DE2312957A1 - Schneckenspritzgussverfahren - Google Patents

Description

Patentanwälte:

Dr. Dieter F. Morf
Dr. Hans-A. Brauns

Künchen öS, Pietuenauerstr. 28

15. März I973 LC-1510

E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Wilmington, Del. I9898, V.St.A.

SchneckenSpritzgußverfahren

Die Erfindung betrifft das Spritzgießen von elastomerem Material mit Schneckenvorplastifizierung. Im besonderen ist die Erfindung auf die Regelung der Temperatur des elastomeren Materials in der Laufbuchse und in den Kanälen von der Lauf- bzw. Zylinderbüchse zum Formhohlraum gerichtet.

Bekanntlich kann bei einem Spritzgußverfahren mit Schnekkenvorplastifizierung die einem elastomeren Material durch Kneten desselben in den Schneckengängen der Maschine zugeführte Wärmemenge durch die Schneckendrehzahl und durch den Druck geregelt werden, mit dem die Schnecke zurückgedrückt wird, und nimmt die Temperatur

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des Materials durch rasches Füllen der Form durch Angußkanäle und Stege zu.

Beim Spritzgießen mit Schneckenvorplastifizierung wurde festgestellt, daß bei der Herstellung grosser schwerer elastomerer Gegenstände von verhältnismässig dicken Querschnitten, wie Kraftwagenstoßstangen, die bekannten Temperaturregelverfahren im allgemeinen wegen der kurzen Spritzdauer, die zur Großserienfertigung von Formteilen von hoher gleichmässiger Qualität erforderlich sind, nicht zufriedenstellend sind. Die Erfindung beseitigt diese Mangel.

Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Formen von elastomerem Material mit einer Spritzgußmaschine mit Schnek-> kenvorplastifizierung gerichtet, bei der eine hin- und herbewegliche drehbare Schnecke und ein dieses umgebendes Gehäuse vorgesehen ist, welches Gehäuse einen Auslaß benachbart dem einen Ende und einen Einlaß benachbart dem anderen Ende der Schnecke besitzt. Durch einen Antrieb wird der Schnecke eine drehende Bewegung mit veränderlicher Geschwindigkeit mitgeteilt und eine Form ist am Gehäuse angebracht, wobei Kanäle den Gehäuseauslaß und den Formhohlraum miteinander verbinden. Das elastomere Material wird zuerst in geregelter Weise durch den Einlaß zugeführt, dann geknetet und in dem Gehäuse beheizt, und durch die Wirkung der Schnecke dem vorderen Ende des Gehäuses zugeführt, an welchem sich das Material ansammelt und die Schnecke um einen eingestellten Betrag in Richtung zum hinteren Ende des Gehäuses entgegen einem Rückdruck drückt. Sodann bewegt sich die Schnecke nach vorne, wobei sie das Material durch die Verbindungskanäle in die Form spritzt. Die vom Auslaß des Gehäuses zum .Formhohlraum führenden Kanäle werden durch weich kontu-

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rierte erste und zweite Abschnitte gebildet, wobei der zweite Abschnitt auf eine grössere Querschnittsfläche als die erste erweitert ist.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Rückwärtsbewegung der Schnecke gemessen und die Drehgeschwindigkeit der Schnecke nachfolgend der Rückwärtsbewegung über einen Teil des Betrages des Rückwärtshubes der Schnecke erhöht. Die erhöhte Drehzahl wird während des restlichen Rückwärtshubes der Schnecke aufrechterhalten. Vorzugsweise bleibt der Rückdruck konstant. Gegebenenfalls kann der Rückdruck auf einem Teil der Rückwärtsbewegung der Schnecke bei konstant bleibender Schneckendrehzahl erhöht werden. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird zumindest eine fünffache Verbesserung in der Regelung der Temperatur entlang dem angesammelten gekneteten Material im Schneckenzylinder erhalten, wodurch wiederum eine wesentliche Herabsetzung der Spritzdauer erzielt wird.

