Getrenntes Plastifizieren und Einspritzen erhöht Spritzgießqualität

Es gibt Spritzgießteile, deren Herstellung mit Schubschnecke an Grenzen stößt. Bei solchen Teilen ist es besser, das Plastifizieren und Einspritzen voneinander zu trennen. So kann ein Extruder den...

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Es gibt Spritzgießteile, deren Herstellung mit Schubschnecke an Grenzen stößt. Bei solchen Teilen ist es besser, das Plastifizieren und Einspritzen voneinander zu trennen. So kann ein Extruder den Plastifizierprozess übernehmen und ein Schmelzespeicher die Zwischenlagerung während des Einspritzens. Kontinuierliches Aufschmelzen ist möglich und das Einspritzen besser dem Formfüllvorgang angepasst, was jedoch neue Antriebskonzepte erfordert.Die kompakte und einfache Bauweise von Schubschneckensystemen bei Kunststoffspritzgießmaschinen ist auf die Doppelfunktion des Schneckenkolbens zurückzuführen. Das heißt: Die Schnecke ist für das Aufschmelzen (Plastifizieren) und Einspritzen zuständig. Gleichwohl des Erfolgs dieser Bauart (fast alle auf dem Markt vorhandenen Spritzgießmaschinen für Thermoplaste haben ein solches System) gibt es einige Nachteile, die sich einzig und allein aus dem Konzept der Doppelfunktion ableiten lassen.So ist der Trichter, in dem sich das zu verarbeitende Kunststoffgranulat befindet, an der Plastifiziereinheit ortsfest angebracht. Dadurch verkürzt sich beim Plastifizieren permanent die wirksame Schneckenlänge. Infolgedessen sinkt die Aufschmelzleistung, die vom Dosierweg oder der effektiven Schneckenlänge abhängt. Hinzu kommen die Stillstandszeiten der Schnecke, wenn nicht plastifiziert wird. Daraus resultiert eine unterschiedliche Schmelzequalität in axialer Richtung, die die Prozess- und Produktqualität negativ beeinflussen kann [1].In Bild 1 wird exemplarisch gezeigt, welches axiale Temperaturprofil sich bei der Verarbeitung einstellen kann [2]. Analog zur thermischen ist auch eine mechanische Inhomogenität vorhanden, die jedoch weniger gravierend ist [3].Die Reduktion der Plastifizierleistung führt unter anderem dazu, dass es mit dieser Maschinentechnik bei bestimmten Anwendungen nicht gelingt, die aus wirtschaftlichen Gründen nötige Schmelzemengen und -qualitäten ausreichend schnell bereitzustellen: zum Beispiel bei dünnwandigen Artikeln mit relativ hohem Gewicht, wie Verpackungen, CD und Gehäuseabdeckungen. Auch bei der PET-Verarbeitung bleibt der Schnecke nur die bei diesen Anwendungen sehr geringe Kühlzeit, um den Kunststoff aufzuschmelzen und zu homogenisieren.Die nötige Plastifizierleistung kann von der Prozessseite nur erreicht werden, wenn entweder die Schneckendrehzahl deutlich angehoben wird, sofern dies noch möglich ist, oder man reduziert den Staudruck. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine auf mehr Durchsatz angepasste Schneckengeometrie zu verwenden. Ein verringerter Staudruck und eine andere Schneckengeometrie können jedoch die Schmelzequalität negativ beeinflussen, und eine Erhöhung der Drehzahl ist bei den erwähnten Produkten oft nicht mehr möglich.Auf der maschinentechnischen Seite besteht die Möglichkeit, die Plastifizierleistung zu erhöhen, indem eine größere Plastifiziereinheit verwendet wird. Dadurch vergrößert sich aber auch der Schneckendurchmesser. Folglich steigt bei gleichem Einspritzdruck auch die erforderliche Einspritzkraft. Darüber hinaus führen die gleichen Ungenauigkeiten bei der Schneckenpositionierung mit zunehmendem Schneckendurchmesser zu größeren Masseschwankungen.Neben diesen an sich schon unerwünschten Eigenschaften von Schubschneckensystemen gibt es einen weiteren Nachteil und zwar die Rückstromsperre. Der Schließvorgang der Rückstromsperre ist meist stochastischen Einflüssen unterworfen und verursacht somit ungewollte Streuungen im Spritzgießprozess. Zudem handelt es sich um ein Element, das verschleißen kann und dann nicht mehr richtig schließt.Anwendung der Schubschnecke stößt zunehmend an GrenzenEs ist so, dass trotz der vorhandenen Probleme das Schubschneckensystem das weitverbreitetste ist und in der Regel auch sehr zufriedenstellend funktioniert. Weil jedoch bei vielen Anwendungen die Prozesse immer weiter ausgereizt werden und die Maschinenanforderungen weiter steigen, stößt das Schubschneckensystem zunehmand an Grenzen. Für