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Plastifizier-und Ausstoßaggregat für plastische Massen, vorzugsweise
für thermoplastische Kunststoffe verarbeitende Hohlkörperblasanlagen Die Erfindung
bezieht sich-allgemein auf Schneckenstrangpressen und damit kombinierte Plastifizieraggregate
für speziellere Verarbeitungsverfahren. Sie betrifft im besonderen ein diskontinuierlich
arbeitendes Plastifizieraggregat hoher Mengenleistung zur Beschickung von Hohlkörperblasanlagen.
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Es ist bekannt, zum Blasen großer Hohlkörper aus thermoplastischen
Stoffen eine aus einer Schneckenstrangpresse und einem vorgeschalteten Sammelraum
mit Ausstoßkolben bestehende Plastifiziereinheit zu verwenden. Der Masseraum der
Schneckenstrang presse und der vorgeschaltete, mit dem Ausstoßkolben ausgerüstete
Sammelraum sind hierbei durch verhältnismäßig enge Kanäle miteinander verbunden,
die zur Aufrechterhaltung der Fließfähigkeit der Masse auch über die Pausenzeiten
der Verarbeitung hinweg hinreichend hqoh erwärmt sein müssen. Daraus folgt, daß
thermisch empfindliche bzw. nahe der Zersetzungstemperatur
zu verarbeitende
Kunststoffe im Bereich dieser zeitweise nicht durchsplten Kanäle in ihrer Qualität
nach teilig beeinflußt werden.- 1)as Volumen des vorgeschalteten Sammelraumes kann
bei vielen der bekannten Plastifiziraggregate weitgehend beliebig dimensioniert
werden. Eine völlige Entleerung ist jedoch aufgrund der konatruktiven Gegebenheiten
meist nicht möglich, da die Stirnfläche des Ausstoßkolbens wegen der geringen Geschwindigkeit
der an ihr vorbeifließenden Masse nur unzureichend gespült wird. Bei einem Wechsel
des Werkstoffes oder der Farbe sind daher für derartige Aggregate entweder lange
Betriebsunterbrechungen zum manuellen Reinigen oder entsprechend große Werkstoffmengen
zum Durchspülen erforderlich. Es ist zunächst das ganze Volumen mit einem Gas gefüllt,
welches erst bei zunehmender Füllung mit dem plastifizierten Werkstoff verdrängt
wird. In dieser Zeit kann das Gas gegebenenfalls nachteilig mit dem verflüssigten
Werkstoff reagieren.
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Die diesbezüglich an ein verbessertes Plastifizieraggregat zu erhebenden
Forderungen sind folglich die Beseitigung jedweder engen Querschnitte für den Werkstoffluß
bis zum Sammelraum, die unmittelbare Strömungsbeaufachlagung der Stirnfläche des
Ausstoßkolbens sowie die fortlaufende Anpassung des Sammelraumvolumens an die in
diesen eingepreßte Masse.- Eine weitere wesentliche Forderung betrifft den Antrieb
der Schneckenspindel.
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Die Antriebsleistung der Schnecke ist bei jeder Plastifiziereinheit
durch das über den kleinsten Schneckenquerschnitt maximal übertragbare Drehmoment
bestimmt. Die Bemessung der Schneckenquerschnitte sollte jedoch nicht nur nach dem
zu übertragenden Drehmoment erfolgen, sondern zunächst von der schonensten Verflüssigung
und der größtmöglichen-Plastifizierleistung bestimmt sein.- Für eine einteilig ausgeführte,
mit Schneckengängen versehene, axial verschiebbare Spindel sieht die Erfindung unter
anderem die DrehmomentUbertragung am austrageseitigen Ende der Schnecke vor, ohne
die Erfüllung der anderen Forderungen zu beeinträchtigen.
