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Die Erfindung befaßt sich im allgemeinen mit dem Spritzgießen
und insbesondere mit einer thermisch am Einlauf
gesteuerten Spritzgießdüse, welche ein integriertes Heizelement
mit einem nach innen konisch in Vorwärtsrichtung
verlaufenden Abschnitt hat, welcher einen konischen Teil des
Schmelzenkanals in der Nähe des Eingußkanals begrenzt.
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WO-88/01928 und DE-U-86 18 067 offenbaren beide einen
thermodynamischen Punktanguß, wobei die Seite des Punktangusses, die
zu der Formvertiefung weist, einen inneren Stempel geringer
Masse hat, der induktiv durch einen ohmschen Widerstandsdraht
erwärmt werden kann oder durch einen inneren Stempel, der als
ein Peltier-Element gebildet ist.
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Wie es in Fig. 1 von WO 88/01928 gezeigt ist, kann das
Heizelement durch eine Anzahl von Wicklungen gebildet sein, wobei
dieses Heizelement jedoch nicht in unmittelbarer Berührung mit
der Schmelze ist, sondern von der Schmelze durch die innere
Düse getrennt ist. Wie es weiter in den Fig. 2 und 3 von WO
88/01928 sowie in der Figur des DE-U-86 18 067 gezeigt ist,
ist die innere Düse selbst als ein Heizelement konstruiert,
das in unmittelbarer Berührung mit der Schmelze ist. Die
innere Düse selbst jedoch ist besonders beschrieben, als daß sie
einen ohmschen Widerstand aufweist oder als Peltier-Element
konstruiert ist. Diese Druckschriften jedoch erwähnen nicht
die Wirksamkeit des Heizelements, das durch benachbarte Spulen
in unmittelbarer Berührung mit der Schmelze gebildet ist.
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Das thermische Steuern des Einlaufs im Eingußkanalbereich,
welches auch als temperaturgestütztes Einleiten bezeichnet
wird, umfaßt ein solches Vorgehen, bei dem die Temperatur der
Schmelze im Einlaufbereich während jedes Zyklusses verändert
wird, um den Strom der Schmelze zum Formhohlraum in
gestützter Weise zu steuern. Dies ist beispielsweise aus JS-PS
4,768,945, erteilt für Schmidt et al. bekannt, welche am
6. September 1988 erteilt wurde. Dort ist ein Heizelement
beschrieben, welches einen vorne liegenden Abschnitt hat, der
sich diagonal in ein Nasenteil der Düse erstreckt. In den
US-PS 4,911,636, erteilt am 27. März 1990 und 4,941,249,
erteilt am 17. Juli 1990, der Anmelderin, ist das thermische
Steuern im Einlaufbereich unter Verwendung einer Düse mit
einem integralen Heizelement beschrieben, welches einen
kreisförmigen Abschnitt hat, welcher die Schmelzenbohrung in einem
in Vorwärtsrichtung gerichteten Nasenabschnitt der Düse
umgibt. Dem Oberbegriff des Anspruches 1 liegt EP-A-0361043
zugrunde, die den beiden obengenannten US-Patenten entspricht.
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In der US-PS 4,875,848, erteilt am 24. Oktober 1989, der
Anmelderin, ist ein konischer Eingußkanaleinsatz beschrieben,
der in dem vorderen Ende einer Düse sitzt, die mittels eines
integralen, spiralförmig verlaufenden Heizelements erwärmt
wird.
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Bei allen den vorstehend genannten Auslegungsformen ist
das Heizelement in die Stahldüse oder den
Eingußkanaleinsatz eingebettet und es ist nicht in direktem Kontakt mit
der durch den Schmelzenkanal strömenden Schmelze. Wenn man
daher diese Systeme für das thermische Steuern im
Einlaufbereich einsetzt, hat sich gezeigt, daß es eine Grenze bei
der minimalen Zykluszeit gibt, da das Heizelement in den
Stahlkörper der Düse eingebettet ist, welcher als eine
Wärmesenke wirkt.
