Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Kunststoffschmelze Process and device for the treatment of plastic melt
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Schmelze mittels einer Einspritzschnecke und einem beheizten Zylinder sowie schussweiser Überführung der Schmelze über einen Zylinderkopf und eine vorzugsweise verschliessbare Spritzdüse in die Kavität einer Spritzform. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Aufbereiten von Kunststoffschmelze mittels einer Einspritzschnecke mit beheiztem Zylinder sowie Überführung der Schmelze über einen Zylinderkopf und eine vorzugsweise verschliessbare Spritzdüse in eine Spritzgiessform.The invention relates to a method for the treatment of melt by means of an injection screw and a heated cylinder and shot-wise transfer of the melt via a cylinder head and a preferably closable spray nozzle in the cavity of an injection mold. The invention further relates to a device for processing plastic melt by means of an injection screw with a heated cylinder and transfer of the melt via a cylinder head and a preferably closable spray nozzle in an injection mold.
Stand der TechnikState of the art
Beim Spritzgiessen von Kunststoffteilen wird in der Regel das Rohmaterial in einem beheizten Zylinder mittels einer Einspritzschnecke als flüssige Schmelze aufbereitet und zyklisch bzw. schussweise der Spritzgiessform zugeführt. Die Zykluszeit hängt von vielen Faktoren ab. Zwei der zentralen Faktoren sind die Schmelzetemperatur sowie die notwendige Zeit für die Abkühlung der gegossenen Form bis zu einer genügenden Festigkeit für die Entnahme der Teile aus der Spritzgiessform. Aus der Sicht der Produktivität ist es vorteilhaft, die Schmelzetemperatur nicht zu stark zu erhöhen, um den Kühlaufwand in Grenzen zu halten. In den meisten Fällen wird ein Optimum in Bezug auf Schmelzefliesseigenschaften, Temperatur und Schmelzequalität gesucht, um die Schmelze in die Kavität zu füllen. Beim klassischen Spritzgiessen wird die Schmelze auf eine Temperatur von 20O0C - 450 0C erhitzt. Für die Herstellung von optischen Datenträgern, beispielsweise von CD's, werden als Rohmaterial Polycarbonate eingesetzt. Das Charakteristische bei der Herstellung von CD's ist die extrem kurze Zykluszeit von etwa 2 - 3 Sekunden. Bei CD's wird eine höchste Qualität der Oberfläche gefordert. Diese wird in einem speziellen Prägeschritt erzeugt und die gewünschte Information in vielen Fällen direkt eingeprägt. Um die für einen Laien unvorstellbare Dichte der aufgeprägten Informationen zu erhalten, werden an die Qualität der Schmelze höchste Anforderungen gestellt. Die jüngste Praxis hat gezeigt, dass in Bezug auf das Spritzgiessen von optischen Datenträgern auf der
Basis von Polycarbonat höhere Schmelzetemperaturen bis 35O0C grosse Vorteile bringen. Untersuchungen haben ergeben, dass beste Oberflächenqualitäten nahe an der thermischen Belastungsgrenze erreicht werden. Diese liegt beispielsweise bei Polycarbonat im Bereich gegen 4000C. Sehr wichtig ist, dass die Schmelze während der Aufbereitung und der Überführung in die Giessform einheitlich ist und örtliche Temperaturabweichungen unter 30C liegen sollen. Gemäss Untersuchungen beim Hersteller des Polycarbonatrohmaterials findet in der Schmelze nach zwei Stunden bei 4000C bereits ein substantieller Materialabbau statt. Im Rahmen des Spritzgiessprozesses mit den entsprechenden Verweilzeiten hat sich gemäss der jüngsten Praxisversuche eine oberste Belastungsgrenze von etwa 37O0C ergeben. Mit 35O0C bis 37O0C konnten zwar beste Spritzgiessqualitäten in Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit erreicht werden, allerdings mit dem Nachteil, dass in diesem Temperaturbereich in den fertigen CD's Einschlüsse von abgebautem Material feststellbar sind, welche eine unannehmbare Qualitätseinbusse darstellen und das fertige Spritzgiessteil zum Ausschuss machen.In the injection molding of plastic parts, the raw material in a heated cylinder is usually treated by means of an injection screw as a liquid melt and cyclically or shot fed to the injection mold. The cycle time depends on many factors. Two of the key factors are the melt temperature and the time required to cool the cast mold to sufficient strength to remove the parts from the injection mold. From the point of view of productivity, it is advantageous not to increase the melt temperature too much in order to limit the cooling effort. In most cases, an optimum in terms of melt flow properties, temperature and melt quality is sought to fill the melt into the cavity. In conventional injection molding, the melt is heated to a temperature of 20O 0 C - 450 0 C. For the production of optical data carriers, for example CDs, polycarbonates are used as the raw material. The characteristic in the production of CD's is the extremely short cycle time of about 2 - 3 seconds. CD's demand the highest quality surface. This is generated in a special embossing step and the desired information is imprinted directly in many cases. In order to obtain the unimaginable density of the impressed information for a layman, highest demands are placed on the quality of the melt. Recent practice has shown that with respect to the injection molding of optical discs on the Based on polycarbonate higher melt temperatures up to 35O 0 C bring great benefits. Investigations have shown that best surface qualities are achieved close to the thermal load limit. This is for example polycarbonate in the range up to 400 0 C. It is very important that the melt during the processing and the transfer is uniform in the casting mold and to local temperature variations are below 3 0 C. According to investigations by the manufacturer of the polycarbonate raw material, a substantial material degradation already takes place in the melt after two hours at 400 ° C. As part of the injection molding process with the corresponding residence times, according to the most recent practical tests, an upper limit of about 37O 0 C has been found. With 35O 0 C to 37O 0 C Although best injection molding qualities in terms of surface finish could be achieved, but with the disadvantage that in this temperature range in the finished CD's inclusions of degraded material are detectable, which represent an unacceptable loss of quality and the finished injection molding for Make committee.
Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, Mittel und Wege zu suchen, um mit hohen und höchsten Schmelzetemperaturen maximale Qualitäten für die fertigen Spritzgiessprodukte, insbesondere für optische Datenträger, zu erhalten.The invention has now been set the task of finding ways and means to obtain high and highest melt temperatures maximum qualities for the finished injection molded products, especially for optical media.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Schuss alle Stellen der vom Schmelzefluss berührten Oberflächen des Zylinderkopfes sowie der Spritzdüse wenigstens kurzzeitig durch Erzeugung einer hinreichend hohen Schergeschwindigkeit der Schmelze gespült werden.The method according to the invention is characterized in that, for each shot, all points of the surfaces of the cylinder head contacted by the melt flow and of the spray nozzle are rinsed at least briefly by generating a sufficiently high shear rate of the melt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzekanal vom Zylinder bis zum Ringspalt der Düsenverschlussnadel möglichst totvolumenfrei ausgebildet ist.The inventive device is characterized in that the melt channel from the cylinder to the annular gap of the nozzle closure needle is formed as dead volume as possible.
Systematische Untersuchungen mit Lösungen des Standes der Technik zeigten, dass an jeder Stelle der Schmelzeaufbereitung und der Schmelzeüberführung in die Giessform die vom Hersteller geforderte maximale örtliche Temperaturabweichung von beispielsweise 30C nicht überschritten wurde. Trotzdem fand bei höchsten Schmelzetemperaturen ein ausgeprägter Materialabbau statt. Es traten im Zylinderkopf sowie an der Spritzdüse ausgeprägte Verkrustungen an einzelnen Stellen der Oberfläche auf. Wiederholte Versuche mit Lösungen des Standes der Technik
zeigten, dass es sich nur um die zwei Stellen mit starken Querschnittserweiterungen handelt.Systematic investigations with solutions of the prior art showed that the required manufacturer's maximum local temperature difference has not been exceeded, for example, 3 0 C at any point in the melt preparation of the melt and transfer into the mold. Nevertheless, a pronounced material degradation took place at highest melt temperatures. There were pronounced encrustations in individual areas of the surface in the cylinder head and at the spray nozzle. Repeated experiments with solutions of the prior art showed that these are only the two sites with strong cross-sectional extensions.
Interessant war ferner die Beobachtung mit den Lösungen des Standes der Technik, dass über die gesamte Länge der Einspritzschnecke, mit Einschluss des Bereiches der Schneckenspitze, keinerlei Ablagerungen von abgebautem Material, weder an dem beheizten Zylinder noch an der Einspritzschnecke, feststellbar waren. Nach dem momentanen Kenntnisstand ist dies auf die folgenden Faktoren zurückzuführen: Im Bereich der Einspritzschnecke wird durch die mechanische Bewegung der Schnecke eine hohe Schergeschwindigkeit erzeugt und danach jegliches Anhaften von Schmelze verhindert. Die Verweilzeit im Bereich der Einspritzschnecke liegt zudem noch innerhalb der zulässigen zeitlichen Grenze, in der noch kein Materialabbau stattfindet. Die Grundforderung der neuen Erfindung liegt nun darin, dass die aufbereitete Schmelze durchgehend mit hoher Schergeschwindigkeit von dem beheizten Zylinder in die Giessform überführt werden muss. Vorrichtunggemäss bedeutet dies, dass bei hohen Schmelzetemperaturen der Schmelzekanal von der Zylinderspitze bis zum Ringspalt der Düsenverschlussnadel möglichst totvolumentfrei ausgebildet sein sollte. Für eine gute Spülwirkung genügt es, wenn wenigstens einmal pro Schuss kurzzeitig eine intensive Spülung aller vom Schmelzefluss berührten inneren Oberflächen durchgeführt wird. Ein wichtiges Ziel der neuen Lösung liegt darin, dass die Wandströmung zumindest ein Mal pro Schuss kurzzeitig möglichst hoch ist.It was also interesting to observe with the prior art solutions that over the entire length of the injection screw, including the area of the screw tip, no deposits of degraded material, either on the heated cylinder or on the injection screw, were detectable. Based on the current state of knowledge, this is due to the following factors: In the area of the injection screw, the mechanical movement of the screw produces a high shear rate and thereafter prevents any adhesion of melt. The residence time in the area of the injection screw is still within the permissible time limit, in which there is still no material degradation. The basic requirement of the new invention lies in the fact that the processed melt must be continuously transferred from the heated cylinder into the casting mold at a high shear rate. According to the device, this means that at high melt temperatures, the melt channel from the cylinder tip to the annular gap of the nozzle closure needle should be designed as free of dead volume as possible. For a good rinsing effect it is sufficient if at least once per shot an intensive rinsing of all of the melt flow touched inner surfaces is performed. An important goal of the new solution is that the wall flow is at least once per shot as high as possible for a short time.
