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Die Erfindung betrifft eine Nadelverschlussvorrichtung für eine Gusskavität und ein Gusswerkzeug, das mit einer Nadelverschluss-Vorrichtung versehen ist.
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Es ist bereits bekannt, Kunststoffbauteile vielfältigster Formen 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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In der Spritzgusstechnik finden Nadelverschlussventile für das Einspritzen der flüssigen, heißen Kunststoffmasse in die Kavität Verwendung. 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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Bei der Verwendung von Nadelverschlussventilen zur Steuerung des Kunststoffzuflusses ist es schwierig, die mechanischen und thermischen Anforderungen zu erfüllen, um – möglichst auf kostengünstige Weise – optisch und geometrisch einwandfreie Angussstellen herzustellen. Es kann 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. Ferner können Ablagerungen an der Verschlussnadelspitze an dem Bauteil anhaften bleiben (schwarzer Punkt), und durch die Verschlussnadel bewirkte thermische Inhomogenitäten am Bauteil können im Bereich der Anspritzstelle zur Entstehung von optischen Mängeln führen.
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Ähnliche Anforderungen und Probleme können in der Druckgussfertigung von Metall-Gussbauteilen auftreten.
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US 4449915 A offenbart eine Nadelverschlussvorrichtung für eine Kunststoff-Spritzgusskavität, die einen in die Gusskavität mündenden Schmelzekanal, eine Verschlussnadel und eine in einer Wandung des Schmelzekanals vorhandenen Verschlussnadelöffnung aufweist, durch die die Verschlussnadel in den Schmelzekanal eingeschoben werden kann. Der Schmelzekanal weist eine Kanalumlenkung auf.
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US 4595552 A offenbart eine Nadelverschlussvorrichtung für eine Kunststoff-Spritzgusskavität, die ebenfalls die oben zur
US 4449915 A genannten Merkmale zeigt.
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US 20080150125 A1 offenbart eine weitere Nadelverschlussvorrichtung, die nochmals die oben zur
US 4449915 genannten Merkmale und darüber hinaus die Ausbildung der Kanalumlenkung und der Verschlussnadelöffnung in einem Werkzeugeinsatz zeigt.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, eine die mechanischen und thermischen Anforderungen erfüllende Nadelverschlussvorrichtung für eine Gusskavität zu schaffen, die es ermöglicht, Gussbauteile mit hoher Produktqualität zu fertigen. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, ein Gusswerkzeug bereitzustellen, welches eine prozesssichere Fertigung von Gussbauteilen mit hoher Produktqualität ermöglicht.
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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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Die Nadelverschlussvorrichtung weist einen in die Gusskavität mündenden Schmelzekanal auf. Eine Wandung des Schmelzekanals ist mit einer Verschlussnadelöffnung ausgestattet, durch die eine Verschlussnadel in dem Schmelzekanal verschoben werden kann, um den Schmelzekanal gegenüber der Gusskavität abzudichten. Der Schmelzekanal weist eine Kanalumlenkung auf und die Verschlussnadelöffnung kann innerhalb der Kanalumlenkung oder zwischen der Gusskavität und der Kanalumlenkung angeordnet sein. Dabei befinden sich die Kanalumlenkung und die Verschlussnadelöffnung in einem Werkzeugeinsatz, wobei die Kanalumlenkung und die Verschlussnadelöffnung in einem zumindest teilweise in dem Werkzeugeinsatz verlaufenden buchsenförmigen Teil ausgebildet sind, welches von einer um das buchsenförmige Teil angeordneten Heizung erwärmt wird.
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Durch das seitliche Einführen der Verschlussnadel in den Schmelzekanal kann erreicht werden, dass sich die Verschlussnadel beispielsweise nur über eine relativ kurze Länge in dem Schmelzekanal befindet, wenn die Nadelverschlussvorrichtung geschlossen ist. Beispielsweise kann dadurch auf eine Nadelzentrierung innerhalb des Schmelzekanals verzichtet werden und eine gegebenenfalls vorgesehene Verschlussnadelkühlung kann einfacher bzw. leistungsärmer ausgelegt werden. Ferner kann ein geringer Nadelhub erreicht werden, wodurch ein Verschleiß der Verschlussnadel sowie auch ein Verschleiß der Nadelführung verringert werden kann.
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Der Werkzeugeinsatz zwischen der Gusskavität und einer zustromseitig angeordneten Kunststoffzuführung (z. B. Heißkanal) schafft eine konstruktiv einfache und die thermischen Anforderungen erfüllende bauliche Lösung für die Nadelverschlussvorrichtung. Der Werkzeugeinsatz kann beispielsweise beheizbar sein. Beispielsweise kann die Verschlussnadel im geöffneten Zustand der Nadelverschlussvorrichtung über eine Länge von weniger als 50 mm, 40 mm, 30 mm, 20 mm, 15 mm oder 10 mm in dem Werkzeugeinsatz verlaufen. Je kürzer der Nadelverlauf innerhalb des gegebenenfalls beheizbaren Werkzeugeinsatzes, desto geringer ist die Nadelerwärmung und um so einfacher gestaltet sich eine gegebenenfalls vorhandene Nadelkühlung. Ferner weist die Verschlussnadel bei kürzerem Verlauf innerhalb des gegebenenfalls beheizbaren Werkzeugeinsatzes eine geringere thermische Längenausdehnung auf. Ferner ermöglicht der Werkzeugeinsatz, dass weiterhin handelsübliche Kunststoffzuführungen (Heißkanäle) eingesetzt werden können, die beispielsweise nicht an die erfindungsgemäße Nadelverschlussvorrichtung angepasst werden müssen.
