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Die
Erfindung betrifft einen Umlenkstopfen für Spritzgiesswerkzeuge, insbesondere
für Heißkanalsysteme nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Umlenkstopfens
nach Anspruch 10.
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Beim
maschinellen Spritzgießen werden Heißkanalsysteme
zur Verarbeitung von Kunststoffen verwendet. Die zu verarbeitende
Kunststoffschmelze wird in dem Heißkanalsystem durch entsprechende
Heizeinrichtungen auf eine bestimmte Verarbeitungstemperatur gebracht
und gehalten, sodass die Kunststoffschmelze auch über größere
Distanzen in dem Spritzgiesswerkzeug geleitet werden kann, ohne
zu erkalten. Durch ein Abkühlen der Kunststoffschmelze
würde die Fertigungsqualität vermindert bzw. ein
Füllen der Formnestes erschwert oder verhindert. Das Heißkanalsystem
endet in der Heißkanaldüse, die ebenfalls beheizt
ist. Die Heißkanaldüse stellt dabei den Übergang
zwischen dem beheizten und dem unbeheizten Bereich in dem Spritzwerkzeug
dar.
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Ein
Heißkanalsystem umfasst wenigstens eine Angussbuchse, einen
beheizten Verteilerbalken und eine oder mehrere beheizte Heißkanaldüsen.
In einem Verteilerbalken wird die Kunststoffschmelze in gebohrten
Fließkanälen geführt. Zum Umlenken der Kunststoffschmelze
in dem Verteilerbalken sind dabei Umlenkstopfen vorgesehen, wobei
der Umlenkstopfen zum Beispiel zwei manuelle gefertigte Bohrungen
aufweist, die, um einen Durchflusskanal für die Kunststoffschmelze
zu bilden, in dem Umlenkstopfen aufeinandertreffen. Dabei müssen
sich die beiden Bohrungen treffen oder kreuzen sich sogar, wobei
an den Rändern der beiden Bohrungen scharfe Kanten gegeben
sind, welche eine Stagnationszone für die Kunststoffschmelze
ausbilden und/oder die Kunststoffschmelze zu stark scheren.
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Um
eine Stagnationszone zu vermeiden, müssen die Kanten aufwendig
per Hand verschliffen werden, wobei aufgrund der manuell ausgeführten Verschleifung
jedoch immer tote Ecken verbleiben. Ferner ist bei diesen aus der
Praxis bekannten Umlenkstopfen von Nachteil, dass der Durchflusskanal eine
eckige Umlenkung für die Kunststoffschmelze aufweist, da
durch das Bohren des Kanals in den beiden aufeinandertreffenden
Bohrungen immer eine Ecke verbleibt und ein Schleifen dieser Ecke
in dem Einsatzkörper nicht möglich ist.
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Die
DE 102 53 080 C1 beschreibt
eine Angussvorrichtung für Spritzwerkzeuge, wobei die Angussvorrichtung
aus einem Einsatzkörper mit einem Angusskanal besteht.
Die Angussvorrichtung wird in eine Aussparung des Spritzgiesswerkzeuges
eingesetzt. Der Einsatzkörper besteht aus einem Stahl-Kunststoffverbund
oder einem Sinter-Material, das nach dem sogenannten MIM (Metall
Injection Molding) hergestellt ist. Der Einsatzkörper wird
dabei derart hergestellt, dass dieser oberhalb seines Ausgusskanals
einen Nachbearbeitungsbereich aufweist, in dem eine Anschnittsöffnung
und/oder eine vorgesehene Formkontur nachträglich eingearbeitet wird.
Dieser Nachbearbeitungsbereich wird mittels eines spannenden oder
funkenerosiven Verfahrens nachgearbeitet.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Umlenkstopfen für
Spritzgiesswerkzeuge anzugeben, der ein ungehindertes Durchfließen
und Umlenken einer Kunststoffschmelze ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Umlenkstopfen wird in einem Verteilerbalken
eines Spritzgiesswerkzeuges zum Beispiel dazu verwendet, dass die
Kunststoffschmelze durch das Werkzeug zu der Spritzdüse geführt
wird. Hierbei ist es zu vermeiden, dass die Kunststoffschmelze auf
deren Weg zu der Spritzdüse durch Scherung geschädigt
wird bzw. in Stagnationszonen thermisch geschädigt wird.
