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Die Erfindung betrifft eine Düse zum Spritzen von Metall, mit einem rohrförmigen Düsengehäuse, in dem eine Schmelzekammer ausgebildet ist, die in einer Austrittsöffnung mündet, die mittels eines Nadelventils verschließbar ist, wobei das Nadelventil eine stabförmige Ventilnadel aufweist, die mit einem Ventilabschnitt innerhalb der Schmelzekammer und mit einem Führungsabschnitt außerhalb der Schmelzekammer angeordnet ist und die zwischen einer Schließstellung, in der sie mit dem Ventilabschnitt die Austrittsöffnung verschließt, und einer Offenstellung verstellbar ist, in der sie die Austrittsöffnung freigibt, wobei die stabförmige Ventilnadel mit dem Führungsabschnitt längsverschieblich in einer zylindrischen Führung sitzt und mit einer Antriebsvorrichtung gekoppelt ist.
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Eine entsprechende Düse ist beispielsweise in der
DE 10 2012 009 790 A1 gezeigt und dient zum Einbringen einer flüssigen Metallschmelze in eine Kavität. Zum Einbringen der Metallschmelze wird die Ventilnadel mittels der Antriebsvorrichtung aus der Schließstellung, in der sie mit ihrem vorderen Ende die Austrittsöffnung verschließt, in eine Offenstellung zurückgezogen, in der die Austrittsöffnung freigegeben ist. Die Metallschmelze wird unter Druck der Schmelzekammer zugeführt und kann an der Austrittsöffnung aus dieser austreten und in die nachfolgende Kavität eintreten. Wenn die vorbestimmte Menge an Metallschmelze abgegeben wurde, wird die Ventilnadel mittels der Antriebsvorrichtung in Längsrichtung aus ihrer Offenstellung in ihre Schließstellung verschoben, in der sie die Austrittsöffnung verschließt.
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Die Ventilnadel ist mit einem Ventilabschnitt innerhalb der Schmelzekammer und mit einem Führungsabschnitt außerhalb der Schmelzekammer angeordnet. Der Führungsabschnitt sitzt unter enger Passung in einer üblicherweise kreiszylindrischen Führung, so dass zwischen dem Führungsabschnitt und der Führung eine Dichtwirkung erreicht ist. Auf der der Schmelzekammer abgewandten Seite der Führung ist die Antriebsvorrichtung für die axiale Verstellung der Ventilnadel vorgesehen.
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Während des Vorgangs des Einbringens der Metallschmelze in die Kavität steigt der Druck in der Schmelzekammer stark an. Dabei wirken auch hohe Druckkräfte auf die Dichtbereiche zwischen dem Führungsabschnitt der Nadel und der Führung. Aufgrund der niedrigen Viskosität der Metallschmelze kommt es in den Dichtbereichen zwischen dem Führungsabschnitt der Ventilnadel und der Führung zu Undichtigkeiten und einem erhöhten Verschleiß. Dies führt zu einem hohen Aufwand für Wartung und Reparatur und wirkt sich nachteilig auf die Laufzeit einer entsprechenden Spritzgussmaschine aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse zum Spritzen von Metall der genannten Art zu schaffen, bei der Undichtigkeiten im Bereich der Führung der Ventilnadel zuverlässig vermieden sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass auf der dem Schmelzekanal zugewandten Seite der Führung ein Ventilsitz ausgebildet ist und dass die Ventilnadel in ihrem Ventilabschnitt einen Ventilkörper aufweist, der in der Offenstellung in dichtende Anlage an dem Ventilsitz anliegt.
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Erfindungsgemäß wird von der Grundüberlegung ausgegangen, dass der hohe Schmelzedruck der Metallschmelze dann auftritt, wenn sich die Ventilnadel in ihrer von der Austrittsöffnung abgehobenen Offenstellung befindet, da der Schmelzedruck der Förderung der Metallschmelze durch die Austrittsöffnung dient. Die Verstellbewegung der Ventilnadel aus der Schließstellung in die Offenstellung wird erfindungsgemäß gleichzeitig dafür genutzt, den Ventilkörper, der beispielsweise ein einstückiger Bestandteil der Ventilnadel sein kann, mit dem an der Führung ausgebildeten Ventilsitz in dichtende Anlage zu bringen und dadurch die Metallschmelze daran zu hindern, in die Führung oder den Führungsabschnitt der Ventilnadel einzutreten.
