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Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 1. Es
dient insbesondere zur Herstellung von Medienleitungen mit großen Querschnitten
und integrierten Funktionskomponenten, die vorzugsweise gekrümmt und
verzweigt sind.
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Stand der Technik
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Herstellung von Medienleitungen
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Medienleitungen
bestehen in der Regel aus der Rohrleitung, Anschlüssen und
anderen Funktionskomponenten. Die Anschlüsse dienen der Verbindung an
weitere Leitungen, Behälter
oder Pumpen. Die Herstellung von Medienleitungen mit konventionellen
Verfahren ist durch mehrere Arbeitsschritte gekennzeichnet.
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Extrusion
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Zuerst
werden die Rohrleitungen für
Medienleitungen extrudiert, auf eine definierte Länge geschnitten
und in die gewünschte
Kontur umgeformt. Danach werden Anschlüsse und Funktionskomponenten
auf die Rohrleitungen geklebt, geschweißt oder gespritzt.
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Blasformen
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Eine
weitere Möglichkeit
stellt das Blasformen und 3D-Blasformen dar, bei dem die Rohrleitung schon
in der gewünschten
Kontur hergestellt werden kann. Einfachere Funktionskomponenten
können teilweise
realisiert werden. Jedoch muß ein
großer Teil
der erforderten Funktionskomponenten nachträglich montiert werden. Beim
Standard-Blasformen stark
gekrümmter
Medienleitungen fallen große
Mengen an Quetschbereichen aufgrund der benötigten Vorformlingsgröße an, die
nachträglich
entfernt werden müssen.
Stark verzweigte Medienleitungen können nicht hergestellt werden.
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Gasinjektionstechnik
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Die
Gasinjektionstechnik – im
folgenden GIT genannt – ist
ein Sonderverfahren des Spritzgießens. Hierbei wird der Formhohlraum
eines Spritzgießwerkzeuges
zum Teil (Aufblasverfahren) oder vollständig (Ausblasverfahren) mit
einer Formmasse gefüllt.
Danach wird ein Inertgas injiziert, um den noch schmelzeflüssigen Kern
der Formmasse auf- oder auszublasen. Auf diese Weise entsteht ein
Hohlkörper.
Es existieren zahlreiche Verfahrensvarianten und Vorrichtungen für die GIT.
Die gattungsgemäßen Verfahren
sind z. B. in der
DE
2106546A1 , der
US 4101617A ,
der
DE 2800482A1 ,
der
GB 2139548A , der
EP 283207A2 , der
DE 4033298A1 ,
der
DE 4002503C1 und
der
EP 0289230B1 beschrieben.
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Die
GIT wird bei der Herstellung von Medienleitungen an Bedeutung gewinnen,
da sie erlaubt, vollständige
und hochintegrierte Leitungen in einem Arbeitsgang durch Spritzgießen kostengünstig herzustellen.
Einige so hergestellter Medienleitungen sind schon auf dem Markt
erhältlich.
Rohrartige Medienleitungen, die nach der GIT hergestellt werden können, sind
in der
DE 4011310A1 und
der
JP 08229993A beschrieben.
In Bauteile integrierte Medienleitungen, die nach der GIT hergestellt
werden können,
sind in der
DE 4209600C2 beschrieben.
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Eine
wichtige Problemstellung für
die GIT bei Medienleitungen mit größeren Durchmessern ist, dass
der rheologische Einfluss auf die Formteilbildung überwiegt,
da die Abkühlgrade
bei diesen Bauteilen gering sind. Zum Vorantreiben der Schmelze sind
durch die großen
Kanalquerschnitte nur geringere Gasdrücke erforderlich. Da das Gas
immer den Weg des geringsten Widerstandes nimmt, um die Schmelze
voranzutreiben, entstehen aufgrund des geringen Druckniveaus schmale
Gaskanäle,
wenn mit hohen Gasdrücken
gearbeitet wird.
