DE3910025A1 - Gasverschlussventil und verfahren zum steuern einer mit einem solchen gasverschlussventil versehenen kunststoffverarbeitungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gasverschlußventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zum Steuern einer mit einem solchen Gasverschlußventil versehenen Kunststoff­ verarbeitungsanlage.

Zur Herstellung von Kunststoffspritzlingen mit abgeschlossenem Hohlraum ist es erforderlich, den Formhohlraum des Werkzeugs nur soweit mit plastifiziertem Kunststoffmaterial zu füllen, daß seine Wände in einer gewünschten Materialstärke bedeckt sind. Hierzu wird durch Injizieren von Gas mit Drucken bis zu 1000 bar und mehr eine Gas­ blase in dem teilweise gefüllten Formhohlraum gebildet, welche das eingefüllte Kunststoffmaterial allseitig gegen die Wände des Formhohlraumes preßt. Sobald das Kunststoffmaterial an den Wänden "steht", wird das injizierte Gas in das Druckreservoir zurückgeführt, um Gas zu sparen und eine Gasverunreini­ gung der Umgebung zu vermeiden. Nach erfolgter Gasrückführung wird zum Versiegeln des Spritzlings dessen Öffnung - in der Regel das hohle Angußstück - durch Zufuhr von plastifiziertem Kunststoffmaterial verschlossen.

Zur dosierten Injektion von plastifiziertem Kunst­ stoffmaterial wird vor den Extruderkopf einer Kunststoffspritzgießmaschine ein Dosierkopf mit einer Nadelverschlußdose am Austritt in den Form­ hohlraum des Werkzeugs gesetzt. Für die zusätzliche Gasinjektion wäre es denkbar, die Verschlußnadel der Nadelverschlußdüse mit einem axial verlaufenden Gaskanal zu versehen, der über ein außenliegendes Gasverschlußventil an das Gasreservoir angeschlossen ist. In einen solchen Gaskanal kann jedoch bei abgeschaltetem Gasstrom plastifiziertes Kunststoff­ material eindringen, das beim Öffnen des Gasverschluß­ ventils in den Formenhohlraum geschleudert wird und zur Bildung von Schlieren im fertigen Spritzling führt. Desweiteren muß die axial gebohrte Verschluß­ nadel jedesmal gegen eine Verschlußnadel ohne Axialbohrung ausgetauscht werden, wenn die Spritz­ gießmaschine für die Produktion von Spritzlingen mit Vollfüllung (also ohne Gasinjektion) verwendet werden soll.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Gasverschlußventil der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, welches auch bei sehr hohen Gasdrucken im Bereich von 1000 bar eine Schlierenbildung sicher vermeidet und bei einer Produktionsumstellung auf Spritzlinge mit Voll­ füllung keine Umrüstung erfordert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Steuerungstechnische Anwendungen des erfindungsge­ mäßen Gasverschlußventils bei der Steuerung von Kunststoffverarbeitungsanlagen sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

Der Erfindungsgedanke beruht darauf, eine baulich einfache Verschlußmöglichkeit für den erwähnten axialen Gasführungskanal der Verschlußnadel anzugeben, welche selbst bei extrem hohen Drucken im Bereich von 1000 bar sicher arbeitet. Das erfindungsgemäße Gasverschlußventil kann sowohl in die Verschlußnadel des Dosierkopfes einer Kunststoffspritzgießmaschine als auch in das Spritzgießwerkzeug eingebaut werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines prinzipiellen Ausführungsbeispiels in den Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kunststoffverarbeitungsanlage, welche mit dem erfindungsgemäßen Gasverschluß­ ventil in zwei alternativen Einbaulagen versehen ist;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein erfindungs­ gemäßes Gasverschlußventil im geöffneten Betriebszustand, und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Gasverschluß­ ventil nach Fig. 2 im geschlossenen Betriebszustand.