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Sobald der Einspritzvorgang der Metallschmelze beendet ist, wird die Ventilnadel aus ihrer Offenstellung in die Schließstellung bewegt, in der sie die Austrittsöffnung verschließt. Dabei kommt der Ventilkörper von dem Ventilsitz frei. Dies ist jedoch hinsichtlich der Undichtigkeiten unerheblich, da der Schmelzedruck vor dem Verstellen der Ventilnadel bereits wieder abgesenkt wurde.
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Vorzugsweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ventilkörper der Ventilnadel mittels der Antriebsvorrichtung, die die Ventilnadel zwischen der Schließstellung und der Offenstellung verstellt, gegen den Ventilsitz spannbar ist.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein in der Schmelzekammer herrschender Fluiddruck der Metallschmelze den Ventilkörper in der Offenstellung der Ventilnadel gegen den Ventilsitz spannt und damit die Dichtwirkung erhöht.
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In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schmelzekammer als rohrförmiger Kanal ausgebildet ist, in dessen Längsrichtung sich die Ventilnadel erstreckt. Um sicherzustellen, dass die Metallschmelze in der Schmelzekammer einen ausreichenden Strömungsquerschnitt aufweist und in geführter, definierter Strömung durch die Schmelzekammer strömt, kann in dem Ventilabschnitt der Ventilnadel zumindest eine in Längsrichtung der Ventilnadel verlaufende rinnenartige Vertiefung ausgebildet sein. Vorzugsweise sind mehrere in Längsrichtung der Ventilnadel verlaufende rinnenartige Vertiefungen vorgesehen, die über den Umfang der Ventilnadel verteilt angeordnet sind. Dies führt zu einer ruhigen, definierten Strömung der Metallschmelze und verhindert übermäßige Strömungsturbolenzen in der Metallschmelze, was sich auch vorteilhaft auf die Funktionalität und die Anlage des Ventilkörpers an dem Ventilsitz auswirkt, da übermäßige Vibrationen des Ventilkörpers vermieden sind.
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Der Ventilkörper ist vorzugsweise integraler Bestandteil der Ventilnadel und kann von einer kolbenartigen Verdickung gebildet sein, die auf ihrer dem Ventilsitz zugewandten Seite einen sich konisch verjüngenden Querschnitt aufweist, wobei der Ventilsitz eine entsprechend konische Anlagefläche aufweist, so dass zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz eine dichtende Anlage erreicht ist.
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Um Verformungen der relativ dünnen Ventilnadel insbesondere während des Einspritzvorgangs zu vermeiden, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Ventilnadel in dem Ventilabschnitt angrenzend an den Ventilkörper einen Mittelabschnitt vergrößerten Durchmessers aufweist. Der vergrößerte Durchmesser verleiht diesem Mittelabschnitt eine höhere Stabilität, wodurch Verformungen der Ventilnadel verhindert sind. Insbesondere ist der Mittelabschnitt vergrößerten Durchmessers in dem Bereich der Ventilnadel vorgesehen, in dem die Metallschmelze in die Schmelzekammer eingeleitet wird, was in vielen Fällen quer zur Längsrichtung der Ventilnadel und insbesondere sogar senkrecht dazu erfolgt, was eine hohe Querbelastung der Ventilnadel zur Folge hat.
