DE19528975C2 - Gaseinblasdüse und gasunterstütztes Spritzgießverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaseinblasdüse gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 und ein gasunterstütztes Spritzgießverfahren gemäß dem Patentanspruch 9. Insbesondere betrifft sie eine derartige Düse und ein derartiges Verfahren mit ausgezeichnetem Gaseinschließvermögen.

Gasunterstütztes Spritzgießen wurde zu einer wichtigen Technik beim Kunststoff-Spritzgießen. Gasunterstütztes Spritzgießen hat tatsächlich die Technik des Kunststoff-Spritzgusses dadurch revolutioniert, daß ein Verfahren mit verringerten Kosten und verringerter Zykluszeit geschaffen wurde. Das Aussehen von durch gasunterstütztes Spritzgießen herge­ stellten Kunststoffteilen ist verbessert, was zu einer wesentlichen Erhö­ hung der Ausbeute führt.

Zur Unterstützung der Beschreibung der Erfindung wird mittels der Schnittansichten der Fig. 1A-1C einer Spritzgießform ein kurzer Über­ blick über ein herkömmliches gasunterstütztes Spritzgießverfahren gege­ ben. Die Fig. 1A-1C veranschaulichen schematisch ein derartiges Verfah­ ren mittels dreier Schnittansichten der Spritzgießform.

Wie aus den Schnittansichten der Fig. 1A-1C erkennbar, wird eine Ein­ spritzdüse 11 auf die Angußbuchse der Spritzgießform aufgesetzt. Aus­ gangsmaterial für den Spritzgießvorgang wird über die Einspritzdüse 11 zugeführt, das anschließend in die Angußbuchse 12 mit Verteilerstern 13 gelangt. Das Ausgangsmaterial füllt dann den Formhohlraum 14 aus, wie es in Fig. 1B durch die gepunktet dargestellte Füllung gezeigt ist.

Dann wird Gas mit hoher Reinheit, z. B. Stickstoff, über die Gaseinblasdü­ se 15 in das Formwerkzeug eingeblasen. Dieses eingeblasene Gas unter­ stützt die Ausweitung des Kunststoffs bis in Ecken, wo der Gasdruck. ge­ ringer, die Temperatur höher und die Viskosität niedriger sind. Das druck­ ausübende Gas wird kontinuierlich eingeblasen, um den Druck innerhalb des Formhohlraums aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht ausreichende Zuführung von Material bis in relativ entfernte Stellen innerhalb der An­ gußbuchse 12 wie auch in die schmaleren und dünneren Teile des Form­ werkzeugs, wie schematisch aus Fig. 1C erkennbar ist.

Eine derartige Technik für gasunterstütztes Spritzgießen kann den Effekt verhindern, daß die Oberfläche in Bereichen des gegossenen Teils einfällt, wo die Dicke größer ist. Wegen der Dickenunterschiede in verschiedenen Bereichen eines Gießteils innerhalb eines Formhohlraums unterscheidet sich die Abkühlrate für diese verschiedenen Bereiche. Da bei gasunter­ stütztem Spritzgießen eine gleichmäßigere Verteilung des geschmolzenen Ausgangsmaterials innerhalb des Formwerkzeugs erzielt werden kann, kann die Abkühlrate im gesamten gegossenen Bauteilkörper vergleichmä­ ßigt werden, was das Einfallen der Oberfläche verhindert, wie es bei her­ kömmlichen Spritzgießtechniken auftritt. Es besteht auch geringere Wahrscheinlichkeit, daß eine unzureichende Menge an Ausgangsmaterial in entfernte und enge Bereiche des Formhohlraums verteilt wird. Gasun­ terstütztes Spritzgießen ist daher besonders zum Gießen großer Kunst­ stoffteile geeignet, während Verwindung. Verformung oder unzureichen­ des Einspritzen von Material in den Körper vermieden ist.

