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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung bei Maschinen zum
Spritzgießen
von Kunststoffmaterial und den entsprechenden Umsetzungsvorgang.
Insbesondere betrifft sie eine andere Gestaltung der Dichtung für das geschmolzene
Material, das eingespritzt werden soll, d.h., des Verbindungs- und
Abdichtungskörpers
zwischen dem Kopf der Einspritzdüse
und dem Körper
der Form oder des Einspritzhohlraums, sowie die Verwendung einer
spezifischen Art von Material für
die Dichtung, zusammen mit der entsprechenden Folge von Betriebsschritten,
die zum Erzielen des gewünschten
Erzeugnisses notwendig ist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Bei
der Herstellung von aus thermoplastischem Material hergestellten
Hohlkörpern,
wie beispielsweise Flaschen, durch Spritzgießen ist es verbreitete Praxis,
zuerst einen Vorformling zu gewinnen, wovon durch aufeinanderfolgende
Verarbeitungsschritte zum gewünschten
fertiggestellten Erzeugnis übergegangen
wird. Bei der Herstellung von Vorformlingen wird ein thermoplastisches
Material (zum Beispiel PET) im geschmolzenen Zustand, mit Hilfe
einer Stahldüse,
in eine gekühlte
Stahlform eingespritzt, die mit einem Hohlraum oder mehreren Hohlräumen mit
passender Form versehen ist, wo es in amorpher Form erstarrt, wenn
es mit den kalten Wänden
der Form in Berührung
kommt. Ein zylindrisches kolbenartiges Element, das ebenfalls aus
Stahl hergestellt ist und als Ventilspindel bezeichnet wird, wird
dazu gebracht, sich bis zu dem Punkt nach oben zu bewegen, an dem
es die in der Wand des Einspritzhohlraums geformte Einspritzdurchführung verschließt. Der so
gewonnene Vorformling kann schließlich herausgelöst werden.
Um eine hohe Produktivität
zu erreichen und einen gleichförmigen
Fluss des einzuspritzenden Materials zu erzielen, um so Formungsunregelmäßigkeiten und/oder
ein Verstopfen der Düse
auf Grund des Erstarrens des Materials oder dergleichen zu verhindern, muss
die Einspritzdüse
eine Temperatur, ähnlich
der des geschmolzenen thermoplastischen Materials, haben, wohingegen
die Form eine merkliche Kühlung
erfahren muss, um eine hohe Abkühlungsgeschwindigkeit
des eingespritzten Materials und also dessen Erstarren in einer
amorphen Form zu erzielen, wobei dies notwendig ist, um eine gute
mechanische Festigkeit und Transparenz des fertiggestellten Erzeugnisses
zu erreichen.
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Zwischen
dem Körper
der Form und der Einspritzdüse
ist eine Dichtung eingesetzt, die eine im Allgemeinen ringförmige Gestalt
hat und die im Wesentlichen die Funktion hat, eine Abdichtung bereitzustellen,
um zu verhindern, dass das thermoplastische Material aus der Maschine
herauskommt. Die Abdichtung innerhalb der Maschine, d.h., zwischen
der Einspritzdüse
und dem Einspritzhohlraum, wird durch die Ventilspindel gesichert,
die dazu gebracht wird, sich längs
der Durchführung
zwischen der Düse
und dem Inneren des Einspritzhohlraums vorzuschieben, wobei die
Durchführung
eine Länge
hat, die der Wanddicke des Einspritzhohlraums, addiert zur Dicke
der Dichtung, entspricht, bis sie am äußeren Endteil des Kanals zum
Einleiten von geschmolzenem Material in den Einspritzhohlraum anliegt,
durch Eindringen in den Kanal für
eine Strecke von einigen Zehntelmillimetern. Bei dieser Lösung kann
die Ventilspindel jedoch leicht am Einlauf des Kanals stecken bleiben,
und der Vorformling hat daran, in einem Bereich, der dem Einlassloch
zum Einleiten des thermoplastischen Materials in den Einspritzhohlraum
entspricht, einen als Anguss bezeichneten Stummel aus Kunststoff
befestigt, der ziemlich lang ist. Ferner hat das thermoplastische
Material, das den Anguss ausmachen wird, eine Temperatur, die etwas