Der Durchflusskanal in dem Einsatzkörper weist hierzu wenigstens eine
Eintritts- und eine dazu abknickende Austrittsöffnung für
eine Kunststoffschmelze auf. Die Eintrittsöffnung und die
Austrittsöffnung sind hierbei erfindungsgemäß einstückig
miteinander verbunden, sodass der Durchflusskanal einen einstückigen
bzw. einteiligen gleichförmigen Kanal für die
Kunststoffschmelze in dem Einsatzkörper ausbildet. Dadurch
fließt die Kunststoffschmelze ungehindert durch den Einsatzkörper
und wird vollständig zu der Spritzdüse geführt.
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Durch
die einteilige bzw. einstückige Ausbildung des Durchflusskanals
wird ferner vermieden, dass der Durchflusskanal eine eckige Umlenkung
sowie damit verbundene toten Ecken aufweist, in denen sich die Kunststoffschmelze
ansammeln kann.
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Der
Durchflusskanal ist vorteilhaft radienförmig abknickend
vorgesehen, wodurch weiter sicher gestellt wird, dass der Durchflusskanal
keine toten Ecken aufweist und die Scherung minimiert wird.
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Zweckmäßig
weist der Durchflusskanal eine Ausgestaltung in dem Einsatzkörper
derart auf, dass der Durchflusskanal weich abknickend vorgesehen ist,
d. h. dass der Durchflusskanal möglichst keinen Umlenkwinkel
von kleiner als 90° aufweist. Dadurch wird weiter sicher
gestellt, dass die Kunststoffschmelze ungehindert und verlustfrei
durch den Durchflußkanal des Umlenkstopfens zu der Spritzdüse
geleitet wird. In einem Umlenkstopfen weist der Durchflusskanal
in der Regel einen abknickenden radienförmigen Umlenkwinkel
von 90° zwischen der Eintrittsöffnung und der
Austrittsöffnung auf.
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Um
sicher zu stellen, dass der Umlenkstopfen derart zentriert in dem
Verteilerbalken angeordnet ist, dass die Eintrittsöffnung
und die Austrittsöffnung des Durchflusskanals mit den angrenzenden weiterführenden
Kanälen dicht abschließen, sodass die Mittelachse
des gesamten Fließkanals auf der exakten Position gehalten
wird, weist der Einsatzkörper zumindest eine seitliche
Ausnehmung auf. Um nun den Umlenkstopfen exakt zu zentrieren, wird
in die Ausnehmung ein Gewindestift geschraubt. Zweckmäßig
ist die Ausnehmung dabei kegelförmig ausgebildet, damit
der Gewindestift entlang der kegelförmigen Ausnehmung geführt
ist. Die Spitze des Kegels der Ausnehmung bildet dabei den gewünschten
Zentrierungspunkt für den Umlenkstopfen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Einsatzkörper
einen weiteren radienförmig abknickenden Durchflusskanal
auf. Hierbei ist zweckmäßig vorgesehen, dass der
erste und der zweite Durchflusskanal miteinander verbunden sind, sodass
der Umlenkstopfen eine Eintrittsöffnung und zwei Austrittsöffnungen
aufweist. Dadurch ist der Umlenkstopfen als ein mittlerer Umlenkstopfen
in einem Verteilerbalken zu verwenden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Einsatzkörper des
Umlenkstopfens aus Metall, Keramik, Kunststoff oder einem Verbundmaterial
der vorgenannten Werkstoffe gefertigt, wobei das Verbundmaterial
pulvermetallurgisch hergestellt ist. Dieses Verbundmaterial weist
insbesondere eine bestimmte Härte auf. Zudem sind dabei
keine Nachbearbeitungen des Einsatzkörpers notwendig. Dieser
Verbundstoff wird aus Metallpulver und einem Kunststoff als Trägermaterial
nach dem sogenannten MIM-Verfahren (Metall Injection Moulding) hergestellt.
