DE69915731T2

DE69915731T2 - Giesssystem mit Filmheizungen und/oder -Sensoren

Info

Publication number: DE69915731T2
Application number: DE69915731T
Authority: DE
Inventors: Harold Godwin; George Olaru; David Whiffen
Original assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd
Current assignee: Husky Injection Molding Systems Ltd
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: ATE262403T1; CA2274308C; JP2000006194A; ATE519587T1; KR100667992B1; US20050129801A1; DE69915731D1; US6341954B1; US20020182285A1; KR20000006129A; US6764297B2; EP1234651A2; CA2274308A1; EP0963829A1; EP1234651B1; EP1234651A3; US7029260B2; US20040222209A1; US6575729B2; US6305923B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung des Wärmemanagements und der Prozesssteuerung eines Formungsvorganges und insbesondere auf die Verwendung von Aktiv- und/oder Passivfilmerhitzer- und/oder -fühlelementen, die entlang eines Strömungskanals für geschmolzenes Harz zu einem Formhohlraum angeordnet sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einem Spritzgießvorgang ist es wesentlich, ein Harz in geschmolzenem Zustand zu halten, wenn es aus einer Düse einer Spritzgießmaschine, durch eine Formeinlaufbuchse, einen Formverteiler, eine Heißkanaldüse und in den Formhohlraum strömt, wo das Harz abkühlt, um den spritzgegossenen Artikel zu formen. Zusätzlich muss das Scherspannungsprofil des Harzstromes überwacht und gemanagt werden, um ein ordnungsgemäßes Füllen des Hohlraumes sicherzustellen. Dies ist besonders in dem Bereich nahe dem Formeinlauf wichtig, weil die Temperatur dort rasch zwischen einem Heiß- und einem Kaltzustand wechselt, bevor der geformte Artikel aus dem Hohlraum entfernt wird. Die Temperatursteuerungsbelange sind auch sehr wesentlich, wenn bestimmte wärmeempfindliche Materialien geformt werden, wie PET in einer Mehrhohlraumform, oder wenn die geformten Artikel aus verschiedenen Materialien bestehen, die durch eine einzige Heißkanaldüse eingespritzt werden. Dementsprechend sind große Anstrengungen hinsichtlich der Verbesserung des Wärmemanagements und der Prozesskontrolle in Spritzgießverfahren unternommen worden, insbesondere hinsichtlich des Formverteilers und der Heißkanaldüse. Bis heute sind verschiedene Verfahren und Mittel mit unterschiedlichem Erfolgsausmaß angewendet worden. Unter diesen Verfahren und Mitteln, die üblicherweise eingesetzt werden, sind Heizrohre, Hochfrequenzinduktionserhitzer, Mikrowellenerhitzer, keramische Erhitzer, Infrarotstrahlungserhitzer, elektrische Erhitzer etc. Solche elektrischen Erhitzer weisen Spulen-, Band- oder Patronenerhitzer auf, die dazu verwendet werden, um das geschmolzene Harz innerhalb der Schneckentrommel, in der Maschinendüse, im Verteiler, in der Heißkanaldüse und in der Formeinlaufzone zu erhitzen.
Das US-Patent Nr. 5,645,867 an Crank et al. zeigt den derzeitigen Stand der Technik hinsichtlich der Erhitzung des Formverteilers. Crank et al. lehrt das Erhitzen des Verteilers durch Anordnung von Infrarotstrahlungserhitzern an einer Außenfläche des Verteilers. Wie für einen derartigen Stand der Technik von Verteilererhitzern jedoch typisch ist, geht ein signifikanter Anteil der von den Erhitzern erzeugten Hitze verloren, weil der gesamte Verteilerblock statt direkt das Harz, welches im Schmelzenkanal des Blockes strömt, erhitzt wird.
Das US-Patent Nr. 5,614,233 an Gellert offenbart einen Erhitzer für eine Heißkanaldüse nach dem Stand der Technik, bei welchem ein wendelförmiger elektrischer Erhitzer in eine Spiralnut eingebettet ist, welche die Heißkanaldüse umgibt. Der Erhitzer weist einen Widerstandsdraht auf, der in einem elektrischen Widerstandsmaterial aus Feuerfestpulver, wie Magnesiumoxidpulver, eingeschlossen ist. Der wendelförmige Teil des Erhitzers wird in die Spiralnut eingepresst und an Ort und Stelle geformt. Der offenbarte Erhitzer erhitzt jedoch sowohl den Körper der Heißkanaldüse als auch den in dieser enthaltenen Schmelzenkanal, was eine relativ unwirksame Heizanordnung darstellt. Zusätzlich ist die Ausbildung der Spiralnut und der Zusammenbau des Erhitzers in dieser zeitaufwendig und teuer.
Die vorerwähnten Probleme mit Erhitzern nach dem Stand der Technik sind besonders evident beim Co-Einspritzen und Mehrfacheinspritz-Formverteilern sowie Heißkanaldüsen. Beispielsweise offenbart das US-Patent 4,863,665 an Schad et al. die Verwendung eines einzelnen elektrischen Erhitzers, der an der Außenfläche einer Heißkanaldüse befestigt ist, um drei Schmelzenkanäle gleichzeitig zu erhitzen. Schad et al. weist jedoch mehrere Nachteile auf. Zunächst wird weniger Hitze zu den inneren Kanälen als zu den äußeren Kanälen transportiert. Zweitens kann die jedem Kanal zugeführte Hitze nicht entsprechend der Größe jedes Kanals und den rheologischen Eigenschaften des in diesem strömenden Harzes variiert werden.
Das europäische Patent 312 029 B1 an Hiroyoshi offenbart einen Erhitzer aus einem isolierenden Keramikfilm, der auf die Außenfläche der Düse flammaufgesprüht wird, welcher das Harz der Formungsmaschine zuführt. Der Erhitzer kann ein die Düse vollständig umgebender kontinuierlicher Flächenerhitzer sein, ein Erhitzer aus einer Vielzahl von Längsstreifen, ein Dünnfilmerhitzer aus wendelförmigen Streifen oder ein unabhängiger zweiteiliger Erhitzer, wobei der Düse, dort, wo sie die Form berührt, mehr Hitze zugeführt wird. Der bei Hiroyoshi offenbarte Erhitzer hat mehrere signifikante Nachteile, welche gegen eine Anwendung des Erhitzers bei einem Formverteiler oder einer Heißkanaldüse sprechen. Zunächst ist der Hiroyoshi-Erhitzer nicht entfernbar und erfordert somit den Ersatz des gesamten Elementes, wenn der Erhitzer ausgebrannt ist. Zweitens erhitzt der Erhitzer den gesamten Maschinendüsenkörper in ineffizienter Weise, statt die Hitze dem geschmolzenen Harz zuzuführen. Drittens bietet der Erhitzer keinen profilierten Temperaturgradienten über den Strom des geschmolzenen Harzes, ein wesentliches Merkmal zum Managen der Scherspannung in dem Strom des geschmolzenen Harzes. Schließlich ist die Dicke des offenbarten Erhitzers 0,5 bis 2 mm, was für eine Anwendung an der Außenfläche der Maschinendüse akzeptabel, aber für eine Anwendung im Inneren eines Schmelzenkanals in einem Formverteiler oder einer Heißkanaldüse nicht annehmbar ist.
Die US-Patente Nrn. 5,007,818 und 5,705,793 offenbaren die Verwendung von Erhitzern, die direkt auf der flachen Oberfläche des Formhohlraumes abgelagert sind. Das US-Patent Nr. 5,504,304 offenbart einen entfernbaren keramischen Erhitzer aus einer keramischen Paste, deren Dicke schwierig zu steuern ist. Solche Erhitzer schaffen keinen innigen Kontakt mit dem Düsenkörper oder der Düsenspitze und reduzieren somit die Wärmeübertragung und erhöhen den Wärmeverlust. Die japanische Patentanmeldung Nr. 55161626 beschreibt einen Heißkanal, mit dem ein Strom eines geschmolzenen heißen Materials von einem Einlassdurchgang (durch einen inneren Zylinder definiert) zu einem Formhohlraum geleitet wird. Die Heißkanaldüse und der Einlasskanal definieren einen Schmelzenkanal, und ein rohrförmiger Erhitzer ist um den Schmelzenkanal herum angeordnet, wobei er von dem inneren Zylinder isoliert ist. Bezug genommen kann auch auf die folgenden US-Patente werden, welche die Erhitzertechnologie offenbaren: 5,155,340; 5,488,350; 4,724,304; 5,573,692; 5,569,398; 4,739,657; 4,882,203; 4,999,049; und 4,340,702.
