Verfahren zum Spritzgiessen und Spritzgussmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf ein Spritzgussverfahren und auf eine Maschine zur Durchführung des Verfahrens.
Die herkömmlichen Spritzgussmaschinen sind mit einer Knet- bzw. Förderschnecke ausgerüstet, welche zum Beschicken der Spritzkammer benützt wird.
Ausserdem ist ein motorisch betriebener Presskolben vorgesehen, mittels welchem die Spritzmasse durch die Spritzdüse zur Erzeugung des fertigen Produktes in die Spritzform gepresst wird. Bei solchen Maschinen ist es notwendig, Kunststoffspritzmasse in Tablettenform zu benützen. Der zwingende Grund hierfür liegt in der Maschine selber, da die Förderschnecke nicht befriedigend funktioniert, wenn pulverförmige Spritzmasse verarbeitet werden soll. Bei der Benützung einer tablettierten Spritzmasse ist jedoch eine beträchtliche Aufbereitung der Masse notwendig, um durch die die Aufbereitung begleitenden Reibungswärme das Material zu plastifizieren und in einen zum Spritzen geeigneten Zustand zu bringen.
Dies wiederum bedingt die Verwendung von langen Schnecken mit langen, gestreckten Gängen, wobei die Maschine eine grosse Menge der Spritzmasse aufnimmt, die zum wiederholten Füllen der Spritzform ausreichend ist. Es versteht sich dabei, dass eine bestimmte Charge eine herkömmliche Maschine erst nach vielen Arbeitsgängen vollständig durchläuft. Dadurch ist die Spritzmasse in den herkömmlichen Maschinen während längerer Zeit hohen Temperaturen mit den anhaftenden schädlichen Wirkungen ausgesetzt. Zum Ausgleich dieser Wirkungen muss die Kopfhöhe niedrig gehalten werden. Die Notwendigkeit der Verarbeitung von tablettiertem Material in den herkömmlichen Maschinen ist ausserdem auch deshalb nachteilig, weil bei der Herstellung der Spritzmasse normalerweise ein Material in Pulverform entsteht.
Bei der Aufbereitung des pulverförmigen Materials für die Benützung in einer herkömmlichen Spritzmaschine ist es dann notwendig, das Material z. B. in einer Knetmaschine in eine plastische Masse umzuwandeln, dann zu kalandrieren und die dabei erzeugten Folien anschliessend zu tablettieren. Die Eliminierung solcher an und für sich zusätzlicher Arbeitsgänge würde selbstverständlich zu einer Reduktion der Herstellungskosten führen.
Es ist daher höchst erwünscht, über ein Spritzgussverfahren und über eine Spritzgussmaschine zu verfügen, die ermöglichen, die Spritzmasse lediglich für die absolut notwendige Zeit in der Maschine zu halten, um die schädliche Auswirkung der längeren Einwirkung von hohen Temperaturen auf die Spritzmasse zu vermeiden und die darüber hinaus ermöglichen, die verschiedenen Materialien in der ursprünglichen Pulverform oder in brikettierter Form zu verwenden, ohne die Notwendigkeit der zur Tablettierung führenden Arbeitsgänge. Der Hauptzweck der Erfindung ist, eben ein solches Spritzgussverfahren und eine solche Spritzgussmaschine zu schaffen.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist eine Spritzgussmaschine, die mit einer Plastifizierkammer, einer Spritzkammer, ferner mit Mitteln zum Verdrängen des Kunststoffmaterials aus der Spritzkammer durch die Spritzdüse und mit Mitteln zur Aufarbeitung des Kunststoffmaterials versehen ist, gekennzeichnet durch Mittel zum vollständigen Verdrängen einer Charge bis auf einen kleinen Rückstand aus der Plastifizierkammer in die Spritzkammer.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel der Spritzgussmaschine nach der Erfindung schematisch dargestellt ist. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Spritzgussmaschine,
Fig. 2 andeutungsweise eine Einrichtung, die notwendig ist, um der Spritzgussmaschine bestimmte und vorgeheizte Chargen der Spritzmasse zuzuführen,
Fig. 3 im grösseren Massstab einen Teilschnitt der Maschine gemäss der Fig. 1, wobei die verschiedenen Teile der Maschine die dem Ende der Plastifizierung und der Überführung der Spritzmasse in die Spritzkammer entsprechende Lage einnehmen und
Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3, wobei jedoch die verschiedenen Teile in ihrer Lage während des Spritzvorganges gezeigt sind.
