DE102005018062B4

DE102005018062B4 - Verfahren zur Produktion von Heizeinrichtungen für Komponenten für Spritzgussgeräte

Info

Publication number: DE102005018062B4
Application number: DE102005018062A
Authority: DE
Inventors: Gianfranco Cirri; Maria Prudenziati
Original assignee: Inglass SpA
Current assignee: Inglass SpA
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: CN1706985A; US7322099B2; DE102005018062A1; US20050257367A1; ITTO20040253A1

Abstract

Verfahren zur Produktion von Heizeinrichtungen für Komponenten für Geräte zum Spritzgießen von Kunststoffmaterialien, aufweisend:
– einen Körper (10) aus thermisch leitendem Material;
– zumindest eine Basisschicht (14) aus elektrisch isolierendem und thermisch leitendem Material, aufgebracht auf den Körper (10) bei kontrollierten Temperatur- und Druckwerten;
– zumindest einen heizenden elektrischen Widerstand (24), aufgebracht auf die Basisschicht (14);
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
– Herstellen eines Körpers (10) aus thermisch leitendem Material aus einer Metalllegierung, die einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der mit dem der Basisschicht (14) übereinstimmt;
– Aufbringen der Basisschicht (14) auf den Körper (10);
– Aufspritzen einer Schicht aus elektrisch leitendem Material als Widerstand (24) auf die Basisschicht (14) in Form zumindest eines Streifens, wobei der Streifen den heizenden elektrischen Widerstand definiert und einen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Körper (10) einen Durchgang (12)...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Komponenten für Spritzgussgeräte.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt mit speziellem Bezug auf die Herstellung von beheizten Komponenten für Spritzgussgeräte, umfassend einen Körper, hergestellt aus einem thermisch leitfähigen Material, bereitgestellt mit zumindest einer Leitung für den Durchgang von Material, das eingespritzt werden soll und zumindest einem beheizenden elektrischen Widerstand, welcher direkt an dem Körper angebracht ist, um Temperaturen über 500°C zu erreichen.
Andere Komponenten für die Spritzgussausrüstung umfassen einen Körper, hergestellt aus einem thermisch leitfähigen Material, wobei ein Heizwiderstand verwendet wird, mit zum Beispiel heißen Kammern, Heizplatten, Einspritzdüsen (wie sie im Allgemeinen in den Dokumenten US 6609902 B1 und US 2003/0003188 A1 beschrieben sind) und heiße Kanäle im Allgemeinen. Andere Komponenten, wo die Erfindung auch Anwendung findet, können Zubehörteile für Spritzgussgeräte umfassen, wie beispielsweise Spulen, Platten u. ä., die beispielsweise an heißen Kammern Verwendung finden in Wärme übertragendem Oberflächenkontakt. Zusätzlich kann das Verfahren in jeder anderen Heizausrüstung Anwendung finden.
Stand der Technik
Gegenwärtig werden Einspritzdüsen typischerweise mit einer Wärmequelle beheizt, die sich außerhalb der Düse befindet. Die Wärmequelle ist üblicherweise zumindest ein Widerstandsdraht, der spiralartig gewunden und koaxial um eine äußere Oberfläche der Einspritzdüse angeordnet ist. Der Widerstandsdraht ist in eine Metallhülle eingeschlossen, die mit einer Isolierbeschichtung bereitgestellt ist und wird in Nuten angeordnet, die in der äußeren Oberfläche des Körpers maschinell eingebracht sind. Ein Beispiel dieser traditionellen Lösungen ist im europäischen Patent EP 0750975 A1 und in der US-2002/0160075 A1 beschrieben, welche eine Düse zur Injektionsformung von Kunststoffmaterialien illustriert, die einen im Allgemeinen zylindrischen Körper aufweist, der spiralartige Nuten an seiner äußeren Oberfläche aufweist, in die ein erster und ein zweiter Heizwiderstand eingebracht sind. Ein temperatursteuerndes Thermoelement ist operativ jedem Heizwiderstand zugeordnet. Jedoch ist diese Art des Heizbetriebes ineffektiv aufgrund seiner geringen Fähigkeit, Wärmeenergie zu übertragen, wobei er eine hohe Temperaturdifferenz erzeugt. Zudem benötigt diese Heizerkonfiguration einen größeren Durchmesser der Düse, als ausreichend wäre für die mechanische Festigkeit des Systems.
Um effizientere Heizsysteme zu erzeugen, wurden einige Strategien entweder für die Einspritzdüse oder andere Anwendungen vorgeschlagen. Zum Beispiel offenbart das Dokument US 6596960 B1 ein Verfahren zum Herstellen von Heizelementen auf Rohrleitungen für heiße Luft und Wasser (< 100°C) und ähnliche Haushalts- oder Industrieanwendungen, welches zumindest eine der so genannten „Plasma Spray” und Flammenspritztechnologien verwendet. Auf dem Körper der Rohrleitung wird zunächst eine Schicht eines elektrisch isolierenden Materials, wie beispielsweise Aluminiumoxid aufgebracht und dann wird das Heizelement aufgebracht, indem Partikel einer Metalllegierung, die Bor umfasst, auf die damit geformte Isolierschicht aufgesprüht werden. Die Ablagerung des Metalloxids gemäß einem vorbestimmten Pfad wird durchgeführt – wie die Ablagerung des Aluminiumoxids – mittels Plasmaspritzens. Kurz gesagt ist das Plasmaspritzen ei nes der unzähligen Prozesse, die im Allgemeinen von dem Begriff „thermisches Spritzen” umfasst sind. In der folgenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird der Begriff „thermisches Spritzen” verwendet, um einen Prozess zu umfassen und den Prozess, der am besten geeignet ist für den speziell diskutierten Bereich, unter den verschiedenen Prozessen, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