Es besteht deshalb im Stand der Technik der Bedarf nach einem Verfahren und Mitteln zum Erhitzen eines Schmelzenkanals eines Formverteilers und einer Heißkanaldüse auf eine Weise, die hinsichtlich Energie, Raum und Anordnung effizient ist.
Es besteht ein zusätzlicher Bedarf im Stand der Technik nach einem effizienten Verfahren und Mitteln zum Zuführen einer entsprechenden Wärmemenge zu jedem Schmelzenkanal in einer Co-Einspritz- oder Mehrfacheinspritz-Heißkanaldüse, basierend auf der örtlichen Größe und Form jedes Schmelzenkanals und den rheologischen Eigenschaften des in diesem strömenden Harzes.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für das wirksame Erhitzungs- und Strömungsmanagement von geschmolzenem Harz innerhalb des Schmelzenkanals eines Formverteilers und einer Heißkanaldüse zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Führen eines Stromes aus geschmolzenem Harz von einer Düse einer Spritzgießmaschine zu dem von einer Form definierten Formhohlraum geschaffen, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen Verteiler mit einem in diesem ausgebildeten Einlassdurchgang zur Aufnahme des Stromes aus geschmolzenem Harz von der Düse der Spritzgießmaschine;
eine Heißkanaldüse zum Führen des Stromes aus geschmolzenem Harz von dem Verteilereinlassdurchgang zum Formhohlraum, wobei die Heißkanaldüse und der Verteilereinlassdurchgang gemeinsam einen Schmelzenkanal definieren;
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein aktives Dünnfilmelement, wie einen Erhitzer, oder ein passives Dünnfilmelement aufweist, das innerhalb des Schmelzenkanals angeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Führen eines Stromes aus geschmolzenem Harz von einer Düse einer Spritzgießmaschine zu dem von einer Form definierten Formhohlraum geschaffen, mit einer Heißkanaldüse, mit einer Vielzahl von Schmelzenkanälen zum Führen des Stromes des geschmolzenen Harzes, das von der Spritzgießmaschine zu dem Formhohlraum zugeführt wird. Eine Vielzahl von aktiven/passiven Dünnfilmelementen ist im wesentlichen nahe jedem Schmelzenkanal angeordnet, um dem Strom des geschmolzenen Harzes innerhalb des Schmelzenkanals Hitze zuzuführen.
Eine Hohlraumplatte kann vorgesehen werden und eine Kernplatte wird dann relativ zur Hohlraumplatte angeordnet, um einen Formhohlraum zu definieren. Die Heißkanaldüse umfaßt vorzugsweise eine Vielzahl von Schmelzenkanälen, wobei jeder Schmelzenkanal einen von mehreren Strömen geschmolzenen Harzes, das von der Spritzgießmaschine zugeführt wird, dem Formhohlraum zuführt. Ein aktives oder passives Filmelement ist innerhalb jedes Schmelzenkanals angeordnet.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich, in denen gleiche Bezugszeichen durchwegs gleiche Elemente bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit den angeschlossenen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1A eine axiale Querschnittsansicht eines kreisförmigen Schmelzenkanals eines Formverteilers;
1B einen Längsschnitt des Schmelzenkanals nach 1A, wobei schematisch das Geschwindigkeitsprofil des Harzes dargestellt ist, während es durch den Schmelzenkanal strömt;
1C einen Längsschnitt des Schmelzenkanals nach 1A, wobei schematisch das Scherspannungsprofil des Harzes dargestellt ist, während es durch den Schmelzenkanal strömt;
1D eine Querschnittsansicht eines Verteilers mit einem Netz von Schmelzenkanälen, wobei schematisch die Variationen des Scherspannungsprofils des Harzes dargestellt sind, während es durch den Verteiler strömt;
2A eine Graphik, die das Verhältnis zwischen Temperatur und Viskosität bei einer konstanten Scherrate zeigt;
2B eine Graphik, die das Verhältnis zwischen Scherrate und Viskosität bei konstanter Temperatur zeigt;
3 eine Perspektivansicht eines Formverteilers mit einer Vielzahl von 90°-Biegungen;
4A eine schematische Darstellung des Formverteilers;
4B eine Reihe von axialen Querschnittsansichten des Formverteilers nach 4A, wobei die ungleiche Bildung und Verteilung der Grenzschichten gezeigt ist;
5 eine Längsschnittsansicht eines Dreimaterial-Fünflagen-PET-Rohlings, wobei das unvollständige Eindringen einer der Lagen gezeigt ist, ein Phänomen das als DIP bekannt ist;
6 eine schematische Querschnittsansicht einer Hochkavitationsform mit einem Dünnfilmverteiler und Heißkanalerhitzern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7A einen schematischen Querschnitt, der die Lagen eines Dünnfilmelementes in dem Dünnfilmerhitzer 62 nach 6 zeigt;
7B einen schematischen Querschnitt, der die Lagen des Dünnfilmelementes in dem Dünnfilmerhitzer 65 nach 6 zeigt;
8A eine Querschnittsansicht einer verbesserten Heißkanaldüse gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8B eine Darstellung des mangelnden Temperaturabfalls im oberen Teil der Heißkanaldüse;
9 eine Querschnittsansicht einer verbesserten Düsenspitze und eines Formeinlaufes gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine schematische Querschnittsansicht der Düsenspitze nach 9;
11 einen Querschnitt der Komponenten der Düse nach 9;
12 eine Querschnittsansicht einer Co-Einspritzdüse mit Dünnfilmerhitzern gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 eine Querschnittsansicht einer Formungsmaschine mit Einschusstöpfen und Dünnfilmelementen innerhalb der Einschusstöpfe;
14A eine axialen Querschnittsansicht eines Schmelzenkanals mit einem Dünnfilmerhitzer, der am Außenumfang des Kanals lösbar befestigt ist;
14B eine axiale Querschnittsansicht eines Schmelzenkanals mit einem Dünnfilmerhitzer, der am Innenumfang des Kanals lösbar befestigt ist;
15 eine schematische Querschnittsansicht einer Formungsmaschine mit einem Ventileinlauf und einem Wärmeverschluss;
16A einen schematischen Querschnitt einer Ventileinlauf-gesteuerten Düse mit einer Dünnfilmerhitzer;
16B eine schematische Ansicht eines Wärmefühlers an dem Ende des Ventils nach 16A;
17 einen schematischen Querschnitt des Dünnfilmerhitzers nach 16A;
18A einen schematischen Querschnitt einer Düsenspitze mit inneren und äußeren Filmerhitzern;
18B eine Endansicht der Filmerhitzer an der Spitze der Düse nach 18A;
19A einen schematischen Querschnitt eines Düsenstopfens mit einem inneren Filmerhitzer;
19B einen schematischen Querschnitt eines Düsenstopfens mit einem äußeren Filmerhitzer;
20 einen schematischen Querschnitt eines Verteilers und einer Düse mit Filmerhitzern;
21A einen schematischen Querschnitt des Formeinlaufeinsatzes mit einem Filmerhitzer;
21B einen schematischen Querschnitt einer Formeinlaufhülse mit einem Filmerhitzer;
22 einen schematischen Querschnitt eines Formstopfens mit einem Filmerhitzer mit unterschiedlichen Weiten;
23A eine schematische Ansicht der Widerstandsmuster auf einem Dünnfilmerhitzer;
23B eine schematische Ansicht der Widerstandsmuster auf einem anderen Filmerhitzer;
23C einen Filmerhitzer innerhalb eines Schmelzenkanals; und
23D einen Filmerhitzer an der Außenseite eines Schmelzenkanals.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1. Einführung
Die vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf eine Kunststoffspritzgießmaschine beschrieben, die eine Dünnfilmerhitzer- und Fühlertechnologie anwendet. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in jeder Formungstechnologie innerhalb des Schutzbereiches der Ansprüche verwendet werden.
