausdruck gebracht wird, erreicht man den Mischeffekt durch unbewegliche Einbauten. Der Schmelzestrom wird über Mischkanäle vielfach aufgeteilt und wiederholt zusammengeführt. In der Praxis wird mit entsprechendem Aufwand für die Mischelemente ein hoher Mischeffekt und somit eine gute Homogenität erreicht. Der grundlegende Unterschied zwischen den beiden Verarbeitungsgebieten liegt darin, dass:
- im Falle der Extrusion eine höchstmögliche Kontinuität der Schmelzeströmung angestrebt wird.
- Das Spritzgiessen ist dagegen gekennzeichnet durch einen instationären Fluss.
Beim Spritzgiessen wird die aufbereitete Schmelzemasse in einem Plastifizier- zylindervorraum während der sogenannten Dosierphase gesammelt und danach schussweise durch eine Linearbewegung der Einspritz- bzw. Plastifizierschnecke über einen Zylinderkopf und in sehr vielen Anwendungen über einen statischen Mischer sowie eine Spritzdüse in die Kavitäten einer Spritzgiessform eingespritzt. Nach dem Einspritzen ist der Schmelzefluss im Mischer bis zur nächsten Einspritzphase gestoppt. Bereits die Plastifizierschnecke wird auf das Ziel einer möglichst guten Homogenität ausgelegt. Auch beim Spritzgiessen dient der statische Mischer zur Korrektur allfälliger Inhomogenitäten jedwelcher Art innerhalb der Schmelzemasse mit dem Ziel einer höchstmöglichen Schmelzequalität bzw. einer höchstmöglichen Qualität der fertigen Spritzteile.
In beiden Verfahrenstechniken wird sichergestellt, dass inhomogene Partien der im Plastifizierzylinder aufbereiteten Schmelze intensiv in die übrige Schmelzemasse eingemischt werden. Ein nicht unwichtiger Punkt in Bezug auf die Inhomogenität liegt in Schmelzepartien, welche abweichen von einer mittleren Temperatur der Schmelzemasse. Eine gängige Forderung liegt darin, dass keine Schmelzepartien vorhanden sein sollen, welche ausserhalb einer Temperaturabweichung von + / - 30C liegen. Die Homogenität in Bezug auf die Temperatur ist jedoch nur eine der besonderen Forderungen. Die Schmelze soll auch in Bezug auf die Viskosität und die Einheitlichkeit für Färb- oder andere Zusätze möglichst homogen sein.
Die US-PS 4 848 920 zeigt einen statischen Mischer für die Homogenisierung der von einem Extruder zugeführten Schmelze. Der Mischer besteht aus einer Vielzahl z.B. von sechs Einzelelementen bzw. Mischeinsätzen, welche in einem zylindrischen Gehäuse dicht aufeinander eingefügt sind. Jeder Mischeinsatz ist in Bezug auf den je benachbarten Mischeinsatz winkelversetzt eingebaut, so dass sich durch entsprechende Stromteilungen eine enorme Durchmischwirkung ergibt. Damit der Druckverlust des statischen Mischers klein ist, sind die Kanalquerschnitte relativ gross. Die Kanalwände innerhalb des Mischeinsatzes können deshalb nur als dünne Rippen ausgebildet. Das Konzept ist vor allem auf eine maximale Homogenität der Schmelze ausgerichtet.
Die US-PS 4 027 857 zeigt eine andere Ausgestaltung. Ein einziger zylindrischer Mischeinsatz ist in eine entsprechende Bohrung einer Spritzdüse eingefügt. Über eine Vielzahl von winkelversetzten Bohrungen wird der Schmelzestrom wiederholt geteilt und zusammengeführt. Der Vorteil dieser Lösung liegt in einer kompakten Bauweise. Der statische Mischer hat innerhalb der kleinen Abmessungen einer Spritzdüse Platz.
Die DE 32 01 710 zeigt eine besondere Ausgestaltung einer Angussbuchse im Hinblick auf den Wärmefluss eines von aussen geheizten statischen Mischers. Es wird eine Angussbuchse für eine Spritzgiessvorrichtung vorgeschlagen, welche ein hohles, inneres Kernstück aus rostfreiem Stahl enthält. Ein Durchlaufkanal erstreckt sich bis zur Angussöffnung. In einem Durchlaufkanalmantel ist ein schraubenförmig gewundenes, elektrisches Heizelement angeordnet. Das Heizelement und das innere Kernstück sind mit einem hochleitenden Gussteil aus Kupfer vergossen und von einem Aussenmantel aus rostfreiem Stahl bedeckt. Im Durchlaufkanal ist ein spiralförmiger Innenkörper aus Stahl befestigt, durch den der Schmelze beim Durchfluss durch die Angussöffnung in dem Formhohlraum eine Dreh- oder Winkelbewegung erteilt wird. Als Vorteil wird aufgeführt, dass durch eine Verringerung der molekularen Ausrichtung der Schmelze in eine Richtung die Festigkeit des Produkts erhöht und die Gefahr einer Fadenbildung der Schmelze beim Öffnen der Form zum Ausstoss des Produktes verringert wird. Der statische Mischeffekt steht hier im Hintergrund. Im Vordergrund ist der Wärmefluss sowie eine verbesserte Molekularausrichtung innerhalb der Schmelze.
