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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mediendichten Umspritzung wenigstens eines elektrischen Anschlusselements einer Aktoreinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer mediendichten Umspritzung wenigstens eines Anschlusselements einer Aktoreinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
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Die Aktoreinheit ist vorzugsweise integraler Bestandteil eines Kraftstoffinjektors zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das angegebene Verfahren und die angegebene Vorrichtung dienen in diesem Fall der Herstellung des Kraftstoffinjektors.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 197 17 459 A1 geht eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor hervor, welche einen Elektromagneten zur Betätigung der Vorrichtung umfasst. Der Elektromagnet ist mitsamt seinen elektrischen Anschlüssen druckdicht in einem Gehäuse untergebracht. Um eine platzsparende und kostengünstige Fertigung zu ermöglichen, wird das Gehäuse durch eine als Ziehteil ausgebildete Hülse gebildet. Zur druckdichten Abdichtung werden dabei nacheinander verschiedene Spritz- und Gießteile in der Hülse ausgeformt. Die einzelnen Verfahrensschritte umfassen das Umspritzen einer Spule des Elektromagneten, die Kontaktierung eines Spulendrahts mit einem Kontaktstift sowie einem Anschlussstift, das Ausgießen verbleibender Kavitäten zur Ausbildung von Dichtungen sowie das finale Umspritzen der gesamten Anordnung. Durch das Vergießen der Dichtungen soll eine maximale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Dichtflächen durch einen optimalen Formschluss der eingegossenen Dichtungen erzielt werden.
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Darüber hinaus sind Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffinjektoren bekannt, bei denen die elektrischen Anschlusselemente einer Aktoreinheit zur mediendichten Abdichtung in mehreren Verfahrensschritten mit unterschiedlichen Kunststoffen umspritzt werden. Eine finale Umspritzung dient dabei der Verbindung der Anschlusselemente mit dem Injektor. Hierbei gelangen wenigstens zwei unterschiedliche Kunststoffe, insbesondere Polyamide, zum Einsatz. Polyamide weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie bis zu 7% Wasser aufnehmen, das sie bei erhöhter Umgebungstemperatur wieder abgeben. Hinzu kommt, dass Polyamide einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten von bis zu 7 × 10–5/K aufweisen. Diese Werkstoffeigenschaften begünstigen die Ausbildung unerwünschter Spalte zwischen den einzelnen Umspritzungen, welche bei Inbetriebnahme des Kraftstoffinjektors das Eindringen von Feuchtigkeit, insbesondere von Wasser und/oder Öl, ermöglichen. Dies wiederum kann zu einem Energieabfluss und/oder einem Kurzschluss und damit zum Ausfall des Injektors führen.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer möglichst dauerhaft mediendichten Umspritzung wenigstens eines elektrischen Anschlusselements einer Aktoreinheit anzugeben. Ferner sollen sie eine einfache und kostengünstige Herstellung einer mediendichten Umspritzung ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer mediendichten Umspritzung wenigstens eines elektrischen Anschlusselementes einer Aktoreinheit werden erfindungsgemäß in einem ersten Verfahrensschritt das Anschlusselement zur Ausbildung einer Halteplatte und in einem weiteren Verfahrensschritt die Halteplatte einschließlich des Anschlusselements in einem Spritzgießwerkzeug umspritzt, wobei die Halteplatte und das Anschlusselement mit der Aktoreinheit oder einem die Aktoreinheit aufnehmenden Gehäuseteil verbunden werden.
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Durch die Verwendung eines einzigen Spritzgießwerkzeuges kann die mediendichte Umspritzung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere entfallen Verfahrensschritte, die das Entformen der in einem ersten Verfahrensschritt hergestellten Umspritzung zur Ausbildung der Halteplatte sowie das erneute Einlegen der Halteplatte einschließlich des wenigstens einen elektrischen Anschlusselements in ein weiteres formgebendes Werkzeug umfassen. Die Herstellung in einem Spritzgießwerkzeug verringert zudem die Gefahr der Wasseraufnahme durch die Halteplatte deutlich, da die Halteplatte während der Durchführung des Verfahrens nicht aus dem Werkzeug entnommen wird und demzufolge keine Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen kann. Dies wiederum wirkt der Ausbildung von Spalten entgegen, die darauf zurückzuführen sind, dass die Halteplatte bei der Aufnahme von Wasser quillt und anschließend bei der Abgabe des Wassers wieder schwindet. Dabei wird die Umspritzung einer mechanischen Belastung ausgesetzt, die zur Entstehung der Spalte führt. Die Verwendung eines einzigen Spritzgießwerkzeuges unterstützt demnach die Herstellung einer dauerhaft mediendichten Umspritzung.