Thermisches Spritzen ist eine vielseitige Technologie zum Ablagern von Beschichtungen sowohl auf Metall als auch Keramiken. Systeme, die Pulver als Ausgangsmaterial verwenden, umfassen z. B. Lichtbogenplasmasysteme, Flammspritzsysteme und Hochgeschwindigkeits-Oxidationsbrennstoff-Systeme (High Velocity Oxy-Fuel – HVOF), Kaltspritzen, wobei Systeme, die einen Draht als Ausgangsmaterial verwenden, beispielsweise umfassen Lichtbogendrahtsysteme, HVOF-Drahtsysteme und Flammspritzsysteme. Das thermische Spritzen verwendet thermische Energie, die durch chemische (Verbrennung) oder elektrische (Plasma oder Lichtbogen) Verfahren erzeugt wird, um feine Dispersionen von Partikeln oder Tröpfchen zu schmelzen oder aufzuweichen und auf Geschwindigkeiten im Bereich von 500–>1000 m/s zu beschleunigen. Die hohen erreichten Temperaturen und Partikelgeschwindigkeiten führen zu einer signifikanten Tropfenverformung oder Einschlägen an einer Oberfläche, was zu Schichten führt, die aus „Spritzern” hergestellt werden, die sich zusammenfügen und zur Substratoberfläche zusammenkleben.
Beim „Lichtbogenplasma”-Spritzen erzeugt ein elektrischer Gleichstromlichtbogen ein ionisiertes Gas (Plasma), welches verwendet wird, um geschmolzene pulverförmige Materialien in einer Art und Weise ähnlich zum Spritzen von Farbe zu spritzen.
„Lichtbogendrahtspritz”-Systeme funktionieren durch Schmelzen der Spitzen von zwei Drähten (z. B. Zink, Kupfer, Aluminium oder andere Metalle) und durch Transportieren der sich ergebenden geschmolzenen Tröpfchen mittels eines Trä gergases (z. B. Druckluft) auf die zu beschichtende Oberfläche. Das Drahtausgangsmaterial wird geschmolzen durch einen elektrischen Lichtbogen, der erzeugt wird durch eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Drähten.
Beim „Flammspritzen” wird ein Draht oder ein Pulverausgangsmaterial geschmolzen mittels einer Verbrennungsflamme, die üblicherweise erzeugt wird durch Entzünden einer Gasmischung aus Sauerstoff und einem anderen Gas (z. B. Acetylen).
„HVOF” benutzt ein Brenngas (wie beispielsweise Propan, Wasserstoff oder Propylen) und Sauerstoff, um einen Verbrennungsstrahl bei sehr hohen Temperaturen (z. B. 2500–3000°C) zu erzeugen. Die Verbrennung findet innerhalb eines sehr hohen Drucks in einer kleinen Kammer statt (einer Flamme); sie tritt aus durch einen Lauf mit einem kleinen Durchmesser, um einen Überschallgasstrom mit sehr hohen Partikelgeschwindigkeiten zu erzeugen. Dieses heiße Hochgeschwindigkeitsgas wird verwendet, um sowohl ein Ausgangsmaterial zu schmelzen (z. B. Draht, Pulver oder Kombinationen daraus) und die geschmolzenen Tröpfchen auf die Oberfläche des Substrats zu transportieren mit Geschwindigkeiten im Bereich von 330–1000 m/s. Komprimiertes Gas (z. B. Druckluft) wird verwendet, um die Tröpfchen weiter zu beschleunigen und das HVOF-Gerät zu kühlen.
„Kaltspritzen” ist ein Vorgang, bei dem Beschichtungen aufgebracht werden durch Beschleunigen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials aus verformbaren Metallen auf Geschwindigkeiten von 300–1200 m/s unter Verwendung von gasdynamischen Techniken mit Stickstoff oder Helium. Dieser Prozess wird im Allgemeinen als „kaltgasdynamisches Spritzen” bezeichnet aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen (0–800°C) des expandierten Gas- und Partikelstroms, der aus der Düse austritt.
Eine genaue Steuerung der Eigenschaften der gespritzten Materialen kann erzielt werden durch die Verwendung von Niedrigdruck- oder sogar Vakuumkammern, wobei feine Muster erzielt werden unter Verwendung von Masken oder fokussierten Strahlen und roboterbetriebenen Systemen. Einer der Hauptvorteile von thermischen Spritzvorgängen ist ihre Fähigkeit, Beschichtungen auf Substrate aufzubringen, ohne signifikanten Wärmeeintrag und daher können auch feuerfeste Materialen aufgebracht werden auf bearbeiteten voll wärmebehandelten Teilen, ohne die Eigenschaften des Teils zu verändern und ohne übermäßige thermische Verzerrung des Teils. Tatsächlich kühlen verfestigte Tröpfchen beim Einschlag auf dem Substrat sehr schnell (z. B. bei Raten > 10⁶ K/s für Metalle). Ein anderes Merkmal von thermisch gespritzten Materialien ist ihre Porosität, typischerweise von 1% bis 5% in Abhängigkeit von dem Spritzprozess, der Partikelgeschwindigkeit und der Größenverteilung und der Spritzdistanz. Die Porosität kann vorteilhaft sein bei tribologischen Anwendungen und bei thermischen Schutzschichten, aber im Gegensatz dazu können sie die dielektrischen Eigenschaften einer isolierenden Beschichtung negativ beeinflussen.
Beispiele der Anwendung von Plasmaspritztechniken bei Heizvorrichtungen werden in den Dokumenten US 5408070 A , US 5420395 A , US 5616263 A beschrieben, welche Verfahren zur Herstellung von Kopier- und Druckmaschinen lehren. Darüber hinaus beschreibt das Dokument US 6575729 B2 , wie wärmeleitende Bänder innerhalb oder der äußeren Oberfläche von heißen Kammern und Düsen zur Einspritzformung von bei Niedrigtemperatur schmelzenden Kunststoffmaterialien platziert werden sollen.
In Dokument WO 01/98054 A1 ist eine Heizvorrichtung offenbart, die einen Körper aus thermisch leitendem Material aufweist mit einer dielektrischen Basisschicht aus elektrisch isolierendem und thermisch leitendem Material, das bei kontrollierten Temperatur- und Druckwerten auf den Körper aufgebracht wird. Bei diesem Verfahren wird der Körper aus einem thermisch leitenden Material hergestellt, das mit dem Ausdehnungskoeffizienten der Basisschicht übereinstimmt. Auf die Basisschicht wird dann ein elektrisch leitendes Material auf eine solche Weise aufgebracht, dass ein Streifen den elektrischen Widerstand definiert und dabei das elektrisch leitende Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands ausgestattet ist.
