DE10243683A1

DE10243683A1 - Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder für eine Mikrospritzgießmaschine

Info

Publication number: DE10243683A1
Application number: DE2002143683
Authority: DE
Inventors: Gabor Jüttner
Original assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Current assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2022-09-21
Also published as: DE10243683B8; DE10243683B4

Abstract

Die Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder arbeitet gänzlich ohne Rückströmsperre oder Sperrventil und besitzt einen glatten von Strömungshindernissen freien Überleitungskanal. DOLLAR A Die Spritzeinheit besteht aus einem Einspritzzylinder mit einem langen, stabförmigen Einspritzkolben und einem seitlich zum Einspritzzylinder angeordneten Vorplastifizierzylinder, der über einen zylindrischen, glatten, von Strömungshindernissen freien Überleitungskanal mit dem Einspritzzylinder direkt verbunden ist. DOLLAR A Zum Dosieren wird der Einspritzkolben in die hintere Endlage S1 gezogen und die Schmelze kann ungehindert und schnell aus dem Vorplastifizierzylinder vor den Einspritzkolben in den Einspritzzylinder einströmen. DOLLAR A Beim Einspritzen (Vorlaufbewegung des Einspritzkolbens), wird der Punkt S2 sehr schnell erreicht, wobei der Überleitungskanal dort durch den Einspritzkolben verschlossen wird, so daß ein Schmelzerücklauf aus dem Einspritzzylinder und ein weiterer Schmelzefluß aus dem Vorplastifizierzylinder verhindert wird. DOLLAR A Der Weg zwischen den Punkten S1 und S2 ist sehr klein und entspricht dem Durchmesser des Überleitungskanals, Fig. 1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder für eine Mikrospritzgießmaschine zur Herstellung von Mikroformteilen.
Unter Mikroformteilen sollen in den nachfolgenden Ausführungen kleine spritzgegossene Kunststoff-Formteile mit Abmessungen von wenigen Millimetern und Schußgewichten in der Größenordnung von 10 mg bis 10 g verstanden werden. Solche Formteile können auch Flächen und Bereiche mit Strukturen im Mikrometerbereich aufweisen. Der Einspritzmechanismus gebräuchlicher und bekannter Spritzgießmaschinen ist im Prinzip ein diskontinuierliches Fördersystem für die Kunststoffschmelze. Der Schmelzefluß wird durch einen translatorisch in einem Plastifizierzylinder bewegbaren Einspritzkolben erzeugt. Die Förderrichtung wird dabei durch ein Rückschlagventil bestimmt, welches abhängig von der Bewegungsrichtung aber unabhängig von der Lage des Kolbens den Schmelzekanal freigibt oder schließt.
Für die meistverbreiteten Schneckenkolben-Spritzgießmaschinen werden Ring- und Kugelrückströmsperren verwendet.
Eine Besonderheit von Einspritzeinheiten für besonders kleine Einspritzvolumina bzw. Schußgewichte ist, daß das Einspritzen von einer Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder ausgeführt wird, d.h., das Einspritzen und das Plastifizieren erfolgen örtlich getrennt, wobei zwischen Vorplastifizierzylinder und Kolbenspritzeinheit ein Verschlußmechanismus angeordnet ist, der ein ungewolltes Zurückfließen der Schmelze in die Vorplastifiziereinheit verhindert.

In den bekannten Ausführungen von Mikro-Einspritzeinheiten wird eine Rückströmsperre oder ein Sperrventil zwischen Vorplastifizierzylinder und Kolbenspritzeinheit plaziert. So wird in Oepen, R. v.: Ein neues Maschinenkonzept für das Spritzgießen von Kleinteilen im Tagungsband zum 17. Kunststofftechnischen Kolloquium Aachen, 1994, Block 6, S. 143 eine Mikrospritzgießmaschine mit Schneckenvorplastifizierung und externer Kolbeneinspritzung beschrieben. Eine feststehende Schnecke plastifiziert das Material und fördert es über eine Kugelrückströmsperre in den Kolbenvorraum.

