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Die
Erfindung betrifft eine Nadelverschluss-Vorrichtung für eine Gusskavität, ein Gusswerkzeug,
das mit einer Nadelverschluss-Vorrichtung versehen ist, sowie ein
Verfahren zur Fertigung von Gussteilen.
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Es
ist bereits bekannt, Kunststoffbauteile vielfältigster Form durch Spritzgießen herzustellen. Beim
Spritzgießen
wird flüssige
Kunststoffmasse in eine zwischen zwei Formplatten ausgebildete Kavität (Spritzgusskavität) eingespritzt
und verfestigt sich dort. Ferner ist es bereits bekannt, Metallgussteile durch
die Druckgusstechnik in einer Kavität (Druckgusskavität) zu fertigen.
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Ferner
ist es in der Spritzgusstechnik bereits bekannt, Nadelverschlussventile
für das
Einspritzen der flüssigen,
heißen
Kunststoffmasse in die Kavität zu
verwenden. Derartige Nadelverschlussventile weisen eine Düsenöffnung auf,
die durch die Verschlussnadel verschlossen bzw. durch ein Zurückziehen
der Verschlussnadel in dem Ventil geöffnet werden kann.
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Insbesondere
bei der Herstellung von größeren Kunststoffbauteilen
muss entweder ein relativ großes
Nadelverschlussventil eingesetzt werden oder es müssen mehrere
kleinere Nadelverschlussventile vorgesehen sein, um den erforderlichen Durchsatz
an Kunststoffmasse beim Befüllvorgang zu
gewährleisten.
Bei der Verwendung großer
Nadelverschlussventile erhöht
sich die Schwierigkeit, Kunststoffbauteile mit optisch und geometrisch
einwandfreien Anguss-Stellen herzustellen. Insbesondere kann es
zu einem Abdruckbild der Verschlussnadel an der Bauteilkontur sowie
gegebenenfalls zu einem Anhaften des Bauteils an der Verschlussnadel bei
der Entnahme und damit zu einer Delle in der Bauteiloberfläche kommen.
Die Verwendung mehrerer kleinerer Nadelverschlussdüsen erhöht indes
die Werkzeugkosten und es können
sich Probleme bei der Synchronisierung der mehreren Nadelverschlussdüsen sowie
der Gewährleistung
eines gleichmäßigen Fülldurchsatzes
ergeben, wodurch die Prozess-Sicherheit eingeschränkt sein
kann.
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Die
Anforderungen an die Produktqualität sind insbesondere bei der
Herstellung von transparentem Kunststoffbauteilen extrem hoch, da
bei diesen Bauteilen Oberflächen-Unebenheiten
oder durch ungleichmäßiges Abkühlen hervorgerufene
Verspannungen am Bauteil sichtbar sind. Um Anguss-Stellen an Sichtflächen eines
Kunststoffbauteils zu vermeiden, wird bisher das sogenannte Filmanguss-Verfahren
eingesetzt. Bei diesem Verfahren erfolgt die Anspritzung des Kunststoffbauteils
seitlich außerhalb der
Kavität,
in welcher das Bauteil hergestellt wird. Zwischen dem Anspritzpunkt
und einem als Angussverlängerung
ausgebildeten Randbereich der Kavität ist eine sogenannte Filmplatte
vorgesehen, in welcher Angusskanäle
eingearbeitet sind, die sich ausgehend vom Anspritzpunkt über die
Filmplatte verteilen und die Filmplatte über die gesamte Breite der Kavität an diese
anbinden können.
Nach dem Erkalten der Kunststoffmasse in der Kavität wird das Kunststoffbauteil
aus dem geöffneten
Werkzeug entnommen und die seitlichen Anguss-Kaltkanäle von dem
Kunststoffbauteil abgetrennt. Das Abtrennen der Anguss-Kaltkanäle erfordert
einen zusätzlichen Arbeitsschritt
und bewirkt einen relativ großen
Materialverlust. Diese Nachteile können durch Direkt-Einspritzverfahren
vermieden werden, bei welchen die Kunststoffmasse wie beschrieben
z. B. über
eine Nadelventildüse
oder über
ein Sperrschieberventil direkt aus dem Heißkanal in die Kavität eingebracht
wird. Es ist mit Direkteinspritzverfahren jedoch ausgesprochen schwierig,
flüssigen
transparenten Kunststoff so in die Spritzgusskavität einzubringen,
dass im Bereich der Anspritzstelle keine oder nur geringfügige optische
Mängel
entstehen.
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Ähnliche
Anforderungen und Probleme können
in der Druckgussfertigung von Metall-Gussbauteilen auftreten.
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Eine
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Nadelverschlussvorrichtung für eine Gusskavität zu schaffen,
die es ermöglicht, Gussbauteile
mit hoher Produktqualität
zu fertigen. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Gusswerkzeug
und ein Verfahren bereitzustellen, welche eine prozesssichere Fertigung
von Gussbauteilen mit hoher Produktqualität ermöglichen.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die
Merkmale der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch
1 weist die erfindungsgemäße Nadelverschlussvorrichtung
eine Verschlussnadel und eine Einrichtung zur Kühlung der Verschlussnadel auf.
