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Die
Erfindung betrifft eine Verschlußdüse für eine Spritzeinheit einer
Kunststoff-Spritzgießmaschine
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Derartige
Verschlußdüsen sind
in vielfältigen Ausgestaltungen
aus dem Stand der Technik bekannt, wobei üblicherweise die Betätigung des Schließorgans über einen
hydraulisch betätigten
Hebel erfolgt (Johannaber, „Kunststoff-Maschinenführer", 4. Ausgabe, Hanser-Verlas,
Kapitel 2.1.4.2).
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Aus
der
DE 40 21 782 A1 ist
eine Verschlußdüse mit einer
schräg
in die Düsenspitze
eintauchenden Verschlußnadel
bekannt, wobei als Antrieb der Verschlußnadel ein hydraulischer, pneumatischer oder
elektrischer Antrieb vorgesehen ist.
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Aus
dem Stand der Technik sind desweiteren Verschlußdüsen bekannt, bei denen zum
Betätigen des
Schließorgans
ein Elektromagnet vorgesehen ist (
DE 101 38 086 A1 ,
US 5,288,225 A . Nachteilig
bei der Verwendung von Elektromagneten ist, dass die Wirkung des
Magnetfelds mit der Entfernung rasch abfällt. Wenn das Schließorgan von
seiner Offenstellung in die Schließstellung gebracht werden soll, muss
der auf das Schließorgan
wirkende Anker des Elektromagneten über eine bestimmte Strecke
bewegt werden können,
was voraussetzt, dass das Magnetfeld über diese gesamte Strecke eine
gewisse Mindestfeldstärke
aufweist. Dies setzt die Verwendung eines geeignet starken Elektromagneten
voraus.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine verbesserte
Verschlußdüse anzugeben,
die insbesondere für
hohe Schließkräfte geeignet
ist, wie sie beim sogenannten Expansionsspritzgießen auftreten,
bei dem die Schmelze zunächst
unter einem hohen Druck gehalten und dann schlagartig in die Form
eingespritzt wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch eine Verschlußdüse mit den Merkmalen von Anspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen sind in
den Unteransprüchen
angegeben.
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Dadurch
dass ein sowohl druckmediumbetätigtes
als auch mit magnetischer Kraft betätigtes Schließorgan vorgesehen
ist, kann gerade in dem Zustand des Zuhaltens der Verschlußdüse eine
vergleichsweise hohe Kraft aufgebracht werden. Zum Verfahren des
Schließorgans
aus der Offenstellung in die Schließstellung wirkt im wesentlichen
nur das Druckmedium, während
in der Haltephase, wenn also z.B. die Schmelze unter hohem Druck
steht, einerseits eine hohe magnetische Kraft wirkt (der Anker befindet
in unmittelbarer Nähe
des Magneten oder ist auf Anschlag an diesem) und andererseits zusätzlich das
Druckmedium als weitere Kraft.
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Als
Antriebsmechanismus kann ein Hebel vorgesehen werden, dessen Kraftarm
mit der Kolbenstange einer hydraulisch oder druckluftbetätigten Kolben-Zylinder-Einheit
verbunden ist, wobei auf den Kraftarm zusätzlich eine magnetische Kraft
ausübbar ist,
und wobei mit dem Lastarm das Schließorgan betätigbar ist. Die zusätzliche
magnetische Kraft kann in einfacher Weise dadurch erzeugt werden,
dass der Kolben als Anker eines bestrombaren elektrischen Hubmagneten
ausgebildet ist, der Teil der Kolben-Zylinder-Einheit ist. Insbesondere
kann der Hubmagnet als Teil des Zylinders ausgebildet sein, beispielsweise
eine Gehäusewand
bilden, oder in den Zylinder eingebaut sein. Wenn man anstelle eines
Hydraulikmediums nur Druckluft verwendet, ist die Verschlußddüse auch
für Reinraumanwendungen
tauglich.