Dazu wird ein Stahl-Metall Pulver mit einem Kunststoff gemischt und
zu einer Form gepresst, die der Form des Einsatzkörpers
des Umlenkstopfens entspricht. Dieses Verbundmaterial wird in einem
bekannten Verfahren chemisch entbunden und anschließend
wird durch Erwärmen auf ca. 350° der Großteil
des Kunststoffs verflüchtigt. Der restliche als Kohlenstoff
vorliegende Kunststoffanteil geht mit dem Stahlpulver eine feste Bindung
ein, in dem das Formteil in einem Sinterofen bis fast zum Schmelzpunkt
entsprechend erhitzt wird. Hierbei wird dann auch die endgültige
Formteilgestalt während des Sinterprozesses durch Zusammenbacken
der Metallbestandteile erhalten. Dadurch ist ein sehr harter Einsatzkörper
für den Umlenkstopfen gegeben. Dieses Verfahren bietet
den Vorteil, dass die komplizierte Herausarbeitung, zum Beispiel
durch eine zweiseitige sich kreuzende Bohrung, des Durchflusskanals
entfällt. Der Durchflusskanal wird hierbei während
des MIM-Verfahrens in dem Einsatzkörper geformt. Auf diese
Weise können entsprechende Einsatzkörper für
Umlenkstopfen in kurzerster Zeit serienmäßig und
auf einfache Weise hergestellt werden.
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Ferner
ermöglicht das MIM-Verfahren eine einfache und schnelle
Fertigung von unterschiedlichen Einsatzkörpers für
Umlenkstopfen, zum Beispiel für gleitende Spritzdüsen,
für verschraubte Spritzdüsen und für
mittlere Umlenkstopfen mit zwei Durchflusskanälen.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in
der anliegenden Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Umlenkstopfens.
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2 zeigt jeweils eine Schnittdarstellung von
drei bevorzugten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen
Umlenkstopfen.
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3 zeigt
eine Schnittdarstellung eines Verteilerbalkens für ein
Spritzgiesswerkzeug mit drei bevorzugten Ausführungsbeispielen
von erfindungsgemäßen Umlenkstopfen.
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In 1 der
Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Umlenkstopfens 1 in
Schnittdarstellung gezeigt, der einen Einsatzkörper 2 umfasst.
Der Einsatzkörper 2 ist zylinderförmig
ausgebildet, wobei die obere und die untere Schnittkante als eine
kurze Seite von vorzugsweise 15 mm Länge und die linke
und die rechte Schnittkante als eine lange Seite eines Rechtecks von
vorzugsweise 30 mm Länge vorgesehen sind.
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In
dem Einsatzkörper 2 ist ein den Einsatzkörper 2 durchtretender
radienförmig abknickender Durchflusskanal 3 ausgebildet,
der eine Eintrittsöffnung 5 von vorzugsweise 6
mm Durchmesser und eine Austrittsöffnung 4 von
vorzugsweise auch 6 mm Durchmesser aufweist, wobei die Eintrittsöffnung 5 und
die Austrittsöffnung 4 mittels des Durchflusskanals 3 einstückig
bzw. einteilig miteinander verbunden sind.
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Die
Austrittsöffnung 4 ist mittig an der unteren,
kurzen Seite und die Eintrittsöffnung 5 an der rechten,
langen Seite des Einsatzkörpers 2 angeordnet,
wobei die Eintrittsöffnung 5 ungefähr
oberhalb der halben Höhe des Umlenkstopfens 1 vorgesehen ist.
Die durch den Umlenkstopfen 1 geführte Kunststoffschmelze
tritt dabei durch die Eintrittsöffnung 5 in den
Umlenkstopfen 1 ein und durch die Austrittsöffnung 4 wieder
aus diesem heraus.
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Der
Umlenkstopfen 1 lenkt somit den Fluss der Kunststoffschmelze
um einen abknickenden Winkel von 90° mittels des Durchflusskanals 3 um.
Der Durchflusskanal 3 weist eine weiche, radienförmige Ausgestaltung
auf, deren Umlenkwinkel vorzugsweise 90° bis 135° beträgt.
An der oberen kurzen Seite des Umlenkstopfens 1 ist eine
Bohrung 6 angeordnet, wobei in der Bohrung 6 ein
Gewinde 7 vorgesehen ist. Die Bohrung 6 mit dem
Gewinde 7 dient zur Befestigung eines Druckstückes 21 an
dem Umlenkstopfen 1.
