WO2009103803A1 - Verfahren für das aufbereiten der schmelze und plastifiziereinheit - Google Patents

Verfahren für das aufbereiten der schmelze und plastifiziereinheit Download PDF

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WO2009103803A1
WO2009103803A1 PCT/EP2009/052065 EP2009052065W WO2009103803A1 WO 2009103803 A1 WO2009103803 A1 WO 2009103803A1 EP 2009052065 W EP2009052065 W EP 2009052065W WO 2009103803 A1 WO2009103803 A1 WO 2009103803A1
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melt
shot
collector
extruder
plasticizing unit
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PCT/EP2009/052065
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Stefan Bock
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Netstal-Maschinen Ag
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    • B29C45/46—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould
    • B29C45/53—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould using injection ram or piston
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    • B29C45/542—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould using injection ram or piston and plasticising screw using an accumulator between plasticising and injection unit, e.g. for a continuously operating plasticising screw
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    • B29C45/30—Flow control means disposed within the sprue channel, e.g. "torpedo" construction
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    • B29K2105/25—Solid
    • B29K2105/253—Preform

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of the melt by means of an extruder, a plasticizing unit, a melt collector and a weftwise transfer for Sphtzgiessen in multiple forms, in particular for preforms.
  • the invention further relates to a plasticizing unit for the preparation of the melt with at least one extruder and a melt collector for shot-wise injection molding in multiple molds, in particular for preforms.
  • a plasticizing screw is used in the injection molding of plastic parts majority, which has both a rotary drive as well as a linear drive.
  • the advantage here is a compact and low construction.
  • WO 2004/073953 shows a large injection molding machine with one or two plasticizing screws, which partially feed the melt via a transfer channel valve-controlled in a melt depot. After closing the valve in the direction of the transfer channel and release the connection channel between the cylindrical melt deposit and a hot runner nozzle, the melt can be pressed with the required pressure and the required speed in the cavities of the mold.
  • the big advantage of this is that the melt preparation in the area of the plasticizing screw can be structurally relatively low. Melt preparation can be carried out essentially independently of the injections of the melt into the cavities under high pressure.
  • the disadvantage is that there are considerably high demands on the control technology.
  • EP 10 13 397 shows a solution without longitudinal drive of the plasticizing screw.
  • the plasticization takes place in a continuous extruder screw.
  • the quantity of melt which can not be received by the injection unit or the injection piston during a shot is temporarily stored in a melt collector and transferred into the antechamber of the injection piston only when the injection piston retracts.
  • the connecting line must be released via a controllable valve.
  • melt For filling the Einspritzkolbenvorraumes the melt is fed both from the melt collector as well as from the extruder. The mixture of the two amounts of melt is problematic. Melt quantities are transferred in three different time periods into the antechamber of the injection piston:
  • the melt first conveyed into the melt collector,
  • the invention has now been set the task of achieving an optimum melt flow with the best possible control of the individual phases of the entire melt processing, wherein in the melt preparation the same retention time for all melt lots ensured and the melt is treated under always the same conditions.
  • the process according to the invention is characterized in that the melt processed by a continuously operating extruder is passed directly to a fi-melt collector (first in, first out) with a displaceable displacement piston and is transferred intermittently by the melt collector into the cavities of an injection mold.
  • the plasticizing screw according to the invention is characterized in that it comprises a continuously operating extruder and a Fi-Fo melt collector with a displaceable displacement piston for the discontinuous release of the compound Fi-Fo melt collector to the injection mold.
  • Additives can be homogeneously mixed into the melt so that they do not adversely affect the consistency of the granulate intake.
  • a controllable displacement piston pushes the quantity of a single one
  • the solution according to DE 19 517 009 is completely designed for the destination "first in - first out", but is based on a relatively long residence time in the space in front of the plasticizing screw through the pre-depot avoid as much as possible in a melt deposit, in which, for example, the melt collector is designed as a dynamic mixer.
  • the new invention allows a number of particularly advantageous embodiments. Reference is made to claims 2 to 7 and 9 to 18 reference.
  • the plasticizing unit preferably has two extruders operating in parallel, of which the melt is fed into the collecting space of the Fi-Fo melt collector via feed channels guided along the displacement piston to the outlet side of the fi-melt collector. It can never be ruled out that slight variations in the melt exiting the extruder will be present in a single extruder. By an absolute symmetry of the transfer channels to the melt collector in the case of two parallel extruders insufficient melt homogeneities can be partially canceled.
  • the backward movement of the displacement piston is produced by the melt pressure from the extruder of the plasticizing unit. During the backward movement of the displacement piston, a back pressure is very particularly preferably generated in order to increase the shearing action in the plasticizing unit.
  • the dynamic pressure at the exit of the extruder or the extruder ensures that a constant mass density is always maintained within the extruder. In this case, a back pressure in the range of less than 50 to 200 bar is maintained. This, in contrast to the pressure in the cavities, which is in the range of 200 to 600 bar.
  • the transfer of the melt from the melt collector into the shot pot is opened via a controllable valve, the valve being closed in the direction of the melt collector during a shot and opened for the transfer of the melt between the shot pot and the cavities of the mold.
  • the controllable valve ensures, as it were, a "clean cut" between the melt preparation from the extruder to the outlet from the melt collector, with a corresponding low pressure of less than 200 bar and the shot-wise transfer of the melt from the shot pot to the mold cavity, which in a pressure range of less than 200 bar.
  • the melt collector is designed as a mixer, wherein the displacement piston is rotated at least during the filling phase of the melt collector in order to produce a dynamic mixing effect. With this dynamic mixing effect, the melt is not only brought to a higher degree of homogeneity but at the same time any local standstill of individual melt lots avoided. This makes it possible to ensure for all melt lots a maximum of the same residence time, from the granules to the injection into the mold cavities.
  • the new extruder unit can have two parallel and continuously operating extruders, which are connected to the melt collector via symmetrically arranged transfer channels, wherein the melt collector can be formed as a grooved tube.
  • the displaceable displacement piston is additionally rotatably drivable, at least during the filling phase of the melt collector, to produce a dynamic mixing effect.
  • the new invention provides a combination of
  • the melt collector is the connecting element between the continuously rotating extruder unit and the shot pot. This eliminates the need for transfer pipes.
  • the axis of the displacement piston of the melt collector is arranged between 15 ° and 45 ° in a vertical, wherein the extruder unit and the axis of the shot pot are arranged horizontally.
  • the change-over valve is designed as a 3-position valve:
  • a slider has the great advantage that it can withstand high pressures for a short time, especially when the slider position does not have to be changed under high pressure.
  • the plasticizing unit has a drive motor and a transmission with two outputs for two extruders.
  • the extruder should work at about constant speed.
  • the plasticizing unit preferably has a control / regulation for a constant drive of the extruder screw which can be set for a specific output, the clocked setting of the valve or the valves and the drive of the displacement piston and the shot-pot piston.
  • a change in the speed of the extruder screw occurs only if the average capacity is too high or too low.
  • the control can be designed, for example, in accordance with WO 2004/073953. If the plasticizing unit has two extruders, these can be arranged laterally and above the shot pot, with the shot pot lying in a common vertical plane with the melt collector. In this way, the requirement of maximum symmetry is met.
  • Figure 1 shows a solution of the prior art with a rotary driven extruder with a melt collector
  • Figure 2 is a solution of the prior art with rotary and linearly driven plasticizing screw without melt collector.
  • FIG. 3 shows schematically the solution according to the invention
  • FIG. 4 shows a plasticizing unit with two extruders, partly in section
  • FIG. 5 shows a plasticizing unit with two extruders in plan view or partly in section in FIG. 4
  • FIG. 6 shows an example of a dynamic mixer with rotary and linear movement of the displacement piston of the Fi-Fo.
  • FIG. 7 schematically shows the melt feed with a
  • FIGS. 8a to 8e show five positions for the dosing process with a dosing chamber located upstream of each cavity; 9 shows an example of the combination of an extruder with a
  • Figures 1 and 2 show solutions of the prior art.
  • 1 shows a continuously operating extruder "B", a buffer “C” and a shot pot "A” -
  • the raw material or the granules 26 via a funnel 7th fed into the cylinder 2 of the plasticizing screw 6.
  • An Anthebsmotor 9 drives via a drive shaft 10 and a clutch 11, the plasticizing screw 6 at a constant speed. According to the classic exruder this only performs a rotary and no linear movement.
  • the extruder "B” One of the big advantages of the extruder “B” is that the length of the plasticizing screw is considerably shorter compared to a plasticizing screw with additional linear movement. The drive and control are simpler.