Durch die Kühlung
der Verschlussnadel kann erreicht werden, dass der Bereich der Kavitätskontur,
der im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung von
der Stirnfläche
der Verschlussnadel gebildet wird, weniger stark oder nicht gegenüber der
restlichen Kavitätskonturfläche überhitzt
ist. Es kann somit ein nahezu gleichmäßiges Temperaturprofil im Bereich
der Anguss-Stelle erreicht werden.
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Bei
der Kunststoff-Spritzgusstechnik kann dadurch vermieden werden,
dass sich die Verschlussnadel aufgrund unterschiedlicher Temperaturen
der Verschlussnadel und der die Verschlussnadel umgebenden Kavitätsoberfläche in Form
eines Erkaltungsbildes am Kunststoffbauteil abzeichnet. Darüber hinaus
kann vermieden werden, dass das Kunststoffbauteil im Bereich der
Verschlussnadel bei der Entnahme noch plastisch ist und sich dort
z. B. durch Klebenbleiben an der Verschlussnadel eine Delle in der
Oberfläche
des Kunststoffbauteils ausbildet. Dadurch können gegebenenfalls auch kürzere Zykluszeiten
erzielt werden. Insbesondere ermöglicht
die Erfindung die Realisierung von Nadelverschlussvorrichtungen
mit relativ großem
Verschlussnadel-Durchmesser und hohem Durchsatz. Es können ferner
höhere
Spritzgussgeschwindigkeiten ermöglicht
werden, was besonders für
die Herstellung von dünnwandigen
Kunststoffbauteilen und/oder von Kunststoffbauteilen mit langen
Fließwegen
aufgrund der bei solchen Bauteilen raschen Erstarrung der eingespritzten
Kunststoffmasse vorteilhaft ist. Dies kann es ermöglichen,
die Anzahl der Nadelverschlussvorrichtungen für die Befüllung der Kavität zu verringern und
dadurch Kosten einzusparen. Darüber
hinaus kann die Kühlung
der Verschlussnadel auch eine Kühlung
der Dichtflächen
der Düsenöffnung bewirken,
was die Gleichmäßigkeit
der Temperaturverteilung im Düsenbereich
der Kavität
erhöht.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung
zur Kühlung
der Verschlussnadel ausgelegt, die Verschlussnadel im Wesentlichen
nur an ihrem vorderen Bereich zu kühlen. Dadurch wird erreicht,
dass die Kühlung
vornehmlich nur dort, wo die Temperaturerniedrigung benötigt wird,
wirkt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Nadelverschlussvorrichtung
kennzeichnet sich dadurch, dass die Verschlussnadel einen Kanal
zur Leitung eines Kühlmediums
aufweist. Durch diesen Kanal kann das Kühlmedium direkt zu dem Bereich
der Verschlussnadel geführt
werden, der besonders gekühlt
werden soll. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Kanal
von einem Isolationsrohr umgeben ist, welches den Umfang der Verschlussnadel gegenüber dem
Kühlmedium
thermisch isoliert. Dadurch kann erreicht werden, dass die Umfangsfläche der
Verschlussnadel zumindest über
einen Großteil ihrer
Länge mit
vergleichsweise geringer Kühlleistung
beaufschlagt wird, wodurch eine relativ hohe Temperatur im Bereich
des Umfangs der Verschlussnadel gewährleistet bleibt. Dies kann
vorteilhaft sein, da an der Verschlussnadel vorbeiströmendes flüssiges Kunststoffmaterial
durch die Verschlussnadel nach Möglichkeit nicht
abgekühlt
werden soll, da sich ansonsten die Viskosität des Kunststoffmaterials erhöht und sich
infolgedessen der Durchsatz durch die Nadelverschlussvorrichtung
verringern kann bzw. der Spritzdruck in nachteiliger Weise erhöht werden müsste. Bei
einem Metall-Druckgussverfahren können ähnliche Effekte in Bezug auf
die das flüssige Metall
(z. B. Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen) auftreten.
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Als
Kühlmedium
kann beispielsweise ein gasförmiges
oder flüssiges
Kühlfluid,
insbesondere Luft, gekühlte
Luft, Wasser oder flüssiger
Stickstoff, vorgesehen sein. Andere gasförmige oder flüssige Kühlfluide
sind ebenfalls möglich.
Es können
auch Propan- oder Butan-haltige Kühlmittel eingesetzt werden,
wie sie in der Kühltechnik
z. B. bei Kühlschränken Verwendung
finden. Insbesondere können
als Kühlmedien
Substanzen verwendet werden, die bei der Kühlung eine Phasenumwandlung
(flüssig zu
gasförmig)
vollziehen und daher Wärme
in Form von latenter Wärme
(Verdampfungswärme)
aufnehmen können.
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Es
ist jedoch auch möglich,
anstelle der Verwendung eines gasförmigen oder flüssigen Kühlmediums
die Wärme
in anderer Weise von der Verschlussnadel abzuführen, beispielsweise durch
Verwendung eines Festkörper-Wärmeableiters
oder eines elektrischen Kühlelementes,
das direkt in die Verschlussnadel integriert ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Einrichtung
zur Kühlung
der Verschlussnadel ausgelegt, die Stirnseite der Verschlussnadel
im Betrieb auf eine für
das verwendete Kunststoffmaterial geeignete Werkzeugtemperatur zu
kühlen.
