DE19836506A1 - Heißkanaldüse mit Verschlußnadel aus Keramik - Google Patents
Heißkanaldüse mit Verschlußnadel aus KeramikInfo
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Abstract
Es wird eine Heißkanaldüse (1) mit Verschlußnadel (2) zum Einspritzen von thermoplastischen Formmassen in Formwerkzeuge beschrieben, wobei die Verschlußnadel (2) ganz oder teilweise aus Keramik besteht.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heißkanaldüse mit Verschlußnadel zum Ein
spritzen von thermoplastischen Formmassen in Formwerkzeuge, wobei die Verschluß
nadel ganz oder teilweise aus Keramik besteht.
Heißkanaldüsen finden im Stand der Technik Anwendung bei der Herstellung von
Formteilen aus thermoplastischen Formmassen mittels Spritzgießen. Heißkanaldüsen
dienen dazu, die Schmelze der thermoplastischen Formmasse erstarrungsfrei in die
Kavität des Formwerkzeuges einzuspritzen. Um die Formmasse oberhalb der
Schmelztemperatur zu halten, kann die Düse mittels elektrischer Heizelemente beheizt
werden.
Heißkanaldüsen können mit oder ohne Verschlußnadel gestaltet werden. Düsen mit
einer Verschlußnadel dienen dazu, die Formwerkzeugkavität bei Ende des Ein
spritzvorgangs zu schließen. Beim Öffnen des Werkzeugs kann dann keine weitere
Schmelze des Thermoplasten aus der Heißkanaldüse austreten. Verschlußnadeln
ermöglichen auch die Herstellung von Formteilen, die eine glatte Oberfläche am Ein
spritzpunkt aufweisen. Eine glatte Oberfläche am Einspritzpunkt kann ein wesent
liches Qualitätsmerkmal entsprechender Formteile darstellen.
Bekannte Heißkanaldüsen mit Verschlußnadeln, wie in DE 42 30 758 und
EP 0 765 728 beschrieben, bestehen im wesentlichen aus einem Düsengehäuse, das von
elektrischen Heizelementen umgeben ist und einen Schmelzekanal umschließt, einem
Düsenmundstück, das durch eine Verschlußnadel verschließbar ist und einem Nadel
antrieb. Bekannte Heißkanaldüsen verwenden Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, um
entweder direkt oder über einem Hebel die Nadel zu bewegen und den Verschluß
öffnen oder schließen zu können. Beim Befüllen der Kavität fließt die heiße
Formmasse in der Heißkanaldüse an der geöffneten Nadel entlang. Diese wird hierbei
erwärmt. Nach dem Schließen der Nadel bildet diese einen heißen Punkt, welcher ein
Ankleben der Formmasse begünstigt. Über die Anschlagfläche der Verschlußnadel an
der gekühlten Formwand wird dann die Nadelspitze wieder gekühlt. Um eine hohe
Kühlleistung zu erreichen wird üblicherweise ein Material mit hoher Wärme
leitfähigkeit zur Herstellung der Nadeln verwendet.
Die Nadel bekannter Heißkanaldüsen wird z. B. aus gehärtetem Stahl hergestellt.
Bekannte Heißkanaldüsen mit Verschlußnadeln aus Stahl haben mehrere Nachteile.
Verschlußnadeln aus Stahl unterliegen dem Verschleiß wenn die thermoplastischen
Formmassen feste Füllstoffe, z. B. abrasive Pulver oder Mineralfasern enthalten. Mit
Verschlußnadeln aus Stahl kann es bei Nadelanschnitten großer Querschnitte zur An
klebung der Formmasse kommen. Das Ankleben der Formmasse führt dann beim
Öffnen des Werkzeugs und Entnehmen des Formteils zu qualitätsmindernden Uneben
heiten am Formteil im Bereich des Einspritzpunktes.
