WO2018192698A1

WO2018192698A1 - Einschnecken-plastifiziereinheit

Info

Publication number: WO2018192698A1
Application number: PCT/EP2018/053187
Authority: WO
Inventors: Maximilian Schadhauser
Original assignee: Kraussmaffei Technologies Gmbh
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2018-10-25
Also published as: DE102017108470B3

Abstract

Beschrieben wird eine Einschnecken-Plastifiziereinheit (3) zur Herstellung einer mit Fasern versetzten Kunststoffschmelze, mit einem Zylinder (4) und einer Schnecke (5), wobei die Schnecke (5) einen Schneckenkern (18) und einen Schneckensteg (17) aufweist. In dem Zylinder (4) sind eine erste Öffnung (8) für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials und eine zweite Öffnung (9) für die Zufuhr von Faserbündeln (10a. 10b. 10c. 10d. 10e. 10f) vorgesehen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schnecke (5) eine Imprägnierzone (25) zum Imprägnieren der Filamente der Faserbündel (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) mit Kunststoffschmelze aufweist, wobei die Imprägnierzone (25) in demjenigen Bereich der Schnecke (5) angeordnet ist, welcher sich im Bereich der zweiten Öffnung (9) für Faserbündel (10a, 10b, 10c, 10e, 10f) befindet. In der Imprägnierzone ist das Spaltmaß (S1) größer ist als außerhalb davon und der Schneckensteg (17) ist auf der Seite der treibenden Schneckenflanke abgerundet (13) oder angefast (15).

Description

Beschreibung

Einschnecken-Plastifiziereinheit

Die Erfindung betrifft eine Einschnecken-Plastifiziereinheit zur Herstellung einer mit Fasern versetzten Kunststoffschmelze sowie eine mit einer solchen Einschnecken- Plastifziereinheit ausgestattete Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen.

Aus der DE4236662C2 und der DE102009056653A1 sind Spritzgießmaschinen zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen bekannt, welche eine gattungsgemäße Einschnecken-Plastifiziereinheit besitzen. Diese bekannten Einschnecken-Plastifiziereinheiten verfügen jedoch nur über begrenzte Faserbenetzungseigenschaften .

Aus der DE102012008023B4 ist ein Einschneckenextruder bekannt, bei welchem in der Hauptplastifizierzone Schneckenstege mit abgesetzten Stegbereichen vorgesehen sind. Die abgesetzten Stegbereiche sind vorteilhafterweise auf der aktiven Flanke mit einer 45°-Fase über etwa 30 bis 70 Prozent, bevorzugt ca. 50%, der Stegbreite versehen. Durch diese Fase soll das Material beschleunigt und der energetisch effektivere Dehnströmungsanteil erhöht werden.

Die EP904924A1 offenbart eine Schnecke zur Verwendung in Spritzgießmaschinen und in Extrudern, wobei ein Schneckensteg auf der aktiven Flanke mit einer Fase versehen sein kann (siehe Figuren 10 und 1 1 , Fase 204'). Dadurch soll die Druckschmierung durch aufgeschmolzenes Kunststoffmaterial zwischen der Oberseite des Schneckenstegs und der Zylinderinnenwand verbessert werden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einschnecken- Plastifiziereinheit für die Herstellung einer mit Fasern versetzten Kunststoffschmelze anzugeben, die sich durch eine verbesserte und gleichzeitig faserschonende Benetzung der Fasern mit Kunststoffschmelze auszeichnet und mit der es möglich ist, faserverstärkte Kunststoff-Formteile herzustellen, die vergleichsweise lange Fasern enthalten, was sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften solcher Formteile auswirkt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Einschnecken-Plastifiziereinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Dadurch, dass die Schnecke mehrere Zonen aufweist, wobei eine dieser Zonen als Imprägnierzone zum Imprägnieren der Filamente der Faserbündel mit

Kunststoffschmelze ausgebildet ist, dass die Imprägnierzone in demjenigen Bereich der Schnecke angeordnet ist, welcher sich im Bereich der zweiten Öffnung für die Zufuhr der Faserbündel befindet, dass in der Imprägnierzone der

Außendurchmesser der Schnecke kleiner ist als außerhalb der Imprägnierzone und das Spaltmaß größer ist als außerhalb der Imprägnierzone , und dass in der Imprägnierzone der Schneckensteg auf der Seite der treibenden Schneckenflanke abgerundet oder angefast ist, wird einerseits ein radialer Druckgradient im Bereich der Schneckenstege erzeugt, der zur Verbesserung der Benetzung der Filamente in den Faserbündeln führt und zum anderen können die Filamente oder die

Faserbündel in dem vergrößerten Spalt zwischen der Stegoberseite und der Innenwand des Zylinders nicht zerrieben werden. Die Benetzung der Filamente erfolgt also vorwiegend durch den mittels abgerundetem oder angefasten

Schneckensteg erzeugten Druckgradienten und weniger durch Schereintrag in die Kunststoffschmelze.