  • the Shot-Pot "A” works discontinuously or in batches , A Dosiervorraum 4 with a precisely metered amount of melt is filled with simultaneous withdrawal of an injection piston 3 via a controllable valve or a control valve 13 in an open position. After reclosing the control valve 13, the shot pot “A” is ready for a shot.
  • the injection piston 3 moves to the left and injects the hot melt into the cavities of the mold halves via the injection nozzle 5. Since the extruder "B” operates continuously, it must the discontinuous function of the shot pot 41 can be bridged by means of a buffer "C".
  • Figure 2 shows another solution of the prior art with a plasticizing screw 20, which rotationally and linearly via a combined gear 21 with a corresponding drive motor 22, a belt transmission 23 and two gears 25 respectively. 25 'are driven.
  • the plastic granules 26 is mounted in the hopper 7.
  • For the melt preparation of the plasticizing cylinder 27 is heated over the entire length of heating elements 28.
  • the main difference of Solution according to FIG. 2 for the solution according to FIG. 1 lies in the fact that the discontinuity for the shot-wise introduction of the melt into the cavities of the mold is ensured by the additional linear movement of the plasticizing screw 20.
  • FIG. 3 schematically shows a novel solution according to the invention.
  • an extruder 30 is shown, which opens with a transfer channel 37 via a groove tube 55 in a Fi-Fo memory 32.
  • the typical thing about the Fi-Fo memory 32 is the principle of "first in” and “first out”.
  • the melt which was last introduced is ejected from the melt collector "C.”
  • the Fi-Fo accumulator 32 according to FIG. 3 is considerably more advantageous for problematic melts, for example for preforms of beverage bottles. It has been found that, for example, the AA values could be greatly improved with the solution according to the invention.
  • the Fi-Fo accumulator 32 essentially has a cylindrical housing 33 in which a displacement piston 34 can be displaced axially, as shown by arrow 35.
  • the Fi-Fo accumulator 32 has a first section which has a heart shape (FIG 4).
  • the transition 37 goes from a simple tube shape ( Figure 3) in the heart shape ( Figure 4).
  • the flow channel is guided around between the displacement piston 34 and the inner housing wall, so that in a development a heart shape is formed.
  • the housing is formed inside as a groove tube 42.
  • the displacement piston 34 can be driven by a simple hydraulic cylinder 39 with a piston 40.
  • the melt is transferred via a pipe 31 from the Fi-Fo memory 32 into the shot pot 41.
  • the shot pot 41 may be formed analogously to the shot pot according to FIG.
  • a controllable valve 48 may take the following positions: a) fill free passage 44 for metering space ( Figure 4), b) free passage 45 from shot pot 41 for injection into the mold ( Figure 3), c) ejection for empty syringes (Fig. 4) via passage 42.
  • FIG. 3 shows a solution with only one extruder 30. Such is more suitable for smaller and medium machine sizes.
  • FIGS. 4 and 5 show a plasticizing unit with two extruders 51 and 52 (FIG. 5).
  • the junctions of the extruder exits 53, 54 are guided symmetrically in a groove tube 55.
  • the heart shape lies approximately in the upper third of the groove tube 55.
  • the length of the groove tube 55 ensures that together with the two heart shapes 56, 57 a fairly high uniformity or Homogenization of the melt flows can be forced.
  • the groove tube 55 can, as shown in Figure 4, are arranged perpendicular or slightly inclined outside the piston. This has the advantage that the arrangement is space-saving. Other solutions require an additional connection tube.
  • FIG. 6 shows on the left in view, right in section another embodiment of a Fi-Fo-melt memory 32, wherein a rotary driven displacement piston 63 is formed as a dynamic mixer 69.
  • a heart-shaped inlet can be used in the region of the melt reservoir 32.
  • the Displacement piston 63 may be formed externally as a mixing grid 64 and inside as a cylindrical displacement body 65. It is essential that the mixing body 66 carries out both a rotating movement (arrow 67) and a linear movement (arrow 68). The displacement piston 63 and the mixing body are pushed back by the melt pressure; conversely, this is driven by a drive 77 for ejection.
  • FIG. 7 shows a particularly advantageous embodiment of the melt metering with a large number of miniature shot pots 43.
  • the device has a metering antechamber 70, which is connected to a melt transfer channel 100 and an extruder, as indicated by arrow 101.
  • a valve needle 105 is arranged within the metering antechamber 70 and a melt channel 102, which keeps the injection nozzle 103 closed with the valve needle tip 104.
  • the valve needle 105 On the right half, the valve needle 105 has a valve body 106, which closes the valve seat 107 in the opposite position.
  • the valve needle 105 is actuated by a piston 108, which is controlled within a cylinder 109 by means of a pneumatic medium 112 and valves 110 and 111 in the required cycle of the injection cycle.
  • the pneumatic medium 112 is shown with larger dots and the melt with fine dots.
  • the melt is heated, at least in the metering antechamber 70 and the shrinkage compensation chamber 99, in the melt transfer duct 100 by means of heating elements 113.
  • FIG. 7 shows an interplay between refilling the metering antechamber 70 and transferring the metering chamber volume into the cavity 60, which is determined by the cooling sleeves 29 and the cores 24. For this purpose, the whole device 114 moves to the right.
  • FIGS. 8a to 8e show the embodiment according to FIG. 7, in which the melt is exactly predosed before injection into the cavity 60.
  • the metering antechamber 70 has a cylindrical shape, so that a corresponding piston 71 analogous to a piston pump can make a presettable displacement movement.
  • the metering antechamber 70 is filled and, as shown in FIGS.
  • FIG. 8e shows the compression phase.
  • the hot runner of the tool serves as a "pre-manifold" to fill a melt chamber directly in front of the respective needle valve nozzles which are present in front of each cavity 60, which can receive the melt up to the maximum shot weight of a preform
  • the pistons of the hot runner are guided through these pistons to the tip of the nozzle, they can close the nozzles in the front position, unlike with this closing technique
  • these needles in the retracted position separate the hot runner manifold from the melt chambers This advantageous construction allows the good melt distribution of a hot runner to be used to charge the subsequent melt chambers under similar pressure conditions n very precise shot weight per cavity.
  • the closing unit can be closed again after release. During the filling phase of the melt chambers, these are sealed by the closure needles despite the relative movement of the piston from the cavities. This is ensured by the tracking of the valve pins thanks to an extended stroke. The shape can only be closed as far as it is for the Compression injection molding process is ideal.
  • the needles close, at the transition to the cooling time.
  • the tool is opened in a known manner. With the opening stroke of the closing unit, the refilling of the melt chambers can be initiated at the same time and the damping can be returned to its starting position, depending on the design.
  • the piston plate is pushed by the inflowing melt back into a presettable position. This position determines exactly the amount of melt of the individual chambers.
  • the closure needles are designed in such a way that they keep the nozzles closed during the filling process in order to prevent the melt from flowing into the cavities due to the filling pressure (FIG. 8e).
  • the closing unit can be closed again except for the damping, which in turn initiates the injection of the melt.
  • this injection unit works in any slightly modified horizontal or vertical Sphtzgiessmaschine with sufficient closing forces.
  • the injection time overlaps with the closing movement, which shortens the cycle time.
  • the melt can be injected into the cavities against a lesser resistance since the cores are not yet in the final position. Only when the cores are pressed into their final position due to the remaining closing movement for "reprinting functions", a uniform melt pressure in the cavity is created.It can be assumed that the closing forces are significantly lower than in the prior art, for example according to WO 2004 / 073953.
  • the quality of the preforms or of the PET bottles produced from them is largely based on the quality of the preforms.
  • the geometry and the wall thickness determine the wall thickness distribution and thus also the geometry of the bottle by stretching and inflating the preform.
  • the preforms play an essential role in the production of PET bottles. As a result, the preforms undergo the following quality checks:
  • acetaldehyde in the foreground.
  • the taste and smell of the filling medium must not be influenced by foreign components. That's why they carried out various tests with the PET bottles. It can be found substances that have a fruity taste.
  • the challenge of the preform manufacturers is to keep the acetaldehyde value as low as possible so as not to affect the natural taste of the mineral water.
  • acetaldehyde can be formed as a cleavage product of the polymer chains. Degradation of the polyester chains during the melting process leads to the formation of acetaldehyde.