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Im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung kann die Nadel einen Querschnitt des Schmelzekanals abdichten. Der abzudichtende Querschnitt des Schmelzekanals kann der Mündungsquerschnitt des Schmelzekanals in die Gusskavität sein.
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Es ist möglich, dass die Verschlussnadel im geöffneten Zustand der Nadelverschlussvorrichtung nicht durch die Verschlussnadelöffnung in den Schmelzekanal hineinsteht. Im zurückgezogenen Zustand der Verschlussnadel kann die Umfangswandung der Verschlussnadel frei von Kontakt mit dem im Schmelzekanal fließenden Gussmaterial sein.
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Im geöffneten Zustand und/oder im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung kann die Verschlussnadelöffnung in der Wandung des Schmelzekanals durch die Verschlussnadel abgedichtet werden. Die Verschlussnadel kann also sowohl zur Abdichtung der Gusskavität (im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung) als auch zur Abdichtung der Verschlussnadelöffnung in der Wandung des im Werkzeugeinsatz verlaufenden Schmelzekanals vorgesehen sein.
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Der Hub der Verschlussnadel kann beispielsweise gleich oder kleiner als 20 mm, insbesondere 15 mm oder 10 mm, sein, d. h. es können kurze Hübe erreicht werden, die bei herkömmlichen Nadelverschlussventilen, bei denen die Verschlussnadel koaxial innerhalb der Kunststoffzuführung verläuft, nicht möglich sind.
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In Schmelzestromrichtung hinter (abstromseitig) der Kanalumlenkung kann der Schmelzekanal so orientiert sein, dass er koaxial zu der Verschlussnadel orientiert ist. Die Verschlussnadel kann dabei beispielsweise geradlinig verlaufen. Ferner ist es auch möglich, dass der Schmelzekanal in Schmelzestromrichtung hinter der Kanalumlenkung schräg zu der Verschlussnadel orientiert ist.
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Da sich die Verschlussnadel im geöffneten Zustand der Nadelverschlussvorrichtung beispielsweise nicht in dem Schmelzekanal befindet und/oder da die Verschlussnadel nur eine relativ geringe Strecke innerhalb des Schmelzekanals zurücklegen muss, um in den geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung zu gelangen, benötigt die Nadelbewegung einen geringeren Schließdruck als in herkömmlichen Nadelverschlussventilen. Dadurch kann die Mechanik zur Betätigung der Verschlussnadel vereinfacht werden bzw. ein kostengünstigerer Verschlussnadelantrieb eingesetzt werden.
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Die Nadelverschlussvorrichtung kann in ein Gusswerkzeug mit einer Formplatte integriert sein. Es wird darauf hingewiesen, dass der Schmelzekanal im Bereich seiner Mündung in die Gusskavität sowohl parallel zur Schließrichtung des Gusswerkzeugs als auch seitlich (beispielsweise schräg oder senkrecht) zur Schließrichtung des Gusswerkzeugs orientiert sein kann.
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Das Gusswerkzeug weist einen Heißkanal auf, wobei der Schmelzekanal in Schmelzestromrichtung hinter (d. h. abstromseitig) dem Heißkanal angeordnet ist. Der Schmelzekanal ist hierfür in einem separaten Werkzeugeinsatz ausgebildet, welcher beispielsweise in eine Ausnehmung der Formplatte eingesetzt ist und gegebenenfalls direkt an die Heißkanaldüse anbindet. Das heißt, der in dem Werkzeugeinsatz verlaufende Schmelzekanal erstreckt sich zwischen der Gusskavität (bzw. der Kavitätskontur derselben) und dem Heißkanal und kann beispielsweise direkt an diese angrenzend angeordnet sein. Dabei sind die Kanalumlenkung und die Verschlussnadelöffnung in einem zumindest teilweise in dem Werkzeugeinsatz verlaufenden buchsenförmigen Teil ausgebildet, welches von einer um das buchsenförmige Teilangeordneten Heizung erwärmt wird. Der Werkzeugeinsatz ermöglicht dabei ein gut einstellbares und kontrollierbares thermisches Profil im Bereich der Nadelverschlussvorrichtung sowie eine baulich einfache und kostengünstige Werkzeuglösung. Der Werkzeugeinsatz kann sich über den Kavitätsrand erstrecken und beispielsweise sowohl eine innerhalb der Gusskavität freiliegende Fläche als auch eine außerhalb der Gusskavität freiliegende Plattenfläche aufweisen.