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Das
geringe Druckniveau in der Schmelzefront kann auch zur Folge haben,
dass dünnwandige Funktionskomponenten
unzureichend gefüllt
werden und anschließend
das Gas in diese Bereiche eindringt (Fingerbildung). Beim Aufblasverfahren
(Teilfüllung
der Kavität
mit Schmelze, Gasinjektion) kann es auch zu Gasdurchbrüchen und
ungleichen Restwanddicken in Krümmungen
kommen. Gasdurchbrüche
und unzureichende Füllungen
von dünnwandigen
Bereichen können
durch Anwendung eines so genannten Kernzugverfahrens, wie es in
der
DE 4002503C1 beschrieben
ist, vermieden werden. Hier wird die Schmelze gegen einen Kern aufgeblasen, der
aus der Kavität
gezogen wird. Dieses Verfahren ist allerdings nicht bei komplex
gebogenen Hohlkörpern
anwendbar. Verbesserte Wanddickenverteilungen und dünnwandige
Komponenten können
durch das Ausblas- oder Masserückdrück-Verfahren
erzielt werden. Diese Verfahren können jedoch kaum zur Herstellung
großvolumiger
Medienleitungen verwendet werden.
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Gasgegendruck-Spritzgießen
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Ähnlich dem
Kernzugverfahren, kann die Schmelze auch gegen einen kontrollierten
Gasgegendruck, der vor der Schmelzeinjektion in der Kavität aufgebaut
wurde, injiziert und oder aufgeblasen werden, um die vollständige Füllung von
dünnwandigen
Funktionskomponenten zu ermöglichen.
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Das
Gasgegendruckverfahren wird schon seit zwei Jahrzehnten im Bereich
des Thermoplastschaum-Spritzgießens
(TSG) zur Verbesserung der Oberflächenqualität eingesetzt, wie z. B. in
der
DD 112730 , der
DE 4017517A1 ,
der
US 3960996A ,
der
US 4092385A und
der
US 4208368A beschrieben.
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Weiterhin
ist die Kombination dieses Verfahrens mit dem konventionellen Spritzgießen zur
Verbesserung der Oberflächenqualität in den
USA mit der
US 5728329A patentiert
worden.
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Zur
Verbesserung der Oberflächenqualität bei der
Gasinjektionstechnik ist das Gegendruckverfahren in der
DE 3919333A1 veröffentlicht
worden. Da die für
die GIT typischen Bauteile i.d.R. größere Fließkanaldurchmesser aufweisen,
kann es durch den im Vergleich zu dünnwandigen Bauteilen geringen
Druckbedarf zu schlechten Bauteiloberflächen kommen. Um die Bauteiloberflächen zu
verbessern, wird in einem Ausführungsbeispiel,
jedoch nicht in den Patenansprüchen
der
DE 3919333A1 ,
die Verwendung eines Gasgegendruckes beschrieben, um die Schmelze
besser an die Oberfläche
des formgebenden Spritzgießwerkzeuges
anzulegen und diese somit besser abzubilden. Der Gasgegendruck wird im
Bereich von 10 bar bis 50 bar bis zur Formfüllung konstant gehalten.
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In
der
US 5558824A wird
die Gasinjektionstechnik ebenfalls mit dem Gasgegendruckverfahren
kombiniert, um die Oberflächenqualität bei GIT-Bauteilen
dadurch zu verbessern, dass sogenannte Umschaltmarkierungen auf
der Bauteiloberfläche
vermieden werden. Umschaltmarkierungen entstehen beim Aufblasverfahren,
wenn nach der Teilfüllung
des Formhohlraumes mit Kunststoffschmelze die Bewegung der Schmelzefront
kurzzeitig stagniert und somit die Schmelzefront abkühlt. Wird
das Gas in die Schmelze injiziert, kann es die Schmelzefront erst
vorantreiben, wenn der Gasdruck ausreichend über das Schmelzedruckniveau
angestiegen ist. Um Umschaltmarkierungen zu vermeiden, wird in dem
patentierten Verfahrensablauf vorerst ein Gasdruck in der Kavität aufgebaut,
um anschließend
gegen diesen Druck zuerst die Schmelze zu injizieren. Der Gasgegendruck
wird dann in kontrolliertem Maße
abgebaut, damit die unter hohem Druck stehende Schmelze sich direkt
weiter in Fließrichtung
ausdehnen kann und es so zu keiner Stagnation der Schmelzebewegung
kommt bis das Gas die Schmelzefront vorantreiben kann.