  • Acetaldehyde is a simple organic compound (CH 3 CHO). It is a colorless, volatile liquid (boiling point 20,8 0 C) with a clearly perceptible fruit-like smell. Fruits that are ripe for maturation contain acetaldehyde as a natural ingredient. This applies, for example, to apples and citrus fruits. In the food industry, acetaldehyde is added as an additive to many foods for flavoring. For example, ice cream and chewing gum contain acetaldehyde.
  • Acetaldehyde is formed during the fermentation of sugar into alcohol and is also present in human blood. In this respect, acetaldehyde can be considered as physiologically harmless. As an additive for food, acetaldehyde is officially released in the Handbook of Food Additives.
  • the acetaldehyde content in the bottle and therefore also in the preform must be as low as possible. Water is particularly sensitive to the slightest changes in smell and taste. The purity, originality and naturalness of the mineral water must also remain inviolable in the PET bottle. For this reason, detailed studies on the subject of acetaldehyde in water were carried out. These showed that the taste threshold for sensory detection of acetaldehyde in mineral water was much lower than the odor threshold. The taste-dependent threshold depends on both the subjective perceptions of the test persons and the taste of the mineral (mineral content, etc.) of the mineral water.
  • a direct correlation between the AA content in the preform and the AA content in the product does not yet exist.
  • the acetaldehyde which is "stored” in the bottle wall after its formation, migrates into the medium after a certain time.
  • These migration processes that is the rate of acetaldehyde transfer from the bottle wall to the package, depends on the environmental conditions.
  • One of the main influencing factors is the ambient temperature. As the temperature increases, the migration rate increases.
  • the new solution offers a special advantage with the continuous extruder and the Fi-Fo-memory very good conditions for high quality properties.
  • FIG. 9 shows a combination of an extruder 30 and a multiplicity of miniature shot pots 43, whose most important components are: a metering antechamber 70, a valve needle 105, displacement pistons 34 and a pneumatic cylinder 109.
  • the plasticizing screw 6 carries out a constant rotating movement ,
  • the displacement piston primarily performs a linear movement in the rhythm of the injection cycle.
  • the displacement piston moves relative to the Dosiervorraum 70 in time with the piston 108 and the valve needle 105.
  • Additives 46 can be supplied by means of a pump 47 of the plasticization.

Landscapes

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • 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 ein Verfahren und eine Plastifiziereinheit (15) für das Aufbereiten der Schmelze mittels Extruder (30, 51, 52). Die Besonderheit der erfindungsgemässen Lösung liegt darin, dass die von einem Extruder kontinuierlich aufbereitete Schmelze direkt einem Fi-Fo-Schmelzespeicher (32) (first in, first out) mit einem verschiebbaren Verdrängungskolben (34) zugeführt und von dem Schmelzesammler (32) diskontinuierlich einem einzelnen Shot-Pot (41) oder einer Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots (43) zugeführt wird.Von dem Shot-Pot (41) bzw. den Shot-Pots (41) wird die Schmelze schussweise in die Kavitäten (60) einer Spritzform (115) überführt. Dadurch, dass bei jedem Schmelzeschuss alle Partien der Schmelze gleich lang die Schmelzaufbereitung durchlaufen, wird auch der Forderung einer gleichbleibenden Qualität der Spritzteile in Mehrfachformen, insbesondere auch für die Herstellung von Preformen (8), in hohem Ausmass Rechnung getragen.

Description

Verfahren für das Aufbereiten der Schmelze und Plastifiziereinheit
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Aufbereiten der Schmelze mittels Extruder, einer Plastifiziereinheit, einem Schmelzesammler und schussweiser Übergabe zum Sphtzgiessen in Mehrfachformen, insbesondere für Preformen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Plastifiziereinheit für das Aufbereiten der Schmelze mit wenigstens einem Extruder und einem Schmelzesammler zum schussweisen Spritzgiessen in Mehrfachformen, insbesondere für Preformen.
Stand der Technik
In der Praxis wird beim Spritzgiessen von Kunststoffteilen mehrheitlich eine Plastifizierschnecke verwendet, welche sowohl einen rotativen Antrieb wie auch einen Linearantrieb aufweist. Vorteilhaft dabei ist eine kompakte und niedrige Bauweise. Je grösser die Ausstossleistung einer Maschine ist, umso grösser muss auch die Plastifiziereinheit sein. Bei ganz grossen Maschinen ist es oft erforderlich, dass zwei parallele Plastifizierschnecken eingesetzt werden.
Die WO 2004 / 073953 zeigt eine grosse Spritzgiessmaschine mit einem oder zwei Plastifizierschnecken, welche teilweise die Schmelze über einen Überleitkanal ventilgesteuert in ein Schmelzedepot einspeisen. Nach Schliessen des Ventils in Richtung des Überleitkanals und Freigabe des Verbindungskanals zwischen dem zylindrischen Schmelzedepot sowie einer Heisskanal-Düse kann die Schmelze mit dem erforderlichen Druck sowie der erforderlichen Geschwindigkeit in die Kavitäten der Form gepresst werden. Der grosse Vorteil dabei liegt darin, dass die Schmelzeaufbereitung in dem Bereich der Plastifizierschnecke baulich relativ niedrig sein kann. Die Schmelzeaufbereitung kann im Wesentlichen unabhängig von den Einschüssen der Schmelze in die Kavitäten unter hohem Druck erfolgen. Der Nachteil liegt darin, dass dafür beachtlich hohe Anforderungen an die Regeltechnik gestellt sind.
Die EP 10 13 397 zeigt eine Lösung ohne Längsantrieb der Plastifizierschnecke. Die Plastifizierung findet in einer kontinuierlich arbeitenden Extruderschnecke statt. Die von der Einspritzeinheit bzw. dem Einspritzkolben während einem Schuss nicht aufnehmbare Schmelzemenge wird in einem Schmelzesammler zwischengespeichert und erst beim Rückzug des Einspritzkolbens in den Vorraum des Einspritzkolbens überführt. Zuvor muss jedoch die Verbindungsleitung über ein steuerbares Ventil freigegeben werden.
Für das Füllen des Einspritzkolbenvorraumes wird die Schmelze sowohl von dem Schmelzesammler wie auch von dem Extruder zugeführt. Die Mischung der beiden Schmelzemengen ist problematisch. Es werden Schmelzemengen in drei unterschiedlichen Zeitabschnitten in den Vorraum des Einspritzkolbens überführt:
• das zuletzt plastifizierte Material aus dem Extruder,
• die zuerst in den Schmelzesammler geförderte Schmelze,
• die zuletzt in den Schmelzesammler geförderte Schmelze.
Die DE 19 517 009 schlägt eine Kombination von Zwischenspeicher und Einspritzkolben vor. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass hohe Anforderungen an die einzelnen Funktionen gestellt werden, damit keine negativen Rückwirkungen entstehen. Der Übergang zwischen dem tiefen Druck in der Extruderschnecke zu dem sehr hohen Druck im Einspritzkolben ist schwierig zu beherrschen. Das Herzstück der Plastifizierung ist eine rotativ und axial angetriebene Schnecke, welche im Sinne der klassischen Sphtzgiessanwendung im Wechsel Dosieren - Einspritzen arbeitet. Die Schmelzverweilzeit ist nicht optimal.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, einen optimalen Schmelzefluss bei bestmöglicher Kontrolle der einzelnen Phasen der ganzen Schmelzeaufbereitung zu erreichen, wobei bei der Schmelzeaufbereitung eine möglichst gleiche Verweilzeit für alle Schmelzepartien sichergestellt und die Schmelze unter immer gleichen Bedingungen aufbereitet wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die von einem kontinuierlich arbeitenden Extruder aufbereitete Schmelze direkt einem Fi-Fo- Schmelzesammler (first in, first out) mit einem verschiebbaren Verdrängungskolben geführt und von dem Schmelzesammler diskontinuierlich schussweise in die Kavitäten einer Spritzform überführt wird.
Die erfindungsgemässe Plastifizierschnecke ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen kontinuierlich arbeitenden Extruder und einen Fi-Fo-Schmelzesammler mit einem verschiebbaren Verdrängungskolben zur diskontinuierlichen Freigabe der Verbindung Fi-Fo-Schmelzesammler an die Spritzform aufweist.