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Die Erfindung zielt daher darauf ab, wenigstens teilweise
diese Schwierigkeiten beim Stand der Technik dadurch zu
überwinden, daß eine im Einlaufbereich thermisch
gesteuerte Spritzgießdüse bereitgestellt wird, bei welcher ein
Teil des Heizelements in direktem Kontakt mit der Schmelze
in der Nähe des Eingußkanals ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung
wird eine längliche Spritzgießdüse mit einem hinteren Ende
und einem vorderen Ende bereitgestellt, welches von einem
nach vorne verlaufenden, zentralen Nasenabschnitt gebildet
wird, wobei die Düse einen Schmelzenkanal hat, der durch den
Nasenabschnitt der Düse verläuft, um einen Eingußkanal in
der Nähe des vorderen Endes zu bilden, wobei die Düse ein
integrales, elektrisch isoliertes Heizelement hat und wobei
das Heizelement einen hinteren Abschnitt hat, welcher sich
zu einem endseitigen und zu einem mittleren Abschnitt
erstreckt, und einen spiralförmigen Verlauf um den
Schmelzenkanal hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement einen
vorderen Abschnitt mit einem im allgemeinen regelmäßigen,
viereckförmigen Querschnitt hat, der vordere Abschnitt des
Heizelements eine Mehrzahl von benachbarten Windungen hat, die
eine nach vorne und innen gerichtete, konische, innere Fläche
bilden, und daß der vordere Abschnitt des Heizelements
integral in der Düse vorgesehen
ist, wobei wenigstens ein Teil der inneren Fläche einen nach
innen verlaufenden konischen Abschnitt des Schmelzenkanals
in der Nähe des Einlaufbereiches bildet.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung. Darin zeigt:
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Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils eines
Spritzgießsystems oder -anlage mit einer Vielzahl
von Formhohlräumen zur Verdeutlichung einer
thermisch im Einlaufbereich gesteuerten Düse
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach
der Erfindung,
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Fig. 2 eine isometrische Ansicht zur Verdeutlichung der
Wickelweise eines elektrischen Heizelements
zur Bildung eines konisch verlaufenden
Windungsteils,
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Fig. 3 eine schematische Schnittansicht zur
Verdeutlichung der Art und Weise der Ausbildung des
Windungsteils des Heizelements und dessen
Verdichtung in einer Form, um die Windung sowie den
Querschnitt dieses Teils des Heizelements zu
formen,
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Fig. 4 eine Schnittansicht von zwei Teilen der Düse
zur Verdeutlichung der Art und Weise, mit der
das Heizelement zwischen denselben angebracht
wird, und
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Fig. 5 eine Schnittansicht der fertiggestellten Teile
der Düse.
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Zuerst sei auf Fig. 1 Bezug genommen, welche einen Teil
einer Spritzgießanlage mit einem thermisch gesteuerten
Einlaufbereich zeigt, welcher eine Anzahl von integralen,
länglichen Düsen 10 mit einem integralen, elektrisch isolierten
Heizelement 12 hat. Jede Düse 10 hat einen Stahlhauptkörper
14, welcher sich von einem Stahlbund 16 in der Nähe des
hinteren Endes 18 wegerstreckt. Die Düse 10 sitzt in einer
Bohrung 20 in der Formhohlraumplatte 22 im Zusammenwirken mit
einem Umfangsisolierflansch 24, der sich vom bundförmigen
Teil 16 wegerstreckt und auf einer Umfangsschulter 26 sitzt.
Die Düse 10 hat einen Nasenabschnitt 28 in der Nähe ihres
vorderen Endes 30, welches in einer Öffnung 32 aufgenommen
ist, die durch die Formhohlraumplatte 22 zu einem
Formhohlraum 34 geht. Somit ist die Düse 10 genau in ihrer Position
ausgerichtet, in welcher die zylindrische, äußere Fläche 36
des Hauptkörpers 14 von der von ihm umgebenen
Formhohlraumplatte 22 mittels eines isolierenden Luftraums 38 getrennt
ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform hat die Düse
10 einen zentralen Schmelzenkanal 40, der sich zu einem
Eingußkanal bzw. einem Einlauf 42 im Nasenabschnitt 28 erstreckt,
welcher zu dem Formhohlraum 34 führt.
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Die Düsen 10 sind mittels Schrauben 44 an einer gemeinsamen,
länglichen Verteilereinrichtung 46 befestigt, die einen
Schmelzenkanal 48 hat, welcher sich zu der Mehrzahl von
Auslässen 50 verzweigt, die jeweils zu dem Schmelzenkanal 40
über eine der Düsen 10 ausgerichtet sind. Die
Verteilereinrichtung 46 ist fest an Ort und Stelle zwischen einer
Rückplatte 52 und einer Formhohlraumplatte 22 mittels eines
zentralen Ausrichtringes 54 und eines federnd nachgiebigen
Distanzelements 56 festgehalten. Die Rückplatte 52 wird mit
Hilfe von Schrauben 58 an Ort und Stelle gehalten, welche
durch eine Stützplatte 60 in die Formhohlraumplatte 22
gehen. Die Rückplatte 52 und die Formhohlraumplatte 22 werden
durch Pumpen von Kühlwasser durch die Kühlkanäle 62 gekühlt.