Der Zylinder kann über seine axiale Erstreckung gesehen einen konstanten Innendurchmesser aufweisen, insbesondere auch in dem Abschnitt der zweiten Öffnung für die Zufuhr von Faserbündeln. Insbesondere kann somit der Innendurchmesser des Zylinders im Bereich der Imprägnierzone der Schnecke und außerhalb der Imprägnierzone der Schnecke gleich groß sein. Die Oberseite des Schneckenstegs definiert den Außendurchmesser der Schnecke, der sich über die Länge des Zylinders verändert, wodurch sich auch das Spaltmaß über die Länge der Schnecke bzw. über die Länge des Zylinders verändert. In einem ersten Bereich liegt zwischen der Oberseite des Schneckenstegs und der Innenwand des Zylinders ein erstes Spaltmaß S1 vor und in einem zweiten Bereich des Schneckenstegs liegt ein zweites Spaltmaß S2 vor. Gemäß einem ersten Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Imprägnierzone das Spaltmaß S1 größer ist als das Spaltmaß S2 außerhalb der Imprägnierzone.

Diesem Gedanken liegt das Gesetz von Darcy zugrunde, welches wie folgt lautet:

Κ · P

_Vx =

x · μ mit:

V_x = Imprägnierungsgeschwindigkeit in x-Richtung

K = Permeabilitätskonstante

P = Druckgradient in radialer Richtung

x = Koordinate in radialer Richtung

μ = Polymerviskosität

Demzufolge hängt die Imprägnierungsgeschwindigkeit maßgeblich vom Druckgradienten entlang der Imprägnierungsstrecke ab. Wird nun ein geeigneter Druckgradient erzeugt, kann die Imprägnierungsgeschwindigkeit zum Imprägnieren der einzelnen Filamente in einem Faserbündel (auch Roving genannt) signifikant erhöht werden und zwar ohne die Filamente oder das Faserbündel zu verkürzen.

Vorzugsweise kann förderabseitig von der Imprägnierzone und an diese

anschließend eine Übergangszone vorgesehen sein, wobei in der Übergangszone das Spaltmaß geringer ist als in der Imprägnierzone und wobei vorzugsweise in der Übergangszone das Spaltmaß größer oder gleich groß ist wie in einer

förderabseitig von der Übergangszone vorgesehenen Kompressionszone.

Vorteilhafterweise kann der Schneckenkern in der Imprägnierzone einen geringeren Durchmesser aufweisen als in einer förderabseitig von der Imprägnierzone vorgesehenen Meteringzone. Diese mögliche Vergrößerung des Kerndurchmessers und die damit verbundene Verkleinerung des Kanalquerschnitts ermöglicht es, den Staudruck an der Schneckenspitze schneller abzutragen und somit einen

Schmelzeaustritt aus der Faserzuführöffnung zu verhindern. Ferner kann sich der Durchmesser des Schneckenkerns von einem ersten Durchmesser in der

Imprägnierzone auf einen zweiten Durchmesser in der Meteringzone vergrößern, wobei vorzugsweise zwischen der Imprägnierzone und der Meteringzone eine Übergangszone und daran anschließend eine Kompressionszone vorgesehen sind, und wobei die Vergrößerung des Durchmessers im Bereich der Kompressionszone vorgesehen ist. Die Vergrößerung des Durchmessers prägt sich vorteilhaft bei der Entfernung gasförmiger Einschlüsse in der Kunststoffschmelze aus.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Schnecke über mehrere Zonen verfügen, wobei die Schnecke in Förderrichtung gesehen

nacheinander folgende Zonen aufweist:

- eine Granulat-Einzugszone,

- eine erste Kompressionszone,

- eine erste Meteringzone,

- eine Imprägnierzone,

- eine Übergangszone,

- eine zweite Kompressionszone, und

- eine zweite Meteringzone.

Zwischen der ersten Meteringzone und der Imprägnierzone kann eine

Dekompressionszone vorgesehen sein, wobei in der Dekompressionszone kein Schneckensteg vorhanden ist, und wobei der Durchmesser des Schneckenkerns in der Dekompressionszone geringer ist als der Durchmesser des Schneckenkerns in dem förderaufseitig liegenden Abschnitt der Schnecke. In einer weiteren

Ausführungsvariante kann die Dekompressionszone als konisch geformtes Element ohne Schneckenstege ausgeführt sein, dessen Durchmesser ausgehend von einem Durchmesser größer oder gleich dem Kerndurchmesser der ersten Meteringzone auf den Kerndurchmesser der Impragnierzone abfällt. In der

Dekompressionszone erfolgt ein Druckabfall auf Atmosphärendruck, so dass an der unmittelbar daran anschließenden Imprägnierzone keine Kunststoffschmelze aus der Fasereinzugsöffnung austreten kann.

