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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine neue Spritzgießmaschine
zum Formen von Mikroteilen mit einem Kunststoffschußvolumen
von 0,001 bis 3,5 Kubikzentimeter. Insbesondere verwendet die Mikrospritzgießmaschine
einen oder mehrere Druckluftzylinder zum Plastifizieren und Zuführen von
Harzmaterial zum Einspritzabschnitt der Spritzgießmaschine. Ein
Linearmotor treibt den Einspritzabschnitt zum Einspritzen von Harzmaterial
durch die Düse
in das Formnest an, um das Spritzgießen des Mikroteils abzuschließen.
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Spritzgießverfahren
sind wohlbekannt und sind zum Formen von Teilen aus Kunststoffmaterial entwickelt
worden. Bei diesen Verfahren werden im allgemeinen Kunststoff- oder
Harzgranulate geschmolzen, indem die Granulate unter Verwendung einer
rotierenden Schnecke durch einen erwärmten Schneckenzylinder geführt werden.
Der erwärmte Zylinder
erwärmt
zusammen mit der durch die Scherung der Kunststoffgranulate zugeführten Wärme die Harzgranulate über ihren
Schmelzpunkt. Die Schnecke wird axial mit einer Last gestützt, und
wenn sich das geschmolzene Kunststoffmaterial zum Vorderteil der
Schnecke bewegt, drückt
der Druckaufbau die Schnecke nach hinten, bis sich vor der Schnecke
ein gewünschtes
Kunststoffmaterialvolumen entwickelt hat. Zu diesem Zeitpunkt wird
die rotierende Schnecke angehalten, und das geschmolzene Kunststoffmaterial
wird eingespritzt, indem die Schnecke nach vorne bewegt wird, um
Kunststoffmaterial durch die Düse
in das gekühlte
Formnest zu drücken,
um das gewünschte
Formteil bereitzustellen. Das Formnest wird gekühlt, und das eingespritzte
Kunststoffmaterial wird zur gewünschten
Form des Teils fixiert. Solch eine bekannte Technologie und Vorgehensweise
erfordern, daß die
Vorwärtsbewegung
der Schnecke das Formnest füllen
muss, um ein qualitativ hochwertiges, dichtes Formteil zu erhalten.
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Die
Verfahren zum Spritzgießen
nach dem Stand der Technik sind zum Formen von Teilen normaler Größe unter
Verwendung von Schußgrößen über 3,5
bis 5,0 Kubikzentimeter angemessen; wenn die Mikroteile jedoch sehr
kleine Schußvolumen
von weniger als 3,5 Kubikzentimeter erfordern, gibt es bei den bestehenden
Verfahren und der bestehenden Technologie beträchtliche Probleme. Zum Beispiel müssen die
zum Transport der Kunststoff- oder Harzgranulate verwendeten Schneckenmittel
hinsichtlich ihres Durchmessers miniaturisiert werden, so daß sie die
Harzgranulate aufnehmen können.
Wenn die Schnecke zu groß ist,
enthält
sie viele Kunststoffmaterialvolumen bezüglich des gerade geformten
Teils. In einer solchen Situation wird das Kunststoffmaterial, das
nach jedem Formzyklus im Zylinder erwärmt verbleibt, im Laufe der
Zeit beeinträchtigt,
wenn es auf diesem Schmelzpunkt gehalten wird. Wenn die Schnecke
jedoch miniaturisiert ist und die Gangtiefen geringer sind als die
Granulatgröße, bestehen
Probleme hinsichtlich der Aufnahme der Granulate und Zuführung des
Harzkunststoffes oder der Harzgranulate in die Schnecke, um ein
Komprimieren und Schmelzen des Kunststoffmaterials zu gestatten.
Obgleich die Durchmessergrößen von
Harzgranulaten normalerweise in einem Bereich von 2,5 mm oder darüber liegen,
gibt es auch Miniaturgranulate von ca. 1,25 mm. Jedoch sind die
Schneckeeinspritzprozesse auf Spritzgießteile mit Schußgrößen von über 3,5
Kubikzentimeter beschränkt,
und zwar selbst wenn die Kunststoffgranulatgröße über 1,25 mm liegt.
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Des
weiteren sollte darauf hingewiesen werden, daß die kleinste heute zur Verfügung stehende Schnecke
einen Durchmesser von 14 mm aufweist, und solche Schneckenvorrichtungen
sind nicht in der Lage, die Genauigkeit des geformten Kunststoffmaterials
unter der Auflösungsgrenze
der Schneckenhubspritzgießmaschine
präzise
zu dosieren und aufrechtzuerhalten.
