DE102006005300B4

DE102006005300B4 - Verfahren zum Expansionsspritzgießen

Info

Publication number: DE102006005300B4
Application number: DE200610005300
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. Lampl
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: AT501516A1; AT501516B1; DE102006005300A1

Abstract

Verfahren zum Expansionsspritzgießen mit einer Spritzeinheit mit vollelektrischem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzeinheit ein geschlossenes Hydrauliksystem und einen Druckspeicher aufweist, wobei neben der Spritzzylindereinheit (3, 4) eine zusätzliche hydraulische Arbeitszylindereinheit (5, 6) vorgesehen ist, hydraulisch verbunden mit dem Spritzzylinder (3), in der die Bewegung des Kolbens (6) durch einen von einem elektrischen Servomotor (13) angetriebenen Gewindeschraubtrieb (12) hervorgerufen wird, wobei beim Expansionsspritzgießen das Schmelzevolumen im Schneckenvorraum (V1), das Ölvolumen (V2) im Spritzzylinder (3) und Arbeitszylinder (5), sowie das Gasvolumen (V3) im Druckspeicher (7) gemeinsam durch Verschieben des Kolbens (6) im Arbeitszylinder (5) verdichtet werden, bis im Schneckenvorraum (V1) der notwendige Druck in der Schmelze erreicht ist und anschließend nach dem Öffnen einer Verschlussdüse (15) der Füllvorgang der Kavität (21) im Werkzeug (20) durch gleichzeitige Expansion der komprimierten Stoffe erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Expansionsspritzgießen mit einer Spritzeinheit mit vollelektrischem Antrieb, sowie auf eine solche Spritzeinheit mit vollelektrischem Antrieb.
Stand der Technik ist die Verwendung von Spritzgießmaschinen mit Druckspeicher für die Herstellung von dünnwandigen Spritzgussteilen, bei denen üblicherweise nur der Druckspeicher zur Energiespeicherung vorgespannt wird. Die Kunststoffschmelze und das Hydrauliköl werden erst durch den ansteigenden Einspritzdruck während der Formfüllung verdichtet. Die gemessene Fließfrontgeschwindigkeit weicht aus diesem Grunde stark vom berechneten Wert ab (bis 1/6 kleiner).
In der europäischen Patentanmeldung EP 1 074 374 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem nur die Schmelze im Schneckenvorraum verdichtet wird und nach dem Öffnen der Absperrung den Werkzeughohlraum bei feststehender Schnecke füllt. Dieses Verfahren ist nur für die Herstellung von Teilen mit sehr geringem Gewicht anwendbar. Es wird dabei nur die Kompressibilität der Schmelze und die elastische Verformung der druckbeaufschlagten Maschinenteile bei der Werkzeugfüllung durch Expansion der Schmelze genützt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Expansionsspritzgussverfahren für vollelektrische Spritzeinheiten zur Verfügung zu stellen, bei dem auch dünnwandige Spritzgussteile mit größeren Abmessungen und Gewichten hergestellt werden können.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht, in dem die Spritzeinheit ein geschlossenes Hydrauliksystem und einen Druckspeicher aufweist, wobei neben der Spritzzylindereinheit eine zusätzliche hydraulische Arbeitszylindereinheit vorgesehen ist, hydraulisch verbunden mit dem Spritzzylinder, in der die Bewegung des Kolbens durch einen von einem elektrischen Servomotor angetriebenen Gewindeschraubtrieb hervorgerufen wird, wobei beim Expansionsspritzgießen das Schmelzevolumen im Schneckenvorraum, das Ölvolumen im Spritzzylinder und Arbeitszylinder, sowie das Gasvolumen im Druckspeicher gemeinsam durch Verschieben des Kolbens im Arbeitszylinder verdichtet werden, bis im Schneckenvorraum der notwendige Druck in der Schmelze erreicht ist und anschließend nach dem Öffnen einer Verschlussdüse der Füllvorgang der Kavität im Werkzeug durch gleichzeitige Expansion der komprimierten Stoffe erfolgt. In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Durchmesser des Kolbens im Arbeitszylinder größer als der Schneckendurchmesser, aber kleiner als der Kolbendurchmesser im Spritzzylinder ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines Spritzaggregates mit einem zusätzlichen hydraulischen Arbeitszylinder, in welchem der Kolben zur Druckerzeugung elektromechanisch verschoben wird, ermöglicht die Herstellung von dünnwandigen Spritzgussteilen mit größeren Abmessungen und Gewichten. Das Hydrauliköl dient zur Kraftübertragung, es ist jedoch keine Hydraulikanlage mit Pumpe und Verteilersystem vorhanden. Der Schneckenantrieb ist mit einem elektrischen Servomotor ausgeführt, daher ist ein wirtschaftlicher Energieverbrauch gewährleistet.