Ferner kann die Schnecke in der Imprägnierzone eingängig oder mehrgängig ausgebildet sein. Wenn die Schnecke mehrgängig ausgebildet ist, kann sie vorzugsweise dreigängig oder zweigängig ausgebildet ist sein. Unabhängig davon, ob die Schnecke in der Imprägnierzone ein- oder mehrgängig ausgebildet ist, sollen alle Schneckenstege in der Imprägnierzone auf der Seite der treibenden

Schneckenflanke abgerundet oder angefast sein. Wenn die Schnecke im Bereich der Imprägnierzone mehrgängig ausgebildet ist, wird die Anzahl der

Benetzungsvorgänge pro Schneckenumdrehung entsprechend der Anzahl an Schneckengängen vervielfacht.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform kann die Schnecke in der Imprägnierzone eingängig ausgebildet sein und der Schneckensteg geht von der Imprägnierzone ohne Unterbrechung in den Schneckensteg in der Übergangszone über. Dabei kann vorzugsweise in der Imprägnierzone und in der Übergangszone die gleiche Gangsteigung damit die gleiche Steigung für den Schneckensteg vorliegen. Beim Übergang von der Imprägnierzone in die Übergangszone kann das Spaltmaß von seiner in der Imprägnierzone vorgesehenen Größe auf ein zweite Größe (Für Standard-Spaltmaße wird die Größenordnung von etwa 0,1 % des Schneckendurchmessers, mindestens aber 0,1 mm vorgeschlagen)reduziert werden, wie sie in den Zonen außerhalb der Imprägnierzone vorliegt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann beim Übergang von der

Imprägnierzone in die Übergangzone der abgerundete oder angefaste

Schneckensteg in einen Schneckensteg mit einer durchgehend ebenen Oberseite überführt werden oder sein.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform kann die Schnecke in der Imprägnierzone mehrgängig, vorzugsweise dreigängig oder zweigängig, ausgebildet sein, wobei alle Schneckenstege in der Impragnierzone auf der Seite der treibenden Schneckenflanke abgerundet oder angefast sind.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Imprägnierungszone mit einem speziellen Auslauf in die Übergangszone ausgestaltet ist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass am Ende der Imprägnierzone die Höhe von einem oder mehreren Schneckenstegen der Imprägnierzone geringer wird und vorzugsweise gegen Null ausläuft. Es ist aber auch möglich, am Ende der Imprägnierzone ein oder mehrere Schneckenstege als Einstich enden zu lassen. Diese zuletzt genannte Variante ist

kostengünstiger in der Fertigung als die Variante mit dem Auslauf gegen Null. Der hier genannte Auslauf der Imprägnierzone erlaubt es den Faserbündeln, sich am Schneckenkern anzulegen. Ohne einen solchen Übergang von der Imprägnierzone in die Übergangszone und weiter in die zweite Kompressionszone (Spaltmass 0,1 mm) würden die endlosen Faserbündel zwischen der Oberseite des

Schneckenstegs und der Zylinderinnenwand geraten und dort zerrieben werden.

Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn die Gangsteigung in der Imprägnierzone größer ist als in den übrigen Zonen der Schnecke. Insbesondere bei mehrgängig ausgeführten Imrpägnierzonen kann auf diese Weise die aus der Mehrgängigkeit resultierende Reduzierung des Fließkanalquerschnitts kompensiert werden.

Bevorzugt kann der Schneckensteg in der Imprägnierzone angefast sein und zusätzlich kann die Kante zwischen der Fase und der Schneckenflanke abgerundet sein. Eine solche Verrundung der treibenden Schneckenflanke zur Fase hin verhindert Faserbruch infolge einer Unterschreitung des kritischen Biegeradius der Filamente in dem Faserbündel.

Der Schneckensteg kann auf der Seite der treibenden Schneckenflanke derart abgerundet sein, dass eine Verrundung mit einem Radius von 0,5[mm] bis 10[mm] vorliegt, vorzugsweise eine Verrundung mit einem Radius von 1 [mm] bis 5[mm], besonders bevorzugt eine Verrundung mit einem Radius zwischen 2[mm] und 3[mm]. Ferner kann der Schneckensteg auf der Seite der treibenden Schneckenflanke derart angefast sein, dass die Fase einen Winkel zwischen 0° und 50° aufweist, vorzugsweise zwischen 5° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25°. Gegebenenfalls kann eine Verrundung der vorgenannten Art mit einer Fase der vorgenannten Art kombiniert werden.

Eine erfindungsgemäße Einschnecken-Plastifizereinheit kann als Einspritzeinheit ausgebildet sein. Demzufolge kann eine Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen mit einer Schließeinheit und einer

erfindungsgemäßen Einschnecken-Plastifiziereinheit ausgestaltet sein, wobei ein Linearantrieb für die Schnecke der Einschnecken-Plastifiziereinheit vorgesehen ist, derart, dass die Schnecke als Schubschnecke ausgebildet ist und zum Einspritzen von mit Fasern versetzter Kunststoff-Schmelze in ein Spritzgießwerkzeug

vorgesehen ist. Dabei sollte die Imprägnierzone der Schnecke eine solche Länge in axialer Richtung, d.h. in Längsrichtung der Schnecke, aufweisen, dass in jeder Position der Schnecke während des Aufdosierens im Bereich der zweiten Öffnung, welche als Einfüllöffnung für die Zufuhr von Faserbündeln vorgesehen ist, die Schnecke mit ihrer Imprägnierzone vorliegt.