In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht im Aufriß, teilweise im Schnitt, der Spritzgußmaschine mit den erfindungsgemässen Merkmalen;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wirkung der Schneckendrehzahl auf die Temperatur entlang der zum Spritzen in eine Form angesammelten Schmelze;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wirkung des Rückdrucks auf die Temperatur entlang der zum Spritzen in eine Form angesammelten Schmelze.

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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung besitzt ein Gestell bzw. Gehäuse 1, in welchem eine Laufbüchse bzw. ein Zylinder 2 gelagert ist. Eine zweigängige, nicht verdichtende Schnecke 3 ist in dem hohlen Innenteil bzw. in der Bohrung der Laufbüchse 2 sowohl zur Hin- und Herbewegung als auch"zur Drehung gelagert. Der innere Teil der Laufbüchse bzw. des Zylinders 2 begrenzt eine Knet- und Heizzone für das Material FS, welches der Zone über einen Zufuhrkanal 6 durch eine Walze HO zugeführt wird, die von einem Motor M-2 angetrieben wird, welcher mit einer Regeleinrichtung 23 verbunden ist. Ein Verschluß- oder Zylinderkopfteil 4 ist an dem einen Ende des Gehäuses 1 und am Zylinder 2 durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Maschinenschrauben (nicht gezeigt), befestigt, um das eine Ende der Knet- und Heizzone zu. begrenzen. Der Teil 4 ist mit einem Kanal oder Auslaß versehen, der, wie.gezeigt, mit einem Kanal NR in einer Spritzdüse 5 in Verbindung steht, welche in Gewindeeingriff mit einer Bohrung 38 im Verschlußteil M- gehalten wird. Das Gehäuse 1 ist an seinem anderen Ende mit einem erweiterten Teil 7 versehen, in den sich der eine Endteil 12 der Schnecke 3 erstreckt. Ein drehbares Zahnrad 8 ist starr an dem Endteil 12 der Schnecke befestigt. Das Zahnrad 8 steht mit einem axial länglichen •frei drehbaren Zahnrad 9 in Eingriff, das in dem erweiterten Teil 7 drehbar gelagert ist. Das Zahnrad 9 steht mit einem Antriebszahnrad 10 auf einer Antriebswelle 11 in Eingriff, die ebenfalls in geeigneter Weise zur Drehung in dem erweiterten Teil 7 des Gehäuses bzw. Gestells 1 gelagert ist. Die Antriebswelle 11 wird durch einen geeigneten Antrieb, beispielsweise durch einen Motor M-I angetrieben, der, wie gezeigt, mit der Regeleinrichtung 23 verbunden ist.

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Der Endteil 12 der Schnecke 3 ist mit einem Kolben versehen, der in einer zylindrischen Kammer 14 im Teil 15 des erweiterten Gehäuseteils 7 gleitbar ist. Die Zylinderkammer 14 ist mit einer Druckflüssigkeit gefüllt und mit einer geeigneten Druckmitte!quelle, beispielsweise mit einer Pumpe 18, durch eine Leitung 16 und ein Kegelventil 17 verbunden, das durch die Regeleinrichtung 23 über eine Leitung 24 betätigt wird. Durch die Zufuhr von Druckflüssigkeit zur Kammer 14 wird die Schnecke nach links in die in Fig. 1 gezeigte Stellung bewegt.

Das andere Ende der Schnecke 3 ist mit einem sich verjüngenden Endteil versehen, auf dem ein Schneckengewindegang 32 ausgebildet ist. Benachbart dem sich verjüngenden Endteil befindet sich ein erster erweiterter sich in der Umfangsrichtung erstreckender Teil 33 und ein zweiter erweiterter, sich in der Umfangsrichtung erstreckender Teil 33 und ein zweiter erweiterter sich in der Umfangsrichtung erstreckender Teil 37 vorgesehen, zwischen welchen Teilen sich ein Teil 35 von verringertem Durchmesser befindet. Zwischen der Aussenseite des erweiterten Teils 37 und der Innenseite des Zylinders besteht ein bestimmtes Spiel. Der erweiterte Teil 33 ist mit in der Umfangsrichtung voneinander in Abstandbefindlichen, sich in der Längsrichtung erstreckenden Schlitzen oder Kanälen 34 versehen, wie in Fig. 1 gezeigt. Im Teil 35 von verringertem Durchmesser ist ein hülsenförmiges Ventil 36 angeordnet, dessen Aussendurchmesser enge Passung innerhalb der Laufbüchse bzw. des Zylinders 2 hat, welches Ventil sich infolge seiner kurzen Länge in der Längsrichtung zwischen der einen