Von dem Erfinder ist erkannt worden, dass bei allen im Stand der Technik bekannten Lösungen immer nur ein Teilsegment der Schmelzeaufbereitung optimiert wurde. Ein ganz zentraler Aspekt, nämlich eine gleiche Verweilzeit aller Schmelzepartien auf dem Weg von dem Einbringen des Kunststoffgranulates bis zum Einspritzen in die Kavitäten der Spritzformen, konnte nicht gelöst werden. Damit aber konnte eine der höchsten Forderungen, nämlich eine gleichbleibende Qualität der Spritzteile in Mehrfachformen, oft nur ungenügend erfüllt werden. Hierzu wird auf die Ausführungen der WO 2004 / 073953 vollinhaltlich Bezug genommen. In der Praxis zeigt sich, ganz besonders bei Preformen für die Herstellung von PET-Flaschen, dass beispielsweise für die AA-Werte nur eine enge Bandbreite tolerierbar ist. Dadurch, dass bei jedem Spritzzyklus jede kleinste Partie der Schmelze gleich lang die ganze Schmelzeaufbereitung durchläuft, wird diese Forderung durch die erfindungsgemässe Lösung zwangsweise gelöst:
■* Ein Extruder bereitet die Schmelze kontinuierlich auf
■* und übergibt diese kontinuierlich einem Schmelzesammler nach dem
Prinzip „first in - first out". ■* Additive können homogen in die Schmelze eingemischt werden, derart, dass sie die Konstanz des Granulateinzuges nicht negativ beeinflussen. ■* Ein steuerbarer Verdrängungskolben schiebt die Menge eines einzelnen
Schusses in den Shot-Pot. ■* Von dem Shot-Pot wird die ganze Schussmenge im Bereich von Sekunden in die Kavitäten der Form überführt. ■* Die neue Erfindung gestattet auch, Mehrschichtverfahren zu betreiben.
Wenn davon ausgegangen wird, dass der ganze Maschinenzyklus in der Grössenordnung von etwa 10 bis 14 Sekunden liegt, hat das diskontinuierliche Überschieben in den Shot-Pot bzw. in die Formkavitäten innerhalb einer Zeitspanne von 1 bis 2 Sekunden einen unbedeutenden Einfluss auf chemische Umwandlungsprozesse innerhalb der Schmelze. Faktisch ist die Schmelze, abgesehen von Bruchteilen von Sekunden, vom Granulatzustand bis zum Einspritzen in die Kavitäten, dauernd im Fluss. Es gibt keine Stellen, an denen einzelne Schmelzepartien etwa eine doppelte Aufenthaltsdauer haben. Dies trifft zwar für den Schmelzesammler der DE 19 517 009 auch zu, jedoch nicht bei der vorgeschlagenen Lösung mit einer diskontinuierlichen Plastifizierung mit einem Aufbau eines Vordepots vor der Plastifizierschnecke. Die Lösung gemäss DE 19 517 009 ist vollständig auf das Ziel hin „first in - first out" konzipiert, basiert jedoch auf einer relativ langen Verweilzeit in dem Raum vor der Plastifizierschnecke durch das Vordepot. Demgegenüber gibt die erfindungsgemässe Lösung die Grundlage, um jede Ruhezeit in einem Schmelzedepot möglichst zu vermeiden, in dem zum Beispiel der Schmelzesammler als dynamischer Mischer ausgebildet ist. Die neue Erfindung gestattet eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Ausgestaltungen. Es wird dazu auf die Ansprüche 2 bis 7 sowie 9 bis 18 Bezug genommen.
Bevorzugt weist die Plastifiziereinheit bei grossen Maschinen zwei parallel arbeitende Extruder auf, von welchen die Schmelze über längs des Verdrängungskolbens geführte Zuführkanäle bis zur Austrittsseite des Fi-Fo- Schmelzesammlers in den Sammelraum des Fi-Fo-Schmelzesammlers gespiesen werden. Es kann nie ganz ausgeschlossen werden, dass bei einem einzelnen Extruder leichte Variationen der vom Extruder austretenden Schmelze vorhanden sind. Durch eine möglichst absolute Symmetrie der Überführkanäle bis in den Schmelzesammler im Falle von zwei parallel arbeitenden Extrudern können ungenügende Schmelzehomogenitäten teilweise wieder aufgehoben werden. Die Rückwärtsbewegung des Verdrängungskolbens wird durch den Schmelzedruck aus dem Extruder der Plastifiziereinheit erzeugt. Bei der Rückwärtsbewegung des Verdrängungskolbens wird ganz besonders bevorzugt ein Staudruck erzeugt, zwecks Erhöhung der Scherwirkung in der Plastifiziereinheit. Mit dem Staudruck am Ausgang des Extruders bzw. der Extruder wird dafür gesorgt, dass innerhalb der Extruder immer eine konstante Massendichte erhalten bleibt. Dabei wird ein Staudruck in dem Bereich von unter 50 bis 200 bar aufrechterhalten. Dies im Unterschied zum Einpressdruck in die Kavitäten, der im Bereich von 200 bis 600 bar liegt. Die Überführung der Schmelze von dem Schmelzesammler in den Shot-Pot wird über ein steuerbares Ventil geöffnet, wobei das Ventil während eines Schusses in Richtung des Schmelzesammlers geschlossen und für die Überführung der Schmelze zwischen dem Shot-Pot und den Kavitäten der Form geöffnet wird. Mit dem steuerbaren Ventil wird gleichsam ein „sauberer Schnitt" zwischen der Schmelzeaufbereitung von dem Extruder bis zum Austritt aus dem Schmelzesammler sichergestellt. Dies mit entsprechendem Niederdruck von unter 200 bar sowie dem schussweisen Überführen der Schmelze von dem Shot-Pot in die Form kavitäten, was in einem Druckbereich von unter 200 bar erfolgt. Ganz besonders bevorzugt ist der Schmelzesammler als Mischer ausgebildet, wobei der Verdrängungskolben zumindest während der Füllphase des Schmelzesammlers in Rotation versetzt wird zur Erzeugung einer dynamischen Mischwirkung. Mit dieser dynamischen Mischwirkung wird die Schmelze nicht nur auf einen höheren Grad an Homogenität gebracht sondern gleichzeitig jeder örtliche Stillstand einzelner Schmelzepartien vermieden. Dadurch wird es möglich, für alle Schmelzepartien ein Maximum an gleicher Verweilzeit, von dem Granulat bis zum Einspritzen in die Formkavitäten, sicher zu stellen. Dies ist bei Vielfachformen, wie beispielsweise Preformen mit bis zu 200 Kavitäten und mehr, besonders wichtig. Bei Einfachformen weist ein einzelnes Spritzteil im Stand der Technik nicht überall identische Qualitäten auf. Bei Preformen kann ein Teil der Spritzteile abwechselnde Qualitäten aufweisen, was zum Beispiel in Bezug auf AA-Werte sehr nachteilig sein kann. Mit zu hohen AA- Werten wird die Verwendbarkeit als Flaschen für das Aufbewahren von Mineralwassern ausgeschlossen. In der Praxis ist eine Einzelkontrolle von Preformen nicht realisierbar. Bekannt ist ferner die Tatsache, dass im Stand der Technik ein Heisskanal-System nie für jede Kavität identische Fliessbedingungen bringt.
Vorrichtungsgemäss kann die neue Extrudereinheit zwei parallel geschaltete und kontinuierlich arbeitende Extruder aufweisen, welche über symmetrisch angeordnete Überführkanäle mit dem Schmelzesammler verbunden sind, wobei der Schmelzesammler als Nutenrohr ausgebildet werden kann.
Gemäss einem weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsgedanken ist der verschiebbare Verdrängungskolben zusätzlich, zumindest während der Füllphase des Schmelzesammlers, rotativ antreibbar, zur Erzeugung einer dynamischen Mischwirkung.
Die neue Erfindung stellt eine Kombination von
• einem kontinuierlich arbeitende Extruder, also ohne Längsverschiebung der Extruderschnecke,
• einem Fi-Fo-Schmelzesammler sowie • einem Shot-Pot bzw. einer Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots dar.
Ohne ein Extraelement stellt der Schmelzesammler das verbindende Element zwischen der kontinuierlich mit etwa konstanter Drehzahl arbeitenden Extrudereinheit sowie dem Shot-Pot dar. Damit werden keine Überleitrohre mehr benötigt. Vorteilhafterweise wird die Axe des Verdrängungskolbens des Schmelzesammlers zwischen 15° und 45° in einer Senkrechten angeordnet, wobei die Extrudereinheit und die Axe des Shot-Pots horizontal angeordnet sind.
Im Falle eines einzelnen Shot-Pots wird das Umschaltventil als 3-Stellungsschieber ausgebildet:
• für das Füllen des Shot-Pots,
• für das Spritzen sowie
• für das Spülen am Ende einer Produktion.
Ein Schieber hat den grossen Vorteil, dass er kurzzeitig hohen Drücken standhalten kann, besonders dann, wenn unter den hohen Drücken die Schieberstellung nicht geändert werden muss.