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Neben der Herstellung einer mediendichten Umspritzung wird zugleich eine Verbindung der Halteplatte und des Anschlusselements mit der Aktoreinheit oder einem die Aktoreinheit aufnehmenden Gehäuseteil erreicht. Dabei dient die mediendichte Umspritzung der Abdichtung des Verbindungsbereichs. Vor Durchführung des Verfahrens wird daher neben dem wenigstens einen elektrischen Anschlusselement ferner die Aktoreinheit oder ein die Aktoreinheit aufnehmendes Gehäuseteil in das Spritzgießwerkzeug eingesetzt. Das elektrische Anschlusselement der Aktoreinheit kann insbesondere ein Kontaktstift sein. Die Aktoreinheit ist vorzugsweise ein Magnetaktor. Bei dem die Aktoreinheit aufnehmenden Gehäuseteil kann es sich insbesondere um ein Gehäuseteil eines Kraftstoffinjektors bzw. einen Kraftstoffinjektor handeln, den es mit einem elektrischen Anschlusselement zu verbinden gilt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Ausbildung der Halteplatte ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere Polyethersulfon (PES) und/oder Polyphenylensulfid (PPS), verwendet, der vorzugsweise faserverstärkt ist. Derartige Kunststoffe weisen einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten (< 4 × 10–5/K) auf, so dass die Neigung Wasser aufzunehmen und zu quellen deutlich geringer ist. Dadurch wird wiederum der Entstehung von Spalten entgegen gewirkt. Zudem besitzen diese Kunststoffe eine hohe Temperaturbeständigkeit. Als Fasern zur Verstärkung eignen sich insbesondere Glasfasern. Bei Einsatz von PES beträgt der Faseranteil vorzugsweise etwa 30% und bei Einsatz von PPS vorzugsweise etwa 40%.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass zur Umspritzung der Halteplatte und des Anschlusselementes ein duroplastischer Kunststoff verwendet wird, der vorzugsweise faserverstärkt ist. Eine Umspritzung aus einem faserverstärkten duroplastischen Kunststoff bleibt selbst bei Einsatztemperaturen über 200°C mechanisch stabil, so dass eine möglichst dauerhafte Abdichtung bewirkt wird. Bevorzugt wird ein Bulk Molding Compound (BMC) verwendet. Ein Bulk Molding Compound enthält Fasern, deren Länge derart wählbar ist, dass der Werkstoff in einem Spritzgießverfahren einsetzbar ist. Sofern das elektrische Anschlusselement eine profilierte Oberfläche besitzt, wie dies beispielsweise bei einem Kontaktstift regelmäßig der Fall ist, kann über die fasergefüllte Umspritzungsmasse eine Verbindung erreicht werden, die nach der Herstellung der Umspritzung eine Verdrehung des Anschlusselements verhindert. Das Bulk Molding Compound ist ein niedrigviskoser Kunststoff, der kleinste Spalte zu füllen vermag, so dass hierüber eine hervorragende Abdichtung erzielt wird.
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Die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs zur Ausbildung einer Halteplatte in einem ersten Verfahrensschritt in Kombination mit der Verwendung eines duroplastischen Kunststoffs, insbesondere eines Bulk Molding Compounds, zur Ausbildung einer finalen Umspritzung in einem weiteren Verfahrensschritt erlaubt eine optimale Abstimmung der Werkstoffe hinsichtlich ihres Wasseraufnahme- und Wärmeausdehnungsverhaltens. Auf diese Weise lässt sich die Entstehung von unerwünschten Spalten wirksam verhindern oder zumindest deutlich reduzieren.
