DE3432263A1

DE3432263A1 - Schnecken-plastifizier- und foerdereinrichtung einer kunststoff-spritzgiessmaschine

Info

Publication number: DE3432263A1
Application number: DE19843432263
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr.sc. Reichenburg Laimer; Hermann Filzbach Neugebauer
Original assignee: Netstal Maschinen AG; Maschinenfabrik und Giesserei Netstal AG
Current assignee: Netstal Maschinen AG
Priority date: 1983-09-30
Filing date: 1984-09-01
Publication date: 1985-04-18
Also published as: DE3432263C2; JPS6096425A; JPH047686B2; CH662531A5; US4648827A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schnecken-Plastifizier- und Fördereinrichtung einer Kunststoff-Spritzgiessmaschine, bei der die Plastifizierung und Förderung des Kunststoffes durch die Drehbewegung der Schnecke und das Einspritzen des Kunststoffes in den Formenhohlraum durch die Axialbewegung der Schnecke oder mit Hilfe eines separaten Einspritzzylinders erfolgt. Nach dem bekannten Stand der Technik sind die Plastifizierschnecken in 3 Zonen unterteilt, nämlich in die sogenannte Einzugszone, die mit Granulat beschickt wird und dementsprechend ein grosses Gangvolumen aufweist, in die Kompressionszone, in der das Gangvolumen stetig abnimmt, um dadurch eine Verdichtung der entstehenden Kunststoffschmelze zu erzielen und in die Mess- oder Meteringzone, die konstantes Gangvolumen aufweist und der gleichmässigen Förderung dient, sowie fürt die Homogenisierung der Kunststoffschmelze sorgt. Das Verhältnis der Gangvolumina der Meteringzone und der Einzugszone wird Kompressionsverhältnis genannt und muss den Eigenschaften des verarbeitenden Kunststoffes angepasst werden. Um nun den Anwendungsbereich ein- und derselben Schnecke zu verbreitern, sind Dosiereinrichtungen bekannt, die während der Drehung der Plastifizierschnecke eine einstellbare Menge von Kunststoff-Granulat in die Einzugszone der Plastifizierschnecke fördern (vergleiche z.B. Der Spritzgiessprozess, VDI-Verlag, Düsseldorf 1979, S. 67 bis 89, DE-OS 1801259, DE-PS 2029353). Die Dosiereinrichtung erlaubt eine Reduktion des Kompressionsverhältnisses unter den von der Schneckengeometrie vorgegebenen Wert, indem der Plastifizierschnecke weniger Material zugeführt wird, als diese zu fördern imstande ist. Durch diese "Unterdosierung"

werden die Einzugszone und ein Teil der Kompressionszone nur teilweise mit Material gefüllt. Die Kompressionszone ist erst in dem Bereich wirksam, in dem die Schneckengänge vollständig gefüllt sind, woraus sich das angestrebte, variable Kompressionsverhältnis ergibt.

Der Nachteil dieser bekannten Einrichtungen besteht jedoch darin, dass die Zufuhr von Scherwärme in der Meteringzone nicht beeinflusst werden kann, da deren Länge durch die Geometrie der Schnecke festgelegt ist und diese Zone stets vollständig gefüllt sein muss. Dies hat zur Folge, dass bei den geringen,zur einwandfreien Homogenisierung der Schmelze notwendigen Gangtiefen der Meteringzone die Wärmezufuhr durch viskose Reibung zu gross wird, und der Plastifizierzylinder im Bereich der Meteringzone gekühlt werden muss (vgl. z.B. PS 2029353, Abschnitt 8, Zeile 5 - 15). Darüber hinaus zeigen praktische Versuche, dass das Förderverhalten der bekannten Dreizonen-Plastifizierschnecken ab einer bestimmten Unterdosierung instabil wird, woraus stark schwankende Plastifizierzeiten und Schmelztemperaturen resultieren. Dadurch wird der Anwendungsbereich bekannter Schnecken stark eingeschränkt, d.h. es ist nur eine schwache Unterdosierung möglich. Auch ist es nicht möglich, durch Unterdosieren das in der Meteringzone befindliche Schmelzevolumen zu verringern und damit die Verweilzeit der Schmelze an die jeweiligen Materialeigenschaften anzupassen, was insbesondere dann erforderlich ist, wenn das Material in der

