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Kunststoff-Soritzgießmaschine mit Schneckenplastifizierung und Massefilter
Die Erfindung betrifft Kunststoff-Spritzgießmaschinen mit einer für das Plastifizieren
und Vorlegen bzw. Einspritzen des Kunststoffes drehbar und axial verschiebbar in
einem Zylinder angeordneten Schnecke.
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Das Hauptmerkmal der Maschine nach der Erfindung ist ein am Schneckenende
angeordneter, mit dem Schneckenkern verbundener Siebzylinder, den der plastifizierte
Kunststoff während des Stauvorganges im wesentlichen radial von außen nach innen
durchströmt. In einer bevorzugten Ausführung ist der Siebzylinder mit einer voll
gesteuerten, das heißt zwangsweise schließenden und öffnenden Rückstromsperre kombiniert.
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Die bekannten Kunststoff-Sprftzgießmaschinen mit einer in einem Zylinder
drehbar und axial verschiebbar angeordneten Plastifizierschnecke weisen allgemein
den Nachteil auf, daß sie den Einbau eines Siebsatzes nach dem Vorbild der kontinuierlich
betriebenen Schneckenextruder nicht zulassen. Gelegentlich wird zwar vor der Düse
am Ende des Zylinders eine Lochscheibe angeordnet, um eine durch Wirbelstrombildung
intensivierte homogene Durchmischung des Materials zu erreichen +); ein Siebeffekt
kann damit jedoch schon deshalb nicht angestrebt werden, weil der für den Einbau
der Lochscheibe vor der Düse verfügbare Kanaldurchmesser relativ klein und daher
die nutzbare Siebfläche sehr begrenzt ist. Infolge dieser Flächenbegrenzung würde
der Freuidstoffbelag des Siebes unter Umständen schon nach kurzer Betriebszeit so
stark anwachsen, daß das Einhalten der gewählten Betriebsbedingungen (Massetemperatur,
Spritzdruck, Volumendurchsatz) unmöglich würde.
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+) W.MINK: Grundzüge der Spritzgießtechnik, 3.Auflage.
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Speyer/Wien/Zürich 1966, 5.72.
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Andererseits wäre ein Filtern des plastifizierten Materials in vielen
Fällen für das Spritzgießen noch wichtiger als für das kontinuierliche Extrudieren.
Dies gilt beispielsweise immer dann, wenn die Massekanäle zwischen dem Stauraum
der Plastifiziereinheit bzw. der Spritzeinheit und dem Hohlraum bzw.
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den Hohlräumen des Formwerkzeuges Engstellen aufweisen (etwa Punktanschnitt
oder Filmanschnitt) und/oder wenn Spritzteile mit sehr kleinen Querschnitten hergestellt
werden sollen. Unabhängig von den Querschnitten der Fließwege außerhalb und innerhalb
des Formwerkzeuges sollte das plastifizierte Material immer dann gefiltert werden,
wenn es sich um Kunststoff abfälle handelt, bei denen mit Verunreinigungen zu rechnen
ist.
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Infolge des Fehlens entsprechender Einrichtungen ist das Aufarbeiten
von Kunststoffabfällen ("Recycling") im SpritzgieB-betrieb bisher mit einem erheblichen
Risiko verbunden. Selbst wenn die Sekundaware frei von Fremdstoffen ist, die nicht
plastifiziert werden können, bietet schon das homogene Autschließen einer Mischung
aus Kunststoffen mit unterschiedlichen Molekulargewichten oder unterschiedlicher
Vorbelastung große Probleme. In der Kunststoff-Extrudertechnik werden diese Probleme
in der Mehrzahl der Fälle durch den Einbau eines Siebsatzes gelöst, der als Strainer
Fremdstoffe und schwer aufschließbare Anteile des Massestromes zurückhält bzw. erst
nach vollständigem Aufschmelzen passieren läßt.
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Hieraus ergibt sich die Aufgabestellung: Es soll für Kunststoff-Spritzgießmaschinen
mit einer drehbar und axial verschiebbar in einem Zylinder (Plastifizierzylinder
bzw. kombinierter Plastifizier- und Spritzzylinder) angeordneten Plastifizierschnecke
eine Möglichkeit zum Filtern des Massestromes geschaffen werden, und zwar mit einer
möglichst großen Nutzfläche des Filters sowie ohne Beeinträchtigung der axialen
Verschieblichkeit der Schnecke. Die entsprechende Konstruktion
soll
den Einbau einer praxisüblichen Rückstromsperre zulassen, vorzugsweise einer Rückstromsperre
mit kontrollierbaren Funktionen. Darüber hinaus ist es erwünscht, daß die durch
das Filtern der Masse zurückgehaltenen Fremdstoffe von Zeit zu Zeit aus dem System
entfernt werden können, ohne daß das Filter ausgebaut werden muß.