Dieser Stand der Technik ist jedoch in der Praxis nicht direkt verwendbar für Anwendungen der vorliegenden Erfindung, im Wesentlichen weil sie keine ausreichende Verlässlichkeit oder einen ordentlichen Betrieb von Systemen ermöglichen, deren Arbeitstemperatur Werte über 500°C erreichen muss. Darüber hinaus führt der Stand der Technik zu Problemen, die mit der Heißkorrosion, der Korrosion in feuchten Umgebungen und Salzdampf, dem Risiko von Rissen und der übermäßigen Porosität in den dielektrischen Schichten zusammenhängen, mit daraus folgenden Fehlern der Heizwiderstände, genauso wie Schwierigkeiten beim Erhalten von verlässlichen elektrischen Verbindungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Aufbringen von Heizwiderständen auf Komponenten für Spritzgussgeräte mittels der „thermischen Spritz”-Technologie bereitzustellen, wobei das Aufbringen der Heizwiderstände direkt auf die Komponenten ermöglicht ist, um sie bei Temperaturen über 500°C zu betreiben und wobei auf Thermoelemente zur Steuerung des Heizwiderstandes verzichtet werden kann.
Eine weitere Verringerung von Energieverlusten wird erzielt mit einer dielektrischen Schicht angeordnet auf dem Heizer, die eine niedrige Emissivität für Infrarotstrahlung aufweist, um so die Streuung von thermischer Energie auf einem minimalen Niveau zu halten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele erreicht mit einem Verfahren und Prozessen, die die Eigenschaften haben, welche in Anspruch 1 dargelegt sind. Zusätzliche sekundäre Eigenschaften werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Eigenschaften und die Vorteile des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden sofort ersichtlich in der folgenden detaillierten Beschreibung, die nur mittels eines nicht beschränkenden Beispiels bereitgestellt wurde, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
die 1 bis 3 schematische perspektivische Ansichten sind, die einige Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung illustrieren,
4 eine schematische Querschnittsansicht ist, die ein Teil einer Komponente eines Spritzgussgerätes zeigt, am Ende der Prozesse, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung vorgesehen sind,
5 eine andere Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt,
6 ein Diagramm ist, das die relative Veränderung in linearer Dimension zeigt aufgrund der Veränderung der Temperatur für unterschiedliche Materialien, und
7 ein Widerstand/Temperatur–Diagramm ist, das reines Nickel betrifft.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit Bezug auf die 1 bis 3 soll nun die Abfolge der Vorgänge beschrieben werden, die verwendet werden zur Ausführung des Verfahrens für ein Heizelement an der äußeren Oberfläche eines zylindrischen Körpers 10, bereitgestellt mit einem Kanal 12 für den Durchgang des zu injizierende Materials.
In diesem Beispiel ist der Körper 10 bearbeitet, um einen Kern mit einem Durchgangsweg darin zu bilden, zum Übertragen des fließfähigen Materials, wie z. B. in einer Düse zum Spritzgießen von Kunststoffmaterialien. Jedoch sollte verstanden werden, dass das beschriebene Verfahren in keinster Weise beschränkt ist auf kreisförmige Zylinder oder Röhren, sondern es kann ausgedehnt werden auf die Produktion von jeder anderen Komponenten mit anderen Formen mit besonderer Wichtigkeit auf andere Komponenten eines Spritzgusssystems, wo Heizer benötigt werden, beispielsweise wie heiße Kammer, Heizplatten, Einspritzdüsen, Verlängerungen und heiße Kanäle von verschiedenen Arten sowie auf die entsprechenden elektrischen Verbindungen. Zusätzlich können Experten Anwendungen des gleichen Verfahrens konzipieren für die Realisierung von anderen Heizausrüstungen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen basiert auf der Verwendung von einer oder mehreren Spritztechniken zum Herstellen von einem oder mehreren Heizern in direktem Kontakt mit der äußeren Oberfläche des Körpers, der als eine Komponente eines Spritzgussgeräts dient. Daher ist der Heizer ein integraler Bestandteil der Struktur, die beheizt werden soll, wobei Nuten nicht notwendig sind, in die abgeschirmte Heizer eingeführt werden müssen. Diese Strategie ermöglicht die Konstruktion von beheizten Teilen mit einer niedrigem Masse, niedrigeren Wanddicke und kleinerem Oberflächengebiet, was zu beheizten Komponenten führt, mit einer effizienteren Leistungseffizienz entweder im Hinblick auf die Leistung, die bereitgestellt werden muss, um die benötigte hohe Temperatur zu erreichen und im Hinblick auf den Grad der Beheizung. Tatsächlich ist die minimale Zeit t_min um einen speziellen Gegenstand aufzuheizen geregelt durch t_min = (CMΔT)/P, wobei C die spezifische Wärme des Gegenstandes ist, M die Masse des Gegenstands, ΔT die Änderung der gewünschten Temperatur und P die elektrische Leistung, die an den Heizer bereitgestellt wird. Es wurde verifiziert, dass diese Strategie zu einer 50% geringeren Leistungsaufnahme und Heizzeit führt, als die die betrachtet wurde für eine Düse der gegenwärtigen Technologie.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Körper 10 aus einem thermisch leitfähigen Metall hergestellt, vorzugsweise aus einer Legierung mit einem kontrollierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TCE) und insbesondere einem Wert von TCE, der einen kleinen Versatz zwischen dem Körper und den nachfolgend darauf aufgebrachten Schichten garantiert, wobei dieser geringe Versatz eine wesentliche Voraussetzung ist, Risse oder andere Defekte zu vermeiden, welche sich sonst entwickeln würden bei den breiten Temperaturschwankungen, der Körper beim Betrieb erfahren würde, d. h. während den Aufheiz- und Kühlzyklen von Raumtemperatur bis zu einigen hundert Grad Celsius, die durch die Anwendung verlangt werden.
Der Ausdruck „Legierung” bedeutet im vorliegenden Kontext Fe-Ni, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-Co-basierte Legierungen genauso wie verschiedene Stähle (bezeichnet z. B. durch die Handelsnamen „Vacovit”, „Vacon”, „Kovar”, „Dilver”, „Nilo”, „Novar”, „AISI 446” (eingetragene Marken) etc.), welche TCE-Werte in der Nähe des dielektrischen Materials aufweisen, wie beispielsweise Gläser und Keramiken bei dem oben genannten Temperaturbereich, wie im Diagramm von 6 gezeigt.
Im folgenden werden die Schritte dargelegt, die die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ermöglichen:

1) Konditionieren der äußeren Oberfläche des Körpers mit Prozessen wie beispielsweise dem Bearbeiten, Entfetten, Sandstrahlen, Beizen, chemische, galvanische, Hartlöt- und Anlassbehandlungen, um die Eigenschaften der Oberfläche in Bezug auf ihr Verhalten bzgl. Korrosion zu verbessern (MIL-Salzdampf für Eisen) um die Übereinstimmung des Expansionskoeffizienten zwischen dem Körper und den späteren Schichten, die mittels thermischen Spritzens darauf abgelagert werden, zu verbessern.
2) Ablagern einer Haftbeschichtungslage mittels einer Spritztechnologie, die eine kontrollierte Dicke aufweist (in den Zeichnungen nicht sichtbar) und aus Ni, Co-Ni, NiCr, NiAl, CoNiCr, CoMoCr, NiCrAlY oder ähnlichen Materialen besteht, die den Experten im Gebiet der thermischen Spritztechniken wohl bekannt sind. Die erwähnten Haftschichten haben einen doppelten Zweck. Der erste Zweck ist, die Korrosionswiderstandsfähigkeit zu verbessern, welche andererseits ersichtlich wäre an den später abgelagerten Schichten aufgrund von Oxidation von Eisen enthaltenden Metalllegierungen des Körpers 10 und den Durchfluss von Eisenoxiden durch die Porosität der aufgespritzten dielektrischen Schicht; diese Korrosion ist insbesondere offensichtlich nach dem Aussetzen gegenüber feuchter und/oder salziger Umgebungen und sie führt zu einer Schädigung der dielektrischen Eigenschaften, im Speziellen des Widerstands und der dielektrischen Stärke der Isolierschicht und – als Folge daraus – der elektrischen Leistungsfähigkeit des Heizwiderstands. Der zweite Zweck der Haftbeschichtung ist es weiterhin, den möglichen Versatz der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Körper 10 und den danach aufgesprühten Isolierschichten zu verringern.
3) Thermische Spritzablagerung der isolierenden Schicht 14 auf die äußere Oberfläche 16 des Körpers 10 erhalten bei gesteuerten Temperatur- und Druckwerten. Das isolierende Material kann z. B. das Produkt sein, das mit dem Namen Metco 105SF von Sulzer Metco vertrieben wird, welches im Wesentlichen aus Al₂O₃ besteht. Andere Chancen bestehen darin, das Isoliermaterial aus andere Oxiden zu nehmen, sowie z. B. ZrO₂ oder Al₂O₃ + TiO₂ oder Spinelle wie beispielsweise MgAl₂O₄ oder andere. Die Isolierschicht 14 wird gespritzt mittels eines Spritzkopfes 18. In dem Fall eines Körpers mit zylindrischer Symmetrie wird eine Drehbewegung auf den Körper 10 um seine eigene Achse während des Spritzvorgangs übertragen und zur gleichen Zeit eine Translationsbewegung der spritzenden Auslassdüse des Brenners (auch als Kopf bezeichnet) 18 relativ zu dem Körper 10 in einer Richtung parallel zu der Drehachse des Körpers, wie durch die Pfeile angedeutet. Der Brenner wird das Zielgebiet mit einer konstanten Rate überstreichen.