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Bevorzugt
handelt es sich um eine Nadelverschlußdüse, deren Nadel das Schließorgan bildet. Die
Nadel kann in der zentralen Spritzachse angeordnet und axial bewegbar
sein; sie kann aber auch schräg
in die Verschlußdüse eintauchen.
Desweiteren kann auch ein Schließweg orthogonal zu der zentralen
Spritzachse vorgesehen sein, wie dies bei Schiebebolzen-Verschlußdüsen der
Fall ist.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die Figuren näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 Nadelverschlußdüse mit in
der Spritzachse liegender und über
einen Hebel betätigter
Nadel
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2 Nadelverschlußdüse mit schräg eintauchender
Nadel
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Gemäß der 1 ist
eine Nadelverschlußdüse 26,
umfassend ein Düsengehäuse 21 sowie eine
Düsenspitze 16 mittels
eines Flansches 14 am vorderen Ende des Plastifizierzylinders 12 einer Plastifiziereinheit
befestigt. Innerhalb der Nadelverschlußdüse 26 befindet sich
eine Ventilkammer 10, die über einen Schmelzekanal 9 mit
dem Schneckenvorraum 6 der Plastifiziereinheit strömungstechnisch verbunden
ist. Innerhalb der Ventilkammer 10 ist eine Nadel 1 vorgesehen,
die einen hinteren Abschnitt 23 und einen vorderen Abschnitt 18 besitzt,
wobei der vordere Abschnitt einen geringeren Durchmesser aufweist
als der hintere Abschnitt und wobei ein konusförmiges Übergangsstück 25 zwischen den
beiden Abschnitten 18 und 23 gebildet wird. Mit
ihrem dickeren hinteren Abschnitt 23 ist die Nadel 1 in
einer mit einer Dichtung 27 ausgestatteten Bohrung 28 axial
verschieblich gelagert und ragt mit ihrem hinteren Ende 7 aus
dem Düsengehäuse 21 heraus
in eine Ausnehmung 11 hinein, die sich radial von außen bis in
den Bereich der zentrale Achse A hinein erstreckt. In der Düsenspitze 16 befindet
sich ein Kanal 2, der an seinem in die Ventilkammer 10 mündenden
Ende eine konusförmige
Erweiterung 24 aufweist, die als Dichtfläche dient
und an die die entsprechend konusförmig ausgestaltete Spitze 3 der
Düsennadel 1 zum Zwecke
der Abdichtung des Kanals 2 angepreßt werden kann.
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Der
Antriebsmechanismus 36 umfaßt einen zweiarmigen Hebel 19,
der um eine sich orthogonal zur zentralen Achse A befindlichen Achse 20 drehbar gelagert
ist sowie eine Kolben-Zylinder-Einheit 4 mit integriertem
Hubmagneten 31. Die Betätigung
des Hebels erfolgt über
eine an dem Hebelarm 19a (Kraftarm) angelenkte und um eine
Achse 22 drehbare Stange 8. Der Hebelarm 19b (Lastarm)
wirkt auf das hintere Ende 7 der Nadel 1 und drückt beim
Anziehen der Stange 8 (Bewegung nach rechts in der Figur)
die Spitze 3 an die Dichtfläche 24 in der Düsenspitze 16.