Normalerweise werden Probleme mit Anklebungen an der Verschlußnadel gelöst,
indem die Kühlzeit im Prozeßzyklus verlängert wird. Eine längere Kühlzeit verlängert
ebenfalls die Gesamtprozeßzykluszeit und führt letztlich zu erhöhten Fertigungskosten
der Formteile. Der Querschnitt des Nadelanschnitts kann auch reduziert werden, um
dieses Problem zu umgehen. Kleine Querschnitte sind aber nachteilig für den Ein
spritzvorgang und begrenzen dadurch die Größe des Formteiles, das fehlerfrei
hergestellt werden kann. Probleme mit Anklebungen können auch gelöst werden,
indem die Temperatur des temperierten Werkzeugs reduziert wird, um die Nadel
besser zu Kühlen. Eine Reduzierung der Werkzeugtemperatur ist jedoch nur begrenzt
möglich, da viele Formmassen nur in einem sehr engen Temperaturbereich qualitativ
hochwertige Formteile ergeben.
Letztlich kann die Anschlagfläche der Nadel an der gekühlten Formwand vergrößert
werden, um Anklebungen zu vermeiden. Diese Lösung hat das Ziel die Kühlung der
Nadelspitze zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heißkanaldüse mit Verschlußnadel so auszubilden,
daß qualitativ hochwertige Formteile im Werkzeug herstellbar sind, wobei der
Verschleiß der Nadel und Anklebung der Formmasse minimiert werden und die
weiteren Nachteile bekannter Anordnungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Heißkanaldüse eine
Verschlußnadel aus Keramik eingesetzt wird. Überraschenderweise führen nur
Keramiknadel aus speziellen Materialien von niedriger Wärmeleitfähigkeit zum
gewünschten Ergebnis. Dieses Ergebnis ist um so überraschender als bisherige
Erfahrungen mit Nadeln aus Stahl eine Verbesserung der Kühlung der Verschlußnadel
und die Verwendung von Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit zum Ziele hatten. Eine
Verschlußnadel von geringer Wärmeleitfähigkeit sollte nach der gängigen Auffassung
die Kühlung der Nadel eher verschlechtern und damit auch die Qualität von
Formkörpern am Einspritzpunkt verschlechtern.
Gegenstand der Erfindung ist eine Heißkanaldüse mit Verschlußnadel, zur Herstellung
von Formkörpern aus thermoplastischen Formmassen, mit einem beheizbaren Düsen
gehäuse, welche einen Schmelzekanal umschließt und durch eine Verschlußnadel
mittels eines beweglichen Nadelantriebs verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verschlußnadel aus einem Keramikmaterial mit einer Wärmeleitfähigkeit von
weniger als 7 W/m.K bei 100°C besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung besteht nur die
Spitze der Verschlußnadel aus Keramik, wobei der Nadelschaft selbst aus Metall,
insbesondere aus Stahl oder gehärtetem Stahl besteht. Diese Ausführung hat den
Vorteil, daß die Kupplung der Nadel zum Hydraulikzylinder oder zum Antriebshebel
und die Nadelführung aus Stahl hergestellt werden kann. Dadurch wird die Bruch
gefahr der Nadel beim Einbauen bzw. beim Spritzgießen geringer.
Alle gängige Methoden zur Herstellung von Metall-Keramik Verbindungen können
verwendet werden, um die Keramikspitze an der Nadel aus Stahl zu befestigen. Diese
Verbindung soll jedoch möglichst druckfest sein. Vorzugsweise wird die Keramik
spitze durch Aufschrumpfen des Metallnadelschaftes auf einen Keramikdorn am
entgegengesetzten Ende der Keramikverschlußnadel hergestellt.
Die Verschlußnadel oder Nadelspitze aus Keramik besteht bevorzugt aus dicht
gesintertem und weitestgehend porenfreiem Keramikmaterial mit einer Wärme
leitfähigkeit von höchstens 7 W/m.K bei 100°C, vorzugsweise höchstens 3 W/m.K
bei 100°C. Beispiele für geeignetes Keramikmaterial sind Zirkonoxid, Porzellan,
Forsterite und Steatite.
Besonders bevorzugt sind Verschlußnadeln oder Nadelspitzen aus gesintertem
Zirkonoxid oder teilstabilisiertem Zirkonoxid. Gesintertes Zirkonoxid weist eine
Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 2 bis 2,5 W/m.K auf Gesintertes teilstabilisiertes
Zirkonoxid, wie zum Beispiel durch MgO, CaO oder Y2O3 teilstabilisiertes ZrO2, wird
wegen seiner hohen Biegefestigkeit als Keramikmaterial besonders bevorzugt.
