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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art und ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Spritzgusswerkzeuges gemäß Anspruch 4.
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Beim Spritzgießen bzw. beim Spritzguss werden Kunststoffformteile aus Formmassen hergestellt. Dabei werden beispielsweise pulver- oder granulatförmige Spritzgießmassen durch eine Spritzgießmaschine mit hohem Druck in die formgebende Höhlung des Spritzgießwerkzeuges in plastifiziertem Zustand gespritzt. Die meist vollautomatische Spritzgießmaschine bzw. das Spritzgießwerkzeug besteht unter anderem aus einer Spritzeinheit, die einen beheizten Zylinder, Kolben oder Schneckenkolben sowie Vorratsbehälter und Antriebsaggregate umfasst, die die Formmasse dosiert, plastifiziert und in das geschlossene Werkzeug einspritzt. Des Weiteren umfasst die Spritzgießmaschine eine Schließeinheit, die das Werkzeug schließt und öffnet.
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Bei den meisten Bauarten von Spritzgießmaschinen liegen Schließ- und Spritzeinheit in einer horizontalen Achse. Bei Kolbenspritzgießmaschinen wird die Formmasse im Zylinder durch einen Kolben bewegt. Bei Leistungsschneckenspritzgießmaschinen tritt an die Stelle des massiven Kolbens ein Schneckenkolben, der rotierend die Formmasse aus dem Vorratsbehälter einzieht, in der Wärme plastifiziert und im Raum zwischen Schnecke und Düse für die nächste Spritzung bereitstellt. Zum Einspritzen bewegt sich die Schnecke im Allgemeinen ohne zu rotieren, wie ein Kolben vorwärts und spritzt die Formmasse durch die Düse ins Werkzeug. Nachdem der Spritzling durch Abkühlung bzw. bei als Duroplasten ausgeführten Formmassen durch Vernetzen erstarrt ist, öffnet sich die Schließeinheit und der Spritzling wird ausgeworfen.
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Des Weiteren wird grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Angusssystemen, nämlich Kaltkanalsystemen und Heißkanalsystemen unterschieden. Bei Kaltkanalsystemen sind die Angusskanäle in die Formplatten eingearbeitet. Die eingespritzte Masse erstarrt nach dem Einspritzvorgang und muss nach jedem Schuss entformt werden. Die im Kaltkanal befindliche Kunststoffmasse geht als Abfall verloren und darüber hinaus ist bei Kaltkanalsystemen ein ungleichmäßiges Füllverhalten beobachtbar.
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Heißkanalsysteme weisen separat beheizte Verteilerkanäle auf, deren Aufgabe es ist, die Kunststoffschmelze plastisch von der Maschinendüse zum Anschnitt der Formkavität zu führen. Bei Heißkanalsystemen steht eine nahezu abfallfreie Produktion zur Verfügung und sie sind durch geringere Druckverluste als Kaltkanalsysteme gekennzeichnet, so dass lange Fließwege überbrückt werden können. Des Weiteren sind Heißkanalsysteme besser automatisierbar, da eine Entfernung einer so genannten Kaltkanalverteilerspinne während des Produktionsprozesses entstellt.
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Darüber hinaus wird in der Spritzgießtechnik grundsätzlich zwischen einer offenen Düse und einer Nadelverschlussdüse unterschieden, wobei bei einer offenen Düse die Kunststoffschmelze über eine permanent geöffnete Angussbohrung in die Formkavität eintritt. Die Temperierung dieses Düsentyps kann außenbeheizt und/oder innenbeheizt erfolgen. Beim Öffnen des Werkzeuges reißt der Anguss an der Anschnittbohrung ab.
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Dem offenen Düsentyp liegt der Nachteil zugrunde, dass lediglich geringe Durchlassquerschnitte möglich sind, da die Kunststoffmasse im Bereich der Anschnittbohrung schnell abkühlen muss. Des Weiteren besteht die Gefahr der Fadenbildung. Zusätzlich tritt bei offenen Düsen im Anschnittbereich eine hohe Friktion auf, wodurch die Kunststoffmasse thermisch geschädigt werden kann.