Die gewünschte
Temperatur hängt
von dem Gussmaterial ab. Beispielsweise kann für viele Kunststoffmaterialien
wie z. B. Polykarbonat eine Werkzeugtemperatur von unter 200°C, insbesondere unter
150°C oder
sogar unter 100°C
geeignet sein. Dadurch wird eine Angleichung der Temperatur der Verschlussnadel
an ihrer Stirnseite an die Temperatur der die Stirnseite der Nadel
umgebenden Kavitätskontur
ermöglicht.
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Ein
Gusswerkzeug mit einer die Kavitätskontur
ausbildenden Formplatte ermöglicht
bei der Verwendung einer Nadelverschlussvorrichtung mit gekühlter Verschlussnadel
eine Herstellung von einwandfreien Gussbauteilen. Bei der Herstellung
von Kunststoff-Spritzgussbauteilen und möglicherweise auch bei der Herstellung
von Metall-Druckgussbauteilen lassen sich kurze Zykluszeiten und
eine hohe Prozesssicherheit erreichen. Insbesondere lassen sich
auf diese Weise transparente Kunststoffscheiben mit hoher optischer
Qualität
fertigen.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die in der Formplatte des Spritzgusswerkzeugs
ausgebildete Kavitätskontur
zur Fertigung einer an einem flächigen
Kunststoffbauteil angespritzten zweiten Kunststoffkomponente, insbesondere
einer Randverstärkung,
ausgebildet ist. Es ist auch möglich,
dass sowohl das Kunststoffbauteil als auch die angespritzte zweite
Kunststoffkomponente jeweils mit Formplatten erzeugt werden, die
mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Nadelverschlussvorrichtungen
ausgerüstet
sind.
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Ein
Verfahren zur Fertigung eines Gussbauteils, bei welchem flüssiges Gussmaterial über eine Nadelverschlussvorrichtung
in eine Gusskavität
eingebracht wird, umfasst die Schritte des gezielten Kühlens der
Verschlussnadel der Nadelverschlussvorrichtung und des Betätigens der
Verschlussnadel zum Einspritzen des Gussmaterials in die Gusskavität.
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Zweckmäßigerweise
kann vorgesehen sein, dass die Verschlussnadel im Gusszyklusbetrieb
mit variierender Kühlleistung
gekühlt
wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die Verschlussnadel in
jedem Zyklus nur dann mit höherer
Kühlleistung
beaufschlagt wird, wenn eine niedrige Temperatur der Nadel erforderlich
ist. Beispielsweise kann die Kühlung der
Verschlussnadel in aufeinanderfolgenden Zyklen jeweils erst kurz
vor oder während
des Einspritzvorgangs beginnen und beispielsweise vor dem Öffnen der
Kavität
wieder enden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen erläutert;
in diesen zeigt:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Bereichs einer Formplatte mit
einer ein Nadelverschlussventil enthaltenden Kunststoffzuführung;
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2 eine
Detailansicht der in 1 gezeigten Anordnung im Bereich
der Nadelverschlussdüse;
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3 ein
zweikomponentiges Kunststoffbauteil in Form einer Verscheibung mit
Rand;
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4 eine
Teilschnittansicht des in 3 dargestellten
zweikomponentigen Kunststoffbauteils entlang der Schnittlinie X-X
in 3;
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5 eine
Schnittdarstellung eines Werkzeugs zum Herstellen der Kunststoffscheibe
(erste Komponente) des Kunststoffbauteils; und
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6 eine
Schnittdarstellung eines Werkzeugs zum Anspritzen des Rahmens (zweite
Komponente) an die Kunststoffscheibe.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das in den 1 und 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel
eines Nadelverschlussventils in der folgenden Beschreibung am Beispiel
der Verwendung in einer Kunststoff-Spritzgusskavität beschrieben
wird. Das Nadelverschlussventil ist jedoch auch in einer Metall-Druckgusskavität verwendbar,
so dass die folgende Beschreibung analog auch für ein Nadelverschlussventil
für die
Herstellung von Druckguss-Metallteilen in Metall-Druckgusskavitäten gilt.
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Die 1 und 2 zeigen
einen Bereich 1 eines Werkzeugs, der beispielsweise als
ein Werkzeugbereich innerhalb einer Werkzeugplatte (Formplatte)
realisiert sein kann. Dabei bildet die Oberfläche 2 des Bereichs 1 eine
Kavitätskontur
aus, an welcher beim Spritzgussvorgang eine Oberfläche des Kunststoffbauteils
geformt wird. Der Werkzeugbereich 1 weist eine Kunststoffzuführung 3 in
Form eines Heißkanals 7 auf,
welche in die Kavität 4 mündet. Der
Mündungsbereich
des Heißkanals 7 ist
als Ventil ausgebildet. Das Ventil wird durch eine Düsenöffnung 5 in
dem Werkzeugbereich 1 sowie eine bewegliche Düsennadel 6 gebildet.
