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Die Erfindung betrifft eine Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit einer Kunststoffverarbeitungsmaschine, insbesondere einer Spritzgießmaschine, umfassend einen Schneckenzylinder mit einer innenliegenden zylindrischen Oberfläche und eine sich im Schneckenzylinder befindliche und relativ zum Schneckenzylinder um eine Achse drehbar angeordnete Schnecke, wobei am einen axialen Ende der Schnecke eine Rückstromsperre angeordnet ist, um den Fluss von plastifiziertem Kunststoffmaterial in eine Richtung zu ermöglichen und in die entgegengesetzte Richtung zumindest zu erschweren bzw. zu verhindern.
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Bei Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit dieser Art, wie sie typischerweise in Spritzgießmaschinen eingesetzt werden, werden am axialen Ende der Schnecke in der Regel Rückstromsperren eingesetzt. Deren Aufgabe ist es, während des Einspritzvorgangs das Rückströmen der Kunststoffschmelze von der Vorkammer des Plastifizierzylinders in die Schneckengänge zu verhindern. Während des Dosierens muss indes der Schmelzefluss von der Schnecke in Richtung der Vorkammer möglich sein.
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Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der Rückfluss von Schmelze absolut verhindert wird; es ist in vielen Anwendungsfällen lediglich erforderlich, dass der Rückfluss gering und reproduzierbar bleibt, um eine hinreichende Prozess- bzw. Bauteilkonstanz zu gewährleisten.
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Rückstromsperren werden ständig mit dem plastifizierten Kunststoffmaterial überströmt, so dass sie infolge der abrasiven Wirkung des Kunststoffmaterials einem relativ hohen Verschleiß unterliegen. Auf eine Rückstromsperre zu verzichten, wäre daher erstrebenswert.
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In der
EP 3 294 519 B1 wird eine Verfahrensweise zum Betreiben einer Spritzgießmaschine beschrieben, bei der zwar auf eine Rückstromsperre verzichtet wird. Allerdings ist hierfür eine relativ komplexe Verfahrensweise erforderlich.
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In der Regel werden daher Rückstromsperren mit mechanisch beweglichen Teilen eingesetzt, um das Schließen und Öffnen während den einzelnen Prozessschritte zu ermöglichen. Die diesbezüglich am Weitesten verbreitete Art ist die dreiteilige Ringrückstromsperre. Sie besteht aus der Spitze, dem Absperrring und dem Anschlagring. Der Absperrring kann sich zwischen der Spitze und dem Anschlagring bewegen und so nach Art eines Ventils den Fließweg öffnen oder verschließen. Spezielle Lösungen derartiger Rückstromsperren offenbaren die
DE 297 01 495 U1 , die
DE 100 59 615 A1 , die
DE 199 59 495 C1 und die
DE 102 55 953 B3 .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit der eingangs genannten Art die Rückstromsperre so auszubilden, dass sie möglichst verschleißfrei arbeitet und dennoch eine hinreichende Wirkung hat, d. h. den Fluss von plastifiziertem Kunststoffmaterial in der genannten entgegengesetzten Richtung verhindert bzw. erschwert. Angestrebt wird dabei insbesondere, dass die Rückstromsperre ohne bewegliche Teile arbeitet.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstromsperre einen zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgebildeten Grundkörper aufweist, in dessen Außenumfang mindestens ein Fließkanal für plastifiziertes Kunststoffmaterial eingearbeitet ist, wobei der mindestens eine Fließkanal aus einer Anzahl aneinander anschließender Kanalabschnitte besteht, wobei jeder Kanalabschnitt einen ersten Teilkanal und einen zweiten Teilkanal aufweist, wobei der erste Teilkanal und der zweite Teilkanal parallelgeschaltet sind und die beiden Teilkanäle an zwei benachbarten Zusammentreffstellen miteinander fluidisch verbunden sind, wobei zwischen den beiden Zusammentreffstellen der erste Teilkanal einen geringeren Fließwiderstand aufweist als der zweite Teilkanal.
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Der geringere Fließwiderstand der ersten Teilkanäle wird bevorzugt dadurch bewerkstelligt, dass das plastifizierte Kunststoffmaterial beim Durchfluss durch die ersten Teilkanäle eine möglichst geringe Richtungsablenkung von einer Geradenrichtung erfährt, die durch den Verlauf des Fließkanals definiert wird. Die Richtungsablenkung von der Geradenrichtung ist dabei bevorzugt stets geringer als 45°, besonders bevorzugt weniger als 30°.
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Der höhere Fließwiderstand der zweiten Teilkanäle wird bevorzugt dadurch bewerkstelligt, dass das plastifizierte Kunststoffmaterial beim Durchfluss durch die zweiten Teilkanäle eine Richtungsablenkung von der genannten Geradenrichtung erfährt, die abschnittsweise mindestens 150° beträgt, vorzugsweise mindestens 180°.