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Eine genaue, reproduzierbare Verstellbewegung der Ventilnadel kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Ventilnadel zusätzlich zu der Führung in ihrem Führungsabschnitt auch in ihrem Ventilabschnitt geführt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ventilnadel in ihrem vorderen Bereich nahe ihrem vorderen Ende, das die Austrittsöffnung verschließt, an Führungselementen, beispielsweise an der Wandung der Schmelzekammer ausgebildeten Führungsrippen axial geführt ist.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 Einen Längsschnitt durch die Düse, wobei sich die Ventilnadel in der Schließstellung befindet,
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2 das Detail II in 1,
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3 das Detail III in 1,
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4 eine 1 entsprechende Darstellung der Düse, wobei sich die Ventilnadel in der Offenstellung befindet,
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5 das Detail V in 4,
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6 das Detail VI in 4 und
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7 eine perspektivische Ansicht der Ventilnadel
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Eine in den 1 bis 6 dargestellte Düse 10 zum Spritzen von Metall besitzt ein rohrförmiges Düsengehäuse 11, in dessen Innenraum eine rohrförmige Schmelzekammer 12 gebildet ist. Die Schmelzekammer 12 mündet in einer vorderen, gemäß 1 auf der linken Seite dargestellten Austrittsöffnung 13. Das Düsengehäuse 11 besitzt an seinem gemäß 1 rechten, der Austrittsöffnung 13 entgegengesetzten Ende einen angeformten Haltekopf 22, mit dem es in eine Aussparung 23 eines Halteblocks 24 eingesetzt ist.
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Das Düsengehäuse 11 ist mit Abstand von einer Mantelhülse 25 umgeben, so dass zwischen der Außenoberfläche des Düsengehäuses 11 und der Mantelhülse 25 ein im Querschnitt ringförmiger Hohlraum 26 gebildet ist. In den Hohlraum 26 kann entweder ein Temperierfluid, beispielsweise ein erwärmtes Gas oder eine erwärmte Flüssigkeit eingeleitet werden, um das Düsengehäuse 11 auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Alternativ oder zusätzlich dazu können in dem Hohlraum 26 Widerstandsheizungen angeordnet sein.
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Der Halteblock 24 weist eine im Durchmesser abgestufte Durchgangsbohrung 27 auf, die mit der rohrförmigen Schmelzekammer 12 fluchtet. In die Durchgangsbohrung 27 ist in den Halteblock 24 von der dem Haltekopf 22 abgewandten Seite eine Führungshülse 28 eingesetzt, die eine mittlere axiale Bohrung 29 und auf ihrer dem Haltekopf 22 zugewandten Seite einen konischen Ventilsitz 18 aufweist. Die Führungshülse 28 ist mittels einer aufgeschraubten Befestigungshülse 30 in der Durchgangsbohrung 27 gehalten und dient als lineare zylindrische Führung 16.
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In dem Halteblock 24 ist eine nicht dargestellte Zuführbohrung vorgesehen, durch die eine Metallschmelze in einen zwischen dem Haltekopf 22 und der Führungshülse 28 angeordneten Abschnitt der Durchgangsbohrung 27 und somit auch in die Schmelzekammer 12 einbringbar ist, wie es durch den Pfeil A schematisch angedeutet ist.
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Die Austrittsöffnung 13 des Düsengehäuses 11 kann mittels eines Nadelventils 14 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden. Das Nadelventil 14 umfasst eine stabförmige Ventilnadel 15, die als Einzelteil in 7 dargestellt ist. Die Ventilnadel 15 besitzt einen innerhalb der Schmelzekammer 12 angeordneten Ventilabschnitt 15a, der auf seiner Mantelfläche mehrere in Längsrichtung der Ventilnadel 15 verlaufende rillenartige Vertiefungen 20 besitzt, die über den Umfang der Ventilnadel 15 verteilt angeordnet sind. Der Ventilabschnitt 15a erstreckt sich vom vorderen, gemäß den Figuren linken Ende der Ventilnadel 15 bis zu einem Mittelabschnitt 15c vergrößerten Durchmessers, in dem ebenfalls die rillenartigen Vertiefungen 20 ausgebildet sind. Der Mittelabschnitt 15c vergrößerten Durchmessers ist bei der Düse in demjenigen Bereich der Durchgangsbohrung 27 angeordnet, in dem die Metallschmelze in die Durchgangsbohrung 27 eingebracht wird.