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Die Verteilereinrichtung 46 wird mittels eines elektrischen
Heizelements 64 erwärmt, welches eingegossen ist, wie dies
in der US-PS 4,688,622, erteilt am 25. August 1987, der
Anmelderin, beschrieben ist. Der Ausrichtring 54 bildet einen
weiteren isolierenden Luftraum 66 zwischen der beheizten
Verteilereinrichtung 46 und der Formhohlraumplatte 22.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform hat das Heizelement
12 einen Nickel-Chrom-Widerstandsdraht 68, welcher durch
ein elektrisch isolierendes Material 70 aus feuerbeständigem
Pulver, wie Magnesiumoxid, im Innern eines Stahlgehäuses 72
geht. Das Heizelement 12 hat einen hinteren Abschnitt 74,
einen spiralförmig verlaufenden Mittelabschnitt 76 und einen
vorderen Abschnitt 78. Der hintere Abschnitt 74 erstreckt
sich durch eine Öffnung 80 in dem Bund 16 zu einem kalten
Anschluß 82 nach außen, um eine Verbindung mit einem
externen Leitungsdraht (nicht gezeigt) herzustellen. Der
Mittelabschnitt 76 des Heizelements 12 ist integral in einen
spiralförmigen Kanal 84 in der äußeren Fläche 36 des
Hauptkörpers 14 eingelötet, und es erstreckt sich um den
Schmelzenkanal 40. Das spiralförmige Teil des Heizelements 76 in
dem Kanal 84 ist von einem Schutzüberzug 86 aus Nickel
bedeckt, wie dies in der US-PS 4,768,283, erteilt am 6.
September 1988, der Anmelderin, beschrieben ist.
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Während die hinteren und mittleren Abschnitte 74, 76 des
Heizelements 12 einen im allgemeinen regelmäßigen,
kreisförmigen Querschnitt haben, hat der vordere Abschnitt 78
einen im allgemeinen regelmäßigen, viereckförmigen Querschnitt.
Der vordere Abschnitt 78 wird von einer Anzahl von
benachbarten Windungen 88 gebildet, welche eine innere Fläche 90
bilden, welche in Richtung nach vorn und innen konisch
verläuft. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, bildet ein Teil
92 der inneren Fläche 90 der Windungen 80 einen nach innen
konisch verlaufenden Abschnitt 94 des Schmelzenkanals 40 in
der Nähe des Eingußkanals 42.
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Im Gebrauchszustand werden die Teile der Anlage wie in
Fig. 1 gezeigt angeordnet, und elektrische Energie wird
an das Heizelement 12 jeder Düse 10 und das Heizelement 64
in der Verteilereinrichtung 46 angelegt, um diese auf eine
vorbestimmte Betriebstemperatur in Abhängigkeit von dem
zu formenden Material zu erwärmen. Eine unter Druck
stehende Schmelze von einer Formmaschine (nicht gezeigt) wird in
den Schmelzenkanal 48 in der Verteilerleitung 46 über den
Einlaß 96 entsprechend einem Arbeitsspiel eingespritzt,
welcher in Verbindung mit einem Zyklus zum Anlegen der Energie
an die Heizelemente 12 in den Düsen 10 gesteuert wird. Somit
erhält man eine thermische Steuerung oder eine
temperaturgestützte Steuerung des Einlaufbereiches durch Abschalten der
Energiezufuhr an die Heizelemente 12 für eine kurze
Zeitperiode vor und beim Öffnen der Form, um die geformten
Erzeugnisse auszustoßen. Der Wärmeverlust von dem
Nasenabschnitt 28 zu der diesen umgebenden, gekühlten
Formhohlraumplatte 22 führt zu einem Abschmelzen in den Eingußkanälen
42 vor dem Auswerfen. Wenn die Form geschlossen wird, wird
wiederum Energie den Heizelementen 12 zugeführt, um die
erstarrte Schmelze in den Eingußkanälen 42 zu erwärmen, so daß
diese sich unmittelbar dann wieder öffnen, wenn der
Einspritzdruck wiederum einwirkt. Die unter Druck stehende
Schmelze strömt durch den Schmelzenkanal 40 und den
Eingußkanal 42 in jeder Düse 10 und füllt die Hohlräume 34 aus.