Zur Betätigung
des Hebels 19 ist ein druckmittelbetätigter Kolben in Verbindung
mit einem magnetischen Haltemittel wie folgt vorgesehen. Eine Kolben-Zylinder-Einheit 4 umfaßt einen
Zylinder 5, in dem ein Kolben 13 mit einer Kolbenstange 15 axial verschieblich
ist. Die Kolbenstange 15 ragt aus dem Zylnder 5 heraus
und ist mit der Stange 8 verbunden. Denkbar ist aber auch,
dass die Kolbenstange 15 direkt an dem Hebelarm 19a angelenkt
ist. Auf der Seite der Kolbenstange wird eine Druckkammer 17 gebildet
(kolbenstangenseitige Druckkammer), an die Druckleitungen 33a und 33b mit
Ventilen 29a und 29b angeschlossen sind. Über eine
der Druckleitungen, beispielsweise 33a kann ein Druckmedium,
wie beispielsweise ein Hydrauliköl
oder Druckluft, in die Druckkammer 17 zugeführt werden,
wohingegen das Abströmen
dieses Druckmediums über
die andere Druckleitung – hier
also 33b – erfolgen
kann. Auf der der Kolbenstange abgewandten Seite des Kolbens 13 wird
eine kolbenseitige Kammer 32 gebildet, die über eine
oder mehrere Öffnungen 30 mit
der Atmosphäre
in Verbindung steht. An der hinteren Gehäusewand ist ein elektrischer
Hubmagnet 31 angeordnet, der im Falle der Bestromung ein
Magnetfeld erzeugt, das auf den Kolben 13 eine anziehende
Kraft ausübt; der
Kolben wirkt hierbei als Anker, der von dem Hubmagneten angezogen
wird.
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Nachfolgend
soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Nadelverschlußdüse beschrieben werden.
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Es
soll ausgegangen werden von einem geöffneten Zustand der Nadelverschlussdüse, d.h.
die Spitze 3 der Nadel 1 befindet sich auf Abstand
von der Dichtfläche 24 und
der Kolben 13 befindet sich in einer vorderen Position.
Nach Beendigung eines Einspritzvorgangs muss die Nadel 1 nach
vorne verfahren und an die Dichtfläche 24 gepreßt werden.
Hierzu wird bei geschlossenem Ventil 29b und geöffnetem Ventil 29a über die
Druckleitung 33a das Druckmedium in die Druckkammer 17 gefördert und
infolgedessen der Kolben 13 in der Figur nach rechts verschoben.
Diese Bewegung wird über
die Stange 8 und den zweiarmigen Hebel 19 in eine
Vorwärtsbewegung
der Nadel 1 umgesetzt. Bei dieser Rückwärtsbewegung des Kolbens 13 kann
die sich in der kolbenseitigen Kammer 32 befindliche Luft über die Öffnungen 30 in
die Umgebung entweichen. Wenn sich der Kolben 13 dem bestromten
elektrischen Hubmagneten 32 nähert, wirkt zunehmend auch
eine magnetische Anziehungskraft auf den Kolben. Wenn dieser seine
nächste
Position zu dem Hubmagneten eingenommen hat oder gar auf Anschlag
an dem Hubmagneten 31 anliegt, ist die magnetische Anziehungskraft
am größten und
entsprechend groß ist auch
die Kraft, mit der die Nadel 1 nach vorne an die Dichtfläche 24 gedrückt wird.
In die entgegengesetzte Richtung wirkt die vom Schmelzedruck auf
die projizierte Fläche
des Übergangsstücks 25 ausgeübte Kraft.
Die auf den Kolben 13 ausgeübte Kraft zum Schließen der
Nadel 1, d.h. die Summe aus der von dem Druckmedium erzeugten
Kraft und der magnetischen Kraft, muss größer sein als die auf das Übergangsstück 25 ausgeübte Gegenkraft,
um die Nadelverschlußdüse geschlossen
zu halten. Die Bestromung des elektrischen Hubmagneten 31 wird
solange aufrechterhalten, wie die Verschlußdüse geschlossen gehalten werden
muss. Es empfiehlt sich, für
diese Zeit das Ventil 29a zu schließen und das Druckmedium in
der Druckkammer 17 einzusperren. Es ist aber auch möglich, das
Ventil 29a geöffnet
zu lassen und die Druckkammer 17 mittels der hier nicht dargestellten
Druckmediumquelle unter Druck zu halten.