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Darüber hinaus
sind bestehende Spritzgießverfahren
zum Formen von Mikroteilen nicht zufriedenstellend, weil die Mikroteile
oftmals eine geringe Wanddicke von ca. 0,025 bis 0,30 mm erfordern.
Um das Kunststoffmaterial ohne Gefrieren in diese dünnwandigen
Mikroteile zu drücken
und einzuspritzen, sind sehr hohe Drücke und kurze Einspritzzeiten
erforderlich. Bestehende herkömmliche
Gießmaschinen
erzeugen einen Druck von ca. 172,4 MPa (25 000 psi) und erfordern
eine Einspritzzeit von 0,5 Sekunden, um Schußgrößen von über 3,5 Kubikzentimeter zu
formen.
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Wenn
jedoch erwünscht
ist, Schußgrößen oder
-volumen mit weniger als ca. 3,5 Kubikzentimeter spritzzugießen, nähert sich
die erforderliche Kraft 690 MPa (100 000 psi) und einer Einspritzzeit
von 0,01 Sekunden, wenn die Wanddicke des Mikroteils ca. 0,05 mm
beträgt.
Somit sind bestehende Spritzgießmaschinen
und -verfahren nicht in der Lage, Kunststoffschußgrößen oder -volumen, die sich
3,5 Kubikzentimetern oder weniger nähern, zu formen, um gleichmäßig geformte
Mikroteile ohne große Schwankungen
bei Teilabmessungen von Schuß zu Schuß bereitzustellen.
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Demgemäß muß die Spritzgießmaschine zum
Spritzgießen
von Mikroteilen einen hohen Einspritzdruck erzeugen und kontrollierte
Einspritzgeschwindigkeitsprofile von im wesentlichen weniger als
0,5 Sekunden besitzen. Des weiteren werden bei der bestehenden Technologie
und bei den bestehenden Verfahren Hydraulikdrücke verwendet, um die Einspritzdrücke und
Einspritzgeschwindigkeitsprofile zu erzeugen. Jedoch sind Hydraulikfluide
nicht leicht mit Reinraumeinrichtungen kompatibel. Somit ist das Spritzgießen von
Vorrichtungen medizinischer Qualität und verwandten Mikroteilen
mit der bestehenden Technologie stark eingeschränkt.
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Bei
einem Versuch, die Probleme dieser bekannten Spritzgießmaschinen
und -verfahren zu überwinden,
ist vorgeschlagen worden, daß die Spritzmaschine
ein System enthält,
bei dem das erwärmte
Kunststoffmaterial plastifiziert und dann in das vordere Ende eines
Spritzkolbens eingeführt wird,
siehe zum Beispiel EP-A-0 672 512 und EP-A-0 868 987. Eine Spritzgießmaschine
und ein Verfahren gemäß EP-A-0
672 512 werden im Oberbegriff der Ansprüche 1; 12 offenbart. Solche
Maschinen besitzen jedoch keine gute Kontrolle über das Füller des Kunststoffmaterials
in das Formnest, weil sie Druckluftzylinder verwenden oder erfordern,
um den Spritzkolben anzutreiben – eine Konstruktion oder ein
Mechanismus, der die Einspritzgeschwindigkeit nicht genau kontrollieren
kann. Was noch wichtiger ist, solche Spritzgießmaschinen können den
Einspritzprozess nicht anhalten, wenn das Formnest gefüllt wird, außer durch
die Erhöhung
des Druckaufbaus während
des Formprozesses. Die Steuerung des Formprozesses durch Messen
des Druckanstiegs führt
zu großen
Schwankungen der geformten Teile; dies ist für die meisten Formvorgänge kein
zufriedenstellendes Ergebnis. Die US-A-5 380 187 beschreibt eine Spritzgießmaschine,
die aus einer Kombination aus einer Schnecke zum Mischen, Erwärmen und
Plastifizieren des Kunststoff- oder Harzmaterials zur Ablage vor
einem Spritzkolben zur Durchführung
des Füllprozesses
besteht. Solche Vorrichtungen sind jedoch auf das Formen von Schußvolumen
von weit über
3,5 Kubikzentimeter beschränkt
und sind für
das Formen von dünnwandigen
Mikroteilen nicht zufriedenstellend.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer neuen Spritzgießmaschine
zum Formen von Mikroteilen, die Kunststoffschußvolumen von 0,001 bis 3,5
Kubikzentimeter verwenden.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Mikroteilspritzgießmaschine,
die während
der Einspritzphase bei sehr hoher Geschwindigkeit einen hohen Druck bereitstellen
kann, während
sie einen Rückstrom
in den Einspritzzylinderteil der Mikroteilspritzgießmaschine
und daran vorbei verhindert.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer neuen Spritzgießmaschine
für Mikroteile,
die aus einem Plastifizierabschnitt und einem Einspritzabschnitt
besteht, der die Verwendung von Kunststoffschußvolumen von 0,001 bis 3,5
Kubikzentimeter gestattet.