Ebenso kann eine erfindungsgemäße Einschnecken-Plastifiziereinheit als

Schneckenvorplastifizierung verwendet werden. Demzufolge kann eine

Spritzgießmaschine zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen mit einer Schließeinheit und einer erfindungsgemäßen Einschnecken-Plastifiziereinheit ausgestaltet sein, wobei ein der Plastifiziereinheit nachgeschaltetes Kolben- Spritzaggregat zum Einspritzen von mit Fasern versetzter Kunststoff-Schmelze in ein Spritzgießwerkzeug vorgesehen ist.

Insgesamt bietet die erfindungsgemäße Einschnecken-Plastifiziereinheit einige bedeutsame Vorteile. Mittels der erfindungsgemäßen Einschnecken- Plastifiziereinheit ist es möglich, dass als Endlosfasern ausgebildeten Faserbündel bzw. Rovings äußerst faserschonend mit Kunststoffschmelze imprägniert werden können. Es ergibt sich eine bessere Benetzung der Filamente unter Erhalt einer vergleichsweise größeren Länge der Filamente und der daraus bestehenden Faserbündel. Daraus resultieren verbesserte mechanische Eigenschaften im spritzgegossenen Bauteil. Letztendlich wird damit die Direktverarbeitung von Endlosfasern auf Einschnecken-Spritzgießmaschinen interessant und erstrebenswert, weil die Kosten für eine Einschnecken-Spritzgießmaschine deutlich geringer sind als für eine Spritzgießmaschine mit einem Doppelschneckenextruder als Plastifiziereinheit.

Die Fasern, mit denen die Kunststoffschmelze versetzt werden soll, können vorzugsweise von Endlosfasern in Form von Rovings - man kann auch von Faserbündeln sprechen - stammen und von einem Vorratsbehältnis zugeführt werden. In der Literatur findet man auch den Begriff„Faserstrang" als Synonym für den Begriff „Faserbündel". Insgesamt beschreiben somit die Begriffe „Roving", „Faserbündel" und„Faserstrang" ein und dasselbe Erzeugnis. Dabei ist es möglich und sinnvoll, die Zuführung der Faserstränge (Faserbündel, Rovings) mit einer geringeren Geschwindigkeit als die Einzugsgeschwindigkeit der Schnecke vorzusehen. Die Faserstränge sollten also aktiv abgebremst werden, wie dies beispielsweise für sich genommen aus der DE102009056653A1 bekannt ist. Dadurch können die einzelnen Filamente in einem Faserstrang besser mit Schmelze benetzt werden.

Der schraubenförmig um den Schneckenkern umlaufende Schneckensteg kann in unterschiedlichen Zonen der Schnecke unterschiedlich ausgeführt sein und es kann Zonen geben, in denen kein Schneckensteg vorhanden ist oder der Schneckensteg unterbrochen ist. Es kann auch Zonen geben, in welchen mehrere Schneckenstege vorhanden sind und in der die Schnecke entsprechend mehrgängig ausgebildet ist. Insbesondere in der Imprägnierzone kann die Schnecke mehrgängig ausgeführt sein. Soweit vorliegend also von einem Schneckensteg die Rede ist, muss der Schneckensteg nicht durchgehend auf dem Schneckenkern über die gesamte Länge der Schnecke vorhanden und gleich ausgebildet sein.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbespielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden. Es zeigen: Fig. 1 Spritzgießmaschine mit erfindungsgemäße Einschnecken-

Plastifiziereinheit;

Fig. 2a Zoneneinteilung einer Schnecke gemäß der Erfindung;

Fig. 2b Verlauf des Durchmessers des Schneckenkerns;

Fig. 2c Spaltmaß in der Imprägnierzone und außerhalb davon;

Fig. 3a Seitenansicht der Schnecke im Bereich der Imprägnierzone;

Fig. 3b B-B-Schnitt gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 3c B-B-Schnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3d B-B-Schnitt gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 4a Verlauf des Schneckenstegs in der Imprägnierzone gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4b Verlauf des Schneckenstegs in der Imprägnierzone gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4c Verlauf des Schneckenstegs in der Imprägnierzone gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 4d Verlauf des Schneckenstegs in der Imprägnierzone gemäß einer vierten Ausführungsform;

Fig. 5a Imprägnierzone - dreigängig;

Fig. 5b Imprägnierzone - zweigängig.