höher ist
als das Innere des Einspritzhohlraums selbst, und erstarrt folglich langsamer
zu einer kristallinen Form. Wenn der Vorformling aus der Form herausgelöst wird,
wird ein Körper aus
amorphem Material gewonnen, an dem ein Anguss befestigt ist, der
eine kristalline Struktur hat. Zusätzlich führt nach der obigen bekannten
Konfiguration von Maschinen zum Formen von Vorformlingen die kleine
Berührungsfläche, die
zwischen der Dichtung und der Form besteht, leicht zu einer Beschädigung der
Dichtung und also zu der Möglichkeit
eines beträchtlichen
Auslaufens von thermoplastischem Material zwischen der Einspritzvorrichtung,
der Dichtung und dem Einspritzhohlraum sowie eines Auslaufens aus
der Maschine und führt
demzufolge zu Stillständen
in der Herstellung, zu Mängeln
im Fluss des geschmolzenen thermoplastischen Materials innerhalb
des Einspritzhohlraums, mit Unregelmäßigkeiten des Erstarrens des
Materials selbst (Variationen in der Dicke, opaken und kristallinen
Zonen, „Brandstellen" usw.) und zu Erzeugnissen
mit unregelmäßigem und
fadenförmigem
Anguss.
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Die
oben dargelegten Tatsachen führen
zu einer Zahl von Nachteilen. Im Einzelnen zeigt der Bereich des
Angusses mechanische Charakteristika, die schlechter sind als beim
Rest des Vorformlings, wobei mögliche
Ausfälle
sowohl während
des Formens des fertiggestellten Erzeugnisses als auch anschließend bei
Verwendung des Erzeugnisses auftreten, zum Beispiel bei Flaschen,
die schäumende
Getränke
enthalten. Der obige Nachteil ist bisher nicht beseitigt worden
insofern, als alle aus thermoplastischem Material hergestellten Flaschen
am Mittelpunkt des Bodens eine opake kreisförmige Zone haben, die genau
dem Anguss entspricht, der in einer kristallinen Form erstarrt ist.
Diese Flaschen können,
insbesondere, falls sie mit sehr stark schäumenden Getränken verwendet
werden, sowohl auf Grund von Lagertemperaturen, die zu hoch sind,
als auch auf Grund sogar von Lichteinfall nachgeben, mit offensichtlichen
Rückwirkungen
auf den Ruf der Firma, die sie verwendet, auf die Fähigkeit
der Firma, in Märkte
in geographischen Gebieten, die durch hohe Temperaturen gekennzeichnet
sind, einzudringen, und auf die Verkaufsniveaus des Erzeugnisses.
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Konfrontiert
mit solchen Ausfallmöglichkeiten,
beginnen viele Firmen, die aus thermoplastischem Material hergestellte
Flaschen verwenden, ein Erzeugnis zu fordern, das eine Beständigkeit
gegen das Bersten bei höheren
Drücken
als den bisher als sicher betrachteten hat. Die bisher vorgeschlagenen
Lösungen
(Steigern der Dicke der Wände
des aus den Vorformlingen gewonnenen fertiggestellten Erzeugnisses,
Verwendung von Materialien mit besseren mechanischen Charakteristika
usw.) führen
sowohl zu höheren
Kosten für
das Erzeugnis als auch zu möglichen
Herstellungsschwierigkeiten.
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Also
gibt es zur Zeit keine praktische und zuverlässige Lösung für das Problem der mechanischen Festigkeit
des fertiggestellten Erzeugnisses und insbesondere von Flaschen,
die schäumende
Getränke
enthalten sollen.
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US 3 741 704 offenbart eine
Düse zum
Spritzgießen
von Kunststoffen, die eine wärmeisolierende
kegelstumpfförmige
Manschette aus einem geformten Asbestmaterial zwischen der Düsenspitze
und dem Matrizenteil hat.
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JP-A 11 254 488 offenbart
eine Düse
zum Spritzgießen,
die eine isolierende Dichtungskappe zwischen der Düsenspitze
und dem Matrizenblock hat und darauf gerichtet ist, das restliche
Formharz, das in diesen Raum eintreten könnte, zu verringern.