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Mit der Nadelverschlussvorrichtung bzw. dem Gusswerkzeug können Gussbauteile von vielerlei Art und Gestalt hergestellt werden. Insbesondere können Kunststoffbauteile mit hochqualitativen Sichtflächen produziert werden, wie beispielsweise transparente Kunststoffbauteile, optische Kunststoffbauteile, und hochglänzende transparent oder intransparente, farbige, beispielsweise schwarze Kunststoffbauteile, beispielsweise sogenannte Glazing-Bauteile. Als spezielle Beispiele seien Streuscheiben für Fahrzeugleuchten, Fahrzeugfenster (z. B. Dachfenster), Bildschirmabdeckungen für Monitore oder Fernseher, usw. genannt. Sämtliche dieser Produkte können einen einseitig von einem intransparenten Material abgedeckten Bereich aufweisen, an welchem die Anspritzung über die Nadelverschlussvorrichtung vorgenommen wird.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in beispielhafter Weise erläutert. Identische oder einander entsprechende Teile können mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sein. Die Darstellungen in den Zeichnungen sind nicht zwingend maßstäblich, wobei der Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung ein maßstabsgetreues Verständnis der Zeichnungen beinhalten soll. Dieses maßstäbliche Verständnis der Zeichnungen umfasst auch, dass Verallgemeinerungen dargestellter relativer Dimensionierungen wie ”größer als” oder ”kleiner als” oder ”gleich dimensioniert” aus den Zeichnungen entnommen werden können, sofern dort beispielhaft illustriert. In den Figuren zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Nadelverschlussvorrichtung im geschlossenen Zustand gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
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2 eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Nadelverschlussvorrichtung im geöffneten Zustand gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
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3 eine schematische Schnittansicht einer Nadelverschlussvorrichtung im geschlossenen Zustand gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
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4 eine schematische Schnittansicht der in 3 gezeigten Nadelverschlussvorrichtung im geöffneten Zustand gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
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5 eine schematische Schnittansicht einer Nadelverschlussvorrichtung im geschlossenen Zustand gemäß einer Ausführungsform;
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6 eine schematische Schnittansicht der in 5 gezeigten Nadelverschlussvorrichtung im geöffneten Zustand;
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7 eine Schnittdarstellung eines Werkzeugs zum Herstellen eines Gussteils;
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8 ein Beispiel eines Gussteils, das gegebenenfalls zweikomponentig sein kann; und
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9 eine Teilschnittansicht des in 8 dargestellten Gussteils entlang der Schnittlinie X-X in 8.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die im Folgenden beschriebenen Anordnungen und Verfahren am Beispiel der Kunststoff-Spritzgusstechnik beschrieben werden. Die Anordnungen und Verfahren sind jedoch auch in der Metall-Druckgusstechnik anwendbar, sodass die folgende Beschreibung analog auch für eine Nadelverschlussvorrichtung für die Herstellung von Druckguss-Metallteilen in Metall-Druckgusskavitäten gilt.
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1 zeigt in beispielhafter Weise einen Bereich eines Werkzeugs, der beispielsweise innerhalb einer Werkzeugplatte (Formplatte) des Werkzeugs realisiert sein kann. In dem dargestellten Werkzeugbereich befindet sich eine Nadelverschlussvorrichtung 100. Die Nadelverschlussvorrichtung 100 umfasst einen Schmelzekanal 101 und eine Verschlussnadel 102.
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Der Schmelzekanal 101 kann zustromseitig an einen Heißkanal 103 angeschlossen sein. Der Heißkanal 103 ist beispielsweise mit nicht dargestellten Heizkörpern ausgestattet und stellt eine Kunststoffzuführung dar, über welche Kunststoff aus einem Kunststoffreservoir (nicht dargestellt) in flüssiger Form zu bzw. in die Nähe einer Gusskavität 104, in der Technik auch als Bauteilkavität bezeichnet, innerhalb des Werkzeugs transportiert werden kann. Mit dem Bezugszeichen 103a wird die Mündung des Heißkanals 103 bzw. der Heißkanaldüse (das in 1 dargestellte gestufte Endstück des Heißkanals 103 wird in der Technik üblicherweise als Heißkanaldüse bezeichnet) gekennzeichnet.
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Der Schmelzekanal 101 kann sich von der Mündung 103a des Heißkanals 103 bis zur Gusskavität 104 erstrecken. Mit dem Bezugszeichen 101a ist die abstromseitige Mündung des Schmelzekanals 101 in die Gusskavität 104 bezeichnet. Im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung 100 wird ein Querschnitt des Schmelzekanals 101, insbesondere beispielsweise dessen Mündung 101a, durch die Verschlussnadel 102 gedichtet. Beispielsweise kann die Endfläche 102a der Verschlussnadel koplanar zu der Mündung 101a liegen. Im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung 100 kann die Endfläche 102a der Verschlussnadel 102 eine Konturfläche der Gusskavität 104 bilden, d. h. direkt mit dem herzustellenden Bauteil in Kontakt sein.