Daraus folgt, dass die Spülwirkung in dem Bereich des Zylinderausganges und in dem Bereich danach zwar mit dem selben Grundgedanken der zumindest kurzzeitig hohen Schergeschwindigkeit, jedoch baulich mit unterschiedlichen Mitteln erreicht werden muss. Während der Dosierung wird im Einspritzschneckenvorraum die für einen Schuss erforderliche Schmelzemenge vorbereitet. Während dem Dosiervorgang findet im Einspritzschneckenvorraum keine Bewegung statt. Es wird gleichsam ein grosser "Totraum" geschaffen. Beim Einspritzen wird die vorbereitete Schmelzemenge mit beachtlicher Geschwindigkeit in Richtung Spritzdüse durch die lineare Bewegung der Einspritzschnecke nach vorne bewegt. Ein wichtiger Punkt liegt hier darin, dass am Ende des Dosiervorganges nur ein kleiner Rest verbleibt, so dass zwischen der Schneckenspitze und einer angepassten Form des Zylinderausganges ein möglichst kleiner Spalt entsteht. Durch eine besondere Ausgestaltung der Schneckenspitze sowie des Zylinderausganges kann mit Unterstützung der mechanisch bewegten Schneckenspitze im Zylinderausgang eine intensive Spülung nach dem Einspritzen
- A -It follows that the purging action in the region of the cylinder outlet and in the region thereafter must indeed be achieved with the same basic idea of the at least temporarily high shear rate, but structurally with different means. During dosing, the amount of melt required for a shot is prepared in the injection screw antechamber. During the dosing process, no movement takes place in the injection screw antechamber. It is created as it were a big "dead space". During injection, the prepared quantity of melt is moved forward at a considerable speed in the direction of the spray nozzle by the linear movement of the injection screw. An important point here is that at the end of the dosing process only a small residue remains, so that between the screw tip and an adapted shape of the cylinder outlet the smallest possible gap. Due to a special design of the screw tip as well as the cylinder outlet can with support of the mechanically moved screw tip in the cylinder outlet an intensive flushing after injection - A -
und beim Beginn des Dosierens der betreffenden wandnahen Bereiche vorgenommen werden.and at the beginning of dosing the respective wall-related areas.
Im Zentrum steht die neue Erkenntnis, dass im Bereich des Zylinderausganges eine mechanische Bewegung der Schneckenspitze in Wandnähe ausgeführt und danach mit grossen Strömungsgeschwindigkeiten eine optimale Spϋlwirkung erreicht wird, welche jedwelches Ablagern von heisser Schmelze verhindert. Ablagerungen bedeuten eine Vervielfachung der Verweilzeit für das abgelagerte Material. Die Versuche zeigten auf, dass von dem abgelagerten Material in grosser Unregelmässigkeit kleinste "Fetzen" mit dem Schmelzestrom mitgerissen werden. In der Folge treten diese Einschlüsse in der Form von bereits abgebautem Material in dem fertigen Spritzgiessteil auf und machen dieses unbrauchbar.The focus is on the new knowledge that in the area of the cylinder outlet, a mechanical movement of the screw tip near the wall is carried out and then, with high flow velocities, an optimum effect is achieved which prevents any deposition of hot melt. Deposits mean a multiplication of the residence time for the deposited material. The experiments showed that of the deposited material in great irregularity smallest "shreds" are entrained with the melt stream. As a result, these inclusions in the form of already degraded material in the finished injection-molded part occur and render it useless.
Gemäss einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Überführung der Schmelze vom Zylinderausgang bis zur Spritzdüse während der Einspritzphase durchgehend mit hoher Schergeschwindigkeit des Schmelzeflusses. Es wird hierbei unterschieden zwischen der Schmelze in dem beheizten Zylinder und dem Schmelzeweg nach dem Zylinderausgang. Sobald die Schmelze den Zylinderausgang verlassen hat, gibt es im Schmelzefluss keine bewegten Teile mehr. Also kann nur noch mit hoher Schergeschwindigkeit die notwendige Spülwirkung erreicht werden.According to a particularly advantageous embodiment, the transfer of the melt from the cylinder outlet to the spray nozzle during the injection phase is carried out continuously with high shear rate of the melt flow. In this case, a distinction is made between the melt in the heated cylinder and the melt path after the cylinder outlet. As soon as the melt has left the cylinder outlet, there are no moving parts in the melt flow. So only with high shear rate the necessary rinsing effect can be achieved.
Bevorzugt wird die Schmelze unter Vermeidung von örtlich erhöhten Verweilzeiten von dem Zylinderausgang über geknickte Torpedobohrungen in den Ringspalt der Düsenverschlussnadel geführt. Die Schmelzegeschwindigkeit wird im Übergangsbereich von den Torpedobohrungen bis in den Ringspalt der Düsenverschlussnadel so gewählt, dass die Schergeschwindigkeit in Wandnähe nicht absinkt. Die Schmelzegeschwindigkeit kann im Übergangsbereich beispielsweise um wenigstens 30% erhöht werden. Durch die Wahl einer Vielzahl von beispielsweise sechs Torpedobohrungen entsteht aus der Summe der Teilquerschnitte ein grosserer Querschnitt. Durch die relativ kleinen Durchmesser ist die Schergeschwindigkeit in Wandnähe sehr hoch, als mittlere Strömungsgeschwindigkeit wird 1 - 2 m/sec. angestrebt und eine Schergeschwindigkeit von grösser 200, bevorzugt 500 bis 1000 m/min, und mehr.Preferably, the melt is guided while avoiding locally increased residence times from the cylinder outlet via kinked torpedo bores into the annular gap of the nozzle closure needle. The melt rate is selected in the transition region from the torpedo bores to the annular gap of the nozzle closure needle so that the shear rate does not fall near the wall. The melt rate can be increased in the transition region, for example by at least 30%. By choosing a large number of, for example, six torpedo bores, the sum of the partial cross sections results in a larger cross section. Due to the relatively small diameter, the shear rate near the wall is very high, as the average flow velocity is 1 - 2 m / sec. aimed and a shear rate of greater than 200, preferably 500 to 1000 m / min, and more.
Bei den bisherigen Versuchen mit der neuen Erfindung wurde als Rohstoff Polycarbonat verarbeitet und die Schmelze auf eine Temperatur von über 35O0C erhitzt für die Herstellung von optischen Datenträgern, wie beispielsweise CD's.