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Besagte Geradenrichtung ist also so zu verstehen, dass der Fließkanal, gegebenenfalls nach einer Abwicklung vom zylindrischen Grundkörper der Rückstromsperre, eine Erstreckung aufweist, die weitgehend gerade bzw. linear ist.
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Mit dieser Spezifikation wird die Gestaltung eines sogenannten Tesla-Ventils (s. unten) verwirklicht, welches erfindungsgemäß bei einer Rückstromsperre einer Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit einer Kunststoffverarbeitungsmaschine zum Einsatz kommt.
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Der mindestens eine Fließkanal erstreckt sich bevorzugt wendelförmig um den zylindrisch ausgebildeten Grundkörper der Rückstromsperre. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass in der Seitenansicht des Grundkörpers der Winkel der Wendel zur Achse mindestens 30° beträgt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mehrere parallel zueinander angeordnete Fließkanäle im zylindrisch ausgebildeten Grundkörper der Rückstromsperre ausgebildet sind. Diese mehreren parallel zueinander angeordneten Fließkanäle können nach Art eines mehrgängigen Gewindes im zylindrisch ausgebildeten Grundkörper der Rückstromsperre ausgebildet sein. Besonders bevorzugt sind die mehreren parallel zueinander angeordneten Fließkanäle um den Umfang des Grundkörpers der Rückstromsperre äquidistant angeordnet.
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Der mindestens eine Fließkanal weist bevorzugt mindestens fünf, vorzugsweise mindestens zehn hintereinander angeordnete Kanalabschnitte auf, die jeweils die beiden parallel zueinander angeordneten Teilkanäle haben.
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Der zylindrische Außenumfang des Grundkörpers ist dabei zur innenliegenden zylindrischen Oberfläche des Schneckenzylinders (fachmännisch) so toleriert, dass einerseits die Gängigkeit, d. h. die relative Drehung sowie die relative axiale Verschiebung, zwischen Schneckenzylinder und Rückstromsperre sichergestellt ist, dass andererseits allerdings durch den verbleibenden Spalt zwischen innenliegender Oberfläche des Schneckenzylinders und Außenumfang des Grundkörpers im Betrieb der Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit kein nennenswerter Betrag an Kunststoffschmelze fließen kann. Die Schmelze wird also praktisch ausschließlich durch die Fließkanäle geführt.
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Die Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit ist dabei bevorzugt als Schubschnecken-Einheit ausgebildet, bei der zwecks Einspritzens der Schmelze die Schnecke relativ zum Schneckenzylinder axial verschoben wird.
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In vorteilhafter Weise weist die erfindungsgemäße Rückstromsperre keine beweglichen Einzelteile auf, so dass die Herstellung entsprechend günstig ist.
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Die Erfindung nutzt das Prinzip des sogenannten Tesla-Ventils, welches in der
US 1 329 559 A beschrieben ist, auf die insofern ausdrücklich Bezug genommen wird. Infolge der oben beschriebenen und definierten Ausbildung der Teilkanäle, bei denen jeweils ein Teilkanal der beschriebenen ersten Art und ein Teilkanal der beschriebenen zweiten Art parallel geschaltet sind und so einen Kanalabschnitt bilden, von denen eine Vielzahl in Reihe hintereinander angeordnet sind, wird ein Rückschlagventileffekt erzeugt, bei dem in die eine Strömungsrichtung der Strömungswiderstand wesentlich geringer ist als in der anderen Strömungsrichtung. Der Rückfluss von Schmelze wird somit ohne bewegliche Teile und passiv über die Geometrie der Fließkanäle unterbunden bzw. behindert.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
- 1 zeigt schematisch den Radialschnitt durch eine Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit mit Schneckenzylinder, Schnecke und Rückstromsperre,
- 2a, 2b und 2c zeigt die (von der Schnecke demontierte) Rückstromsperre, wobei diese in drei Seitenansichten dargestellt ist, bei denen die Rückstromsperre jeweils um ihre Achse a um einen gewissen Winkel gedreht wurde,
- 3 zeigt zwei benachbart angeordnete Fließkanäle, die in den Außenumfang des Grundkörpers der Rückstromsperre eingearbeitet sind, und
- 4 zeigt noch einmal die Rückstromsperre, wobei schematisch die Abwicklung des Fließkanals vom zylindrischen Grundkörper der Rückstromsperre dargestellt wurde.
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In 1 ist eine Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit 1 schematisch skizziert, welche einen Schneckenzylinder 2 mit einer innenliegenden zylindrischen Oberfläche 3 aufweist. Im Schneckenzylinder 2 ist eine Schnecke 4 angeordnet, an deren einen axialen Ende eine Rückstromsperre 5 angeordnet (festgeschraubt) ist.