Die DE 28 22 096 schlägt Extruder-Einsätze mit gebohrten Mischkanälen für die Verwendung sowohl für statische wie auch für dynamische Mischer vor. Das Grundkonzept baut auf der Wirkung einer grossen Anzahl unterschiedlich verlaufender Kanäle in den Einsätzen auf. Die Mischkanäle werden so zueinander angeordnet, dass zwischen je zwei sich kreuzenden Mischkanälen eine Austauschfläche entsteht. Der Einsatz besteht aus Vollmaterial, in den gruppenweise Mischkanäle eingebohrt werden. Die Kanäle einzelner Gruppen verlaufen in parallelen Ebenen, wobei der Neigungwinkel der Kanäle bzw. Ebenen je einen positiven und einem negativen Neigungwinkel (α) zu der Mischachse aufweisen, derart, dass sich die Bohrungen benachbarter Ebenen kreuzen. Es entsteht dadurch ein schiefwinkliges, gitterartiges, räumliches Gebilde. Für den Neigungwinkel (α) zwischen einem Kanal und der in diese Ebene projezierende Achse des Einsatzes wird 30° bis 60° vorgeschlagen. Als Ziel wurde eine grosse mechanische Festigkeit angestrebt, so dass die Einsätze Druckverluste längs des Mischers von mindestens 100 bar aushalten und eine hohe Mischgüte bei kurzer Bauweise erhalten. Um die hohe mechanische Festigkeit sicherzustellen, werden die Einsätze aus einem zylindrischen Metallblock hergestellt. Ferner wird vorgeschlagen, Einsätze mit einem Durchmesser von 1 bis 100 cm und einer Länge von 1 bis 4 mal so lange wie der Durchmesser herzustellen.
Die WO2004/098759 stellt eine konsequente Weiterausgestaltung der DE 28 22 096 dar. Vom Grundgedanken her werden gemäss einem ersten Ausgestaltungsgedanken von der Seite her in stangenförmigem Material die Mischkanäle eingebohrt, so dass ein oder mehrere Einsätze in einem Düsenkopf eingebaut werden können. Gemäss einem zweiten Ausgestaltungsgedanken werden kurze zylindrische Einsätze vorgeschlagen. Dabei werden unterschiedliche Gruppen von Mischkanälen eingebohrt. Ein Teil der Bohrungen sind durchgehend und führen von Stirnseite zu Stirnseiteder Einsätze. Eine zweite und dritte Gruppe besteht aus einseitig angebrachten Sackbohrungen, welche bis zur Mischerwandung führen. Die Sackbohrungen werden von Sackbohrungen von der Austrittsseite abgefangen, so dass für die Schmelzeströmung im Wandbereich ein Knick entsteht. Ein Nachteil besonders des zweiten Ausgestaltungsgedankens liegt in der erschwerten Reinigungmöglichkeit.
Beim Spritzgiessen liegt ein besonderes Problem beim Einsatz eines statischen Mischers in dem über die Zeit gesehen völlig instationären Schmelzefluss. Bei jedem Schuss wird der Schmelzestrom auf eine möglichst hohe Geschwindigkeit gebracht, die Schmelze in die Kavität eingespritzt und danach der Schmelzestrom abrupt gestoppt. Dieser Vorgang von "go and stop" ist im Hinblick auf die "Innereien" des statischen Mischers sehr nachteilig. Beim Anfahren muss das verfestigte Material, das heisst der noch feste Pfropfen, in dem statischen Mischer zuerst während 1 5 bis 20 Minuten aufgeheizt und verflüssigt werden. Beim Anfahren bedingt der langsame Wärmefluss von aussen, von dem Heizmantel, in das Innere des statischen Mischers die entsprechende Wartezeit. In der Praxis wird beim Anfahren häufig versucht, den noch nicht völlig verflüssigten Pfropfen mit höheren Schmelzedrücken auszutreiben. Solange das Material in dem Mischer gleichsam noch verkrallt ist, wird jedoch ein überhöhter Ausstossdruck benötigt. Es ergeben sich daraus extreme mechanische Belastungen, besonders auf die Mischrippen. Aber auch der sehr abrupte Wechsel der Strömungsgeschwindigkeit bei jedem Schuss von Null auf ein Maximum und umgekehrt führt zu hohen Belastungsspitzen. Die Praxis zeigt, dass dies zu Materialermüdungen und zu einem mechanischen Bruch der schwächsten vorstehenden rippenförmigen Teile der Mischeinsätze führen kann.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass unbeabsichtigt irgendwelche Metallteile mit dem Rohmaterial in die Kunststoffschmelze gelangen. Bei der Herstellung von Preformen werden Vielfachgiessformen mit bis zu 200 Giessnestern eingesetzt. Für die Verteilung der flüssigen Schmelze wird ein komplexes Verteil- und Hotrunner- System benötigt. Gelangt nun ein Metallteil, sei es als Bruchstück von Mischerrippen oder als Fremdmetallteile wie Metallscheiben, Muttern und Schrauben, in das Verteilsystem einer Vielfachform, so können diese oft nur vom Formenhersteller selbst durch aufwendige Zerlegung der ganzen Giessform wieder entfernt werden.
Der neuen Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, die Nachteile der Lösungen des Standes der Technik zu beseitigen, jedoch möglichst viele Vorteile der Einzellösungen zu nutzen, eine hohe Mischgüte bei relativ geringem Druckverlust, eine leichte Reinigung und eine hohe Lebensdauer des statischen Mischers zu erreichen.
Darstellung der Erfindung
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte aus dem Schmelzedruck durch eine massive Bauweise des Mischers direkt in die Druckhaltestruktur des Einspritzkopfes überführt wird und die Schmelze mehrfach distributiv gemischt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der statische Schmelzemischer wenigstens ein Scheibenelement mit einem äusseren Mischerwandteil und einem inneren, integrierten Mischkörper mit einer Vielzahl von Mischkanäien für den Schmelzefluss aufweist.