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Stellung in Anlage an dem erweiterten Teil 33 und einer weiteren Stellung in Anlage an dem erweiterten Teil 37 bewegen kann. .' .

Die Laufbüchse bzw. der Zylinder 2 und das Gehäuse 1 sind mit einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur der Knet- und Heizzone versehen. Diese Einrichtung weist eine Anzahl Heizmäntel H auf, die in Längsabständen in vier Zonen längs der Zylinderbüchse vom Zufuhrkanal 6 zum Zylinderkopf teil 4 angeordnet sind, um die gewünschte Temperaturbedingung aufrecht zu erhalten. Ein Heizmedium wird durch die Heizmäntel H unter der Regelung der Heizregeleinrichtung HCM in Umlauf gesetzt. Eine zusätzliche Wärmeregelleitung 30 ist am Zylinderkopfteil 4 zur Beheizung oder Kühlung desselben vorgesehen.

Ein Formhohlraum.56 wird durch einen festen Formteil 5 3 und einen beweglichen Formteil 54 begrenzt. Der Formteil 5 3 ist durch geeignete herkömmliche Mittel (nicht gezeigt) starr an einer festen Formplatte '61 befestigt und mit Kanälen 57 versehen, welche den Formho,hlraum mit einem Kanal in einer Angußbuchse 5 2 verbinden·, die herausnehmbar in·einer Ausnehmung in diesem Formteil angeordnet ist, wie gezeigt. Die Kanäle 5 7 werden durch erste Abschnitte 5 8 und zweite Abschnitte 5 9 gebildet. Diese Abschnitte sind weich konturiert und der zweite Abschnitt 59 ist auf eine grössere Querschnxttsfläche als der erste Abschnitt 5 8 erweitert, um der Wärmedehnung des sich zum Formhohlraum bewegenden Materials Rechnung zu tragen, welche Wärmedehnung durch die Reibungswärme und die exotherme Härtungswärme verursacht wird. Die Grosse des Abschnitts 5 9 ist ferner so gewählt, daß eine bestimmte Menge zusätzlicher Reibungswärme erzeugt wird. .

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Die Angußbuchse 5 2 ist mit einem durchgehenden Kanal versehen, der mit der Spritzdüse 5 und mit dem verengten Kanal NR zusammenwirkt, um eine freie Verbindung durch die Angußbuchse und die Spritzdüse zum Inneren der Zylinderbüchse 2 aufrecht zu erhalten.

Die starre Formplatte 61 ist starr mit einem stationären Bauelement 62 durch mehrere Stangen 63 verbunden. Der bewegliche Formteil 54 ist durch geeignete herkömmliche Mittel (nicht gezeigt) an einer beweglichen Formplatte 68 starr verbunden, die an ihrem anderen Ende mit einem Kolben 66 versehen ist, der zur Hin- und Herbewegung in einer Kammer 65 angeordnet ist, welche mit einer Druckflüssigkeit gefüllt ist. Die Kammer 65 ist durch geeignete Leitungen 69 und 71 mit einer geeigneten Druckflüssigkeitsquelle MAM, beispielsweise, mit einer Pumpe, verbunden, die durch eine Steuereinrichtung CM und einen Zeitschalter, wie gezeigt, gesteuert wird. Die bewegliche Formplatte 68 ist mit Lagerteilen versehen, durch welche sich die Stangen 6 3 erstrecken, so daß die letzteren als Führungen für die Bewegung der beweglichen Form und deren Formplatte wirken.