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Der Schneckenzylinder 2 bzw. die Schnecke 4 haben eine Achse a. Entlang dieser kann die Schnecke 4 relativ zum Schneckenzylinder 2 axial verschoben werden, um plastifizierte Kunststoffschmelze in ein (nicht dargestelltes) Spritzgießwerkzeug einzuspritzen. Damit während des Dosierens Schmelze in Richtung R1 (s. 1) fließen kann, welches sich im Schneckenvorraum sammelt, damit aber anschließend beim Einspritzen das im Schneckenvorraum gesammelte Kunststoffmaterial nicht in Richtung R2 zurückfließt, ist die Rückstromsperre 5 vorgesehen. Die Rückstromsperre liegt konzentrisch zur Achse a, so dass dies auch die Achse derselben ist.
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Die konkrete Ausgestaltung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt sich aus der Zusammenschau von 1 mit den 2 bis 4.
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Die Rückstromsperre 5 hat einen zylindrisch ausgebildeten Grundkörper 6, der einen zylindrischen Außenumfang 7 aufweist.
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In den Außenumfang 7 des Grundkörpers sind Fließkanäle 8 eingearbeitet. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft ein einziger Fließkanal 8 um den Außenumfang 7 des Grundkörpers 6 wendelförmig herum. In den 2a, 2b und 2c ist dabei die Rückstromsperre 5 in unterschiedlichen Positionen bezogen auf die Achse a dargestellt, so dass gesehen werden kann, dass sich der Fließkanal 8 vom vorderen (linken) Ende des Grundkörpers 6 bis zum hinteren (rechten) Ende desselben erstreckt und dabei wendelförmig um den Außenumfang 7 herum verläuft.
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Alternativ können auch mehrere parallel zueinander verlaufende Fließkanäle 8 vorgesehen werden; insofern wird auf 3 Bezug genommen, wo zwei parallel zueinander verlaufende Fließkanäle 8 dargestellt sind. Die Fließkanäle 8 haben generell eine Geradenrichtung G, d. h. eine Richtung, die sich im Wesentlichen linear erstreckt und in die Kunststoffschmelze gefördert wird.
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Insoweit wird auf 4 Bezug genommen, wo schematisch die Abwicklung des Fließkanals 8 vom Grundkörper 6 dargestellt ist. Eingetragen ist besagte Geradenrichtung G und der Winkel α, welchen diese Richtung mit der Achse a einschließt.
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Ein jeder der Fließkanäle 8 hat eine Struktur, wie sie am besten aus 3 hervorgeht. Die Fließkanäle 8 bestehen aus einer Anzahl hintereinander (d. h. in Reihe geschalteter) Kanalabschnitte 13 (s. 3). Die Kanalabschnitte 13 bestehen jeweils aus einem ersten Teilkanal 9 und einem zweiten Teilkanal 10, wobei die beiden Teilkanäle 9, 10 parallel zueinander angeordnet sind. In Geradenrichtung G führen die beiden Teilkanäle 9, 10 an zwei benachbarten Zusammentreffstellen 11 und 12 zusammen und sind hier fluidisch miteinander verbunden.
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Wie sich aus 3 ergibt, sind dabei die ersten Teilkanäle 9 im Wesentlichen gerade gestaltet, d. h. wenn Kunststoffschmelze durch die ersten Teilkanäle 9 fließt, wird der Fluss des Materials von der Geradenrichtung G nur wenig abgelenkt. In 3 ist diesbezüglich der Winkel β eingetragen, welcher die Richtung Ablenkung von der Geradenrichtung G angibt und welcher stets kleiner als 45° sein soll.
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Indes sind die zweiten Teilkanäle 10 so geformt, dass die Kunststoffschmelze beim Durchfluss durch die zweiten Teilkanäle 10 eine wesentlich größere Umlenkung erfahren. Diesbezüglich wird auf den Winkel γ hingewiesen, der in 3 eingetragen ist. Dieser Winkel ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 etwa 150° groß, was zur Folge hat, dass beim entsprechenden Durchfluss die Kunststoffschmelze ihre Fließrichtung praktisch bzw. weitgehend umkehrt, um dann an der Zusammentreffstelle mit dem ersten Teilkanal 9 einen Bremseffekt auf den Materialfluss auszuüben.
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Fließt demgemäß - gemäß der unteren Darstellung in 3, s. die eingetragenen Pfeile - das Material in die erste Richtung R1, kann die Schmelze weitgehend ungestört den Fließkanal 8 passieren. Fließt indes - gemäß der oberen Darstellung in 3, s. die eingetragenen Pfeile - das Material in die zweite Richtung R2, kommt es zu dem genannten Stau- oder Bremseffekt, so dass der Fließwiderstand durch den Fließkanal 8 erheblich größer ist. Dies wird erfindungsgemäß für die Funktionalität der Rückstromsperre genutzt.