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Die Verschlussnadel 102 erstreckt sich durch eine Verschlussnadelöffnung 101b der Wandung 105 des Schmelzekanals 101. Die Öffnung 101b wird beispielsweise ebenfalls durch die Verschlussnadel 102 abgedichtet. Dass heißt, im geschlossenen Zustand der Nadelverschlussvorrichtung 100 kann die im Schmelzekanal 101 befindliche Kunststoffschmelze 106 weder durch die Mündung 101a in die Gusskavität 104 fließen noch durch die Verschlussnadelöffnung 101b den Schmelzekanal 101 verlassen.
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Der Schmelzekanal 101 kann sich zu der Mündung 101a hin konisch verjüngen, so dass beispielsweise eine Abdichtung des Schmelzekanals 101 gegenüber der Gusskavität 104 lediglich im Mündungsbereich (Düsenbereich) des Schmelzekanals 101 erfolgt.
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Der Schmelzekanal 101 weist eine Kanalumlenkung 107 auf. Die Kanalumlenkung 107 bewirkt, dass eine Mittenachse des Schmelzekanals 101 im Bereich der Kanalumlenkung 107 eine Krümmung aufweist. Diese Krümmung kann beispielsweise einen Winkel gleich, kleiner oder größer als 170°, 150°, 130°, 110°, 90°, 70° einschließen. In dem in 1 dargestellten Beispiel beträgt der Krümmungswinkel beispielsweise etwa 90°, d. h. die Mittenachse des Schmelzekanals 101 im Bereich der Mündung 101a bzw. hinter der Kanalumlenkung 107 ist im Wesentlichen senkrecht zur Mittenachse des Schmelzekanals 101 vor der Kanalumlenkung 107 orientiert.
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Die Verschlussnadelöffnung 101b kann in Heißkanal-Schmelzestromrichtung (Pfeil P) beispielsweise vor oder innerhalb der Kanalumlenkung 107 angeordnet sein. Die Verschlussnadel 102 wird seitlich in den Schmelzekanal 101 eingeführt. Die Mittenachse der Verschlussnadel 102 kann koaxial zu der Mittenachse des Schmelzekanals 101 in Schmelzestromrichtung hinter der Kanalumlenkung 107 verlaufen. Die Mittenachse des Schmelzekanals 101 vor der Kanalumlenkung 107 kann unter einem Winkel (z. B. schräg, senkrecht, usw.) zu der Mittenachse der Verschlussnadel 102 orientiert sein. Die Verschlussnadel 102 kann beispielsweise geradlinig ausgeführt sein.
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Der Durchmesser der Verschlussnadel 102 kann beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm betragen, wobei in 1 ein Durchmesser von z. B. etwa 3 mm gezeigt ist. Der Abstand zwischen der Mündung 101a und der Verschlussnadelöffnung 101b kann gleich oder kleiner als beispielsweise das 6-, 5-, 4- oder 3-fache des Durchmessers der Verschlussnadel 102 sein. Er kann also vergleichsweise kurz, z. B. gleich oder kleiner als 20 mm, 15 mm, 12 mm oder 10 mm sein. Wie im Folgenden noch näher erläutert, kann dieser Abstand dem Hub entsprechen (oder auch etwas kleiner als der Hub sein), den die Verschlussnadel 102 zwischen der geöffneten Stellung und der geschlossenen Stellung der Nadelverschlussvorrichtung 100 zurücklegt. Ein geringer Abstand zwischen der Mündung 101a des Schmelzekanals 101 in die Gusskavität 104 und der Verschlussnadelöffnung 101b in der Wandung 105 des Schmelzekanals 101 kann daher einen kürzeren Nadelhub für die Verschlussnadel 102 ermöglichen. Der Nadelhub kann ebenfalls durch die oben angegebenen Werte (z. B. 6-, 5-, 4- oder 3-fache des Durchmessers der Verschlussnadel 102) oder die oben angegebenen absoluten Längenangaben (z. B. 20 mm, 15 mm, 12 mm oder 10 mm) nach oben begrenzt sein.
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Der Schmelzekanal 101 kann optional eine weitere Kanalumlenkung aufweisen, die im Folgenden als Kanalbiegung 108 bezeichnet wird. Die Kanalbiegung 108, die zustromseitig der Kanalumlenkung 107 angeordnet ist, kann eine Mittenachse des Schmelzekanals 101 wieder in dieselbe Richtung lenken, die die Mittenachse des Schmelzekanals 101 im Bereich der Mündung 101a aufweist. Andere Orientierungen der Mittenachse des Schmelzekanals 101 im Bereich der Mündung 103a des Heißkanals 103 sind ebenfalls möglich, d. h. die Kanalbiegung 108 zwischen dem Heißkanal 103 und der Kanalumlenkung 107 kann beispielsweise den baulichen Gegebenheiten angepasst werden.