Sowohl in dem feststehenden als auch in dem beweglichen Formteil sind Kanäle 55 vorgesehen, durch welche ein Wärmeübertragungsmedium zur Regelung der Temperatur des Formhohlraums und der Formteile geleitet werden kann.

Eine Vorrichtung 24 zur Messung der Bewegung der Schnecke 3 ist zwischen dem Zahnrad 8 und dem erweiterten Teil des Gestells7 angeordnet und erzeugt ein Signal, das zur Rückwärtsbewegung des Zahnrades 8 proportional ist. Das Signal wird der Regeleinrichtung 23 über eine Leitung 25 zugeführt. Die Regeleinrichtung 2 3 ist ihrerseits

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mit dem Ventil 17 und den Motoren M-I, M-2 zu deren Regelung gekoppelt.

Im Betrieb wird die Schnecke 3 in der durch den Pfeil in Fig. 1 gezeigten Richtung .durch den Betrieb des Motors M-I mit einer bestimmten Drehzahl gedreht, um das dem Zufuhrkanal 6 zugeführte Ausgangsmaterial zu kneten und zu erwärmen. Das geknetete und erwärmte Material wird durch die Sehneckengänge der Schnecke zum linken Ende der Zylinderbüchse, gesehen in Fig. 1, gefördert, wobei es zwischen dem Aussenumfang des erweiterten Teils 37 in der Schnecke und der Innenfläche der Zylinderbüchse 2 durch den radial verengten Teil 35 der Schnecke gefördert wird, wodurch das Ventil 36 in seine linke Endstellung gegen den erweiterten Teil 33 der Schnecke gedrückt wird, worauf sich das Material durch die Kanäle 34 in den Raum zwischen den sich ver- ■ jungenden Enden 32 der Schnecke und des Verschlußteils 4 bewegt. Beim Eintritt des Materials in den erwähnten Raum wird die Schnecke allmählich nach rechts bewegt, wobei das Zahnrad 8 axial entlang des länglichen frei drehbaren Zahnrades 9 gleitet, bis sich die gewünschte Menge Material angesammelt hat. Der im Material durch die Sehneckendrehung entstehende Druck ist ausreichend hoch, um die Schnecke 3 gleitend nach rechts zu bewegen und Flüssigkeit aus der Kammer 14 durch die Wirkung des Ventils 17 und infolge des Umstandes zu verdrängen, daß die Pumpe 18 zu diesem Zeitpunkt nicht in Betrieb ist. Dieser Druck und die Viskosität des gekneteten und erwärmten Materials reicht jedoch nicht aus, das Material durch den verengten Kanal NR in der Spritzdüse 5 zu bewegen. Durch die Bewegung der Schnecke 3 nach rechts, d.h., über einen Teil ihrer Gesamtrückwärtsbewegung wird die Vorrichtung 24 betätigt. Diese gibt ihrerseits ein

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Signal an die Regeleinrichtung 23, die dan.n die Drehzahl des Motors M-I auf einen festen Wert für den restlichen Betrag des Rückwärtshubes der Schnecke erhöht. Die Drehung der Schnecke und der Betrieb der Heizregeleinrichtung HCM für die Zylinderbüchse mit den Heizmänteln H soll dazu dienen, innerhalb einer bestimmten ersten zeitlichen Phase die Temperatur des sich ansammelnden Materials auf ein erhöhtes Niveau zu bringen und zu halten, um die Viskosität des Materials auf im wesentlichen den niedrigsten möglichen Wert herabzusetzen, ohne das Material in dieser Heiz- und Knetzone zu versengen, oder vorzeitig zu härten. Bei mehreren Versuchsreihen wurde festgestellt, daß eine Erhöhung der Schneckendrehzahl von einem Betriebsniveau von HO U/Min auf 55 U/Min auf der Hälfte des Weges des Schneckenhubes nach rückwärts und durch die Aufrechterhaltung der Drehzahl von 55 U/Min bsi einem konstanten Rückdruck der Schnekke von etwa 3,50 atü (etwa 50 psig) die Temperaturveränderung vom vorderen zum hinteren Ende der angesammelten Füllung in der Zylinderbüchse von dem Bereich von 16°C auf etwa 1 C verringerte (Fig. 2). Andererseits wurde während ähnlicher Versuchtsreihen festgestellt, daß eine Erhöhung des Rückdruckes von 3,50 atü (50 psig) auf 35 atü (500 psig) über die Hälfte des Schneckenrückwärtshubes und durch die Aufrechterhaltung des Druckes auf 35 atü (500 psig) bei konstanter Schneckendrehzahl von etwa 40 U/Min die Temperaturveränderung vom vorderen zum hinteren Ende der angesammelten Füllung in der Zylinderlaufbüchse von 16°C auf etwa 1°C (Fig. 3) verringert wurde.

