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Dokumentenidentifikation DE102006026818B4 22.01.2009
Titel Plastifizier- und Einspritzvorrichtung für das Mikrospritzgießen
Anmelder KraussMaffei Technologies GmbH, 80997 München, DE
Erfinder Würtele, Martin, 86316 Friedberg, DE;
Bürkle, Erwin, Dr., 83671 Benediktbeuern, DE
Vertreter Wilhelm, L., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 80997 München
DE-Anmeldedatum 09.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026818
Offenlegungstag 13.12.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse B29C 45/50  (2006.01)  A,  F,  I,  20060609,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse B29C 45/60  (2006.01)  A,  L,  I,  20060609,  B,  H,  DE
B29C 45/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20060609,  B,  H,  DE
B29C 45/54  (2006.01)  A,  L,  I,  20060609,  B,  H,  DE
B22D 17/20  (2006.01)  A,  L,  I,  20060609,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Plastifizier- und Einspritzvorrichtung für das Mikrospritzgießen mit einer in einem Plastifizierzylinder drehantreibbaren Schnecke mit einem oder mehreren Schneckengängen sowie mit Mitteln zur Ausführung eines Einspritzvorgangs.

Es besteht zunehmend Bedarf an Formteilen mit sehr geringen Abmessungen, beispielsweise mikromechanische Bauteile oder medizinische Kleinteile. Für solche Mikroteile liegt das Schußgewicht häufig bei etwa 1 g und darunter. Typischerweise und im Sinne der vorliegenden Anmeldung soll mit Mikrospritzgießen der Bereich des Spritzgießens verstanden werden, bei dem das Schußgewicht (Summe aus Formteilgewicht und Angußgewicht) weniger als ein Gramm an Kunststoffschmelze beträgt.

Zur Herstellung von derartigen Mikroteilen sind Plastifizier- und Einspritzvorrichtungen in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt (Johannaber, „Kunststoffmaschinenführer", 4. A., 2004, Seiten 227 bis 233; DE19714149C2, DE19724346C2, DE 10243683A1, EP0999029B1). Die bekannten Schnecken weisen einen sehr kleinen Schneckendurchmesser von typischerweise 12 mm bis 18 mm auf. Grundsätzlich sollen Plastifizierschnecken eine Kombination aus hoher mechanischer Festigkeit, guter messtechnischer Auflösung des Spritzweges und niedrigen Materialverweilzeiten bieten.

Bei verweilzeitkritischen Formmassen wie z. B. bioresorbierbaren Polymeren haben Schnecken mit einem Durchmesser von mehr als 14 mm ein zu hohes Schneckenkanalvolumen. Übliche Massnahmen zur Reduzierung des Schneckenkanalvolumens, wie Schneckenstegverbreiterung und Gangsteigungserhöhung, reichen für eine deutliche Reduzierung der Verweilzeit nicht aus. Schnecken mit einem Durchmesser von kleiner als 14 mm müssen aus Gründen der Festigkeit (Drehmoment) aus teuren Sonderwerkstoffen hergestellt werden und zeigen bei üblichen Granulaten deutliche Einzugsprobleme, was zu Dosierzeitschwankungen und somit zu Schwankungen in der Verweilzeit und in der Zykluszeit führt. Um diese Probleme zu vermeiden, müssen spezielle und kostspielige Mikrogranulate eingesetzt werden.

Aus dem Bereich der Mikroextrusion ist die Verwendung konischer Schnecken bekannt, womit einige der zuvor genannten Probleme vermieden werden (Fachtagung „Mikroschlauchextrusion für die Medizintechnik", 10. November 205, Festung Marienbert, Würzburg, Kapitel A, „Grundlagen der Mikroextrusion" von Dipl.-Ing. Eberhard Grünschloß, Bild 29b). Hierbei wird die konische Schnecke wie bei Einschneckenextrudern üblich in einem Plastifizierzylinder in axialer Richtung ortsfest. angeordnet und kontinuierlich betrieben. Aus der JP 08294948A ist Plastifizier- und Einspritzvorrichtung mit einer axial unverschieblichen Konischen Schnecke bekannt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plastifzier- und Einspritzvorrichtung für das Mikrospritzgießen anzugeben, die eine weitere Miniaturisierung der Plastifizierschnecke ermöglicht und die die Verarbeitung von Standardgranulaten erlaubt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Plastifizier- und Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen.

