-
Die Erfindung betrifft eine Metalleinspritzdüse, aufweisend ein als Schmelzkanal dienendes Düsenrohr, das in einer Auslassöffnung mündet, und ein Aufwärmmittel zum Aufwärmen von in dem Düsenrohr befindlichem oder vorsehbaren Metall. Die Erfindung betrifft auch eine LMIM-Vorrichtung mit mindestens einer solchen Metalleinspritzdüse. Die Erfindung betrifft ferner eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine von einem Kunststoffelement gehaltene Lichtquelle, wobei in das Kunststoffelement mittels einer LMIM-Vorrichtung mindestens eine Leiterbahn zur Kontaktierung der Lichtquelle eingespritzt ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Einspritzen von flüssigem Metall in eine durch einen Kunststoffkörper bereitgestellte Gussform, bei dem in einem als Schmelzkanal dienenden Düsenrohr vorhandenes Metall geschmolzen wird oder geschmolzen gehalten wird und das geschmolzene Metall durch mindestens eine Auslassöffnung aus dem Düsenrohr ausgebracht wird, insbesondere herausgespritzt wird. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar auf Fahrzeug-Leuchtvorrichtungen, z.B. für Kraftfahrzeuge, insbesondere Scheinwerfer.
-
DE 10 2012 009 790 A1 offenbart, dass beim Spritzgießen einer flüssigen Metall-Komponente diese mittels einer Düse in eine Kavität eingebracht wird. Dabei ist vorgesehen, dass ein Übergangsbereich zwischen der Düse und der Kavität (Angussbereich) nach Einbringen der Metall-Komponente in die Kavität so gekühlt wird, dass das im Angussbereich befindliche Metall erstarrt. In einem späteren Verfahrensschritt wird der Angussbereich wieder erwärmt, wodurch sich das im Angussbereich befindliche Metall wieder verflüssigt. Eine entsprechende Düse zum Spritzen von Metall besitzt ein Düsenrohr, das einen Schmelzkanal bildet, und ein Widerstandsheizelement, mit dem das Düsenrohr heizbar ist.
-
Eine Auslassöffnung des Düsenrohres ist mittels einer Ventilnadel verschließbar. Zusätzlich ist im Bereich der Auslassöffnung eine Kühlvorrichtung angeordnet. Dabei ist es ein Nachteil, dass das Verschließen der Düse mittels der Ventilnadel aufgrund der hohen Temperatur und des fließfähigen Metalls (Lot) schwierig ist. Zudem sind die Aufwärm- und Abkühl-Perioden lang. Außerdem kann es zu einem Überhitzen des mit dem Metall zu füllenden Polymers im Bereich des Ventils kommen. Darüber hinaus ist es aufwändig, mehrere dicht beieinanderliegende Einspritzpunkte mit einem Nadelventil umzusetzen.
-
Auch ist es möglich, eine Düse ohne Verschluss durch eine Ventilnadel bereitzustellen. Hierbei wird das Spritzen des Metalls nur durch ein wahlweises Aufheizen und Abkühlen des Widerstandsheizelements erreicht. Hierbei ist es nachteilig, dass ein Temperaturprofil wegen eines schnellen Phasenübergangs des Metalls nur schwierig einstellbar ist. Die Gefahr einer Überhitzung des Kunststoffmaterials im Bereich der Düse ist noch ausgeprägter als bei einer Nadeldüse. Zudem wird eine lange Erwärmungsdauer und Abkühlzeitdauer benötigt. Mögliche Metallpfropfen im Bereich der Düse müssen außerdem mit Druck gelöst werden.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden.
-
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Metalleinspritzdüse, aufweisend ein als Schmelzkanal dienendes Düsenrohr, das in einer Auslassöffnung mündet, und ein Aufwärmmittel zum Aufwärmen von in dem Düsenrohr befindlichem oder vorsehbaren Metall, wobei das Aufwärmmittel eine Induktionsspule ist.
-
Diese Metalleinspritzdüse ergibt den Vorteil, dass eine besonders schnelle Erwärmung von im Betrieb der Metalleinspritzdüse in dem Düsenrohr befindlichem Metall möglich ist, weil im Vergleich zu einer herkömmlichen Widerstandsheizung weniger Materialvolumen erhitzt wird. Insbesondere wird das Aufwärmmittel selbst, nämlich die Induktionsspule, praktisch nicht erwärmt. Auch werden keine außerhalb der Induktionsspule befindlichen Bereiche merklich erwärmt. So wird auch eine raschere Abkühlung des in dem Düsenrohr befindlichen Metalls wegen der geringeren von der Aufwärmung betroffenen Wärmekapazitäten erreicht.