Wenn sich die gewünschte Menge dieses beheizten Materials in der Zylinderbüchse 2 zwischen dem sich verjüngenden Teil 32 der Schnecke 3 und der Spritzdüse 5 angesammelt hat, »ird bei geschlossener Form der Betrieb des Motors

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M-I und die Drehung der Schnecke abgestellt, während die Pumpe 18 und das Ventil 17 erregt werden, um Druckflüssigkeit aus dem Behälter 19 rasch zur Kammer 14 zu fördern. Durch die Druckflüssigkeit in der Kammer 14 wird der Kolben 13 nach links bewegt, wobei er die Schnecke 3 mitnimmt. Diese Bewegung der Schnecke 3 hat zur Folge, daß das Ventilelement 36 nach rechts in Anlage an dem erweiterten Teil 37 bewegt wird, um eine Bewegung des gekneteten Materials nach rechts längs der Schnecke zu verhindern, und bewirkt ferner, daß im wesentlichen das ganze angesammelte beheizte Material sehr rasch durch den verengten Kanal NR in der Spritzdüse, den Kanal in der Angußbuchse 52, die Formangußkanäle 57 in den Formhohlraum fließt. Der Druck des der Kammer 14 zugeführten Druckmittels ist ausreichend hoch und die Schneckenbewegung ist mit Bezug auf die Länge und die Abmessungen des Kanals, der das Innere der Zylinderbüchse und den Formhohlraum miteinander verbindet, ausreichend rasch, so daß das durch den Kanal bewegte Material innerlich durch Reibung auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt wird, bei welcher eine sehr rasche Härtung zu dem Zeitpunkt eintritt, in dem es sich in den Formhohlraum bewegt. Dieser Druck und die Art des Kanals müssen ferner so zusammenwirken, daß die Füllung des Formhdhlraums innerhalb einer bestimmten zweiten zeitlichen Phase, bevor irgendeine wesentliche Härtung stattfindet, sichergestellt ist.

Vor dem Eintritt des Materials in den Formhohlraum wird die Formtemperatur auf einem Wert gehalten, welcher der Temperatur des eintretenden Materials, bei der eine sehr rasche Härtung stattfindet, eng angepaßt ist. Die Form und das in dieser enthaltene Material werden auf dieser erhöhten Temperatur gehalten, um eine sehr rasche gleichmassige Härtung durch das ganze Material zu erzielen, die

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es ermöglicht, das Material aus dem Formhohlraum ohne wesentliche Beschädigung innerhalb einer bestimmten kurzen dritten zeitlichen Phase zu entnehmen. Das öffnen der Form geschieht dadurch, daß Druckmittel der rechten Seite des Teils 66 aus der Formbetätigungspumpe MAM zugeführt und der Druck auf der linken Seite des Kolbens 66 aufgehoben wird. Das geformte Material wird zur weiteren Behandlung entnommen, die gewöhnlich eine zusätzliche Härtungsstufe in einem geeigneten beheizten Härteofen bedingt, bis die endgültigen Härtebedingungen erreicht sind. Das Schliessen der Form geschieht dadurch, daß der Druck in- der Leitung 71 aufgehoben und unter hohem Druck stehende Flüssigkeit durch die Leitung 69 der linken Seite des Kolbens 66 zugeführt wird.

