-
Die Erfindung betrifft ein Mundstück und einen daran angepassten Verschlusskolben für einen Füllinjektor für eine Werkzeugform zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Kunststoffmaterial, wobei das Mundstück eine Einfüllöffnung für einen Hohlraum in der Werkzeugform bildet, und der Verschlusskolben in dem Mundstück in einer Verlagerungsrichtung zwischen einer die Einfüllöffnung des Mundstücks verschließenden Verschlussstellung und einer die Einfüllöffnung freigebenden Öffnungsstellung verlagerbar ist.
-
Bei der Herstellung von Werkstücken aus einem geschäumten Kunststoffmaterial, beispielsweise aus expandiertem Polystyrol (EPS) oder aus expandiertem Polypropylen (EPP), wird zunächst ein fließfähiges, üblicherweise granulatförmiges oder perlenförmiges Rohmaterial in den Hohlraum der Werkzeugform eingebracht und anschließend in einem Bedampfungsvorgang die Partikel des fließfähigen Rohmaterials mit erhitztem Dampf miteinander verschmolzen, bzw. versintert oder verschweißt werden. Das fließfähige Rohmaterial wird üblicherweise aus einem Vorratsraum durch einen Füllinjektor in den Hohlraum in der Werkzeugform eingebracht. Der Füllinjektor weist ein die Einfüllöffnung bildendes Mundstück und einen in dem Mundstück verlagerbaren Verschlusskolben auf, der ein einer Verschlussstellung die Einfüllöffnung zu dem Hohlraum in der Werkzeugform verschließt und verhindert, dass fließfähiges Rohmaterial von dem Vorratsraum in die Werkzeugform überführt werden kann. Wird der Verschlusskolben beispielsweise pneumatisch aus der Verschlussstellung in die Öffnungsstellung überführt, gibt der Verschlusskolben die Einfüllöffnung frei. Um das fließfähige Rohmaterial durch die Einfüllöffnung in den Hohlraum der Werkzeugform zu fördern wird üblicherweise in dem Vorratsraum ein Überdruck erzeugt, so dass das fließfähige Rohmaterial bei einem geöffneten Verschlusskolben durch das Mundstück hindurch in den Hohlraum der Werkzeugform hineingedrückt wird.
-
Das Mundstück kann dabei integral mit dem gesondert hergestellten Füllinjektor verbunden sein und an die Werkzeugform angedrückt oder nachträglich an der Werkzeugform festgelegt werden. Das Mundstück kann auch gesondert hergestellt und mit der Werkzeugform verbunden oder integral an der Werkzeugform festgelegt oder dort ausgebildet sein. Es ist ebenfalls üblich, einen Füllinjektor mit verschiedenen Werkzeugformen zu nutzen, so dass das Mundstück des Füllinjektors von einer ersten Werkzeugform getrennt und mit einer zweiten Werkzeugform verbunden werden kann. Sowohl das Mundstück als auch der daran angepasste Verschlusskolben können auswechselbar ausgestaltet und mit dem Füllinjektor, bzw. mit der Werkzeugform lösbar verbunden sein, um je nach Bedarf beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel oder bei einem die Funktion des Füllinjektors beeinträchtigenden Verschleiß ausgetauscht werden zu können.
-
Für den Bedampfungsvorgang wird erhitzter Dampf in den mit fließfähigem Rohmaterial, regelmäßig in Form von perlenförmigen Partikeln befüllten Hohlraum der Werkzeugform eingebracht, um die Partikel des Rohmaterials zu verfestigen bzw. miteinander zu verschweißen. Der Verschlusskolben des Füllinjektors muss während des Bedampfungsvorgangs den Hohlraum dicht verschließen und verhindern, dass aus dem unter Überdruck stehenden Vorratsraum weder fließfähiges Rohmaterial oder aber das den Überdruck erzeugende Druckmedium in den üblicherweise einen deutlich geringeren Druck aufweisenden Hohlraum der Werkzeugform eindringen und dadurch den Bedampfungsvorgang beeinträchtigen kann.