-
Als das zu verspritzende metallische Material kann beispielsweise eine niedrigschmelzende Metalllegierung, insbesondere auf der Basis von Zinn, Silber und/oder Kupfer, beispielsweise Lot, z.B. 62Pb37Sn, verwendet werden.
-
Zudem ist ein Energieeintrag in das in dem Düsenrohr befindliche metallische Material einfach mittels der Geometrie der Induktionsspule beeinflussbar. Da das metallische Material nur kurzzeitig flüssig ist, wird es auch nur geringfügig oxidiert. Dies wiederum ergibt den Vorteil, dass eine Anforderung an ein Einspritzen des flüssigen Metalls unter Unterdruck (Vakuum) oder Schutzgas verringert werden kann, oder dies sogar ganz vermieden werden kann.
-
Ferner ergibt sich so – auch aufgrund der geringeren sich erwärmenden Materialvolumina – eine geringere Erwärmung im Umfeld der Düse, insbesondere an der mindestens einen Auslassöffnung. Dies kann insbesondere eine Gefahr einer Beschädigung eines Kunststoffelements, das als eine Gussform o.ä. für einzuspritzendes Metall dient, verringern. Auch lassen sich so bei einem einfachen konstruktiven Aufbau mehrere dicht beieinander liegende Anspritzpunkte oder Auslassöffnungen erreichen. Dies führt zudem zu Kosteneinsparungen. Außerdem treten bei dieser Metalleinspritzdüse weder eine Pfropfenbildung noch Abdichtungsprobleme auf. Es lässt sich ferner eine Metalleinspritzdüse mit besonders kleinen Abmessungen bereitstellen. Die obigen Vorteile erlauben darüber hinaus eine bessere Prozesssicherheit.
-
Die Metalleinspritzdüse ist dazu vorgesehen, Metall in dem Düsenrohr so weit zu erhitzen, dass es schmilzt, oder flüssig angeliefertes Metall flüssig zu halten. Das in dem Düsenrohr befindliche flüssige Metall kann gezielt durch die mindestens eine Auslassöffnung ausgegeben werden, insbesondere unter Druck. Die Metalleinspritzdüse kann auch als Flüssigmetall-Einspritzdüse oder LMIM("Liquid Metal Injection Moulding")-Düse bezeichnet werden.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass die Induktionsspule um das Düsenrohr herum verlegt ist, insbesondere herum gewickelt ist. Das Düsenrohr kann geradlinig oder gebogen sein. Das Düsenrohr kann auch als "Heißkanal" bezeichnet werden.
-
Die Induktionsspule kann bei entsprechender Bestromung, beispielsweise durch einen Wechselstrom, ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, das in einem metallischen Objekt einen Wirbelstrom erzeugen kann. Dieser Wirbelstrom kann das Objekt erwärmen ("induktive Erwärmung").
-
Es ist eine Ausgestaltung, dass zwischen der Induktionsspule und dem Düsenrohr eine Isolationshülse aus elektrisch und/oder thermisch nichtleitendem Material vorhanden ist. Besteht die Isolationshülse aus elektrisch nichtleitendem Material, so kann sie beispielsweise eine Berührung zwischen der Induktionsspule und dem Düsenrohr und damit – bei elektrisch leitfähigem Düsenrohr – einen Kurzschluss der Induktionsspule verhindern. Besteht die Isolationshülse aus thermisch nichtleitendem Material, so kann sie beispielsweise eine Wärmeabgabe von dem Düsenrohr nach Außen verhindern und so eine besonders effektive und schnell ansprechende Erwärmung und auch Abkühlung des metallischen (Spritzguss-)Materials unterstützen.
-
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Düsenrohr aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, z.B. aus Keramik. In diesem Fall wird das Düsenrohr nicht durch von der Induktionsspule erzeugte Wirbelströme aufgeheizt, was eine noch schnellere Erwärmung und Abkühlung des in dem Düsenrohr befindlichen Metalls ermöglicht. Insbesondere in diesem Fall kann das Düsenrohr auch als thermischer Isolator dienen. Eine Erwärmung des in dem Düsenrohr befindlichen Metalls kann durch induktive Erwärmung dieses Metalls selbst erreicht werden. Auch kann so auf eine separate Isolationshülse verzichtet werden bzw. dient das Düsenrohr als Isolationshülse.