Die gleichen Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Gemäss der Fig. 1 besitzt die Maschine ein Gestell 10, das die Plastifizierkammer 11 und die Spritzkammer 12 trägt.
Die Plastifizierkammer 11 und die Spritzkammer 12 sind in bezug aufeinander unter einem rechten Winkel angeordnet, und sie sind miteinander durch einen Transferblock 14 verbunden. Eine in dem Transferblock 14 montierte Spritzdüse 15 kommuniziert mit der Spritzkammer 12 und darüber hinaus natürlich mit dem Hohlraum der nicht dargestellten Spritzform, die mit Hilfe der bei 16 angedeuteten Spannvorrichtung aufgespannt wird.
Oberhalb der Plastifizierkammer 11 befindet sich ein hydraulischer Zylinder 18 mit einem doppeltwirkenden Kolben, an dessen Kolbenstange ein Vorschubkolben 19 aufgespannt ist. Der Vorschubkolben 19 greift mit einem nur sehr geringen Spiel in den erweiterten oberen Endabschnitt 20 einer Bohrung, die die eigentliche Plastifizierkammer 11 bildet.
Am unteren Ende der Plastifizierkammer 11 befindet sich eine Bohrung 21 (vgl. Fig. 3), die mit einer Bohrung 22 des Transferblockes 14 gleichachsig ist und auch den gleichen Durchmesser aufweist.
Eine Aufbereitungs- bzw. Förderschnecke 24 ist in den Bohrungen 21 und 22 drehbar angeordnet. Die Schnecke 24 besitzt einen Schneckengang 25, mit dessen Hilfe die Schnecke bei der Aufbereitung und Weiterbeförderung der Spritzmasse in bekannter Weise arbeitet. Darüber hinaus ist die Schnecke mit einem glatten Schaft 26 versehen, welcher in der Bohrung 22 mit enger Fassung verschoben werden kann, und dabei in dieser Bohrung einen flüssigkeitsdichten Verschluss bildet, um das Austreten der Spritzmasse aus dem Transferblock 14 durch die Bohrung 22 zu verhindern.
Das untere Ende des Schaftes 26 ist in einer Spindel 28 verschiebbar geführt, welche ihrerseits am Gestell 10 mit Hilfe eines in axialer und zugleich in radialer Richtung wirksamen Kegelrollenlagers 29 drehbar gelagert ist. In einer Keilnut des Schaftes 26 befindet sich ein Keil 30, welcher den Schaft 26 und die Spindel 28 miteinander drehfest verbindet, ohne jedoch eine axiale Relativbewegung dieser beiden Teile zu hindern. Der Antrieb zur Drehung der Schnecke 24 umfasst (siehe Fig. 1) einen umsteuerbaren Antriebsmotor 31, ein Geschwindigkeitswechselgetriebe 32, ein Reduktionsgetriebe 34 und einen Mehrfach-Keilriementrieb, welcher die Riemenscheibe 36 am Reduktionsgetriebe 34 mit einer Riemenscheibe 38 verbindet, die ihrerseits am unteren Ende der Spindel 28 aufgekeilt ist.
Zum Zuführen des pulverförmigen Spritzmaterials aus einer einem Trockenbehälter 42 nachgeschalteten Dosiervorrichtung 41 zu einer dielektrischen Vorheizvorrichtung 44 ist ein endloses Förderband-39 (vgl. Fig. 2) mit Bechern 40 vorgesehen.
Eine an einem Ende des Förderbandes 39 angeordnete Rutsche 45 übernimmt bei Umkehrung der Becher 40 das darin enthaltene, vorgeheizte Material 46, um dasselbe in die Bohrung 20 der Plastifizierkammer 11 einzuführen.
Im folgenden wird die Funktion der beschriebenen Spritzgussmaschine näher erläutert. Zunächst wird das Förderband 39 in Bewegung gesetzt, um die Becher 40 nacheinander unter die Dosiervorrichtung 41 einzuführen. Die Dosiervorrichtung füllt jeweils eine bestimmte Menge des pulverförmigen Spritzmaterials aus dem Trockenbehälter 42 in die Becher 40 ab. Bei diesen Behältern handelt es sich ausgesprochen um einen Trockenbehälter, welcher vorzugsweise mit Mitteln zur Umwälzung von Heissluft durch das darin enthaltene pulverförmige Material ausgerüstet ist. Dies dient zweierlei Zwecken.