Die erfindungsgemäße Heißkanaldüse kann vielfältige Anwendung im Spritzguß
werkzeug finden, insbesondere in Spritzgießmaschinen zum Spritzgießen von
thermoplastischen Kunststoffen und anderen thermoplastischen Formmassen.
Insbesondere, wenn Heißkanaldüsen mit Verschlußnadeln großer Querschnitte
benötigt werden, trägt die Verwendung der erfindungsgemäßen Heißkanaldüse zu
einer Reduzierung der Zykluszeit und dadurch einer verbesserten Wirtschaftlichkeit
des Spritzgießverfahrens bei.
Eine besondere Anwendung der erfindungsgemäßen Heißkanaldüse ist beim
Spritzgießen von thermoplastischen Formmassen mit hohen Anteilen an keramischen
Pulvern gegeben. Das Spritzgießen dieser sogenannten keramischen Formmassen, die
insbesondere von 50 bis 70 Volumenprozent an Keramikpulvern enthalten, ist
allgemein bekannt. Die Formteile werden anschließend thermisch von den organischen
Bestandteilen befreit und dann bei einer Temperatur von < 800°C zu dichten Keramik
körpern gesintert. Diese keramischen Formmassen sind sehr abrasiv, verschleißen
rasch gewöhnliche Metallverschlußnadeln und neigen besonders zu temperatur
bedingten Anklebungen. Die erfindungsgemäßen Heißkanaldüsen mit Verschluß
nadeln aus Keramik ermöglichen die Herstellung von Formteilen hoher Qualität auch
aus keramischen Formmassen mit einem Minimum an Verschleiß und Anklebungen
an der Verschlußnadel.
Als Vorteile der erfindungsgemäßen Heißkanaldüsen mit Verschlußnadel aus Keramik
sind noch folgende zu nennen. Unter anderem kann der Nadelquerschnitt größer
gestaltet werden und dadurch der Druck beim Spritzgießen reduziert werden, ohne
das Probleme mit Anklebungen auftreten. Die Spritzgußzykluszeit wird auch kürzer
als sie mit einer Verschlußnadel aus Stahl erreichbar ist. Die erfindungsgemäße
Keramiknadel ist verschleißfester als die standardmäßige Stahlnadel.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter beschrieben, ohne daß
dadurch die Erfindung in einzelnen eingeschränkt wird.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Heißkanaldüse gemäß Linie A-B in Fig. 2,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Heißkanaldüse gemäß Linie C-D in Fig. 1,
Fig. 3a eine Verschlußnadel mit Keramikspitze,
Fig. 3b die Verschlußnadel nach Fig. 3a mit abgetrennter Keramikspitze,
Fig. 4 ein Spritzgußwerkzeug mit erfindungsgemäßer Heißkanaldüse.
Ein Spritzgußwerkzeug zur Herstellung eines etwa 120 g schweren Formteils wurde,
wie in Fig. 4 gezeichnet, mit einer Heißkanaldüse gebaut. Die Heißkanaldüse 1 wurde
mit einer Keramikverschlußnadel 6 versehen (siehe Fig. 1 und 4). Die Heißkanaldüse
1 führt die Spritzgußmasse über den Kanal 4, durch den elektrisch beheizten
Stahlblock 3 und 3a zentrisch auf den Boden des Formteils 11. Beim Spritzgießen
wird die Nadel 2 bzw. 6 durch den seitlich angeordneten Zylinder 5 über die Balken 9
mit Druckluft geöffnet und geschlossen. Um die Heißkanaldüse ist eine separat
gekühlte Vorkammer 12 angeordnet. Der Durchmesser der Verschlußnadelspitze 13
betrug 6 mm.
Die Verschlußnadel 6 wurde wie in Fig. 3a und 3b dargestellt aus einer Stahlnadel 8
mit einer Spitze 7 aus Keramik aufgebaut. Die Keramikspitze 7 bestand aus
gesintertem Zirkonoxid, teilstabilisiert mit MgO, mit einer Wärmeleitfähigkeit bei
100°C von 2,5 W/m.K, eine Dichte von 5,9 g/cm3 und einer Biegefestigkeit von 500
N/mm2. Die Keramikspitze 7 wurde, wie in Fig. 3a und 3b gezeigt, an dem
Nadelschaft 8 aus gehärtetem Stahl befestigt, indem die Hülse 13 des Nadelschaftes 8
auf den Dom 14 der Keramikspitze 7 aufgeschrumpft wurde.