Die neue Erfindung gestattet eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Ausgestaltungen, wozu auf die Ansprüche 2 bis 8 sowie 10 bis 21 Bezug genommen wird. Die bisherigen Versuche wurden mit dem Rohstoff Polycarbonat durchgeführt, wobei die Schmelze auf eine Temperatur von über 35O0C erhitzt wurde. Die neue Lösung ist jedoch nicht auf Polycarbonat beschränkt sondern kann überall angewendet werden, wo eine möglichst kurze Verweilzeit der Schmelze im Zylinderkopf und in der Spritzdüse vorteilhaft ist.In the previous experiments with the new invention was processed as a raw polycarbonate and the melt heated to a temperature of about 35O 0 C for the production of optical data carriers, such as CD's. The new invention allows a number of particularly advantageous embodiments, to which reference is made to the claims 2 to 8 and 10 to 21. The previous experiments were carried out with the raw material polycarbonate, wherein the melt was heated to a temperature of about 35O 0 C. However, the new solution is not limited to polycarbonate but can be used anywhere where the shortest possible residence time of the melt in the cylinder head and in the spray nozzle is advantageous.
Gemäss einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Schmelze unter Vermeidung von örtlich erhöhten Verweilzeiten vom Zylinderausgang über Torpedobohrungen in den Ringspalt der Düsenverschlussnadel geführt wird. Der Übergang des Schmelzekanales am Zylinderausgang in die Torpedobohrungen weist eine kurze zylindrische Verengung auf. Die Torpedobohrungen werden im Eintrittsbereich in die Düsenspitze in eine Ringspaltströmung überführt. Die Torpedobohrungen werden nahe dem Ringspalt in Richtung der Düsenverschlussnadel stetig in den Ringspalt überführt. Der Zylinderausgang weist ähnliche Querschnitt auf. Die Querschnitte orientieren sich an dem im Stand der Technik bekannten kleinsten Fliessquerschnitt. Die geknickten Torpedobohrungen bestehen aus zwei Gruppen von nach aussen geknickten und symmetrisch angeordneten Bohrungen, welche in einem spitzen Winkel auseinander- und wieder zufammengeführt und stetig in den Ringspalt um die Düsenverschlussnadel überführt werden. Bevorzugt entspricht die freie Durchströmfläche des Zylinderstückes A im Verhältnis 0,7 - 2 der Summe der Torpedobohrungen B.According to a particularly advantageous embodiment of the method, it is proposed that the melt, while avoiding locally increased residence times, be guided from the cylinder outlet via torpedo bores into the annular gap of the nozzle closure needle. The transition of the melt channel at the cylinder outlet in the torpedo bores has a short cylindrical constriction. The torpedo bores are transferred in the inlet area into the nozzle tip into an annular gap flow. The torpedo bores are continuously transferred into the annular gap near the annular gap in the direction of the nozzle closure needle. The cylinder outlet has a similar cross section. The cross sections are based on the smallest flow cross section known in the prior art. The kinked torpedo bores consist of two groups of outwardly bent and symmetrically arranged bores, which are separated and fed together at an acute angle and continuously transferred into the annular gap around the nozzle closure needle. Preferably, the free flow area of the cylinder piece A in the ratio 0.7 to 2 corresponds to the sum of the torpedo bores B.
Der Übergang von Torpedobohrungen ist kleiner als der Ringspalt bei Beginn der Düsenverschlussnadel und ergibt eine Beschleunigung der Schmelzeströmung in Richtung der Düsenverschlussnadel.The transition of torpedo bores is smaller than the annular gap at the beginning of the nozzle closure needle and results in an acceleration of the melt flow in the direction of the nozzle closure needle.
Ganz besonders bevorzugt werden die Torpedobohrungen aus zwei Gruppen von nach aussen geknickten und symmetrisch angeordneten Bohrungen ausgebildet. Die so geführten Torpedobohrungen ergeben genügend freien Raum für die mechanischen Teile für die Düsenverschlussnadel, ohne Beeinträchtigung des Fliessweges der Schmelze. Daraus ergibt sich eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung, indem der Zylinderkopf vom Zylinderausgang bis zur Spritzdüse eine Baugruppe bildet, welche eine ringspaltartige Eintrittsöffnung sowie eine ringspaltartige Austrittsöffnung aufweist.
Die Düsenverschlussnadel und die Eingriffsstelle für die Verschlussnadel mit einem Betätigungshebel sind in der Fortsetzung der Einspritzschneckenachse und des Betätigungshebels zwischen den zwei Gruppen der Torpedobohrungen im Bereich der Knickstellen der Bohrungen angeordnet. Bevorzugt wird der Fliessquerschnitt zwischen der Zylinderspitze und der Düsenverschlussnadel etwa konstant ausgebildet, wobei insbesondere die Übergänge zwischen den Torpedobohrungen und den beiden Ringquerschnitten mit konstanten Fliessquerschnitten ausgebildet sind.Most preferably, the torpedo bores are formed from two groups of outwardly bent and symmetrically arranged bores. The torpedo bores thus guided give sufficient free space for the mechanical parts for the nozzle closure needle, without affecting the flow path of the melt. This results in a very advantageous embodiment in that the cylinder head from the cylinder outlet to the spray nozzle forms an assembly which has an annular gap-like inlet opening and an annular gap-like outlet opening. The nozzle lock needle and the engagement point for the valve needle with an actuating lever are arranged in the continuation of the injection screw axis and the actuating lever between the two groups of torpedo bores in the region of the kinks of the bores. Preferably, the flow cross section between the cylinder tip and the nozzle closure needle is made approximately constant, wherein in particular the transitions between the torpedo bores and the two annular cross sections are formed with constant flow cross sections.