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Der Schmelzekanal 101 verläuft in einem Werkzeugeinsatz 110. Der Werkzeugeinsatz 110 kann sich beispielsweise in einer Ausnehmung 121 einer die Gusskavität 104 begrenzenden Formplatte 120 befinden. Die Kavitätskontur der Gusskavität 104 kann somit in diesem und in allen weiteren Ausführungsbeispielen bereichsweise von einer Fläche 122 der Formplatte 120 und einer Fläche 111 des Werkzeugeinsatzes 110 gebildet sein. Die beiden Flächen 122, 111 können bündig zueinander sein und in einer Ebene liegen.
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Der Werkzeugeinsatz 110 kann entsprechend den thermischen Anforderungen ausgelegt sein. Er kann beispielsweise beheizbar sein. Beispielsweise können, wie in 1 gezeigt, in dem Werkzeugeinsatz 110 eine integrierte Heizung 112, beispielsweise in Form von den Werkzeugeinsatz 110 durchsetzenden Heizkanälen, vorhanden sein, die benachbart dem Schmelzekanal 101 angeordnet sein kann. Die Heizung 112 dient dazu, den Schmelzekanal 101 auf einer geeigneten, hohen Temperatur zu halten, so dass sich die Kunststoffschmelze in dem Schmelzekanal 101 nicht verfestigt.
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Ferner können in dem Werkzeugeinsatz 110 Isolationsbereiche 113 vorgesehen sein, die einen thermischen Wärmeübergang behindern. Beispielsweise kann ein Isolationsbereich 113 zwischen der Gusskavität 104 und der Heizung 112, beispielsweise einem Heißkanal derselben, und/oder zwischen der Gusskavität 104 und dem Schmelzekanal 101 angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass eine thermische Isolation zwischen dem beispielsweise beheizten Schmelzekanal 101 und der beispielsweise gekühlten Gusskavität 104 herbeigeführt wird. Allgemein ermöglichen die Heizung 112 und/oder die thermischen Isolationsbereiche 113 eine gute Einsteilbarkeit eines gewünschten Temperaturprofils im Werkzeugeinsatz 110.
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Die Heizung 112 kann konturangepasst um den Schmelzekanal 101 herum ausgeführt sein, wie dies in 1 anhand der beispielhaft dargestellten Heizkanäle ersichtlich ist. Anstelle von Heizkanälen können auch andere Heizelemente, wie beispielsweise elektrische Heizwicklungen und dergleichen vorgesehen sein.
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Es ist auch möglich, dass der Werkzeugeinsatz 110 keine eigene Heizung aufweist, sondern durch seinen Kontakt zum Heißkanal 103 von diesem ausreichend erwärmt wird.
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Die in 1 im Werkzeugeinsatz 110 integrierten Teile (beispielsweise Heizung 112 und/oder thermischen Isolationsbereiche 113) können teilweise oder vollständig auch direkt in die Formplatte 120 eingearbeitet sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Schließrichtung der Formplatte in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Nadelverschlussvorrichtung 100 in Richtung der Achse der Verschlussnadel 102 verläuft, jedoch allgemein auch andere Schließrichtungen der Formplatte 120 möglich sind. Beispielsweise kann eine seitliche Anspritzung vorgesehen sein, z. B. in Art einer Schräganspritzung, bei welcher die Nadelachse schräg zur Achse des Heißkanals 103 und/oder zur Schließrichtung der Formplatte 120 orientiert ist (siehe z. B. 5), oder es ist auch möglich, dass eine seitliche Anspritzung realisiert wird, bei welcher die Achse des Heißkanals 103 und/oder die Schließrichtung der Formplatte 120 im Wesentlichen senkrecht auf der Achsenrichtung der Verschlussnadel 102 steht.
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2 zeigt die Nadelverschlussvorrichtung 100 in geöffnetem Zustand. Die Verschlussnadel 102 ist zurückgezogen, sodass die Mündung 101a des Schmelzekanals frei 101 ist. In diesem Zustand kann die Gusskavität 104 befüllt werden. Die Verschlussnadel 102 kann vollständig aus dem Schmelzekanal 101 entfernt sein, d. h. die Umfangswand 102b der Verschlussnadel 102 kommt nicht mit der Kunststoffschmelze im Schmelzekanal 101 in Berührung. Die Endfläche 102a der Verschlussnadel 102 kann außerhalb des Schmelzekanals 101 liegen, d. h. nicht aus der Nadelbohrung in den Schmelzekanal 101 vorstehen. Zum Schließen der Nadelverschlussvorrichtung 100 wird die Verschlussnadel 102 dann durch die Nadelverschlussöfnung 101b in den Schmelzekanal 101 vorgeschoben, bis der in 1 gezeigte Schließzustand erreicht ist.