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Es sind in anderem Züsammenhang Spritzgießmaschinen mit axial verschiebbaren
Schneckenkolben bekannt. Bei ihnen wird die plastifizierte Masse aus dem Sammelraum
bzw. dem Massefüllraum,-vor der Düse stets durch eine Bewegung des Schneckenkolbens
ausgeschieden, die der Hauptfließrichtung der Masse durch den Plastifizierraum gleichsinnig
entspricht. Demzufolge befindet sich in solchen Spritzgießmaschinen die Ausstoßöffnung
etwa am äußersten Ende der von jedem plastifizierten Masseteilchen zurückgelegten
Wegstrecke. Ein Kraftangriff für Rotations- und maxiale Bewegungen des Schneckenkolbens
ist daher nur an dessen rückwärtigem kalten Ende möglich. Der Sammelraum für die
diskontinuierlich auszustoßende Masse wird vom Plastifizierzylinder gebildet. Sein
Volumen ist durch den SchneckeDdurchmesser
und den Hub des Schneckenkolbens
bestimmt Dieser Hub wird durch die Verringerung der wirksamen Schneckenlänge beim
Füllen des Sammelraumes begrenzt. Der übliche maximal mögliche Hub solcher Maschinen
entspricht etwa dem Dreifachen des Schnecke Durchmessers. Um bei bestimmten Verarbeitungsverfahren
relativ große plastifizierte Kunststoffvolumen ausstoßen zu können, ist es folglich
nötig, den Schneckendurchmesser zu vergrößern Die dabei erzielte entsprechende Erhöhung
der Plastifizier-und Förderleistung kann jedoch bei einer solchen Bemessung nicht
ausgenutzt werden. Folglich sind derartige Maschinen unwirtschaftlich.
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Bei vielen Verarbeitungsverfahren, bei welchen die Fertigungszeit
eines herzustellenden Formkörpers im wesentlichen durch die erforderliche Abkühlzeit
bestimmt wird, ist eine relativ hohe Äusstoßleistung aus dem Sammelraum andererseits
nur zeitweise während eines bestimmten Zeitabschnittes des Arbeitszyklus erforderlich.
Es kann daher ein Plastifizieraggregat mit großem Schneckendurchmesser bei solchen
Verfahren entweder nur gedrosselt arbeiten, oder es müsste in jedem Arbeitstakt
zeitweise abgeschaltet werden. Für die letztgenannte Ausführungsform muß insofern
der Antrieb der Maschine überdimensioniert werden. Sämtliche bisher übliche Plastifizieraggregate
sind folglich in verschiedener Hinsicht zu verbessern.
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Aus der deutschen Patentschrift 845 855 ist ferner eine Spritz gießmaschine
bekannt, bei der im Zylinder ein mit einer axialen-Bohrung versehener htlsenähnlicher
Spritzkolben axial verschiebbar angeordnet ist. Die Plastifizierung des Kunststoffes
erfolgt dabei mittels einer im Innern des hülsenEhnlichen Spritzkolbens drehbar
gelagerten Schnecke, die fortlaufend den vor der Stirnseite des Spritzkolbens befindlichen
Sammelraum füllt. Während des Entleerens dieses Massefüllraumes wird die düsenartige
Bohrung durch ein Rückschlagventil verschlossen.-Bei dieser Maschine ist zwar der
Durchmesser des Sammelraumes größer als der Schneckendurohmesser. Es hat dieee Bauart
jedoch den Nachteil, daß sich insbesondere für dünnfltssige Kunststoffschmelzen
keine einwandfreie Abdichtung zwischen dem hlllsenähnlichen Spritzkolben und dem
Spritzzylin der erzielen läßt. Der zwischen diese funktionswesentlichen Teile eingepreßte
Kunststoff führt alsbald zu einem wesentlich verminderten Wärme durchgang, so daß
die für die Plastifizierung erforderliche Wärme dem Stoff nur noch unzureichend
zugeführt werden kann. Schließlich besitzen derartig ausgeführte Maschineun noch
den Mangel, daß die relativ großen Wärmeleitstrecken nur eine sehr träge Temperaturregelung
des ganzen Systems ermöglichen, Es lassen daher thermisch besonders empfindliche
Kunststoffe auch aus diesem Grund mit solchen Aggregaten sich nicht verarbeiten.