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An den Zusammentreffstellen 11 der parallel zueinander angeordneten ersten und zweiten Teilkanäle (s. 3, oben) erfolgt also ein Aufteilen und eine Umlenkung der Strömung. Der Fließwiderstand des Strömungskanales wird umso höher, je mehr Kanalabschnitte 13 in Serie hintereinander angeordnet sind.
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In 4 sind in die Abwicklung des Fließkanals 8 auch noch einmal die genannten Winkel β und γ eingetragen.
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Die vorgeschlagene Rückstromsperre 5 kann also auf bewegliche Teile vollständig verzichten. Der Rückfluss der Schmelze (in Richtung R2) wird ausschließlich passiv durch die Ausführungen der Geometrie des Fließkanals und namentlich der ersten und zweiten Teilkanäle 9, 10 reguliert bzw. verhindert.
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Durch die Anordnung einer Vielzahl hintereinander angeordnete Kanalabschnitt 13 potenziert sich der gewünschte Effekt, so dass in der einen Richtung (Richtung R2) eine effektive Be- bzw. Verhinderung des Materialflusses bewerkstelligt wird.
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Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Rückstromsperre wird das Prinzip des Tesla-Ventils genutzt, allerdings eine vorteilhafte Adaption auf den hier vorliegenden Anwendungsfall der Rückstromsperre vorgenommen und namentlich auf das strukturviskose Fließverhalten von Kunststoffschmelzen.
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Um den zur Verfügung stehenden Einbauraum bereits vorhandener Rückstromsperren weiterhin verwenden zu können, sind die Platzverhältnisse für die Anzahl der sich wiederholenden Geometriesegmente, d. h. Kanalabschnitte, begrenzt. Um dieses Problem zu beheben, wird - wie bereits oben erläutert - der Fließkanal 8 wendelförmig (d. h. schraubenlininenartig) in den Grundkörper 6 eingebracht. Dies ist in 2 (und auch noch einmal in 4) angedeutet, wo der Winkel α eingetragen ist, den in der Seitenansicht die Geradenrichtung G mit der Achse a einschließt. Hierdurch verlängert sich die gesamte effektive Länge des Fließkanals 8 entsprechend (was gut in 4 gesehen werden kann); es kann eine größere Anzahl an Kanalabschnitten 13 hintereinander (in Reihe) angeordnet werden.
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Um die Flexibilität bei der Auslegung des Fließkanals zu erhöhen, ist es ebenfalls möglich, mehrere Fließkanäle parallel zueinander nach Art eines mehrgängigen Gewindes auf dem Außenumfang des Grundkörpers der Rückstromsperre anzuordnen. Hierzu wird schematisch auf 3 Bezug genommen, wo zwei parallel zueinander verlaufende Fließkanäle 8 illustriert sind.
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Die einzelnen Fließkanäle 8 sind dabei bevorzugt äquidistant um den äußeren Umfang des Grundkörpers angeordnet.
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Vorgesehen können beispielsweise drei, vier, fünf oder sechs parallel zueinander verlaufende Fließkanäle 8 angeordnet werden.
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Mit der so erreichbaren Flexibilität ist es möglich, effizient Varianten der vorgeschlagenen Rückstromsperre 5 so auszugestalten, dass sie optimal an einen speziellen Kunststofftyp angepasst sind.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Plastifizier- und/oder Einspritzeinheit
- 2
- Schneckenzylinder
- 3
- innenliegende zylindrische Oberfläche
- 4
- Schnecke
- 5
- Rückstromsperre
- 6
- zylindrisch ausgebildeter Grundkörper
- 7
- Außenumfang des Grundkörpers
- 8
- Fließkanal für plastifiziertes Kunststoffmaterial
- 9
- erster Teilkanal
- 10
- zweiter Teilkanal
- 11
- erste Zusammentreffstelle
- 12
- zweite Zusammentreffstelle
- 13
- Kanalabschnitt
- a
- Achse
- R1
- erste Richtung des Flusses von plastifiziertem Kunststoffmaterial
- R2
- zweite Richtung des Flusses von plastifiziertem Kunststoffmaterial
- G
- Geradenrichtung
- α
- Winkel der Wendel zur Achse a
- β
- Winkel der Richtungsablenkung von der Geradenrichtung im ersten Teilkanal 9
- γ
- Winkel der Richtungsablenkung von der Geradenrichtung im zweiten Teilkanal 10
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3294519 B1 [0005]
- DE 29701495 U1 [0006]
- DE 10059615 A1 [0006]
- DE 19959495 C1 [0006]
- DE 10255953 B3 [0006]
- US 1329559 A [0019]