Die in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Kunststoffverar­ beitungsanlage umfaßt eine Kunststoffspritzgieß­ maschine 10 a, ein zweiteiliges Werkzeug 16 und ein Gasdrucksystem 13 mit Gastanks 13 a, 13 b für ein inertes Druckgas, z. B. Stickstoff, das unter hohen Druck von bis zu 1000 bar und mehr stehen kann. An ihrem Austrittsende weist die Spritzgieß­ maschine 10 a einen Dosierkopf 11 auf, der über eine hydraulische Antriebsvorrichtung 12 gesteuert wird.

Die Gastanks 13 a, 13 b sind mit Druckspeichern 14, 15 verbunden, die von einer Pumpe 13 c mit verstellbarem Volumen geladen werden. In dem Druckladekreis befindet sich ein Proportionalventil 17, welches über einen Massedruckaufnehmer 70 (Fig. 2) eine vom Druck der austretenden Kunststoff­ masse abhängige Steuerung des Gasdrucks in den alternativ vorgesehenen Gaszuführungen 19, 20 er­ möglicht. Die Gaszuführungen 19, 20 führen zu einem in Fig. 2 und 3 näher dargestellten Gasver­ schlußventil 18, welches in dem Dosierkopf 11 oder in dem Werkzeug 16 eingebaut ist. Bei Einbau in das Werkzeug 16 mündet das Gasverschlußventil 18, wie Fig. 1 zeigt, direkt in den Formhohlraum 16 a des Werkzeugs 16. Der Dosierkopf 11 und damit das dort eingebaute Gasverschlußventil 18 münden in einen Angußkanal 16 b des Werkzeugs 16.

Bei der prinzipiellen Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 bildet das Gasverschlußventil 18 mit seinem Ventilgehäuse 30 die reversierende Verschlußnadel einer Nadelverschlußdüse des Dosierkopfes 11. Hierzu ist das im übrigen zylindri­ sche Ventilgehäuse 30 an seinem vorderen Ende konisch zugespitzt, um mit einer entsprechenden Kegelfläche 21 der im übrigen zylindrischen Dosierkopfbohrung 22 an deren Übergang 23 in die zylindrische Austrittsmündung 24 einen dicht schließenden Ventilsitz für plastifiziertes Kunststoffmaterial zu bilden. Das plastifizierte Kunststoffmaterial wird der Dosierkopfbohrung 22 über einen Kanal 26 von dem Extruder der Kunststoff­ spritzgießmaschine 10 a in Richtung des Pfeils 26 a zugeführt. Die zylindrische Austrittsmündung 24 geht fluchtend in den Angußkanal 16 b des Werkzeugs 16 (Fig. 1) über. Das Ventilgehäuse 30 wird über ein Gestänge 27 von der hydraulischen Antriebsvorrichtung 12 innerhalb der Dosierkopf­ bohrung 22 in axialer Richtung vor- und zurückbewegt.

Der Druck des plastifierten Kunststoffs wird im Bereich des Übergangs 23 mit Hilfe des Masse­ druckaufnehmers 70 gemessen, dessen Drucksignal - wie erwähnt - dem Proportionalventil 17 (Fig. 1) zur massedruckabhängigen Steuerung des Gasdrucks zugeführt wird.

Die reversierende Bewegung des Gasverschlußventils 18 in der Dosierkopfbohrung 22 erfolgt über das nur schematisch angedeutete Gestänge 27 der hydraulischen Antriebsvorrichtung 12.

Zur Verbindung des reversierbaren Gasverschluß­ ventils 18 mit der Gaszuführung 19 weist das Ventilgehäuse 30 an seiner zylindrischen Außen­ fläche eine erste Ringnut 30 a auf, deren Länge dem Hub des Gasverschlußventils 18 in der Dosier­ kopfbohrung 22 entspricht, so daß in jeder Stellung des Gasverschlußventils 18 eine Verbindung zwischen der Gaszuführung 19 und einem radialen Kanal 30 b innerhalb des Ventilgehäuses 30 besteht, wie aus den beiden Extremstellungen des Ventilgehäuses 30 gemäß Fig. 2 und 3 ersichtlich ist.