Die Dicke der Schicht 14 liegt üblicherweise im Bereich von 100–150 Mikron und wird ausgewählt, um eine elektrische Isolierung von dem Untergrund bereitzustellen bei Temperaturen und Spannungen, bei denen das Teil verwendet wird.

4) Um auf dem Körper 10, nun durch die Schicht 14 elektrisch isoliert, den bestimmten Wert für den Heizwiderstand zu erhalten, wird eine Maske 20 auf den Körper 10 aufgebracht. Die Maske 20 klebt an der Schicht 14 und hat zumindest eine Durchgangsrille 22, welche sich gemäß einem vorbestimmten Muster erstreckt. Das Muster kann verschiedene Formen haben, z. B. linear, spiralförmig oder meanderartig. Das Design wird ausgewählt, so dass der Heizwiderstand unterschiedliche Wärmefraktionen auf die Bereiche übertragen wird, welche mehr oder weniger Wärme empfangen sollen. Nach der Positionierung der Maske 20 wird eine Schicht von elektrisch leitendem Material mittels einer thermischen Spritztechnik abgelagert. In diesem Fall wird ebenfalls eine Drehbewegung auf den Körper 10 um seine eigene Achse eingeleitet und eine Translationsbewegung wird eingeleitet zwischen dem Spritzkopf 18 und dem Körper 10 in einer Richtung parallel zu der Drehachse. Das Vorhandensein der Maske 20 bewirkt, dass das Material, das von dem Kopf 18 austritt, auf der Schicht 14 nur durch die Nut 22 abgelagert wird. Das gespritzte Material dringt in die Nut 22 ein und klebt an der Schicht 14 fest, welche während des vorherigen Spritzschrittes aufgebracht wurde. Das Muster für den Streifen 24 ist daher das gleiche wie für die Nut 22 der Maske 20 und wird so entworfen sein, dass es den benötigten Wärmefluss in Richtung des Kerns des Körpers erzeugt und daher die benötigte Temperatur um das in dem heißen Kanal fließende polymerische Material in geschmolzenem Zustand zu halten.

Es sollte erwähnt werden, dass die Maske durch ein roboterbetriebenes System ersetzt werden könnte, welches mit einem Brenner ausgestattet ist, der einen fokussierten Strahl erzeugen kann.
Das elektrisch leitende Material, das mittels des Kopfes aufgebracht wird, wird ausgewählt aus den Metallen, welche einen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes zeigen, wie beispielsweise Ni, Cu, Fe-Ni oder Äquivalente. Die Dicke der leitenden Schicht 24 kann in dem Bereich von 30 bis 100 Mikron liegen, entsprechend dem benötigten Widerstandswert für den Heizer und der elektrischen Leistung, die während des Heizvorgangs abgegeben werden soll.
An den Anschlüssen an die elektrische Stromversorgung muss die Dicke des Streifens geeignet definiert werden und üblicherweise vergrößert werden.
Nachdem das elektrisch leitende Material aufgespritzt wurde, wird die Maske 20 entfernt.

5) Eine zweite Schicht von isolierendem Material 26 wird auf den Körper 10 aufgebracht, wie schematisch in 3 gezeigt. Die zweite Schicht von isolierendem Material 26 beschichtet den leitenden Streifen 24 und die erste Schicht von isolierendem Material 14. Die zweite Schicht von isolierendem Material 26 wird aufgebracht durch Aufspritzen und Aufbringen der gleichen Rotations- und Translationsbewegungen, wie sie für die Ablagerung der vorherigen Schichten verwendet wurde oder anderweitig gemäß des vorteilhaftesten Produktionsprozesses.

Die zweite Schicht des isolierenden Materials kann die gleichen elektrischen Eigenschaften und die Zusammensetzung aufweisen, wie die erste Schicht 14, d. h. sie kann gebildet werden durch eine Schicht, die ungefähr 70 bis 100 Mikron dick ist, erhalten durch thermisches Spritzen von z. B. dem Pulver, das mit dem Code Metco 105SF beschrieben wird, welches im Wesentlichen aus Al₂O₃ oder aus anderen Materialien besteht, die eine hohe dielektrische Stärke und niedrige elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Funktion der zweiten Schicht des isolierenden Materials 26 liegt darin, die Einhaltung von elektrischen Sicherheitsstandards für Spritzgussinstallationen zu garantieren. Eine andere Anforderung für diese Schicht auf dem Körper ist, dass die Schicht, die der Umgebung gegenüberliegt, nur eine geringe Abstrahlung für Infrarotstrahlung zeigt.
Die Spritzausrüstung kann z. B. von der Art sein, die durch die Schweizer Firma Sulzer Metco AG bereitgestellt wird.
Am Ende der Abfolge der Ablagerungsschritte hat der Körper 10 einen Streifen 24 von elektrisch leitendem Material, der zwischen zwei Schichten 14 und 26 von isolierendem Material liegt, die fest auf dem Körper 10 befestigt sind und thermisch sehr gut mit dem Körper gekoppelt sind, der beheizt werden soll; diese Anordnung führt zusammen mit der Verringerung der Masse und des äußeren Oberflächengebiets zu einem Wärmeübergang der so schnell und effizient ist, um eine Verringerung der Zeit und der Leistungsaufnahme um ungefähr 50% bereitzustellen. Der Streifen 24 bildet einen heizenden elektrischen Widerstand, welcher elektrisch mit Leistung versorgt werden kann, um den Körper 10 und das Einspritzmaterial zu heizen, welches bei seiner Verwendung innerhalb des Kanals 12 fließt. Der hohe Temperaturkoeffizient des Widerstands, den das Material, welches für den Streifen 24 ausgewählt wird, zeigt, ermöglicht die Messung der Temperatur des Körpers 10 aufgrund der bekannten kalibrierten Funktion, die den Widerstand und die Temperatur in Beziehung setzt, wie in dem Diagramm von 7 im Zusammenhang mit reinem Nickel dargestellt.
Daher kann das Heizelement 24 vorteilhaft verwendet werden zur Steuerung des Systems, wobei die Notwendigkeit von steuernden Thermoelementen entfällt. Der gleiche Widerstandsstreifen kann also auch für die Belastungsmessung verwendet werden. Daher gibt es keine Notwendigkeit für andere elektrische Verbindungen außer denen für den Heizer, mit daraus folgenden niedrigen Kosten für die Materialien, Arbeitskraft und eine verbesserte Zuverlässigkeit des Systems.
Alternativ ermöglicht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung es, mit der gleichen Methodik wie oben beschrieben, jedes steuernde Thermoelement, welches notwendig sein könnte, einzusetzen. Die Verwendung von Ni-Cr-basierten Widerständen für die Heizer schließt nicht aus, dass die Thermoelemente eliminiert werden, wie oben beschrieben, durch einen weiteren Widerstandsstreifen, der aufgespritzt wird mit Materialien, welche eine automatische Regulierung ihrer Temperatur ermöglichen aufgrund der Veränderung ihres Widerstands.