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Zur Lösung des Grundproblems dient nach der Erfindung ein am Ausstoßende
der Schnecke angeordneter, mit dem Schneckenkern in fester oder lösbarer Verbindung
stehender Siebzylinder, den der plastifizierte Kunststoff während des Stauvorganges
radial von außen nach innen durchströmt, um unmittelbar danach aus dem Innenraum
des Siebzylinders - gegebenenfalls durch den geöffneten Spalt einer Rückstromsperre
- in den Stauraum des Plastifizierzylinders einzutreten. Im Normalfalle ist der
Siebzylinder nach dem Vorbild bekannter "Siebpatronen" als Zylinder mit radialen
Bohrungen ausgeführt, über den ein ein- oder mehrschichtiges Maschensieb entsprechender
Länge geschoben ist. Am freien Ende des Siebzylinders ist zwischen seiner Außenfläche
und der Innenwand des Plastifizierzylinders eine Sperre für den Massestrom vorgesehen.
Vorzugsweise wird diese Sperre nach der Erfindung als ein Ring aus besonders verschleißfestem
Material ausgeführt und lösbar mit dem Siebzylinder verbunden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Spritzgießmaschine nach der Erfindung
ist die Plastifizierschnecke mit einer von außen steuerbaren Rückstromsperre sowie
der Plastifizierzylinder bzw.
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Zylinderkopf mit einer Verschlußdüse, vorzugsweise einer Schiebedüse
bekannter Konstruktion, versehen. Diese Ausführung der Maschine bietet die Möglichkeit
einer Reinigung des Massefilters durch Rückspülung. Zu diesem Zweck wird die Schnecke,
nachdem der Stauraum mit plastifiziertem Material gefüllt ist, mit offen gehaltener
Rückstromsperre bei geschlossener Düse vorgeschoben. Auf diese Weise entsteht ein
intensiver Masserückstrom,
der den Fremdstoffbelag von der Siebfläche
abhebt und in den Schneckengang spült. Dazu empfiehlt sich eine Ergänzung der Konstruktion
des Siebzylinders, nämlich das Einbetten des Maschensiebes zwischen einem inneren
und einem äußeren Zylinder mit radialen Bohrungen; in dieser 'tSandwich"-Konstruktion
dient der äußere der bei#en Zylinder zum Abstützen des Maschensiebes während der
Rückspülung.
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Wenn das nutzbare Volumen des Stauraumes größer ist als das Gangvolumen
der Plastifizierschnecke, so gelangt der Fremdstoffbelag durch die Rückspülung in
die Beschickungsöffnung des Plastifizierzylinders. Bei den derzeit praxisüblichen
Spritzgießmaschinen mit Schnecken-Plastifizierung ist diese Voraussetzung meist
nicht bzw. noch nicht erfüllt. Die Anwendung des Rückspülverfahrens zur Reinigung
des Siebsatzes ohne dessen Ausbau ist dann nur in Kombination mit anderen Maßnahmen
möglich, die im folgenden beschrieben werden.
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Ein entsprechender Eingriff kann alternativ im Antriebssystem oder
aber im Stausystem erfolgen. Die erste Maßnahme besteht darin, daß der Antrieb für
das kurzzeitige Reversieren der Schneckenrotation eingerichtet wird, wobei die axiale
Beweglichkeit der Schnecke in Ausstoßrichtung für die Dauer des Rückwärtslaufs zu
blockieren ist; dazu genügt beispielsweise eine auf den verlängerten Schneckenschaft
aufschraubbare Gewindebuchse. Das Rückwärtsdrehen der Schnecke kann, da nur wenige
Umdrehungen erforderlich sind, manuell mittels einer auf der verlängerten Ritzelwelle
des Antriebssystems montierten Handkurbel erfolgen. - Als zweite Maßnahme kommt
die wiederholte Anwendung des beschriebenen Rückspülverfahrens in Betracht, wobei
der Stauraum mehrmals aus einem separaten Speicher mit plastifiziertem Material
gefüllt wird. Für kleine und mittlere Maschineneinheiten wird dazu nur eine einfache
Handkolbenpresse (gegebenenfalls mit Spindeltrieb) benötigt, die in mehreren Arbeitszyklen
der Spritzgießmaschine einen entsprechenden Massevorrat aufnimmt. Dieser Massevorrat
wird dann chargenweise,
nachdem die Schnecke jeweils mit geschlossener
Rückstromsperre in ihre hintere Grenzlage zurückgezogen wurde, durch die geöffnete
Düse als Spülmaterial in den Stauraum der Spritzgießmaschine zurückgespeist +) Jede
einzelne Charge wird anschließend durch Vorschieben der Schnecke bei geöffneter
Rückstromsperre und geschlossener Düse in den Schneckengang gepreßt. Das Füllen
und Entleeren des Stauraumes werden fortgesetzt, bis der Fremdstoffbelag des Massefilters
aus der Speiseöffnung der Plastifiziereinheit hervorkommt bzw. entnommen werden
kann.