-
Um den Überdruck in dem Vorratsraum zu erzeugen und das fließfähige Rohmaterial bei geöffnetem Verschlusskolben aus dem Vorratsraum in die Werkzeugform fördern zu können wird üblicherweise Druckluft in den Vorratsraum eingeblasen. Der Verschlusskolben muss dann während des Bedampfungsvorgangs eine druckluftdichte Abdichtung des Füllinjektors bewirken. Zu diesem Zweck sind regelmäßig der Verschlusskolben zylinderförmig und das Mundstück hohlzylinderförmig ausgebildet, und der Verschlusskolben mit einer umlaufenden O-Ring-Dichtung gegenüber der umgebenden Innenwandfläche des hohlzylinderförmigen Mundstücks abgedichtet.
-
Es hat sich gezeigt, dass diese O-Ring-Dichtung durch die hohe thermische Beanspruchung sowie durch die mechanische Beanspruchung frühzeitig verschleißt und rasch undicht wird, so dass Druckluft während des Bedampfungsvorgangs aus dem Vorratsraum in den Hohlraum der Werkzeugform eindringt, bzw. eingeblasen wird und das noch nicht fertig verfestigte Werkstück beschädigt wird, wobei die angestrebte Verschweißung und Verfestigung der einzelnen Partikel des Rohmaterials beeinträchtigt oder vollständig verhindert wird. Ein Auswechseln der O-Ring-Dichtung ist aufwändig und kostspielig.
-
Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Mundstück und einen daran angepassten Verschlusskolben für einen Füllinjektor so auszugestalten, dass über eine möglichst lange Nutzungsdauer eine dichte und ausreichend druckfeste Abdichtung des Füllinjektors ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Verschlusskolben an einem dem Hohlraum der Werkzeugform zugewandten Ende einen sich in Verlagerungsrichtung erstreckenden Kolbenabdichtungsbereich mit einer sich in Verlagerungsrichtung zu dem Ende hin verjüngenden Kolbenmantelfläche aufweist und dass das Mundstück einen Mundstückabdichtungsbereich mit einer an den verjüngenden Kolbenabdichtungsbereich des Verschlusskolbens angepassten Innenwandmantelfläche aufweist, so dass der Verschlusskolben in der Verschlussstellung über einen sich in Verlagerungsrichtung erstreckenden Abdichtungsbereich mit seiner sich verjüngenden Kolbenmantelfläche flächig an der Innenwandmantelfläche des Mundstücks anliegt. Die Dichtwirkung wird durch die sich verjüngenden und aneinander angepassten Oberflächenbereiche des Verschlusskolbens und des Mundstücks in dem Abdichtungsbereich verstärkt. Bei einer spaltfreien und passgenauen Ausbildung der Kolbenmantelfläche des Verschlusskolbens und der Innenwandmantelfläche des Mundstücks kann durch einen geeignet hohen Anpressdruck, der beispielsweise dem in dem Vorratsraum erzeugten Überdruck entsprechen kann, bereits eine ausreichende Dichtwirkung erzeugt werden, ohne dass gesonderte Dichtungen zwingend notwendig sind. Das Mundstück kann beispielsweise aus Edelstahl und der Verschlusskolben kann entweder ebenfalls aus Edelstahl oder aber aus einem weicheren Metall oder Material hergestellt sein. Das Mundstück bildet in dem Abdichtungsbereich einen Sitz und einen Anschlag für den sich verjüngenden Verschlusskolben.
-
Der Verschlusskolben und der Innenraum des Mundstücks können jeweils eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweisen und in dem Abdichtungsbereich jeweils eine pyramidenstumpfförmige Mantelfläche aufweisen. Der Verschlusskolben und das Mundstück können auch jeweils eine ovale Querschnittsfläche aufweisen, die sich in geeigneter Weise verjüngt.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass der Kolbenabdichtungsbereich des Verschlusskolbens eine kegelstumpfförmige Kolbenmantelfläche aufweist und dass der Mundstückabdichtungsbereich des Mundstücks eine daran angepasste kegelstumpfförmige Innenwandmantelfläche aufweist. Der Verschlusskolben kann dann in einer axial gerichteten Verlagerungsrichtung verlagert und in Umfangsrichtung beliebig ausgerichtet oder sogar verdrehbar gelagert sein. Eine rotationssymmetrische Ausgestaltung des Verschlusskolbens und des Mundstücks ermöglicht eine kostengünstige Herstellung und vermeidet in Umfangsrichtung unterschiedliche Zwangsführungskräfte bei einer Verlagerung des Verschlusskolbens relativ zu dem Mundstück.