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JP 2002 316 342 offenbart
eine Düse
zum Spritzgießen
von Kunststoffmaterial, die eine Kappe aus einem wärmeisolierenden
Material hat, das zwischen dem heißen Angussverteiler und der
Spritzgießform
wärmeisoliert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
eine Querschnittsansicht des Einspritzteils des Systems zur Herstellung
von Vorformlingen dar.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen
Nachteile dadurch zu überwinden,
dass Verbesserungen an Vorrichtungen zum Spritzgießen von
Vorformlingen und der entsprechende Umsetzungsvorgang vorgeschlagen
werden.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung vorgeschlagen
an einer Maschine zum Spritzgießen
von aus thermoplastischem Material hergestellten Vorformlingen,
wobei das Material im geschmolzenen Zustand durch eine Einspritzvorrichtung
durch ein in der Wand der Form selbst hergestelltes Loch in einen
Einspritzhohlraum oder in dem Fall, dass die Form mehr als nur einen
Einspritzhohlraum umfasst, in mehrere Einspritzhohlräume eingespritzt
wird. In der Maschine ist ein Gehäuse auf dem Boden des Einspritzhohlraums,
welcher der Einspritzvorrichtung gegenüberliegt, vorhanden, wobei
eine Dichtung innerhalb des Gehäuses
zwischen der Einspritzvorrichtung und dem Einspritzhohlraum eingesetzt
ist und eine Ventilspindel am Ende des Einspritzens des geschmolzenen
thermoplastischen Materials durch die Einspritzvorrichtung und durch
die Dichtung gedrückt,
bis der Durchgang zwischen der Einspritzvorrichtung und dem Einspritzhohlraum
geschlossen ist. Nach der zuvor erwähnten vorgeschlagenen Verbesserung
(i) hat die Dichtung eine Form, ähnlich
und komplementär
zur Form des Gehäuses,
und ist aus einem wärmeisolierenden
Material hergestellt, das mit spezifischen mechanischen Eigenschaften
versehen ist, insbesondere, was die Beständigkeit gegenüber Wärmestoß und Wärmeausdehnung
betrifft, und ist mit einem Durchgangsloch versehen, um das geschmolzene
thermoplastische Material von der Einspritzvorrichtung zu dem Einspritzhohlraum
hin zu leiten, wobei das Loch genau auf den Durchmesser der Ventilspindel
geeicht ist, und (ii) hat das in der Wand des Einspritzhohlraums
für den Durchgang
des geschmolzenen thermoplastischen Materials hergestellte Loch über seine
gesamte Länge
den gleichen Durchmesser wie die Ventilspindel.
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Das
zuvor erwähnte
wärmeisolierende
Material hat einen Wärmeaustauschkoeffizienten
von zwischen 0,2 und 0,9 W/°K×m2 und ist vorzugsweise in der Gruppe ausgewählt, die
Materialien umfasst, die hohe thermische und mechanische Eigenschaften
haben, zum Beispiel Polyamid, Polytetrafluorethylen und Polyterketonverbindungen.
Das Material muss in der Lage sein, Temperaturen von zwischen 250°C und 500°C zu widerstehen,
eine Druckfestigkeit, die höher
ist als 40 N/mm2, und in einem thermischen
Bereich von zwischen 60°C
und 100°C
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von zwischen 20 und 50·10–6°K–1 haben.
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Die
neuen Eigenschaften der oben beschriebenen Spritzgießmaschine
führen
beim Vorformling zur Beseitigung der kristallinen Zone am Einspritzpunkt
in den Einspritzhohlraum und zur Bildung eines Angusses mit amorpher
Struktur. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es zu empfehlen ist, das
Abschneiden des Angusses vor dem Formen des fertiggestellten Körpers auszuführen.
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Zusätzlich ist
es möglich,
die Ventilspindel dazu zu bringen, dass sie sich vorschiebt, bis
sie die gesamte Länge
des Einlasslochs einnimmt, das zum Einleiten des thermoplastischen
Materials in der Wand des Einspritzhohlraums hergestellt ist, was
folglich das Bilden des Angusses verhindert.