Im Industrieanzeiger, 1994, H. 16, S. 34-35 wird ebenfalls eine Mikrospritzgießmaschine mit Kolbeneinspritzeinheit und separater Schneckenvorplastifizierung beschrieben. Auch hier ist zwischen diesen beiden Einheiten eine Kugelrückströmsperre angeordnet. Weitere Einspritzeinheiten, die mit Ring- und Kugelrückströmsperren arbeiten, werden in Johannaber, F.; Michaeli, W.: Handbuch Spritzgießen, Verlag Carl Hanser München Wien, 2001, S. 1016-1019 gezeigt.

Schließlich ist aus dem Maschinenprospekt Mikrosystem von Battenfeld, 2001 eine Kolbenspritzeinheit mit Schneckenvorplastifizierung bekannt, bei der ein Sperrventil zur Verhinderung des Zurückfließens der Schmelze zwischen Kolbenspritzeinheit und Schneckenvorplastifizierung angeordnet ist.

Nachteilig bei allen diesen Lösungen ist, daß Rückströmsperren immer auch ein Strömungshindernis bilden. Bei ihrem Einsatz können "tote Ecken" entstehen, die zu Verweilzeitunterschieden der Schmelze und damit zu thermischen Schädigungen des Materials führen können.

Darüber hinaus erhöhen Rückströmsperren auch den Strömungswiderstand, verursachen eine größere Scherung und sind damit unter Umständen auch für Materialschädigungen verantwortlich. Diese negativen Einflüsse werden beim Spritzgießen von thermisch empfindlichen Thermoplasten wie PVC und Duroplasten besonders deutlich. Zur Verarbeitung dieser Materialien werden Schnecken oft ohne Rückströmsperren eingesetzt, und ein gewisser Schmelzerückfluß wird in Kauf genommen.

Da beim Mikrospritzgießen der Schmelzedurchsatz klein und die Scherbeanspruchung in den engen Fließkanälen groß ist, kommen die Nachteile der Rückströmsperren auch hier zum Tragen.

Sperrventile sind zwar gegenüber Rückströmsperren strömungsgünstiger und können auch günstiger gefertigt werden, aber sie können auch Undichtigkeiten aufweisen. Ein weiteres konstruktives Problem beim Bau von Mikrospritzgießmaschinen entsteht dadurch, daß viele Bauteile, darunter auch die Rückströmsperre bzw. das Sperrventil, miniaturisiert werden müssen. Das bedeutet einen hohen fertigungstechnischen Aufwand bei der Maschinenherstellung, wobei die Gefahr besteht, daß diese filigranen, beweglichen und mechanisch und thermisch belasteten Bauteile dann für einen dauerhaften Einsatz nicht robust genug sind.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder für Mikrospritzgießmaschinen zu schaffen, die ohne Rückströmsperre oder Sperrventil arbeitet, eine optimale strömungstechnische Gestaltung der Überleitung zwischen Vorplastifizierzylinder und Einspritzzylinder besitzt, eine robuste konstruktive Ausführung auch bei kleinsten Abmessungen ermöglicht und mit hoher Präzision arbeitet.

Die erfindungsgemäße Kolbenspritzeinheit besteht aus einem Einspritzzylinder mit einer angeformten oder angesetzten Maschinendüse und von außen um den Einspritzzylinder herum angeordneten Heizbändern. Im Einspritzzylinder ist ein langer, stabförmiger, zylindrischer Einspritzkolben angeordnet, der die im Einspritzzylinder befindliche Schmelze beim Einspritzvorgang in die Kavität bzw. die Kavitäten des Spritzgießwerkzeuges hineindrückt. Seitlich zum Einspritzzylinder ist ein Vorplastifizierzylinder angeordnet, der über einen zylindrischen, glatten, ohne Strömungshindernisse aufweisenden Überleitungskanal mit dem Einspritzzylinder direkt verbunden ist. Der Vorplastifizierzylinder kann als Schnecken- oder Kolbenplastifizierzylinder ausgebildet sein und wird von außen ebenfalls durch Heizbänder beheizt.