Die heisse Luft enffernt die Feuchtigkeit aus dem pulverförmigen Spritzmaterial und verhindert dadurch Feuchtigkeitseinschlüsse im Fertigprodukt, was sonst zum Ausschuss führen würde. Darüber hinaus erfolgt ein gewisses Aufheizen des pulverförmigen Materials, das dadurch bereits beim Eintreten in die dielektrische Heizvorrichtung eine erhöhte Temperatur aufweist. Dies ist mit Rücksicht auf das Verhalten der Kunststoffspritzmaterialien gegenüber dem dielektrischen Heizen sehr erwünscht. Wenn ein Kunststoffspritzmaterial der Wirkung eines dielektrischen Feldes konstanter Stärke ausgesetzt wird, steigt nämlich die Temperatur des Materials mit der Zeit nicht linear. Bei den meisten herkömmlichen Spritzmaterialien besteht nämlich die Tendenz zur gleichmässigen, jedoch langsamen Erhöhung der Temperatur, bis eine bestimmte Temperatur erreicht wird.
Wenn diese Temperatur erreicht wurde, beginnt die Temperatur des Materials wesentlich stärker anzusteigen, selbst dann, wenn die Heizleistung der Heizvorrichtung konstant bleibt. Tatsächlich steigt die Temperatur bei vielen Materialien derart stark, dass Vorkehrungen getroffen werden müssen, um die Heizleistung zu reduzieren und dadurch das Verkohlen oder Verbrennen des Spritzmaterials zu verhüten. Dies kann vorzugsweise mit einer Temperaturfühlvorrichtung erreicht werden, die das Entfernen der zur Erzeugung des dielektrischen Feldes dienenden Platten bewirkt, wenn die Temperatur der Spritzmasse den entsprechenden Betrag erreicht. Das Einfüllen von Wärme in das Spritzmaterial innerhalb des Trockenbehälters 42 ist daher von solchem Ausmass, dass das Spritzmaterial beim Einfüllen in die Heizvorrichtung 44 bereits die genannte Temperatur aufweist.
Das in den Bechern 40 in die Heizvorrichtung 44 eingefüllte Spritzmaterial wird der Wirkung eines dielektrischen Feldes ausgesetzt und dabei auf eine für das betreffende Material geeignete Temperatur aufgeheizt. Wird ein Material der Wirkung einer hochfrequenten dielektrischen Heizung ausgesetzt, so erfolgt das Aufheizen aller Materialteilchen gleichzeitig. In der Praxis jedoch erwärmen sich die mehr aussen liegenden Teilchen nur langsamer, da sie mit dem Behälter oder mit der Umgebungsluft, welche selber auf das dielektrische Feld nicht ansprechen, in Berührung stehen. Damit wird das Innere einer Charge mehr aufgeheizt als das äussere. Diese Erscheinung wird bei der hier behandelten Maschine mit Vorteil ausgenützt.
Die Wärmezuführung wird für ein jedes Spritzmaterial so reguliert, dass das Innere einer jeden sich in einem Becher 40 befindenden Charge bereits plastisch ist, während das äussere, obwohl aufgeheizt, unterhalb der für die Plastifizierung kritischen Temperatur bleibt. Bei jeder Charge, die aus der Heizvorrichtung 44 austritt, handelt es sich dabei um eine flüssige Kunststoffmasse, die von einer dünnen Hülle aus noch nicht plastifiziertem Material umgeben ist, welche Hülle somit als eine Art Behälter dient und die flüssige Masse aufnimmt. Bei Umkehren der Becher 45 fallen die mit 46 bezeichneten Materialklumpen in die Rutsche 45, um durch diese in die Plastifizierkammer 11 abzurollen.
Da das in die Plastifizierkammer 11 gelangende Kunststoffmaterial 46 sich teilweise in einem starren, d. h. unplastifizierten Zustand, befindet, ist es notwendig, dieses Material zusätzlich aufzuarbeiten und dabei die gesamte Charge in den für das Spritzen erforderlichen plastifizierten Zustand überzuführen. Zu diesem Zwecke wird der Presskolben 19 mit Hilfe des Zylinders 18 in die Bohrung 20 eingeführt und gleichzeitig die Schnecke 24 mit Hilfe des Antriebsmotors 31 in Drehung versetzt. Der in die Bohrung 20 eindringende Presskolben 19 übt auf die Spritzmasse 46 einen Druck aus und ergänzt die Wirkung der Schnecke 24, wobei es sich im Grunde genommen um eine Vorrichtung mit vollständiger Verdrängung handelt.