Wie nachstehend beschrieben wird, kann ein Spritzgießsystem gemäß der vorliegenden Erfindung elektrische Erhitzer und Temperaturfühler zum besseren Management und zur besseren Steuerung des Stromes des geschmolzenen Harzes zwischen der Spritzgießmaschinendüse und dem Formhohlraum aufweisen. Somit umfasst die vorliegenden Erfindung aktive und/oder passive Filmelemente, die direkt auf die Oberfläche der Formelemente aufgebracht werden können (wie im Bereich der Verteiler und/oder nahe der Formeinlaufzone), um das Temperaturprofil in dem bewegten geschmolzenen Harz präzise zu managen. Für einige Anwendungen können diese Filmelemente direkt auf das Düsengehäuse und/oder die Düsenspitze, auf einen kanallosen Bauteil, einen Ventilschaft oder eine Oberfläche eines Formeinlaufeinsatzes abgelagert werden. In anderen Fällen können die Filmelemente auf einem lösbaren Erhitzerstopfen abgelagert werden, der in einer oder mehreren vorbestimmten Positionen in dem Formungssystem angeordnet ist. Vorzugsweise weist das aktive Filmelement einen Filmerhitzer und das passive Filmelement einen Wärmefühler (wie einen Thermistor oder einen Temperaturfühler) und/oder einen Druckfühler auf. Die Filmelemente können Einzellagenelemente sein, sind aber vorzugsweise ein Sandwich aus mehreren Filmlagen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften, Wärme- und Verschleißeigenschaften. Eine Filmlage wird üblicherweise aus einem elektrisch hochwiderstandsfähigen Material gemacht. Abhängig von dem besonderen geschmolzenen Harz und den besonderen Formungsverfahrenseigenschaften kann der Film entweder ein „dünnes" oder ein „dickes" Element sein, das vorzugsweise unter Verwendung einer chemischen Ablagerungstechnik, Dampfablagerungstechnik, Filmsprühtechniken oder deren Äquivalente abgelagert wird. Die Filmerhitzer- und Fühlelemente können auch flexible Substrate aufweisen, die je nach Bedarf an jeder Stelle der Spritzgießmaschine angepasst und installiert werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch die Verwendung solcher Filmelemente in Verbindung mit bekannten Erhitzern, wie vorstehend beschrieben. Durch sorgfältige Auswahl der entsprechenden Filmerhitzerelemente (wenn sie in Verbindung mit oder anstelle bekannter Erhitzern verwendet werden) können feine Einstellungen des Temperaturgradienten und des Temperaturprofils des geschmolzenen Harzes vorgenommen werden, um eine präzise Strömungskontrolle zu ermöglichen. Eine solche präzise Kontrolle kann vorgenommen werden, bevor das geschmolzene Harz in den erhitzten Raum eintritt, wodurch eine konstante (oder präzise gemanagte) Viskosität und Geschwindigkeit des Schmelzenstromes sichergestellt wird.
Wenn der Filmerhitzer direkt abgelagert wird, kann dies auch den Luftspalt zwischen dem Erhitzer und der erhitzten Oberfläche vermeiden, wodurch ein inniger und direkter Kontakt für eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Erhitzer und der erhitzten Oberfläche geschaffen wird, um Energieeinsparungen und eine längere Lebensdauer des Erhitzers zu erzielen. Die direkte Ablagerung des Filmerhitzers macht die Formungselemente in ihrer Ausbildung und Herstellung einfacher, weil sie kleiner und energieeffizienter ausgebildet werden können und weniger Raum innerhalb der Formungsmaschine beanspruchen. Außerdem wird die Qualität der geformten Gegenstände wegen des präzisen Managements der Wärmeströmung in der Spritzgießmaschine signifikant verbessert. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Filmerhitzerelementen, wenn die geformten Gegenstände mehrere Harzlagen haben, die gleichzeitig abgelegt werden, dass jede Lage eine gleichmäßige Dicke und Länge hat. Im Falle der Formung von PET-Vorformlingen, welche die nachstehenden Filmerhitzer anwenden, ist der Gehalt an Acetaldehyd niedriger und gleichmäßiger über die Hohlräume der Mehrhohlraumform verteilt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Filmerhitzer nahe den Schmelzenkanälen angeordnet sind und einzeln gesteuert bzw. aktiviert werden können, so dass die Temperatur über den gesamten Verteiler sehr gleichmäßig ist.
Durch Verbesserung der Erhitzungskontrolle in der Formeinlaufzone kann der Einlaufansatz (Grat) der geformten Vorformlinge sehr klein gehalten werden, wobei im wesentlichen keine Kristallisierung in der Wand des Vorformlings auftritt.
Die Verwendung von Filmerhitzern gemäß der vorliegenden Erfindung bietet außerdem signifikante Vorteile beim Formen von zweifarbigen Harzen durch die gleiche Düse. Die präzise Hitzekontrolle gestattet einen abrupten Übergang zwischen den verschiedenen Farben, wodurch die Qualität des Endproduktes verbessert und der Ausschuss reduziert wird.
Somit sind die Filmerhitzer gemäß der vorliegenden Erfindung in innigem Kontakt mit der zu erhitzenden Oberfläche und können eine raschere Erhitzungsansprechzeit, geringere Temperaturträgheit bieten, sind klein genug, um in vielen verschiedenen Zonen der Form angeordnet zu werden, und können ein dicht gefasstes Temperaturprofil ergeben, das zu einer rascheren Formung, zu einer höheren Qualität der geformten Gegenstände, zu kleineren Maschinenteilen, vermindertem Energieverbrauch und längerer Maschinenlebenszeit führt.
Durch Verwendung von Filmfühlern gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein präzises Temperaturmanagement und eine präzise Steuerung des gesamten Vorganges erreicht. Solche Filmfühler können in vielen verschiedenen Arten eingesetzt werden, die als Wärmefühler bekannt sind und werden leicht installiert, gewartet und überwacht. Deshalb wird das Prozess-Feedback und die Prozesssteuerung mit den Filmfühlern der vorliegenden Erfindung verbessert.
2. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
Die vorliegenden Ausführungsbeispiele betreffen die Anordnung kompakter aktiver und/oder passiver Filmelemente entlang eines Schmelzenkanals aus beispielsweise einem Einlauf zu einem Formhohlraum, um das Wärme- und Strömungsmanagement in diesem zu verbessern. Die aktiven Elemente, die unter Verwendung von fortgeschrittenen Dünnfilmtechnologien hergestellt werden können, sind kompakt, verlässlich, stabil und energieeffizient. Vorteilhaft können die aktiven Elemente nahe oder in direktem Kontakt mit einem Strom des geschmolzenen Harzes angeordnet werden. Die aktiven Elemente können irgendeines aus der Gruppe Dünnfilmerhitzer, Thermistor, Wärmefühler, Widerstandswärmedetektor, Druckfühler, Gasfühler, optischer Leckfühler oder Kombinationen oder Äquivalente derselben sein. Die passiven Elemente, die ebenfalls unter Verwendung von Dünnfilmtechnologien hergestellt werden können, wirken mit den aktiven Elementen zusammen und können aus elektrischen und thermisch isolierenden Materialien und/oder verschleißfesten Materialien hergestellt werden. Vorzugsweise sind die passiven Elemente in direktem Kontakt mit dem Strom des geschmolzenen Harzes, um die laminare Strömung desselben zu verbessern. Die Anwendung dieser Dünnfilmelemente optimiert das Wärmemanagement und die Gesamtsteuerung des Spritzgießvorganges. Insbesondere können die Dünnfilmelemente das Harz in dem Verteiler oder der Heißkanaldüse gemäß lokalen oder gewählten Anforderungen direkt erhitzen. Außerdem begünstigt die Verwendung von Dünnfilmelementen in vorteilhafter Weise die Materialwahl und die Komponentengröße entlang des Schmelzenkanals.