Mit der neuen Erfindung wird über den ganzen Schmelzefliessweg während jedem Schuss zumindest zeitweise eine kanalartige Strömung mit hoher Schergeschwindig¬ keit erzeugt.With the new invention, a channel-like flow with high shear speed is generated at least temporarily over the entire melt flow path during each shot.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Zylindereingang in den Zylinderausgang überführt, derart, dass die ganze Schneckenspitze in vorderster Position in den Zylinderkopf eindringt. Der Zylinderkopf entspricht mit seinen äusseren Abmessungen eintrittsseitig dem Aussenquerschnitt des beheizten Zylinders und weist austrittsseitig einen reduzierten Querschnitt entsprechend etwa dem Aussenquerschnitt des Übergangsstückes der Spritzdüse auf. Dies erlaubt, den Zylinderkopf zumindest im ersten Teil noch zu beheizen. Die Spritzdüse kann an der Austrittsseite des Zylinderkopfes eingeschraubt werden. Dabei ist der Übergang von der Austrittsöffnung des Zylinderkopfes in dem Schraubteil ringförmig ausgebildet.In a further advantageous embodiment of the cylinder inlet is transferred into the cylinder outlet, such that the entire screw tip penetrates in the frontmost position in the cylinder head. The cylinder head corresponds with its outer dimensions on the inlet side of the outer cross section of the heated cylinder and has on the outlet side a reduced cross section corresponding approximately to the outer cross section of the transition piece of the spray nozzle. This allows to heat the cylinder head at least in the first part. The spray nozzle can be screwed in on the outlet side of the cylinder head. In this case, the transition from the outlet opening of the cylinder head in the screw part is annular.
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained with reference to some embodiments with further details. Show it:
die Figur 1 a einen Zylinderkopf mit verschliessbarer Spritzdüse des Standes derFigure 1 a a cylinder head with lockable spray nozzle of the prior
Technik; die Figur 1 b einen Schnitt I der Figur 1 a; die Figur 2 die konstruktive Ausgestaltung der mechanischen Betätigung für dieTechnology; Figure 1 b is a section I of Figure 1 a; Figure 2 shows the structural design of the mechanical actuator for the
Düsenverschlussnadel; die Figur 3 ein Zwischenstück des Zylinderkopfes gemäss Figur 1 a mit erkennbaren Verkrustungen an der Innenwand; die Figur 4 eine Mikroaufnahme von Einschlüssen von abgebautem Material in einem fertigen Spritzgiessteil; die Figuren 5 und 6 eine Gegenüberstellung einer Lösung des Standes der TechnikNozzle valve pin; FIG. 3 shows an intermediate piece of the cylinder head according to FIG. 1 a with recognizable encrustations on the inner wall; FIG. 4 shows a micrograph of inclusions of degraded material in a finished injection-molded part; Figures 5 and 6 show a comparison of a solution of the prior art
(Figur 5) sowie der neuen Lösung (Figur 6); dabei sind die Figuren 5b
und 5c resp. 6b und 6c je zwei unterschiedliche perspektivische(Figure 5) and the new solution (Figure 6); Here are the figures 5b and 5c resp. 6b and 6c each two different perspective
Darstellungen; die Figur 7 ein Beispiel für einen erfindungsgemässen Spritzkopf mit Spritzdüse; die Figur 8 schematisch den Bereich einer Schneckenspitze mit dem Übergang in die Torpedobohrungen; die Figur 9 ebenfalls schematisch den Strömungsverlauf vom Zylinder bis in denrepresentations; Figure 7 shows an example of a novel spray head with spray nozzle; FIG. 8 schematically shows the area of a screw tip with the transition into the torpedo bores; FIG. 9 also schematically shows the course of the flow from the cylinder to the cylinder
Bereich der Spritzdüse.Area of the spray nozzle.
Wege und Ausführung der ErfindungWays and execution of the invention
Die Figuren 1 a und 2 zeigen einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 1 sowie eine Spritzdüse 2 des Standes der Technik. Der Zylinderkopf 1 ist am beheizten Zylinder 3 befestigt. Man erkennt innerhalb dem Zylinder 3 die Einspritzschnecke 4 mit ihrer Schneckenspitze 5 sowie die Einspritzschneckenachse 39. Der Zylinder 3 sowie ein Übergangsteil des Zylinderkopfes 1 sind mit einem Heizmantel 6 versehen. Der Zylinderkopf 1 weist auf der linken Seite, im Bereich des Betätigungsmechanismus 8, einen reduzierten äusseren Durchmesser d auf. Die Spritzdüse 2 ist über ein Aussengewinde 9 in das Vorderteil des Zylinderkopfes 1 eingeschraubt und wird über einen 6-Kant 10 bis zu einem Dichtschluss gebracht. Die Spritzdüse 2 weist eine schlanke Spitze 1 1 auf, welche in die Spritzgiessform 1 2 eindringt. Diese ist nur andeutungsweise dargestellt. In der Spritzdüse 2 erstreckt sich eine Düsenverschlussnadel 1 3 in dem Ringspalt 37 über ihre ganze Länge und ragt mit einem Bolzen 14 bis zur Kontaktstelle mit einem Betätigungshebel 1 5. Der Betätigungshebel 1 5 wird über eine Stange 28 von einem nicht dargestellten Antrieb im Takt des Einspritzvorganges aktiviert. Am gegenüberliegenden Ende der Spritzdüse 2 wird je nach Lage der Düsenverschlussnadel 1 3 die Düsenöffnung 16 geschlossen oder freigegeben für das Einspritzen der Schmelze über den Einspritzkanal in die Kavität der Spritzgiessform 1 2. Für den konstruktiven Aufbau des vorderen Teiles der Spritzeinheit ergeben sich zwei schwierige Übergangsbereiche. Der erste Bereich ist der Übergangsbereich 1 8 zwischen der Schneckenspitze 5 und den Torpedobohrungen 19. Der zweite Bereich ist der Übergang 20 von den Torpedobohrungen 19 in den Eintritt 21 der Spritzdüse 2. Der Übergangsbereich 18 ist als Zylinder 22 und der Übergang 20 als Konus 23 ausgebildet. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der Bereich des Zylinders 22 und der Bereich des Konus 23 bei zunehmender Schmelzetemperatur bei über 3000C Probleme ergeben, indem in beiden Bereichen an den entsprechenden konischen bzw. zylindrischen Wänden insbesondere am Zylinderausgang 27 nach einer gewissen Betriebszeit Ablagerungen auftreten. Im konischen Teil ist die Ablagerung an einem