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Ausführungsbeispiele von Schneckenkolben-Spritxgießmaschinen nach
der Erfindung sind in den Zeichnungen Fig.1 bis Fig.6 dargestellt. Es zeigen: Fig
Maschine mit zwangsweise schließender Rückstromsperre.
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Fig.2: Längsschnitt der ausstoßseitigen Konstruktion der Maschine
nach Fig.1, mit der Rückstromsperre in offenem Zustand (oben) und geschlossenem
Zustand (unten).
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Fi,3: Maschine mit zwangsweise schließender und öffnender Rückstromsperre.
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Fig.4: Längsschnitt der ausstoßseitigen Konstruktion der Maschine
nach Fig.3.
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Fig.5: Längsschnitt der über die hintere Wand des Hydrauliksystems
hinausragenden Konstruktion der Maschine nach Fig.3.
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Fig.6: Konstruktion nach Fig.5, mit Einrichtungen zum Zurückziehen
der Schnecke und Öffnen der Rückstromsperre beim Vorschieben der Schnecke zwecks
Reinigung des Massefilters.
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+) Vergl. ein neueres Verfahren der operativen Medizin, bei welchem
dem Patienten vor der Operation Eigenblut entnommen und später wieder eingespritzt
wird.
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Die Kennzahlen in den Abbildungen bezeichnen die folgenden Konstruktions-
und Funktionselemente: 1 Zylinder, 2 Beschickungsöffnung, 3 Zylinderkopf, 4 Stauraum,
5 Düse (vorzugsweise Schiebeverschlußdüse), 6 Schnecke, 7 Schneckensteg, 8 Schneckengang,
9 Schneckenvorderteil, 10 innerer Siebzylinder (mit dem Schneckenvorderteil ein
einheitliches Bauteil bildend), 11 Maschensiebe, 12 äußerer Siebzylinder, 13 Sperring,
14 mit der Schnecke verbundener Ventilschaft, 15 Bundkappe des Ventilschaftes, 16
Distanzring, 17 auf dem Ventilschaft 14 axial verschieblicher und mit diesem rotierender
Ventilkopf, 18 Schließfeder im Ventilkopf, 19 Längsbohrung der Schnecke, 20 in der
längsbohrung der Schnecke verschieblicher Ventilschaft, 21 mit dem Ventilschaft
20 verbundener Ventilkopf, 22 Spalt der geöffneten Rückstromsperre, 23 Schneckenschaft,
24 Schneckenlagerung, 25 Gehäuse des Antriebssystems, 26 verlängerte Ritzelwelle,
27 Gehäuse des Hydrauliksystems, 28 Verlängerung des Schneckenschaftes, 29 Schließfeder
der Rückstromsperre mit beweglichem Ventilschaft, 30 Gewindebuchse mit Außensechskant
zum Einstellen des maximalen Spaltes 22, 31 Kontermutter zum Feststellen der Gewindebuchse
30, 32 längsnuten (Sacknuten) der Gewindebuchse 30, 33 auf dem Ventilschaft 20 verstellbarer
Ring, 34 Nocken des Ringes 33 (geführt in den Sacknuten 32, zur Begrenzung des Spaltes
22 der geöffneten Rückstromsperre und zur Mitnahme des Ventilschaftes 20 durch die
rotierende Schnecke 6), 35 Gewinde am Ende des Ventilschaftes, 36 Innensechskant
am Ende des Ventilschaftes, 37 Kontermuttern (zum Feststellen des Ringes 33), 38
Vorrichtung zum zwangsweisen Öffnen der Rückstromsperre im Zyklusbetrieb (bei Beginn
der Schneckenrotation), 39 Gewindebuchse mit Außensechskant zum Zurückziehen der
Schnecke, 40 Gewindebuchse mit Außensechskant zum Öffnen der Rückstromsperre der
mittels der Buchse 39 zurückgezogenen Schnecke für das Rückspülen des Fremdstoffbelages
von den Maschensieben 11.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert; dabei werden die allgemeinen Funktionsmerkmale von
Schneckenkolben-Spritzgießmaschinen mit federbelasteter Rückstromsperre als bekannt
vorausgesetzt: a) Fördern und Plastifizieren des Kunststoffrohstoffes durch die
im Zylinder 1 rotierende Schnecke 6, die während dieser Phase (Stauphase) gegen
einen im Hydrauliksystem einstellbaren Druck axial zurückweicht, wobei die Rückstromsperre
durch den Druck des Massestromes geöffnet ist; anschließend b) Füllen des Formwerkzeuges
durch Vorschieben der Schnecke, deren Drehbewegung während dieser Phase (Einspritzphase)
unterbrochen wird, wobei die Rückstromsperre durch die kombinierte Wirkung der vorgespannten
Schließfeder 18 bzw.