Die in der Figur 1 dargestellte Spritzgießmaschine 1 umfasst im Wesentlichen eine vorliegend nur schematisch angedeutete Schließeinheit 2 sowie eine erfindungsgemäße Einschnecken-Plastifiziereinheit 3. Die Schließeinheit 1 und die Einschnecken-Plastifiziereinheit 3 sind in an sich bekannter Weise auf einem hier nicht dargestellten Maschinenbett angebracht. Die Einschnecken-Plastifiziereinheit 3 umfasst einen Zylinder 4 mit einer Schnecke 5. Die Schnecke 5 hat einen Schneckenkern 18 und einen schraubförmig um den Schneckenkern 18 umlaufenden Schneckensteg 17. Zwischen der Oberseite des Schneckenstegs 17 und der Innenwand des Zylinders 4 liegt ein vorgebbarer Abstand als sogenanntes Spaltmaß vor. Einzelheiten hierzu sind den Figuren 2c, 3a, 3b und 3c offenbart. Auf der Außenseite des Zylinders 4 sind mehrere Heizelemente 19 angebracht. Das hintere Ende der Schnecke 5 ist mit einem Drehantrieb 6 und einem Linearantrieb 7 wirkverbunden. Mittels des Linearantriebs 7 kann die Schnecke 5 in dem Zylinder 4 axial verfahren werden, d.h. die Schnecke 5 ist als Schubschnecke ausgebildet und zum Einspritzen von mit Fasern versetzter Kunststoffschmelze in ein hier nicht dargestelltes in der Schließeinheit 2 befindliches Spritzgießwerkzeug vorgesehen. Im hinteren Endbereich der Schneckengänge ist eine erste Öffnung als Einfüllöffnung 8 für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials vorgesehen. Förderabseitig von der ersten Öffnung 8 ist in dem Zylinder 4 eine zweite Öffnung als Einfüllöffnung 9 für die Zufuhr eines Fasermaterials 10 vorgesehen. Das Fasermaterial wird vorzugsweise in Form von räumlich voneinander getrennten Faserbündeln 10a - 10f in die Öffnung 9 eingeführt. Ein Faserbündel kann auch als Roving bezeichnet werden. Am vorderen Ende weist die Schnecke 5 eine Rückströmsperre 1 1 und förderabseitig von der Rückströmsperre 1 1 ein mit der Schnecke 5 drehfest verbundenes und mit dieser mitrotierendes Mischteil 12 auf. Die Figur 1 zeigt eine Situation, wie sie am Ende eines Einspritzvorgangs vorliegt. Die Schnecke 5 befindet sich in ihrer vorderen Endposition. Der konisch zulaufende Kopf des Mischteils 12 liegt auf Anschlag in einer passenden konischen Ausnehmung in dem Zylinder 4.

Die Schnecke 5 verfügt über mehrere Zonen, die im Zusammenhang mit den Figuren 1 , 2a und 2b nachfolgend näher beschrieben werden sollen.

In der Darstellung der Figur 1 kann man bei der Schnecke 5 einen ersten Schneckenabschnitt SA1 (mit Zonen 21 , 22 und 23) identifizieren, der sich von der ersten Öffnung 8 bis zur zweiten Öffnung 9 erstreckt sowie einen zweiten Schneckenabschnitt SA2 (mit Zonen 25, 26, 27 und 28), der - förderabseitig gesehen - mit einem kurzen Abstand zum ersten Schneckenabschnitt SA2 beginnt und sich bis zum hinteren Ende der Rückströmsperre 1 1 erstreckt. In dem kurzen Abschnitt zwischen den beiden Schneckenabschnitten SA1 und SA2 ist kein Schneckensteg vorhanden und der Durchmesser des Schneckenkerns 18 nimmt signifikant ab von einem ersten relativ großen Durchmesser am Ende des Schneckenabschnitts SA1 auf einen relativ kleinen Durchmesser am Beginn des Schneckenabschnitts SA2. Dieses Zwischenstück zwischen den Schneckenabschnitten SA1 und SA2 wird nachfolgend auch als Dekompressionszone 24 bezeichnet. Auf diesem kurzen Abschnitt fällt der Druck der Schmelze auf Atmosphärendruck ab, so dass keine Schmelze aus der zweiten Öffnung 9 aus dem Zylinder 4 austreten kann (siehe hierzu auch den Druckverlauf in der Darstellung gemäß der Figur 2d). Auf dem Schneckenabschnitt SA1 ist die Schnecke 5 als übliche Drei-Zonen-Schnecke ausgebildet und umfasst demzufolge eine Einzugszone 21 , eine Kompressionszone 22 und eine Meteringzone 23. Da im zweiten Schneckenabschnitt SA2 ebenfalls eine Kompressionszone 27 und eine Meteringzone 28 vorgesehen sind, sollen diese Zonen wie folgt unterschieden werden. In dem ersten Schneckenabschnitt SA1 förderaufseitig der Faserzuführöffnung 9 liegen eine erste Kompressionszone 22 und eine erste Meteringzone 23 vor. In dem zweiten Schneckenabschnitt SA2 förderabseitig der Faserzuführöffnung 9 liegen eine zweite Kompressionszone 27 und eine zweite Meteringzone 28 vor. Zwischen der Dekompressionszone 24 und der zweiten Kompressionszone 27 sind noch eine Imprägnierzone 25 und eine Übergangszone 26 vorgesehen. Die Schnecke 5 verfügt somit über insgesamt acht Zonen, nämlich: Einzugszone 21 , erste Kompressionszone 22, erste Meteringzone 23, Dekompressionszone 24, Imprägnierzone 25, Übergangszone 26, zweite Kompressionszone 27 und zweite Meteringzone 28. In der Figur 2b ist dargestellt, wie sich der Durchmesser des Schneckenkerns 18 über die Länge der Schnecke 5 von Zone zu Zone verändert oder gleichbleibt.