In einer Schließstellung dichtet
das vordere Ende der Düsennadel 6 die
Düsenöffnung 5 ab.
Zur Öffnung
des Ventils wird die Düsennadel 6 in
Richtung des Pfeils P zurückgezogen, wodurch
die Düsenöffnung 5 frei
wird und Kunststoffmaterial durch diese hindurchtreten kann. Die
Kunststoffzuführung 3 ist
innerhalb einer Bohrung 8 im Werkzeugbereich 1 ausgebildet,
welche über
eine konusförmige
Schrägfläche 9 in
die Düsenöffnung 5 mündet. Der
Heißkanal 7 befindet
sich zwischen dem Außenumfang
der Düsennadel 6 und
der inneren Umfangsfläche
eines Heizkörpers 10,
der in die Bohrung 8 eingesetzt ist. Der Heizkörper 10 kann
z. B. in Form einer Wendelheizung realisiert sein, wobei die Heizwendel 11 in
der 1 erkennbar sind.
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Die
Düsennadel 6 kann
in ihrem vorderen Bereich einen Verjüngungsabschnitt 6.1 aufweisen. Oberhalb
des Verjüngungsabschnittes 6.1 kann
sich die Düsennadel 6 mit
einem reduzierten Durchmesser fortsetzen. Dieser Fortsatz 6.2 mit
reduziertem Durchmesser kann das Endstück der Düsennadel 6 bilden
und in diesem Fall einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen
identisch zu dem Durchmesser der Düsenöffnung 5 ist.
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Die
in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
gestufte Formgebung der Düsennadel 6 kann
mit einem oberen radialen Verengungsabschnitt 10.1 des
Heizkörpers 10 korrespondieren. Der
Verengungsabschnitt 10.1 des Heizkörpers 10 bewirkt bei
geöffnetem
Ventil einerseits eine Führung des
heißen,
fließ fähigen Kunststoffmaterials
in Richtung zur Düsenöffnung 5 und
kann andererseits an seiner Oberseite so gestaltet sein, dass ein Schrägspalt 12 zwischen
seiner Oberfläche
und der Schrägfläche 9 des
Werkzeugbereichs 1 bestehen bleibt. Darüber hinaus kann der Heizkörper 10 an
seinem Umfang mit einer breiten Radialnut 13 versehen sein,
die über
einen großen
Teil der Länge
des Heizkörpers 10 eine
Anlage desselben an den Werkzeugbereich 1 verhindert und
somit einem Wärmeabfluss zu
dem Werkzeugbereich 1 entgegenwirkt.
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Sämtliche
beschriebenen Teile können
beispielsweise rotationssymmetrisch ausgelegt sein. Es ist jedoch
auch möglich,
die genannten Teile mit anderen Umfangsgeometrien auszustatten.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die 1 und 2 gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel
als maßstabstreue
Darstellungen eines Ventils interpretiert werden können. Selbstverständlich ist
es jedoch auch möglich,
die gezeigten Teile relativ zueinander in anderer Weise zu bemaßen oder
ein konstruktiv unterschiedlich aufgebautes Nadelverschlussventil vorzusehen.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass der untere Teil des Nadelverschlussventils
einschließlich
dem Ventilantrieb, welcher z. B. in Form eines elektrischen oder
Druckfluid-gesteuerten Rückzugsmechanismus
realisiert sein kann, sowie auch die Kunststoffquelle und Zuleitungen
nicht in den Figuren dargestellt sind.
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Die
Düsennadel 6 wird
gekühlt.
Allgemein können
unterschiedlichste Maßnahmen
zur Kühlung der
Düsennadel 6 vorgesehen
sein. Beispielsweise kann die Düsennadel 6 in
nicht dargestellter Weise über
ein elektrisches Element (beispielsweise Peltier-Element), welches
im oberen Bereich des Fortsatzes 6.2 angeordnet sein kann,
gekühlt
werden. Eine andere, ebenfalls nicht dargestellte Möglichkeit besteht
darin, eine umfangsseitig isolierte Metallstange mit hoher Wärmeleitfähigkeit
durch eine Axialbohrung innerhalb der Düsennadel 6 hindurchzuführen, an
den oberen Endbereich (z. B. den Fortsatz 6.2 oder ein
Deckstück 15)
der Düsennadel 6 thermisch anzu koppeln
und an ihrem gegenüberliegenden
unteren Ende mit einer Kühleinrichtung
zu verbinden. Eine weitere Möglichkeit,
die im Folgenden exemplarisch veranschaulicht ist, besteht darin,
eine Kühlung der
Düsennadel 6 unter
Verwendung eines gasförmigen
oder flüssigen
Kühlmediums
(im Folgenden auch als Kühlfluid
bezeichnet) zu bewerkstelligen.
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Wie
in 2 am besten erkennbar kann die Düsennadel 6 zu
diesem Zweck mit einer Axialbohrung 6.3 versehen sein.