Der Druck auf der rechten Seite des Kolbens 13 wird nach dem SpritzVorgang herabgesetzt und während eines ausreichenden Zeitintervalls aufrechterhalten, damit die gesamte gespritzte Masse erhärten kann. Eine bestimmte Zeit bzw. Verzögerung nach dieser Druckaufhebung beginnt die Sehneckendrehung und Ansammlung von beheiztem Material für den nächsten Formfühlvorgang. Diese Verzögerung ist so gewählt, daß bis zu dem Zeitpunkt, an welchem das Material seine Härtung im Formhohlraum beendet hat, die Form geöffnet wird, der geformte Gegenstand entfernt und die Form geschlossen wird, die Schnecke die nächste Materialmenge für den nächsten Formfüllvorgang bereits geknetet, erhitzt und angesammelt hat, so daß die Füllung des Formhohlraums ohne Verzögerung beginnen kann, die eine vorzeitige Härtung oder ein Versengen in der Zylinderbüchse zur Folge haben könnte. Die Regelung dieser zeitlichen Verzögerung geschieht mit Hilfe eines geeigneten Zeitschalters,,der durch einen beliebigen geeigneten Vorgang eingeleitet werden kann, der das gewünschte

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zeitliche Verhältnis zur Aufhebung des Druckes auf das Material iin Formhohlraum und in den mit diesem verbundenen Kanälen hat.

Durch eine sorgfältige Wahl, Ausstattung und Regelung des Ausgangsmaterials, der Schnecken- und Zylinderbüchsenabmessungen, der Schneckengänge, der Schneckendrehungsgeschwindigkeit, der Kraft der Schneckenvorplastifizierungseinrichtung, des Sehneckenrückdruckes, der Grosse und der Abmessungen der den Formhohlraum mit dem Inneren der Zylinderbüchse verbindenden Kanäle, der Menge des zur Füllung des Formhohlraums erforderlichen Materials ist es möglich, Formteile mit Grossen von mehr als 1,8 kg und einer Mindestquerschnittsabmessung von mehr als 1,25 cm, einer Härtungszeit im Formhohlraum zwischen 20 und90 Sekunden, einer Spritz- oder Formfülldauer von weniger als 30 Sekunden, eine Knet- und Beheizungsdauer von weniger als 60 Sekunden und eine Verzögerung beim Anlaufen der Schnecke nach dem Spritzvorgang von weniger als 30 Sekunden zu erzielen, so daß eine Gesamtformgebungsdauer von weniger als etwa 4 Minuten erreicht werden kann. Um diesen optimalen Formgebungszyklus zu erzielen, wurde festgestellt, daß ein elastomere s Material mit einer Mooney-Viskosität MS zwischen etwa 5 und etwa 60 und vorzugsweise etwa 35 bei 121 C verwendet werden sollte. Elastomere Materialien für die Zwecke der Erfindung (nach der ASTM-Definition) enthalten natürlichen und synthetischen Kautschuk und Kombinationen hiervon sowie zusätzlich zu dieser Kombination begrenzte. Mengen von thermoplastischen Stoffen wie Polyäthylen oder Polypropylen.

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Claims (1)

1. Patentanspruch :

   Spritzgußverfahren für elastomeres Material zur Anwendung mit einer Spritzgußmaschine mit Schneckenvorplastifizierung, bei welchem das Material dem vorderen Ende der Schnecke durch deren Drehung zugeführt wird und durch diese Ansammlung die Schnecke nach rückwärts entgegen einem eingestellten Rückdruck gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückwärtshub der Schnecke festgestellt wird und die Drehzahl der Schnecke für ihren restlichen Rückhub, nachdem sich die Schnecke über einen Teil ihres Abstandes nach rückwärts bewegt hat, erhöht wird.

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