Die vorliegenden Ausführungsbeispiele bilden auch innovative Formsteuermittel und Logikoperationsmittel, die entweder mit der Form gekuppelt oder in diese eingebettet sind. Die Formsteuermittel und die Logikoperationsmittel sind von der Steuereinrichtung und dem Mikroprozessor der Spritzgießmaschine körperlich unabhängig, stehen aber mit diesen in Verbindung. In dieser Hinsicht kann auf das US-Patent Nr. 5,320,513 an Schmidt Bezug genommen werden.
Schmidt offenbart einen integrierten Steuerkreis für eine Form, der den Heißkanaldüsenerhitzer und die Temperaturfühler mit der Maschinensteuerung über einen Verbinder verbindet. Gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen beträgt die gedruckte Steuerschaltung der von Schmidt offenbarten Form Steuer- und Logiksignale, die von einer Formsteuereinrichtung und/oder einem Formmikroprozessor erzeugt werden. Somit ist der Endverbraucher der Form besser imstande, die Prozessparameter der Form in Verbindung mit verschiedenen Spritzgießmaschinen handzuhaben. Das Formungsmaschinen-Interface gestattet es auch, entweder die Form, die Maschine oder beide auf die Bedingungen des spezifischen Spritzgießvorganges einzustellen. Das Interface reduziert auch die Komplexität der Spritzgießsteuerung. Die Kommunikation zwischen der Formsteuereinrichtung und der Maschinensteuereinrichtung und/oder zwischen den aktiven Dünnfilmelementen und der Formsteuereinrichtung kann entweder durch verdrahtete oder drahtlose Mittel erreicht werden, wobei die letzteren die Komplexität der Drahtverbindungen weiter reduzieren.
Das Formerhitzungsmanagement und die Prozesssteuerung hängen von der spezifischen Anwendung, der Art des verwendeten Harzes, der Ausbildung des Formverteilers und der Heißkanaldüse und der Anzahl von Formhohlräumen ab. Die vorliegenden Ausführungsbeispiele könnten dazu verwendet werden, das Hitzemanagement und die Prozesssteuerung in mehreren Formungsprozessen zu verbessern, wobei drei dieser Prozesse auf Hochkavitationsformung und insbesondere auf Spritzgießformung von blasbaren PET-Vorformlingen angewendet werden können.
Eine erste Anwendung der vorliegenden Erfindung reduziert und verteilt in gleichmäßiger Weise Acetaldehyd („AA"), das in einer Form während des Spritzgießvorganges unweigerlich erzeugt wird. Die europäische Patentanmeldung 293 756 A2 von Halar et al. diskutiert die Probleme, die mit der AA-Bildung verbunden sind. Gemäß Halar et al. wird ein hohes Niveau von AA durch ungleichmäßigem Wärmeabbau des PET erzeugt, wenn es durch die Verteilerkanäle strömt. Dieses Phänomen ist in den 1A, 1B und 1C dargestellt, in denen das Geschwindigkeitsprofil 20 und das Scherspannungsprofil 24 schematisch für einen Harzstrom durch einen Kanal 22 eines Formverteilers dargestellt sind. Infolge des Schmelzenkanalprofiles 26 strömt das Harz in der Mitte des Kanals rascher, wo die Scherspannung ein Minimum ist, wodurch Grenzschichten gebildet werden, die über die Strömung symmetrisch sind. Das Temperaturprofil ist ähnlich dem Scherspannungsprofil, d. h. die Temperatur des Harzes ist in der Mitte des Kanals ein Minimum. Bei den meisten Formungsanwendungen folgt jedoch der Harzstrom keinem geraden Pfad, wie dies in 1B und 1C gezeigt ist, sondern macht eine oder mehrere Winkelabbiegungen durch eine Reihe von Zweigkanälen, die gleichzeitig eine Vielzahl von Formhohlräumen speisen (siehe 3). Wie in 1D angedeutet ist, werden, wenn der Harzstrom durch einen Kanal 21 um 90° in mehrere Zweige abgelenkt wird, wie die ersten beiden Kanäle 27 und 29, die Geschwindigkeit, Scherspannung und das Temperaturprofil asymmetrisch, weil das Harz langsamer um die innere Ecke 23 als um die äußere Ecke 25 strömt. In diesem Stadium sind die Werte 30 der Scherspannung und der Temperatur 30 nahe der inneren Ecke 23 höher als die Werte 28 nahe der äußeren Ecke 25. Dieses asymmetrische Verhalten wird weiter begünstigt bzw. reduziert, wenn der Strom wieder in die Kanäle 31 und 33 abgelenkt wird. Nicht nur sind die Scherspannungsprofile und Temperaturprofile 32 bzw. 36 asymmetrisch, sondern sie sind auch voneinander verschieden.
Halar et al. lehrt, dass verschiedene asymmetrische Profile in verschiedenen Schmelzenkanälen einer Hochkavitationsform AA-Unterschiede in geformten Vorformlingen verursachen können. Gemäß Halar et al. kann das AA-Niveau durch Vorsehen von statischen Mischern innerhalb der Schmelzenkanäle des Formverteilers minimiert und vergleichmäßigt werden. Unglücklicherweise verursachen jedoch die statischen Mischer einen Druckabfall und erhöhen die Scherspannung. Das US-Patent 5,421,715 an Hofstetter et al. offenbart die Verwendung von statischen metallischen Elementen, die Speichen genannt werden, in den Verteilerkanälen, um Turbulenz zu erzeugen und die Temperaturverteilung über den Strom zu homogenisieren, wodurch das AA-Niveau reduziert wird. Die Speichen von Hofstetter et al. verhalten sich jedoch nicht anders als der statische Mischer von Halar et al. und stellen deshalb keine ideale Lösung dar. Zusammenfassend können mechanische Hindernisse innerhalb des Schmelzenkanals die Verteilung des AA-Niveaus unter den Einspritzhohlräumen gleichmäßiger gestalten, aber sie erzeugen zusätzliche Probleme.
Eine zweite Anwendung der vorliegenden Erfindung begünstigt ein gleichmäßigeres Füllen von Hochkavitationsformen durch Unterdrückung der Wärme- und Viskositätsgrenzschichten, die typischerweise gebildet werden, wenn ein Strom abrupt seine Richtung ändert. Die 2A und 2B sind graphische Darstellungen der Temperatur gegenüber der Viskosität und der Scherrate gegenüber der Viskosität für ein typisches geschmolzenes Harz.
Wenn ein Verteiler mehrere Hohlräume speist, wie in 3 gezeigt ist, verursacht die Bildung von Grenzschichten asymmetrische Temperatur-, Scherspannungs- und Geschwindig keitsprofile für den Harzstrom zu jedem Hohlraum, wie dies in den 4A und 4B gezeigt ist. Dieses Problem, das auch von Halar et al. erwähnt wird, kann durch Verwendung eines "Schmelzenstromumverteilers" gelöst werden, wie er in der anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/570,333 von Deardurff et al. gezeigt ist, die an die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist und durch Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen wird. Der "Schmelzenstromumverteiler" ist nach einer 90°-Biegung in einem Schmelzenkanal angeordnet. In dieser Position bewirkt die Vorrichtung ein Umlenken der äußeren Grenzschicht des Harzes, die einem stärkeren Wärmeabbau unterliegt als die zentrale Schicht, in einem ausgeglicheneren Verhältnis unter mehreren Schmelzenkanälen. Da diese Vorrichtung anders arbeitet als ein statischer Mischer, verursacht sie auch keinen Druckabfall. Jedoch ist der "Schmelzenstromumverteiler" relativ schwierig zusammenzubauen und zu warten.