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Das
Verfahren zum Fertigen von Vorformlingen aus einem thermoplastischen
Material (z.B. PET) ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch
zwischen der Einspritzdüse
und dem Körper
der Form verringert wird durch das Dazwischenschalten einer Dichtung,
die einen niedrigen Wärmeaustauschkoeffizienten
von zwischen 0,2 und 0,9 W/°K×m2 hat, wie oben definiert, dadurch, dass
die Länge
des Angusses dadurch eingestellt wird, dass veranlasst wird, dass
sich die Ventilspindel in eine gewünschte Position innerhalb der
geeichten Löcher
der Dichtung und des Einspritzhohlraums vorschiebt, und dadurch,
dass nach dem Entnehmen des Vorformlings aus der Form der Anguss,
der vorhanden ist, weggeschnitten wird. Das Abschneiden wird mit
Hilfe einer Drehklinge ausgeführt,
die eine Drehgeschwindigkeit von nicht weniger als 5 000 U/min hat,
mit einer Schneidzeit, die höher
ist als 0,65 s, vorzugsweise rund 0,8 s beträgt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun als nicht begrenzendes Beispiel beschrieben,
unter Bezugnahme auf eine Zahl von experimentellen Prüfungen (bezüglich der
Bereitung von Vorformlingen für
Flaschen, die schäumende
Getränke
enthalten sollten), mit Hilfe der angefügten Zeichnung, wobei 1 eine
Querschnittsansicht des Einspritzteils des Systems zur Herstellung
von Vorformlingen, der die Verbesserung nach der vorliegenden Erfindung
einschließt,
darstellt.
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Unter
Bezugnahme auf 1 umfasst ein System zur Herstellung
von Vorformlingen, die aus einem thermoplastischen Material hergestellt
sind, eine Formungsstation A, die wiederum einen Negativ-Einspritzhohlraum 1 umfasst,
innerhalb dessen ein Kern 2 eingesetzt ist, wobei auf diese
Weise ein Spalt 8 begrenzt wird, in den das thermoplastische
Material einzuspritzen ist. Das Einspritzen wird ausgeführt unter
Verwendung einer Einspritzvorrichtung 3, versehen mit einer
Düse 3' und einem Durchgangskanal 5 in
Längsrichtung. Das
distale Ende der Düse 3' ist in einen
Hohlraum eingesetzt, der in der Zeichnung eine halbkugelige Form hat
und im Bodenteil des Hohlraumblocks hergestellt ist und damit ausgerichtet
ist, wobei ein Durchgangsloch 9 in der Wand des Hohlraumblocks
hergestellt ist, in Verbindung mit dem Spalt 8 am Oberteil
des Hohlraums. Die Abdich tung zwischen der Düse 3' und dem Hohlraumblock wird durch
eine Dichtung 4 garantiert, die mit einem geeichten Durchgangsloch 7 versehen
ist. Nach der Erfindung hat die Dichtung 4 eine Form, die ähnlich und
komplementär
zur Form des Hohlraums ist, der in der Zeichnung halbkugelig ist
und im Bodenteil der Formplatte hergestellt ist. Auf diese Weise
stellt die gesamte Grenzfläche
zwischen der Dichtung und dem Hohlraum eine Berührungs- und Abdichtungsfläche dar,
was folglich eine vollkommene Abdichtung garantiert.
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Bei
Anwendung wird das thermoplastische Material durch den Kanal 5 der
Einspritzvorrichtung 3, durch das geeichte Durchgangsloch 7 und
durch das Durchgangsloch 9 in den Spalt 8 eingespritzt.
Sobald der Spalt 8 gefüllt
worden ist, wird veranlasst, dass sich eine Ventilspindel 6 im
Kanal 5 vorschiebt. Nach der Erfindung wird die Ventilspindel 6 zur
Dichtung 4 hochgeschoben, und nimmt folglich das in der
Dichtung selbst hergestellte geeichte Loch 7 vollständig ein,
wobei das Loch mit dem Kanal 5 und mit dem Loch 9 ausgerichtet ist.
Ferner kann die Ventilspindel nach der Erfindung dazu gebracht werden,
sich über
diesen Punkt hinaus vorzuschieben, bis sie das Loch 9 vollständig einnimmt,
was folglich den Anguss vollständig
beseitigt.