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Des
weiteren besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der
Bereitstellung einer neuen Mikrospritzgießmaschine, die einen Einspritzabschnitt
enthält,
welcher zur genauen Positionierung und Steuerung des Stroms von
geschmolzenem Kunststoffmaterial in das Formnest zum Formen des Mikroteils
durch einen Linearmotor angetrieben wird.
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Noch
eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer neuen Mikrospritzgießmaschine
mit genauer Mittelliniensteuerung des Spritzkolbens, der Düse und des Formwerkzeugs,
um eine genaue Ausrichtung des sich daraus ergebenden Harzströmungskanals
auf die genaue Abmessung von ca. weniger als 0,1 mm ohne komplexe
Neuausrichtung mit dem Formwerkzeugwechsel aufrechtzuerhalten.
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Noch
eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausführung einer
Mikrospritzgießmaschine,
die eine Stützleiste
auf dem erwärmten
Zylinderblock verwendet, die sich auf der Mittellinie des Formwerkzeugs,
der Spritzdüse,
des Harzströmungskanals
und des Einspritzzylinders befindet und Temperaturänderungen
des Heizblockes Rechnung trägt,
während
sie die Mittellinie der Spritzgießmaschine konstant hält.
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Schließlich besteht
eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung
eines Einspritzabschnitts einer Spritzgießmaschine, die dazu ausgeführt ist,
Einspritzzylinder und Einspritzstifte verschiedener Größe leicht
aufzunehmen und ihnen Rechnung zu tragen, um verschiedene Kunststoffschußvolumen
von 0,001 bis 3,5 Kubikzentimeter zum Formen des Mikroteils gewünschter
Größe bereitzustellen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spritzgießmaschine
nach dem kennzeichnenden Teil des angehängten Anspruchs 1 bereitgestellt.
Im Gebrauch der Spritzgießmaschine erweicht
der Plastifizierabschnitt das geschmolzene Kunststoffmaterial oder
Harz und führt
es dem Einspritzabschnitt der Spritzgießmaschine zu. Zweckmäßigerweise
dosiert ein Schneckenglied die Kunststoff- oder Harzgranulate in
die Plastifizierkammer. Der Plastifizierkolben nimmt das geschmolzene Kunststoffmaterial
in der Kammer in Eingriff und ist so bemessen, daß beim Schmelzen
des Kunststoffmaterials die eingeschlossene Luft zwischen dem Kolben
und der Zylinderkammerwand ausströmen kann. Wenn das Kunststoff-
oder Harzmaterial vollständig geschmolzen
ist, wird das Kunststoffmaterial durch den Plastifizierdruckluftzylinderkolben
am geöffneten Ventilmittel,
das den Plastifizierabschnitt von dem Einspritzabschnitt trennt,
vorbei in den Harzströmungskanal
des Einspritzabschnitts gedrückt.
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Durch
Positionieren des Einspritzzylinders des Einspritzteils der Spritzgießmaschine
im Zylinderblock in axialer Ausrichtung auf den Harzströmungskanal,
der mit der Düse
zusammenwirkt, kann Kunststoffmaterial in das Formwerkzeug eingespritzt werden.
Der Einspritzabschnitt wird auf der Mittellinie des Formwerkzeugs
gehalten. Das Stiftglied ist zweckmäßigerweise präzisionsgemäß in der
Bohrung des Einspritzzylinders angebracht, so daß es in sehr enger Toleranz
bezüglich
der Bohrung in einem Bereich von ca. 0,012 mm oder weniger gehalten wird.