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Um eine unwrtschaftliche Bemessung des Verhältnisses von Sammelraumvolumen
zum Füllvolumen der SchneckengEnge bzw. dem Durch messer der Schnecke zu vermeiden,
ist im Sammelraum einer anderen bekannten Schneckenmaschine für diskontinuierliche
Verarbeitung des plastifizierten Stoffes ein Schneckenkopf von wesentlich größerem
Durchmesser als dem der Schneckenspindel axial verschiebbar. Schnecke und Schneckenkopf
bilden hierbei einen Bauteil und es wird über den Schneckenschaft vom rückwärtigen
Ende her sowohl die Rotationsbewegung als auch die axiale Bewegung eingeleitet.
Die Schnecke plastifiziert den Kunststoff entweder in einem entsprechend dem axialen
Schnitt der Schnecke mit Kopf ausgebildeten Zylinder oder in einer Hülse, die wegen
der notwendigen axialen Verschiebung kraftschlüssig mit der Schnecke verbunden und
im Naschinengehäuse gegen Verdrehen gesichert ist.- Auch-bei diesen Ausführungsformen
eines Plastifizieraggregates wird der Kunststoff durch enge Kanäle im Sohneckenkopf
vom Plastifizierraum in den Sammelraum gefördert. Der auszuschiebende plastische
Werkstoff wird in Förderrichtung durch die in Verlängerung der Schneckenachse im
äußersten Ende des Sammelraumes angeordnete Düse ausgeschoben. Zum Verschließen
der Kanäle ist während des Aueschiebens ein Rückschlagventil erforderlioh.-Diese
Bauart ermöglicht zwar das Aussohieben eines relativ großen plastifixierten Werkstoffvolumens
bei nur kleinen Schneckendurohmesser. Das notwendige Drehmoment für den Antrieb
der Schnecke
und ferner die den Ausschiebedruck erzeugende Kraft
müssen jedoch über den kleinsten Schneckenquerschnitt übertragen werden.
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Diese kombinierte Belastung bestimmt folglich die Bemessung der Schnecke.
Es sind über lange Schneckenspindeln bei gegebener Knickfestigkeit nur verhältnismäßig
kleine Kräfte ilbertragbar. Auch bei engen Toleranzen zwischen dem Zylinder bzw0
der Hülse einerseits und der Schnecke andererseits treten bei der unvermeidbaren
hohen Belastung radiale Kräfte auf, die einen unerwünschten Verschleiß der Schnecke
bzw. des umgebenden Zylinders mit sich bringen.
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Bei der obengenannen bekannten Konstruktion treten im übrigen beim
Betrieb noch folgende Nachteile aufo Plastifiziert die Schnecke mit dem Schneckenkolben
wesentlich größeren Durchmessers den Kunststoff unmittelbar in dem-entsprechend
dem Axialschnitt geformten Zylinder; so entsteht beim Ausstoßen zwischen der schneckenseitigen
Flache des Kopfes und dem Zylinder ein Raum, in den hinein während des Ausschiebens
der plastifizierte Stoff fortgesetzt gefördert wird. Ein Füllen des Sammelraumes
zwischen der Stirnflächedes Kopfes und der Ausstoßöffnung setzt erst ein, wenn jener
schneckenseitige Raum gefüllt ist und ein Überströmen durch die in den Schneckenkolben
vorgesehenen Kanäle erfolgt. Soll in dieser Phase die Schnecke axial zurücklaufen,
so muß die hinter dem Schneckenkopf gestaute Masse ebenfalls verdrängt werden. ferner
kann
ein Zurücklaufen des Schneckenkolbens nur erreicht werden, wenn die Flächendifferenz
des Schneckenkolbens entsprechend groß dimensioniert ist. Die Rtokzugskraft ist
also ausschließlich von der Bemessung der Plastifizierschnecke abhängig. Sie kann
folglich nicht ohne Berücksichtigung anderer Gegebenheiten entsprechend der aufzubringenden
Plastifizierleistung gewählt werden.- Schließlich arbeitet die Schnecke bis zur
Füllung des schneckenseitigen Raumes hinter dem Kopf praktisch ohne Staudruck. Der
in diesen Raum geförderte Kunststoff ist dadurch unter Umständen nicht genügend
homogen plastifiziert.