ausgehärteten Pfropfen 24 als fotografische Aufnahme links oben an der Figur 1 a dargestellt. Der weisse Teil ist ausgehärtetes, einwandfreies Material. Der schwarze Teil besteht aus abgebautem, unbrauchbarem Material. Werden durch den Schmelzestrom nur geringste Partien des abgebauten Materials in den Formkavitäten mitgerissen, wird das betreffende Spritzgiessteil zum Ausschuss.Figures 1 a and 2 show a section through a cylinder head 1 and a spray nozzle 2 of the prior art. The cylinder head 1 is attached to the heated cylinder 3. It can be seen within the cylinder 3, the injection screw 4 with its screw tip 5 and the injection screw axis 39. The cylinder 3 and a transition part of the cylinder head 1 are provided with a heating mantle 6. The cylinder head 1 has on the left side, in the region of the actuating mechanism 8, a reduced outer diameter d. The spray nozzle 2 is screwed via an external thread 9 in the front part of the cylinder head 1 and is brought over a hexagon 10 to a tight fit. The spray nozzle 2 has a slender tip 1 1, which penetrates into the injection mold 1 2. This is only hinted at. In the spray nozzle 2, a nozzle closure needle 1 3 extends in the annular gap 37 over its entire length and protrudes with a pin 14 to the contact point with an actuating lever 1 5. The operating lever 1 5 is connected via a rod 28 by a drive, not shown in the clock of Injection process activated. Depending on the position of the nozzle closure needle 1 3, the nozzle opening 16 is closed or released for injecting the melt via the injection channel into the cavity of the injection mold 1 2. For the construction of the front part of the injection unit, there are two difficult transition areas , The first region is the transition region 18 between the screw tip 5 and the torpedo bores 19. The second region is the transition 20 from the torpedo bores 19 into the inlet 21 of the spray nozzle 2. The transition region 18 is in the form of a cylinder 22 and the transition 20 as a cone 23 educated. The investigations have shown that the area of the cylinder 22 and the area of the cone 23 with increasing melt temperature at over 300 0 C problems arise by deposits occur in both areas on the corresponding conical or cylindrical walls in particular at the cylinder outlet 27 after a certain period of operation , In the conical part, the deposit is at one hardened plug 24 shown as a photographic photograph in the upper left of Figure 1 a. The white part is hardened, perfect material. The black part consists of degraded, unusable material. If only the smallest parts of the mined material in the mold cavities are entrained by the melt stream, the injection molding part in question is rejected.
Die Figur 3 zeigt einen geöffneten Zylinderkopf mit Blick in Richtung Schnecken¬ spitze. Sehr interessant ist hier, dass der Bereich 25 nahe der Einspritzschnecke sauber ist, wohingegen der mittlere Bereich 26 verkrustet ist.FIG. 3 shows an opened cylinder head with a view in the direction of the worm tip. Very interesting here is that the area 25 near the injection screw is clean, whereas the central area 26 is encrusted.
Die Figur 4 ist eine Mikroaufnahme eines verkrusteten Partikels 29.FIG. 4 is a micrograph of an encrusted particle 29.
Die Figur 5a zeigt die Lösung des Standes der Technik gemäss den Figuren 1 a, 2 undFIG. 5a shows the solution of the prior art according to FIGS. 1 a, 2 and
3. Dabei sind die drei Bereiche,3. Here are the three areas
- Bereich 20 mit der konischen Innenform,Area 20 with the conical inner shape,
- Bereich 1 8 mit der zylindrischen Innenform sowie- Area 1 8 with the cylindrical inner shape as well
- Bereich der Torpedobohrungen 1 9 punktiert hervorgehoben.- Area of torpedo holes 1 9 dotted highlighted.
Die Figuren 5b und 5c zeigen die Figur 5a in unterschiedlicher perspektivischer Darstellung. Deutlich erkennbar ist, dass die Torpedobohrungen 1 9 parallel angeordnet sind.Figures 5b and 5c show the figure 5a in a different perspective view. It can clearly be seen that the torpedo bores 1 9 are arranged in parallel.
Die Figur 6a zeigt die neue Lösung im gleichen schematischen Aufbau. Der Bereich 20 mit der konischen Innenform ist vollständig ersetzt durch einen stetigen Übergang 30 von geknickten Torpedobohrungen 35 in einen ringförmigen Austrittsquerschnitt 31 . Der Bereich 1 8 mit der zylindrischen Form der Figur 5 ist bei der neuen Lösung gemäss Figur 6 ersetzt a) durch einen konischen Bereich 32 mit einer konisch verjüngten Form 33, welche etwa der äusseren Kontur der Schneckenspitze 5 folgt, b) durch einen ringförmigen Übergang 34 zu den geknickten Torpedobohrungen 35. Beide Übergänge 33 und 34 vor und nach den geknickten Torpedobohrungen 35 sind so gestaltet, dass sich eine nahezu konstante und möglichst grosse Strömungs¬ geschwindigkeit ergibt. Aus den Figuren 6b und 6c ist deutlich erkennbar, dass bei der neuen Lösung bevorzugt geknickte Torpedobohrungen 35 eingesetzt werden. Jede einzelne Bohrung hat eine nach aussen gerichtete Knickstelle 36. Dies erlaubt, die Torpedobohrungen 35 eingangsseitig und ausgangsseitig auf einen wesentlich kleineren Ringquerschnitt zusammenzuführen, ohne Verkleinerung des freien Raumes für den Verschlussmechanismus für die Düsenverschlussnadel 1 3.