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Vorteilhafterweise wird auf die Aktoreinheit, das die Aktoreinheit aufnehmende Gehäuseteil und/oder das elektrische Anschlusselement vor dem Einsetzen in das Werkzeug wenigstens ein Dichtelement aufgesetzt. Das Dichtelement vermag einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen und/oder eine Fixierung des jeweiligen Bauteils im Spritzgießwerkzeug zu bewirken. Vorzugsweise wird ein Dichtelement aus Perfluoralkoxy-Polymer (PFA) verwendet, da dieses sich bei Temperaturen über 100°C ausdehnt und somit das jeweilige Bauteil positionsgenau im Spritzgießwerkzeug fixiert.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass vor der Durchführung des ersten Verfahrensschritts das Spritzgießwerkzeug, vorzugsweise mittels Öl, auf eine Temperatur von 140 bis 180°C erwärmt wird.
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Der weitere Verfahrensschritt wird bevorzugt bei einem maximalen Spritzgießwerkzeuginnendruck von 15 bis 25 bar, vorzugsweise 20 bar, durchgeführt.
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Sofern vor dem Einsetzen in das Spritzgießwerkzeug ein Dichtelement auf die Aktoreinheit, das die Aktoreinheit aufnehmende Gehäuseteil und/oder das elektrische Anschlusselement aufgesetzt wurde, wird bevorzugt nach der Durchführung des weiteren Verfahrensschritts und nach einer vorgegebenen Härtungszeit entformt und das wenigstens eine Dichtelement abgezogen. Das Dichtelement kann auf diese Weise mehrfach eingesetzt werden.
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Nach dem Entformen des Spritzgießteils werden die Angüsse mechanisch abgetrennt.
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Die ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Vorrichtung zur Herstellung einer mediendichten Umspritzung wenigstens eines elektrischen Anschlusselements einer Aktoreinheit ist erfindungsgemäß ein Spritzgießwerkzeug mit einer ersten Spritzeinheit zur Umspritzung mit einem ersten Kunststoff, vorzugsweise einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyethersulfon und/oder Polyphenylensulfid, und mit einer zweiten Spritzeinheit zur Umspritzung mit einem zweiten Kunststoff, vorzugsweise einem faserverstärkten duroplastischen Kunststoff, insbesondere einem Bulk Molding Compound. Mittels der ersten Spritzeinheit kann unter Verwendung eines ersten Kunststoffs eine Halteplatte und mittels der zweiten Spritzeinheit kann unter Verwendung eines zweiten Kunststoffs eine finale Umspritzung ausgebildet werden. Zugleich kann eine Verbindung der Halteplatte und des wenigstens einen Anschlusselements mit der Aktoreinheit oder einem die Aktoreinheit aufnehmenden Gehäuseteil ausgebildet werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung eignet sich demnach insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die beiden Spritzeinheiten des Spritzgießwerkzeuges ermöglichen den Einsatz unterschiedlicher Kunststoffe zur Ausbildung der mediendichten Umspritzung, so dass in Bezug auf die jeweilige Funktion optimierte Kunststoffe eingesetzt werden können. Ferner können Kunststoffe verwendet werden, die hinsichtlich ihres Wasseraufnahmeund/oder Wärmeausdehnungsverhaltens aufeinander abgestimmt sind, um die mechanische Belastung der mittels der Vorrichtung hergestellten mediendichten Umspritzung zu verringern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Spritzgießwerkzeug eine veränderbare Kavität auf. Auf diese Weise kann zur Ausbildung einer Halteplatte eine erste Kavität und zur Ausbildung einer finalen Umspritzung eine zweite Kavität über das eine Spritzgießwerkzeug bereitgestellt werden.