In der Figur 2c ist dargestellt, wie sich das Spaltmaß S über die Länge der Schnecke 5 bzw. über die Länge des Zylinders 4 verändert. Der Zylinder 4 besitzt über seine axiale Erstreckung gesehen einen konstanten Innendurchmesser, insbesondere auch in dem Abschnitt der zweiten Öffnung 9 für die Zufuhr von Faserbündeln. Die Oberseite des Schneckenstegs 17 definiert den Außendurchmesser der Schnecke, der sich über die Länge des Zylinders 4 verändert, wodurch sich auch das Spaltmaß S über die Länge der Schnecke 5 bzw. über die Länge des Zylinders 4 verändert. In einem ersten Bereich liegt zwischen der Oberseite des Schneckenstegs 17 und der Innenwand des Zylinders 4 ein erstes Spaltmaß S1 vor und in einem zweiten Bereich des Schneckenstegs 17 liegt ein zweites Spaltmaß S2 vor. Gemäß einem ersten Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Imprägnierzone 25 das Spaltmaß S1 größer ist als das Spaltmaß S2 außerhalb der Imprägnierzone 25. Gemäß der Figur 2c liegt in der Imprägnierzone ein Spaltmaß S1 vor, das etwa 5 mal größer ist als das Spaltmaß S2 außerhalb von der Imprägnierzone 24. In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das Spaltmaß dem 1 bis 1 ,5-fachen Wert der Dicke der zugeführten Faserstränge. Typischerweise liegt das Spaltmaß S2 außerhalb der Imprägnierzone in einem Bereich von 0,1 bis 0,2mm.

Die Figur 2d zeigt den Druckverlauf über die Länge der Schnecke 5.

Ein weiterer Gedanke der vorliegenden Erfindung soll anhand der Figuren 3a bis 3d näher beschrieben werden. Erfindungsgemäß ist der Schneckensteg 17 auf der Seite der treibenden Schneckenflanke 16 angefast. Zwischen der Oberseite des Schneckenstegs 17 und der Innenwand des Zylinders 4 liegt ein Spaltmaß S1 vor. An der Außenseite des Schneckenstegs 17 liegen somit eine erste Oberfläche 14 und in Drehrichtung der Schnecke davor eine zweite Oberfläche als Fase 15 vor. Dabei ist der Schneckensteg 17 derart angefast, dass die Fase 15 einen Winkel zwischen 0° und 50° aufweist, vorzugsweise zwischen 5° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25°. Anstelle der Fase kann auch eine Verrundung 13 vorgesehen werden (Figur 3c). Dabei ist der Schneckensteg 17 auf der Seite der treibenden Schneckenflanke derart abgerundet, dass eine Verrundung 13 mit einem Radius von 0,5[mm] bis 10[mm] vorliegt, vorzugsweise eine Verrundung 13 mit einem Radius von 1 [mm] bis 5[mm], besonders bevorzugt eine Verrundung 13 mit einem Radius zwischen 2[mm] und 3[mm]. Gegebenenfalls kann auch eine Kombination einer Abrundung 13 mit einer Fase 15 vorgesehen werden, wie dies in der Figur 3d dargestellt ist.