Dadurch, dass zum Plastifizieren eine konische Schnecke vorgesehen wird, kann die Gangtiefe im Einzugsbereich der Schnecke so tief gewählt werden, dass Standardgranulate problemlos nachrieseln und in die Schneckengänge eingezogen werden können. Darüberhinaus kann über den konischen Verlauf des Stegaussendurchmessers der Kerndurchmesser im Einzugsbereich so groß gewählt werden, dass auch mit Standardwerkstoffen keine Probleme mit der mechanischen Festigkeit auftreten, wenn die Schnecke sehr klein wird. Über den Konus des Schneckenaussendurchmessers und über den Gangtiefenverlauf der Schnecke kann dann das Schneckenkanalvolumen so stark reduziert werden, dass auch verweilzeitkritische Formmassen problemlos verarbeitet werden können.

Eine weitere Reduzierung der Verweilzeit kann dadurch erreicht werden, dass die Schnecke unterfüttert betrieben wird, beispielsweise unter Einsatz einer gravimetrischen Dosiereinheit für die Zufuhr des Kunststoff-Granulats.

Durch eine axiale Verschiebbarkeit der Schnecke gegenüber dem Plastifizierzylinder kann das Spiel zwischen dem Schneckenaussen- und dem Zylinderinnendurchmesser in geeigneter Weise eingestellt werden, um scherempfindliche Materialien mit dem „richtigen" Spalt verarbeiten zu können, denn diese Materialien benötigen erfahrungsgemäß ein größeres Spiel, um die Scherung über dem Schneckensteg zu reduzieren. Mit der gleichen Schnecke können also scherunempfindliche Materialien ebenso wie scherempfindliche Materialien verarbeitet werden. Ein Schneckenwechsel ist nicht erforderlich. Außerdem kann über den variabel einstellbaren Spalt die Homogenität der Schmelze eingestellt werden (über die Scherrate).

Die konische Schnecke kann stationär, gegebenenfalls axial verschiebbar zur Spalteinstellung, als Vorplastifiziersch necke mit nachgeschalteter Kolbenspritzvorrichtung verwendet werden. Zwischen der Schnecke und der Kolbeneinspritzvorrichtung kann ein Zwischenspeicher vorgesehen werden, wenn ein kontinuierlicher Betrieb der Schnecke erfolgen soll.

Die konische Schnecke kann aber auch als Schubschnecke eingesetzt werden und sowohl für das Plastifizieren als auch für das Einspritzen verwendet werden. In diesem Fall wird ein geeigneter Linearantrieb vorgesehen. Da beim Mikrospritzgießen nur sehr geringe Schußgewichte vorliegen, kommt es nur zu geringen axialen Verschiebungen beim Plastifizieren (nach hinten) und beim Einspritzen (nach vorne). Der unmittelbar vor dem Start des Einspritzens aufgrund der Rückhublage der Schnecke vorliegende „vergrößerte" Spalt zwischen dem Schneckenaussendurchmesser und dem Zylinderinnendurchmesser läßt nur eine geringe Leckströmung zu Beginn des Eiinspritzvorgangs zu.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erläutert werden.