Am oberen Ende der Düsennadel 6 kann
die Axialbohrung 6.3 durch ein Deckstück 15 verschlossen
sein. Das Deckstück 15 kann an
seiner der Axialbohrung 6.3 zugewandten Oberfläche Vorsprünge 15.1 und
Nuten 15.2 zur Vergrößerung seiner
Oberfläche
aufweisen. Innerhalb der Axialbohrung 6.3 kann sich ein
Isolierrohr 16 erstrecken, das kurz unterhalb des Deckstückes 15 endet und
auf diese Weise einen gegenüber
dem Innendurchmesser des Isolierrohrs 16 vergrößerten Expansionsraum
(dessen Innendurchmesser z. B. dem Durchmesser der Axialbohrung 6.3 entspricht)
im oberen Endbereich der Düsennadel 6 begrenzt.
Ein solcher gegenüber
der Kühlfluidzuführung vergrößerter Expansionsraum
im oberen Endbereich der Düsennadel 6 kann
auch auf andere Weise realisiert sein, z. B. durch eine Erweiterung
des Innendurchmessers der Axialbohrung 6.3. Das Isolierrohr 16 kann
an seinem Umfang Radialnuten 16.1 aufweisen, die bewirken,
dass das Isolierrohr 16 mit einer durch die Radialnuten 16.1 verringerten
Anlagefläche
an der Innenwandung der Axialbohrung 6.3 der Düsennadel 6 anlegt.
Beispielsweise kann durch die Radialnuten 16.1 die tatsächliche
Anlagefläche
gegenüber
der nominalen Anlagefläche,
die sich ohne Radialnuten 16.1 ergeben würde, um
mehr als 50%, 70%, 80% oder sogar 90% verringert sein. Dadurch wird
der Wärmeübergang
zwischen dem Isolierrohr 16 und der Düsennadel 6 wirksam
reduziert.
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Innerhalb
des Isolierrohrs 16 kann sich ein Leitungsrohr 17 befinden,
das als Zulauf für
das Kühlfluid
dient. Als Rücklauf
für das
Kühlfluid
kann ein zwischen der Außenwandung
des Leitungsrohrs 17 und der Innenwandung des Isolierrohrs 16 verlaufender
Ringspalt 18 dienen.
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Sämtliche
Teile 6, 15, 16, 17 der Düsennadel 6 mit
Kühleinrichtung
können
aus Stahl hergestellt sein und rotationssymmetrische Form aufweisen.
Es ist jedoch auch möglich,
andere Materialien zu verwenden. Beispielsweise kann das Deckstück 15 aus einem
hochwärmeleitenden
Material mit besserer Leitfähigkeit
als Stahl hergestellt sein, das Leitungsrohr 17 kann z.
B. aus einem Kunststoff hergestellt sein und das Isolierrohr 16 kann
aus einem Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit als Stahl, z. B. aus
einem Keramikwerkstoff, gefertigt sein. Gegebenenfalls kann auf
das Isolierrohr 16 verzichtet werden, insbesondere dann,
wenn die thermische Leitfähigkeit
der Düsennadel 6 im
Umfangsbereich gering ist oder eine Außenisolation um die Düsennadel 6 angebracht
ist. Das Deckstück 15 kann
auch integraler Bestandteil der Düsennadel 6 sein.
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Beispielsweise
kann der Außendurchmesser der
Düsennadel 6 in
ihrem oberen Bereich am Fortsatz 6.2 zwischen 5 und 12
mm betragen. Der Innendurchmesser des Leitungsrohrs 17 kann
beispielsweise 1 bis 2 mm aufweisen. Der Durchmesser des Heißkanals 7 kann
beispielsweise zwischen 15 und 22 mm betragen. Der Fortsatz 6.2 der
Düsennadel kann
eine Länge
von 20 bis 30 mm aufweisen, wobei die Düsennadel 6 insgesamt
eine Länge
von z. B. 200 oder 300 mm aufweisen kann. Die genannten Werte sind
lediglich beispielhaft und können
unter- bzw. überschritten
werden.
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Als
Kühlfluide
können
grundsätzlich
alle geeigneten gasförmigen
oder flüssigen
Substanzen eingesetzt werden. Beispielsweise können Druckluft, Wasser oder
flüssiger
Stickstoff verwendet werden. Solche gasförmigen oder flüssigen Medien
können vorgekühlt und/oder
gefiltert bzw. anderweitig gereinigt sein, um eine höhere Kühlleistung
zu ermöglichen
und eine Verschmutzung des Systems zu vermeiden. Insbesondere können als
Kühlfluide
Substanzen verwendet werden, die in dem genannten Expansionsraum
vom flüssigen
in den gasförmigen Zustand
expandieren, d. h. eine Phasenumwandlung (flüssig zu gasförmig) vollziehen.
Der Vorteil einer Phasenumwandlung liegt darin, dass auf diese Weise
die Wärme
im wesentlichen in der Expansionskammer (d. h. der Nadelspitze)
aufgenommen wird und die Kühlung
durch Phasenumwandlung genau den beschriebenen Anforderungen einer
gezielten, punktuellen Düsennadelkühlung entspricht.
Ein weiterer Vorteil ist die hohe erreichbare Kühlleistung.
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Die
Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
Zunächst befindet
sich das Ventil im geschlossenen Zustand. Zum Öffnen des Ventils wird die
Düsennadel 6 durch
die nicht dargestellte Rückzugsmechanik in
Richtung des Pfeils P beispielsweise über die Länge des Fortsatzes 6.2 zurückgezogen.