diese Grenzfälle benötigt man andere Systeme auf der Einspritzseite: Systeme, bei denen die beiden Funktionen Plastifizieren und Einspritzen getrennt sind, zum Beispiel 2-Stufen-Systeme oder Systeme mit Schneckenvorplastifizierung.Meist ist jedoch bei den Systemen mit Schneckenvorplastifizierung keine kontinuierliche Plastifizierung möglich, oder die Schnecke der Plastifiziereinheit wird axial verfahren.Aber warum sollte bei einem solchen System mit baulich getrennten Bausteinen für das Plastifizieren und Einspritzen die Plastifizierzeit nicht genauso lang wie die Zykluszeit sein? Die Schnecke würde mit möglichst konstanter Drehzahl kontinuierlich - ohne nennenswerte Brems- und Beschleunigungsvorgänge - betrieben werden. Es stellt sich somit die Frage, wie der Prozess des Einspritzens zur diskontinuierlichen Formteilherstellung mit einer kontinuierlichen Plastifizierung zu koppeln ist.Kontinuierliches Plastifizieren durch ZwischenspeicherungDie Verwendung eines Schmelzespeichers, der die beiden Bausteine zum Plastifizieren und Einspritzen miteinander verbindet, lässt eine Kopplung der beiden Verfahrenseinheiten zu (Bild 2). Die Aufgabe des Schmelzespeichers besteht somit darin, beim Einspritzen die vom Plastifizierbaustein erzeugte Schmelze zwischenzuspeichern. Nach Beendigung des Einspritzens muss die Schmelze vom Schmelzespeicher an die Einspritzeinheit übergeben werden. In Bild 3 ist der sich bei kontinuierlicher Plastifizierung ergebende Spritzgießzyklus dem normalen Spritzgießzyklus gegenübergestellt.Die Vorteile eines solchen Systems mit kontinuierlicher Schneckenvorplastifizierung liegen darin, dass ein Extruder mit kompletter Extrusionstechnik verwendet wird: zum Beispiel mit Nutbuchsen und Schmelzefilter. Folglich ergibt sich auch eine bessere Schmelzequalität und kein axiales Schmelzequalitätsprofil. Zudem kann der Antriebsmotor für den Extruder deutlich kleiner dimensioniert werden als bei einer vergleichbaren Plastifiziereinheit für eine Standardspritzgießmaschine. Dies hängt wiederum mit dem kontinuierlichen Betrieb zusammen, wodurch ein längerer Zeitraum zur Verfügung steht, um die notwendige Energie zum Aufschmelzen einzubringen.Hinsichtlich der Einspritzachse ergeben sich die Vorteile, dass keine Rückstromsperre vorhanden ist, was wiederum zu einer Reduktion der Prozessstörgrößen führt. Speziell für die Einspritzachse ergibt sich nun die Möglichkeit, diese an die antriebstechnischen Gegebenheiten optimal anzupassen, ohne Einfluss auf die Aufschmelzleistung zu nehmen.Die Einspritzeinheit kann zum Beispiel über den Kolbenquerschnitt den Anforderungen des Formfüllvorgangs angepasst werden. So lassen sich für dickwandigere Formteile mit relativ kleinen Fülldrücken große Querschnitte verwenden. Dagegen sind kleine Querschnitte für Produkte geeignet, deren Herstellung bei großen Fließwiderständen und somit sehr hohen Fülldrücken abläuft. Das entsprechende Schussvolumen lässt sich dabei über den Kolbenhub einstellen.Speziell für dünnwandige Formteile werden sehr hohe Fülldrücke bis zu 3000 bar benötigt [4]. Dies hohen Drücke resultieren aus der sich einstellenden Randschichtdicke, die der dickerer Teile entspricht [5]. Daraus resultiert für dünnwandige Teile aber ein deutlich kleinerer Bereich für den Schmelzequellfluss. Derartige Teile lassen sich demnach nur mit einer sehr hohen Fließgeschwindigkeit und hohen Drücken füllen, um einerseits den Effekt der Strukturviskosität der Kunststoffe zu nutzen, andererseits ein frühzeitiges Einfrieren durch Wärmeleitvorgänge zu verhindern.Für den Antrieb der Einspritzachse bedeutet das, Antriebssysteme mit entsprechendem Ansprechverhalten, ausreichender Genauigkeit, Dynamik und Leistung zu verwenden. In Bezug auf genaueste Nachbildung von Geschwindigkeitsprofilen und Positionen haben sich elektromechanische Antriebssysteme mit Servoantrieb bewährt [6].Betrachtet man jedoch die Angebotspalette der in Frage kommenden Systeme mit hoher Leistung bei kleinen Trägheitsmomenten, so ist Folgendes festzustellen: Um die Rotationsbewegung, die der Servomotor erzeugt, in eine Translationsbewegung umzuwandeln, gibt es am Markt verschiedene elektromechanische Lösungen, die derzeit nicht zufriedenstellend den erforderlichen Einspritzleistungen in der Dünnwandtechnik gerecht werden. So sind teilweise