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Nachteile des Standes der
Technik
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Extrusion/Blasformen
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Wesentliche
Nachteile bei der Herstellung von Medienleitungen ergeben sich wie
folgt:
- – hoher
Kostenaufwand durch:
– hohen
Materialeinsatz und Nachbearbeitungsaufwand beim Standard-Blasformen
durch abzutrennende Quetschbereiche
– hoher Aufwand für Werkzeugtechnik
und Handhabungsgeräte
beim 3D-Blasformen
– nachträgliche Montage
von Funktionselementen
– Umformen
von Extrudaten
- – geringere
Gestaltungsfreiheit:
– komplexe
Funktionsbereiche sind beim Blasformen nur durch nachträgliche Montage
realisierbar
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Gasinjektionstechnik
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Der
wesentliche Nachteil bei Anwendung der Gasinjektionstechnik ist
die Begrenzung der Leitungsdurchmesser durch die rheologischen Eigenschaften
der Kunststoffschmelze und deren Einfluß auf die Ausbildung der Gasblasendurchmesser.
Das heißt,
dass Leitungen mit größeren Durchmessern (Durchmesser
größer 40 mm)
mit der Gasinjektionstechnik nicht mit dem gewünschten Außendurchmesser/Wanddicken-Verhältnis und
Wanddickenverteilungen in Krümmungen
oder sogar gar nicht hergestellt werden können.
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Für großvolumige
Hohlkörper,
wie sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden sollen, ist auch das nach
DE 3919333A1 beschriebene Ausblasverfahren
nicht geeignet, da die Gasinjektion nach vollständiger Füllung des Formhohlraumes erfolgt
und danach die Schmelze aus dem Formhohlraum ausgeblasen wird. Somit
entstehen große
Mengen Kunststoffabfall, die weitaus größer sind als das hergestellte
Teil. Es ist auch nicht geeignet, falls die Kunststoffschmelze zurück in die
Einspritzeinheit ausgeblasen wird. Die große Schmelzemasse, welche sich
somit in einer Art Materialkreislauf befindet, wird einer zu starken
thermischen Belastung ausgesetzt, die zum Abbau des Materials und somit
zur Erniedrigung der mechanischen Eigenschaften der Bauteile führt.
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Gasgegendruck bei der Gasinjektionstechnik
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
und den bereits erwähnten
US 5558824A und
DE 3919333A1 werden
unterschiedliche Ziele verfolgt. Es ergeben sich die unten aufgeführten Nachteile des
Verfahren nach
US 5558824A :
Der
wesentliche Nachteil ist, dass der Gasgegendruck nur zur Aufrechterhaltung
der Fließbewegung der
Schmelzefront nach der Schmelzevorfüllung eingesetzt wird, um Umschaltmarkierungen
bei bestimmten Kunststoffen zu vermeiden. Der mögliche Einfluss eines höheren Druckprofiles
in der Schmelzefront durch Gasgegendruck auf die auf die Gasblasenausbreitung
in Krümmungen
und verbesserte Ausbildung von Funktionskomponenten wird nicht genutzt.
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Zur
Vermeidung der Schmelzestagnation wird der Gasgegendruck direkt
nach der Schmelzevorfüllung
nach
US 5558824A kontrolliert
abgebaut. Bei Bauteilen mit großen
Außendurchmessern
wird so jedoch der ohnehin geringe Gasinnendruckbedarf zum Vorantreiben
der Schmelzefront noch geringer werden, da die Schmelzefront mit
zunehmenden Fließweg
dünner
wird und der Druckbedarf weiter sinkt.
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Da
gegen den im Formhohlraum bereits vorliegenden Gasdruck eingespritzt
wird, muss die Einspritzeinheit einen größeren Spritzdruck bereitstellen,
als für
das entsprechende Bauteil erforderlich ist. Da das gesamte Schussvolumen
der Einspritzeinheit auf einmal verbraucht wird, ist die Bauteilgröße abhängig vom
Schussvolumen der Einspritzeinheit. Mit steigendem Schussvolumen
und Spritzdruck einer Einspritzeinheit steigen die Anschaffungskosten.
Bei größeren Bauteilvolumina
müßte nachdosiert
und erneut Schmelze injiziert werden.
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Das
beschriebene Verfahren nach
US 5558824A ist
seiner Zielsetzung daher nicht geeignet, um großvolumige Hohlkörper mit
geringen Anlagekosten bei gleichzeitiger Beibehaltung des Verfahrensvorteils – Vermeidung
von Umschaltmarkierungen – herzustellen,
insbesondere da es nicht den Gasgegendruck nutzt, um Masseanhäufungen
in Umlenkungen oder Wanddicken gezielt zu steuern, sondern nur,
um die Schmelzestagnation bei vergleichbar kleinvolumigen Bauteilen
zu vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
ist es, ein Verfahren für
das Aufblasverfahren der Gasinjektionstechnik zu entwickeln, welches
es erlaubt, Hohlkörper
mit großen
Durchmessern und dünnwandigen
Funktionskomponenten, insbesondere Medienleitungen, wie z. B. Kfz-Luftrohre, herzustellen.