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Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein diskontinuierlich
arbeitendes Plastifizieraggregat mit in weiten GFenzen veränderbarem Ausstoßvolumen
zu schaffen, bei dem die Plastifizierleistung der Schnecke unter Berücksichtigung
des Arbeitstaktes vollständig ausnutzbar ist, ohne die Homogenisierung .deszu verarbeitenden
Stoffes und das gleichmäßige Einbringen von Zusatzstoffen zu beeinträchtigen. -
Im Sinne dieser Forderung soll ein solcherart verbessertes Aggregat im B/D-Verhältnis
der Plastifizierschnecke durch die angrelfenden Antriebskräfte keinen Beschränkungen
unterliegen und zwischen dem Plastifizierraum und dem Sammelraum sind Engstellen
zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemä# gelöst durch einen an den die Schneckenspindel
aufnehmenden Plastifizier- bzw. Knet- und Mischzylinder kleineren Durchmessers ohne
zwischengeschaltete Engstellen, querschnittsvermindernde Düsen oder Verbindungskanäle
angeschlossenen, den Ausstoßkolben enthaltenden sylinderischen Sammelraum wesentlich
größeren Durchmessers von veränderlichem Füllvolumen, aus dem die gesammelte Masse
entgegen der Förderrichtung der Schneckenspindel durch ein oder mehrere zwischen
beiden zylindrischen Räumen vorgesehene seitliche Kanäle ausschiebbar ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet die plastifizierende,
mischende und knetende Schneckenspindel mit dem Schneickenkolben im Sammelraum eine
gemeinsam rotierende und axial verschiebbare Einheit.
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Erfindungsgemäß können die plastifizierende Schneckenspindel im Zylinder-kleineren
Durchmessers und der Schneckenkölben im Sammelraum grö#eren Durchmessers auch übereinandergeschoben
und mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar sein. Vorzugsweise ist hierbei lediglich
der Schneckenkolben im Sammelraum axial verschiebbar.
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Ein anderes wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu zehen,
daß der Antrieb für die rotierende und die axiale Verschiebung
der
aus Schneckenspindel und Ausstoßkolben gebildeten Bewegungseinheit an einer Verlängerung
des Aubstoßkolbens angreift.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
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Die Fig. 1a und 1b zeigen schematische Längsechnitte einer Ausführungsform
in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen.-Der Antrieb 1 überträgt das in die
Schneckenspindel 2 im Zylinder 3 einzuleitende Drehmoment über den im Sammelraum
4 mitrotierenden und gemeinsam mit der Schneckenspindel axial verschiebbaren Ausstoßkolben
5. Schneckenspindel und Ausstoßkolben bilden somit eine Bewegungßeinheit. Der zylindrische
Sammelraum 4 besitzt einen gegenüber dem Plastifizierzylinder 3 wesentlich größeren
Durchmesser und ein Vielfaches des Plastifizierraumvolumens. In der üblichen Weise
wird der Kunststoff dadurch den Fülltrichter 6 in den Zylinder 3 eingebracht und
bildet im Einfüllbereich dieses Zylinders einen praktisch festen Pfropfen, der das
Rückfließen der auf dem weiteren Weg dadurch den Zylinder 3 zunehmend verflüssigten
Masse beim gegenhäufig ausgefthrten Entleerungshub des Ausstoßkolbens 5 verhindert.-
Die in den Sammelraum 4 geförderte Masse verschiebt den Auestoßkolben 5 im Sinne
zunehmenden Sammelraumvolumens,
wobei der querschnittsbedingte
Fließwiderstand des Austrittskanals 8 in dieser Bewegungephase das vorzeitige Ausfließen
in eine angeschbssene Form bzw. Verarbeitungsvorrichtung verhindert.- Die Nantelfläche
des Ausstoßkolbens 5 kann ganz oder teilweise mit einem Schneckenschnitt versehen
sein, der demjenigen der plastifizierenden Schneckenspindel 2 gegenläufig ist. Ferner
ist der stirnseitige Querschnitt des Ausstoßkolbens 5 der unter Vermeidung schlecht
einströmbarer Toträume gewählten Formgebung des Sammelraumgehäuses 4a geometrisch
ähnlich.-Ist im Sammelraum 4 eine genügende, vom Volumen des herzustellenden Fertigteils
zu bestimmende Kunststoffmenge enthalten, so kann der Rotationsantrieb der Schnecke
2 und des damit starr verbundenen Ausstoßkolbens 5 vorübergehend stillgesetzt werden.