Vom Erfinder ist erkannt worden, dass das Urmodell des statischen Mischers in Bezug auf einen Mischeffekt ohne bewegte Teile tatsächlich eine überraschend hohe Wirkung hat. Im Stand der Technik wurde jedoch im Einsatz für das Spritzgiessen zu sehr an dem Modell der statischen Mischer für das Extrusionsverfahren festgehalten. Mit der neuen Lösung ist es möglich:
- den Mischeffekt des statischen Mischers maximal zu nutzen,
- eine maximale Wärmeleitfähigkeit bis in die innersten Partien der Mischelemente zu gewährleisten,
- eine sehr hohe Drucktoleranz zu erreichen,
- die mechanische Festigkeit ohne grossen Mehraufwand enorm zu steigern, dadurch, dass das Scheibenelement das äussere Mischerwandteil integriert hat,
- und eine leichte Reinigung sicherzustellen,
Insbesondere das Problem der Störung durch metallische Fremdkörper kann durch eine Siebwirkung durch die Mischkörper selbst erfolgreich begrenzt werden.
Bei der Mehrzahl der Mischeinsätze des Standes der Technik ist der Wärmefluss problematisch und konnte nur auf Kosten der Mischqualität, wie etwa gemäss DE 32 01 710, verbessert werden. Gemäss der neuen Erfindung besteht der statische Mischer aus druckfesten Scheibenelementen. Die Druckfestigkeit versteht sich in allen drei Raumdimensionen, also sowohl in Richtung des Mischerwandteiles wie auch in Axialrichtung des statischen Mischers. Mit der erfindungsgemässen Lösung ist erkannt worden, dass eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit gleichzeitig auch eine spürbare Verbesserung des Wärmeflusses bringen kann. Die neue Lösung bringt sowohl einen optimalen Kraftfluss wie einen optimalen Wärmefluss.
Die neue Lösung gestattet eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Ausge¬ staltungen, wozu auf die Ansprüche 2 bis 6 sowie 8 bis 20 Bezug genommen wird.
Der Mischkörper wird vorzugsweise aus einem Vollkörper mit einer hohen mechanischen Festigkeit hergestellt, so dass dieser massive Fremdteile, insbesondere Metallteile, schadenfrei zurückhalten kann.
Gemäss einem ersten, besonders vorteilhaften Lösungsweg weist der Mischkörper in Strömungrichtung dachförmige konvexe Eintrittsflächen auf, derart, dass der ganze Schmelzestrom geteilt wird und die Schmelzeteilströme durch die winklige Anordnung der Mischkanäle auf der je gegenüberliegenden Seite aus dem Mischkörper austreten.
Damit wird erreicht, dass unabhängig der Mischwirkung innerhalb des Mischkörpers von Mischkörper zu Mischkörper bereits eine enorme distributive insbesondere zwei¬ stufige Mischwirkung erzwungen wird. Der ganze Schmelzestrom wird nicht nur in sich intensiv gemischt, sondern durch eine Zweiteilung jeweils auf die andere Mi¬ scherseite umgelenkt. Die Mischkörper können eingangs- und ausgangsseitig konvex ausgebildet sein, mit entsprechend schrägen Eintritts- und Austrittsflächen, wobei die beiden Schrägflächen vorzugsweise in einer Keilform etwa 30° bis 60° , besonders vorzugsweise in dem Bereich von etwa 45 ° zur Mischerlängsachse angeordnet sind. Der Mischkörper weist besonders bevorzugt in einem Querschnitt, der die Mischerlängsachse enthält, zumindest angenähert eine Viereckform auf, mit etwa gleich langen durchgehenden Mischkanälen. Als optimale Lösung hat sich erwiesen, wenn die Eingänge der Mischkanäle in Bezug auf die Schrägflächen derart angeordnet sind, dass ein Teil der Eingänge bis in den Randbereich der inneren Mischerwand und ein Teil der Eingänge im zentralen Bereich des Schmelzeflusses angeordnet sind. Es entstehen dadurch im Eintrittsbereich in die Mischkörper keine Stauzonen. In Extremfällen können selbst kleinste Tot- bzw. Stauzonen zu einer ungleichen Verweildauer einzelner Schmelzepartien führen. Die Folge kann eine qualitative Verschlechterung der Schmelze sein. Dies kann bei besonders schwierigen Kunststoffen oder bei sehr hohen Verarbeitungtemperaturen zu örtlich verbrannten Schmelzepartien und entsprechenden Einlagerungen in die Spritzteile führen. Bevorzugt wird der Schmelzestrom nach Austritt aus den Mischkörpern durch die entsprechend konvexe Ausgestaltung der Mischkörper zu einem Schmelzestrom wieder stetig zusammengeführt. Vorteilhafterweise werden zwei nacheinander angeordnete Mischkörper verwendet, wobei der ganze Schmelzestrom durch die zwei, um 90° versetzt eingebaute Mischkörper je zwei mal aufgeteilt und wieder zusammengeführt. Dies erlaubt, die Schmelze zumindest angenähert als gleichmässige Strömung in die Mischkanäle und aus den Mischkanälen zu führen, so dass alle Partien der Schmelzemasse eine gleich grosse Chance in Bezug auf eine gute Durchmischung haben. Gemäss dem ersten Lösungweg wird das äussere Mischerwandteil als Flansch ausgebildet, wobei der innere integrierte Mikschkörper in der Strömungsrichtung und gegen die Strömungrichtung vorsteht. Den Flanschen werden Distanzhülsen zugeordnet, welche einen freien Durchsrömquerschnitt durch den Schmelzemischer bilden.