Eine dritte Anwendung der vorliegenden Erfindung, die aus der zweiten Anwendung abgeleitet ist, bekämpft ein Phänomen, das als Dip (Einfallen) bekannt ist. Der Dip ist ein ungleichmäßiger oder ungefüllter Teil innerhalb einer Co-Einspritzlage. 5 zeigt das Dipphänomen, das in einem typischen Dreimaterial (A-B-C)-Fünflagen (A1-A2-B1-B2-C)-PET-Vorformling 46 auftritt. Eine Diplänge L erscheint am Halsteil N des Vorformlings 46. Drei Harze A-B-C werden entweder sequentiell oder gleichzeitig unter Verwendung konventioneller Einspritzmittel co-eingespritzt, um einen fünflagigen aufblasbaren Vorformling zu bilden. Der Dip ist unakzeptabel, weil ein Harz (üblicherweise das Grenzharz) den Raum im Halsbereich nicht vollständig füllt, der somit teilweise von einem anderen Harz (Frischharz etc.) eingenommen wird. Es wird angenommen, dass der Dip durch die Bildung von Grenzschichten innerhalb des Verteilers verursacht wird. Diese Grenzschichten bewirken uneinheitliche Temperatur- und Viskositätsprofile über den Strom des geschmolzenen Harzes, was wiederum den Dip verursacht. Der Dip kann durch Vorsehen von statischen Mischern innerhalb der Schmelzenkanäle verbessert werden, doch sind statische Mischer, wie vorstehend erwähnt, für zusätzliche Probleme verantwortlich.
Die vorliegende Erfindung bewältigt das AA, Probleme des uneinheitlichen Füllens und Dipprobleme, indem konventionelle Spulen- oder Banderhitzer durch Dünnfilmerhitzer ersetzt oder ergänzt werden, die strategisch entlang der Schmelzenkanäle angeordnet sind und einzeln gesteuert werden, um das erwünschte Hitzeprofil zu ergeben. Beispielsweise können Dünnfilmerhitzer, die nahe jeder Ecke 23 angeordnet sind, so gesteuert werden, dass sie dem Harzstrom mehr Hitze zuführen als die Dünnfilmerhitzer, die nahe der benachbarten Zone 22 des Schmelzenkanals angeordnet sind, um ein konstantes Temperaturprofil über den Schmelzenkanal zu gewährleisten. Auf diese Weise angeordnet, können die Dünnfilmerhitzer die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Scherspannungsprofile des strömenden Harzes entsprechend der spezifischen Geometrie jedes Schmelzenkanals und dem Schnittwinkel angrenzender Schmelzenkanäle ändern.
Eine vierte Anwendung der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf verschiedene Verbesserungen von derzeitigen Spritzgießkomponenten, die in den meisten Fällen kein optimales Temperaturprofil in einem Strom schaffen, bevor das geschmolzene Harz in den Formhohlraum eintritt. Beispiele solcher Komponenten, die von der Anwendung der vorliegenden Erfindung profitieren würden, umfassen Co-Einspritz-Heißkanaldüsen, Seitenanschnitt, Spitzen von Einspritzdüsen, Düsenverteiler-Interfaces, Randeinlaufdüsen, Formeinlaufeinsätze usw.
Verbesserte Komponenten, die Filmerhitzer und Isolierlagen enthalten, werden nun unter Bezugnahme auf mehrere US-Patente erörtert, von denen jedes der Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist und durch Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen wird.
6 ist ein schematischer Querschnitt, der eine Hochkavitationsform mit einer Buchse 62, einem Verteiler 64 und Heißkanaldüsen 66 zeigt, die unter Verwendung von Dünnfilmerhitzern 63, 65 und 67 erhitzt werden. Jeder Dünnfilmerhitzer umfasst einen Aktivfilm, der aus einem Dünnfilm, aus elektrisch leitendem Material besteht, das zwischen zwei passiven Dünnfilmmaterialien in Form eines Sandwich eingeschlossen ist. Der Dünnfilmerhitzer ist im Inneren angeordnet, so dass er das geschmolzene Harz direkt kontaktiert, und der Dünnfilmerhitzer 62 kann (wie in 7A gezeigt) in der Reihenfolge beginnend von dem Kanal einen verschleißfesten Film 72, einen elektrisch isolierenden Film 74, den elektrischen Widerstandserhitzerfilm 76, eine andere Lage aus elektrisch isolierendem Film 78 und schließlich einen wärmeisolierenden Film 79 aufweisen. Bei einigen Anwendungen kann der thermisch isolierende Film weggelassen werden.
8A zeigt eine verbesserte Ausbildung einer Einspritzform, in welcher der Verteiler 80, die Verteilerbuchse 82 und die Heißkanaldüse 84 unter Verwendung von elektrischen Dünnfilmerhitzern 81, 83 und 85 individuell erhitzt werden. Da ein Dünnfilmerhitzer 87 innerhalb des Düsenkörpers und in Kontakt mit dem geschmolzenen Harz angeordnet sein kann, findet im oberen Teil A der Heißkanaldüse kein Temperaturabfall statt, wie dies durch die strichlinierte Linie in 8B gezeigt ist.
9 zeigt eine verbesserte Ausbildung einer Heißkanaldüsenspitze gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Aktive und Passive Dünnfilmelemente sind innerhalb des Heißkanaldüsenkörpers 90 entlang des Schmelzenkanals 92 und in enger Nähe zu der Formeinlaufzone 94 angeordnet. Die aktiven Dünnfilmelemente sind Erhitzer 91, 93, 95 und 97, um das Harz auf optimaler Temperatur zu halten. Abgesehen von der Kompaktheit und den Energieeinsparungen bieten die Dünnfilmerhitzer mehrere andere signifikante Vorteile. Beispielsweise sind die Dünnfilmerhitzer leicht in Zonen anzuordnen, die für Spulenerhitzer nicht zugänglich sind, wie die unmittelbare Nähe des Formeinlaufes.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Dünnfilmerhitzer 95 entlang von Zweigkanälen der Düsenspitze angeordnet. Die Dünnfilmerhitzer 97 können auch am Innenumfang des Formeinlaufeinsatzes 98 angeordnet werden, um den Formeinlauf effektiver zu erhitzen. Die Anordnung der Dünnfilmerhitzer innerhalb des Formeinlaufeinsatzes bietet zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Vorbereitung für einen "Farbenwechsel". Es ist allgemein bekannt, dass bei einer Änderung der Harze zur Formung eines identischen Teiles in einer anderen Farbe das erste Harz aus den Düsenkanälen "ausgespült" werden muss. Durch Anordnen eines Dünnfilmerhitzers 97 am Innenumfang des Formeinlaufeinsatzes kann der Einsatz erhitzt werden, um das Spülen des Einlaufkanals zu erleichtern. Erhitzer können auch mit Wärmefühlern kombiniert werden, wie sie bei 97 und 99 gezeigt sind.
Der Formeinlaufeinsatz kann ferner einen Dünnfilm-Druckfühler 96 und/oder Dünnfilm-Temperaturfühler (nicht gezeigt) aufweisen. 10 zeigt die Anordnung von Druckfühlern 96 und Wärmefühlern 100 um die Düsenspitze 90° herum. Wie in 11 gezeigt ist, werden die einzelnen Komponenten der Heißkanaldüse und des Formeinlaufeinsatzes leicht entfernt, hergestellt und gewartet.
12 zeigt eine Co-Einspritzdüse mit einem Dünnfilmerhitzer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zumindest ein Dünnfilmerhitzer kann um und innerhalb des Gehäuses jedes Co-Einspritzkanals angeordnet werden, um die Temperatur jedes Harzes besser zu steuern. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Dreikanaldüse gezeigt, in welcher der Kanal 110 das Harz A führt, der Kanal 112 das Harz B führt und der Kanal 114 das Harz C führt. Der Ventileinlassschaft 116 sperrt wahlweise die Verbindung zwischen den Düsenkanälen und einem Formhohlraum 118 ab. Dünnfilmerhitzer 111, 113 und 115 sind innerhalb der Kanäle angeordnet. Für bestimmte Anwendungszwecke kann es möglich sein, nur zwei Erhitzer zu verwenden, wobei ein Erhitzer zwei Kanäle erhitzt, wenn die Wand zwischen den beiden Kanälen dünn und/oder wärmeleitend ist. Beispielsweise kann in 11 der Erhitzer 111 ausreichen, um beide Harze A und B zu erhitzen.