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Der
Einsatzkörper 2 des Umlenkstopfens 1 weist
an der linken, langen Seite, also an der Seite, die der Eintrittsöffnung 5 gegenüber
liegt, eine Ausnehmung 8 auf. Die Ausnehmung 8 ist
kegelförmig ausgebildet und ist zum Zentrieren des Umlenkstopfens 1 vorgesehen.
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In 2 der Zeichnung sind drei unterschiedliche
Ausführungsbeispiele von Umlenkstopfen 1 in Schnittdarstellungen
gezeigt.
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Dabei
ist in 2a der Zeichnung der Umlenkstopfen 1 aus 1 in
Schnittdarstellung als auch in einer dreidimensionalen schrägen
Draufsicht gezeigt. In der Draufsicht ist zu erkennen, dass der Umlenkstopfen 1 als
Zylinder ausgebildet ist, wobei die gezeigte Schnittdarstellung
mittig ausgeführt ist. Der in 2a gezeigte
Umlenkstopfen 1 ist im Wesentlichen baugleich mit dem aus 1,
wobei dieser lang ausgeführte Umlenkstopfen 1 zur
Anordnung an einer gleitenden Spritzdüse vorgesehen ist.
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In 2b der
Zeichnung ist ein Umlenkstopfen 1' gezeigt, der im Wesentlichen ähnlich
wie der Umlenkstopfen 1 aus 1 ausgebildet
ist. Der Unterschied besteht lediglich in einer kürzeren
Baulänge und darin, dass der Durchflusskanal 2' sich
nicht soweit nach unten in dem Einsatzkörper 2' erstreckt, sodass
auch die Eintrittsöffnung 5' an der rechten Seite
des Einsatzkörpers 2' wie bei dem Umlenkstopfen 1 nach 1 angeordnet
ist. Die Eintrittsöffnung 5' endet dabei ungefähr
unterhalb der halben Höhe des Umlenkstopfens 1'.
Die an der oberen Seite des Einsatzkörpers 2' angeordnete
Bohrung 6' erstreckt sich hingegen bis in den Durchflusskanal 2' hinein und
stellt eine Nadelführung zur Verwendung von Nadelverschlusssystemen
dar. An der rechten, langen Seite der Schnittdarstellung ist eine
kegelförmige Ausnehmung 8' zur Zentrierung des
Umlenkstopfens 1' vorgesehen. Dieser relativ kurze Umlenkstopfen 1' dient
zur Befestigung einer im Verteilerblock eingeschraubten Spritzdüse,
wobei der Umlenkstopfen 1' vorzugsweise eine Länge
von 20 mm aufweist bei einem Durchmesser von 15 mm.
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In 2c der
Zeichnung ist ein Umlenkstopfen 1'' gezeigt, der als mittlerer
Umlenkstopfen in einem Verteilerblock 11 verwendet wird.
Der Umlenkstopfen 1'' weist zwei radienförmig
abknickende Durchflusskanäle 3'' auf. Der erste
Durchflusskanal 3'' besitzt eine an der rechten Seite des
Einsatzkörpers 2'' angeordnete Austrittsöffnung
und der zweite Durchflußkanal 3'' eine an der
linken Seite des Einsatzkörpers 2'' gegenüberliegend
angeordnete Austrittsöffnung 4'' auf. Die beiden
Durchflußkanäle 3'' treffen sich auf
der Symmetrieachse des Einsatzköpers 2'' und weisen
eine gemeinsame Eintrittsöffnung 5'' an der oberen,
kurzen Seite des Einsatzkörpers 2'' auf. Beide
Durchflusskanäle 3'' besitzen eine radienförmige
abknickende Umlenkung von vorzugsweise 90° auf, sodass
beide auf der axialen Mittelachse ineinander münden.
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An
der unteren, kurzen Seite des Einsatzkörpers 2'' ist
eine Gewindebohrung 6'' zur Befestigung des Umlenkstopfens 1'' an
einem Verteilerbalken 11 bzw. einem daran angeordneten
Druckstück 21 vorgesehen.
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In 3 der
Zeichnung ist ein Verteilerbalken 11 in Schnittdarstellung
gezeigt, der einen relativ langen Umlenkstopfen 1, einen
relativ kurzen Umlenkstopfen 1' und einen verteilenden
Umlenkstopfen 1'' aus 2 umfasst.