Gemäss einem zweiten Lösungsweg weist der integrierte Mischkörper etwa die Dicke des äusseren Mischerwandteiles auf und bildet als ganzes ein im Wesentlichen flaches Scheibenelement mit einem äusseren Flansch. Jedes der Scheibenelemente weist innerhalb des Flansches auf der einen Seite eine zylindrische Vertiefung und auf der anderen Seite einen über den Flansch vorstehenden Passring auf, welche mit den je anschliessenden Scheibenelementen eine Zentrier- und Führungsfunktion ergeben. Der innere zylindrische Teil des vorstehenden Passringes ergibt bei dieser Ausgestaltung den grössten inneren Durchströmquerschnitt des statischen Mischers. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung bildet die zylindrische Vertiefung in dem Bereich der Passringstirnseite eine Anschlagfläche, welche in zusammengebautem Zustand des statischen Mischers die Stossfläche zwischen zwei benachbarten Scheibenelementen bildet. Die Stossfläche der Passringstirnseite weist nach innen eine metallische Dichtkante und beabstandet dazu nach aussen eine Abstützkante auf. Die Dichtkante steht dabei um ein geringes Mass über die Abstützkante vor, derart, dass die Spannkräfte der Ankerschrauben zumindest teilweise über die Abstützkante übertragen werden. Vorteilhafterweise weist die Passringstirnseite zwischen der Dichtkante sowie der Abstützkante eine ringförmige Vertiefung auf, welche über eine Bohrung druckentlastet ist. Damit kann verhindert werden, dass im normalen Betrieb aussen an den Scheibenelementen Schmelze austritt.
Die Scheibenelemente werden winkelverdreht zusammengefügt sind zur Umlenkung des Schmelzeflusses von Scheibenelement zu Scheibenelement. Damit erhalten die Scheibenelemente je unterschiedlich ausgerichtete Mischkanäle. Durch 60°, 90°, 1 20° , usw. verdrehtes Zusammenfügen, gemäss den Lösungen des zweiten Lösungsweges, entsteht eine je unterschiedliche Strömungsrichtung für den Schmelzefluss von Scheibenelement zu Scheibenelement. Schnelllösbare Verbindungselemente erlauben dem Betreiber, zum Beispiel für einen Produktwechsel, den statischen Mischer schnell auszuwechseln und/oder die inneren Kanäle für den Schmelzefluss schnell und ökonomisch zu reinigen. Die Schmelze muss mit beachtlich hohen statischen Drücken in die Kavitäten der Giessformen eingespritzt werden. Nach dem vollständigen Formfüllen muss mit höchsten Werten von beispielsweise 800 bis 2000 bar nachgedrückt werden. Auch unter höchster Belastung darf im ganzen Schmelzefluss keine undichte Stelle entstehen. Für das schnelle Ineinanderpassen der Scheibenelemente weist der Passring aussenseitig eine zylindrische Zentrierung auf, passend in eine entsprechende zylindrische Zentrierung in der Vertiefung des anstossenden Scheibenelementes. Damit jedoch die Dichtkante bei dem Zusammenbau mit den hohen notwendigen Spannkräften der Verbindungsschrauben nicht zu sehr zusammengepresst werden kann und die Dichtfunktion erhalten bleibt, ist eine zusätzliche Abstützkante vorgesehen, welche zumindest einen Teil der Spannkräfte der Ankerschrauben übernimmt.
Bevorzugt werden die Mischkanäle zumindest eines Scheibenelementes kleinquerschnittig ausgebildet und weisen vorzugsweise einen Durchmesser kleiner 9 mm jedoch grösser 4 mm auf. Ein ganz besonderer Aspekt liegt darin, dass durch die Ausbildung von kleinquerschnittigen Mischkanälen, insbesondere metallische Fremdkörper, durch eine entsprechende Filterwirkung in einem schnelldemontierbaren Einspritzkopf rasch entfernt werden können. Hierzu ist es möglich, den statischen Druck auf der Schmelze zu überwachen und bei unregelmässigem Druckanstieg die notwendigen Servicearbeiten sofort einzuleiten. Die Praxis zeigt, dass immer wieder, wenn auch nicht sehr häufig, Kleinteile wie Schrauben, Unterlagsscheiben, usw. in die Schmelze gelangen. Sind diese Kleinteile grösser als der freie Durchströmquerschnitt der Plastifizierschnecke, so werden diese entweder von der Plastifizierschnecke aufgehalten, und/oder sie ergeben mechanische Schäden an den betreffenden Stellen. Sind die Fremdkörper sehr klein, z.B. nur einige Millimeter, so werden diese mit der Schmelzemasse bis in die Kavität oder die Verschlussnadel mitgerissen und können mit verhältnismässig kleinem Aufwand herausgenommen werden. Haben diese Fremdteile jedoch eine gewisse kritische Grosse, z.B. grösser 4 mm und kleiner 9 mm, so können sie bis in das Innere des Formwerkzeuges gelangen. Im Falle von grossen Werkzeugen, z.B. für die schussweise Herstellung von 100 bis 200 Preformen, kann der Arbeitsaufwand für die Entfernung der Fremdteile mehrere Tage dauern. Zudem kann diese Arbeit häufig nur von dem Werkzeughersteller selbst durchgeführt werden. Durch die Wahl einer optimalen Grosse der Mischkanalquerschnitte kann dieses Problem im Spritzwerk selbst sehr schnell durch Demontieren des Einspritzkopfes gelöst werden.