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Ist der Sammelraum 4 gefüllt, eo wird über den hydraulisch belastbaren
Kolben 7, vorzugsweise bei fortgesetzter Rotationsw bewegung der aus dem Ausstoßkolben
5 und der Schneckenspindel 2 bestehenden Bewegungseinheit, deren axiale Bewegung
entgegen der Förderrichtung der Schneckenspindel eingeleitet und die im Raum 4 gesammelte
Masse durch den seitlich abzweigenden Kanal 8 in die angeschlossene Verarbeitungsvorrichtung
bzw. eine Formhöhlung ausgeschoben (Fig. lb). Während des Ausschiebens der Masse
wird jeder Punkt des Sammelraumes mindestens einmal von einem Gang bzw. Steg des
Schneokenschnitts auf der Nantelfläche- des' Ausstoßkolbens 5 berührt und dadurch
praktisch
eine restlose Entleerung und Reinigung des Sammelraumes
erreicht. Anstelle nur eines Kanals 8 können zur Speisung mehrerer Verarbeitungsvorrichtungen
mehrere Kanäle seitlieh abgezweigt sein.
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In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform des Plastifizieraggregats
im Längsschnitt wiedergegeben Hierbei bilden die plastifizierende Schneckenspindel
2 und der Ausstoßkolben 5 keine Bewegungseinheit, sondern rotieren unabhängig voneinander9
wofür sie mit den beiden Antrieben 1 und 2a verbunden sind.
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Daraus folgt, daß die Schneckenspindel 2 und der'Ausst'oßkolben 5
auch mit unterschiedlichen Drehzahlen bzw.- Umfangsgeschwindigkeiten rotieren können.
Ferner führt bei dieser Ausführungsform die Schneckenspindel 2 im Zylinder 3 keine
axiale Bewegung aus. Sie endet etwa im Bereich des seitlich abzweigenden Kanals
8. Die baulichen Merkmale des Sammelraumes, des Antriebes und die axiale Verschiebung
des Ausstoßkolbens 5 sowie die Wirkungsweise der Vorrichtung entsprechen sonst der
Ausführung nach der Figur 1a.-Eine weitere Eigenart dieser Bauweise und Antriebsanordnung
des Plastifizieraggregats ist in der Verwendung einer gleich- oder gegenläufigen
Doppelschnecke im Zylinder 3 zu sehen, mit der aufgrund anderer Förder- und Druckverhältnisse
der ineinander eingreifenden Schneckenprofile in bestimmten Fällen zusätzliche Vorteile
erzielt werden können.
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Von den Ausführungsbeispielen des Plastifizieraggregats- nach den
Pig. 1 und 2 unterscheidet sich die Bauweise nach Fig. 3 ebenfalls durch die Anordnung
der die Rotation der-Schneckenspindel 2 und des Ausstoßkolbes 5 sowie dessen axiale
Bewegung bewirkenden- Bauelemente für die Kraftübertragung. Die Verlängerung 2b
der Schneckenspindel 2 durch den Sammelraum 4 4 tritt durch eine zentrale Bohrung
des Ausstoßkolbens 5 hindurch und endet im Getriebe 1, das gleichzeitig das Drehmoment
für den Aussto#kolben 5 liefert Zur Übertragung dieses Drehmoments sowie de vom
Kolben 7 her ausgeübten axialen Verschiebekraft dient eine Hohlwelle 9, die koaxial
über die Verlängerung der Schneckenspindel 2b geschoben ist. Mit dieser Anordnung
können von einem einzigen Getriebe der Ausstoßkolben 5 und die Schneckenspindel
2 auch mit beliebigen unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten bzw. Umfangsgeschwindigkeiten
angetrieben werden.