In den Figuren 4a bis 4d sind verschiedene Ausführungsformen für den Verlauf des Schneckenstegs 17 von der Imprägnierzone 25 in die Übergangszone 26 dargestellt. Im Bereich der Imprägnierzone 25 kann der Schneckensteg 17 auf verschiedene Art und Weise auslaufen oder weitergeführt werden. In der Ausführungsform gemäß der Figur 4a nimmt die Höhe des Schneckenstegs 17 zum Ende der Imprägnierzone 25 hin ab und läuft gegen Null aus. Zu Beginn der Übergangszone 26 ist der Schneckensteg 17 aus der Imprägnierzone verschwunden und ein neuer Schneckensteg 20 beginnt am Anfang der Übergangszone 26. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 4b ist das Ende des Schneckenstegs 17 als Einstich ausgebildet, d.h. der Schneckensteg 17 wird bis zu seinem Ende 29 nicht in seiner Höhe reduziert. In geringem Abstand von dem Ende 29 beginnt ein neuer Schneckensteg 20. Bei der Ausführungsform gemäß der Figur 4c ist die Schnecke in der Imprägnierzone 25 eingängig ausgebildet und der Schneckensteg 17 von der Imprägnierzone geht ohne Unterbrechung in den Schneckensteg 20 in der Übergangszone über. Der Schneckensteg 17 wird sozusagen nahtlos fortgesetzt. Je nach Anforderungen kann beim Übergang von der Imprägnierzone in die Übergangszone das Spaltmaß von seiner Größe S1 in der Imprägnierzone auf ein Spaltmaß S3 in der Übergangzone 26 reduziert werden und der abgerundete oder angefaste Schneckensteg 17 kann in einen Schneckensteg 20 einer durchgehend ebenen Oberseite überführt werden (Figur 4d).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Schnecke 5 in der Imprägnierzone 25 mehrgängig ausgeführt sein, vorzugsweise dreigängig oder zweigängig, wie dies in den Figuren 5a und 5b dargestellt ist. Die Figur 5a zeigt eine dreigängig ausgeführte Schnecke 5 mit drei Schneckenstegen 17a, 17b, 17c. Die Figur 5b zeigt eine zweigängig ausgeführte Schnecke 5 mit Schneckenstegen 17a' und 17b'. Bei einer mehrgängigen Ausführung wird die Anzahl der Benetzungsvorgänge pro Schneckenumdrehung entsprechend der Anzahl an Schneckengängen bzw. der Anzahl an Schneckenstegen, vervielfacht. Der Auslauf der einzelnen Schneckenstege kann analog zu der Darstellung in den Figuren 4a und 4b ausgebildet sein. Bezugszeichenliste

Claims

Ansprüche

1 . Einschnecken-Plastifiziereinheit (3) zur Herstellung einer Kunststoffschmelze,

welche mit Fasern aus einem oder mehreren Faserbündeln (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) versetzt ist, mit einem Zylinder (4) und mit einer in dem Zylinder (4) drehbaren Schnecke (5), wobei die Schnecke (5) einen Schneckenkern (18) und einen schraubenförmig um den Schneckenkern (18) verlaufenden Schneckensteg (17) aufweist, wobei durch die Oberseite des Schneckenstegs (17) der

Außendurchmesser der Schnecke (5) definiert wird, wobei zwischen der Oberseite des Schneckenstegs (17) und der Zylinderinnenwand ein vorgebbarer Abstand als Spaltmaß (S) vorliegt, wobei in dem Zylinder (4) eine erste Öffnung (8) als

Einfüllöffnung für die Zufuhr eines aufzuschmelzenden Kunststoffmaterials vorgesehen ist, und wobei förderabseitig von der ersten Öffnung (8) in dem Zylinder

(4) eine zweite Öffnung (9) als Einfüllöffnung für die Zufuhr von einem oder mehreren Faserbündeln (10a. 10b. 10c. 10d. 10e. 10f) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schnecke (5) mehrere Zonen aufweist, wobei eine dieser Zonen als

Imprägnierzone (25) zum Imprägnieren der Filamente der Faserbündel (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) mit Kunststoffschmelze ausgebildet ist, dass die Imprägnierzone (25) in demjenigen Bereich der Schnecke (5) angeordnet ist, welcher sich im

Bereich der zweiten Öffnung (9) für die Zufuhr der Faserbündel (10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) befindet, dass in der Imprägnierzone (25) der Außendurchmesser der Schnecke (5) kleiner ist als außerhalb der Imprägnierzone (25) und das Spaltmaß

(5) größer ist als außerhalb der Imprägnierzone (25), und dass in der

Imprägnierzone (25) der Schneckensteg (17) auf der Seite der treibenden

Schneckenflanke abgerundet (13) oder angefast (15) ist.

2. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

förderabseitig von der Imprägnierzone (25) und an diese anschließend eine

Übergangszone (26) vorgesehen ist, wobei in der Übergangszone (26) das

Spaltmaß (S2) geringer ist als in der Imprägnierzone (25) und wobei vorzugsweise in der Übergangszone (26) das Spaltmaß (S2) größer oder gleich groß ist wie in einer förderabseitig von der Übergangszone (26) vorgesehenen Kompressionszone (27).

3. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schneckenkern (18) in der Imprägnierzone (25) einen geringeren Durchmesser aufweist als in einer förderabseitig von der Imprägnierzone (25) vorgesehenen Meteringzone (28).

4. Einschnecken-Plastfiziereinheit nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich der Durchmesser des Schneckenkerns (18) von einem ersten Durchmesser in der Imprägnierzone (25) auf einen zweiten Durchmesser in der Meteringzone (28) vergrößert, wobei vorzugsweise zwischen der Imprägnierzone (25) und der

Meteringzone (28) eine Übergangszone (26) und daran anschließend eine

Kompressionszone (27) vorgesehen sind, und wobei die Vergrößerung des

Durchmessers im Bereich der Kompressionszone (27) vorgesehen ist.

5. Einschnecken-Plastfiziereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schnecke (5) in Förderrichtung gesehen nacheinander folgende Zonen aufweist:

- eine Granulat-Einzugszone (21 ),

- eine erste Kompressionszone (22),

- eine erste Meteringzone (23),

- eine Imprägnierzone (25),

- eine Übergangszone (26),

- eine zweite Kompressionszone (27), und

- eine zweite Meteringzone (28).

6. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

zwischen der ersten Meteringzone (23) und der Imprägnierzone (25) eine

Dekompressionszone (24) vorgesehen ist, wobei in der Dekompressionszone (24) kein Schneckensteg (17) vorhanden ist, und wobei der Durchmesser des Schneckenkerns (18) in der Dekompressionszone (24) geringer ist als der

Durchmesser des Schneckenkerns (18) in dem förderaufseitig liegenden Abschnitt (SA1 ) der Schnecke.

7. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schnecke (5) in der Imprägnierzone (25) eingängig ausgebildet ist, dass der Schneckensteg (17) von der Imprägnierzone (25) ohne Unterbrechung in den Schneckensteg in der Übergangszone übergeht, wobei in der Imprägnierzone (25) und in der Übergangszone (26) die gleiche Gangsteigung damit die gleiche Steigung für den Schneckensteg (17) vorliegt .

8. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

beim Übergang von der Imprägnierzone (25) in die Übergangszone (26) das

Spaltmaß (S) von seiner in der Imprägnierzone (25) vorgesehenen Größe auf ein Standard-Spaltmaß reduziert wird, wie es in den Zonen außerhalb der

Imprägnierzone (25) vorliegt, wobei als Standard-Spaltmaß eine Größenordnung von etwa 0,1 % des Schneckendurchmessers angesehen wird, wobei vorzugsweise ein Spaltmaß von mindestens 0,1 mm vorgesehen ist.

9. Einschnecken-Plastifziereinheit nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

beim Übergang von der Imprägnierzone (25) in die Übergangzone (26) der abgerundete oder angefaste Schneckensteg (17) in einen Schneckensteg (20) mit einer durchgehend ebenen Oberseite überführt ist.

10. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach einem der Anspruch 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schnecke (5) in der Imprägnierzone mehrgängig, vorzugsweise dreigängig oder zweigängig, ausgebildet ist, wobei alle Schneckenstege (17a, 17b, 17c, 17a', 17b') in der Imprägnierzone (25) auf der Seite der treibenden Schneckenflanke

abgerundet (13) oder angefast (15) sind.

1 1 . Einschnecken-Plastifiziereinheit nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Höhe von einem oder mehreren der in der Imprägnierzone (25) liegenden Schneckenstege (17, 17a, 17b, 17c, 17a', 17b') zum Ende der Imprägnierzone (25) hin abnimmt und vorzugsweise gegen Null ausläuft.

12. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach Anspruch 10 oder 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein oder mehrere der in der Imprägnierzone (25) liegenden Schneckenstege (17, 17a, 17b, 17c, 17a', 17b') am Ende der Imprägnierzone (25) als Einstich (29) enden.

13. Einschnecken-Plastifziereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gangsteigung in der Imprägnierzone (25) größer ist als in den übrigen Zonen der Schnecke (5).

14. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schneckensteg (17) in der Imprägnierzone (25) angefast (15) ist und dass die Kante zwischen der Fase (15) und der Schneckenflanke abgerundet ist.

15. Einschnecken-Plastifiziereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schneckensteg (17) auf der Seite der treibenden Schneckenflanke derart abgerundet (13) ist, dass eine Verrundung (13) mit einem Radius von 0,5[mm] bis 10[mm] vorliegt, vorzugsweise eine Verrundung (13) mit einem Radius von 1 [mm] bis 5[mm], besonders bevorzugt eine Verrundung (13) mit einem Radius zwischen 2[mm] und 3[mm].

16. Einschnecken-Plastifziereinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Schneckensteg (17) auf der Seite der treibenden Schneckenflanke derart angefast (15) ist, dass die Fase (15) einen Winkel zwischen 0° und 50° aufweist, vorzugsweise zwischen 5° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25°.

17. Spritzgießmaschine (1 ) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Fornnteilen, mit einer Schließeinheit (2) und einer Einschnecken-Plastifiziereinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Linearantrieb (7) für die Schnecke (5) vorgesehen ist, derart, dass die Schnecke (5) als Schubschnecke ausgebildet ist und zum Einspritzen von mit Fasern versetzter Kunststoff-Schmelze in ein

Spritzgießwerkzeug vorgesehen ist, wobei die Imprägnierzone (25) der Schnecke (5) eine solche Länge aufweist, dass in jeder Position der Schnecke (5) während des Aufdosierens im Bereich der zweiten Öffnung (9) die Schnecke (5) mit ihrer Imprägnierzone (25) vorliegt.

18. Spritzgießmaschine (1 ) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Fornnteilen, mit einer Schließeinheit (2) und einer Einschnecken-Plastifiziereinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, und mit einem der Plastifiziereinheit (3) nachgeschalteten Kolben-Spritzaggregat zum Einspritzen von mit Fasern versetzter Kunststoff-Schmelze in ein Spritzgießwerkzeug.