Nachdem die Hohlräume ausgefüllt sind, wird der Spritzdruck
kurzzeitig aufrechterhalten, um eine Verdichtung zu bewirken
und dann wird er aufgehoben. Nach einer kurzen Kühlperiode
wird die Form wiederum geöffnet, um die geformten Erzeugnisse
auszuwerfen. Ein derartiger Arbeitszyklus wird kontinuierlich
so schnell als möglich wiederholt, wobei in einigen Fällen
dieser Arbeitszyklus einige Male pro Minute wiederholt
ausgeführt werden kann. Es ist noch zu erwähnen, daß die Lage der
vorderen Abschnitte 78 der Heizelemente 12, welche in direktem
Kontakt mit der Schmelze in den Schmelzenkanälen 40 in der
Nähe der Eingußkanäle 42 sind, die Zeit nennenswert
reduzieren,
welche nach dem Wiederanlegen der Energie zum
Anschmelzen der erstarrten Schmelze in den Eingußkanälen 42
erforderlich ist, wodurch sich somit die Zykluszeit reduzieren
läßt. Ferner verlaufen die konischen Windungen 88 der
vorderen Abschnitte 78 der Heizelemente 12 allmählich in Richtung
nach hinten weiter in den Hauptkörper 14 der Düsen hinein,
so daß die Temperaturbeeinflussung der thermischen Steuerung
im Einlaufbereich allmählich im Abstand von den Eingußkanälen
42 verringert wird. Die zentralen Abschnitte 76 der
Heizelemente 12 sind in die Stahlhauptkörper 14 der Düsen 12 in
einem beträchtlichen Abstand von den zentralen Schmelzenkanälen
40 eingebettet. Somit wirken die Hauptkörper als Wärmesenken
und Temperaturschwankungen der Schmelze in diesem Bereich
infolge des thermisch gesteuerten Zyklusses im Einlaufbereich
lassen sich so gering wie möglich halten.
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Nunmehr wird auf die Fig. 2 bis 4 Bezug genommen, um die
Schritte zu erläutern, welche bei der Herstellung der Düse eingesetzt
werden. Zuerst wird eine vorbestimmte Länge eines Heizelements
12 auf einen konischen Dorn bzw. eine konische Schablone
(nicht gezeigt) gewickelt, um einen konisch verlaufenden
Windungsabschnitt 98 zu bilden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.
Dieser gewundene Abschnitt 98 des Heizelements 12 wird dann
zwischen den inneren und äußeren, konischen Formteilen 100,
102 verdichtet, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Das äußere
Formteil 102 hat eine Öffnung 104 mit vorbestimmten
Abmessungen um die innere Fläche 106, in welche der gewickelte
Abschnitt 98 des Heizelements eingeführt wird. Wenn das
äußere Formteil 102 nach unten gegen das innere Formteil 100
gedrückt wird, wie dies mit einem Pfeil angedeutet ist, wird
der gewickelte Abschnitt 98 des Heizelements 12 verdichtet,
um einen vorderen Abschnitt 78 zu bilden, welcher die Form
hat, die in den Fig. 1, 4 und 5 gezeigt ist. Wie gezeigt, ist
der im allgemeinen runde Querschnitt nunmehr im allgemeinen
viereckförmig ausgebildet, und die benachbarten Windungen 88
bilden die konische, innere Fläche 90.
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Der vordere Abschnitt 78 wird dann zwischen den vorderen und
hinteren Abschnitten 108, 110 des Hauptkörpers 14 angebracht,
wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Nachdem die beiden Abschnitte
108, 110 vorübergehend fest miteinander verbunden sind, wird
der restliche Teil des Heizelements in Form von einigen
benachbarten Windungen zu Beginn in dem spiralförmigen Kanal
84 in der äußeren Fläche 36 gewickelt und dann verläuft die
Wicklung durch die Öffnung 80 in dem Bund 16 zu dem Anschluß
82 nach außen. Die Anordnung wird dann mit einem
Nickellegierungs-Hartlotmaterial beschichtet und in einem
Vakuumofen hartgelötet. Wie detailliert in der US-PS 4,768,283,
erteilt am 6. September 1988, der Anmelderin, näher beschrieben
ist, erhält man hierdurch eine metallurgische Bindung der
Teile zur Bildung einer integralen Einheit und es wird ein
Schutzüberzug 86 aus Nickel ausgebildet. Wie in Fig. 5 gezeigt ist,
ist eine Thermoelementbohrung 112 vorgesehen, um ein
Thermoelement 114 aufzunehmen, mittels welchem die Temperatur der
Düse in der Nähe des vorderen Abschnitts 78 des Heizelements
12 gemessen wird. Der Nasenabschnitt 28 wird dann maschinell
bearbeitet, und der Schmelzenkanal 40 geht durch den
Nasenabschnitt, wozu eine Bearbeitung mittels einer elektrischen
Entladung vorgenommen wird, um den Eingußkanal 42 mit
gewünschten Abmessungen zu bilden, so daß man die gewünschte
Einlaufbereichauslegung erhält.
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Zahlreiche
Abänderungen und Modifikationen können vom Fachmann im Bedarfsfall
vorgenommen werden. Beispielsweise ist es ersichtlich, daß die
Abmessungen des Schmelzenkanals und des Eingußkanals und die
Konuswinkel der inneren Fläche sich in Abhängigkeit von
unterschiedlichen
Anwendungsfällen ändern können. Bei einigen
Düsen kann der Schmelzenkanal 40 von der Seite der Düse 12
nach innen und nicht von dem hinteren Ende 18 weg verlaufen.
Unterschiedliche Auslegungsformen der Formteile können
eingesetzt werden, um den Windungsabschnitt 98 des Heizelements
12 auszubilden.