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Beim Einsatz einer Nadelverschlussdüse bzw. bei Nadelverschlusssystemen wird das Öffnen und Schließen des Anschnittes über eine so genannte Verschlussnadel durchgeführt. Die Bewegung der Verschlussnadel kann sowohl über ein pneumatisches als auch ein hydraulisches Steuersystem erfolgen.
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Im Gegensatz zu Spritzgusswerkzeugen, die mit offenen Düsen ausgeführt sind, sind Spritzgusswerkzeuge mit einem Nadelverschlusssystem mit höheren Durchlassquerschnitten ausbildbar. Des Weiteren weisen Spritzgusswerkzeuge mit Nadelverschlusssystemen eine hohe Angussqualität sowie nahezu keine Fadenbildung auf und die Spritzprozesse sind im Vergleich zu offenen Düsensystemen besser regelbar, da ein gezieltes Öffnen und Schließen der Düse mittels der Verschlussnadel durchführbar ist.
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Im Dichtbereich, d. h. im Anlagebereich zwischen der Verschlussnadel und Düse, wird der Angusspunkt über einen konischen Nadelverschluss oder einen zylindrischen Nadelverschluss hergestellt. Beim konischen Nadelverschluss erfolgt das Verschließen des Anschnitts mittels einer konisch ausgeführten Verschlussnadel, die in eine konische Angussbohrung bzw. Düse des Werkzeugs eintaucht. Dabei ist jedoch problematisch, dass eine Längenausdehnung der Verschlussnadeln im Betrieb sehr genau berücksichtigt werden muss, da ansonsten die Lebensdauer einer Verschlussnadel sowie des Formeinsatzes erheblich beeinträchtig werden kann.
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Beim zylindrischen Nadelverschluss taucht die Verschlussnadel mit ihrem der Düse zugewandten Bereich in eine zylindrische Angussbohrung bzw. in einen zylindrischen Innenbereich der Düse ein und trennt einen Kanal, über welchen der Kunststoff zur Spritzgussform geführt wird, von der Spritzgussform ab.
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Am Ende eines Spritzprozesses, d. h. wenn der Spritzling durch Abkühlen oder Vernetzen ausgehärtet ist, wird der Spritzling üblicherweise aus der Spritzgussform dadurch ausgebracht, dass der Spritzling durch einen in das Innere der Spritzgussform eingeführten Auswerfer aus der Spritzgussform gedrückt wird.
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Da bei Spritzlingen, die bei besonderen Anwendungen, wie beispielsweise einem Verschlusskolben eines Ventils, im Bereich von Führungsflächen sowie einer Dichtfläche eine hohe Oberflächengüte aufweisen müssen, ist es unerwünscht, dass sowohl der Angusspunkt als auch der Angriffspunkt des Auswerfers am Spritzling in einem dieser Bereiche angeordnet ist. Insbesondere bei kleinen Bauteilabmessungen ist mit derzeit bekannten Spritzgusswerkzeugen eine Herstellung von Spritzlingen mit hohen Fertigungsvorgaben bezüglich der Oberflächengüte ohne mechanische Nachbearbeitung nur mit hohem apparativem Aufwand durchführbar.
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Aus der
DE 1 124 234 A ist bereits ein Spritzgusswerkzeug mit einem zu einer von wenigstens einer oberen Werkzeughälfte und wenigstens einer unteren Werkzeughälfte begrenzten Spritzgussform führenden Kanal zum Zuführen und Einspritzen einer Formmasse in die Spritzgussform bekannt. Das Werkzeug weist zudem eine in dem Kanal in Längsrichtung bewegbare Verschlussnadel auf, mittels der eine Düse verschließbar ist, wobei die beiden Werkzeughälften derart zueinander beweglich ausgeführt sind, dass ein Spritzgussteil in geöffnetem Zustand der Spritzgussform mit einem Auswerfer aus der Spritzgussform führbar ist. Die Verschlussnadel bildet auch den Auswerfer, da der Auswerfer zum Auswerfen des Spritzgussteils aus der Spritzgussform durch die Düse in das Innere der Spritzgussform einführbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spritzgusswerkzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Spritzgusswerkzeuges zur Verfügung zu stellen, mittels welchem Spritzlinge mit kleinen Bauteilabmessungen mit hoher Maßhaltigkeit und hoher Oberflächengüte ohne eine aufwändige Nachbearbeitung sowie mit geringem apparativem Aufwand herstellbar sind.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Spritzgusswerkzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einem Verfahren zum Betreiben eines Spritzgusswerkzeuges gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst.