Dadurch strömt
heißes
Kunststoffmaterial im Heißkanal 7 an der
Düsennadel 6 vorbei
in die Kavität 4.
Der Heizkörper 10 sorgt
dafür,
dass die Temperatur der flüssigen
Kunststoffmasse relativ hoch (z. B. etwa 300°C) ist, so dass eine gute Fließfähigkeit
vorhanden ist (beispielsweise gilt dies für Polycarbonat, das eine für die Befüllung geeignete
Temperatur von etwa 300°C
aufweist, die auch als Verarbeitungstemperatur bezeichnet wird).
Beim ersten Zyklus tritt die Kunststoffmasse auch in den Schrägspalt 12 ein
und bewirkt eine thermische Isolierung zwischen dem Heizkörper 10 und
der Schrägfläche 9 des
Werkzeugbereichs 1.
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Sofern
die Nadelkühlung
zu diesem Zeitpunkt schon eingeschaltet ist, gewährleistet das Isolationsrohr 16,
dass die Umfangsfläche
der Düsennadel 6 durch
die Kühlung
nicht oder nur geringfügig
gegenüber
der Verarbeitungstemperatur abgekühlt wird. Beispielsweise kann
die Temperatur der Umfangsfläche
der Düsennadel 6 in
etwa bis zur Höhe des
Isolierrohrendes in der Öffnungsphase
des Ventils etwa bei 280°C
oder zumindest oberhalb von 250°C
liegen. Dadurch wird z. B. bei Polycarbonat gewährleistet, dass keine störende Abkühlung der
an der Düsennadel 6 vorbeiströmenden flüssigen Kunststoffmasse
eintritt.
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Wie
bereits erläutert
wird durch die Kühlung hauptsächlich oder
allein das Deckstück 15 beaufschlagt.
Dies hat zur Folge, dass das die Stirnfläche der Düsennadel 6 im Betrieb
(d. h. bei in die Kavität 4 eingespritztem
Kunststoff und geschlossenem Ventil) beispielsweise eine Temperatur
im Bereich von z. B. 50°C
bis 200°C
an ihrer Oberfläche 15.3 annehmen
kann. Beispielsweise kann die Temperatur der Stirnseite der Düsennadel 6 (und
damit auch die Temperatur des Deckstücks 15 an seiner Oberfläche 15.3)
im Betrieb unter 150°C
liegen und z. B. etwa 130°C
betragen. Insbesondere kann die Temperatur der Oberfläche 15.3 der
Stirnseite der Düsennadel 6 im
Wesentlichen identisch zu der Temperatur der angrenzenden Oberfläche 1.1 des
Werkzeugbereichs 1 sein, die bei befüllter Kavität 4 durch die Kavitätskühlung eingestellt
wird und z. B. ebenfalls etwa 130°C betragen
kann. Dabei erfolgt die Kühlung
der Oberfläche 1.1 des
Werkzeugbereichs 1 z. B. über in Oberflächennähe angebrachte
Kühlbohrungen 1.2, die
beispielsweise von Kühlwasser
durchströmt
werden und über
den gesamten Verlauf der Kavität 4 in der
Formplatte vorhanden sein können.
Durch die Kavitätskühlung mittels
der Kühlbohrungen 1.2 wird eine
schnelle Abkühlung
der erhärtenden
Kunststoffmasse in der Kavität 4 erreicht,
wodurch für
praktische Anwendungen sinnvolle Zykluszeiten (Zeit zwischen dem
Beginn des Einspritzvorgangs und dem Öffnen der Kavität) ermöglicht werden.
Da die Düsennadel 6 im
geschlossenen Zustand des Ventils an Dichtflächen der Kavitätsoberfläche anliegt,
bewirkt die Düsennadelkühlung auch
eine Kühlung
der Kavitätsoberfläche in der
Umgebung der Dichtflächen. Somit
ermöglicht
die Kühlung
der Düsennadel 6, dass
das Kunststoffmaterial auch im Bereich der Sirnseite der Düsennadel 6 (d.
h. der Oberfläche 15.3 des
Deckstücks 15 und
des ringförmigen
Endfläche der
Düsennadel 6)
gleichmäßig rasch
erkaltet, so dass bei der Entnahme des Kunststoffbauteils in diesem
Bereich weder eine „weiche
Stel le”,
die zu optischen Defekten und/oder Kontur-Ungenauigkeiten führen kann, noch ein durch ungleichmäßiges Erkalten
hervorgerufener Nadelabdruck vorhanden ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass andere spritzgusstechnisch verarbeitbare
Kunststoffmaterialien andere Befüllungstemperaturen
(Verarbeitungstemperaturen) haben und andere geeignete Werkzeugtemperaturen
erfordern, was zur Folge hat, dass die oben genannten Temperaturen
im Bereich des Nadelschaftes bzw. im Bereich der Nadelstirnfläche entsprechend
anzupassen sind.