Da die Dünnfilmerhitzer den Strom des geschmolzenen Harzes direkt kontaktieren, kann ein verschleißfester Film direkt neben dem Strom vorgesehen sein.
13 zeigt eine Formungsmaschine mit Einschusstöpfen 120 zum Zumessen der Harzmenge, die der Heißkanaldüse 122 zugeführt wird. Einschusstöpfe werden typischerweise verwendet, wenn die Spritzgussteile stringenten Gewichtsanforderungen entsprechen müssen, wie genau bemessenen Lagen, die üblicherweise für eine Co-Einspritzform erforderlich sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind Dünnfilmerhitzer 121 in der Einschusstopfzone angeordnet, um die Einschusstopfzone unabhängig von den anderen Dünnfilmverteilererhitzern zu erhitzen, wie den Erhitzern 123, 125, die im Verteiler 124 angeordnet sind. Zusätzlich können Dünnfilm-Wärmefühler in der Einschusstopfzone angeordnet werden.
Die 14A und 14B zeigen bevorzugte Mittel zum lösbaren Befestigen eines Dünnfilmerhitzers sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite einer Heißkanaldüse. Der Dünnfilmerhitzer wird auf einem flexiblen dünnen Bandsubstrat abgelagert, das federartige Eigenschaften haben kann. Ein Dünnfilmerhitzer, der auf diese Weise befestigt ist, kann im Falle eines Versagens leicht ersetzt werden. In 14A ist ein Dünnfilmerhitzer 132 außerhalb der Düse 130 angeordnet und kann beispielsweise eine elektrisch isolierende Lage 132, eine elektrisch leitende Lage 134 und eine elektrisch isolierende Lage 136 aufweisen. Ein Verbinder 138 passt in einen Kanal der Düse 130 und hält die beiden Enden des elastischen Erhitzers 132. Eine solche Konstruktion kann örtliche Hitze auf das Harz und den Schmelzenkanal 139 aufbringen. In 14B ist der Erhitzer 132 innerhalb der Düse 130 angeordnet und kann ebenfalls Lagen 132, 134 und 136 aufweisen. Eine Verschleißlage (nicht gezeigt) kann zwischen der Lage 132 und dem Schmelzenkanal 139 vorgesehen sein, um eine Abnützung des Erhitzers 132 zu vermeiden. Natürlich können sich die Heizelemente in der Lage 134 nur teilweise um den Umfang der Düse erstrecken und können irgendeine Konfiguration haben (spiralförmig, eben, streifenförmig, fischgrätenförmig, ringförmig etc.). Auch können sich die Heizelemente in unterschiedlichen Längen entlang der Axialrichtung der Düse erstrecken.
15 zeigt eine Spritzgießmaschine, die sowohl ein Heißkanal-Ventileinlauf und einen Heißkanal-Wärmeverschluss aufweist. Das geschmolzene Harz kommt von der Maschineneinspritzdüse (nicht gezeigt) durch die Einlaufbuchse 150 in den Verteiler 152 und in den Schmelzenkanal jeder Düse. Das geschmolzene Harz, das durch die Buchse und den Verteiler strömt, kann durch Verwendung bekannter elektrischer Band- oder Spulenerhitzer auf einer optimalen Temperatur gehalten werden. Das geschmolzene Harz wird dann durch jede der Düsen in die entsprechenden Formhohlräume 154 und 156 eingespritzt. Der Heißkanal- Ventileinlauf 158 hat einen Dünnfilmerhitzer 159, um das geschmolzene Harz auf einer präzisen erwünschten Temperatur zu halten, wenn es durch den Ventileinlauf 158 in den Hohlraum 154 strömt. Gleichermaßen hat der Heißkanal-Wärmeverschluss 157 einen Dünnfilmerhitzer 155, um die Temperatur des geschmolzenen Harzes präzise zu steuern, wenn dieses in den Hohlraum 156 strömt.
16A ist ein schematischer Querschnitt einer Ventileinlauf-Heißkanaldüse, in welcher ein Filmerhitzer direkt um den Spitzenteil des Schaftes herum angeordnet ist und ein Filmwärmefühler direkt auf dem Ende des Schaftes angeordnet ist. Die Ventileinlaufdüse 160 hat eine Düsenspitze 162, die in die Formplatte 164 passt, welche an der Formplatte 164' anliegt, die den Formhohlraum 166 enthält. Der bewegbare Ventilschaft 168 hat einen Filmerhitzer 167, der auf seiner Außenseite in einem Muster angeordnet ist, das beispielsweise in 16A gezeigt ist. Vorzugsweise, und wie in 16B gezeigt ist, ist ein Wärmefühler am Ende des Ventilschaftes 168 für eine genaue Temperaturmessung direkt an dem Ventileinlauf selbst vorgesehen.
Wie schematisch in 16A gezeigt ist, kann der Filmerhitzer 167 mit elektrischen Kontakten 161 über Anschlüsse 163 gekuppelt sein. Gleicherweise sind elektrische Kontakte 165 zum Kontaktieren der Anschlüsse 169 vorgesehen. Die elektrischen Kontakte sind mit einem Formsteuerungsprozessor 1000 gekuppelt, wie er in dem vorstehend erwähnten Schmidt-Patent erörtert ist.
17 ist ein Querschnitt des Filmerhitzers 167 nach 16A. Dem Ventilschaft 168 am nächsten ist eine Lage 171 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Als nächstes kommt eine Lage 173, die elektrisches Widerstandsmaterial aufweist, welches das Heizelement bildet. Auf der Außenseite befindet sich eine Lage 175, die aus elektrisch isolierendem Material besteht, das auch gute Wärmeübertragungseigenschaften hat.
18A ist ein schematischer Querschnitt, welcher den Filmerhitzer 181 zeigt, der auf einer Bodenaußenfläche der Düsenspitze 180 angeordnet ist. Wie 18B zeigt, kann der Filmerhitzer 181 ein Widerstandsmuster haben, welches die Schmelzenkanäle 182 und 183 umgibt, wie dies gezeigt ist. Die Erhitzeranschlüsse 184 und 184' können an elektrische Kontakte (nicht gezeigt) angeschlossen sein.
Die Düsenspitze 180 kann einen Erhitzerstopfen 190 aufweisen (der nachfolgend erläutert wird), der einen Filmerhitzer 191 aufweist, welcher auf einer Außenfläche desselben angeordnet ist. Der Erhitzerstopfen 190 ist in dem Schmelzenkanal 186 der Düsenspitze 180 an geordnet. Beide Temperaturfilmfühler (nicht gezeigt) können auf irgendeiner geeigneten Oberfläche der Düsenspitze 180 angeordnet werden, um die Temperatur des geschmolzenen Harzes in dem Schmelzenkanal 186 zu überwachen. Vorzugsweise ist der Temperaturfühler ein Filmwärmefühler, der in direktem Kontakt mit dem geschmolzenen Harz sehr nahe an der Formeinlauföffnung angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Düsenspitze 180 elektrische Verbinder für den Wärmefühler und den Erhitzer, die an dem Düsenkörper durch einen Schnellösemechanismus, wie einen Bajonettmechanismus, befestigt sind, der einen raschen Zusammenbau und ein rasches Entfernen der Spitze ermöglicht, ohne dass irgendeine Verdrahtung gelöst werden muss. In einigen Fällen ist es bevorzugt, zwei Wärmefühler nahe beieinander vorzusehen, so dass, wenn einer gebrochen ist, der andere noch immer betriebsbereit ist.