-
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass sich ein Durchmesser des Verschlusskolbens über den Kolbenabdichtungsbereich hinweg bis zu einer dem Hohlraum der Werkzeugform zugewandten Kolbenstirnseite um mehr als 5 %, vorzugsweise um mehr als 10 % und besonders bevorzugt um mehr als 15 % verringert. Es hat sich gezeigt, dass eine Konizität in diesem Bereich bei dem Betrieb des Füllinjektors günstige Eigenschaften aufweist als auch eine ausreichende Dichtwirkung über eine lange Nutzungsdauer bereitstellen und bewirken kann.
-
Es kann zweckmäßig sein, dass der Verschlusskolben in dem Kolbenabdichtungsbereich eine den Verschlusskolben in Umfangsrichtung umgebende und radial über die Kolbenmantelfläche vorspringende Dichtung aus einem elastischen Dichtungsmaterial aufweist. Durch die Anordnung der üblicherweise ringförmigen Dichtung in dem Abdichtungsbereich zwischen den sich verjüngenden, beispielsweise konisch zulaufenden Mantelflächen wird erreicht, dass durch den Anpressdruck des Verschlusskolbens in die Verschlussstellung die Dichtung zwischen den Mantelflächen zusammengedrückt wird. Dadurch wird die Dichtwirkung in der Verschlussstellung zusätzlich verbessert, während in der Öffnungsstellung keinerlei mechanische Kräfte auf die freiliegende Dichtung einwirken. Im Vergleich dazu wirken bei den radial nach außen vorspringenden O-Ring-Dichtungen, die zwischen einem herkömmlichen zylinderförmigen Verschlusskolben und einer Innenwand eines hohlzylindrischen Mundstücks angeordnet sind, sowohl in der Verschlussstellung als auch in der Öffnungsstellung gleichgroße Verformungskräfte auf die O-Ring-Dichtungen ein. Die Dichtwirkung wird ausschließlich durch die elastische Verformung der O-Ring-Dichtungen bewirkt, die aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen rasch verschleißen und undicht werden. Hinzu kommt ein erhöhter Abrieb und Verschleiß, der durch die häufigen Verlagerungen der an die Innenwand des Mundstücks angedrückten O-Ring-Dichtungen unvermeidbar ist.
-
Nachfolgend wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens näher erläutert, das in der Zeichnung abgebildet ist. Es zeigt:
-
1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Verschlusskolbens in einem daran angepassten Mundstück als Bestandteil eines Füllinjektors für eine Werkzeugform, wobei der Verschlusskolben sich in einer Öffnungsstellung befindet, und
-
2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgestalteten Verschlusskolbens in einem daran angepassten Mundstück, wobei der Verschlusskolben sich in einer Verschlussstellung befindet.
-
Eine in den 1 und 2 nur teilweise dargestellte Werkzeugform 1 weist einen Hohlraum 2 auf, in dem ein Werkstück aus einem geschäumten Kunststoffmaterial hergestellt werden kann. In einer Seitenwand 3 der Werkzeugform 1 eingeführt bzw. eingelassen befindet sich ein Mundstück 4, das eine Einfüllöffnung für den Hohlraum 2 der Werkzeugform 1 bildet und eine für ein fließfähiges Rohmaterial durchlässige Verbindung zu einem Vorratsraum 5 ermöglicht. Das Mundstück 4 könnte auch in einer stufenförmigen Bohrung in der Seitenwand 3 formschlüssig eingesetzt oder außen auf die Seitenwand 3 aufgesetzt sein. In dem Vorratsraum 5 ist ein perlenförmiges Kunststoffgranulat 6 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von einigen wenigen Millimetern bevorratet, welches bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel das fließfähige Rohmaterial ist, das in die Werkzeugform 1 eingebracht und dort zu einem Werkstück aufgeschäumt werden soll. Um das Kunststoffgranulat 6 aus dem Vorratsraum 5 in den Hohlraum 2 in der Werkzeugform 1 zu fördern wird mit Druckluft in dem Vorratsraum 5 ein Überdruck erzeugt und dadurch eine Luftströmung durch das Mundstück 4 in den Hohlraum 2 der Werkzeugform 1 hinein bewirkt, wobei das perlenförmige Kunststoffgranulat 6 mitgeführt bzw. mitgerissen und aus dem Vorratsraum 5 in den Hohlraum 2 gefördert wird. In den Figuren sind lediglich einige wenige Partikel des Kunststoffgranulats 6 in dem Vorratsraum 5 dargestellt, der üblicherweise mit einer großen Vorratsmenge an perlenförmigem Kunststoffgranulat 6 befüllt ist.