Dabei ist die Gasblasenausbreitung und Restwanddickenausbildung über einen
großen
Teil des Fließweges
derart zu beeinflussen, dass die Schmelzefestigkeit beim Aufblasen
der Kunststoffschmelze erhöht
wird, um größere Gasblasendurchmesser
im Hohlkörper
zu erzeugen. Die Restwanddickenverteilung in Krümmungen soll verbessert werden.
Es soll mit kleineren Plastifizier- und Einspritzeinheiten ein ausreichendes
Schmelzevolumen bereitgestellt werden, sodass kostengünstige Anlagen
für die
Herstellung von z. B. großvolumigen Medienleitungen
verwendet werden können.
Auch soll es zu einer schnellen Gasdruckentlastung bzw. Gasabführung aus
dem Formhohlraum bei Anwendung eines Gasgegendruckverfahrens kommen,
wobei das Gegendruckgas nach Bedarf wieder verwendet werden kann.
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Lösung der Aufgabe
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung hat im Vergleich zur Extrusion und Blasformen folgende
Vorteile:
- – geringere
Anlagekosten im Vergleich zum Blasformen
- – sehr
kurze Fertigungszeiten pro Artikel und somit geringe Herstellungskosten
- – geringe
Nacharbeit und hohe Materialersparnis, da keine Quetschbereiche
des Vorformlings anfallen hohe Integrationsdichte, da komplexe Funktionskomponenten
direkt mitgespritzt werden, d. h. nachträglicher Montageaufwand entfällt
- – höhere Betriebssicherheit
des Hohlkörpers,
da die Gefahr von Leckagen geringer ist (keine angeschweißten Elemente),
- – eine
hohe Gestaltungsfreiheit bei Funktionsteilen und Leitungskonturen
- – es
liegt keine Prozesskette aus verschiedenen Ver- und Nachbearbeitungsverfahren
vor, sondern ein geschlossener Prozess
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Die
Erfindung hat im Vergleich zu den beschriebenen Gasgegendruck/GIT-Kombinationen
US 5558824A und
DE 3919333A1 für die Herstellung von
Medienleitungen mit großen
Querschnitten aufgrund der für
diese Bauteile angepassten Zielsetzung folgende Vorteile:
- – Ausformung
dünnwandiger
Funktionskomponenten auch gegen Fließwegende ist möglich
- – Hohlräume mit
großen
Querschnitten sind herstellbar, da eine stabilere Gasblasenausbreitung realisiert
werden kann, d. h. bessere Wanddickenverteilungen in Krümmungen
sind möglich
- – geringer
Druckbedarf der Einspritzeinheit bei Füllung des Formhohlraumes
- – ausreichendes
Schmelzevolumen wird durch Intrusion und/oder direkte Nachinjektion
bereitgestellt
- – kostengünstige Anlagen
mit kleineren Schussvolumen können
eingesetzt werden niedrigviskose Materialien sind für großvolumige
Hohlkörper einsetzbar
- – kein
Abfall durch ausgeblasenes Material, keine thermische Belastung
durch Zurückblasen
in die Einspritzeinheit Erhöhung
der Schmelzefestigkeit beim Aufblasen
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Ausführungsbeispiele
sind in 1 und 2 dargestellt
und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen
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1:
Beispiel für
eine Medienleitung mit großem
Außendurchmesser,
Formhohlraum eines Spritzgießwerkzeuges
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2 bis 6:
Verfahrensablauf
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7:
Gasblase und Schmelzefront, Schmelzedehnung
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8:
Druckverlauf in der Schmelzefront
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In 1 ist
beispielhaft die Aufsicht auf eine Formhohlraumhälfte 1 eines Spritzgießwerkzeuges für eine Medienleitung
(z. B. Kfz-Luftrohr) mit einem großen Außendurchmesser von 80 mm dargestellt. Der
Formhohlraum 3 des Spritzgießwerkzeuges und einige Auswerfer
sind gasdicht abgedichtet, wie es vom Gasgegendruckverfahren beim
Thermoplastschaumgießen
bekannt ist.