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Mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Spritzgusswerkzeug sind Spritzlinge mit einer hohen Maßhaltigkeit sowie zumindest bereichsweise mit einer hohen Oberflächengüte ausführbar, da die Verschlussnadel den Auswerfer bildet und der Auswerfer zum Auswerfen des Spritzgussteils aus der Spritzform durch die Düse in das Innere der Spritzgussform einführbar ist.
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Damit besteht die Möglichkeit, einen Auswerfer selbst bei geringen Bauteilabmessungen des Spritzlings im Bereich des Angusspunktes des Spritzlings angreifen zu lassen, womit Bereiche des Spritzlings, welche beim Auswerfen durch den Auswerfer beschädigt werden würden, ohne auswerferseitige Berührung aus der Spritzform ausbringbar sind.
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Das bedeutet, dass Flächen, welche für die Funktionsweise des Spritzlings eine hohe Maßhaltigkeit sowie eine hohe Oberflächengüte aufweisen müssen, weder durch den Angusspunkt noch eine auswerferseitige Betätigung in ihrer Güte beeinträchtigt werden, so dass in diesen Bereichen eine Nachbearbeitung nach dem eigentlichen Spritzgussprozess nicht erforderlich ist. Dadurch werden die Herstellkosten von Spritzlingen vorteilhafterweise im Vergleich zu aus der Praxis bekannten Systemen reduziert.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes nach Erfindung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erste Phase eines Spritzgussprozesses mit dem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug;
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2 das Spritzgusswerkzeug aus 1 während einer zweiten Phase des Spritzgussprozesses;
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3 eine dritte Phase des Spritzgussprozesses, wobei die Verschlussnadel zum Auswerfen des Spritzlings in die Spritzgussform eingeführt ist; und
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4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeuges während der dritten Phase des Spritzgussprozesses.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Bezug nehmend auf 1 ist ein Teil eines Spritzgusswerkzeuges 1 stark schematisiert dargestellt, welches mit einem zu einer von wenigstens einer oberen Werkzeughälfte und wenigstens einer unteren Werkzeughälfte 3 begrenzten Spritzgussform 4 führenden Kanal 5 zum Zuführen und Einspritzen von Kunststoff in die Spritzgussform 4 ausgebildet ist.
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Des Weiteren ist das Spritzgusswerkzeug 1 mit einer in dem Kanal 5 in Längsrichtung bewegbaren Verschlussnadel 6 ausgebildet, mittels der eine Düse 7, die einen gegenüber dem Kanal 5 mit geringerem Durchmesser ausgeführten Übergangsbereich zwischen dem Kanal 5 und der Spritzgussform 4 darstellt, in der in 2 dargestellten Art und Weise verschließbar ist.
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Die beiden Werkzeughälften 2 und 3 sind derart zueinander beweglich ausgeführt, dass ein Spritzgussteil 9 in geöffnetem Zustand der Spritzgussform 4 in der in 3 bzw. 4 dargestellten Art und Weise mit einem Auswerfer 8 zum Auswerfen des Spritzgussteils 9 aus der Spritzgussform 4 bringbar ist.
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Weiter Bezug nehmend auf 1 ist die Verschlussnadel 6, die vorzugsweise aus Hartmetall gebildet ist, während einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens von der Düse 7 abgehoben, so dass der in dem als Heißkanal ausgeführten Kanal 5 in plastifizierter Form vorliegende Kunststoff in die Spritzgussform 4 unter Druck eingespritzt wird. In dieser ersten Phase des Spritzgussprozesses sind die beiden Werkzeughälften 2 und 3 fest gegeneinander gedrückt, so dass die Spritzgussform 4 geschlossen ist.