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29 und des Spritzdruckes geschlossen ist.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen gelangt die plastifizierte
Masse während der Stauphase aus dem Schneckengang 8 durch die Radialbohrungen der
Siebzylinder 10 und 12 und das zwischen diesen angeordnete Maschensieb 11 über den
Spalt 22 der geöffneten Rückstromsperre in den Stauraum 4 des Zylinderkopfes 3.
Während der Stauphase ist der Spalt 22 der Rückstromsperre durch den Druck des Massestromes,
der die Kraft der vorgespannten Schließfeder 18 bzw. 29 und den im Stauraum 4 wirksamen
Massedruck überwindet, voll geöffnet.
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Bei der Beispielsausführung nach Fig.1 und 2 kann die Vorspannung
der Schließfeder 18 beispielsweise durch den Distanzring 16 zwischen der Bundkappe
15 und der Stirnfläche des Ventilschaftes 14 eingestellt werden; zur Mitnahme des
Ventilkopfes 17 durch die rotierende Schnecke 6 bzw. durch den Ventilschaft 14 dient
in diesem Falle eine axial verschiebliche Nut-Feder-Verbindung.
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Bei der Beispielsausführung nach Fig.3 bis 6 wird die Vorspannung
der Schließfeder 29 mittels der linken Mutter 37 eingestellt, die durch die rechte
Mutter 37 zu fixieren ist. Diese Konstruktion ermöglicht auch eine feste Einstellung
der (maximalen) Öffnungsweite des Spaltes 22 der Rückstromsperre, nämlich mittels
der Gewindebuchse 30, die den Abstand zwischen den Nocken 34 des Ringes 33 und den
Stirnflächen der Sacknuten 32 bestimmt. Dabei dient der Ring 33 mit seinen in den
Nuten 32 geführten Nocken 34 gleichzeitig als Mitnehmer, das heißt zur Mitnahme
des Ventilschafts 20 durch die rotierende Schnecke 6.
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Die Beispielsausführung nach y bis 6 ermöglicht auch das zwangsweise
Öffnen der Rückstromsperre bei Beginn der Stauphase, also beim Einsetzen der Schneckenrotation.
Die dafür vorgesehene, auf den Ventilschaft 20 wirkende Vorrichtung 38 kann direkt
mit dem Schneckenantrieb gekoppelt sein oder indirekt unter Ausnutzung von Massen-Trägheitskräften
betätigt werden, die beim Einsetzen der Schneckenrotation wirksam werden.
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Es wird hierzu auf die Patentanmeldung P 25 22 616.8 verwiesen.
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Ein weiterer Vorteil der Beispielsausführung nach Fig.3 bis 6 besteht
darin, daß die Rückstromsperre unter Ausschaltung der Vorrichtung 38 durch die Gewindebuchse
40 geöffnet werden kann (Fig.6), um die im Stauraum 4 gespeicherte plastifizierte
Masse bei geschlossener Düse 5 durch Vorschieben der Schnecke 6 in den Schneckengang
8 zurückzudrücken. Mit diesem "Rückspülverfahren" können, wie oben beschrieben,
die Maschensiebe 11, wenn der auf ihnen angesammelte Fremdstoffbelag ein gewisses
Ausmaß erreicht hat, gereinigt werden. Die Zeitabstände, in denen eine solche Reinigung
notwendig wird, sind unter vergleichbaren Bedingungen (Massezustand und -durchsatz)
weitaus größer als bei den im kontinuierlichen Extruderbetrieb üblichen Siebplatten.
Dies ergibt sich aus der Relation der Nutzflächen:
Beispielsweise
ist die Mantelfläche eines Siebzylinders mit der Länge L = 2D (D = Durchmesser)
8mal größer als die Stirnfläche einer Siebplatte mit demselben Durchmesser.
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Der durch die vorgeschlagene Konstruktion ermöglichte Einsatz von
Nassefiltern bei Kunststoff-Spritzgießmaschinen mit Schneckenplastifizierung ist
somit nur das Grundmerkmal der Maschine nach der Erfindung. Die sehr große Nutzfläche
des Massefilters sowie die Möglichkeit, dieses ohne Ausbau nach dem Rückspülverfahren
zu reinigen, sind weitere Vorteile gegenüber den bekannten Systemen. Dabei ergibt
sich die Kombination mit einer zwangsweise schließenden, gegebenenfalls auch zwangsweise
öffnenden Rückstromsperre ohne wesentlichen Mehraufwand.