Im Zusammenhang mit bekannten Förderschnecken, bei welchen ein beträchtlicher Schlupf auftritt, kann dies nicht behauptet werden, dagegen ergibt der Presskolben 19 zusammen mit der Schnecke 24 die Wirkung einer Vorrichtung mit vollständiger Verdrängung. Das plastifizierte Material 46 fliesst entlang der Schnecke 24 und geführt vom Schneckengang 25, bis es das Ende des Schneckenganges 25 in der Nähe des Schaftes 26 erreicht. Von hier fliesst das Material in die Spritzkammer 12 und bewegt den Spritzkolben 48 nach rechts, wie dies in der Fig. 1 angedeutet ist. Der Spritzkolben 48 ist am freien Ende der Kolbenstange eines in einem hydraulischen Zylinder 49 geführten Kolbens montiert. Mit Hilfe dieses Zylinders 49 wird auf das Material 46 in regelbarer Weise ein Druck ausgeübt, um dasselbe nach dem Füllen der Spritzkammer zu verdichten.
Der Presskolben 19 ist mit einem Ansatz 50 in der Form eines Kegelstumpfes versehen, welcher mit seinem Profil dem sich konisch verjüngenden unteren Endbereich der Bohrung 20 angepasst ist. Der Presskolben 19 dringt in der Bohrung so weit vor, bis der Ansatz 50 das obere Ende der Schnecke 24 erreicht, um dabei die Plastifizierkammer 11 vollständig zu entleeren. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die ganze Charge innerhalb der Spritzkammer 12 mit Ausnahme freilich des dünnen Bandes, welches sich schraubenförmig durch den Förderkanal der Schnecke 24 erstreckt. Ausserdem befindet sich zu diesem Zeitpunkt die ganze Charge zufolge der bei der Aufarbeitung mittels des Presskolbens 19 bzw. der Schnecke 24 erzeugten Reibungswärme in einem plastifizierten Zustand. Damit kann die Charge nunmehr in die Spritzform eingespritzt werden.
Um dies zu bewirken, wird ein hydraulischer Zylinder 51 unter Druck gesetzt, wodurch sich die Kolbenstange 52 des in diesem Zylinder geführten Kolbens durch eine Bohrung 53 der Spindel 28 nach oben bewegt, bis sie am unteren Ende des Schaftes 26 der Schnecke 24 zum Anliegen kommt. Bei der Weiterbewegung der Kolbenstange wird die Schnecke in den Bohrungen 21 und 22 verschoben. Der Arbeitshub des Zylinders 51 ist so eingestellt, dass ein abgesetzter Abschnitt 54 des Schaftes 26 am Ende der Verschiebung der Schnecke 24 die in der Fig. 4 dargestellte Lage einnimmt. In dieser Lage der Schnecke bildet der abgesetzte Abschnitt 54 in der Bohrung 22 einen Durchlass, welcher die Spritzkammer 12 mit dem Spritzkanal 55 der Spritzdüse 15 verbindet. Nun wird der Spritzkolben 48 mit Hilfe des Zylinders 49 nach links bewegt, wie in der Zeichnung dargestellt.
Diese Bewegung des Spritzkolbens verdrängt die Charge 46 aus der Spritzkammer 12 um den abgesetzten Abschnitt 54 herum durch den Spritzkanal 55 in die nicht dargestellte Spritzform, die durch die Aufspannvorrichtung 16 gehalten ist. Die nach links gerichtete Bewegung des Spritzkolbens 48 dauert so lange an, bis ein kegelstumpfförmiger Ansatz 56 desselben in den entsprechend geformten Endbereich der Spritzkammer vorgedrungen ist, um diese vollständig zu leeren. Sodann werden die hydraulischen Zylinder 18, 49 und 51 im umgekehrten Sinne betätigt, um den Presskolben 19 und den Spritzkoiben 48 sowie die Schnecke 24 in ihre Ausgangslage gemäss der Fig. 1 zurückzuführen und dabei einen Arbeitszyklus zu beenden. Ein weiterer Arbeitszyklus kann in der beschriebenen Art und Weise erfolgen.