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Zur Veränderung der Kavität umfasst das Spritzgießwerkzeug bevorzugt wenigstens ein Schieberelement. Das Schieberelement dient der Begrenzung der Kavität. Bei einer Verschiebung des Schieberelementes wird die Kavität vergrößert bzw. es wird eine weitere Kavität geschaffen, wenn die zuvor vorhandene Kavität bereits mit einem Kunststoff gefüllt ist. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Schieberelemente vorgesehen. Diese können insbesondere zur radialen und/oder axialen Begrenzung einer zylinderförmigen Kavität eingesetzt werden. Weiterhin vorzugsweise ist wenigstens ein Schieberelement zur radialen Begrenzung der Kavität und/oder zur Aufnahme eines weiteren Schieberelementes zumindest abschnittsweise hohlzylinderförmig ausgebildet. Das weitere Schieberelement kann dann zur axialen Begrenzung der Kavität eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise ist das Spritzgießwerkzeug temperierbar. Die Temperierung erfolgt vorzugsweise mittels Öl. Weiterhin vorzugsweise soll die Temperierung eine Erwärmung des Spritzgießwerkzeuges auf eine Temperatur von 140 bis 180°C ermöglichen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer mediendichten Umspritzung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit zwei Schieberelementen in einer ersten Position,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung der 1 nach Veränderung der Position der Schieberelemente und
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3 einen schematischen Querschnitt durch eine mittels der Vorrichtung der 1 und 2 hergestellten mediendichten Umspritzung wenigstens eines elektrischen Anschlusselements einer Aktoreinheit nach dem Entformen.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in den 1 und 2 schematisch dargestellte Vorrichtung dient der Herstellung einer mediendichten Umspritzung zweier elektrischer Anschlusselemente 2 einer Aktoreinheit 1, wobei die Anschlusselemente 2 als Kontaktstifte ausgebildet sind. Die zu umspritzenden Bauteile sind in die Vorrichtung eingesetzt. Da mit der Umspritzung zugleich eine Verbindung der Anschlussstifte 2 mit der Aktoreinheit 1 bzw. einem die Aktoreinheit aufnehmendes Gehäuseteil 5 eines Kraftstoffinjektors hergestellt werden soll, ist auch das Gehäuseteil 5 in die Vorrichtung eingesetzt. Der Einfachheit halber ist nur die Ansicht des Gehäuseteils 5 dargestellt und die Aktoreinheit 1 somit nicht sichtbar.
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Bei der Vorrichtung handelt es sich um ein Spritzgießwerkzeug 4 mit einer ersten Spritzeinheit 8 zur Herstellung einer Umspritzung mit einem ersten Kunststoff und einem zweiten Spritzeinheit 9 zur Herstellung einer Umspritzung mit einem zweiten Kunststoff. Das Spritzgießwerkzeug 4 weist eine zylinderförmige Kavität 10 auf, deren Größe veränderbar ist. Zur Veränderung der Größe der Kavität 10 umfasst das Spritzgießwerkzeug 4 ein erstes stempelartiges Schieberelement 11, das eine axiale Begrenzung der Kavität 10 bewirkt, sowie ein teilweise hohlzylinderförmiges zweites Schieberelement 12, das in einer ersten Position eine radiale Begrenzung und in einer zweiten Position gemeinsam mit dem ersten Schieberelement 11 eine axiale Begrenzung der Kavität 10 bewirkt. Das erste Schieberelement 11 ist hierzu in dem hohlzylinderförmigen Teil des zweiten Schieberelementes 12 aufgenommen, wobei die beiden Schieberelemente 11, 12 relativ zueinander verschiebbar sind.
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In der 1 nehmen die Schieberelemente 11, 12 jeweils eine erste Position ein, so dass sie gemeinsam mit dem in das Spritzgießwerkzeug 4 eingesetzten Gehäuseteil 5 eine erste Kavität 10 ausbilden. In der 1 ist die erste Kavität 10 bereits mit einem thermoplastischen Kunststoff zur Ausbildung einer Halteplatte 3 gefüllt, wobei der Kunststoff mittels der ersten Spritzeinheit 8 eingebracht wurde, die hierzu über einen Kanal 13 mit der Kavität 10 verbunden ist. Das erste Schieberelement 11 weist Hohlräume zur teilweisen Aufnahme der Anschlusselemente 2 auf, wobei zur genauen Positionierung die Anschlusselemente 2 jeweils über ein Dichtelement 6 in den Hohlräumen des Schieberelementes 11 gehalten sind. Die über das Schieberelement 11 hinausragenden Enden der Anschlusselemente 2 sind in den über die Spritzeinheit 8 in die Kavität 10 eingebrachten Kunststoff eingebettet. Das Gehäuseteil 5 ist über ein Dichtelement 7 im Spritzgießwerkzeug 4 fixiert.