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Zum Öffnen der
Nadelverschlußdüse genügt es, die
Bestromung des elektrischen Hubmagneten 31 abzuschalten,
das Ventil 29a zu schließen (falls noch nicht erfolgt)
und das Ventil 29b zu öffnen. Durch
den auf das Übergangsstück 25 ausgeübten Schmelzedruck
kommt es zu einer Rückwärtsbewegung
der Nadel 1, wobei unmittelbar nach dem Abheben der Spitze 3 auch
auf deren Fläche
eine Kraft in Öffnungsrichtung
der Nadel ausgeübt
wird. Diese Rückwärtsbewegung
der Nadel 1 wird über
den Hebel 19 in eine Vorwärtsbewegung des Stange 8 und damit
des Kolbens 13 umgesetzt. Bei dieser Vorwärtsbewegung
kann das in der Druckkammer 17 befindliche Druckmedium über das
Ventil 29b und die Druckleitung 33b abströmen und über die Öffnungen 30 Luft
in die kolbenseitige Kammer 32 einströmen.
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Die
in der 2 dargestellte Ausführungsform weist eine schräg in das
Düsengehäuse 21 und die
Düsenspitze 16 eintauchende
und auf die Dichtfläche 24 andrückbare Nadel 1 auf,
mit der der Kanal 2 verschlossen werden kann, damit keine
Schmelze aus dem Schmelzekanal 9 ausströmen kann. Als Antriebsmechanismus 36 der
Nadel 1 ist – wie
oben in dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 – ein druckmittelbetätigter Kolben
in Verbindung mit einem magnetischen Haltemittel vorgesehen. Eine
Kolben-Zylinder-Einheit 4 umfaßt einen
Zylinder 5, in dem ein Kolben 13 mit einer Kolbenstange 15 axial verschieblich
ist. Die Kolbenstange 15 ragt aus dem Zylnder 5 heraus
und ist mit einer an die Nadel 1 gekoppelten Stange 8 verbunden.
Denkbar ist aber auch, dass die Kolbenstange 15 direkt
an der Nadel 1 angelenkt ist. Auf der Seite der Kolbenstange
wird eine kolbenstangenseitige Kammer 34 gebildet, die über Öffnungen 30 mit
der Umgebung bzw. der Atmosphäre
in Verbindung steht. Auf der der Kolbenstange abgewandten Seite
des Kolbens 13 wird eine kolbenseitige Druckkammer 35 gebildet,
an die Druckleitungen 33a und 33b mit Ventilen 29a und 29b angeschlossen
sind. Über
eine der Druckleitungen, beispielsweise 33a kann ein Druckmedium,
wie beispielsweise ein Hydrauliköl
oder Druckluft, in die kolbenseitige Druckkammer 35 zugeführt werden, wohingegen
das Abströmen
dieses Druckmediums über
die andere Druckleitung – hier also 33b – erfolgen
kann. An der vorderen Gehäusewand
ist ein elektrischer Hubmagnet 31 angeordnet, der im Falle der
Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, das auf den Kolben 13 eine
anziehende Kraft ausübt;
der Kolben wirkt hierbei als Anker, der von dem Hubmagneten angezogen
wird.
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Die
Funktionsweise dieser Verschlußdüse ist im
Prinzip die Gleiche wie oben beschrieben, wobei jedoch im Unterschied
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 das
Druckmedium auf der Seite des Kolbens zu- und abgeführt wird.
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Um
die Veschlußdüse zu verschließen muss der
Kolben nach vorne bewegt werden, damit die Nadel 1 von
der Kolbenstange 15, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung
der Stange 8, nach vorne verfahren und auf Anschlag mit
der Dichtfläche 24 gebracht werden
kann. Hierzu wird bei geschlossenem Ventil 29b und geöffnetem
Ventil 29a über
die Druckleitung 33a das Druckmedium in die kolbenseitige
Druckkammer 35 gefördert
und infolgedessen der Kolben 13 in der Figur nach links
oben verschoben. Bei dieser Bewegung des Kolbens 13 kann
die sich in der kolbenstangenseitigen Kammer 34 befindliche
Luft über
die Öffnungen 30 in
die Umgebung entweichen. Wenn sich der Kolben 13 dem bestromten
elektrischen Hubmagneten 32 nähert, wirkt zunehmend auch
eine magnetische Anziehungskraft auf den Kolben. Wenn dieser seine
nächste
Position zu dem Hubmagneten eingenommen hat oder gar auf Anschlag
an dem Hubmagneten 31 anliegt, ist die magnetische Anziehungskraft
am größten und
entsprechend groß ist
auch die Kraft, mit der die Nadel 1 nach vorne an die Dichtfläche 24 gedrückt wird.