Leistungen weit über 100 kW erforderlich.Zur Konzeption elektromechanischer Antriebssysteme wäre es theoretisch möglich, in Analogie zu hydraulischen Speichersystemen elektrische Energiespeicher, zum Beispiel in Form von Kondensatoren, zu verwenden. Praktisch erscheint dies jedoch wenig sinnvoll, weil eine solche Lösung nur die Gesamtenergiebilanz verbessert, indem Bremsenergie gespeichert und in der Einspritzphase wieder dem System zugeführt wird. Das ist letztlich jedoch hinsichtlich der Energieeinspeisung in den Prozess keine Alternative zur Energieentnahme aus dem Stromnetz. Somit bleibt die Frage nach einem geeigneten elektromechanischen Antriebssystem weiterhin offen.Ein Patent des Maschinenbauers Ferromatik Milacron, Malterdingen, greift den Gedanken der Energiespeicherung auf und beschreibt die Möglichkeit, in der Dosierphase über den Einspritzmotor die nötige Energie für den Einspritzvorgang zu speichern [7]. Bild 4 zeigt ein zusammen mit dem Lehrstuhl für Konstruktionslehre und Kunststoffmaschinen der Universität Duisburg weiterentwickeltes System, das aufgrund der Bauform das Hydrauliksystem auf ein Minimum reduziert.Der Wegfall einer konventionellen Pumpe eliminiert einen Großteil der ansonsten vorliegenden Schwächen eines konventionellen Hydrauliksystems (verbesserter Wirkungsgrad und Geräuschminimierung). Zudem ist mit dem Blasenspeicher ein hochdynamisches Antriebselement vorhanden. Der Elektromotor mit Getriebe sorgt dafür, dass die Reproduzierbarkeit und Präzision elektromechanischer Antriebssysteme erreicht werden.Elektro- und Hydraulikantrieb durch Simulation angepasstDie Auslegung der beiden Antriebssysteme ist von entscheidender Bedeutung für das dynamische Verhalten der Einspritzbewegung. Hier bietet es sich an, den Antriebsstrang mathematisch-physikalisch zu beschreiben und zu simulieren. Auf diesem Weg wird neben einem optimierten Dynamikverhalten auch einer Über- oder Unterdimensionierung entgegengewirkt. In Anlehnung an [8], in der die Regelung der Einspritzbewegung einer konventionellen Einspritzeinheit im Vordergrund steht, lässt sich für das hybride Antriebssystem ein vereinfachtes Modell der Einspritzbewegung erstellen.Durch Aufsummieren der wirkenden Kräfte ergibt sich Gleichung (1), wobei mk die Kolbenmasse, x¨ die Kolbenbeschleunigung, FH die Kraft durch den Gasblasenspeicher, FA die Antriebskraft des Elektromotors, FE die Gegenkraft durch die Werkzeugfüllung, FRH die Reibkraft am Hydraulikkolben und FRK die Reibkraft am Einspritzkolben ist:Praxisbezogene Bewertung an einem PrototypenDas betrachtete, hybride Antriebssystem für die Einspritzachse ist eine Möglichkeit, um das Leistungsniveau bei der Dünnwandtechnik zu erreichen. Für konventionelle Produkte gibt es eine Vielfalt alternativer Lösungen, die sich rein elektromechanisch gestalten lassen. Wichtig ist jedoch für das Antriebssystem, seien es dünnwandige oder konventionelle Artikel, der Einsatz von Simulationstechnik zur Auslegung und Analyse. Inwieweit das hier vorgestellte 2-stufige System die gestellten verfahrenstechnischen Anforderungen erfüllt, lässt sich jetzt noch nicht sagen. Dazu müssen noch anhand eines einem Prototypen praktische Bewertungen vorgenommen werden.Literatur[1] Elbe, W.: Untersuchungen zum Plastifizierverhalten von Schneckenspritzgießmaschinen. Dissertation RWTH Aachen 1973.[2] Kessler, H.: Modell zum stationären und instationären Mischen in konventionellen Einschneckenextrudern. Dissertation Uni-GH Paderborn 1991.[3] Lampl, A.: Mischgütekennzahl für Spritzgießmaschinen. Kunststoffe 9/1996, S. 1256-1260.[4] Kudlik, N.: Dünnwandtechnik - Spritzgießverfahren für geringe Wanddicken. Kunststoffe 9/1999, S. 92-96.[5] Fasset, J.: Thin Wall Molding - Differences in Processing over Standard Injection Molding. In: Tagungsband ,,ANTEC 1995", S. 430-433.[6] Urbanek, O.: Alternativen beleben die Hydraulik, Ölhydraulik und Pneumatik 10/1995, S. 726-729.[7] Jaroschek, C., und K. Bourdon: Elektrischer Antrieb mit hydraulischer Unterstützung in einer Spritzgießmaschine. EP 0 760 277 A1. Malterdingen: Ferromatik Milacron Maschinenbau GmbH, März 1997.[8] Rafizadeh, M., W. I. Patterson und M. R. Kamal: Physically-Based Model of Thermoplastics Injection Molding for Control Applications International. Polymer Processing 11/1996, S. 352-362.