Gemäss einem weiteren Ausgestaltungsgedanken weist die Plastifiziereinheit einen Antriebsmotor sowie ein Getriebe mit zwei Abtrieben für zwei Extruder auf. Grundsätzlich soll der Extruder mit etwa konstanter Drehzahl arbeiten. Bevorzugt weist die Plastifiziereinheit eine Steuerung / Regelung auf für einen für eine bestimmte Leistung einstellbaren konstanten Antrieb der Extruderschnecke, das getaktete Einstellen des Ventils bzw. der Ventile sowie des Antriebs des Verdrängungskolbens und des Shot-Pot-Kolbens. Eine Aenderung der Drehzahl der Extruderschnecke erfolgt nur, wenn die durchschnittliche Förderleistung zu hoch oder zu tief ist. Die Steuerung kann beispielsweise entsprechend der WO 2004 / 073953 ausgebildet sein. Wenn die Plastifiziereinheit zwei Extruder aufweist, können diese seitlich und oberhalb des Shot-Pots angeordnet sein, wobei der Shot-Pot in einer gemeinsamen Vertikalebene mit dem Schmelzesammler liegt. Auf diese Weise wird die Forderung einer maximalen Symmetrie erfüllt. Kurze Beschreibung der Erfindung
die Figur 1 zeigt eine Lösung des Standes der Technik mit einem nur rotativ angetriebenen Extruder mit einem Schmelzesammler; die Figur 2 eine Lösung des Standes der Technik mit rotativ und linear angetriebener Plastifizierschnecke ohne Schmelzesammler.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:
die Figur 3 zeigt schematisch die erfindungsgemässe Lösung; die Figur 4 eine Plastifiziereinheit mit zwei Extrudern, teilweise im Schnitt; die Figur 5 eine Plastifiziereinheit mit zwei Extrudern im Grundriss bzw. teilweise im Schnitt der Figur 4; die Figur 6 ein Beispiel für einen dynamischen Mischer mit rotativer und linearer Bewegung des Verdrängungskolbens des Fi-Fo-
Speichers; die Figur 7 zeigt schematisch die Schmelzezuführung mit einem
Dosiervorraum für die Schmelze gemäss der neuen Erfindung; die Figuren 8a bis 8e fünf Positionen für den Dosiervorgang mit einem jeder Kavität vorgelagerten Dosierraum; die Figur 9 ein Beispiel für die Kombination eines Extruders mit einer
Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots.
Wege und Ausführungen der Erfindung
Die Figuren 1 und 2 zeigen Lösungen des Standes der Technik. Die Figur 1 zeigt einen kontinuierlich arbeitenden Extruder „B", einen Zwischenspeicher „C" sowie einen Shot-Pot „A"- Das Rohmaterial bzw. das Granulat 26 wird über einen Trichter 7 in den Zylinder 2 der Plastifizierschnecke 6 zugeführt. Ein Anthebsmotor 9 treibt über eine Antriebswelle 10 und eine Kupplung 11 die Plastifizierschnecke 6 mit konstanter Drehzahl an. Entsprechend der klassischen Exruder führt dieser nur eine rotative und keine Linearbewegung aus. Der grosse Vorteil des Extruders „B" liegt unter anderem darin, dass die Länge der Plastifizierschnecke wesentlich kürzer ist im Verhältnis zu einer Plastifizierschnecke mit zusätzlicher Linearbewegung. Der Antrieb und die Regelung sind einfacher. Der Shot-Pot „A" arbeitet diskontinuierlich bzw. schussweise. Ein Dosiervorraum 4 mit einer genau dosierten Menge Schmelze wird bei gleichzeitigem Rückzug eines Einspritzkolbens 3 über ein steuerbares Ventil bzw. ein Kontrollventil 13 in eine geöffnete Stellung gefüllt. Nach Wiederverschliessen des Kontrollventils 13 ist der Shot-Pot „A" bereit für einen Schuss. Der Einspritzkolben 3 bewegt sich nach links und spritzt über die Einspritzdüse 5 die heisse Schmelze in die Kavitäten der Formhälften. Da der Extruder "B" kontinuierlich arbeitet, muss die diskontinuierliche Funktion des Shot-Pots 41 mittels eines Zwischenspeichers „C" überbrückt werden. Zu diesem Zweck besteht einerseits zwischen dem Extruderausgang und dem Eintritt in den Dosiervorraum 4 ein Überleitkanal 12 und andererseits zwischen dem Extruderausgang und dem Zwischenspeicher „C" eine Verbindungsleitung 14. Der Zwischenspeicher weist im unteren Teil einen Schmelzesammler 19 auf. Sobald das Kontrollventil 13 in die geschlossene Stellung übergeht, strömt die Schmelze kontinuierlich in den Schmelzesammler 19. Dabei wird ein Kolben 16 nach oben verdrängt. Ein Flansch 17 wird gegen eine Feder 18 gespannt. Für das blosse Überschieben der Schmelze in den Dosiervorraum 4 wird ein relativ geringer Druck benötigt. Der grosse Schmelzedruck ist erst beim Einspritzen in die Form bzw. beim Nachdruck erforderlich. Damit werden der Zwischenspeicher „C" sowie der Extruder „B" mechanisch weniger hoch belastet.
Die Figur 2 zeigt eine andere Lösung des Standes der Technik mit einer Plastifizierschnecke 20, welche rotativ und linear über ein kombiniertes Getriebe 21 mit entsprechendem Antriebsmotor 22, einem Riemenübertrieb 23 sowie zwei Getrieben 25 resp. 25' angetrieben werden. Das Kunststoffgranulat 26 ist in dem Trichter 7 gelagert. Für die Schmelzeaufbereitung ist der Plastifizierzylinder 27 über die ganze Länge über Heizelemente 28 geheizt. Der wesentliche Unterschied der Lösung gemäss Figur 2 zur Lösung gemäss Figur 1 liegt darin, dass die Diskontinuität für das schussweise Einbringen der Schmelze in die Kavitäten der Form durch die zusätzliche Linearbewegung der Plastifizierschnecke 20 sichergestellt wird.
Die Figur 3 zeigt schematisch eine neue erfindungsgemässe Lösung. Rechts oben ist ein Extruder 30 dargestellt, der mit einem Überleitkanal 37 über ein Nutenrohr 55 in einen Fi-Fo-Speicher 32 mündet. Das Typische an dem Fi-Fo-Speicher 32 ist das Prinzip des „First in" und „First out". Im Unterschied dazu wird bei der Lösung gemäss Figur 1 diejenige Schmelze aus dem Schmelzesammler „C" zuerst ausgestossen, welche zuletzt eingebracht wurde. Der Fi-Fo-Speicher 32 gemäss Figur 3 ist bei problematischer Schmelze, etwa für Preformen von Getränkeflaschen, wesentlich vorteilhafter. Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemässen Lösung beispielsweise die AA-Werte stark verbessert werden konnten.
Mit einer speziell für die Verarbeitung von PET ausgelegten Schnecke erfolgt die Plastifizierung des Granulates 26 durch Wärmeleitung (Kontakt des Granulates mit der Zylinderwand) und durch Scherung (Friktion). Dabei wird die Schmelze einer thermischen und mechanischen Belastung ausgesetzt. Diese Belastungen können zu einer Degradation der PET-Moleküle führen. Als Spaltprodukt der Zersetzung bildet sich Acetaldehyd. Damit bei der Plastifizierung möglichst wenig Acetaldehyd erzeugt wird, wird dem trockenen Kunststoffgranulat 26 vor dem Eintritt in den Extruder 30 eine geringe Menge Acetaldehyd-Blocker 46 über eine Pumpe 47 beigemischt. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass der Acetaldehyd-Blocker insofern einen negativen Einfluss auf die Stabilität des Dosiervorganges für die Kunststoffschmelze hat, als mit Zusatz von Acetaldehyd-Blocker eine längere Dosierzeit von bis zu 3 Sekunden benötigt wird. Dies bedeutet, dass in der Stabilität des Dosiervorganges und in der Zykluszeit ein zweiter zentraler Parameter liegt.