19A ist ein schematischer Querschnitt eines Filmerhitzerstopfens 190, der ein zweckmäßiges und einfaches Mittel darstellt, um die Filmerhitzer und die Filmfühler auf die Schmelzenkanäle der Spritzgießmaschinen aufzubringen. Der Stopfen 190 weist einen Metallstopfen 192 auf, auf dessen Innenfläche ein Filmerhitzer 193 nahe dem Schmelzenkanal 194 aufgebracht ist. Vorzugsweise weist der Erhitzer 193 eine innere verschleißfeste Lage 195, eine elektrische Widerstandslage 196, eine elektrische Isolierlage 197 und eine Wärmeisolierlage 198 auf. Der Vorteil einer solchen Konstruktion besteht darin, dass der Stopfen 190 klein ausgebildet und an irgendeinem Punkt in dem Schmelzenkanal austauschbar positioniert werden kann. Der Stopfen kann an irgendeinem Ort in Ausrichtung mit dem Schmelzenkanal der Form angeordnet werden, beispielsweise in dem Verteiler, in dem Heißkanalgehäuse oder in der Düsenspitze. Der Schmelzenkanal kann als komplementäre Struktur ausgebildet werden, derart, dass solche Erhitzerstopfen an irgendeiner zweckmäßigen Stelle entlang des Schmelzenkanals angeordnet werden können. Überdies können solche Stopfen linear sein, T-förmig oder winkelförmig, um an jeder Stelle entlang des Schmelzenkanals in diesen zu passen. Da es wesentlich leichter ist, einen flexiblen Filmerhitzer auf der Innenfläche eines kleinen austauschbaren Erhitzerstopfens vorzusehen, können die Kosten der Anordnung des Erhitzers auf der Innenfläche eines langen Schmelzenkanalverteilers (wie in 3 gezeigt) vermieden werden.
19B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Erhitzerstopfens 190, in welchem der Erhitzer 193 auf der Außenfläche 192 angeordnet ist. In diesem Fall weist die Innenlage 195' ein dielektrisches Material mit guten Wärmeübertragungseigenschaften auf, wobei die Lage 196' als elektrisches Widerstandsheizelement ausgebildet ist und die Lage 197' ein Wärmeisolator ist. In einigen Fällen kann eine verschleißfeste Lage auf der Außenseite der Lage 197' vorgesehen werden. Ebenso kann eine verschleißfeste Lage 198' auf der Innenseite des Stopfens 192 abgelagert werden, um den Verschleißwiderstand gegenüber dem geschmolzenen Harz zu erhöhen.
20 zeigt die Anwendung von entfernbaren Erhitzerstopfen 201 und 202 innerhalb einer Spritzgießmaschine. Der Erhitzerstopfen 201 hat an seiner Außenfläche einen Filmerhitzer 203 und ist innerhalb eines Verteilers 204 angeordnet, der beispielsweise ebenfalls durch konventionelle Verteilererhitzer 205 erhitzt werden kann.
Der Erhitzerstopfen 202 ist innerhalb des Düsenkopfes 206 und des Düsenkörpers 207 vorgesehen und hat eine verschleißfeste Lage (Hülse) 208, die an einer Innenfläche desselben nahe dem Schmelzenkanal 209 angeordnet ist. Ein Filmerhitzer 210 ist an einer Außenfläche des Erhitzerstopfens 202 nahe der Düsenspitze 211 vorgesehen. Das Düsengehäuse 212 besteht vorzugsweise aus wärmeisolierendem Material. Die Erhitzerstopfen 201 und 202 bestehen vorzugsweise aus hochwärmeleitendem Material, wie CuBe. Da die Erhitzerstopfen 201 und 202 modular und entfernbar sind, können sie leicht für eine Reparatur oder für das Formen unterschiedlicher Arten von Kunstharzen ersetzt werden.
21A ist ein schematischer Querschnitt eines Formeinlaufeinsatzes 210 mit einem inneren Filmerhitzer 211, der auf einer Innenseite nahe der Düsenspitze (nicht gezeigt) und der Formeinlauföffnung 212 angeordnet ist. Da der Formeinlaufeinsatz 210 entfernbar ist, ist ein Verbinder 213 auf einer Oberfläche desselben angeordnet, um elektrische Kontaktdrähte dem Filmerhitzer 211 zuzuführen. Der Verbinder 213 ist mit einem gleichartigen Verbinder im Düsengehäuse oder in der Formplatte (nicht gezeigt) in Eingriff versetzbar, so dass der gesamte Formeinlaufeinsatz 210 rasch und leicht ersetzbar ist.
21B ist ein schematischer Querschnitt einer Formeinlaufhülse 215, bei welcher der Formeinlaufkörper 216 einen Filmerhitzer 217 aufweist, der auf einer oder mehreren Außenflächen desselben angeordnet ist. Wiederum ist die Formeinlaufhülse leicht ersetzbar, es ist einfach, einen defekten Erhitzer zu ersetzen oder die Heizkapazität des Erhitzers für andere Arten von Harz zu ändern.
22 ist ein schematischer Querschnitt eines Erhitzerstopfens 220 mit einem Filmerhitzer, der an der Außenfläche desselben angeordnet ist. Die Filmheizlage kann jedoch in Zonen A, B und C unterschiedliche Dicke haben, um ein gesteuertes Temperaturprofil zu ergeben, wie dies im linken Teil von 22 dargestellt ist. Dies kann beispielsweise bei Formungsanwendungen verwendet werden, bei welchen die Teile A und C nahe den Formplatten angeordnet sind, die während des Formungsverfahrens gekühlt werden. Auf diese Weise wird das geschmolzene Harz, das innerhalb des Schmelzenkanals 222 strömt, auf konstanter Temperatur gehalten. Es sei bemerkt, dass bei diesem Ausführungsbeispiel eine hochverschleißfeste Hülse 223 an der Innenfläche des Erhitzerstopfens 220 angeordnet ist.
23A ist eine schematische Ansicht eines Dünnfilmerhitzers gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei rechteckigen Mustern von Heizelementen. Der Erhitzer 231 hat ein Element mit einer Länge L und einer Teilung P1. Der Erhitzer 232 hat ein Heizelement mit der gleichen Länge L, aber mit einer anderen Teilung P2. Somit kann das gleiche Dünnfilmelement für angrenzende Zonen des Schmelzenkanals unterschiedliche Heizmerkmale aufweisen. Die Kontaktanschlüsse haben eine Länge Lt und eine Breite T und sind so ausgebildet, dass sie leicht mit elektrischen Kontakten auf dem Schmelzenkanal in Eingriff kommen, auf welchem der Erhitzer montiert werden soll.
23B ist eine schematische Ansicht eines Erhitzers mit einem schlangenförmigen Heizelement 235 mit Kontaktanschlüssen an den verschiedenen Enden desselben.
23C zeigt einen Filmerhitzer, der so gebogen ist, dass er innerhalb eines Schmelzenkanals angeordnet werden kann, und 23D zeigt einen solchen Erhitzer, der auf der Außenseite eines Schmelzenkanals aufgebogen ist.
Die folgenden Materialien, Ablagerungstechnologien und Musterverfahren werden für die verschiedenen Lagen empfohlen, die zur Herstellung der Filmerhitzermischung verwendet werden, die direkt auf die Formelemente oder einen Filmerhitzerstopfen abgelagert werden (die Dicke dieser Lagen variiert von weniger als 5 Mikron bis zu 2–3 Millimetern):
elektrische Widerstandsmaterialien: TiN; Wolfram, Molybdän, Gold, Platin, Kupfer, TiC, TiCN, TiAlN, CrN, Palladium, Iridium, Silber, leitende Tinten.
elektrisch isolierende Materialien: Berylliumoxid; siehe auch die Materialien, die in den US-Patenten 5,653,932 und 5,468,141 offenbart sind, die beide durch Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen werden.
Verschleißfeste Materialien: Titan, Titanlegierungen, Chrom, Elektroless-Nickel, siehe auch die Materialien, die im US-Patent 5,112,025 offenbart sind, die durch Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen werden.