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Nach
der Erfindung garantiert die große Berührungsfläche zwischen der Dichtung 4 und
der Wand des Hohlraums (der in der Zeichnung, als Beispiel, halbkugelig
ist) eine vollkommene Abdichtung, während die Verwendung von wärmeisolierenden
Materialien garantiert, dass das Endstück des geeichten Lochs 7,
nahe der Formplatte, bei einer Temperatur sein wird, die der Temperatur
der Wände
der Formplatte näher
ist als der Temperatur der Düse 3'. Zusätzlich verringert
die Ventilspindel 6, durch Vorschieben genau innerhalb
des geeichten Lochs 7 (oder sonst innerhalb des Lochs 9),
die Länge
des Angusses (d.h., des Teils des eingespritzten thermoplastischen
Materials, der zwischen dem Kopf der Ventilspindel 6 und
der Außenfläche des
Spalts 8 erstarrt) beträchtlich
(oder beseitigt sie gänzlich).
Auf diese Weise wird ein schnelles Erstarren des gesamten Vorformlings,
einschließlich
des möglichen
Angusses, in amorpher Form garantiert.
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Es
ist eine Reihe von Prüfungen
durchgeführt
worden, jede für
die Herstellung von zehn Vorformlingen. Der erste Satz von Prüfungen,
der als Vergleich diente, betraf die Herstellung von Vorformlingen
nach der herkömmlichen
Technik. Der zweite Satz von Prüfungen
war darauf gerichtet, die optimalen Bedingungen zum Herstellen von
Vorformlingen für
flachbodige Flaschen, die nicht zum Aufnehmen stark schäumender
Getränke geeignet
sind, nach der vorliegenden Erfindung zu bestimmen. Der dritte Satz
von Prüfungen
betraf die Herstellung von Vorformlingen mit Angüssen von sehr kleinen Abmessungen,
noch einmal für
flachbodige Flaschen, nach der vorliegenden Erfindung. Schließlich wurden
der zweite und der dritte Satz von Prüfungen wiederholt für die Herstellung
von 0,26-Liter-Flaschen mit abgerundeten Böden, die dafür geeignet
sind, schäumende
Getränke
aufzunehmen.
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Für die Dichtung 4 wurden
ein Polytetrafluorethylen-Material und ein Polyterketon-Material
verwendet, die beide in Übereinstimmung
mit dem Standard DIN 52612 einen Wärmeaustauschkoeffizienten von
zwischen 0,30 und 0,80 W/°K×m2 hatten.
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Die
Prüfungen
wurden alle unter Verwendung der gleichen Art des eingespritzten
Materials, nämlich von
Permaclear® Akzo,
D 04 300 cp, durchgeführt.
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Die
in den ersten drei Sätzen
von Prüfungen
(A, B, C) erzielten Ergebnisse werden in Bezug auf die thermographische
Analyse des Erzeugnisses während
des Formens, verteilt über
10 Ebenen (Ebene 1 ist an der Mündung
des Vorformlings, Ebene 10 ist auf der Höhe des Angusses) angegeben,
wie es in Tabelle 1 erscheint. Diese Analysen zeigen, dass es in
dem Satz A von Prüfungen
ein unregelmäßiges Muster
der Temperaturen gibt, mit einem deutlichen thermischen Sprung zwischen
den Ebenen 1 bis 2 und der Ebene 3, einer Umkehrung zwischen der
Ebene 4 und der Ebene 5 und einer besonders hohen Temperatur auf
der Ebene des Angusses.
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Der
Satz B von Prüfungen
zeigt ebenfalls eine gewisse Unregelmäßigkeit im Muster der Temperaturen,
jedoch mit einer niedrigeren Temperatur des Angusses.
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Der
Satz C von Prüfungen
zeigt ein Muster der Temperaturen, das entschieden regelmäßig ist,
wobei der Anguss „kalt" ist.
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Die
besagten Daten weisen darauf hin, dass es in dem Satz A von Prüfungen einen
Anguss mit einer kristallinen Struktur geben muss, mit der möglichen
Bildung von fadenförmigen
Anhängen
auf der Ebene des Angusses und an den Wänden des Einspritzhohlraums.