In der konkreten Ausbildung sowohl des ersten wie des zweiten Lösungsweges weist die Vorrichtung zwei oder mehrere Scheibenelemente auf. Die Mischkanäle eines Scheibenelementes werden bevorzugt als durchgehende Bohrungen mit unterschiedlicher Strömungsrichtung ausgebildet. Zumindest im gegenwärtigen Stand wäre ein im Druckgiessverfahren hergestelltes Scheibenelement bei höchsten Belastungen bruchgefährdet. Zweckmässigerweise bestehen die Mischkanäle eines Scheibenelementes aus zwei oder mehreren versetzt angeordneten Gruppen, welche die Schmelzeströmung in unterschiedliche Richtungen umlenken. Ein wichtiger Aspekt liegt dabei etwa gemäss der DE 32 01 710 darin, dass die einzelnen Mischkanäle einer Gruppe sich mit offenen Austauschflächen mit den Mischkanälen einer je anderen Gruppe kreuzen. Jedes Scheibenelement hat somit in sich bereits das Konzept des statischen Mischers. Der Schmelzestrom wird in viele Teilströme aufgeteilt, welche in je unterschiedliche Richtungen gelenkt werden. Bei einer erneuten Zusammenführung der Teilströme wird ein hoher Mischeffekt ohne bewegte Teile erreicht.
Gemäss einem weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltunggedanken werden die Mischkörper als einstückiges Scheibenelement mit einem äusseren Mischerwandteil ausgebildet und als Teil eines Mischkopfes analog zu einer Spritzdüse von aussen her beheizt bzw. temperiert. Der Wärmefluss wird durch die massive Bauweise einerseits und die Einstückigkeit andererseits stark begünstigt. Zusätzlich kann durch kleinquerschnittige Ausbildung der Mischkanäle und dicken, verbleibenden Wandstärken zwischen den Mischkanälen ein optimaler Wärmefluss bis ins Innere des Mischkörpers ausgenutzt werden.
Das Scheibenelement wird vom Mischerwandteil bis zu dem Mischkörper massiv ausgebildet und einstückig aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Bevorzugt werden zwei oder mehrere Scheibenelemente seriell nacheinander eingesetzt. Die Scheibenelemente werden durch mehrere Ankerschrauben mit dem Einspritzkopf käfigartig gehalten. In dem Bereich des statischen Mischers werden durch die kurzzeitig sehr hohen Schmelzedrücke von 1000 bis 2000 bar enorme Kräfte aufgebaut. Mit den käfigartig angeordneten Ankerschrauben kann den Druckkräften in Axialrichtung standgehalten werden. Jedes der Scheibenelemente wird aus einem hochwärmeleitfähigen Material, insbesondere aus einer Stahllegierung, hergestellt. Hier macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, dass Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, besonders wenn das Scheibenelement einstückig ist. Die Druckfestigkeit verlangt eine massive Bauweise. Die massive Bauweise ist zusammen mit der Einstückigkeit der ganzen Scheibenelemente eine ideale Voraussetzung, sowohl für eine gute Wärmeleitfähigkeit wie auch für eine gute Druckfestigkeit.
Der statische Schmelzemischer wird an der Austrittseite des Einspritzkopfes befestigt. Eingangsseitig in die Scheibenelemente wird ein scheibenartiges Übergangsstück mit einer Querschnittsüberführung von dem Zuführkanal des Einspritzkopfes in den inneren Durchströmquerschnitt des statischen Mischers angeordnet.
Jedes der zwei oder mehreren Scheibenelemente weist einen äusseren Flansch mit mehreren durchgehenden Bohrlöchern auf, in welchen die Ankerschrauben geführt sind, zur druckfesten Verbindung mit dem Spritzkopf. Der ganze statische Mischer kann auf diese Weise nach dem Lösen der Ankerschrauben in die Einzelzeile zerlegt und leicht gereinigt werden. Der Einspritzkopf hat ein äusseres zylindrisches Übergangsstück, das aussen etwa den Abmessungen der Scheibenelemente entspricht. Dies erleichtert das Anbringen von gleichen Heizelementen. Die Scheibenelemente des statischen Mischers sind in zusammengebautem Zustand vollständig mit einem Heizmantel zu umgeben. Damit wird der Forderung eines optimalen Wärmeflusses von aussen in den statischen Mischer und umgekehrt auf eine bestmögliche Weise entsprochen. Kurze Beschreibung der Erfindung
Die neue Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
die Figur 1 einen Spritzkopf einer Spritzgiessmaschine mit zwischengeschaltetem statischem Mischer und einer angebauten Spritzdüse mit flachen
Scheibenelementen; die Figur 2a ein einzelnes flaches Scheibenelement, perspektivisch dargestellt; die Figur 2b ein Scheibenelement gemäss Figur 2a schematisch im Schnitt dargestellt; die Figur 3a eine Draufsicht auf ein einzelnes, flaches Scheibenelement; die Figur 3b ein Schnitt III - III der Figur 3a; die Figur 4a ein Schnitt VI - VI der Figur 4a; die Figur 4b eine Ansicht IV der Figur 6; die Figur 5 schematisch einen statischen Mischer mit vier um 90° winkelverdreht eingebauten flachen Scheibenelementen; die Figur 6 ein Mischkopf mit zwei, um 90° versetzt eingebauten und beidseits dachförmig ausgebildeten Ein- bzw. Austrittsflächen; die Figur 7a ein Mischkörper gemäss Figur 6 in grosserem Massstab; die Figur 7b eine perspektivische Darstellung der Figur 7a; die Figur 7c ein Ausschnittsdetail eines Mischkanalein- bzw. austrittes aus dem
Mischkörper; die Figur 8 den Mischkörper gemäss den Figuren 6 und 7 mit verschiedenen
Schnittdarstellungen; die Figur 9 schematisch die Überführung der heissen Schmelze von der
Plastifizierschnecke bis in die Kavitäten der Spritzgiessoform; die Figur 10 schematisch das mehrfach distributive Mischen mit dachförmigen
Mischkörpern.