Gemäß 1 ist eine konische Schnecke 1 mit einem zylindischen Kern 2 und einem sich in Förderrichtung konisch verjüngenden schraubenförmigen Steg 3 mittels eines Drehantriebs 4 in einem Plastifizierzylinder 5 drehantreibbar, wie dies mit dem kreisförmigen Pfeil rechts des Drehantriebs 4 veranschaulicht werden soll. Anstelle des zylindrischen Kerns 2 kann dieser ebenfalls konisch ausgebildet sein, wobei das breite Ende dem Drehantrieb 4 zugewandt und mit der Antriebswelle des Drehantriebs 4 gekoppelt ist. Über den Konus des Schneckenaussendurchmesser und den Verlauf der Gangtiefe G kann das Volumen des Schneckenkanals 16 von der Einfüllöffnung 7 zur Schneckenspitze in gewünschter Weise reduziert werden. Außerdem kann die Gangtiefe G im Bereich der Einfüllöffnung 7 so groß gewählt werden, dass Standardgranulat problemlos nachrieseln und eingezogen werden kann. Der Plastifizierzylinder 5 besitzt eine sich von der Einfüllöffnung 7 in Förderrichtung konisch verjüngende Zylinderinnenwand 6, wobei der Konus der Zylinderinnwand dem Konus der Schnecke entspricht. Mittels eines geeigneten Verschiebemittels 8 kann die Schnecke 1 axial verschoben und damit der Spalt 9 zwischen der Oberseite des Stegs 3 und der Zylinderinnenwand 6 eingestellt werden, wie dies mit dem Doppelpfeil links von dem Verschiebmittel 8 veranschaulicht werden soll. In den 2a und 2b sind zwei verschiedene Positionen der Schnecke 1 in dem Plastifizierzylinder 5 dargestellt, entsprechend zwei verschiedenen Weiten DELTA1 und DELTA2 für den Spalt 9, wobei in dem dargestellten Beispiel DELTA1 kleiner ist als DELTA2. An den Zylinder 5 ist ein Umlenkstück 10 mit einem Schmelzekanal 11 und einem Kugelrückschlagventil 12 angebaut. Der Schmelzekanal 11 mündet in einen Einspritzzylinder 13, in dem ein Einspritzkolben 14 mittels eines geeigneten Linearantriebs 15 reversierbar geführt ist, wie dies mit dem rechts des Linearantriebs 15 eingezeichneten Doppelpfeil veranschaulicht werden soll. Mittels geeigneter und an sich bekannter Heizeinrichtungen können der Zylinder 5, das Umlenkstück 10 und der Einspritzzylinder 13 auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden. Das über die Einfüllöffnung 7 zugeführte Granulat wird aufgrund von Wärmeleitung über den beheizten Zylinder 5 und durch Reibung innerhalb der Schüttung durch eine Komprimierung der Schüttung in Schmelze umgewandelt. Diese Schmelze wird von dem Schneckenvorraum 17 in den Einspritzzylinder 13 transportiert und von dort mittels des Einspritzkolbens 14 in ein hier nicht dargestelltes Formwerkzeug eingespritzt. Beim Einspritzen verhindert das Kugelrückschlagventil 12 ein Zurückdrücken von Schmelze in den Schneckenvorraum 17.

3 zeigt eine Abwandlung mit einem Zwischenspeicher 18, um einen kontinuierlichen Betrieb der Schnecke 1 zu ermöglichen. Während des Einspritzens ist der Schmelzekanal 19 zwischen dem Zwischenspeicher 18 und dem Einspritzzylinder 13 mittels eines geeigneten Sperrorgans 20 geschlossen. Während dieser Zeit und während der Nachdruckzeit kann kontinuierlich erzeugte Schmelze in dem Zwischenspeicher 18 aufgenommen werden. Nach dem Zurückziehen des Einspritzkolbens 14 kann das Sperrorgan 20 geöffnet und die Schmelze aus dem Zwischenspeicher 18 in den Einspritzzylinder 13 ausgetrieben werden, beispielsweise mittels einer Kolben-Zylinder-Anordnung 21. Ggegebenenfalls kann zusätzlich Schmelze von der Schnecke 1 nachgefördert werden.