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Es kann beispielsweise ein Nadelhub von weniger als 20 mm, 15 mm, 12 mm oder 10 mm erreicht werden. Ein geringer Nadelhub vermeidet übermäßigen Verschleiß der Verschlussnadel 102 sowie der Nadelbohrung (Nadelführung). Darüber hinaus kann durch einen geringen Nadelhub ein geringerer Einzug von Kunststoff in die Nadelführung erreicht werden, welcher optische Probleme am Bauteil (z. B. schwarze Punkte, usw.) verursachen könnte. Ein geringer Nadelhub und/oder eine geringe Entfernung der Kanalumlenkung 107 von der Gusskavität 104 ermöglichen ferner, dass – anders als bei Standarddüsen, bei denen die Verschlussnadel im Schmelzekanal frei schwimmend verläuft – keine Nadelzentrierung benötigt wird.
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Ferner kann erreicht werden, dass die Verschlussnadel 102 im geöffneten Zustand der Nadelverschlussvorrichtung 100 nur über eine relativ kurze Länge von gleich oder weniger als 50 mm, insbesondere 40 mm, 30 mm, 20 mm oder 10 mm in einer heißen Stahlumgebung, hier beispielsweise dem z. B. 300°C heißen Werkzeugeinsatz 110, verläuft. Dies ermöglicht eine effektive Nadelkühlung, die beispielsweise durch eine Innenkühlung der Nadel erfolgen kann. Ferner können der benötigte Schließdruck reduziert und die thermische Längendehnung der Verschlussnadel 102 gering gehalten werden.
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3 zeigt eine Nadelverschlussvorrichtung 300 gemäß einem nicht erfindungsgemäß ausgeführten Beispiel im geschlossenen Zustand. Im Unterschied zu der Nadelverschlussvorrichtung 100 gemäß 1 ist der Werkzeugeinsatz 110 in 3 so ausgeführt, dass eine seitliche Anspritzung in die Gusskavität 104 erfolgt. Die Schließrichtung der Formplatte 120 kann – ähnlich wie in 1 – vertikal verlaufen, also z. B. der Pfeilrichtung P (entspricht der Heißkanalachse) entsprechen. Die Kanalumlenkung 107 lenkt den Schmelzekanal 101 in Richtung zu der Gusskavität 104 um. Die Anspritzrichtung kann hier und in allen anderen gezeigten Beispielen beispielsweise koaxial zur Richtung der Verschlussnadelachse sein. Beispielsweise kann die Anspritzrichtung senkrecht zu einer Konturfläche 111 der Gusskavität 104 orientiert sein. Die Anspritzrichtung (d. h. die Mittenachse des Schmelzekanals 101 im Bereich der Mündung 101a) kann beispielsweise einen Winkel gleich oder größer oder kleiner als 30°, 50°, 70°, 90°, 110°, 130°, 150°, 170° mit der Richtung P der Heißkanalachse oder auch der Schließrichtung der Formplatte (beispielsweise ebenfalls Pfeilrichtung P) einschließen. In 3 ist beispielsweise ein Winkel von etwa 110° erkennbar. Durch diese Schräganspritzung kann erreicht werden, dass die Verschlussnadel 102 schräg zur Richtung P des Heißkanals 103 orientiert ist. Dadurch kann die Mechanik (nicht dargestellt) zum Antrieb der Verschlussnadel 102 von dem Heißkanal 103 weg verlagert werden. Handelsübliche Heißkanäle 103 können hier wie in allen anderen Beispielen zum Einsatz kommen.
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Wie bereits im Zusammenhang mit der Nadelverschlussvorrichtung 100 beschrieben, können Isolationsbereiche 113 (Aussparungen, Bohrungen, usw.) zwischen der Gusskavität 104 und dem Schmelzekanal 101 und/oder einer Heizung – die hier beispielsweise als ein in einer Ausnehmung im Werkzeugeinsatz 110 eingesetzter separater Heizeinsatz 311 mit darin integrierter Heizung 112 ausgebildet ist – vorgesehen sein. Die Biegung 108 des Schmelzekanals 101 kann entfallen oder – wie in 3 gezeigt – lediglich als leichter Knick ausgebildet sein. Die weiteren Merkmale der Nadelverschlussvorrichtung 100 sind auf die Nadelverschlussvorrichtung 300 übertragbar und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals beschrieben. Insbesondere gilt dies für die Angaben zum Werkzeugeinsatz 110 und auch für Dimensionsangaben zur Verschlussnadel 102, deren Hub, Anordnung, usw., sowie die Formgebung des Schmelzekanals 101 im Bereich der Kanalumlenkung 107. Ferner kann die in 3 dargestellte Schräganspritzung selbstverständlich auch auf das in 1 gezeigte Beispiel übertragen werden. Eine Werkzeugeinsatz 110 ohne eigene Heizung ist gemäß der Beschreibung zur 1 ebenfalls möglich.
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4 zeigt die Nadelverschlussvorrichtung 300 im geöffneten Zustand bei zurückgezogener Verschlussnadel 102. Die zur 2 gemachten Angaben können auch auf die in 4 gezeigte Nadelverschlussvorrichtung 300 zutreffen und werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht nochmals erwähnt. Insbesondere gilt dies für die Lage der Verschlussnadel 102 im zurückgezogenen Zustand.