Das Ventilgehäuse 30 des Gasverschlußventils 18 weist eine mehrstufige, axiale Sackbohrung auf, wobei der Bohrungsdurchmesser am Sackboden am größten und an der Bohrungsmündung im Bereich des konisch zugespitzten vorderen Endes des Ventilgehäuses 30 am kleinsten ist. Infolge der Abstufung des Bohrungsdurchmessers ergeben sich innerhalb des Ventilgehäuses 30 drei zylin­ drische Kammern, nämlich eine vordere Kammer 32, eine mittlere Kammer 33 und eine hintere Kammer 35.

In die hintere Kammer 35 mündet ein Arbeitsgas­ speicher 61, welcher von der Gaszuführung 19 in noch näher zu erläuternder Weise gespeist wird. Um in jeder Stellung des Gasverschlußventils 18 eine Verbindung zwischen dem Arbeitsgasspeicher 61 und der hinteren Kammer 35 zu schaffen, weist das Ventilgehäuse 30 an seiner zylindrischen Außenfläche eine zweite Ringnut 30 c auf, deren Länge wiederum dem Hub des Gasverschlußventils 18 entspricht. Die zweite Ringnut 30 c ist über einen Verbindungskanal 30 d mit der hinteren Kammer 35 verbunden.

In der hinteren Kammer 35 ist ein Steuerkolben 60 frei beweglich gelagert, derart, daß der Verbin­ dungskanal 30 d auf der Rückseite des Steuerkolbens 60 in die hintere Kammer 35 mündet. Um auch in der hinteren Endstellung des Steuerkolbens 60 gemäß Fig. 3 eine auf die hintere Steuerkolben­ fläche einwirkende Druckkraft zu gewährleisten, weist der Steuerkolben 60 an seiner Rückseite eine Eindrehung auf, deren Schulter bündig mit der Vorderkante des Verbindungskanals 30 d abschließt. Der Steuerkolben 60 verschließt das in der hinteren Kammer 35 und dem Arbeitsgasspeicher 61 befindliche Arbeitsgasvolumen 34 gegen das Gasdrucksystem 13, welches infolge der Einmündung des Verbindungskanals 30 b in die mittlere Kammer 33 eine auf die vordere Steuerkolbenfläche wirkende Druckkraft entgegen der Druckkraft des Arbeitsgasvolumens 34 erzeugt. Der Steuerkolben 60 dichtet jedoch nicht vollständig das Arbeitsgasvolumen 34 von dem Gasdrucksystem 13 ab; vielmehr weist der Steuerkolben 60 zum Ventil­ gehäuse 30 einen nicht gezeigten, definierten Spalt auf, um eine definierte Leckage zwischen den Kammern 33 und 35 zu schaffen. Des weiteren ist im Zentrum des Steuerkolbens 60 eine Bohrung 62 vorgesehen, in welcher sich ein Rückschlagventil 63 befindet, so daß der Gasdruck vor und hinter dem Steuerkolben 60 im statischen Zustand gleich ist.

In der vorderen und in der mittleren Kammer 32 bzw. 33 erstreckt sich eine Ventilnadel 40, deren doppelkegeliger Kopf 41 mit seiner hinteren Kegelfläche 42 einen massedichten Ventilsitz mit der kegelig geweiteten Mündung 31 der vorderen Kammer 32 bildet. Bei geschlossenem Ventilsitz gemäß Fig. 3 bildet die vordere Kegelfläche des Ventilnadelkopfes 41 mit dem konisch zugespitzten vorderen Ende des Ventilkörpers 30 einen durchgehen­ den, geschlossenen Kreiskegel. In dieser Stellung sind die Kammern 32, 33, 35 und damit auch das Gasdrucksystem 13 zuverlässig gegen das Eindringen von plastifizierter Kunststoffmasse abgedichtet, welche über den Kanal 26 durch den geöffneten Ventilsitz zwischen dem Gehäuse des Dosierkopfes 11 und dem zurückgezogenen Ventilkörper 30 in den Angußkanal 16 b des Formhohlraums 16 a fließen kann.