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Eine
erste Möglichkeit
besteht darin, die Düsennadel 6 mit
zeitlich konstanter Kühlleistung
zu versorgen, d. h. eine gleichmäßige Kühlung über aufeinanderfolgende
Spritzgusszyklen vorzusehen. Es ist jedoch auch möglich, die
Kühlleistung
periodisch mit den Arbeitszyklen des Werkzeugs zu variieren, z. B.
indem bei oder nach der Entnahme des Kunststoffbauteils die Kühlung jeweils
reduziert oder abgeschaltet wird und erst kurz vor oder während oder
gegebenenfalls auch erst bei schon geschlossenem Ventil nach dem
nächsten
Einspritzvorgangs wieder erhöht
oder aktiviert wird. Durch eine zeitlich variierende Beaufschlagung
der Düsennadel 6 mit
Kühlleistung
kann eine zu starke Abkühlung
der Umfangswandung der Düsennadel 6 vor
der Einspritzphase verhindert werden.
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Die 3 und 4 zeigen
beispielhaft ein Kunststoffbauteil bestehend aus einer ersten Komponente
und einer optionalen zweiten Komponente, welches gemäß der vorliegenden
Erfindung gefertigt werden kann. Die erste Komponente des Kunststoffbauteils
ist beispielsweise eine transparente Kunststoffscheibe oder Verscheibung 101 mit
im Wesentlichen rechteckiger Kontur. Derartige klar durchsichtige
Kunststoffscheiben können
aus Polykarbonat gefertigt werden und können in vielen Anwendungsbereichen
zum Einsatz kommen. Beispielsweise können derartige Kunststoffscheiben 101 als
Fenster, Schiebedach, Panoramadach usw. beispielsweise im Kfz-Bereich,
oder z. B. als Bildschirmabdeckung bei Monitoren oder Fernsehern
Verwen dung finden. Die zweite Komponente 102 ist optional
und stellt einen Rand 102 dar, welcher die transparente
Kunststoffscheibe 101 in Art eines geschlossenen Rahmens umlaufen
kann. Der Rand 102 wird durch Anspritzen einer gefärbten (gegebenenfalls
ebenfalls transparenten) Kunststoffmasse an die bereits fertiggestellte transparente
Kunststoffscheibe 101 realisiert. Der Rand 102 kann
z. B. in nicht dargestellter Weise Haltemittel zur Befestigung des
Bauteils 101, 102 an einem Chassis tragen. In
der Kfz-Technik wird der Rand 102 auch als Schwarzrand
bezeichnet.
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Die
Dicke der transparenten Kunststoffscheibe 101 kann beispielsweise
4 mm betragen. Die Seitenlängen
der transparenten Kunststoffscheibe 101 sind in der Regel
um mehr als den Faktor 50 größer als
die Dicke der Kunststoffscheibe 101 und können sich
in den üblichen
Dimensionen für
Fensterscheiben, insbesondere Kfz-Fensterscheiben oder Schiebedächer, oder
Abdeck-Paneele für
Monitore oder Fernseher bewegen. Die Dicke des Rands 102 kann beispielsweise
zwischen 1 und 5 mm betragen.
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5 zeigt
in teilweise geschnittener Darstellung ein Werkzeug zur Herstellung
der Kunststoffscheibe 101. Das Werkzeug weist eine erste
Formplatte 1001 und eine zweite Formplatte 1002 auf.
Die erste Formplatte 1001 ist in dem hier dargestellten Beispiel
als Matrizenformplatte ausgeführt,
d. h. sie weist an ihrer der zweiten Formplatte 1002 zugewandten
Plattenseite eine Aussparung 1003 auf. Die Aussparung 1003 weist
eine vorgegebene, dem herzustellenden Bauteil angepasste dreidimensionale Form
auf. Die zweite Formplatte 1002 ist in diesem Fall als
Formkernplatte ausgeführt,
d. h. sie weist an ihrem vorderen Ende einen sogenannten Formkern 1004 auf,
dessen Umriss an die Umfangskontur der Aussparung 1003 angepasst
ist. In der zweiten Formplatte 1002 ist eine Kunststoffzuführung 3 vorgesehen,
die in der beschriebenen Art und Weise ausgebildet sein kann. Die
Kunststoffzuführung 3 mündet mit
ihrer Düsenöffnung 5 direkt
in eine Kavität,
die bei ge schlossenen Formplatten zwischen dem Formkern 1004 und
der Aussparung 1003 gebildet ist. Beispielsweise kann die
Düsenöffnung 5 an
einem Randbereich des Formkerns 1004 und damit in einem
Randbereich der herzustellenden Kunststoffscheibe 101 angeordnet
sein.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Kunststoffzuführung 3 auch in der
ersten Formplatte 1001 (d. h. in der Matrizenformplatte)
angeordnet sein kann. Darüber
hinaus kann die zwischen dem Formkern 1004 und der Aussparung 1003 gebildete
Kavität
eine beliebige Formgebung aufweisen, d. h. das herzustellende Kunststoffbauteil
ist nicht auf ein Bauteil mit flächiger
Formgebung beschränkt.