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2 bis 6 zeigt
beispielhaft einen möglichen
Verfahrensablauf nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, um eine wie
in 1 dargestellte Medienleitung herzustellen.
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Beispiel 1 für einen Verfahrensablauf:
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Das
Spritzgießaggregat
plastifiziert den Kunststoff mit drehender Schnecke vorzugsweise
mit hohem Staudruck und drückt
den aufgeschmolzenen Kunststoff in den Formhohlraum 3 eines
Spritzgießwerkzeuges 1 (2).
Dieses als Intrusion bezeichnete Verfahren erlaubt die Bereitstellung
eines Schmelzevolumens, das beliebig größer ist als das Schussvolumen.
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Während die
Kunststoffschmelze so in den Formhohlraum des Spritzgießwerkzeuges
intrudiert wird, wird im Formhohlraum ein Gasgegendruck pg erzeugt (3). Das
heißt,
die Erzeugung des Gasgegendruckes erfolgt gleichzeitig mit der Formfüllung, jedoch
beginnt die Gaseinleitung erst, wenn ein Teil der Schmelze das Angusssystem
hinreichend gasdicht abgedichtet hat. Die Gaseinleitung zum Aufbau
des Gegendruckes erfolgt dabei über
einen oder mehrere nicht gasdicht ausgeführte Auswerfer oder sogenannte
Gasinjektoren 5 direkt in den Formhohlraum oder über sogenannte
Gasnuten 6, 7 über
die Trennebene in den Formhohlraum. Der Formhohlraum ist nach außen z. B.
durch einen O-Ring 9 gasdicht abgedichtet.
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Nach
hinreichender Füllung
des Formhohlraums mit Kunststoffschmelze wird Gas über Gasinjektoren
oder eine Maschinendüse
in die Schmelze eingeleitet, um eine Gasblase zu erzeugen. Auf diese Weise
wird der zuvor intrudierte Schmelzekuchen mit einem kontrollierten
Gasinnendruck pi gegen den Gasgegendruck
pg aufgeblasen. (4 bis 6).
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Der
Gasgegendruck wird mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren während der
Formfüllung aufgebaut,
im Gegensatz zu
US 5558824A also
nicht vorher, sodass die Möglichkeit
der Intrusion vor der Schmelzeinjektion besteht, um große Schmelzvolumina
mit kleineren Einspitzeinheiten bereitzustellen. Der Gasdruck kann
mit dieser Schmelzeinjektion bis zur gewünschten Höhe aufgebaut werden.
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Der
Gasgegendruck wird durch die Schmelzefüllung einerseits automatisch
erhöht,
kann jedoch nach Bedarf zusätzlich
kontrolliert erhöht.
Es wird der Gasinnendruck erhöht,
um die Schmelzefront voranzutreiben, wenn der Gasgegendruck durch
die zunehmende Füllung
des Formhohlraumes mit Schmelze automatisch steigt oder zusätzlich erhöht wird.
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Der
Druckverlauf in der Schmelzefront wird durch ansteigenden Gasaußen- und
Gasinnendruck so angepasst, dass er dem eigentlich kleiner werdenden
Druckbedarf durch die dünner
werdende Fließfront
entgegen wirkt. Erst gegen Ende der Formteilfüllung wird der Gasgegendruck
abgebaut.
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Durch
den Einsatz des Gasgegendruckverfahrens nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es nun möglich,
die Schmelze gegen einen lang aufrechterhaltenen Gasgegendruck (7)
aufzublasen, wobei der Druckverlauf pv1 innerhalb
der Schmelzefront 10 zwischen Gasgegendruck pg und Gasinnendruck
pi auf einen Druckverlauf pv2 erhöht wird
(8).
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- 1
- Erste
Formhohlraumhälfte
eines Spritzgießwerkzeuges
- 2
- Zweite
Formhohlraumhälfte
eines Spritzgießwerkzeuges
- 3
- Formhohlraum
des Bauteils
- 4
- Anguss
- 5
- Gasinjektor
oder Auswerfer, Gasgegendruck
- 6
- Gaszufuhr
für Gasnut,
Gasgegendruck
- 7
- Umlaufende
Gasnut, Gasgegendruck
- 8
- Gasinjektor
für Gasinnendruck
- 9
- O-Ring
zur gasdichten Abdichtung des Formhohlraumes
- 10
- Schmelzefront