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In der Kernstruktur einer vertikalen Spritzgussmaschine spielt das Schneckensystem eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Kunststoffrohstoffen vom festen in den geschmolzenen Zustand. Diese scheinbar einfache Metallkomponente mit ihrem präzisen Design und ihrer effizienten Bewegungssteuerung führt Dutzende hochpräziser Plastifizierungszyklen pro Minute aus. Als „Herzstück“ des Spritzgussprozesses wirkt sich das Design der Schnecke direkt auf die Formqualität und die Produktionseffizienz aus.

I. Entwicklung der Schraubensystemstruktur

Moderne vertikale Spritzgussmaschinen haben typischerweise eine klassische dreistufige Konstruktion, wobei jede Stufe eine bestimmte Funktion erfüllt. Der Zuführabschnitt ist für den stabilen Transport der Rohstoffe verantwortlich, und die tiefen Schneckennuten in diesem Abschnitt sorgen für einen gleichmäßigen Fluss der Granulate unter dem Einfluss der Schwerkraft. Der Kompressionsabschnitt erzeugt durch allmählich schmaler werdende Schneckennuten einen mechanischen Kompressionseffekt, wodurch die Plastifizierungseffizienz verbessert und gleichzeitig übermäßige Scherkräfte vermieden werden. Der Dosierabschnitt mit seinen flacheren Schneckennuten sorgt für ein gleichmäßiges Schmelzen in einer Hochdruckumgebung und stabilisiert so die Produktqualität.

Der Dosierabschnitt ist entscheidend und sein Design folgt typischerweise einem goldenen Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) zwischen 5:1 und 7:1. Dies stellt nicht nur die Homogenität der Schmelze sicher, sondern hält auch Temperaturschwankungen innerhalb von ±2 °C. Um einen Rückfluss der Schmelze zu verhindern, verwendet die Sperrringkomponente eine Doppeldichtungsstruktur mit einer Reaktionszeit von weniger als 0.03 Sekunden.

II. Kopplung von Thermodynamik und Rheologie

Der durch die Schneckenrotation erzeugte Scherwärmeeffekt folgt der rheologischen Formel τ = η(du/dy), wobei die Schergeschwindigkeit in den verschiedenen Abschnitten variiert. Beispielsweise liegt die Schergeschwindigkeit im Zuführabschnitt typischerweise zwischen 50 und 100 s⁻¹, während sie im Dosierabschnitt 500 bis 1000 s⁻¹ erreichen kann. Für wärmeempfindliche Materialien wie PC (Polycarbonat) wird ein spezielles Schneckendesign verwendet, bei dem die Länge des Kompressionsabschnitts verkürzt wird, um den Temperaturanstieg auf 30 °C zu begrenzen.

Das Temperaturfeld der Schmelze weist einen axialen Gradienten auf. Mittels Infrarotthermografie wird der Temperaturverlauf von der Einfüllöffnung bis zum Düsenaustritt beobachtet. Durch Optimierung der Schneckendrehzahl und der Gegendruckregelungsparameter kann der Temperaturschwankungskoeffizient auf unter 0.05 gesenkt und so eine Materialschädigung durch zu hohe Temperaturen vermieden werden.

III. Werkstoffe und Oberflächenbehandlung

Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, besteht der Schraubenkörper aus nitriertem Stahl, der einer Ionennitrierung unterzogen wird, wodurch eine Oberflächenhärte erreicht wird, die hohen Standards entspricht. Bei glasfaserverstärkten Materialien wird eine Behandlungsschicht aus einer bimetallischen Legierung verwendet, die die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Nitrierbehandlungen um das Drei- bis Fünffache verbessert. Die Gewindeoberfläche ist mit Diamant beschichtet, wodurch der Reibungskoeffizient auf unter 3 gesenkt wird.

Die neueste Technologie zur Oberflächenstrukturierung verwendet Laserbeschichtung, um mikrometergroße Rillenanordnungen auf der Schneckenoberfläche zu erzeugen. Versuchsdaten zeigen, dass diese Struktur die Mischleistung um 18 % verbessert und die Gleichmäßigkeit der Schmelztemperatur um 25 % steigert.

Im Bereich des Präzisionsspritzgusses werden die Toleranzen des Schneckendurchmessers jetzt mit einer Genauigkeit von IT5 kontrolliert, wobei der Konzentrizitätsfehler 0.01 mm/m nicht überschreitet. Darüber hinaus kann die neu entwickelte, gewellte Schnecke, die mithilfe von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) optimiert wurde, die Doppelbrechung beim Spritzgießen optischer PC-Komponenten auf unter 3 nm/cm reduzieren. Durch die Integration intelligenter Sensortechnologie ermöglicht das Schneckensystem jetzt eine Echtzeitüberwachung der Schmelzviskosität in Verbindung mit einem adaptiven Steuerungssystem, das sicherstellt, dass der Plastifizierungsprozess mit einem CPK-Wert (Process Capability Index) konstant über 1.67 hochstabil bleibt.

Diese neue Generation von Schraubsystemen, die elektromechanische Integration und präzises Design kombinieren, definiert die Grenzen der Genauigkeit bei der Kunststoffverarbeitung neu.