Der Fi-Fo-Speicher 32 weist im Wesentlichen ein zylindrisches Gehäuse 33 auf, in dem ein Verdrängungskolben 34 axial verschoben werden kann, gemäss Pfeil 35. Der Fi-Fo-Speicher 32 hat einen ersten Abschnitt, der eine Herzform aufweist (Figur 4). Der Übergang 37 geht von einer einfachen Rohrform (Figur 3) in die Herzform über (Figur 4). Der Strömungskanal wird zwischen dem Verdrängungskolben 34 sowie der inneren Gehäusewand herumgeführt, sodass in einer Abwicklung eine Herzform entsteht. Das Gehäuse ist innen als Nutenrohr 42 ausgebildet. Der Verdrängungskolben 34 kann über einen einfachen hydraulischen Zylinder 39 mit einem Kolben 40 angetrieben werden. Die Schmelze wird über ein Rohr 31 von dem Fi-Fo-Speicher 32 in den Shot-Pot 41 überführt. Der Shot-Pot 41 kann analog zu dem Shot-Pot gemäss der Figur 1 ausgebildet sein. Ein steuerbares Ventil 48 kann die folgenden Positionen einnehmen: a) freier Durchgang 44 für Dosierraum füllen (Fig. 4), b) freier Durchgang 45 vom Shot-Pot 41 für Einspritzen in die Form (Fig. 3), c) Ausstossen bei Leerspritzen (Fig. 4) über Durchgang 42.
Die Figur 3 zeigt eine Lösung mit nur einem Extruder 30. Eine solche ist eher für kleinere und mittlere Maschinengrössen geeignet.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Plastifiziereinheit mit zwei Extrudern 51 und 52 (Figur 5). Die Einmündungen von den Extruderausgängen 53, 54 sind symmetrisch in ein Nutenrohr 55 geführt. Es entstehen dabei zwei Herzformen 56, 57 auf je einem halben Umfang des Nutenrohres 55. Die Herzform liegt etwa im oberen Drittel des Nutenrohres 55. Die Länge des Nutenrohres 55 sorgt dafür, dass zusammen mit den beiden Herzformen 56, 57 eine recht hohe Vergleichmässigung bzw. Homogenisierung der Schmelzeflüsse erzwungen werden kann. Das Nutenrohr 55 kann, wie in der Figur 4 dargestellt ist, senkrecht oder leicht geneigt ausserhalb des Kolbens angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Anordnung platzsparend ist. Bei anderen Lösungen ist ein zusätzliches Verbindungsrohr erforderlich.
Die Figur 6 zeigt links in Ansicht, rechts im Schnitt einen anderen Ausgestaltungsweg eines Fi-Fo-Schmelzespeichers 32, wobei ein rotierend angetriebener Verdrängungskolben 63 als dynamischer Mischer 69 ausgebildet ist. Gemäss einem weiteren, nicht dargestellten Ausgestaltungsgedanken kann im Bereich des Schmelzespeichers 32 ein herzförmiger Eintritt eingesetzt werden. Der Verdrängungskolben 63 kann aussen als Mischgitter 64 und innen als zylindrischer Verdrängungskörper 65 ausgebildet sein. Wesentlich ist, dass der Mischkörper 66 sowohl eine rotierende Bewegung (Pfeil 67) wie auch eine Linearbewegung (Pfeil 68) durchführt. Der Verdrängungskolben 63 und der Mischkörper werden vom Schmelzedruck zurückgedrängt; umgekehrt wird dieser durch einen Antrieb 77 zum Ausstossen angetrieben.
Die Figur 7 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Schmelzedosierung mit einer Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots 43. Die Vorrichtung weist zu diesem Zweck einen Dosiervorraum 70 auf, der mit einem Schmelzeüberführkanal 100 und einem Extruder verbunden ist, gemäss Pfeil 101. Innerhalb des Dosiervorraumes 70 sowie eines Schmelzekanals 102 ist eine Ventilnadel 105 angeordnet, welche die Einspritzdüse 103 mit der Ventilnadelspitze 104 geschlossen hält. Auf der rechten Hälfte weist die Ventilnadel 105 einen Ventilkörper 106 auf, welcher in der entgegengesetzten Stellung den Ventilsitz 107 verschliesst. Betätigt wird die Ventilnadel 105 über einen Kolben 108, der innerhalb eines Zylinders 109 mittels eines Pneumatikmediums 112 sowie Ventilen 110 und 111 im erforderlichen Takt des Spritzzyklus gesteuert wird. Das Pneumatikmedium 112 ist mit grosseren Punkten und die Schmelze mit feinen Punkten dargestellt. Die Schmelze wird, zumindest in dem Dosiervorraum 70 sowie dem Schrumpfausgleichsraum 99, in dem Schmelzeüberführkanal 100 mittels Heizelementen 113 geheizt. Aus der Figur 7 ergibt sich ein Wechselspiel zwischen Nachfüllen des Dosiervorraumes 70 sowie Überführen des Dosiervorraum-Volumens in die Kavität 60, welche durch die Kühlhülsen 29 und die Kerne 24 bestimmt wird. Zu diesem Zweck bewegt sich die ganze Vorrichtung 114 nach rechts. Weil die Schmelzeüberführung in den Kavitäten 60 unabhängig vom Fluss im Schmelzeüberführkanal 100 erfolgt, kann die bisher benötigte Zeit für das Füllen der Kavität 60 gespart werden. Diese Zeiteinsparung kann in der Grössenordnung von 1 bis 3 Sekunden liegen, was bei einer Gesamtzykluszeit von beispielsweise 10 Sekunden eine enorme Produktivitätssteigerung bedeutet. Die Figuren 8a bis 8e zeigen den Ausgestaltungsweg entsprechend der Figur 7, bei dem vor dem Einspritzen in die Kavität 60 die Schmelze exakt vordosiert wird. Der Dosiervorraum 70 hat eine zylindrische Form, sodass ein entsprechender Kolben 71 analog einer Kolbenpumpe eine voreinstellbare Verdrängungsbewegung machen kann. In der Figur 8a wird der Dosiervorraum 70 gefüllt und, wie in den beiden Figuren 8b und 8c dargestellt, nach Öffnen eines Einspritzventils die Schmelze in die Kavität 60 gespritzt. Zu diesem Zweck wird die Ventilnadelspitze 104 von der Einspritzdüse 103 abgehoben. Mit dem Abheben der Ventilnadel 105 bzw. der Ventilnadelspitze 104 wird über einen hinteren Ventilsitz 107 der Eingang zum Dosiervorraum 70 verschlossen. Gemäss der Figur 8d ist der Dosiervorraum 70 ganz abgeschlossen, und die Ventilnadel 105 wird nach links in die geschlossene Position gebracht. Die Figur 8e zeigt die Kompressionsphase. In dieser bevorzugten Ausgestaltung dient der Heisskanal des Werkzeuges als „Vorverteiler", um direkt vor den jeweiligen Nadelverschlussdüsen, die vor jeder Kavität 60 anstehen, eine Schmelzekammer zu füllen, die die Schmelze bis zum maximalen Schussgewicht einer Preform aufnehmen kann. Diese Kammern sind im Heisskanal integriert und werden durch Kolben geschlossen, die gemeinsam mit den Düsen schwimmend auf einer beweglichen Platte verbunden sind. Die Verschlussnadeln des Heisskanals werden durch diese Kolben geführt bis hin zur Düsenspitze. Sie können in der vorderen Position die Düsen verschliessen. Im Gegensatz zu dieser Verschlusstechnik können diese Nadeln in der zurückgezogenen Position den Heisskanalverteiler zudem von den Schmelzekammern trennen. Dieser vorteilhafte Aufbau erlaubt, die gute Schmelzeverteilung eines Heisskanals zu nutzen, um die nachfolgenden Schmelzekammern unter ähnlichen Druckbedingungen zu füllen. Die Schmelzekammern selber garantieren dann ein sehr präzises Schussgewicht je Kavität. Wurden die Schmelzekammern während der Entnahmezeit der Preformen aus dem vorherigen Schuss gefüllt, begrenzt durch verstellbare Anschläge der Kolbenplatte, kann die Schliesseinheit nach Freigabe wieder zugefahren werden. Während der Füllphase der Schmelzekammern sind diese trotz der Relativbewegung der Kolben von den Kavitäten durch die Verschlussnadeln abgedichtet. Dies wird durch das Nachführen der Verschlussnadeln dank eines verlängerten Hubes gewährleistet. Die Form kann nur so weit geschlossen werden, wie es für das Kompressionsspritzgiessen prozesstechnisch ideal ist. Häufig ist ein schnelles Einfahren der Kerne in den Schmelzekuchen nicht erwünscht, da dieser „Schlag" auf die Schmelzeoberfläche oft ein Auslenken der Kerne fördert. Dies kann vermieden werden, indem die Kerne so tief in die Kavitäten eintauchen, dass sie zwar nicht in ihrer Endlage sind, aber die im Anschluss in die Kavität einfliessende Schmelze den Kern bereits umspült. Dies dürfte auch bei einem horizontalen Einbau des Werkzeuges vorteilhaft sein.