Die Figur 7 zeigt stark schematisiert die neue Lösung. Ganz rechts ist andeutungs¬ weise noch der beheizte Zylinder 3 mit einem äusseren Durchmesser d.zyl. sowie einem Innendurchmesser d.sch. (für den Einspritzschneckendurchmesser) dargestellt. Deutlich sind die Konturen erkennbar mit Bezugszeichen 40 als Übergang von dem Innendurchmesser des Zylinders in die konische Form 32 bzw. in den Zylinderausgang sowie den Punkt 41 als Torpedobohrungseintritt bzw. als Übergang von der konischen Form 32 in die geknickten Torpedobohrungen 35 mit der Knickstelle 36, welche etwa auf halber Länge der geknickten Torpedobohrungen 35 liegt. Der nachfolgende Übergang ist der Torpedobohrungsaustritt 42. Entscheidend ist, dass nicht nur die Torpedobohrungen sondern auch die Übergänge kleinquerschnittig ausgebildet und keine abrupten Querschnittssprünge vorhanden sind. Der Zylinderkopf ist streng an die Funktionalität angepasst. Der Betätigungshebel ist in dem erweiterten Teil des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Das selbe gilt für die Knickstellen der Torpedobohrungen. Damit ist für den Betätigungsmechanismus für die Düsenverschlussnadel 1 3 mehr Raum geschaffen worden. Ein weiterer wichtiger Aspekt liegt darin, dass mit der neuen Lösung eine verbesserte und komfortablere Reinigung sowohl für den Zylinderkopf 1 wie auch für die Spritzdüse 2 erreicht werden konnte.Figure 6a shows the new solution in the same schematic structure. The region 20 with the conical inner shape is completely replaced by a continuous transition 30 of kinked torpedo bores 35 into an annular outlet cross section 31. The area 1 8 with the cylindrical shape of Figure 5 is replaced in the new solution according to Figure 6 a) by a conical portion 32 with a conically tapered shape 33, which follows approximately the outer contour of the screw tip 5, b) by an annular transition 34 to the kinked torpedo bores 35. Both transitions 33 and 34 before and after the kinked torpedo bores 35 are designed so that there is a nearly constant and the largest possible flow velocity. It can be clearly seen from FIGS. 6b and 6c that in the new solution, preferably bent torpedo bores 35 are used. Each bore has an outwardly directed kink 36. This allows the torpedo bores 35 on the input side and output side merge on a much smaller ring cross-section, without reducing the free space for the shutter mechanism for the nozzle closure needle 1 third FIG. 7 shows a highly schematic view of the new solution. On the right is still hinted way the heated cylinder 3 with an outer diameter d.zyl. and an inner diameter d.sch. (for the injection screw diameter). Clearly, the contours are recognizable by reference numeral 40 as a transition from the inner diameter of the cylinder in the conical shape 32 and in the cylinder outlet and the point 41 as Torpedobohrungseintritt or as a transition from the conical shape 32 in the kinked Torpedobohren 35 with the kink 36, which lies approximately halfway along the kinked torpedo bores 35. The subsequent transition is the torpedo borehole exit 42. The decisive factor is that not only the torpedo bores but also the transitions have a small cross-section and no sudden cross-sectional jumps are present. The cylinder head is strictly adapted to the functionality. The operating lever is arranged in the widened part of the cylinder head 1. The same applies to the kinks of the torpedo wells. This has been created for the actuating mechanism for the nozzle closure needle 1 3 more space. Another important aspect is that with the new solution improved and more comfortable cleaning could be achieved both for the cylinder head 1 and for the spray nozzle 2.
Die Figur 8 zeigt schematisch den Bereich der Schneckenspitze, etwa in vorderster Position in Bezug auf den Zylinder. Ein entscheidener Punkt dabei ist der Spalt "S", dem Bereich eines Austrittskonus 50 des inneren Zylinders 51 und des Zylinders 22. Die dargestellte Lösung ist typisch für eine Spritzgiessmaschine zur Herstellung von CD's. Der vorderste Teil der Einspritzschnecke 4 ist durch eine Rückstromsperre 52 gebildet, welche in dem Schmelzeteil über ein Gewinde 53 eingeschraubt ist. Die Rückstromsperre 52 besteht aus einem Schaft 54, der am hinteren Ende das Gewinde 53 und am vorderen Ende die Schneckenspitze 55 aufweist. Die Schneckenspitze 55 weist Distanzflügel 56 auf, welche im vorderen Teil formähnlich sind mit den Austrittskonus 50. Die eigentliche Spitze 57 weist eine leichte Abschrägung 58 auf, welche in vorderster Position am Ende des Einspritzens bzw. am Beginn des Dosiervorganges bis in den Übergangsbereich zwischen dem Zylinderaustritt 40 sowie dem Torpedobohrungseintritt 38 eindringt. Ein zwischen einem vorderen Anschlag 59 sowie einem vorderen Anschlag 60 frei beweglicher Rückstromsperrenring 61 sorgt je nach Lage und Bewegung der Einspritzschnecke für das Öffnen oder Schliessen der Rückstromsperre, was als bekannt vorausgesetzt wird. Aus der Figur 8 erkennt man, dass der ganze Bereich des Austrittskonus 50 durch die Bewegung der Flügel in vorderster Position der Schneckenspitze 5 besonders gut gespült wird. Die Distanzflügel 56 sorgen für ihre Nähe zu den inneren
Wandung des Austrittskonus und damit für eine hohe Schergeschwindigkeit. Die Schergeschwindigkeit definiert sich aus der Relativgeschwindigkeit von zwei bewegten Teilen (V) sowie der Distanz "S" der beiden Teile:Figure 8 shows schematically the area of the screw tip, approximately in the frontmost position with respect to the cylinder. A decisive point in this case is the gap "S", the region of an outlet cone 50 of the inner cylinder 51 and the cylinder 22. The solution shown is typical of an injection molding machine for the production of CD's. The foremost part of the injection screw 4 is formed by a return flow lock 52, which is screwed into the melting part via a thread 53. The return flow lock 52 consists of a shaft 54 which has the thread 53 at the rear end and the worm tip 55 at the front end. The tip of the screw 55 has spacer wings 56, which are similar in shape to the front cone with the exit cone 50. The actual tip 57 has a slight chamfer 58, which in the front position at the end of the injection or at the beginning of the dosing process into the transition region between the Cylinder exit 40 and the torpedo bore entrance 38 penetrates. Depending on the position and movement of the injection screw for opening or closing the return flow lock, which is assumed to be known, a return flow blocking ring 61 which is freely movable between a front stop 59 and a front stop 60. It can be seen from FIG. 8 that the entire area of the outlet cone 50 is flushed particularly well by the movement of the wings in the foremost position of the screw tip 5. The spacer wings 56 ensure their proximity to the inner Wall of the outlet cone and thus for a high shear rate. The shear rate is defined by the relative velocity of two moving parts (V) and the distance "S" of the two parts:
V m/sec 1V m / sec 1
^ ~ "S" m sec.^ ~ "S" m sec.