Eine vollelektrische Spritzeinheit mit einem hydraulischen Spritzzylinder, einem zusätzlichen Druckspeicher und einem zusätzlichen hydraulischem Arbeitszylinder, in dem der Kolben elektromechanisch angetrieben wird, ist zum Beispiel aus der DE 101 35 516 A1 bekannt. Die dort geoffenbarte Spritzeinheit wird aber für einen konventionellen Einspritzvorgang mittels Schneckenvorschub eingesetzt. Die Schneckendrehung beim Dosieren erfolgt ebenfalls mit einem elektrischen Servomotor.
Bei der Herstellung dünnwandiger Formteile mittels Expansionsspritzguss wird erfindungsgemäß in die Spritzeinheit ein Druckspeicher integriert. Die vollelektrische Spritzeinheit ist dadurch zum Expansionsspritzgießen mit extrem schnellen Einspritzgeschwindigkeiten geeignet. Vor allem bei dünnwandigen Spritzgussteilen bewirkt die in der Kompressionsphase gespeicherte Energie in der Kunststoffschmelze, im Hydrauliköl und Druckspeicher den notwendigen schnellen Einspritzvorgang. Im geschlossenen Hydrauliksystem ist keine Hydraulikpumpe vorgesehen, das Öl dient nur als Druckübersetzung zur Erzeugung der erforderlichen Einspritzkraft für die vorgegebene Spritzgeschwindigkeit.
Abgesehen von der Erfindung ist mit dem Spritzaggregat auch ein konventioneller Füllvorgang für dickwandige Teile realisierbar, dabei wird die notwendige Einspritzgeschwindigkeit durch elektromechanisches Verschieben des Kolbens im Arbeitszylinder erzeugt. Der Druckspeicher ist in diesem Falle vom System durch einen Absperrschieber getrennt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung, die nur die verfahrenswesentlichen Teile des Spritzaggregates zeigt, dargestellt und beschrieben.
Beim Expansionsspritzgießen wird die Kunststoffschmelze im Massezylinder 1 durch die Schnecke 2 plastifiziert und gelangt in den Schneckenvorraum V1. Die werkzeugseitige Öffnung der Schlussdüse 15 ist durch die Düsennadel 16 über einen Hebel 17 verschließbar. Im Werkzeug 20 befindet sich die Kavität 21, deren Volumen wesentlich kleiner ist, als das Volumen des Schneckenvorraumes V1.
Der für die rasche Werkzeugfüllung notwendige hohe Massedruck (bis 3500 bar) wird bei geschlossener Verschlussdüse 15 durch das Verschieben des Kolbens 6 im Arbeitszylinder 5 erzeugt. Die Verschiebung wird durch den Gewindeschraubtrieb 12 durchgeführt, angetrieben durch den Zahnriementrieb 11 und den Servomotor 13. In dieser Kompressionsphase wird Energie in der Schmelze im Schneckenvorraum V1, im Öl vom Spritzzylindervolumen und dem Arbeitszylindervolumen V2 und dem Gasvolumen V3 des Druckspeichers 7 gespeichert. Der Druckspeicher ist über den Absperrschieber 22 mit dem Spritzzylinderraum verbunden. Nach dem öffnen der Verschlussdüse 15 erfolgt die gleichzeitige Expansion der komprimierten Stoffe und die rasche Füllung der Werkzeugkavität 21. Die Füllgeschwindigkeit ist vom Kompressionsenddruck und dem Füllwiderstand im Werkzeug 20 und der Verschlussdüse 15 abhängig. Der Druck im Schneckenvorraum V1 und die korrespondierenden Drücke im geschlossenen Hydrauliksystem und Druckspeicher sinken bis die Werkzeugkavität gefüllt ist und ein Druckausgleich zwischen Kavität 21 und dem Schneckenvorraum V1 stattgefunden hat. Während der Expansionsphase wird der Kolben 6 nicht bewegt. Nach der Expansionsphase trennt der Schieber 22 die Verbindung zwischen Druckspeicher 7 und Hydraulikzylinderraum V2 und der Enddruck der Füllung bleibt im Druckspeicher 7 aufrecht. Der Schieber 22 wird erst wieder geöffnet, wenn in der nächsten Kompressionsphase im Spritzzylinderraum V2 der im Druckspeicher 7 vorhandene Druck erreicht wird. Der Druckvergleich erfolgt über die Sensoren 26, 27 und die Steuereinheit 14 gibt das Schaltsignal für den Schieber 22. Der Sensor 25 im Vorraum V1 registriert den Schmelzedruck während der Verdichtungs- und Expansionsphase. Nach dem Schließen von Schieber 22 am Füllende wird der Kolben 6 im Arbeitszylinder 7 zurückgezogen und regelt über den Sensor 27 das geforderte Nachdruckprofil. Nach Ablauf der Nachdruckzeit beginnt das Dosieren, die Schnecke 2 wird durch einen elektrischen Servomotor 10 über den Zahnriemenantrieb 9 angetrieben und das gewünschte Profil für den Rückstaudruck durch die Veränderung der Position von Kolben 6 eingestellt. Die Positionsveränderung für den Kolben 6 erfolgt über den Zahnriementrieb 11 durch den elektrischen Servomotor 13. Eine konstante Öltemperatur wird durch die Wasserkühlung 19 von Spritz- und Arbeitszylinder erreicht.