Ist die optimale, frei vorwählbare Schliessposition erreicht (Figur 8b), muss das Einspritzen der Schmelze aus den Kammern in die Kavitäten eingeleitet werden. Genau an diesem „Schaltpunkt" hat die Schliesseinheit auf eine Dämpfung beliebiger Art, beispielsweise hydraulisch, zu fahren, die einen höheren Gegendruck gegen die Schliesskräfte generiert als sie zum Einspritzen der Schmelze aus den Schmelzekammern zum Füllen der Kavitäten benötigt. Hier wären Hydraulikzylinder denkbar, die den gesamten Hub begleiten und in der gewünschten Position per Wegaufnehmer das Ventil schliessen. Diese Zylinder könnten aber auch in Kurzbauweise die Schliessbewegung auffangen, um den Einspritzhub einzuleiten. Jedoch wäre nach dem Einspritzvorgang auch hier eine Freigabe zum völligen Schliessen der Schliesseinheit notwendig. Fährt die Schliesseinheit auf die besagte Dämpfung, wird durch den Kraftaufbau auf die Kolbenplatte nun die Schmelze in die Kavitäten gedrückt (Figur 8a).
Wenn die Endlage der einzelnen Kolben erreicht ist, wird die Dämpfung wieder freigegeben, um mit der vorhandenen Schliesskraft, wie bereits erwähnt, die Form völlig zu schliessen und die eingeschlossene Schmelze in der jeweiligen Kavität unter Druck zu setzen für das „Compression-Moulding". Die Dimensionen der einzelnen Kolben bzw. Kammern müssen dahingehend ausgelegt werden, dass die Schliesskraft den benötigten Druck zum Einspritzen der Schmelze in die Kavitäten generieren kann.
Durch die nun weitgehend identischen Schmelzemengen in den einzelnen Kavitäten und den verbleibenden Schmelzekammern stellt sich in allen Kavitäten ein ausreichend ähnlicher Schmelzedruck während der Nachdruckphase ein, der den durch Abkühlung entstehenden Volumenschwund der Schmelze ausgleicht. Es entstehen Preformen unter optimalen Bedingungen (Figur 8d).
Nach Abschluss der Nachdruckzeit schliessen die Nadeln, zum Übergang in die Kühlzeit. Nach Abschluss der Kühlzeit wird das Werkzeug in bekannter Weise geöffnet. Mit dem Öffnungshub der Schliesseinheit kann zeitgleich das Wiederbefüllen der Schmelzekammern eingeleitet werden und die Dämpfung je nach Bauweise wieder in ihre Ausgangslage gefahren werden. Die Kolbenplatte wird durch die einfliessende Schmelze wieder in eine voreinstellbare Position geschoben. Diese Position bestimmt exakt die Schmelzemenge der einzelnen Kammern. Die Verschlussnadeln sind dabei derart konzipiert, dass diese während des Füllvorganges die Düsen verschlossen halten, um ein Einfliessen der Schmelze in die Kavitäten durch den Fülldruck zu vermeiden (Figur 8e).
Sind die Preformen 8 durch einen Entnahmeroboter gemäss dem Stand der Technik entnommen, kann die Schliesseinheit wieder bis auf die Dämpfung geschlossen werden, die das Einspritzen der Schmelze wiederum einleitet.
Der Vorteil dieser Spritzeinheit ist, dass diese in jeder leicht modifizierten horizontalen oder vertikalen Sphtzgiessmaschine mit ausreichenden Schliesskräften funktioniert. Die Einspritzzeit überschneidet sich mit der Schliessbewegung, was die Zykluszeit verkürzt. Die Schmelze kann gegen einen geringeren Widerstand in die Kavitäten gespritzt werden, da die Kerne noch nicht in der Endposition sind. Erst wenn die Kerne durch die verbleibende Schliessbewegung für „Nachdruckfunktionen" in ihre Endlage gedrückt werden, entsteht ein gleichmässiger Schmelzedruck in der Kavität. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Schliesskräfte deutlich geringer ausfallen gegenüber dem Stand der Technik, etwa gemäss der WO 2004 / 073953. Untersuchungen zeigten einen Kräftebedarf von nur 5 bis 10 KN / Kavität. Aus dieser Erkenntnis heraus darf angenommen werden, dass das System mit einem Drittel der Schliesskraft auskommt. Die Schliesskraftreduktion wird auch in der Einspritzphase, die durch die Schliesskräfte initiiert wird, keine Nacheile haben; die Schmelzekannnnern liegen so dicht an den Kavitäten, dass der Druckbedarf für die Füllphase auf tiefstem Niveau von schätzungsweise 50 bis 200 bar anzunehmen ist.
Ein wichtiges Kriterium für den Verarbeitungsprozess ist die Qualität der Preformen bzw. der daraus hergestellten PET-Flaschen. Die Qualität der Flasche beruht zum grössten Teil auf der Qualität der Preformen. Die Geometrie und die Wandstärke bestimmen durch das Verstrecken und Aufblasen der Preform die Wandstärkenverteilung und somit auch die Geometrie der Flasche. Die Preformen nehmen eine wesentliche Rolle bei der Herstellung der PET-Flaschen ein. Aufgrund dessen werden die Preformen folgenden Qualitätsprüfungen unterzogen:
• Gewicht,
• Wandstärke,
• Geometrie,
• Optische Prüfung,
• Geschmackliche Prüfung.
Im Hinblick auf die neue Lösung ist ein erster, zentraler Parameter die geschmackliche Prüfung. Hier ist das Acetaldehyd im Vordergrund. Der Geschmack und Geruch des Füllmediums darf nicht durch Fremdbestandteile beeinflusst werden. Darum führte man diverse Tests mit den PET-Flaschen durch. Es können Stoffe festgestellt werden, die einen fruchtigen Eigengeschmack haben. Insbesondere bei der Herstellung von Preformen für die Produktion von Mineralwassergetränkeflaschen besteht die Herausforderung der Preform-Hersteller darin, den Acetaldehydwert so tief wie möglich zu halten, um den Eigengeschmack des Mineralwassers nicht zu beeinträchtigen. Bei der Verarbeitung von PET kann Acetaldehyd als Spaltprodukt der Polymerketten entstehen. Eine Degradation der Polyesterketten während des Aufschmelzvorganges führt zur Bildung von Acetaldehyd. Die wesentlichen Einflussfaktoren, die zur Bildung von Acetaldehyd beim Spritzgiessen führen können, sind die Temperatur und die Verweilzeit, insbesondere unterschiedliche Verweilzeiten innerhalb eines Schusses der Schmelze bei hohen Temperaturen. Acetaldehyd ist eine einfache organische Verbindung (CH3CHO). Sie ist eine farblose, flüchtige Flüssigkeit (Siedepunkt 20,80C) mit einem deutlich wahrnehmbaren fruchtartigen Geruch. Früchte, die vor ihrer Reife stehen, enthalten als natürlichen Bestandteil Acetaldehyd. Dies gilt zum Beispiel für Äpfel und Zitrusfrüchte. In der Lebensmittelindustrie wird Acetaldehyd als Additiv vielen Lebensmitteln zur Geschmacksgebung beigefügt. So enthält zum Beispiel Speiseeis und auch Kaugummi Acetaldehyd. Acetaldehyd wird bei der Fermentierung von Zucker zu Alkohol gebildet und ist auch im menschlichen Blut vorhanden. Insofern kann Acetaldehyd als physiologisch unbedenklich angesehen werden. Als Additiv für Lebensmittel ist Acetaldehyd in dem "Handbook of Food Additives" offiziell freigegeben.