Jedoch leidet diese bekannte gasunterstützte Spritzgießtechnik immer noch unter Schwierigkeiten, wie sie durch Probleme beim Aufrechterhal­ ten des Drucks des eingeblasenen Gases innerhalb des Formhohlraums hervorgerufen werden. Dieser Gasleckeffekt beruht auf der Kontraktion gegossener Kunststoffteile bei Abkühlung. Wenn sich ein gegossenes Teil zusammenzieht, entstehen entweder Zwischenräume zwischen der Gas­ düsenkappe und der Oberfläche des gegossenen Teils oder Mikrorisse an der Oberfläche des gegossenen Teils, was einen Raum innerhalb des Form­ hohlraums schafft, durch den eingeblasenes Gas entweichen kann. Starke Gasleckage führt zu schlechtem Gasunterstützungseffekt, wobei jedoch dieser Effekt bei gasunterstütztem Spritzgießen wesentlich ist, und so tre­ ten erneut Schwierigkeiten hinsichtlich verschlechterten Aussehens der Erzeugnisoberfläche, Verwindung, Verformung sowie andere Probleme auf.

Es wurden Anstrengungen unternommen, die Schwierigkeiten hinsicht­ lich des Aufrechterhaltens des Gasdrucks innerhalb des Formhohlraums zu überwinden. Zum Beispiel wurde im AU 591385, EP 0 283 207 A2, im koreanischen Patent KR 88-2732, im GB 2210578 und im US 4,740,150 die Verwendung konischer Gaseinblasdüsen offenbart, die in das Aus­ gangsmaterial eingeführt sind, um die Ausbreitung des geschmolzenen Materials durch Einblasen zu unterstützen, um den Spritzgießablauf für das hergestellte Teil zu erleichtern. Jedoch gelingt es dabei nicht, den Gas­ druck innerhalb des Formhohlraums aufrechtzuerhalten, wenn der Spritzgießprozeß abgeschlossen ist und das Teil abgekühlt ist, da sich bei diesem Verfahren unvermeidlich Gasleckräume zwischen der Oberfläche der Düsenkappe der Gaseinblasdüse und der Oberfläche des spritzgegos­ senen Teils in demjenigen Bereich bilden, der in Kontakt mit der Düsen­ kappe steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaseinblasdüse für gasun­ terstütztes Spritzgießen sowie ein gasunterstütztes Spritzgießverfahren zu schaffen, mit deren Hilfe der Gasdruck innerhalb eines Formhohlraums während der Abkühlphase aufrechterhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 9 genannten Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen be­ schrieben. Dabei wird auf die folgenden beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1A-1C veranschaulichen schematisch den Ablauf bei gasunterstütz­ tem Spritzgießen mittels dreier Schnittansichten einer Gießform;

Fig. 2A und 2B sind Schnittansichten zweier Gaseinblasdüsen gemäß be­ vorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung;

Fig. 3A und 3B sind Schnittansichten zweier Gaseinblasdüsen in einer Gießform während eines Spritzgießvorgangs; und

Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Düsenkappe einer Gaseinblasdüse ge­ mäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Um eine erfindungsgemäße Gaseinblasdüse zu beschreiben, wird zu­ nächst auf die Fig. 2A und 2B Bezug genommen, die Schnittansichten zweier Gaseinblasdüsen gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zeigen.

Wie aus der Zeichnung erkennbar, verfügt eine Gaseinblasdüse 15 über ei­ nen Gasdüsenkörper 151, eine Gasdüsenkappe 152 und einen Gasdüsen­ stift 153 mit zugehöriger Feder 154.

Der Düsenkörper 151 ist im wesentlichen ein langgestreckter Stab, um dessen Körper in Längsrichtung beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2A eine Heizspule 155 gewickelt ist oder an dem beim zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 2B eine Heizplatte 155′ befestigt ist. Innerhalb des Düsenkörpers 151 befindet sich sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel ein erster Gaskanal 156, der in Längsrich­ tung verläuft.