Beim Standardspritzgießen bleibt der Schieber 22 immer geschlossen und bei geöffneter Verschlussdüse 15 wird durch das elektromechanische Verschieben des Kolbens 6 im Arbeitszylinder 5 der Kolben 4 im Spritzzylinder 3 bewegt und die notwendige Spritzgeschwindigkeit erzeugt. Nachdruck- und Staudruckprofil werden wie beim Expansionsspritzgießen durch die Positionsveränderung des Kolbens 6 eingestellt. Das erreichbare maximale Spritzvolumen und die maximale Spritzgeschwindigkeit ist durch die Dimensionierung der zusätzlichen Arbeitszylindereinheit 4, 6 festgelegt. Der Durchmesser des Kolbens 6 ist größer als der Schneckendurchmesser 2 aber wesentlich kleiner als der Durchmesser vom Spritzzylinderkolben 4. Zur Erzeugung des notwendigen Vorspanndruckes im Druckspeicher 7 wird durch zurückziehen von Kolben 6 Öl über den Schieber 23 aus dem Ausgleichsbehälter 8 angesaugt und nach dem Schließen von Schieber 23 und Öffnen von Schieber 22 in den Druckspeicher gedrückt. Der Vorgang wird wiederholt bis der Sensor 26 den erforderlichen Druck anzeigt. Außerdem überwacht der Sensor 27 die Druckverhältnisse in der Hydraulik und auftretende Leckölverluste werden aus dem Ausgleichsbehälter 8 bei Unterdruck im Arbeitszylinder 5 über den Schieber 23 kompensiert.
Die Spritzeinheit ist somit zum Expansionsspritzgießen und zum Standartspritzgießen geeignete und vollelektrisch sowie energiesparend angetrieben. Beim Expansionsspritzen wird in der Kompressionsphase eine gleichzeitige Verdichtung von Schmelze, Hydrauliköl und Druckgas durchgeführt und die gespeicherte Energie kann nach dem Öffnen der Verschlussdüse zur raschen Werkzeugfüllung genützt werden. Sehr kurze Füllzeiten für dünnwandige Spritzgussteile sind bei geringen Schwankungen der Qualitätsmerkmale erreichbar. Wählt man zweckmäßigerweise zuerst den Vorspanndruck (meist 2000–3000 bar) und das Volumen im Schneckenvorraum V1 (wesentlich größer als der Werkzeughohlraum 21), sind auch der Druck im Arbeitszylinder 7, Spritzzylinder 4 und Druckspeicher 7 festgelegt. Mit einem Rechenprogramm kann dann der Druckverlauf im Schneckenvorraum und der Volumenstrom der Schmelze zur Kavität während der Werkzeugfüllung bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Expansionsspritzgießen mit einer Spritzeinheit mit vollelektrischem Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzeinheit ein geschlossenes Hydrauliksystem und einen Druckspeicher aufweist, wobei neben der Spritzzylindereinheit (3, 4) eine zusätzliche hydraulische Arbeitszylindereinheit (5, 6) vorgesehen ist, hydraulisch verbunden mit dem Spritzzylinder (3), in der die Bewegung des Kolbens (6) durch einen von einem elektrischen Servomotor (13) angetriebenen Gewindeschraubtrieb (12) hervorgerufen wird, wobei beim Expansionsspritzgießen das Schmelzevolumen im Schneckenvorraum (V1), das Ölvolumen (V2) im Spritzzylinder (3) und Arbeitszylinder (5), sowie das Gasvolumen (V3) im Druckspeicher (7) gemeinsam durch Verschieben des Kolbens (6) im Arbeitszylinder (5) verdichtet werden, bis im Schneckenvorraum (V1) der notwendige Druck in der Schmelze erreicht ist und anschließend nach dem Öffnen einer Verschlussdüse (15) der Füllvorgang der Kavität (21) im Werkzeug (20) durch gleichzeitige Expansion der komprimierten Stoffe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelung in der Nachdruck- und Dosierphase des Spritzprozesses durch Verschieben des Kolbens (6) im Arbeistzylinder (5) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung zwischen dem Druckspeicher (7) und dem Arbeitszylinder (5) ein Schieber (22) angeordnet ist, der nach der Werkzeugfüllung vor dem Umschalten auf Nachdruck die Verbindung zwischen Druckspeicher (7) und dem Arbeitszylinder (5) unterbricht und dadurch ein weiteres Abfallen des Hydraulikdruckes im Speicherbereich verhindert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (22) die Verbindung zwischen Arbeitszylinder (5) und Druckspeicher (7) wieder herstellt, wenn während der Kompressionsphase im Arbeitszylinder (5) der im Druckspeicher (7) vorhandene Druck erreicht wird, wobei die Druckabgleichung durch die Sensoren (26, 27) erfolgt.