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Nachdem die Spritzgussform 4 in der gewünschten Art und Weise mit dem Kunststoff bzw. der Formmasse befüllt ist, wird die Verschlussnadel mit ihrem der Düse 7 zugewandten Ende in die Düse 7 derart eingeführt, dass die Spritzgussform 4 im Bereich der Düse 7 von dem Kanal 5 getrennt ist.
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Durch das Einführen der Verschlussnadel 6 in die Düse 7 wird der in der Düse 7 befindliche Kunststoff von der Verschlussnadel 6 entweder zurück in den Kanal 5 oder weiter in die Spritzgussform 4 verdrängt, wobei der in der Spritzgussform 4 befindliche Kunststoff und der zusätzlich von der Verschlussnadel 6 aus der Düse 7 in die Spritzgussform 4 verdrängte Kunststoff von der Verschlussnadel 6 in Abhängigkeit des Hubes der Verschlussnadel 6 in der Spritzgussform 4 verdichtet wird. Dadurch wird eine gute und homogene Verteilung des Kunststoffes in der Spritzgussform 4, insbesondere im Bereich der unteren Werkzeughälfte 3, in deren Bereich die Spritzgussform 4 mit geringeren Durchmesserbereichen als in der oberen Werkzeughälfte 2 ausgeführt ist, erreicht.
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In der in 2 dargestellten Position der Verschlussnadel kühlt der im Kanal 5 aufgeheizte Kunststoff im Bereich der beiden Werkzeughälften 2 und 3 bzw. in der Spritzgussform ab und härtet aus. Nach einer vordefinierten Zeit wird die untere Werkzeughälfte 3 von der oberen Werkzeughälfte 2 abgehoben, wobei das Spritzgussteil 9 aus der unteren Werkzeughälfte 3 gleitet und nur noch in der oberen Werkzeughälfte 2 des Spritzgusswerkzeuges 1 angeordnet ist.
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Zum Auswerfen des Spritzgussteiles 9 aus dem Spritzgusswerkzeug 1 bzw. aus dem von der oberen Werkzeughälfte 2 begrenzten Teil der Spritzgussform 4 wird die Verschlussnadel 6 mit ihrem in der Düse 7 angeordneten Ende in die Spritzgussform 4 eingeführt, so dass das Spritzgussteil 9 aus der oberen Werkzeughälfte 2 ausgeschoben wird.
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Dabei greift die Verschlussnadel 6, welche bei dem in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Spritzgusswerkzeuges gleichzeitig den Auswerfer 8 des Spritzgusswerkzeuges 1 darstellt, in einem Bereich des Spritzgussteils 9 an dem Spritzgussteil an, in dem auch der Angusspunkt angeordnet ist. Das bedeutet, dass das Spritzgussteil 9 beim Auswerfen aus dem Spritzgusswerkzeug 1 von dem Auswerfer 8 in einem Bereich betätigt wird, der fertigungsbedingt mit einer geringen Maßhaltigkeit sowie mit einer geringen Oberflächengüte ausgeführt ist. Zusätzlich ist der Angusspunkt des Spritzgussteiles 9 in einem Bereich des Spritzgussteiles angeordnet, der bei einem späteren bestimmungsgemäßen Einsatz des Spritzgussteiles 9 keine besondere Anforderung an eine Oberflächengüte sowie an eine Maßhaltigkeit erfüllen muss, so dass vorteilhafterweise auf eine aufwändige Nachbearbeitung des Spritzgussteiles verzichtet werden kann, was zu einer Verringerung der Herstellkosten des Spritzgussteiles 9 führt.
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Die Verschlussnadel 6 ist bei dem in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Spritzgusswerkzeuges 1 im Bereich ihres der Düse zugewandten Endes in axialer Erstreckung der Verschlussnadel 6 bereichsweise mit einem Außendurchmesser ausgeführt, der mit einem Innendurchmesser der Düse 7 derart korrespondiert, dass die Düse 7 mit dem der Düse 7 zugewandten Ende der Verschlussnadel 6 während des Spritzgussprozesses verschlossen ist und dass das der Düse 7 zugewandte Ende der Verschlussnadel 6 in der in 3 dargestellten Art und Weise durch die Düse 7 in den Innenraum der Spritzgussform 4 führbar ist. Das bedeutet, dass zwischen der Innenfläche der Düse 7 und der Außenfläche der Verschlussnadel 6 in Längsrichtung der Verschlussnadel 6 wenigstens bereichsweise ein derartig schmaler Ringspalt vorliegt, der eine Abdichtung zwischen der Spritzgussform 4 und dem Kanal 5 gewährleistet.