Die Abschrägung 58 verursacht eine Drallströmung in dem TorpedobohrungseintrittThe chamfer 58 causes a swirl flow in the Torpedobohrungseintritt
38, so dass auch an dieser kritischen Stelle eine gute Spülwirkung erreicht werden kann.38, so that even at this critical point a good flushing effect can be achieved.
Die Figur 9 zeigt schematisch den Strömungsverlauf vom Ende des Zylinders 3 bis in den Bereich der Spritzdüse. Für die dargestellten Fliessquerschnitte (schwarz) wurden ohne regelmässige Unterteilung verschiedene Abschnitte gewählt.FIG. 9 schematically shows the flow path from the end of the cylinder 3 into the region of the spray nozzle. For the illustrated flow cross sections (black) different sections were chosen without regular subdivision.
Oz = = = > ist ein Querschnitt in dem vordersten Bereich der Rückstromsperre,Oz = = => is a cross-section in the foremost region of the backflow preventer,
Ok = = = > ist etwa in der Mitte des Austrittskonus 50.Ok = = => is approximately in the middle of the exit cone 50.
A = = = > ist der Übergang von dem Austrittskonus 50 in den Torpedobohrungseintritt 38.A = = => is the transition from the exit cone 50 into the torpedo bore entrance 38.
B = = > ist die Knickstelle der Torpedobohrungen 35.B = => is the kink of the torpedo bores 35.
C = = > ist ein Bereich des Übergangs der Torpedobohrungen in den ringförmigen Übergang zur Spritzdüse. D = = > ist der Ringquerschnitt in die Düsenverschlussnadel.C = => is an area of transition of the torpedo bores into the annular transition to the spray nozzle. D = => is the ring cross-section in the nozzle lock needle.
Die Querschnitte, welche mit I bezeichnet sind, sind relativ gross und weisen einen relativ grossen Fliessquerschnitt auf. Dies ist jedoch dadurch bedingt, dass in der Darstellung die Schneckenspitze noch nicht in vorderster Position und damit der Spalt "S" noch relativ gross ist.The cross sections, which are designated I, are relatively large and have a relatively large flow cross-section. However, this is due to the fact that in the illustration, the screw tip is not yet in the front position and thus the gap "S" is still relatively large.
Bei den Figuren Il erkennt man links bereits die Abschrägung 58. Das Bild Il links aussen zeigt den freien, vollen Durchtrittsquerschnitt an der Stelle A.In the figures Il, one already recognizes the chamfer 58 on the left. The image II left outside shows the free, full passage cross-section at the point A.
Die Querschnitte III zeigen den Übergang von der Stelle A mit den auseinander¬ gehenden Bohrungen 35.The cross sections III show the transition from the point A to the auseinander¬-going holes 35th
Der Querschnitt IV zeigt die Knickstelle der Torpedobohrungen, an welcher der Betätigungshebel 1 5 eingreift. Mit dem Bezugszeichen D ist der grösste Abstand der beiden Bohrungsgruppen rechts (35r) sowie links 35I) bezeichnet. Die Querschnitte V zeigen die Zusammenführung der Torpedobohrungen 35 bis zu einem reinen Ringquerschnitt, dem letzten Bild, links aussen.
Aus der Figur 9 erkennt man, dass der Fliessquerschnitt im Bereich O - A durch die längsverschiebbare Einspritzschnecke 4 resp. die Schneckenspitze 55 verändert wird. In dem Bereich A - C müssen die Torpedobohrungsquerschnitte so gewählt werden, dass eine hinreichend hohe Schergeschwindigkeit entsteht.The cross section IV shows the kink of the torpedo bores, on which the actuating lever 1 5 engages. The reference symbol D denotes the greatest distance between the two groups of holes on the right (35r) and on the left 35I). The cross sections V show the merging of the torpedo bores 35 up to a pure ring cross-section, the last image, left outside. From Figure 9 it can be seen that the flow cross section in the range O - A by the longitudinally displaceable injection screw 4, respectively. the screw tip 55 is changed. In the area A - C, the torpedo boring cross sections must be selected so that a sufficiently high shear rate is obtained.
Dabei geht es um eine Optimierung mit zunehmendem Druckverlust bei steigender Fliessgeschwindigkeit sowie den Bohrungsdurchmessern. Der Bereich von C - D wird nicht mehr geheizt. Durch eine Beschleunigung der Fliessgeschwindigkeit wird eine optimale Spülwirkung erzielt.It is an optimization with increasing pressure loss with increasing flow velocity and the bore diameters. The area of C - D is no longer heated. By accelerating the flow rate, an optimal rinsing effect is achieved.
In der Figur 10 sind nur zwei geknickte Torpedobohrungen 35 dargestellt, welche durch einen einfachen Bohrvorgang hergestellt werden können. Das Austrittsende aller Torpedobohrungen wird durch einen zylindrischen Fräser auf die Form des Zylinderaustrittes 40 angepasst.
Only two kinked torpedo bores 35 are shown in FIG. 10, which can be produced by a simple drilling process. The exit end of all torpedo bores is adapted by a cylindrical cutter to the shape of the cylinder outlet 40.