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5 zeigt eine Nadelverschlussvorrichtung 500 sowie ein diese Nadelverschlussvorrichtung 500 enthaltendes Spritzgießwerkzeug. Das Spritzgießwerkzeug kann die bereits beschriebene Formplatte 120 sowie gegebenenfalls eine gegenüberliegende Formplatte 520 enthalten, zwischen denen die Gusskavität 104 ausgebildet ist. Die Schließrichtungen der Formplatten 120, 520 des Spritzgießwerkzeugs können beispielsweise ebenfalls in Vertikalrichtung verlaufen und somit durch die Pfeile P1 bzw. P2 dargestellt sein. Die Pfeile P1, P2 können beispielsweise parallel oder auch geneigt zur Pfeilrichtung P (Heißkanalachse) sein. Das Werkzeug weist in der bereits beschriebenen Weise einen Werkzeugeinsatz 110 auf, welcher eine Teilfläche 111 der Kavitätskontur bilden kann. Innerhalb dieser Teilfläche 111 erfolgt die Anspritzung über die Nadelverschlussvorrichtung 500, welche in Bezug auf die Formgebung des Schmelzekanals 101 und die Anordnung und Geometrie der Verschlussnadel 102 wie in 3 dargestellt ausgebildet sein kann. Im Unterschied zu den oben beschriebenen Beispielen 100, 300 kann eine Umfangsheizung bzw. Heizmanschette 510 vorgesehen sein, die die Verschlussnadel 102 sowie die Kanalumlenkung 107 umfangsseitig umgibt bzw. einbettet. Die Umfangsheizung 510 kann beispielsweise ein buchsenförmiges Teil 511 sowie eine um das buchsenförmige Teil 511 angeordnete Heizung 512 umfassen. Das buchsenförmige Teil 511 ist zumindest teilweise Bestandteil des Werkzeugeinsatzes 110, d. h. verläuft teilweise oder vollständig innerhalb des Werkzeugeinsatzes 110. Die Heizung 512 kann beispielsweise eine Elektroheizung sein. Das buchsenförmige Teil 511 kann beispielsweise aus Metall bestehen, von der Heizung 512 erwärmt werden und die von der Heizung 512 erzeugte Wärme in Verschlussnadelrichtung zu der Kanalumlenkung 107 transportieren. Die Kanalumlenkung 107 kann teilweise oder vollständig innerhalb des buchsenförmigen Teils 511 verlaufen. Das buchsenförmige Teil 511 kann beispielsweise auch die Verschlussnadelöffnung 101b ausbilden, d. h. die Nadelabdichtung gewährleisten, und es kann beispielsweise gleichzeitig als Verschlussnadelführung dienen. Das buchsenförmige Teil 511 kann sich innerhalb des Werkzeugeinsatzes 110 bis nahe an die Gusskavität 104 hin erstrecken und beispielsweise von dieser nur wenige Millimeter, z. B. gleich oder weniger als 7 mm, 5 mm oder 3 mm, (oder beispielsweise gleich oder weniger als der 3-fache, 2-fache, 1-fache Nadeldurchmesser) entfernt sein. Das buchsenförmige Teil 511 kann aus einem Metall bestehen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als des Material des Werkzeugeinsatzes 110 aufweist, in welchem es eingesetzt ist.
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Mittels des buchsenförmigen Teils 511 kann Wärme gezielt in die benötigten Bereiche transportiert werden. Beispielsweise kann der Werkzeugeinsatz 110 über die Heizung 512 erwärmt werden. Ferner können in geeigneter Weise Isolationsbereiche 113 vorgesehen sein, um den Wärmestrom zu steuern und ein gewünschtes Temperaturprofil zu erzeugen. Es ist auch möglich, keine separate Heizung 512 vorzusehen. Das buchsenförmige Teils 511 kann z. B. über den Heißkanal 103 ausreichend erwärmt werden.
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Allgemein kann der Werkzeugeinsatz 110 hier wie auch in den anderen Ausführungsformen einen Anschluss für den Heißkanal 103 aufweisen. Ferner kann er eine Ausnehmung aufweisen, welche beispielsweise zur Aufnahme eines separaten Heizeinsatzes (z. B. Heizeinsatz 311) vorgesehen ist und/oder er kann eine Ausnehmung aufweisen, welche beispielsweise zur Aufnahme eines separaten Schmelzekanaleinsatzes mit darin zumindest teilweise integriertem Schmelzekanal (z. B. buchsenförmiges Teil 511) vorgesehen ist. Der Schmelzekanaleinsatz kann beispielsweise mit einer integrierten oder daran angeschlossenen Heizung 112 ausgerüstet sein, siehe z. B. 5. Die Ausnehmungen können beispielsweise in Form von Ausfräsungen oder Bohrungen realisiert sein, die eine Passung für den jeweiligen Einsatz (z. B. 311, 511) bilden.