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Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform des Spritzgusswerkzeuges 1 ist der Auswerfer 8 koaxial in der Verschlussnadel 6 angeordnet und darin längsbeweglich geführt, so dass das Spritzgussteil 9 während der dritten Phase des Spritzgussprozesses über den in das Innere der Spritzgussform 4 eingeführten Auswerfer 8 aus der oberen Werkzeughälfte 2 geführt wird. Zusätzlich besteht bei diesem Ausführungsbeispiel bei geschlossener Düse 7 die Möglichkeit, den in den Spritzgussform 4 vorhandenen Kunststoff über die Verschlussnadel 6 und/oder über den Auswerfer 8 zu verdichten.
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Bei dieser letztgenannten Ausführungsform des Spritzgusswerkzeuges 1 besteht die Möglichkeit, die Verschlussnadel 6 im Dichtbereich mit einem wenigstens annähernd kegelförmigen oder kugelförmigen Dichtsitz auszuführen, der mit einer kugelförmigen oder kegelförmigen Dichtfläche der Düse 7 zusammenwirkt, da die Verschlussnadel 6 selbst zum Auswerfen des Spritzgussteiles 9 aus der Spritzgussform nicht durch die Düse geführt werden muss.
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Da die letztgenannte Ausgestaltung der Abdichtung zwischen der Verschlussnadel 6 und der Düse 7 aufgrund von temperaturbedingten Längenänderungen der Verschlussnadel unter Umständen zu einer Reduzierung der Lebensdauer der Verschlussnadel und auch der Düse führen kann, kann die Verschlussnadel 6 in ihrem Dichtbereich, d. h. im Bereich ihres der Düse zugewandten Endes mit einem Durchmesser ausgeführt sein, wie er in der Beschreibung zu 1 bis 3 näher beschrieben worden ist, da mit einer derartigen Ausgestaltung der Verschlussnadel temperaturbedingte Verspannungen im geschlossenen Zustand der Düse 7 auf einfache Art und Weise vermieden werden.
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Selbstverständlich liegt es im Ermessen des Fachmannes, den Hub der Verschlussnadel 6 in Abhängigkeit der Betriebstemperatur des Spritzgusswerkzeuges 1 adaptiv anzupassen oder über in einem Steuergerät abgelegte vordefinierte und in Abhängigkeit temperaturabhängiger Kennwerte abzuändern, um die temperaturbedingten Verspannung im Spritzgusswerkzeug 1, d. h. zwischen der Verschlussnadel 6 und der Düse 7, zu vermeiden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug sowie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines derartigen Spritzgusswerkzeuges, das eine Direktanbindung mittels einer Heißkanaldüse mit integriertem Auswerferweg aufweist, besteht die Möglichkeit, Bauteile mit kleinen Abmessungen, wie beispielsweise Kunststoffspritzstößel, zentral anzuspritzen und ein Spritzgusswerkzeug ohne eine aufwändige Auswerfermimik zur Verfügung stellen zu können und zusätzlich den Herstellprozess mit geringen Stoffkosten durchführen zu können.
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Die niedrigen Stoffkosten resultieren aus der Gestaltung des Spritzgusswerkzeuges mit dem Heißkanalsystem, da damit der Anteil des Granulatabfalls gering gehalten wird. Zusätzlich werden auch die Werkzeug- und Peripheriegerätekosten gegenüber herkömmlichen Anlagen verringert, da auf so genannte Pickersysteme, die zum Abtrennen von Angusspickern vom Spritzling verwendet werden, verzichtet werden kann.
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Grundsätzlich sind das erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Spritzgusswerkzeuges bei allen Kunststoffspritzgussanwendungen einsetzbar und nicht nur auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele sowie auf die Herstellung eines Kunststoffspritzstößels, der als Ventilschließglied eines Steuerventils eingesetzt wird, beschränkt.