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In der 2 nehmen die Schieberelemente 11, 12 jeweils eine zweite Position ein. Hierzu wurden die Schieberelemente 11, 12 aus dem Spritzgießwerkzeug weiter herausgezogen, so dass das zweite Schieberelement 12 gemeinsam mit dem ersten Schieberelement 11 eine axiale Begrenzung der veränderten Kavität 10 bewirkt. In radialer Richtung wird die Kavität 10 nunmehr von einem hohlzylinderförmigen Körper 15 des Spritzgießwerkzeuges 4 begrenzt, in dem die beiden Schieberelemente 11, 12 verschiebbar aufgenommen sind. Eine axiale Begrenzung wird zudem über das Dichtelement 7 erreicht. In der zweiten Position der Schieberelemente 11, 12 wird die Kavität 10 vergrößert, wobei die Halteplatte 3 bereits einen Teil der Kavität 10 füllt und auf diese Weise ebenfalls eine Begrenzung der Kavität 10 bewirkt. Die Kavität 10 ermöglicht somit die Ausbildung einer weiteren Umspritzung, welche die Halteplatte 3 einschließlich der über die Verschiebung des ersten Schieberelementes 11 freigelegten Abschnitte der Anschlusselemente 2 umgreift und sich ferner über einen Teil der Mantelfläche des Gehäuseteils 5 erstreckt. Zum Einbringen der Umspritzungsmasse ist die Kavität 10 über einen Kanal 14 mit der zweiten Spritzeinheit 9 verbunden.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierzu werden zunächst ein Gehäuseteil 5 und Anschlusselemente 2 in das Spritzgießwerkzeug 4 eingesetzt, denen zuvor Dichtelemente 6, 7 zur Fixierung im Werkzeug aufgesteckt wurden. Anschließend werden die Schieberelemente 11, 12 in ihre jeweilige erste Position verfahren, um eine Kavität 10 zur Ausbildung einer Halteplatte 3 zu schaffen. Das Spritzgießwerkzeug 4 wird dann mit Öl auf eine Temperatur von 150°C erwärmt. Mittels der Spritzeinheit 8 wird über den Kanal 13 ein faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff in die Kavität 10 eingespritzt. Nachdem dieser ausgehärtet ist, werden die Schieberelemente 11, 12 in ihre jeweilige zweite Position verfahren, so dass um die Halteplatte 3 herum eine weitere Kavität 10 zur Ausbildung einer finalen Umspritzung 16 geschaffen wird. Mittels der Spritzeinheit 9 wird dann über den Kanal 14 bei einem Werkzeuginnendruck von 20 bar ein faserverstärkter duroplastischer Kunststoff in die Kavität 10 eingebracht. Nach einer vorgegebenen Aushärtzeit wird das Spritzgießwerkzeug 4 geöffnet und das Gehäuseteil 5 einschließlich der mittels der Halteplatte 3 und der Umspritzung 16 mit dem Gehäuseteil 5 fest verbundenen Anschlusselemente 2 entnommen. Im Anschluss hieran können die Dichtelemente 6, 7 abgezogen werden.
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In der 3 ist eine solche mittels des Spritzgießwerkzeuges 4 der 1 und 2 hergestellte mediendichte Umspritzung an einem Gehäuseteil 5 in einem Querschnitt dargestellt. Der Querschnitt ist durch die Halteplatte 3 und die Umspritzung 16 gelegt. Die Halteplatte 3 umgreift die Enden der Anschlusselemente 2, die darüber hinaus auch in die Umspritzung 16 eingebettet sind (im Querschnitt der 3 nicht zu sehen). Die 3 zeigt die mediendichte Umspritzung kurz nach dem Entformen. Sie weist Angüsse 17 auf, die aus dem Kunststoff gebildet werden, der in den Kanälen 13, 14 nach Beendigung der Umspritzung verblieben und ausgehärtet ist. Die Angüsse 17 werden mechanisch abgetrennt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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