Wege und Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt den vordersten Teil einer Plastifiziereinheit mit einem Einspritzkopf 1 , einem statischen Mischer 2 sowie einer Spritzdüse 3. Nur angedeutet ist der Plastifizierzylinder 4. Nicht dargestellt ist die Plastifizierschnecke, welche mit dem Bezugszeichen 5 angedeutet ist. Mit d.zyl. ist der innere Durchmesser des Plastifizierzylinders bezeichnet, mit einem konischen Übergang 6 sowie einem Zylinderauslass 7. Ein Heizmantel 8 ist in dem Bereich des Einspritzkopfes 1 sowie des Plastifizierzylinders 4, ferner ein Heizmantel 9 in dem Bereich des statischen Mischers angeordnet. Die Richtung der Schmelzeströmung ist mit Pfeil 1 1 , 1 1 ' angegeben, welcher von rechts nach links geht. Ganz links weist die Spritzdüse 3 eine Düsenöffnung 1 2 für das Anlagen am Spritzwerkzeug auf, welche am Ende des Durchtrittskanales 1 3 der Spritzdüse angeordnet ist. Im Einspritzkopf 1 wird die Schmelze in einen relativ engen Schmelzekanal 14 geführt, welcher in einer konischen Erweiterung 1 5 in den statischen Mischer 2 überführt ist. Der statische Mischer besteht aus einem scheibenförmigen Übergangsstück 16 am Einlauf in den Mischer sowie einem Übergangsstück 1 7 am Auslauf des statischen Mischers 2. Das Übergangsstück 1 6 weist einen Einlaufkonus 1 8 und das Übergangsstück 1 7 einen Auslaufkonus 1 9 auf. Mit dem Beispiel gemäss Figur 1 weist der statische Mischer 2 vier flache Scheibenelemente 20, 20', 20", 20'" auf, welche je in einem Winkel verdreht eingebaut sind. Der statische Mischer 2 wird zusammen mit einem Spannflansch 21 der Spritzdüse 3 über Ankerschrauben 22 mit dem Einspritzkopf fest verschraubt. Nach Lösen der Ankerschrauben 22 kann die Spritzdüse 3 zusammen mit den Elementen 16, 20, 20', 20", 20'" sowie 1 7 gelöst werden und beispielsweise für Service- oder Reinigungszwecke auseinander genommen und wieder zusammen- bzw. angebaut werden. Es werden sechs kräftige Ankerschrauben 22 vorgeschlagen, welche ringförmig angeordnet werden und eine Art "Käfig" für die Scheibenelemente 20 bilden. Jedes Scheibenelement hat als Beispiel sechs durchgehende Bohrlöcher 23 für die Ankerschrauben 22. Werden nun die flachen Scheibenelemente 20 um je 60°, 90° oder 1 20° usw. verdreht eingebaut, entsteht eine zusätzliche Richtung für die Teilströme TMx, TMy, von Scheibenelement zu Scheibenelement und eine entsprechend zusätzliche Mischwirkung.
Ein Beispiel eines flachen Scheibenelementes 20, 20', 20", 20'" ist in den Figuren 2a und 2b in grosserem Massstab perspektivisch dargestellt. Die äusseren charakteristischen Merkmale eines flachen Scheibenelementes sind der äussere Durchmesser D sowie die Breite B. Quer zur Richtung des Schmelzeflusses 29 ist die Mischraumweite Mw zusammen mit der Mischraumlänge ML (Figur 1 ). Jedes flache Scheibenelement 20 weist im Inneren innerhalb der Mischraumweite Mw bzw. 27 eine Eintrittsstirnseite 25 mit Mischkanälen bzw. Mischbohrungen 24 auf, welche durchgehend bis zur Austrittsstirnseite 26 geführt sind. Wie aus den Figuren 2a und 2b ersichtlich ist, sind die Mischbohrungen bzw. Mischkanäle 24 in mehreren versetzten Reihen als Gruppen 32, 32', 33, 33' angeordnet, welche je um einen Winkel α bzw. ß mit unterschiedlichem Schrägwinkel zu der Mittenachse 29 eingebohrt sind (Figur 2b). Dies bedeutet, dass der Schmelzestrom M in unterschiedliche Teilströme TM1 , TM2 mit unterschiedlicher Richtung aufgeteilt wird. Da nicht nur zwei unterschiedliche Misch bohrungen sondern beispielsweise 20, 40 oder mehr in einem einzelnen Scheibenelement angeordnet sind, ergibt sich eine entsprechend grosse Anzahl Teilströme TMx, TMy, für jedes Scheibenelement 20.
Die Figuren 3a und 3b zeigen verschiedene Schnitte bzw. Ansichten eines flachen Scheibenelementes. Ein wichtiger Ausgestaltungsgedanke ist aus den Figuren 3a, 3b sowie 4a und 4b erkennbar. Jedes Scheibenelement weist auf einer Seite einen Passring 40 und auf der anderen Seite eine dazu passende zylindrische Vertiefung bzw. Zentrierung 41 mit einer Passfläche 42 auf. Der Passring 40 hat auf der Stirnseite eine innere Dichtfläche 43 sowie eine äussere Abstützkante 44. Aus der Figur 3b erkennt man, dass an den kreuzenden Stellen der versetzten Reihen 32, 33 von Mischkanälen 24 Austauschflächen 30 vorgesehen sind. Die sich kreuzenden Mischkanäle sind so eng aneinander angeordnet, dass sich diese an den Kreuzungsstellen überschneiden. Die Austauschflächen ergeben einen zusätzliche Mischeffekte von Mischkanal zu Mischkanal. Die Mischkanäle 24 werden so dicht aneinander gereiht, dass sich die inneren Mischkanäle überschneiden, was aus den bizarr aussehenden teilweisen Durchdringungen 47 in den Figuren 4a und 4b zum Ausdruck kommt.