-
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass das Düsenrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. So kann das Düsenrohr induktiv erwärmt werden, um durch Wärmeübertragung das darin befindliche Material zu erwärmen. Dies ergibt den Vorteil, dass auch metallisches (Einspritz-)Material schnell erwärmbar ist, das sich nicht oder nur wenig selbst induktiv erwärmen lässt.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das Düsenrohr aus einem magnetisierbaren Material besteht, was eine Effektivität seiner Aufwärmung oder Erhitzung durch magnetische Wechselfelder weiter steigert.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das Düsenrohr aus einem Material mit einer großen Hysterese besteht, um hohe Ummagnetisierungsverluste zur Wärmeerzeugung zu erhalten.
-
Beispielsweise kann das Düsenrohr aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen, insbesondere aus nicht geglühtem FeNi48. Nicht geglühtes FeNi48 weist den Vorteil auf, dass es magnetisierbar ist und keine durch Glühprozesse verursachte Verschmälerung der Hysterese aufweist. Darüber hinaus ist nicht geglühtes FeNi48 preiswert und in Kleinstmengen als Rundmaterial, insbesondere als Blech, verfügbar. Jedoch sind grundsätzlich auch andere Eisen-Nickel-Legierungen oder Legierungen von Eisen mit Silizium oder Kobalt-Eisen-Legierungen besonders vorteilhaft einsetzbar, da sie typischerweise ferromagnetische Werkstoffe mit einer hohen Sättigung (Höhe der Hysteresekurve) sind.
-
Es ist noch eine zur effektiven Wärmeerzeugung vorteilhafte Weiterbildung, dass das Düsenrohr aus einem Material mit einer hohen Permeabilität besteht.
-
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass das Düsenrohr aus einem ferromagnetischen Eisenmaterial besteht, da sich so eine besonders große Wärmemenge in dem Düsenrohr bei geringen Kosten erzeugen lässt.
-
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass das Düsenrohr in mehreren Auslassöffnungen oder Anspritzpunkten mündet. So können beispielsweise mehrere Leiterbahnen gleichzeitig gespritzt werden. Dies ist bei der Erwärmung durch die Induktionsspule ohne Weiteres umsetzbar, während es bei Verwendung einer Düsennadel nur sehr schwierig möglich ist. Es lässt sich also eine Metalleinspritzdüse mit mehreren Anspritzpunkten problemlos implementieren.
-
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das Düsenrohr eingangsseitig mit einem beheizten Zufuhrschlauch verbunden ist, was eine einfache Zufuhr des metallischen (Einspritz-)Materials ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Flüssigmetall-Spritzguss("Liquid Metal Injection Moulding"; LMIM)-Vorrichtung, die mindestens eine Metalleinspritzdüse wie oben beschrieben aufweist. Diese LMIM-Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf wie die Metalleinspritzdüse und kann analog ausgebildet sein.
-
Die Aufgabe wird zudem gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, aufweisend mindestens eine von einem Kunststoffelement gehaltene Lichtquelle, wobei in das Kunststoffelement mindestens eine Leiterbahn zur Kontaktierung der Lichtquelle eingespritzt ist und wobei die mindestens eine Leiterbahn mittels einer LMIM-Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch eingespritzt worden ist.
-
Es ist eine Weiterbildung, dass das Material der Leiterbahn eine niedrigschmelzende Metalllegierung aufweist oder ist, insbesondere auf der Basis von Zinn, Blei, Bismut, beispielsweise Lot, z.B. 62Pb37Sn, da die benötigte Schmelzwärme bei diesen Stoffen sehr niedrig ist. Es können aber auch Metalllegierungen mit Silber und/oder Kupfer, auch als Hauptbestandteil, verwendet werden. Es ist also eine Ausgestaltung, dass die Leiterbahn Lot aufweist. Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass eine nur vergleichsweise geringe Energiemenge zur Verflüssigung oder zum Schmelzen des metallischen Materials benötigt wird und auch eine besonders schnelle Verflüssigung und Erstarrung erreichbar ist.
-
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Einspritzen von flüssigem Metall in eine durch einen Kunststoffkörper bereitgestellte Gussform, bei dem in einem als Schmelzkanal dienenden Düsenrohr vorhandenes Metall mittels induktiver Erwärmung geschmolzen wird oder geschmolzen gehalten wird und das geschmolzene Metall durch mindestens eine Auslassöffnung aus dem Düsenrohr ausgebracht wird, insbesondere herausgespritzt wird. Das Verfahren kann analog zu den oben beschriebenen Vorrichtungen ausgebildet werden und ergibt die gleichen Vorteile.