Zusätzlich
wird die Unregelmäßigkeit
im Muster der Temperaturen in der Lage sein, bei dem Vorformling
die Bildung von Variationen der Dicke zu begünstigen. TABELLE 1
| EBENE | PRÜFUNG A
T °C | PRÜFUNG B
T °C | PRÜFUNG C
T °C |
| 1 | 106,0 | 111,0 | 105,8 |
| 2 | 107,1 | 113,7 | 107,1 |
| 3 | 113,3 | 118,3 | 113,6 |
| 4 | 111,2 | 113,8 | 112,0 |
| 5 | 112,1 | 113,3 | 112,4 |
| 6 | 110,2 | 113,1 | 111,8 |
| 7 | 109,0 | 114,1 | 110,3 |
| 8 | 93,6 | 112,0 | 108,1 |
| 9 | 97,6 | 103,1 | 96,6 |
| 10 | 114,6 | 106,7 | 95,7 |
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Die
obigen Daten scheinen darauf hinzuweisen, dass es bei dem Satz B
von Prüfungen
und vor allen bei dem Satz C von Prüfungen die Beseitigung von
kristallinen Zonen in dem Vorformling geben sollte. In der Tat zeigte
die Untersuchung der erzeugten Vorformlinge, dass es bei den Prüfungen A
eine Kristallisation des Angusses bei allen gewonnenen Erzeugnissen
gab, während
es bei 80 der Erzeugnisse die Bildung von Filamenten gab. Bei der
Prüfung
C waren alle gewonnenen Erzeugnisse frei von Defekten, während es
bei den Prüfungen
B eine Zwischensituation gab.
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Die
Flaschen, die mit den in den oben aufgelisteten Prüfungen gewonnenen
Vorformlingen erzeugt wurden, wurden, obwohl sie flache Böden hatten,
d.h., eine Struktur hatten, die nicht geeignet ist, um stark schäumende Getränke aufzunehmen,
Berstprüfungen
unterworfen und mit auf normale Weise erzeugten Flaschen für schäumende Getränke verglichen.
Die letzteren Flaschen zeigten einen mittleren Berstdruck von 1,36
Mpa, mit einem maximalen Druck von 1,41 Mpa. Stattdessen zeigten
die nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Flaschen, obwohl
von der flachbodigen Art, Maximalwerte der Berstbeständigkeit
von rund 1,5 Mpa, wenngleich der Mittelwert beträchtlich niedriger, bei rund
1,0 Mpa, lag.
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Die
erzielten Ergebnisse, insbesondere in Verbindung mit dem vollständigen Fehlen
kristalliner Zonen in den Vorformlingen, legten es nahe, mit der
Erprobung an Flaschen für
unter Druck stehende Flüssigkeiten fortzufahren.
Auch in diesem Fall wurden für
jede Prüfung
zehn Flaschen erzeugt, um die Wirksamkeit des Abschneidens des Angusses
zu prüfen.
Die erzielten Ergebnisse werden in Tabelle 2 angegeben. TABELLE 2
| Probe
Nr. | Ohne
Abschneiden des
Angusses
(Berstdruck, MPa) | Mit
Abschneiden des
Angusses
(Berstdruck, MPa) |
| 1 | 1,69 | 1,79 |
| 2 | 1,70 | 1,74 |
| 3 | 1,74 | 1,75 |
| 4 | 1,70 | 1,75 |
| 5 | 1,69 | 1,68 |
| 6 | 1,69 | 1,74 |
| 7 | 1,71 | 1,79 |
| 8 | 1,66 | 1,74 |
| 9 | 1,70 | 1,75 |
| 10 | 1,71 | 1,72 |
| MITTEL | 1,70 | 1,75 |
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In
Anbetracht dessen, dass der gegenwärtig akzeptierte Berstdruck
für PET-Flaschen
für schäumende Getränke 1,4
Mpa beträgt,
ist zu sehen, dass die vorliegende Erfindung einfach durch Modifizieren
der Dichtung zwischen der Einspritzdüse und dem Injektionshohlraum
des Vorformlings eine Steigerung von 0,2 bis 0,25 Mpa beim Druck
ermöglicht.