Im Sinne des Vorstehenden ist es klar, dass das beschriebene Verfahren bzw. die erläuterte Einrich- tung Vorteile bieten, die bisher unbekannt waren.
Einige der wesentlichsten Vorteile seien nachfolgend noch besonders erwähnt. Durch die Verwendung einer dielektrischen Heizvorrichtung 44 im Zusammenhang mit der Spritzmaschine ist es möglich, der Charge vorgängig des Einfüllens desselben in die Plastifizierkammer eine beträchtliche Wärmemenge zuzuführen, dies dank der durch das dielektrische Aufheizen erzeugten Umhüllung. Diese Umhüllung erleichtert sehr stark die Handhabung der Chargen, da sich diese nicht mehr im flüssigen oder halbflüssigen Zustand befinden.
Mit Hilfe eines umsteuerbaren Antriebsmotors 31 und eines Geschwindigkeitswechselgetrietes 32 kann die Schnecke 24 in beiden Richtungen gedreht werden, um in bezug auf den Presskolben 19 gleichsinnig oder gegensinnig zu wirken. Nach einer dritten Möglichkeit kann die Schecke 24 im Stillstand verbleiben, wobei die Spritzmasse 46 durch den Kanal der stillstehenden Schnecke lediglich mit Hilfe des Presskolbens 19 in die Spritzkammer verdrängt wird.
Diese vielseitige Anordnung gestattet, die Zuführung der Reibungswärme zu der Spritzmasse innerhalb von weiten Grenzen zu verändern, indem das Material stärker aufbereitet wird, wenn die Schnecke 24 bestrebt ist, die Charge in Richtung auf die Plastifizierkammer 11 und dabei entgegen der Wirkung des Presskolbens zu fördern, und weniger, wenn die Schnecke sich in umgekehrter Richtung dreht und dabei die Wirkung des Presskolbens 19 ergänzt.
Da der Presskolben 19 bzw. der Spritzkolben 48 die Kammer 11 bzw. die Kammer 12 bei jedem Arbeitsgang vollständig entleeren, verlässt eine am Anfang eines Arbeitsganges in die Maschine eintretende Charge dieselbe am Ende des gleichen Arbeitsganges, wobei in der Maschine stets nur sehr wenig Material verbleibt, und selbst dieser Rückstand wird bereits im nächsten Arbeitsgang die Maschine verlassen können. Das Umstellen der Maschine auf eine andere Farbe oder auf ein anderes Material wird dabei mit minimalem Materialverlust ermöglicht. Entsprechend dieser praktisch kompletten Entleerung der Maschine bei jedem Arbeitsgang wird das Spritzmaterial nicht längere Zeit erhöhten Temperaturen ausgesetzt.
Diese günstige Wärmebehandlung des Materials schliesst die Möglichkeit der durch die Einwirkung von höheren Temperaturen während längerer Zeit verursachten Zersetzung aus und ermöglicht einen besseren Materialfluss durch die Maschine.
Aus dem gleichen Grunde ermöglicht die Maschine die Verarbeitung eines bestimmten Materials bei einer höheren Temperatur, als dies mit einer herkömmlichen Maschine möglich ist. Diese Möglichkeit schliesst zahlreiche Vorteile in sich. Die höhere Temperatur resultiert - um nur ein Beispiel zu nennen - in einer niedrigen Viskosität und gestattet, mit niedrigeren Spritzdrücken zu arbeiten, was bei gleichbleibendem Aufspanndruck zur Erhöhung der Projektionsfläche des Formhohlraumes in der Richtung des Aufspanndruckes führt. Dank der niedrigen Viskosität befindet sich das Spritzmaterial bis zum vollständigen Ausfüllen des Formhohlraumes in einem dünnflüssigen Zustand, so dass das Fertigprodukt in höherem Masse spannungsfrei sein wird.
Tatsächlich bietet also die beschriebene Spritzgussmaschine gegenüber den bekannten Maschinen zahlreiche, bisher nicht erreichte Vorteile.
Die vorstehenden Erläuterungen sollen die Erfindung keinesfalls auf den Umfang der erläuterten Beispiele beschränken. Der Fachmann ist ohne Zweifel im Stande, zahlreiche Modifikationen vorzunehmen, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.