6) Wenn die Isolationsschicht 26 nicht die Anforderungen von niedriger thermischer Emissivität erfüllt, wird eine weitere Beschichtung auf ihr abgelagert, mit jedem geeigneten Mittel, z. B. durch thermisches Spritzen oder Verdampfen oder Lackieren, Anstreichen u. ä. Diese Schicht mit niedriger Emissivität verringert in großem Maße den Strahlungswärmetransfer und dann verringert sie die elektrischen Leistungsverluste während des Betriebs bei den hohen Temperaturen, die für den Körper vorgesehen sind.
7) Auf ähnliche Weise, wenn die Isolationsschichten 24, 26 eine zu große Porosität zeigen, muss eine Zwischen- oder letzte Schicht eine niedrige Emissivität zeigen, um ein Eindringen von Wasser, Öl, Staub etc. zu vermeiden.

Ein praktisches Beispiel des Verfahrens gemäß dieser Erfindung, welches auch das Aufbringen von weiteren Isolations-/Abdichtlagen bereitstellt, soll nun unten in größerem Detail beschrieben werden.

1. Auswählen der Metalllegierung der Basis mit einem kontrollierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (um mit dem Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der Schichten auf der Oberfläche des Substrats überein zu stimmen oder äquivalent dazu zu sein), z. B. die Kovar- oder Vacovit-Serien oder AISI 446 o. ä..
2a. Konditionieren der Oberfläche des Körpers mittels verschiedener Prozesse, wie vorher beschrieben, und einem abschließenden Sandstrahl- und/oder Oxidationsprozess.
2b. Aufbringen mittels einer thermischen Spritztechnik einer kontrollierten Dicke einer Haftbeschichtung, bestehend aus NiCr oder NiAl, oder CoNi oder Ni oder ähnlichem, angepasst, um die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalllegierungssubstrats und der nachfolgend aufgespritzten dielektrischen Beschichtung (1. Schicht) so gut wie möglich gegenseitig in Übereinstimmung zu bringen.
3. Beschichten mit einem dielektrischen Material mit einer kontrollierten Dicke (1. Schicht), z. B. Al₂O₃ oder ZrO₂ z. B. mittels thermischen Spritztechniken.
4. Beschichten mit einem Dichtmittel mit kontrollierter Dicke (2. Schicht) z. B. Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepasst zu dem des konditionierten Körpers (z. B. 7052 Coming Glas).
5. Behandeln des Dichtmittels, wenn notwendig, durch Aufschmelzen der Glasschicht in einem Ofen, um jegliche Porosität der darunter liegenden dielektrischen Schicht zu schließen.
6. Aufbringen des leitenden Materials mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands, wie genannt, zum Zwecke der Regulierung der Temperatur und der Verbesserung der Systemzuverlässigkeit. Das Leitungsmaterial, z. B. Cu, Ni und Fe-Ni wird mittels thermischem Spritzen abgelagert.
7. Abdecken mit einem Dielektrikum, gekennzeichnet durch eine niedrige thermische Emissivität, hohe dielektrische Stärke und niedrige elektrische Leitfähigkeit (4. Schicht), z. B. Keramik oder Glas oder Emaille, aufgebracht durch thermisches Spritzen, um die elektrische Effizienz zu optimieren und eine verbesserte elektrische Sicherheit sicherzustellen.
8. Beschichten mit einer Anti-Smog-Beschichtung (zur Isolation gegenüber Öl und Feuchtigkeit) und mit niedriger Emissivität, die geeignet ist, bis 500°C zu widerstehen, wenn die 4. Lage porös ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann angewandt werden direkt auf den Komponenten des Einspritzsystems (z. B. Düsen und/oder heißen Eingussverteilern) und an Zubehörteilen (Spulen, Platten), die in Oberflächenkontakt auf die vorherigen aufgebracht werden, wobei ein Betrieb gewährleistet wird mit Temperaturen bis zu ungefähr 500°C. In anderen Worten kann das Verfahren verwendet werden, um einen oder mehrere Heizwiderstände an der Oberfläche von jeder Komponente für Spritzgussgeräte und für Heizausrüstungen im Allgemeinen zu bilden. Natürlich, wenn die Oberfläche, worauf der Heizwiderstand erhalten werden soll, eben ist, ist es nicht notwendig, die Drehbewegung auf den Körper während des Spritzschrittes zu übertragen.