Nähe der oberen Grenze der zulässigen Verarbeitungstemperatur plastifiziert werden muss. Dies ist beispielsweise dann erforderlich, wenn die Orientierungen und Eigenspannungen im Formteil minimal sein müssen oder wenn glasklare Materialien zu Formteilen mit bestimmten, genau reproduzierbaren optischen Eigenschaften verarbeitet werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der genannten Art zu schaffen deren Schnecke bei

Unterdosierung über einen breiten Betriebsbereich ein stabiles Förderverhalten aufweist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Kunststoffschmelze bezüglich Temperatur und Farbverteilung optimal zu homogenisieren und Kunststoffen mit unterschiedlicher Viskosität und spezifischer Wärme genau die richtige Energiemenge zuzuführen, sodass keine Kühlung des Plastifizierzylinders erforderlich ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ver-' weilzeit der Schmelze bei hoher Temperatur möglichst gering zu halten, um dadurch den thermischen Abbau des Kunststoffs zu verhindern und eine Verarbeitung bei hohen Schmelztemperaturen zu ermöglichen. Damit lassen sich beispielsweise optische Formteile mit ausserordentlich geringen Orientierungen und Eigenspannungen herstellen. Auch andere optische Eigenschaften, wie beispielsweise Doppelbrechung, Lichtdurchlässigkeit und Brechungsindex,erreichen mit der erfindungsgemässen Schnecke ein Qualitätsniveau, das bisher für unmöglich gehalten wurde.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Viskosität der Schmelze durch höhere Verarbeitungstemperaturen zu senken, wodurch beim Einspritzen geringere Spritzdrücke benötigt werden und längere Fliesswege im Werkzeug überwunden werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, die in bekannten 3-Zonen-Schnecken stets vorhandenen axialen Temperaturunterschiede in der Schmelze im Schneckenvorraum gänzlich zu eliminieren, was ebenfalls zur Qualitätsverbesserung der hergestellten Fcrmteile beiträgt.

Kino weitere Aufgabe besteht darin, Schwankungen der Schmelzet einperatur von Schuss zu Schuss, wie sie bei Anwendung von Unterdosierunp, in herkömmlichen Schnecken auftreten, zu ver-

meiden, indem das Förderverhalten bei der Schnecke stabil bleibt und die Plastifizierzeiten von Schuss zu Schuss konstant sind.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Wechsel der Farbe oder des Kunststoff-Materials in minimaler Zeit und mit minimalem Materialverbrauch zu ermöglichen, was durch das geringe, in der Schnecke befindliche Materialvolumen bewirkt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Einstellbarkeit der Schmelztemperatur über einen weiten Bereich zu ermöglichen und mit ein- und derselben Schnecke eine Vielzahl von Kunststoffsorten verarbeiten zu können.

Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben dadurch gelöst, dass die genannte weitere Schneckenzone ebenfalls eine Kompressionszone mit in Förderrichtung abnehmendem Gangvolumen ist. Die zweite Kompressionszone, die anstelle der Meteringzone konventioneller Schnecken tritt, weist zweckmässig ein kontinuierlich abnehmendes Gangvolumen auf, wobei das Verhältnis der Gangvolumina zwischen Beginn und Ende der zweiten Kompressionszone vorteilhaft im Bereich von 1 : 1,10 bis 1 : 2,0 liegt. Das Kompressionsverhältnis der ersten Kompressionszone liegt dagegen, wie bei herkömmlichen Schnekken bekannt, im Bereich von 1 : 1.6 bis 1 : 4. Die Verringerung des Gangvolumens in der zweiten Kompressionszone kann durch folgende Massnahmen, einzeln oder kombiniert, erreicht we.rden:

- Verringerung der Gangtiefe

- Verringerung der Gangsteigung

- Vergrösserung der Stegbreite

Je nach Anwendung kann eine Kombination von zwei oder von allen drei Möglichkeiten zu optimalen Ergebnissen führen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 im Axialschnitt und schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 in grösserem Massstab und im Axialschnitt den Plastifizierzylinder mit 3-Zonen-Schnecke gemäss Fig. 1, und