In der mittleren Kammer 33 befindet sich eine Druckfeder 50, welche den Schaft der Ventilnadel 40 umgibt und sich einerseits gegen die Schulter am Übergang der Kammern 32, 33 und andererseits eine am hinteren Ende der Ventilnadel 40 angebrachte Druckplatte 43 abstützt. Die Druckfeder 50 spannt die Ventilnadel 40 in Schließrichtung vor, so daß die Ventilnadel 40 nur öffnet, wenn

• a) bei Gaszufuhr der auf der Rückseite der Druckplatte 43 wirkende Gasdruck des Gas­ drucksystems 13 größer ist als die Summe aus Massedruck am Ventilnadelkopf 41 und Federvorspannung (bei einer Stellung des Steuerkolbens 60, in welcher der Steuer­ kolben 60 nicht gegen die Druckplatte 43 anliegt),

oder

• b) bei Gasrückführung der Steuerkolben 60 einem so großen Differenzdruck ausgesetzt ist, daß er sich gegen die Druckplatte 43 bewegt und die Ventilnadel 40 gegen die Federvor­ spannung und den Druck der Kunststoffmasse am Ventilnadelkopf 41 verschiebt.

Die vorgenannten alternativen Möglichkeiten a) und b) für die Öffnung der Ventilnadel 40 sollen im folgenden näher betrachtet werden:

Bei Gaszufuhr (Möglichkeit a)) gelangt das Druckgas von der Gaszuführung 19 über die Kammern 33 und 35 und die geöffnete Ventilnadel 40 (Fig. 2) in das Zentrum der in den Formhohlraum 16 a zuvor eingebrachten, plastifizierten Kunststoffmasse, wobei die Massezufuhr im Zeitpunkt der Gaszufuhr durch den geschlossenen Ventilsitz zwischen Ventilkörper 30 und der Kegelfläche 21 der Dosier­ kopfbohrung 22 unterbrochen ist. Infolge der Gaszufuhr bildet sich im Formhohlraum 16 a eine Gasblase 17 aus (Fig. 1), welche die eingefüllte Kunststoffmasse gleichmäßig und allseitig gegen die Wände des Formhohlraums 16 a preßt. Gleichzeitig gelangt bei der Gaszufuhr das Druckgas über die Bohrung 62 entgegen der Rückstellkraft des Rückschlagventils 63 und den definierten Spalt zwischen Kolben 60 und Gehäuse 30 in die hintere Kammer 35 und von dort in den Arbeitsspeicher 61. Dabei ist der Druck vor und hinter dem Steuerkolben 60 gleich groß.