In die entgegengesetzte Richtung wirkt die vom Schmelzedruck auf
die projizierte Fläche
der freiliegenden Spitze 3 ausgeübte Kraft. Die auf den Kolben 13 ausgeübte Kraft
zum Schließen
der Nadel 1, d.h. die Summe aus der von dem Druckmedium
erzeugten Kraft und der magnetischen Kraft, muss größer sein
als die zuvor genannte Gegenkraft, um die Nadelverschlußdüse geschlossen
zu halten. Die Bestromung des elektrischen Hubmagneten 31 wird
solange aufrechterhalten, wie die Verschlußdüse geschlossen gehalten werden
muss. Es empfiehlt sich, für
diese Zeit das Ventil 29a zu schließen und das Druckmedium in der
Druckkammer 17 einzusperren. Es ist aber auch möglich, das
Ventil 29a geöffnet
zu lassen und die Druckkammer 17 mittels der hier nicht
dargestellten Druckmediumquelle unter Druck zu halten.
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Zum Öffnen der
Nadelverschlußdüse genügt es, die
Bestromung des elektrischen Hubmagneten 31 abzuschalten,
das Ventil 29a zu schließen (falls noch nicht erfolgt)
und das Ventil 29b zu öffnen. Durch
den auf die Spitze 3 ausgeübten Schmelzedruck kommt es
zu einer Rückwärtsbewegung
der Nadel 1, wobei unmittelbar nach dem Abheben der Spitze 3 von
der Dichtfäche 24 auch
auf die im Schließzustand
verdeckten Flächen
der Spitze 3 eine Kraft in Öffnungsrichtung der Nadel ausgeübt wird. Bei
dieser Rückwärtsbewegung
der Nadel 1 und der mit ihr gekoppelten Kolbenstange 15 kann
das in der kolbenseitigen Druckkammer 35 befindliche Druckmedium über das
Ventil 29b und die Druckleitung 33b abströmen und über die Öffnung 30 Luft
in die kolbenseitige Kammer 32 einströmen. Gegebenenfalls kann an
die Öffnung 30 auch
eine Leitung für
ein Druckmedium angeschlossen werden, beispielsweise um die Rückwärtsbewegung
des Kolbes zu unterstützen.
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- 1
- Nadel
- 2
- Kanal
- 3
- Spitze
der Nadel 18
- 4
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 5
- Zylinder
- 6
- Schneckenvorraum
- 7
- Hinteres
Ende der Nadel 18
- 8
- Stange
- 9
- Schmelzekanal
- 10
- Ventilkammer
- 11
- Ausnehmung
im Düsengehäuse 21
- 12
- Plastifizierzylinder
- 13
- Kolben
- 14
- Flansch
- 15
- Kolbenstange
- 16
- Düsenspitze
- 17
- Kolbenstangenseitige
Druckkammer
- 18
- Vorderer
Abschnitt der Nadel
- 19
- Hebel
- 19a,
19b
- Hebelarme
- 20
- Achse
- 21
- Düsengehäuse
- 22
- Achse
- 23
- Hitnerer
Abschnitt der Nadel
- 24
- Dichtfläche
- 25
- Übergangsstück
- 26
- Nadelverschlußdüse
- 27
- Dichtung
- 28
- Bohrung
- 29a,
29b
- Ventile
- 30
- Öffnungen
- 31
- Elektrischer
Hubmagnet
- 32
- Kolbenseitige
Kammer
- 33a,
33b
- Druckleitungen
- 34
- Kolbenstangenseitige
Kammer
- 35
- Kolbenseitiger
Druckraum
- 36
- Antriebsmechanismus