-
So kann das in dem Düsenrohr vorhandene Metall direkt durch Wirbelströme und/oder indirekt durch in das Düsenrohr induzierte Wirbelströme induktiv erwärmt werden.
-
Das Einspritzen des flüssigen Metalls in seine Gussform kann unter Vakuum oder Schutzgas durchgeführt werden, braucht es aber nicht.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert wird. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
-
1 zeigt als Schnittdarstellung in Vorderansicht eine Metalleinspritzdüse 1, die ein als Schmelzkanal dienendes Düsenrohr 2 aufweist. Das Düsenrohr 2 ist hier geradlinig ausgebildet und beispielhaft vertikal ausgerichtet. Während es an seinem oberen Ende mit einem beheizten Zufuhrschlauch 3 verbunden ist, mündet es in seinem unteren Bereich in mehreren dicht beieinander angeordneten Auslassöffnungen 4. Davon ist eine Auslassöffnung 4a ganz eingezeichnet, während von den anderen Auslassöffnungen 4 nur die Abzweigungen 4b eingezeichnet sind.
-
Das Düsenrohr 2 ist zumindest abschnittweise von einem Aufwärmmittel in Form einer Induktionsspule 5 umgeben. Die Induktionsspule 5 kann bei ihrem Betrieb – z.B. mit Wechselstrom oder mit einem getakteten Stromfluss – Wirbelströme in dem Düsenrohr 2 zu dessen Erwärmung oder Erhitzung erzeugen. Dazu weist das Düsenrohr 2 vorteilhafterweise ferromagnetisches Material auf, beispielsweise Eisen. Das induktive erwärmte Düsenrohr 2 kann Wärme auf das darin befindliche Metall M (beispielsweise Lot) übertragen. Wird das Metall M von dem beheizten Zufuhrschlauch 3 flüssig zugeführt und ist bereits flüssig, so wird es von dem Düsenrohr 2 flüssig gehalten. Ist das Metall M hingegen in dem Düsenrohr 2 erstarrt, so kann es durch die Wärme des Düsenrohrs 2 geschmolzen werden und ggf. aus den Auslassöffnungen 4 heraus gespritzt werden. Das Metall M kann z.B. Lot sein.
-
Das Metall M kann aus den Auslassöffnungen 4 beispielsweise in eine durch einen Kunststoffkörper K geformte Gussform G zur Herstellung einer Leiterbahn zu einer Lichtquelle (o. Abb.) eingespritzt werden. Der Kunststoffkörper K kann beispielsweise einen Teil – z.B. ein Gehäuse – einer Fahrzeug-Leuchtvorrichtung F sein, beispielsweise eines Scheinwerfers.
-
Damit Wärme nicht in merklichem Maße von dem Düsenrohr 2 nach außen dringt, ist das Düsenrohr 2 von einer Isolationshülse 6 aus elektrisch und thermisch isolierendem Material, z.B. Keramik, umgeben. Auch wird so eine elektrische Kontaktierung zwischen der Induktionsspule 5 und dem Düsenrohr 2 verhindert. Somit ist das Düsenrohr 2 praktisch die einzige Komponente der Metalleinspritzdüse 1, die merklich erwärmt wird, was eine besonders schnelle Aufwärmung und Abkühlung des darin befindlichen Metalls M ermöglicht. Es ist also vorteilhafterweise zwischen der Induktionsspule 5 und dem Düsenrohr 2 eine Isolationshülse 6 vorhanden.
-
Die Metalleinspritzdüse 1 kann einen Teil einer Flüssigmetall-Spritzguss-Vorrichtung oder LMIM-Vorrichtung L darstellen.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
So kann das Düsenrohr auch aus einem elektrisch nichtleitenden Material bestehen, wobei dann auch auf die Isolationshülse verzichtet werden kann.
-
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
-
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Metalleinspritzdüse
- 2
- Düsenrohr
- 3
- Zufuhrschlauch
- 4
- Auslassöffnung
- 4a
- Auslassöffnung
- 4b
- Abzweigung
- 5
- Induktionsspule
- 6
- Isolationshülse
- F
- Fahrzeug-Leuchtvorrichtung
- G
- Gussform
- K
- Kunststoffkörper
- L
- LMIM-Vorrichtung
- M
- Metall
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102012009790 A1 [0002]