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Das
Werkzeug 1001, 1002 wird zwischen den Aufspannplatten
(nicht dargestellt) einer Spritzgussmaschine betrieben. Es können sowohl
konventionelle Spritzgussverfahren, bei welchen die Kunststoffmasse
in eine vollständig
geschlossene Kavität eingespritzt
wird, als auch sogenannte Präge-
oder Kompressionsverfahren eingesetzt werden, bei welchen eine Verpressung
der eingespritzten Kunststoffmasse mittels einer Plattenbewegung
bewerkstelligt wird. Besonders bei der Herstellung großformatiger flächiger Kunststoffbauteile
ist das Präge-
oder Kompressionsverfahren bevorzugt, da es die Herstellung von
besonders spannungsarmen Kunststoffbauteilen ermöglicht.
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Nach
dem Aushärten
der Kunststoffmasse wird das Werkzeug 1001, 1002 geöffnet und
das Kunststoffbauteil (Kunststoffscheibe 101) kann entnommen
werden. Handelt es sich bei dem Kunststoffbauteil um ein zweikomponentiges
Kunststoffbauteil, kann die zweite Komponente (z. B. der Rahmen 102) direkt
an die bereits gefertigte erste Komponente (z. B. Kunststoffscheibe 101)
angespritzt werden. Zu diesem Zweck verbleibt die Kunststoffscheibe 101 in der
Aussparung 1003 der ersten Formplatte 1001 und
die zweite Formplatte 102 wird gegen eine Anspritz-Formplatte 2000 ausgetauscht,
siehe 6. Die (gegebenenfalls ausgesparte, siehe Linie 2001') Vorderfläche 2001 der
Anspritz-Formplatte 2000 geht über eine Stufe 2002 in
eine vertiefte Zone 2003 über. Im vorliegenden Beispiel
bildet die vertiefte Zone 2003 einen umlaufenden Vertiefungsrahmen, welcher
zur Herstellung des Rahmens 102 dient. Der Verlauf und
die Formgebung der vertieften Zone 2003 entspricht also
der komplementären
Form der anzuspritzenden zweiten Komponente (Rand 102). In
der Anspritz-Formplatte 2000 ist ebenfalls eine Kunststoffzuführung 3 in
Form eines Heißkanals
vorgesehen, die in die vertiefte Zone 2003 mündet und gemäß der vorhergehenden
Beschreibung ausgestaltet sein kann.
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Zum
Anspritzen der zweiten Komponente 102 (z. B. Rand) an die
erste Komponente 101 (z. B. transparente Kunststoffscheibe)
werden die Formplatten 1001, 2000 geschlossen,
wobei sich zwischen der Oberfläche
der ersten Komponente 101 und der vertieften Zone 2003 eine
dichte Anspritz-Kavität 2004 ausbildet.
Das Anspritzen der zweiten Komponente 102 kann wiederum
durch ein herkömmliches
Spritzgussverfahren bei permanent geschlossenen Formplatten 1001, 2003 oder
durch ein Präge-
bzw. Kompressionsverfahren unter Plattenbewegung erfolgen. Beim
Einspritzen der Kunststoffmasse kommt es im Kontaktbereich zwischen
der Oberfläche
der bereits verfestigten ersten Komponente 101 und der
eingespritzten heißen
Kunststoffmasse der zweiten Komponente 102 zu einem Aufschmelzen
der ersten Komponente 101 in Oberflächennähe, sodass eine untrennbare
Verbindung zwischen der ersten Komponente 101 und der zweiten Komponente 102 realisiert
wird.
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Nach
der Abkühlung
und Verfestigung der zweiten Komponente 102 wird das Werkzeug 1001, 2003 geöffnet und
das fertiggestellte zweikomponentige Kunststoffbauteil entnommen.
Die beiden Arbeitszyklen zur Herstellung eines zweikomponentigen
Kunststoffbauteils können
in einer sogenannten Wendeplatten-Maschine ausgeführt werden, bei welcher der
Austausch der beiden Formplatten 1002 und 2000 durch
ein Wenden der ersten Formplatte 1001 erfolgt.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass sowohl zur Herstellung der ersten
Komponente 101 und – sofern vorgesehen – zur Herstellung
der zweiten Komponente 102 mehrere Kunststoffzuführungen 3 verwendet
werden können,
die jeweils in einem Randbereich der ersten Komponente 101 verteilt
angeordnet sein können.
Die Lage der zweiten Komponente 102 ist jedoch beliebig
und kann z. B. auch den Zentralbereich der ersten Komponente 101 kreuzen.
Durch die Erfindung kann erreicht werden, dass die Zahl der benötigten Kunststoffzuführungen 3 verringert
wird oder jeweils nur eine einzige Kunststoffzuführung 3 für die Herstellung
der ersten Komponente 101 und/oder für die Herstellung der zweiten
Komponente 102 benötigt
wird, wobei die Produktqualität
und die Prozesssicherheit sowohl für das Spritzen der ersten Komponente 101 als
auch für
das Anspritzen der zweiten Komponente 102 erhöht werden.
Die eine oder mehreren Kunststoffzuführungen 3 zur Herstellung
der ersten Komponente 101 können dabei so angeordnet sein,
dass die Anspritzstelle unterhalb der anzuspritzenden zweiten Komponente 102 liegt.