Da der Geschmack und der Geruch ganz besonders bei natürlichem Mineralwasser nicht durch Fremdbestandteile beeinflusst werden soll, muss der Acetaldehydgehalt in der Flasche und damit auch in der Preform so niedrig wie möglich sein. Wasser reagiert besonders empfindlich auf geringste Veränderungen im Geruch und Geschmack. Reinheit, Ursprünglichkeit und Natürlichkeit des Mineralwassers müssen auch in der PET-Flasche unantastbar bleiben. Aus diesem Grund wurden detaillierte Untersuchungen zur Thematik Acetaldehyd im Wasser durchgeführt. Diese haben ergeben, dass der geschmackliche Schwellenwert für die sensorische Feststellung von Acetaldehyd im Mineralwasser wesentlich niedriger war als der geruchsbedingte Schwellenwert. Dabei hängt der geschmacksabhängige Schwellenwert sowohl von den subjektiven Wahrnehmungen der Testpersonen als auch vom Eigengeschmack (Mineralanteil etc.) des Mineralwassers ab. Während bei untrainierten Personen der Schwellenwert zwischen 20 und 40 ppm liegt, können geschmacksempfindliche, besonders trainierte Personen bereits 10 ppm Acetaldehyd im Wasser registrieren. Infolgedessen wurden in Abhängigkeit vom Anwendungsfall der PET-Flasche (Wasser, Softdrink, Speiseöl, etc.) unterschiedliche Grenzwerte für den Acetaldehydgehalt in der Preform (ppm) und in der Flasche (μg/l) definiert. Diese Grenzwerte garantieren, dass vom Verbraucher keine geschmackliche Veränderung des Getränks durch Acetaldehyd festgestellt werden kann. Die Grenzwerte in der Preform sind wie folgt definiert: Mittelwert: Maximalwert:
- Mineralwasser mit CO2 < 3.0 ppm < 4.0 ppm
- Karbonisierte Softdrinks < 4.0 ppm < 8.0 ppm
Eine direkte Korrelation zwischen dem AA-Gehalt in der Preform und dem AA-Gehalt im Füllgut existiert bis dato noch nicht. Zwischen dem Füllgut, der Verpackung und der Umwelt gibt es eine Reihe von Wechselwirkungen, die einen Einfluss auf die Qualität des Füllguts ausüben. Das Acetaldehyd, das nach seiner Bildung in der Flaschenwandung "gespeichert" ist, wandert nach einer gewissen Zeit in das Füllgut. Diese Migrationsvorgänge, das heisst die Geschwindigkeit des Übergangs von Acetaldehyd aus der Flaschenwandung in die Verpackung, hängt von den Umgebungsbedingungen ab. Zu den wesentlichen Einflussgrössen zählt die Umgebungstemperatur. Mit steigender Temperatur nimmt die Migrationsgeschwindigkeit zu.
Die neue Lösung bietet als besonderen Vorteil mit dem kontinuierlich arbeitenden Extruder und dem Fi-Fo-Speicher ganz besonders gute Voraussetzungen für hohe Qualitätseigenschaften.
Die Figur 9 zeigt eine Kombination von einem Extruder 30 und einer Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots 43, deren wichtigsten Bauteile sind: ein Dosiervorraum 70, eine Ventilnadel 105, Verdrängungskolben 34 sowie ein Pneumatikzylinder 109. Die Plastifizierschnecke 6 führt eine konstante rotierende Bewegung aus. Der Verdrängungskolben führt primär eine Linearbewegung im Rhythmus des Spritzzyklus aus. Sinngemäss bewegt sich der Verdrängungskolben relativ zu dem Dosiervorraum 70 im Takt mit dem Kolben 108 sowie der Ventilnadel 105. Additive 46 können mittels einer Pumpe 47 der Plastifizierung zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren für das Aufbereiten der Schmelze mittels Extruder (30, 51 , 52), einer Plastifiziereinheit (15) einem Schmelzesammler (32) und schussweiser Übergabe zum Spritzgiessen in Mehrfachformen, insbesondere für Preformen, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die von einem kontinuierlich arbeitenden Extruder aufbereitete Schmelze direkt einem Fi-Fo-Schmelzesammler (32) (first in, first out) mit einem verschiebbaren
Verdrängungskolben (34) zugeführt und von dem Schmelzesammler (32) diskontinuierlich schussweise in die Kavitäten (60) einer Spritzform (115) überführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die Schmelze über ein steuerbares Ventil (13) über einen einzelnen Shot-Pot (41) oder eine Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots (43) schussweise in die Kavitäten der Spritzform (115) überführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die Plastifiziereinheit (15) zwei parallel arbeitende Extruder (30, 51, 52) sowie einen Fi-Fo-Schmelzesammler (32) aufweist, von welchen die Schmelze über längs eines Verdrängungskolbens (34) geführte Zuführkanäle, welche in dem Fi-Fo- Schmelzesammler (32) angeordnet sind, gespiesen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die Rückwärtsbewegung des Verdrängungskolbens (34) durch den Schmelzedruck aus dem Extruder (30, 51, 52) der Plastifiziereinheit (15) und bei der Rückwärtsbewegung des Verdrängungskolbens (34) ein Staudruck erzeugt wird, zwecks Erhöhung der Scherwirkung in der Plastifiziereinheit (15).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad u rch ge ken nze ich net, dass für die Überführung der Schmelze von dem Schmelzesammler (32) in den Shot- Pot (41) ein steuerbares Ventil (13) geöffnet wird, wobei das Ventil (13) während eines Schusses in Richtung des Schmelzesammlers (32) geschlossen und für die Überführung der Schmelze zwischen dem Shot-Pot (41) oder der Vielzahl von Miniatur-Shot-Pots (43) und den Kavitäten (60) der Spritzform (115) geöffnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d ad u rch ge ken nze ich net, dass der Schmelzesammler (32) als dynamischer Mischer (69) ausgebildet ist mit einer rotierenden und einer linearen Bewegung.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d ad u rch ge ken nze ich net, dass der Verdrängungskolben (34) zumindest während der Füllphase des Schmelzesammlers (32) in Rotation versetzt wird zur Erzeugung einer dynamischen Mischwirkung.
8. Plastifiziereinheit für das Aufbereiten der Schmelze mit wenigstens einem Extruder (30) und einem Schmelzesammler (32) zum diskontinuierlichen schussweisen Spritzgiessen in Mehrfachformen, insbesondere für Preformen (8), d ad u rch ge ken nze ich net, dass sie einen kontinuierlich arbeitenden Extruder und einen Fi-Fo- Schmelzesammler (32) mit einem verschiebbaren Verdrängungskolben (34) zur diskontinuierlichen Freigabe der Verbindung Fi-Fo-Schmelzesammler (32) an die Spritzform (115) aufweist.
9. Plastifiziereinheit nach Anspruch 8, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die Extrudereinheit „B" zwei parallel geschaltete und kontinuierlich arbeitende Extruder (30, 51, 52) aufweist, welche über symmetrisch angeordnete Überführkanäle (31) mit dem Schmelzesammler (32) verbunden sind.
10. Plastifiziereinheit nach Anspruch 8 oder 9, d ad u rch ge ken nze ich net, dass der Schmelzesammler (32) als Nutenrohr (42, 55) ausgebildet ist, wobei die Überführkanäle (31) in die Nuten münden.
11. Plastifiziereinheit nach Anspruch 8 oder 9, d ad u rch ge ken nze ich net, dass der verschiebbare Verdrängungskolben (34) zusätzlich rotativ antreibbar ist zur Erzeugung einer dynamischen Mischwirkung.
12. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , d ad u rch ge ken nze ich net, dass der Schmelzesammler (32) als das verbindende Element zwischen der Extrudereinheit sowie einem Shot-Pot (41) oder einer Vielzahl von Miniatur-Shot- Pots (43) ausgebildet ist.
13. Plastifiziereinheit nach Anspruch 12, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die Axe des Verdrängungskolbens (34) des Schmelzesammlers (32) zwischen 15° und 45° zu einer Senkrechten angeordnet ist, wobei die Extrudereinheit horizontal liegt.
14. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 13, d ad u rch ge ken nze ich net, dass die Axe des bzw. der Shot-Pots (41) horizontal angeordnet ist.
15. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 14, d ad u rch ge ken nze ich net, dass das Umschaltventil als 3-Stellungsschieber ausgebildet ist:
• für das Füllen des Shot-Pots,
• für das Spritzen sowie
• für das Spülen.
16. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 15, d ad u rch ge ken nze ich net, dass sie einen Antriebsmotor (22) sowie ein Getriebe (25, 25') mit zwei Abtrieben für zwei Extruder (30, 51, 52) aufweist.
17. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 16, d ad u rch ge ken nze ich net, dass sie eine Steuerung aufweist für einen für eine bestimmte Leistung einstellbaren konstanten Antrieb der Extruderschnecke, das getaktete Einstellen des Umschaltventils sowie des Antriebs des Verdrängungskolbens (34) und des Shot- Pot-Kolbens.
18. Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 17, d ad u rch ge ken nze ich net, dass sie zwei Extruder (30, 51, 52) aufweist, welche seitlich und oberhalb des Shot- Pots (41) und dass der Shot-Pot (41) in einer gemeinsamen Vertikalebene mit dem Schmelzesammler (32) angeordnet ist.
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