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Die Formplatten 120, 520 können jeweils gekühlt sein. Hierfür können beispielsweise Kühlbohrungen 530 vorgesehen sein, die es ermöglichen, ein Kühlmedium gezielt in die Nähe der Gusskavität 104 einzuleiten.
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6 zeigt die Nadelverschlussvorrichtung 500 bzw. das die Nadelverschlussvorrichtung 500 enthaltende Werkzeug bei geöffneter Nadelverschlussvorrichtung 500. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung der vorstehenden Ausführungsformen und Beispiele Bezug genommen.
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7 zeigt in teilweise geschnittener Darstellung ein Werkzeug 700 zur Herstellung eines Gussbauteils, beispielsweise Kunststoffbauteils. Das Werkzeug 700 weist eine erste Formplatte 701 und eine zweite Formplatte 702 auf. Die erste Formplatte 701 kann beispielsweise der zuvor beschriebenen Formplatte 120 entsprechen, und die zweite Formplatte 702 kann der zuvor beschriebenen Formplatte 520 entsprechen. Die erste Formplatte 701 ist beispielsweise als Formkernplatte ausgeführt, d. h. sie weist an ihrer der zweiten Formplatte 702 zugewandten Seite einen sogenannten Formkern 703 auf. Die zweite Formplatte 702 kann beispielsweise als Matrizenformplatte ausgelegt sein, welche eine dem Formkern 703 zugewandte Aussparung 704 aufweist.
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Im hier dargestellten Beispiel ist eine Kunststoffzuführung 710 dargestellt, die in der ersten Formplatte 701 untergebracht ist. Die Kunststoffzuführung 710 ist lediglich schematisch gezeigt und kann beispielsweise die in den 1 bis 6 dargestellten Nadelverschlussvorrichtungen 100, 300, 500 enthalten. Es ist auch möglich, dass die Kunststoffzuführung 710 in der zweiten Formplatte 702 (d. h. der Matrizenformplatte) realisiert ist, während die erste Formplatte 701 (Kernformplatte) beispielsweise ohne Kunststoffzuführung ausgestattet sein kann. Die Schließrichtungen der Formplatten 701, 702 sind in der 7 durch die Pfeile P1, P2 dargestellt.
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Zur Herstellung des Kunststoffbauteils in der zwischen dem Formkern 703 und der Aussparung 704 gebildeten Gusskavität werden die Formplatten 701, 702 in einer Spritzgussmaschine aufeinander zu bewegt, Kunststoff in die geschlossene Gusskavität eingespritzt und das Kunststoffbauteil nach dem Aushärten der Kunststoffmasse aus dem Werkzeug 700 entnommen.
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Die 8 und 9 zeigen beispielhaft ein Kunststoffbauteil 800, das eine erste Komponente 801 sowie optional eine zweite Komponente 802 umfasst. Die erste Komponente 801 des Kunststoffbauteils 800 kann beispielsweise eine transparente Kunststoffscheibe bzw. Verscheibung (Streuscheibe, Bildschirmabdeckung, Fenster, usw.) und/oder ein hochglänzendes Bauteil (Glazing-Kunststoffteil), das transparent oder undurchsichtig, farblos, getönt bzw. farbig, beispielsweise schwarz ist, sein. Glazing-Teile werden Die erste Komponente 801 kann beispielsweise aus Polykarbonat (PC) gefertigt sein. Die optionale zweite Komponente 802 in einem Randbereich der ersten Komponente 801 angebracht sein, welcher die erste Komponente 801 in Art eines gegebenenfalls geschlossenen Rahmens umläuft. Die zweite Komponente 802 kann beispielsweise durch Anspritzen eines gefärbten und gegebenenfalls intransparenten Kunststoffes an die bereits fertiggestellte erste Kunststoffkomponente 801 realisiert werden. Ein solcher Rand ist im Bereich von Verscheibungen oder Bildschirmabdeckungen als sogenannter ”Schwarzrand” bekannt.
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Die Angussstelle 803 der ersten Komponente 801 kann sich beispielsweise unterhalb der zweiten Komponente 802 befinden und von dieser abgedeckt werden. Durch die hier beschriebenen Nadelverschlussvorrichtungen lassen sich Angussstellen 803 erzeugen, die nur sehr geringe optische bzw. geometrische Defekte darstellen. Durch die zweite Komponente 802 können diese Defekte optisch komplett versteckt werden, d. h. sie sind aufgrund der Abdeckung durch die zweite Komponente 802 weder aus Blickrichtung B1 noch aus Blickrichtung B2 durch die transparente erste Komponente 801 hindurch (aufgrund der rückseitigen Verschattung der Angussstelle 803 durch die zweite Komponente 802) erkennbar. Somit ermöglicht die Nadelverschlussvorrichtung eine Direktanspritzung von hochqualitativen Sichtbauteilen (mit und ohne zweite Komponente 802) mit Angussstellen 803, die nur einen sehr geringen optischen Defekt darstellen und somit entweder einfach zu verbergen oder gegebenenfalls sogar tolerierbar sind.