Fig. 3 in grösserem Massstab eine Einzelheit aus Fig. 2 mit eingetragenen BemessungsgrÖssen.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung. Das Kunststoff-Granulat tritt aus einem Trichter 1 in eine Schnecken-Dosiervorrichtung bekannter Bauart, die aus einem innen zylindrischen Gehäuse 2 besteht, in dem die Dosierschnecke 3 drehbar gelagert ist. Die Dosierschnecke wird beispielsweise durch einen nicht dargestellten Elektromotor mit einstellbarer Drehzahl angetriebep und ermöglicht damit einen einstellbaren Förderstrom von Kunststoff-Granulat, der während des Plastifiziervorganges durch die Einfüllöffnung 4 in den Plastifizierzylinder 6 eintritt. Die Plastifizierschnecke 5 ist im Plastifizierzylinder 6 drehbar und axial verschiebbar gelagert. Die Plastifizierschnecke 5 wird durch einen nicht dargestellten Hydraulik- oder Elektromotor mit einstellbarer Drehzahl angetrieben. Der Plastifizierzylinder 6 ist mit Heizbändern 7, 8, 9 ausgerüstet, die den Plastifizierzylinder in der Anfahrphase auf Betriebstemperatur bringen und während des Betriebs Wärmeverluste nach aussen ausgleichen. Die Plastifizierschnecke 5 weist 3 Zonen auf, nämlich die Einzugszone I, die erste Kompressionszone II und die erfindungsgemässe zweite Kompressionszone III. Die Schneckenspitze 10 kann wahlweise mit einer bekannten, hier nicht dargestellten Rückströmsperre ausgerüstet sein. Während des Plastifiziervorganges dreht sich die Plastifizierschnecke 5 mit der Drehzahl n_p und die Dosierschnecke 3 mit der Drehzahl n_. Das Verhältnis der beiden

Drehzahlen n~ : n_p und die Drehzahl n_p der Plastifizierschnecke 5 können vom Bediener der Maschine vorgewählt werden. Das Drehzahlverhältnis n~ : n_p ist für den in Figur 3 näher erklärten Füllgrad der zweiten Kompressionszone III und damit für die der Schmelze zugeführte Energie massgebend. Die Fördermenge der Plastifizierschnecke und damit die PIastifizierzeit wird in bekannter Weise durch die Drehzahl der Plastifizierschnecke n_p festgelegt. Während des Plastifizierens fördert die Plastifizierschnecke 5 die Schmelze in den Schneckenvorraum ,11 und verschiebt sich dabei in bekannter Weise aus der gezeichneten vordersten Stellung axial in Rich- *tung A. Nach Erreichen einer vorgegebenen Axialverschiebung werden die Drehbewegungen der Dosierschnecke 3 und der Plastifizierschnecke 5 gestoppt. Ein nicht dargestellter Hydraulikzylinder schiebt nun die Plastifizierschnecke 5 entgegengesetzt zur Richtung A wieder nach vorn und drückt dabei die im Schneckenvorraum 11 befindliche Kunststoff-Schmelze durch die Düse 12 in den Werkzeug-Hohlraum 13, der von den beiden Werkzeughälften 14 und 15 gebildet wird. Anstelle der hier gezeichneten offenen Düse 12 kann auch eine bekannte Verschlussdüse, die beispielsweise hydraulisch gesteuert oder federbelastet ist, verwendet werden. Das erwähnte, einstellbare Drehzahlverhältnis n_n : n_p ist als Einstellparameter besonders vorteilhaft, es ist aber auch möglich, die Drehzahl n~ der Dosierschnecke 3 separat vorzugeben oder die Unterdosierung dadurch zu erreichen, dass die Dosierschnecke nur während eines Teils der Plastifizierzeit Granulat in den Plastifizierzylinder fördert. Schliesslich kann die gesamte Dosiereinrichtung 2, 3 durch andere, bekannte Dosiereinrichtungen ersetzt werden (vergleiche z.B.: Der Spritzgiessprozess, VDI-Verlag, Düsseldorf 1979, Seite 67 - 85).