Die Düsenkappe 152 ist ein im wesentlichen konischer Körper, dessen Ba­ sisende mit dem zugehörigen Vorderende des Düsenkörpers 151 verbun­ den ist. Die Verbindung kann z. B. mittels einer Aussparung, die an der Konusbasis der Düsenkappe 152 ausgebildet ist, die das Einsetzende des Düsenkörpers 151 mit verringertem Durchmesser aufnimmt, realisiert sein, wie in der Schnittansicht von Fig. 2A dargestellt. Entlang der Mittel­ achse der konischen Kappe 152 befindet sich ein zweiter Gaskanal 157 für die gesamte Gaseinblasdüse, der mit einem dritten Gaskanal 158 verbun­ den ist, der ebenfalls entlang der Mittelachse der Kappe 152 ausgebildet ist. Der Durchmesser des zweiten Gaskanals 157 ist größer als der des dritten Gaskanals 158, um eine Schraubenfeder 154 aufzunehmen. Wenn die Düsenkappe 152 am Vorderende des Düsenkörpers 151 angebracht wird, ist der erste Gaskanal 156 innerhalb des Düsenkörpers 151 mit dem zweiten Gaskanal 157 der Düsenkappe 152 ausgerichtet. Dies bildet einen vollständigen Gaskanal sowohl im Düsenkörper 151 als auch in der Dü­ senkappe 152, der den ersten, zweiten und dritten Gaskanal 156, 157 und 158 umfaßt.

Das Ende der Konusspitze der Düsenkappe 152 geht im wesentlichen in ei­ nen kurzen Zylinder mit kleinem Durchmesser über, an dessen Außenflä­ che ein Gewinde 159 ausgebildet ist, wobei die Mittelachse des schrauben­ förmigen Gewindes mit der Mittelachse der Düsenkappe 152 zusammen­ fällt. Das Gewinde 159 verfügt über eine Länge von ungefähr 50-150 mm, und es ist mit einer Tiefe von ungefähr 0,2-0,5 mm in die Oberfläche des Zylinderkörpers eingeschnitten.

Bauliche Einzelheiten des Düsenstifts 153 sind am besten in den Schnitt­ ansichten der Fig. 3A und 3B erkennbar. Der Gasdüsenstift 153 ist im we­ sentlichen ein Stab mit konischen Spitzen 1531 und 1532 an jedem seiner Enden. Der Durchmesser der konischen Spitze 1531 ist größer als der der Spitze 1532, damit eine Basis vorliegt, die einen Flansch für die Schrau­ benfeder 154 bildet, damit diese an diesem einen Ende anliegt, wenn der Düsenstift 153 in den zweiten und dritten Gaskanal 157 und 158 inner­ halb der Düsenkappe 152 eingesetzt ist. Der Düsenstift 152 wird in den zy­ lindrischen Raum eingesetzt, wobei er von der Schraubenfeder 154 umge­ ben ist. Dabei liegt, wie bereits oben beschrieben, das eine Ende der Feder 154 am Flansch der Basis des konischen Endes 1531 an, während ihr an­ deres Ende an einem sich verengenden Verbindungsabschnitt zwischen zwei Gaskanälen 157 und 158 anliegt, wie in Fig. 3A dargestellt.

Während der Hauptabschnitt des Düsenstifts 153 mit der konischen Kap­ pe 1532 in den dritten Gaskanal 158 eingesetzt ist, besteht immer noch ausreichend Raum zwischen der Außenfläche des Düsenstifts 153 und der Innenwand des dritten Gaskanals 158, so daß Gas hindurchströmen kann. Andererseits kann, falls erforderlich, die Oberfläche der konischen Kappe 1531 am einen Ende des Düsenstifts 153 auf der entsprechenden konischen Öffnung des ersten Gaskanals 156 innerhalb des Düsenkörpers 151 anliegen, um die Gasströmung abzusperren, obwohl die Feder 154 Druck ausgesetzt werden kann, um das Durchlaufen von Gas durch die verbundenen Gaskanäle zu ermöglichen, wenn dies erforderlich ist.