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An den Mittelabschnitt 15c vergrößerten Durchmessers schließt sich auf der dem vorderen, gemäß den Figuren linken Ende der Ventilnadel 15 abgewandten Seite ein einstückig angeformter, kolbenartiger Ventilkörper 19 an, der auf seiner dem Mittelabschnitt 15c abgewandten Seite eine konische Kontur besitzt, die an die Form des Ventilsitzes 18 der Führungshülse 28 angepasst ist, so dass der Ventilkörper 19 mit dem Ventilsitz 18 in dichtende Anlage treten kann.
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Auf der dem Mittelabschnitt 15c abgewandten Seite der Ventilnadel 15 schließt sich ein Führungsabschnitt 15b an, der die Form eines geraden Kreiszylinders besitzt und unter enger Passung in der Bohrung 29 der Führungshülse 28 verschieblich aufgenommen ist.
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Der Führungsabschnitt 15b der Ventilnadel 15 steht auf der dem Ventilkörper 19 abgewandten Seite der Führungshülse 28 aus dieser hervor und ist dort mit einer nur schematisch dargestellten Antriebsvorrichtung 17 verbunden. Mittels der Antriebsvorrichtung 17 kann die Ventilnadel 15 in Längsrichtung des Düsengehäuses 11, in Längsrichtung der Durchgangsbohrung 27 und in Längsrichtung der Bohrungen 29 der Führungshülse 28 hin und her verstellt werden. Während der Verstellbewegung ist die Ventilnadel 15 einerseits mit dem Führungsabschnitt 15b in der Bohrung 29 der Führungshülse 28 linear geführt, zusätzlich besitzt das Düsengehäuse 11 mit geringem Abstand zurückgesetzt von der Austrittsöffnung 13 radial nach innen in die Schmelzekammer 12 hineinragende Führungselement in Form von Rippen, die an der Außenoberfläche des Ventilabschnitts 15a der Ventilnadel 15 anliegen und diese bei der Verstellbewegung zusätzlich führen.
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In 1 ist die Ventilnadel 15 in einer Schließstellung dargestellt, in der die mit dem vorderen, gemäß 1 linken Ende ihres Ventilabschnitts 15a die Austrittsöffnung 13 verschließt. Der Ventilkörper 19 der Ventilnadel 15 ist in dieser Schließstellung von dem Ventilsitz 18 der Führungshülse 28 abgehoben, wie es insbesondere aus 3 ersichtlich ist.
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Um Metallschmelze durch die Austrittsöffnung 13 in eine nachgeschaltete, nicht dargestellte Kavität einzubringen, wird die Ventilnadel 15 mittels der Antriebsvorrichtung 17 linear gemäß den Figuren nach rechts in eine Offenstellung verschoben. In der in den 4 bis 6 dargestellten Offenstellung ist das vordere, gemäß den Figuren linke Ende der Ventilnadel 15 von der Austrittsöffnung 13 abgehoben, so dass diese freigegeben ist. Der Ventilkörper 19 der Ventilnadel 15 liegt an dem Ventilsitz 18 der Führungshülse 28 an und dichtet damit die Bohrung 29 der Führungshülse 28 sowie den Führungsabschnitt 15b der Ventilnadel 15 ab. Anschließend wird die Metallschmelze unter hohem Druck in die Durchgangsbohrung 27 im Bereich des Mittelabschnitts 15c vergrößerten Durchmessers eingebracht, durchströmt die Schmelzekammer 12 und tritt an der Austrittsöffnung 13 aus, wobei die rinnenartigen Vertiefungen 20 auf der Außenseite des Ventilabschnitts 15a der Ventilnadel 15 für eine gerichtete Strömung der Metallschmelze sorgen und übermäßige Turbulenzen verhindern.
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Nachdem eine ausreichende Menge an Metallschmelze durch die Austrittsöffnung 13 ausgebracht wurde, wird die Antriebsvorrichtung 17 wieder aktiviert und die Ventilnadel 15 wird gemäß den Figuren nach links in ihre Schließstellung gebracht, in der einerseits die Austrittsöffnung 13 verschlossen und andererseits der Ventilkörper 19 von dem Ventilsitz 18 abgehoben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012009790 A1 [0002]