Beim Beispiel gemäss Figuren 4a und 4b sind je drei versetzte Reihen 34 bzw. 35 angeordnet. Dabei sind die Reihen 34 dunkel markiert. Zwischen den beiden Reihen 34 und 35 ergibt sich ein Überschneidungsgebiet Ü. Innerhalb des Passringes 40 ist jeweils eine Mischkammer 45, in welcher alle Teilströme eines Scheibenelementes eintreten und umgelenkt werden in die Mischbohrungen des folgenden Scheibenelementes. Jedes Scheibenelement weist einen äusseren Flansch 28 auf. Die Tiefe "T" des Spannringes ist kleiner als die Höhe "H" des vorstehenden Passringes 40, damit beim Zusammenbau die Dichtfunktion sichergestellt und unter grossen Presskräften die Abstützkante 44 einen Teil der Druckkräfte aus der Schraubverbindung übernimmt.
Die Figur 5 zeigt einen zusammengebauten Mischer 2 mit flachen Scheibenelementen in grosserem Massstab. Der Mischer hat vier Scheibenelemente 20, 20', 20", 20'". Dabei sind als Beispiel je zwei Scheibenelemente 20 , 20" im Verhältnis zu den Scheibenelementen 20', 20"' um 180° verdreht eingebaut. Der Grad der Verdrehungsmöglichkeit hängt ab von der Anzahl Bohrlöcher 23. Die Mischqualität kann somit direkt: 1 . durch die Anzahl, Grösse und Anordnung der Mischbohrungen 24 sowie deren Anordnung zueinander sowie
2. durch den winkelverdrehten Einbau der einzelnen Scheibenelemente 20, 20',
3. sowie durch die Anzahl der Scheibenelemente beeinflusst werden.
Als Regel gilt, je mehr Mischkanäle und Scheibenelemente, desto grösser der Mischeffekt. Die Mischbohrungen und deren Ausrichtung in einem einzelnen Scheibenelement können identisch und auch unterschiedlich sein. Das letzte Scheibenelement kann nur Mischbohrungen parallel zu der Mittenachse 29 aufweisen, damit eine ungestörte Laminarströmung für den Schmelzeaustritt entsteht.
Die Figur 6 zeigt einen statischen Mischkopf 56 mit zwei um 90° verdreht eingebauten Scheibenelementen 50, 50' mit einem dachförmigen Mischkörper. Jeder der Scheibenelemente 50, 50' weist innen einen Mischkörper 51 x bzw. 51 XX sowie nach aussen ein Mischerwandteil 52 auf. Zwischen den beiden Scheibenelementen 50, 50' ist eine Distanzhülse 53 zwischengeschaltet. Je eine entsprechende Eintritts- Distanzhülse 54 und Austritts-Distanzhülse 55 ist angeordnet. Der ganze Mischkopf 56 wird mittels der Ankerschrauben 22 an dem austrittsseitigen Ende des Einspritzkopfes 1 angeschraubt.
Die Figuren 7a und 7b zeigen ein Scheibenelement 50, 50' mit einem dachförmigen Mischkörper 51 in grosserem Massstab. Die Figur 7c zeigt einen Mischkanal bzw. eine Mischbohrung 24 im aus- bzw. Eintrittsbereich. Dabei weist die Mischbohrung eine Ansenkung 57 auf.
Die Figur 8 stellt verschiedene Schnitt A - F dar. Es sind dabei auch die Austauschflächen 58 erkennbar. In Bezug auf die Mischerlängsachse 29 sind die beiden dachförmigen Eintrittsstirnseiten 25*, 25** in einem Winkel von etwa 45 ° angeordnet. In den in der Figur 8 gewählten Schnittdarstellungen hat der Mischkörper etwa eine Viereckform. Daraus ergibt sich, dass alle Mischbohrungen 24 etwa gleich lang sind (BL).
Die Figur 9 zeigt schematisch die Schmelzeüberführung von der Einspritzschnecke bis in die Form, einen vollständigen Mischkopf 60. Mit einem Übergangsstück 61 an den Einspritzzylinder. Im Übergangsstück 61 ist ein Drehventil 62 angeordnet. Nur schematisch ist ein Speisetrichter 63 für das trockene Rohmaterial sowie ein Einspritzaggregat 64 dargestellt. Die Schmelze 65 strömt vom Übergangsstück 61 in den Mischkopf 60. Die Schmelzemasse M1 wird als Masse M2 in ein Hotrunner/Verteilsystem 66 sowie den einzelnen Kavitäten einer Spritzgiessform 67 überführt.