In eine speziellen Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auf einen Injektor mit zylindrischer oder konischer Form kann eine Komponente mit komplementärer Form (Spule) verwendet werden, worauf ein Widerstandsstreifen hinzugefügt ist, der in der Art und Weise wie oben beschrieben aufgespritzt wurde. Diese Ausführungsform ist in 5 illustriert, mit Bezug auf eine zylindrische Anordnung von dem Injektor 10 und der Spule 30 mit dem Streifen 24. Im Falle einer konischen Anordnung ist die Konizität der Verbindung vorteilhaft, um einen optimalen Kontakt zwischen den Oberflächen des Injektors 10 und der Spule 30 zu erhalten, und daher eine effektive Wärmeübertragung.
Wie gesagt kann das Verfahren gemäß der Erfindung auch verwendet werden, um durch Aufspritzen Thermoelemente zu bilden, um die Heizwiderstände zu steuern, wenn notwendig. Jedoch schließt dies nicht aus, dass die Thermoelemente eliminiert werden können, wie oben beschrieben, mittels dem Widerstandsstreifen, der aufgespritzt wird mit Materialien, welche es ermöglichen, automatisch seine Temperatur zu regulieren, aufgrund der Variation ihres Widerstands. Darüber hinaus kann das Verfahren gemäß der Erfindung auch verwendet werden, um durch Aufspritzen Kontakte zur elektrischen Verbindung des oder jedes Widerstands der Komponente zu bilden.
Zusammengefasst besteht die Innovation auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung darin, Installationen mit heißen Kanälen für das Spritzgießen von Kunststoffmaterialien zu erhalten, die bei Temperaturen bis zu 500°C betrieben werden, mittels Spritztechniken, gekennzeichnet durch die Auswahl des Basismetalls, der am meisten geeigneten Spritztechnologie und geeigneten Unterstützungstechnologien mit Bezug auf die Erhaltung von festen elektrischen Verbindungen, kompakten Isolationsschichten, heizenden Widerstandsschichten in direktem Kontakt mit dem Metall mit einem hohen Temperaturkoeffizient des Widerstands, auch um die Verwendung von Thermoelemente zu vermeiden, was folglicher weise die Verlässlichkeit und die Vereinfachung der Verdrahtung erhöht, und von äußeren Schichten mit niedriger thermischer Emissivität, um den Verbrauch zu verringern und die Übereinstimmung mit Sicherheitsstandards sicherzustellen zusammen mit einem Schutz des Systems gegenüber Smog, Feuchtigkeit, Wasser, Öl etc.
Darüber hinaus verbessert die Verwendung von Schichten (über den Heizschichten), welche isolierend sind und gegenüber der Umgebung undurchdringbar sind, mit niedriger Emissivität die Effizienz des elektrischen Verbrauchs.
Daher sind die Hauptvorteile der Erfindung die unten aufgelisteten:

1. Die Kopplung zwischen dem metallischen Träger und den Isolationsschichten und den leitenden aufgespritzten Streifen (durch thermisches Spritzen oder ähnlichen Technologien) basierend auf übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten verhindert gefährliche Fehler in den Lagen und stellt daher einen optimalen Betrieb sicher.
2. Die Möglichkeit eines kontinuierlichen Betriebs des Systems bis zu 500°C und in jedem Fall für jede Temperatur, die benötigt wird für das zu formende Kunststoffmaterial.
3. Mögliche Eliminierung von Steuerungsthermoelementen auf Grund der Verwendung von Widerstandsstreifen aus Materialien mit einem hohen Temperaturkoeffizienten ihres Widerstands in solch einer Weise, um die Temperatur direkt durch eine ohmsche Messung zu steuern, die durchgeführt wird in dem Widerstandsstreifen selbst mittels einer geeigneten Regeleinheit.
4. Verbesserung der elektrischen Effizienz im Hinblick auf eine verringerte Leistungsaufnahme.
5. Das Vorsehen von zuverlässigen Kontakten und elektrischen Verbindungen.
6. Die Möglichkeit, einfach anordenbare Widerstände bereitzustellen, d. h. auf röhrenförmigen Körpern, welche entworfen wurden über Einspritzdüsen o. ä. montiert zu werden.
7. Verringerung der Herstellungskosten.
8. Die Verringerung der Leistungsaufnahme und die Erhöhung der Heizgeschwindigkeit sind so erwähnenswert, dass es möglich wird eine Niedervolt-Stromversorgung (24–48 V) zu verwenden und diese auch geeignet ist, und folglich lösen sich viele technische Probleme in Luft auf, zusammen mit einer weiteren Verringerung der Kosten und Vorteile im Hinblick auf die Zuverlässigkeit.