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 1 und erklärt die Funktion der erfindungsgemässen zweiten Kompressionszone III. Man erkennt, dass nur der vordere Teil IHb vollständig mit Kunststoffschmelze gefüllt ist, alle übrigen Schneckengänge dagegen nur teilweise Kunststoffschmelze oder Kunst-

stoff-Granulat enthalten. Wesentlich ist, dass die Zufuhr von Seher-Energie hauptsächlich in der Zone IHb erfolgt, in der Zone IHa dagegen dank geringere^ Füllung nur eine geringe Scherung der Kunststoffschmelze stattfindet. iDie Grenze zwischen den Zonen IHa und IHb kann der Bediener mit Hilfe der Fördermenge der Dosiereinrichtung, also beispielsweise durch das Drehzahlverhältnis n_ß : n_p in der Figur 1 bestimmen. Dadurch ist es möglich, mit ein- und derselben Schnecke eine Vielzahl von Kunststoffen auf die optimale Verarbeitungstemperatur zu bringeiji, ohne durch düe^; Wandung des: Plastifizierzylinders 6 Wärme zu- oder abführen¹ zu müssen. <

Figur 3 dieit zur Erklärung vorteilhafter Abmessungen der Plastifizierschnecke 5. Das Gangvolumen V der Schnecke ist durch folgende Formel definiert:

_v _ D² - (D-2a)² ητΛκ-h) h

Bezeichnet man mit V_n das Gangvolumen am Beginn der ersten Kompressionszone, mit V. das Gangvolumen am Beginn der zweiten Kompressionszone und mit V_? das Gangvolumen am Ende der zweiten Kompressionszone, so ergeben sich folgende vorteilhafte Bereiche der Kompressionsverhältnisse:

Kompressionsverhältnis der ersten Kompressionszone II: V₁ : V_n = 1 : 1.6 bis 1 : 4, beispielsweise 1 : 2.5,

Kompressionsverhältnis der zweiten Kompressionszone III:

V₂ : V₁ = 1 : 1.10 bis 1 : 2.0, vorzugsweise: 1 : 1.5,

I Länge der zweiten Kompressionszone III:

2 D bis 5 D, vorzugsweise: 3.5 D,

Variation der Stegbreite:

h = 0.06 D bis 0.3D, vorzugsweise zunehmend von 0.09 D bis 0.16 D,

Gangtiefe der zweiten Korapressionszone III:

Diese kann nach dem folgenden Aehnlidhkeitsgesetz umgerechnet

werden: ι

a = a_n (D)⁰'⁷

Für eine Schnecke mit D = 32 mm liegt a in folgendem Bereich a =0.6 bis 3.0 mm, vorteilhaft von 1.5 auf 1.0 mm abnehmend.

- Leerseite -

Claims

Patentanwälte

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Unsere Akte: S 84 452

Schnecken-Plastifizier- und Fördereinrichtung emerJKunststoff-Spritzgiessrnaschine PATENTANSPRUECHE

1. Schnecken-Plastifizier- und Fördereinrichtung einer Kunststoff-Spritzgiessmaschine, deren im Plastifizierzylinder (6) angeordnete Schnecke (5) ausser einer Einzugszone (I) und einer anschliessenden Kompressionszone (II) einspritzseitig eine weitere Zone (III) aufweist^ dadurch gekennzeichnet, dass die genannte weitere Schneckenzone ebenfalls eine Kornpressionszone mit in Förderrichtung abnehmendem Gangvolumen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der einspritzseitigen Kompressionszone (III) 2 bis 5 Innendurchmesser (D) des Plastifizierzylinders (6) beträgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

dass das Kompressionsverhältnis der einspritzseitigen Kompressionszone (III) im Bereich 1:1.10 bis 1:2.0 liegt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gangvolumen der einspritzseitigen Kompressionszone (III) kontinuierlich abnimmt, wobei das Kompressionsverhältnis (V2 : V^) dieser Zone (HX) grosser ist als jenes (V-| : Vq) der mittleren Kompressionszone (II) und zweckmässig etwa 1:1.5 beträgt.

5. Einrichtung nach einem der¹ Ansprüche 1 bis A, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme des Gangvoluraens der einspritzseitigen Kompressionszone (III) durch Abnahme der Gangsteigung (g) und/oder durch Zunahme der Stegbreite (h) und/oder durch Abnahme der Gangtiefe (a) erreicht ist.

17.7.1984/Vo A 4142