Während der Verwendung der erfindungsgemäßen Gaseinblasdüse bei ei­ nem gasunterstützten Spritzgießprozeß wird geschmolzenes Ausgangs­ material für den Spritzgießvorgang über die Angußbuchse in den Form­ hohlraum eingespritzt, wie es in Fig. 3A dargestellt ist. Wenn der Innen­ raum des Formhohlraums mit ungefähr 70-90% des Gesamtvolumens ge­ füllt ist, wird die Gaseinblasdüse sofort in die Einfüllöffnung oder die Ver­ teileröffnung eingeführt. Wie es aus Fig. 3A erkennbar ist, strömt Einblas­ gas (wie Stickstoff) im ersten Gaskanal 156 innerhalb des Düsenkörpers 151 in der durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung. Bei ausreichen­ dem Druck wird die konische Kappe 1531 des Düsenstifts 153 nach oben gedrückt (bezogen auf die Ausrichtung der Fig. 3B), während die Feder 154 durch den Gasdruck zusammengedrückt wird. Dabei wird auch die koni­ sche Kappe 1532 am anderen Ende des Düsenstifts 153 nach oben ge­ drückt, wodurch sich ein Kanal für das Gas öffnet, das in den Formhohl­ raum eintreten kann.

So kann die in der Zeichnung nicht dargestellte Gasversorgung Gas durch den ersten Gaskanal 156 in den Düsenkörper 151 und anschließend über den zweiten und dritten Gaskanal 157 und 158 in die Gasdüsenkappe 152 im Gaskanal innerhalb des Formhohlraums blasen. Diese Gasströmung dient dazu, die Verteilung des geschmolzenen Ausgangsmaterials im Hohl­ raum zu Bereichen mit geringerem Gasdruck, höherer Temperatur und ge­ ringerer Viskosität zu erleichtern.

Der Gasfluß in den Formhohlraum wird aufrechterhalten, während die Heizspule oder -platte (155 in Fig. 2A oder 155′ in Fig. 2B) die Temperatur des Gasdüsenkörpers 151 und der Gasdüsenkappe 152 auf ungefähr 60- 100°C aufrechterhält. Das an der Außenfläche des Zylinders an der Spitze der Gasdüsenkappe 152 ausgebildete Gewinde 159 dient dazu, die Kon­ taktfläche zwischen dem geformten Kunststoffmaterial und der Gasdü­ senkappe 152 zu vergrößern. Diese gekrümmte Kontaktfläche sorgt auch für eine Wirkung ähnlich der eines O-Rings, der vom geformten Kunst­ stoffmaterial zurückgehalten wird. Der enge und leckdichte Kontakte zwi­ schen der Oberfläche der Gasdüsenkappe 152 und dem geformten Kunst­ stoffmaterial ist daher gewährleistet. Somit ist kein Gasaustritt an der Grenzfläche zwischen der Gasdüsenkappe 152 und dem gegossenen Mate­ rial möglich, da nämlich kein Raum dazwischen ist. Daher ist zuverläs­ siges Aufrechterhalten des Gasdrucks möglich. Wenn der äußere Gas­ druck weggenommen wird, drückt die Feder 154 den Gasedüsenstift 154 nach unten auf den Gasdüsenkörper 151, wie aus Fig. 3A erkennbar. Da­ durch wird der erste Gaskanal 156 hinter dem Formhohlraum geschlos­ sen, wodurch ein Zurückströmen von Gas verhindert ist.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der Düsenkappe 152 einer Gaseinblasdüse 151 gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung. Bei dieser Ausführungsform haben konzentrische, kreisförmige Nu­ ten 159′ dieselbe Funktion wie das Gewinde 159 beim Ausführungsbei­ spiel der Fig. 3A und 3B, nämlich für eine Erhöhung der Kontaktfläche zwi­ schen der Oberfläche der konischen Gasdüsenkappe 152 und dem ge­ schmolzenen Kunststoffmaterial zu sorgen.