Nach Beendigung der Gaszufuhr wird das in der Gasblase 17 gesammelte Druckgas in das Gasdruck­ system 13 zurückgeführt. Dazu wird das Gasdruck­ system 13 entlüftet, wodurch zunächst die Ventilnadel 40 von der nunmehr überwiegenden Vorspannung der Druckfeder 50 in Schließstellung bewegt wird. Anschließend wird der Steuerkolben 60 infolge des höheren Drucks auf seiner Rückseite (Arbeits­ gasvolumen 34) gegen die Ventilnadel 40 bewegt und öffnet wieder die Ventilnadel 40. Damit kann nun das Gas aus der Gasblase 17 in das Gasdrucksystem 13 abströmen. Da ferner das Gas aus dem Arbeitsgasvolumen 34 nur über den definierten Spalt zwischen Steuerkolben 60 und Ventilgehäuse 30 in das Gasdrucksystem 13 ab­ strömen kann, wenn eine Druckdifferenz zur Gaszu­ führung 19 vorhanden ist, bleibt der Steuerkolben 60 so lange in seiner die Ventilnadel 40 öffnenden Stellung, solange Gas in der Gasblase 17 vorhanden ist. Dies bedeutet, daß die Ventilnadel 40 ge­ öffnet bleibt, bis das Gas vollständig aus dem Werkzeug 16 in das Gasdrucksystem 13 bzw. die Druckspeicher 14, 15 zurückgeführt ist. Im Anschluß daran wird der Arbeitsgasspeicher 61 über sein Entlüftungsventil zur Umgebung entlüftet, falls noch ein Restdruck vorhanden ist. Damit ist das Gasverschlußventil 18 wieder in seiner Ausgangs­ position; die nächste Werkzeugfüllung kann dann durch Zurückziehen des Gasverschlußventils 18 in die Position gemäß Fig. 3 eingeleitet werden.

Claims (3)

1. Gasverschlußventil für eine aus einer Kunststoff­ spritzgießmaschine und einem Spritzgießwerkzeug aufgebauten Kunststoffverarbeitungsanlage, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Ein Ventilgehäuse (30), welches ortsfest in das Werkzeug (16) eingebaut ist oder eine bewegliche Verschlußnadel einer im Kopf (11) der Kunststoffspritzgießmaschine (10 a) eingebauten Nadelverschlußdüse bildet;
• b) einer im Ventilgehäuse (30) beweglich gelagerten, unter Federvorspannung stehenden Ventilnadel (40), welche mit dem Ventilgehäuse (30) einen Ventilsitz bildet, der bei ge­ schlossener Ventilnadel (40) massedicht gegen eine von außen anliegende, plastifizierte und gegebenenfalls unter Druck stehende Kunststoffmasse abdichtet, und
• c) ein im Ventilgehäuse (30) in axialer Verlänge­ rung der Ventilnadel (40) frei beweglich gelagerter Steuerkolben (60), welcher ein Arbeitsvolumen (34) unter Bildung einer definierten Leckage gegenüber einem Gasdruck­ system (13) verschließt, welches einen Gasdruck­ erzeuger- und -speicherteil (13 a, 13 b, 13 c), eine Gaszuführung (19, 20) zum Kopf (11) der Spritzgießmaschine (10 a) und/oder zum Werkzeug (16) sowie eine, in das teilweise gefüllte Werkzeug (16) injizierte Gasblase (17) umfaßt, wobei der Durchmesser des Steuerkolbens (60) größer ist als der Durchmesser der Ventilnadel (40), auf deren axiales Ende der Gasdruck des Gasdrucksystems (13) in der Gasinjektions­ phase im öffnenden Sinne gegen den Druck der plastifizierten Kunststoffmasse und die Federvorspannung einwirkt, und wobei der Steuerkolben (60) bei der Gasrückführung der Gasblase (17) zu dem Gasdrucksystem (13) auf das axiale Ende der Ventilnadel (40) im öffnenden Sinne gegen den Druck der injizierten Gasblase (17) im Werkzeug (16) und die Federvorspannung einwirkt.

2. Verfahren zum Steuern einer mit dem Gasverschluß­ ventil nach Anspruch 1 versehenen Kunststoffver­ arbeitungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß zur schnelleren Rückstellung des Steuerkolbens (60) und der Ventilnadel (40) in deren den Ventilsitz schließenden Ausgangsstellung das Arbeitsvolumen (34) in einem definierten Zeit­ abstand nach Beendigung der Gasrückführung entlüftet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Entlüftung des Arbeitsvolumens (34) die Öffnung des die Gasblase (17) umschließenden Formlings durch Einfüllen einer definierten Menge von plastifizierter Kunststoffmasse verschlossen wird ("Angußversiegelung").