Die Länge des Einspritzkolbens muß dabei so ausgelegt sein, daß er in der Stellung seiner vorderen Endlage S3 den aus dem Vorplastifizierzylinder in den Einspritzzylinder mündenden Überleitungskanal immer noch mit seinem hinteren Ende überdeckt und damit verschließt.

Mit dieser vorgeschlagenen Lösung kann auf eine Rückströmsperre zwischen dem Vorplastifizier- und dem Einspritzzylinder verzichtet werden. Der Schmelzerückfluß wird durch die Stellung des Einspritzkolbens verhindert. Die hintere Endlage S1 des Einspritzzylinders ist hinter der Einmündung des Überleitungskanales in den Einspritzzylinder angeordnet.

Zum Dosieren wird der Einspritzkolben in die hintere Endlage S1 gezogen und die Schmelze kann ungehindert und schnell aus dem Vorplastifizierzylinder vor den Einspritzkolben in den Einspritzzylinder einströmen. Beim Einspritzen, d. h., bei der Vorlaufbewegung des Einspritzgkolbens, wird der Punkt S2, an dem der Überleitungskanal vom Vorplastifizierzylinder zum Einspritzzylinder durch den Einspritzkolben verschlossen wird, sehr schnell erreicht , so daß ein Schmelzerücklauf aus dem Einspritzzylinder und ein weiterer Schmelzefluß aus dem Vorplastifizierzylinder verhindert wird. Der Wegpunkt S2 ist vor der Einmündung des Überleitungskanales in den Einspritzzylinder angeordnet.

Der Weg zwischen den Punkten S1 und S2 ist sehr klein und entspricht dem Durchmesser des Überleitungskanals.

Die Punkte S1, S2, S3 sind Wegpunkte, die längs des Einspritzkolbenweges angeordnet sind und sich aus der Konstruktion und dem Verfahrensablauf ergeben.

Die Menge der eingespritzten Schmelze wird durch das Einspritzzylindervolumen zwischen den Punkten S2 und S3 bestimmt. Dieses Volumen wird an das notwendige Schußvolumen entsprechend der herzustellenden Formteile angepaßt, in dem der Einspritzzylinder gegebenenfalls ausgewechselt wird, d. h., die Mikrospritzgießmaschine wird mit Einspritzzylindern verschiedener Zylindervolumina ausgerüstet.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Es zeigen:
1: Kolbenspritzeinheit mit Kolbenvorplastifizierung; Einspritzkolben in vorderer Endlage, Überleitungskanal verschlossen,
2: Kolbenspritzeinheit mit Kolbenvorplastifizierung; Einspritzkolben in hinterer Endlage, Überleitungskanal freigegeben.
Die Kolbenspritzeinheit für eine Mikrospritzgießmaschine nach 1 besteht aus dem Einspritzzylinder 1 mit der angeformten Maschinendüse 2 und Heizbändern 3, die von außen um den Einspritzzylinder 1 herumgelegt sind. Im Einspritzzylinder 1 ist ein langer, stabförmiger, zylindrischer Einspritzkolben 4 angeordnet, der die im Einspritzzylinder 1 befindliche Schmelze 5 beim Einspritzvorgang in eine nicht weiter dargestellte Kavität des Spritzgießwerkzeuges hineindrückt.
Seitlich und senkrecht zum Einspritzzylinder 1 ist der Vorplastifizierzylinder 6 angeordnet, der über einen zylindrischen Überleitungskanal 7 mit dem Einspritzylinder 1 direkt verbunden ist. Der Vorplastifizierzylinder 6 ist als Kolbenplastifiziereinheit ausgebildet und wird von außen ebenfalls durch Heizbänder 3 beheizt.
Die Länge des Einspritzkolbens 4 ist so ausgelegt, daß er in der Stellung der vorderen Endlage S3 den Überleitungskanal 7 mit seinem Ende noch überdeckt und damit verschließt.
Zum Dosieren wird der Einspritzkolben 4 in seine hintere Endlage S1 gezogen und die Schmelze 5 kann ungehindert und schnell aus dem Vorplastifizierzylinder 6 vor den Einspritzkolben 4 in den Einspritzzylinder 1 einströmen, 2.
Beim Einspritzen, d. h., bei der Vorlaufbewegung des Einspritzkolbens 4, wird der Punkt S2 sehr schnell erreicht und der Überleitungskanal 7 wird durch den Einspritzkolben überdeckt und verschlossen. Ein Schmelzerücklauf aus dem Einspritzzylinder 1 und ein weiterer Schmelzefluß aus dem Vorplastifizierzylinder 6 werden damit verhindert. Im gewählten Ausführungsbeispiel beträgt der Weg zwischen den Punkten S1 und S2 1 mm und entspricht dem Durchmesser des Überleitungskanals 7.
Die Menge der eingespritzten Schmelze 5 wird durch das Einspritzzylindervolumen zwischen den Punkten S2 und S3 bestimmt.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder liegen darin, daß