Als letztes sollte daran erinnert werden, dass das angedachte Heizsystem verwendet werden kann, entweder direkt auf Düsen und Verteilern von heißen Eingüssen oder anderen Untersystemen, oder an Zubehörteilen und zusätzlichen Elementen, welche angebracht werden an den oben genannten Elementen mittels Oberflächenkontakt.
Natürlich ohne von den Prinzipien der Erfindung abzuweichen, können die Konstruktionskomponenten und die Ausführungsformen weit variiert werden, von dem, was hierin beschrieben und dargestellt wurde, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert wird.
Daher, wie hervorgehoben, umfassen elektrische Heizwiderstände, die gemäß der Erfindung bereitgestellt wurden, Widerstandselemente, die entworfen wurden, um Hitze sowohl widerstandsmäßig (d. h. traditionell wirkend aufgrund des Joule-Effekts) als auch induktiv zu erzeugen. Im letzteren Fall kann der aufgespritzte Materialstreifen des elektrisch leitenden aufgespritzten Streifens 24 vorzugsweise aus einem hoch leitenden Material wie z. B. Ni und/oder Ag oder Cu bestehen.

Claims

Verfahren zur Produktion von Heizeinrichtungen für Komponenten für Geräte zum Spritzgießen von Kunststoffmaterialien, aufweisend: – einen Körper (10) aus thermisch leitendem Material; – zumindest eine Basisschicht (14) aus elektrisch isolierendem und thermisch leitendem Material, aufgebracht auf den Körper (10) bei kontrollierten Temperatur- und Druckwerten; – zumindest einen heizenden elektrischen Widerstand (24), aufgebracht auf die Basisschicht (14); wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Herstellen eines Körpers (10) aus thermisch leitendem Material aus einer Metalllegierung, die einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der mit dem der Basisschicht (14) übereinstimmt; – Aufbringen der Basisschicht (14) auf den Körper (10); – Aufspritzen einer Schicht aus elektrisch leitendem Material als Widerstand (24) auf die Basisschicht (14) in Form zumindest eines Streifens, wobei der Streifen den heizenden elektrischen Widerstand definiert und einen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Körper (10) einen Durchgang (12) für zu injizierendes Kunststoffmaterial aufweist; – eine Haftschicht auf den Körper (10) aufgebracht wird; und – die Basisschicht (14) auf die Haftschicht aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufbringens der Basisschicht (14) auf den Körper (10) mittels thermischer Spritztechniken durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Aufspritzen des Widerstands (24) mittels thermischen Spritztechniken durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Aufbringens einer Maske (20) auf den Körper (10) umfasst, die mit zumindest einer Durchgangsnut (22) versehen ist, welche sich gemäß einem vorbestimmten Pfad erstreckt und in die das elektrisch leitende Material auf den Körper (10) gespritzt wird, wobei die Maske (20) dann entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der elektrisch heizende Widerstand mittels eines Robotersystems abgelagert wird, das mit einem Brenner ausgestattet ist, der geeignet ist, einen fokussierten Strahl zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Vorheizens der Basisschicht (14) und des Aufbringens einer Schicht von Dichtmaterial darauf aufweist, bevor die Maske (20) auf den Körper (10) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Aufbringens einer zweiten Schicht aus elektrisch iso lierendem Material (26) auf den Körper (10) nach dem Entfernen der Maske (20) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufbringens der zweiten Schicht aus elektrisch isolierendem Material (26) auf den Körper (10) mittels thermischen Spritztechniken durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrisch isolierende Schicht (26) aus einem dielektrischen Material mit niedriger thermischer Emissivität hergestellt wird.
Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt des Aufbringens einer Dichtbeschichtung mit hoher Dielektrizitätszahl, niedriger elektrischer Leitfähigkeit und niedriger thermischer Emissivität auf die Basisschicht (14) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung aus der Klasse von Kovar- oder Vacovit-Legierungen, AISI 446 Stahl und ähnlichen ausgewählt wird.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende und thermisch leitende Material der Basisschicht (14) Aluminiumoxid, Zirkon und ähnliches ist.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für den Widerstand (24) ausgewählt wird unter Ni, Cu, Fe-Ni und Ni-Cr.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Herstellung des heizenden elektrischen Widerstandes (24) aus einem elektrisch leitenden Material mit hohem Temperaturkoeffizient des Widerstands, eine Selbstregelung der Heiztemperatur ermöglicht wird.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin das Aufspritzen von zumindest einem steuernden Thermoelement oder zumindest dem Streifen (24) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es das Aufbringen einer Schicht mit niedriger thermischer Emissivität auf die zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Material (26) aufweist, wenn die zweite Schicht (26) nicht die Anforderungen von niedriger thermischer Emissivität erfüllt.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass es das Aufbringen einer Antismog-Schicht auf die zweite Schicht aus elektrisch isolierendem Material (26) umfasst, die eine niedrige Emissivität aufweist und die Fähigkeit, die unteren Schichten vor Feuchtigkeit, Öl und anderen Verschmutzungen zu schützen.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleich der thermischen Expansionskoeffizienten der Metalllegierung des Körpers (10) und der Basisschicht (14) mittels einer Haftbeschichtung erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aufbringens der Haftschicht auf den Körper (10) mittels einer thermischen Spritztechnik durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht besteht aus Ni, NiCr, NiAl, CoNi, CoNiCr, CoMoCr oder NiCrAlY.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin aufweist die Konditionierung der Oberfläche des Körpers (10) durch Behandlungen, die ausgewählt werden aus mechanischen, chemischen und Wärmebehandlungen, gefolgt durch Sandstrahlen und/oder Oxidation, bevor die Haftschicht aufgespritzt wird.
Verwendung des Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 20 zur Produktion von Heizeinrichtungen, die mit einer Niederspannung 24–48 V versorgt werden.
Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 20 für die Herstellung von Hilfsheizelementen (30), die nachfolgend in Oberflächenkontakt mit den Komponenten für Geräte für das Spritzgießen von Kunststoffmaterialien verwendet werden.