So weisen Gaseinblasdüsen, wie sie bei den bevorzugten Ausführungsbei­ spielen beschrieben wurden, verbesserte Betriebseigenschaften beim Ver­ hindern von Gaslecks auf. Dieser Spritzgießprozeß ohne konstantes Gas­ leck, worunter herkömmliche gasunterstützte Spritzgießabläufe leiden, verringert die Betriebskosten deutlich.

Claims (10)

1. Gaseinblasdüse für ein gasunterstütztes Spritzgießverfahren, da­ durch gekennzeichnet, daß sie an ihrem in den Formhohlraum ragenden Ende eine aufgerauhte Außenfläche (159, 159′) aufweist.

2. Gaseinblasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhte Außenfläche eine gewindeförmige Ausnehmung (159) an der Mantelfläche eines zylindrischen Endes der Gaseinblasdüse ist.

3. Gaseinblasdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhte Außenfläche aus mehreren in die Mantelfläche eines zy­ lindrischen Endes der Gaseinblasdüse eingebrachten Nuten (159′) be­ steht.

4. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgerauhte Außenfläche eine Länge von unge­ fähr 50 bis 150 mm und eine Ausnehmungs- oder Nuttiefe von ungefähr 0,2 bis 0,5 mm aufweist.

5. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch:

• - einen langgestreckten Düsenkörper (151) mit einem ersten, im wesentlichen in Längsrichtung verlaufenden Gaskanal (156) innerhalb desselben;
• - eine Düsenkappe (152) mit konischem Körper, wobei am Ende des Konus die aufgerauhte Außenfläche vorliegt und wobei in der Konusbasis eine Aussparung zur Aufnahme des Vorderendes des Düsenkörpers (151) ausgebildet ist, mit einem zweiten und einem dritten in Längsrichtung ver­ laufenden Gaskanal (157, 158), die aufeinanderfolgen, wobei der erste (156), zweite (157) und dritte (158) Gaskanal zueinander ausgerichtet sind, um einen vollständigen Gaskanal der Gaseinblasdüse zu bilden, wo­ bei der Durchmesser des zweiten Gaskanals (157) größer als der des ersten (156) und dritten (158) Gaskanals ist;
• - eine Feder (154) innerhalb des zweiten Gaskanals (157), deren eines Ende an dem Übergang vom zweiten (157) in den dritten Gaskanal (158) anliegt: und
• - einen Düsenstift (153) innerhalb des zweiten und dritten Gaskanals, der von der Feder umgeben wird und über einen langgestreckten, stiftför­ migen Körper mit vergrößerten, konischen Kappen an seinen beiden En­ den verfügt, wobei die dem Formhohlraum abgewandte konische Kappe an dem dem Formhohlraum abgewandten Ende der Feder anliegt, während sich die anderem aus dem dritten Gaskanal der Düsenkappe heraus er­ streckt.

6. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenstift (153) verschiebbar im zweiten und dritten Gaskanal (157, 158) der Düsenkappe (152) liegt und ausreichend Raum zwischen seiner Außenfläche und der Innenwand des dritten Gaska­ nals besteht, daß dort Gas hindurchströmen kann.

7. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizspule (155) schraubenförmig um den Dü­ senkörper (151) gewickelt ist.

8. Gaseinblasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Heizplatte (155′) am langgestreckten Düsenkörper (151) angebracht ist.

9. Verfahren zum gasunterstützten Spritzgießen unter Verwendung ei­ ner Gaseinblasdüse nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Temperatur der Düsenkappe (152) während des Abkühlens des Spritzlings und Auf­ rechterhaltens des Drucks im Spritzling auf 60°C bis 90°C gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als in den Formhohlraum eingeblasenes Gas Stickstoff verwendet wird.