-
Ein an einer Kolbenstange 7 festgelegter Verschlusskolben 8 kann mit einer geeigneten Verlagerungseinrichtung 9 in einer axialen Verlagerungsrichtung, die durch den Pfeil 10 angedeutet ist, zwischen einer in 1 gezeigten Öffnungsstellung und einer in 2 gezeigten Verschlussstellung verschoben werden. Der Verschlusskolben 8 weist in einem sich in der Verlagerungsrichtung erstreckenden Kolbenabdichtungsbereich 11 eine kegelstumpfförmige, sich verjüngende Kolbenmantelfläche 12 auf. Das Mundstück 4 weist über einen sich ebenfalls in der Verlagerungsrichtung erstreckenden Mundstückabdichtungsbereich 13 eine daran angepasste und sich gleichermaßen verjüngende Innenwandfläche 14 auf. Der Kolbenabdichtungsbereich 11 des Verschlusskolbens 8 und der Mundstückabdichtungsbereich 13 des Mundstücks 4 sind jeweils rotationssymmetrisch ausgebildet und hinsichtlich der Abmessungen aneinander angepasst. Die kegelstumpfförmige und sich verjüngende Ausgestaltung der Kolbenmantelfläche 12 und der daran angepassten Innenwandfläche 14 ist in den Figuren zur Veranschaulichung übertrieben dargestellt. Eine Verringerung eines Durchmessers um beispielsweise 10 % über die sich verjüngende Kolbenmantelfläche 12 bewirkt vorteilhafte Dichtungseigenschaften. In dem Kolbenabdichtungsbereich 11 des Verschlusskolbens 8 ist eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut 15 ausgebildet und darin eine Ringdichtung 16 eingesetzt, die über die Kolbenmantelfläche 12 vorspringt.
-
In der in 1 gezeigten Öffnungsstellung gibt der Verschlusskolben 8 einen Innenraum 11 des Mundstücks 4 und damit die Einfüllöffnung für die Werkzeugform 1 frei, so dass durch den Überdruck einzelne Partikel des Kunststoffgranulats 6 in den Hohlraum 2 der Werkzeugform 1 gefördert bzw. geblasen werden. In der in 2 gezeigten Verschlussstellung bilden die konisch ausgebildeten Kolbenmantelfläche 12 und die daran angepasste Innenwandfläche 14 aneinander anliegende Dichtflächen und bewirken bei einer geeigneten Materialwahl insbesondere für den Verschlusskolben 8 auch ohne die Ringdichtung 16 einen druckluftdichten Verschluss der Einfüllöffnung der Werkzeugform 1.
-
In der Verschlussstellung wird die Ringdichtung 16 zwischen der Kolbenmantelfläche 12 und der Innenwandfläche 14 zusammengedrückt und bewirkt eine zusätzliche Abdichtung der Einfüllöffnung. Sobald der Verschlusskolben 8 geringfügig aus der Verschlussstellung in Richtung seiner Öffnungsstellung verlagert wird, wird die Ringdichtung 16 freigegeben und bleibt während des weiteren Verschiebens des Verschlusskolbens 8 in seine Öffnungsstellung kontaktfrei und ohne mechanische Beanspruchung. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verschlusskolbens 8 und des daran angepassten Mundstücks 4 kann über eine lange Nutzungsdauer eine ausreichend dichte Abdichtung der Einfüllöffnung der Werkzeugform 1 bewirkt und gewährleistet werden. Durch die zusätzliche Ringdichtung 16, die einfach und kostengünstig ausgetauscht werden kann, kann die Dichtwirkung zusätzlich verbessert werden.