Ablagerungstechnologien: Ionenplattieren, Sprühen, chemische Dampfablagerung (CVD), physikalische Dampfablagerung (PVD), Flammenaufsprühen.
Filmmusterverfahren: Ätzen durch eine Maske; Laserentfernung; Drahtmaskierung, mechanische Entfernung.
Beispiel für die Hitzeanforderung: Wattdichte 40–80 W/Quadratzoll bei 240 V
Siehe 13
Zone A: 37 mm 150 W (Spitze)
Zone B: 75 mm 50 W (Mitte)
Zone C: 34 mm 100 W (Kopf)
Einer oder mehrere Erhitzer
Muster: Laserentfernung; Drehen; Drahtmaskierung, Ätzen
Ablagerung: Aufspritzen
Materialien: Platin, Wolfram, Molybdän
Filmfühler für die Formungsanwendungen
Filmtemperaturfühlelemente sind beispielsweise im US-Patent 5,215,597 an Kreider, US-Patent 5,573,335 an Schinazi, NASA Report E-7574 vom Februar 1993 von R. Holanda und NASA Report E-9080 vom August 1994 von L. C. Martin et al. offenbart, die alle unter Bezugnahme hierauf in die vorliegende Beschreibung miteinbezogen werden.
Jede Filmtemperaturfühlvorrichtung, wie Wärmefühler, andere halbleiterbasierende Vorrichtungen oder Widerstandstemperaturfühler (RTD) werden vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst. Bezug genommen wird in dieser Hinsicht auf das US-Patent 4,968,964 an Nagai et al. und den Platinum Resistance Temperature Detector (P-RTD)-Katalog von Heraeus, die ebenfalls unter Bezugnahme hierauf miteinbezogen werden. Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen Dünnfilm-RTD als eine andere vorzugsweise Alternative für einen Filmtemperaturfühler, weil er den Vorteil hat, dass er aus einem einzigen Dünnfilmmaterial besteht, das leicht abgelagert und geätzt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, Materialien für die vielen Wärmefühler zu wählen, die den derzeitigen Wärmefühlerstandards (wie ANSI) entsprechen und die auf einer Tragbasis des Formteiles abgelegt werden können. Dementsprechend besteht ein Hauptentwurfsziel für den Filmwärmefühler darin, zwei unähnliche Materialien für die Drähte zu wählen, die entweder identisch wie das Widerstandsmaterial des Dünnfilmerhitzers oder diesem ähnlich sind. Die folgenden Handelsdaten, die von Insulation Seal Inc. und SRS Corp. veröffentlicht worden sind, zeigen die Materialwahl und -eigenschaften für verschiedene Standardwärmefühler, die auch als Richtlinien für die Herstellung von Wärmefühlern verwendet werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Filmwärmefühler unter Verwendung von gut bekannten mikrolithographischen Techniken hergestellt, die eine sehr hohe Dimensionsgenauigkeit sicherstellen, eine ausgezeichnete Haftung des Wärmefühlers an dem Substrat und eine Verbindung zwischen zwei unendlichen Materialien. Ein anderer Vorteil der Mikrolithographietechnik besteht darin, dass ein Batch von Wärmefühlern gleichzeitig hergestellt werden kann, um sicherzustellen, dass die Dicke der abgelagerten Legierung für mehrere Temperaturfühlelemente die gleiche ist, die in einer Hochkavitationsform montiert werden. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass ohne Extrakosten und innerhalb des gleichen Raumes ein "Back up" oder ein Bezugswärmefühler tatsächlich nahe dem tatsächlichen Wärmefühler abgelagert werden kann. Auf diese Weise kann der Back up-Fühler aktiviert wer den, wenn aus irgendeinem Grund der eigentliche Wärmefühler nicht mehr antwortet, ohne den Formungsvorgang und die Wartung der Form zu unterbrechen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht ein Dünnfilm (R-Klasse)-Wärmefühler aus Platin-13% Rhodium und Platin und wird in einem Klasse 1000 Reinraum unter Verwendung des bekannten Sprühformungsverfahrens hergestellt. Abhängig von der Lage der Dünnfilmdrähte und der Zuleitungen werden Verbindungen unter Verwendung von Parallelspalt-Schweißvorgängen hergestellt. Dieser Wärmefühler kann irgendwo entlang des Schmelzenkanals angeordnet werden und kann Temperaturen von über 1000°C widerstehen.
Vorstehend wurde eine einzigartige Struktur und Funktion beschrieben, nach welchen das Erhitzen, Fühlen und die Schmelzensteuerung in einer Formungsmaschine vereinfacht, leichter ersetzt und an die Anforderungen angepasst werden können, um geformte Gegenstände rascher, billiger und mit höherer Qualität zu erzeugen.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die derzeit in Betracht gezogenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Im Gegenteil soll die Erfindung verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen umfassen, die innerhalb des Rahmens der nachfolgenden Ansprüche liegen.

Claims

Vorrichtung zum Führen eines Stromes aus geschmolzenem Harz von einer Düse einer Spritzgießmaschine zu dem von einer Form definierten Formhohlraum, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Verteiler (64) mit einem in diesem ausgebildeten Einlassdurchgang zur Aufnahme des Stromes aus geschmolzenem Harz von der Düse der Spritzgießmaschine; eine Heißkanaldüse (66) zum Führen des Stromes aus geschmolzenem Harz von dem Verteilereinlassdurchgang zum Formhohlraum, wobei die Heißkanaldüse (66) und der Verteilereinlassdurchgang gemeinsam einen Schmelzenkanal definieren; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein aktives Dünnfilmelement (63), wie einen Erhitzer, oder ein passives Dünnfilmelement aufweist, das innerhalb des Schmelzenkanals angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein passives Dünnfilmelement (74) aufweist, das dem aktiven Dünnfilmelement (76) benachbart und in direktem Kontakt mit dem Strom aus geschmolzenem Harz angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner ein passives Dünnfilmelement (74, 78) aufweist, das zu beiden Seiten des aktiven Dünnfilmelementes (76) angeordnet ist, wobei eines der passiven Dünnfilmelemente (74) in direktem Kontakt mit dem Strom aus geschmolzenem Harz steht und das andere passive Dünnfilmelement (78) zwischen dem aktiven Dünnfilmelement und dem Innenumfang des Schmelzenkanals zwischengeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Dünnfilmelektroisolator (74), der nahe dem Erhitzer (76) angeordnet ist und in direktem Kontakt mit dem Strom aus geschmolzenem Harz steht, und einen Dünnfilmwärmeisolator (78) aufweist, der zwischen dem Erhitzer (76) und dem Innenumfang des Schmelzenkanals zwischengeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Heißkanaldüse (66) eine Vielzahl von Schmelzenkanälen aufweist, um den Strom aus geschmolzenem Harz, der von der Spritzgießmaschine zugeführt wird, dem Formhohlraum zuzuleiten, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von aktiven/passiven Dünnfilmelementen (63) aufweist, die innerhalb jedes Schmelzenkanals für die Zufuhr von Hitze zu dem Strom aus geschmolzenem Harz innerhalb des Schmelzenkanals angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung vorzugsweise ferner einen Steuerprozessor zum unabhängigen Steuern der von jedem aktiven Dünnfilmelement (63) einem entsprechenden Schmelzenkanal zugeführten Hitze aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Hohlraumplatte und eine Kernplatte aufweist, welche relativ zur Hohlraumplatte so angeordnet ist, dass die Kernplatte und die Hohlraumplatte gemeinsam den Formhohlraum bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das aktive Dünnfilmelement am Innenumfang jedes Schmelzenkanals angeordnet ist, und/oder bei welcher die Vorrichtung ferner ein passives Dünnfilmelement aufweist, das nahe jedem aktiven Dünnfilmelement und in direktem Kontakt mit einem entsprechenden der Vielzahl von Strömen aus geschmolzenem Harz angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Dünnfilmelement am Innenumfang des Schmelzenkanals und in direktem Kontakt mit dem Strom aus geschmolzenem Harz angeordnet ist.