– auf eine Rückströmsperre oder ein Sperrventil zwischen dem Einspritzzylinder und dem Vorplastifizierzylinder gänzlich verzichtet werden kann, und
– damit ist die Gestaltung eines glatten von Strömungshindernissen freien Überleitungskanals möglich, so daß längere Verweilzeiten von Schmelzeanteilen oder die thermische Schädigung der Schmelze durch eine erhöhte Scherung im Bereich einer Rückströmsperre oder eines Sperrventils entfallen,
– darüber hinaus ist eine robuste und steife Bauart der Kolbenspritzeinheit, auch bei Miniaturisierung der notwendigen Bauteile möglich.

1: Einspritzzylinder
2: Maschinendüse
3: Heizbänder
4: Einspritzkolben
5: Schmelze
6: Vorplastifizierzylinder
7: Überleitungskanal
S3: Wegpunkt, vordere Endlage
S2: Wegpunkt
S1: Wegpunkt, hintere Endlage

Claims

Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierzylinder für eine Mikrospritzgießmaschine zur Herstellung von Mikroformteilen bestehend aus einem Einspritzzylinder mit angeformter oder angesetzter Maschinendüse, mit einem temperierten Einspritzzylinder und mit einem senkrecht oder im spitzen Winkel zum Einspritzzylinder angeordneten Vorplastifizierzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß im Einspritzzylinder (1) ein langer, stabförmiger, zylindrischer Einspritzkolben (4) angeordnet ist und die Länge des Einspritzkolbens (4) so ausgelegt ist, daß er in der Stellung seiner vorderen Endlage (S3) den aus dem Vorplastifizierzylinder (6) in den Einspritzzylinder (1) mündenden Überleitungskanal (7) mit seinem hinteren Ende überdeckt und verschließt, daß zwischen dem Vorplastifizierzylinder (6) und dem Einspritzzylinder (1) ein Überleitungskanal (7) angeordnet ist und der Überleitungskanal (7) ein glatter, zylindrischer Kanal frei von Strömungshindernissen ist, daß die hintere Endlage (S1) des Einspritzkolbens (4) hinter der Einmündung des Überleitungskanals (7) in den Einspritzzylinder angeordnet ist und der Einspritzkolben (4) in seiner hinteren Endlage (S1) den Überleitungskanal frei gibt und daß die Menge der eingespritzten Schmelze (5) durch das Einspritzzylindervolumen zwischen den Wegpunkten S2 und S3 bestimmt wird.
Kobenspritzeinheit mit Vorplastifizierzzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorplastifizierzylinder (6) mit Schnecken- oder Kolbenplastifizierung ausgestattet ist.
Kolbenspritzeinheit mit Vorplastifizierung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzzylinder (1) zur Anpassung und Variierung des Schußvolumens auswechselbar ist.