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Der
in Schnittdarstellung gezeigte Verteilerbalken 11 umfasst
ein linkes Halteelement 12 und ein rechtes Halteelement 13,
zwischen denen von links nach rechts angeordnet ein kurzer Umlenkstopfen 1', ein
erstes Zuführelement 14, ein mittlerer verteilender
Umlenkstopfen 1'', ein zweites Zuführelement 15 und
ein langer Umlenkstopfen 1 vorgesehen sind.
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In
den beiden Halteelementen 12 ist jeweils eine sich horizontal
erstreckende Gewindebohrung 16 ausgebildet, in der ein
Kegelstift 17 einschraubbar angeordnet ist. Die beiden
Kegelstifte 17 weisen jeweils eine Kegelspitze 18 auf,
die die gleiche Kegelform wie die beiden Ausnehmungen 8 und 8' der
beiden Umlenkstopfen 1 und 1' aufweisen. Zum Zentrieren
der beiden Umlenkstopfen 1 und 1' werden die beiden
Kegelstifte 17 einfach in die Gewindebohrungen 16 geschraubt
und die Umlenkstopfen 1 und 1' werden aufgrund
der kegelförmigen Spitzen, die sich in die kegelförmigen
Ausnehmungen 8 erstrecken, in deren Lage in dem Verteilerbalken 11 zentriert.
An dem langen Umlenkstopfens 1 ist eine Gewindebohrung 6 vorgesehen,
die mittels einer entsprechenden Schraube 22 an einem Druckstück 21 innerhalb
einer Bohrung 20 im Verteilerbalken 11 genau fixiert
ist. Dabei ist der lange Umlenkstopfen 1 zur schwimmenden
Anordnung an eine nicht dargestellte Spritzdüse vorgesehen,
die unten plan am Verteilerbalken 11 anliegt.
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Das
erste Zuführelement 14 weist einen Kanal 14a auf,
der mit der Eintrittsöffnung 5 des Umlenkstopfen 1' abschließt.
Auf der anderen Seite des Kanals 14a schließt
dieser mit der Austrittsöffnung 4'' des mittleren
Umlenkstopfens 1'' ab. Analoges gilt für das zweite
Zuführelement 15 für den Umlenkstopfen 1.
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Die
Kunststoffschmelze wird während des Spritzgiessverfahrens
vom mittleren verteilenden Umlenkstopfen 1'' zum einen
in den Kanal 14a des ersten Zuführelements 14 und
dann durch den Durchflusskanal 3' des linken Umlenkstopfens 1' geführt,
wobei die Kunststoffschmelze durch die Eintrittsöffnung 5' in
den Durchflusskanal 3' gelangt und durch die Austrittsöffnung 4' aus
dem Durchflusskanal 3' austritt. Unterhalb der Austrittsöffnung 4' ist
im Verteilerbalken 11 eine Gewindebohrung 19 vorgesehen,
die zur Einschraubung einer Düse dient.
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Zum
anderen wird die Kunststoffschmelze von der Eintrittsöffnung 5'' zum
Durchflusskanal 3'' des mittleren Umlenkstopfen 1'' geführt,
wobei die Kunststoffschmelze durch die Austrittsöffnung 4'' in den
Zuführungskanal 15a des zweiten Zuführungselements 15 gelangt.
Dann fließt die Kunststoffschmelze durch die Eintrittsöffnung 5 des
rechten Umlenkstopfens 1 in den Durchflusskanal 3.
Dabei wird die Kunststoffschmelze durch den radienförmig
abknickenden Durchflusskanal 3 um 90° nach unten
zur Auslassöffnung 4 des langen Umlenkstopfens 1 umgelenkt.
Der lange Umlenkstopfen 1 schließt dabei unten
plan mit dem Verteilerbalken 11 ab. Unterhalb der Auslassöffnung 4 kann
dann eine schwimmend gelagerte Düse angeordnet werden.
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Die
Umlenkstopfen 1, 1', 1'' werden in verschiedenen
Längen, mit und ohne Gewinde sowie mit entsprechenden Zusatzelementen
(Gewindebohrungen, Führungsbohrungen für Nadelverschluss
etc.) aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt. Allgemein ermöglichen
diese einteiligen, per MIM gefertigten Umlenkstopfen eine einfache
und kostengünstige Lösung um die Umlenkungen im
Verteilerblock zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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