Die Figur 10 zeigt als Ausschnittvergrösserung den Mischkopf 60. Der Schmelzestrom M 1 wird durch die dachförmigen Eintrittsflächen 25X, 25XX in zwei Teilströme Mal und Mb1 aufgeteilt. Wie mit den Pfeilen 68 und 69 angedeutet ist, wird der jeweilige Teilstrom Mal bzw. Mb1 auf die jeweils andere Seite des Mischers umgelenkt. Die entsprechenden Teilströme Ma2 und Mb2 treten auf der je entsprechenden anderen Seite in den zweiten, um 90° verdreht eingebauten Mischkörper 51 XX ein. Durch den verdrehten Einbau des zweiten Mischköprers 51 XX ergibt sich eine weitere Aufteilung in zwei Teilströme, diesmal jedoch in zwei anderen Quadranten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zyklischen Überführung heisser Kunststoffschmelze unter hohem Druck von einer Einspritzschnecke über einen Einspritzkopf in die Kavitäten einer Spritzgiessform einer Spritzgiessmaschine, wobei die Schmelze über eine Vielzahl von unterschiedlich verlaufenden und sich kreuzenden Mischkanälen in Mischkörpern eines Mischers statisch gemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kräfte aus dem Schmelzedruck durch eine massive Bauweise des Mischers direkt in die Druckhaltestruktur des Einspritzkopfes überführt wird und die Schmelze mehrfach distributiv gemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper aus einem Vollkörper mit einer hohen mechanischen Festigkeit herstellt ist und Fremdteile, insbesondere Metallteile, schadenfrei zurückhält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper in Störmungsrichtung dachförmige Eintrittsflächen aufweist, derart, dass der ganze Schmelzestrom aufgeteilt wird den die Schmelzeströme durch eine winklige Anordnung der Mischkanäle auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Mischkörper austreten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ganze Schmelzemasse unter Vermeidung von Totzonen zumindest angenähert gleichmässig durch zwei oder mehrere Mischkörper geführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkörper als einstückiges Scheibenelement mit einem äusseren Mischerwandteil ausgebildet sind und als Teil eines Mischkopfes analog zu einer Spritzdüse von aussen her beheizt bzw. temperiert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzei chnet, dass durch kleinquerschnittige Ausbildung der Mischkanäle und dicken verbleibenden Wandstärken zwischen den Mischkanälen ein otimaler Wärmefluss bis ins Innere des Mischkörpers erzeugt wird.
7. Vorrichtung zur zyklischen Überführung heisser Kunststoffschmelze über einen Einspritzkopf in die Kavitäten einer Spritzgiessform einer Spritzgiessmaschine mit einem zwischengeschalteten statischen Schmelzemischer, mit einer Vielzahl von unterschiedlich in einem Winkel zur Mischerlängsachse verlaufenden Mischkanälen, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Schmelzemischer wenigstens ein Scheibenelement mit einem äusseren Mischerwandteil und einem inneren, integrierten Mischkörper mit einer Vielzahl von Mischkanälen aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Scheibenelement vom äusseren Mischerwandteil bis zu dem Mischkörper einstückig und aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einer Stahllegierung, hergestellt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei oder mehrere Scheibenelemente aufweist, wobei die Mischkanäle zumindest eines Scheibenelementes kleinquerschnittig sind, und vorzugsweise ein Durchmesser von kleiner 9 mm aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der Mischkörper eingangs- und ausgangsseitig konvex, insbesondere dachförmig ausgebildet ist, mit entsprechend schrägen Eintritts- und Austrittsflächen, wobei die beiden Schrägflächen vorzugsweise einen Winkel von etwa 30° bis 60°, besonders vorzugsweise von etwa 45° zur Mischerlängsachse bilden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper in einem Querschnitt, der die Mischerlängsachse enthält, zumindest angenähert eine Viereckform aufweist, mit etwa gleich langen durchgehenden Mischkanälen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch ge kennzeichnet, dass die Eingänge der Mischkanäle in Bezug auf die Schrägflächen derart angeordnet sind, dass ein Teil der Eingänge bis in den Randbereich der inneren Mischerwand und ein Teil der Eingänge im zentralen Bereich des Schmelzeflusses angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Mikschkörper etwa der Dicke des äusseren Mischerwandteiles entspricht und als ganzes ein im Wesentlichen flaches Scheibenelement bildet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge kennzeichnet, dass jedes der Scheibenelemente innerhalb des Spannringes einerseits eine zylindrische Vertiefung und auf der anderen Seite einen axial vorstehenden Passring aufweist, welche mit dem je anschliessenden Scheibenelement eine Zentrier- und Führungsfunktion ergeben, wobei der innere zylindrische Teil des vorstehenden Passringes den grössten freien Durchströmquerschnitt des statischen Mischers bzw. der Mischscheibe ergibt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass alle Mischkanäle eines Mischkörpers von einer Eintrittsseite auf die andere Austrittsseite durchgehend verlaufen, wobei die Mischkanäle aus dem vollen Material, insbesondere als durchgehende Bohrlöcher ausgearbeitet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, dass die Mischkanäle eines Scheibenelementes aus ersten versetzt angeordneten Gruppen von gleichgerichteten Mischkanälen bestehen, welche die Schmelze¬ strömung aus der Mischerlängsachse gruppenweise umlenken, wobei die einzelnen Mischkanäle sich innerhalb des Mischkörpers mit offenen Austauschflächen mit den Mischkanälen zweiter Gruppn ein- oder mehrfach kreuzen, welche in einem Winkel zu den ersten Gruppen angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dad u rch ge ke nnzeichnet, dass jedes der Scheibenelemente wenigstens 4, 6 oder mehr entsprechend versetzt angeordnete erste und zweite Gruppen von durchgehenden Mischkanälen aufweist, so dass durch entsprechendes winkelverdrehtes Zusammenfügen eine je unterschiedliche Strömungsrichtung für den Schmelzefluss von Scheibenelement zu Scheibenelement entsteht.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeic hnet, dass das äussere Mischerwandteil als Flansch mit mehreren durchgehenden Bohrlöchern für Ankerschrauben ausgebildet ist, wobei zwei oder mehrere Scheibenelemente mittels der Ankerschrauben käfigartig mit dem Spritzkopf druckfest und dicht verbindbar sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, dass der ganze statische Schmelzemischer vorzugsweise mit einem Spritzdüsen- übergangsteil als Baugruppe ausgebildet ist und schnell demontierbar, in die Einzelteile zerlegbar und wieder montierbar ist.
2 O.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkopf ein zylindrisches Übergangsstück aufweist, das etwa den äusseren Abmessungen der Scheibenelemente entspricht, welche über aussen angebrachte Mantelheizelemente heizbar sind.
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