Das präzisionsgemäße Anbringen
des Einspritzstifts in der Bohrung des Einspritzzylinders sowie
die Verwendung eines Elektromotors, vorzugsweise eines Linearmotors,
der den Einspritzstift in Eingriff nimmt, gestattet das Anlegen
von hohen Drücken
bei sehr hohen Geschwindigkeiten während der Einspritzphase des
geschmolzenen Harzes durch den Harzströmungskanal und die Düse in den
Formwerkzeugabschnitt. Des weiteren wird durch das präzisionsgemäße Anbringen
ein Rückstrom
zwischen dem Einspritzstift und der Zylinderbohrung während des
Formprozesses verhindert. Das zwischen dem Einspritzabschnitt und
dem Plastifizierabschnitt angeordnete Ventilmittel wird während des
Einspritzprozesses geschlossen, um einen Rückstrom des Harzmaterials in
den Plastifizierzylinder mit geringerer Druckkapazität zu verhindern.
Das Ventilmittel umfaßt
zweckmäßigerweise
ein sich verjüngendes Ventilglied,
das vorzugsweise durch einen Druckluftzylinder angetrieben wird.
Das Ventilglied ist innerhalb des Plastifizierzylinderblocks angeordnet
und wird auf der geeigneten gleichförmigen Kunststoffschmelztemperatur
gehalten.
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Wenn
das erwärmte
Kunststoff- und Harzmaterial durch den Plastifizierzylinder in den
Harzströmungskanal
und den Einspritzzylinder gedrückt wird,
wird das Ventilglied geschlossen, und der Einspritzstift wird nach
vorne getrieben, um den Strom aus erwärmtem Kunststoffmaterial durch
die Düse und
den Einguß in
das geschlossene Formnest zu treiben.
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Der
Einspritzstift wird durch ein Elektromotormittel angetrieben. Der
Begriff Elektromotormittel kann zur Beschreibung eines Drehmotors
verwendet werden, der mit einer Kugelspindelvorrichtung verbunden
ist, um die Drehbewegung in eine Linearbewegung umzuwandeln. Es
ist jedoch eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, daß es sich
bei dem Elektromotormittel um einen Linearmotor handelt, der dem
Einspritzstift direkt eine Linearbewegung bereitstellt. Der Begriff „Linearmotor" wird zur Beschreibung
eines Motors verwendet, der in einer linearen Bewegung, anstatt
in einer Drehbewegung, elektrisch angetrieben wird. Eine bei der
vorliegenden Erfindung nützliche
Art von Linearmotor ist ein Linearservo- oder -schrittmotor, der
von der Firma Trilogy Linear Motor, Webster, TX, hergestellt und vertrieben
wird. Der Linearmotor stellt eine Linearbewegung bereit, die die
Geschwindigkeit und den Druck, mit der bzw. dem der Einspritzstift
beaufschlagt wird, einrückt
und steuert.
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Die
elektronische Steuerung des Linearmotors sorgt für die Bewegung des Einspritzstifts
mit sehr hoher Geschwindigkeit, während eine Präzisionssteuerung
und -anordnung des Einspritzstifts aufrechterhalten wird. Die Position
des Einspritzstifts wird kontinuierlich überwacht und dem elektronischen
Steuersystem über
eine Linearmessvorrichtung, wie zum Beispiel einen LVDT, zugeführt. Der Einspritzstift
wird durch den Linearmotor in Eingriff genommen und geschoben, ist
aber nicht unbedingt direkt mit dem Linearmotor verbunden. Falls
erwünscht,
wird durch den Verzicht auf eine direkte Verbindung zwischen dem
Einspritzstift und dem Linearmotor das Erfordernis einer genauen
Ausrichtung bezüglich
des Einspritzstifts und des Linearmotors vermieden. Die axiale Vorwärtsbewegung
des Einspritzstifts im Harzströmungskanal
spritzt wie gewünscht
zwischen ca. 0,001 und 3,5 Kubikzentimeter Kunststoffschußvolumen
in das Formwerkzeug.
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Nach
Beendigung des Formzyklus wird der Einspritzstift unter Last axial
nach hinten bewegt, während
das Ventilglied geöffnet
wird, und geschmolzenes Kunststoffmaterial von dem Plastifizierzylinder tritt
in den Harzströmungskanal
ein, um den Einspritzstift vom Formwerkzeugabschnitt nach hinten zu
drücken.