Spritzgußversuche wurden an einer Arburg Allrounder 370C Spritzgußmaschine mit
100 Tonnen Schließkraft und einer 35 mm Spritzeinheit durchgeführt. Eine
thermoplastische Formmasse, bestehend aus 84 Gew.-% Keramikpulver und 16%
einer thermoplastischen Kunststoffmischung mit einer Schmelztemperatur von 94°C
wurde eingesetzt. Die Spritzgußmasse hatte eine Viskosität von 620 Pa.s bei einer
Temperatur von 130°C.
Beim Spritzgießen des Formteiles wurde mit folgenden Betriebsparametern
gearbeitet:
Massetemperatur, Extruder: 160°C
Heißkanal: 160°C
Werkzeugtemperatur, Wand: 62°C
Vorkammer: 50°C
Einspritzzeit: 0,7 s
Nachdruckzeit: 4 s
Nachdruck: 250 bar
Restkühlzeit: 15 s
Gesamtzykluszeit: 31 s.
Massetemperatur, Extruder: 160°C
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Einspritzzeit: 0,7 s
Nachdruckzeit: 4 s
Nachdruck: 250 bar
Restkühlzeit: 15 s
Gesamtzykluszeit: 31 s.
An der Verschlußnadel aus Zirkonoxid wurde keine Anklebung beobachtet. Es
wurden durchweg fehlerfreie Formteile erhalten.
Vergleichsversuche mit der gleichen Heißkanaldüse 1, jedoch mit einer Verschluß
nadel 2, hergestellt aus gehärtetem Stahl, führten bei ansonsten gleichen Spritz
gußbedingungen, wie im obigen Beispiel 1 beschrieben, zu starkem Kleben der
Formmasse an der Verschlußnadel 2. Dieses Kleben bewirkt, daß das Formteil 11
beim Entnehmen aus der Form mit einer unregelmäßig geformten Delle versehen ist.
Diese Delle kann nicht auf einfache Weise nachgearbeitet werden.
Durch Senkung der Werkzeugtemperatur der Vorkammer auf 35°C, oder Senkung
der Temperatur der Spritzgußmasse in der Heißkanaldüse auf 140°C, konnte das
Ankleben der Formmasse an der Verschlußnadel nicht vollständig vermieden werden.
Auch eine Verlängerung der Restkühlzeit um 5 bis 10 Sekunden führte nicht zu
fehlerfreien Formteilen.
Claims (6)
1. Heißkanaldüse (1) mit Verschlußnadel (2) zur Herstellung von Formkörpern
aus thermoplastischen Formmassen, mit einem beheizbaren Düsengehäuse (3,
3a), welches einen Schmelzekanal (4) umschließt, die durch eine Ver
schlußnadel (2) mittels eines beweglichen Nadelantriebs verschließbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußnadel (2) aus einem Keramik
material mit einer Wärmeleitfähigkeit von höchstens 7 W/m.K, bevorzugt
höchstens 3 W/m.K besteht.
2. Heißkanaldüse mit Verschlußnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verschlußnadel (2) in einen Nadelschaft (8) und eine Spitze (7) geteilt
ist, und die Spitze (7) der Verschlußnadel (2) aus Keramik besteht.
3. Heißkanaldüse mit Verschlußnadel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verschlußnadel (2) oder die Nadelspitze (7) im
wesentlichen aus Zirkonoxid, Porzellan, Fersterite oder Steatite besteht.
4. Heißkanaldüse mit Verschlußnadel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verschlußnadel (2) oder die Nadelspitze (7) aus gesintertem
Zirkonoxid oder gesintertem, teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht.
5. Spritzgußwerkzeug zur Herstellung von Formkörpern aus thermoplastischen
Formmassen, aufweisend eine Heißkanaldüse mit Verschlußnadel gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Verwendung der Heißkanaldüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur
Verarbeitung thermoplastischer Formmassen, insbesondere keramischer
Formmassen, bevorzugt mit einem Keramikanteil von 50 bis 70 Gew.-% aus
der Formmasse.
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