4 zeigt die Verwendung der konischen Schnecke 1 als Schubschnecke. Im Unterschied zur 1 ist die Schnecke 1 mit einem Dreh- und Linerarantrieb 22 verkoppelt. An den Zylinder 5 ist ein Zwischenstück 23 und an dieses eine Düse 24 angebaut, so dass sich ein von dem Schneckenvorraum 17 zunächst sich verjüngender und dann zylindrischer Schmelzekanal 11 ergibt. Beim Plastifizieren wird die Schnecke 1 um ein kleines Stück nach hinten verschoben und beim Einspritzen macht sie eine Vorwärtsbewegung, wobei die Schmelze aus dem Schmelzekanal 11 in ein hier nicht dargestelltes Formwerkzeug eingespritzt wird. Auch bei dieser Ausführungsform können mittels geeigneter und an sich bekannter Heizeinrichtungen der Zylinder 5, das Zwischenstück 23 und die Düse 24 auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden.

Mittels einer hier nicht gezeigten und an sich bekannten gravimetrischen Dosiereinheit an der Einfüllöffnung 7 kann die Schnecke gezielt unterfüttert betrieben werden.

1
Schnecke
2
Kern
3
Steg
4
Drehantrieb
5
Zylinder
6
Zylinderinnenwand
7
Einfüllöffnung
8
Verschiebemittel
9
Spalt
10
Umlenkstück
11
Schmelzekanal
12
Kugelrückschlagventil
13
Einspritzzylinder
14
Einspritzkolben
15
Linearantrieb für Einspritzkolben
16
Schneckenkanal
17
Schneckenvorraum
18
Zwischenspeicher
19
Schmelzeleitung
20
Sperrorgan
21
Kolben-Zylinder-Einheit
22
Dreh- und Linerantrieb für Schubschnecke
23
Zwischenstück
24
Düse


Anspruch[de]
Plastifizier- und Einspritzvorrichtung für das Mikrospritzgießen mit einem Plastifizierzylinder (5) und einer darin angeordneten Schnecke (1) mit einem oder mehreren Schneckengängen (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (1) eine in Förderrichtung konisch ausgebildete mit einem Dreh- und Linearantrieb (22) gekoppelt Schubschnecke ist. Plastifizier- und Einspritzvorrichtung für das Mikrospritzgießen mit einem Plastifizierzylinder (5) und einer darin angeordneten und drehantreibbaren Schnecke (1) mit einem oder mehreren Schneckengängen (16), sowie mit einer Kolbenspritzvorrichtung (13, 14, 15), die über einen Schmelzekanal (11) mit dem Plastifizierzylinder (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (1) in Förderrichtung konisch ausgebildet ist und dass Verschiebemittel (8) zur Einstellung der Weite DELTA des Spaltes (9) zwischen dem Schneckenaussendurchmesser und dem Zylinderinnendurchmesser vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Schmelzeweg von der konischen Schnecke (1) zu der Kolbenspritzvorrichtung (13, 14, 15) ein Zwischenspeicher (18) zur Aufnahme von Kunststoffschmelze vorgesehen ist, so dass die Schnecke (1) kontinuierlich betrieben werden kann. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise gravimetrische Dosiereinheit vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über wenigstens einen Abschnitt in Förderrichtung der Aussendurchmesser der Schneckenstege (3) und der Durchmesser des Schneckenkerns (2) kontinuierlich abnehmen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über wenigstens einen Abschnitt in Förderrichtung der Aussendurchmesser der Schneckenstege (3) kontinuierlich abnimmt und der Durchmesser (2) des Schneckenkerns konstant bleibt. Verfahren zur Herstellung von kleinen Schußgewichten für den Mikrospritzguß, insbesondere von Schußgewichten kleiner als 1 Gramm, unter Verwendung einer Plastifizier- und Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Schnecke unterfüttert betrieben wird. Verfahren zur Herstellung von kleinen Schußgewichten für den Mikrospritzguß, insbesondere von Schußgewichten kleiner als 1 Gramm, unter Verwendung einer Plastifizier- und Einspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Schnecke kontinuierlich betrieben wird und wobei während des Einspritzvorgangs erzeugte Schmelze in einem Zwischenspeicher aufgenommen und nachfolgend für den nächsten Einspritzvorgang an die Kolbenspritzvorrichtung abgegeben wird.






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