Durch den Kunststoffmaterialstrom in den Harzströmungskanal wird der Einspritzstift
während
des Neuladezyklus eines vorbestimmten Schußvolumens von geschmolzenem
Kunststoffmaterial vom Plastifizierabschnitt in den Einspritzabschnitt
zurückgeführt.
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Nach
dem Strom von geschmolzenem Harz in den Harzkanal, was als Vorbereitung
eines vorbestimmten Schußvolumens
von geschmolzenem Kunststoffmaterial bekannt ist, wird der Formwerkzeugabschnitt
axial von der Düse
weg bewegt, und das Formwerkzeug wird geöffnet, um ein Ausdrücken des
geformten Mikroteils aus dem Formnest zu gestatten. Danach wird
das Ventilmittel geschlossen und der Formwerkzeugabschnitt in Axialrichtung
zur Ineingriffnahme der Düse
bewegt, um den Formzyklus für
das vorbestimmte Schußvolumen
zu wiederholen.
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Wie
oben angeführt,
wirkt die Einspritzdüse mit
dem Einspritzstift zusammen, um das Einspritzen des erwärmten Harzes
oder Kunststoffmaterials durch die Eingußöffnung in das Formnest zu erleichtern.
Das Formnest ist so ausgeführt,
daß das
geformte Mikroteil durch Ausdrückstifte
oder Saugwirkung nach jedem Betriebszyklus leicht aus dem Formnest
entfernt werden kann. Durch Verwendung von Strömungskanälen für Kunststoff- oder Harzmaterial
mit einem Durchmesser von ca. 0,5 bis 6,0 mm können Kunststoffschußvolumen
zwischen ca. 0,001 und 3,5 Kubikzentimeter leicht erreicht werden.
Aufgrund der reduzierten Größe der Kunststoffströmungskanäle ist des
weiteren die Anzahl von Teilen, die unter Verwendung des in der
Plastifizierkammer enthaltenen geschmolzenen Kunststoff- oder Harzmaterials
geformt werden kann, reduziert, wodurch eine maximale Formleistung
ohne Beeinträchtigung des
Kunststoff- oder Harzmaterials zwischen Ladungen der Granulate gewährleistet
wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Formen eines Kunststoffteils nach dem kennzeichnenden Teil des angehängten Anspruchs
12 bereitgestellt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen offenbart.
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Die
vorhergehende Beschreibung oder andere Eigenschaften, Aufgaben,
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung
der folgenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich;
darin zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht der Spritzgießmaschine, die das Laden von
Kunststoff- oder Harzgranulaten in den Plastifizierabschnitt der
Spritzgießmaschine
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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2 eine
Querschnittsansicht der Spritzgießmaschine, die das Schmelzen
der Kunststoff- oder Harzgranulate im Plastifizierabschnitt und
das Füllen
des Einspritzabschnitts mit einem vorbestimmten Schußvolumen
von geschmolzenem Kunststoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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3 eine
Querschnittsansicht der Spritzgießmaschine, die das Einspritzen
von Kunststoff- oder Harzmaterial durch den Harzströmungskanal und
die Düse
in das Formwerkzeug durch Bewegen des elektrischen Linearmotors
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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4 eine
Querschnittsansicht der Spritzgießmaschine, die die axiale Bewegung
des Formwerkzeugabschnitts vom Einspritzabschnitt und das Öffnen des Formwerkzeugs
zum Ausdrücken
des geformten Mikroteils gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 eine
vergrößerte Teilansicht,
die das Ventilglied im geschlossenen Zustand zwischen dem Plastifizierabschnitt
und dem Einspritzabschnitt der Spritzgießmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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6 eine
vergrößerte Teilansicht,
die das Ventilglied im geöffneten
Zustand zwischen dem Plastifizierabschnitt und dem Einspritzabschnitt
zum Gestatten des Stroms eines vorbestimmten Schußvolumens
von geschmolzenem Kunststoffharz oder -material in den Einspritzabschnitt
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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7 eine
vergrößerte Teilansicht,
die die Position des Einspritzstifts beim Füllen des Harzströmungskanals
mit geschmolzenem Kunststoff- oder Harzmaterial vom Plastifizierabschnitt
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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8 eine
vergrößerte Teilansicht,
die die Positionierung eines Ventilglieds zwischen dem Plastifizierabschnitt
und dem Einspritzabschnitt gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Nunmehr
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen in den mehreren Ansichten
durchweg gleiche Zahlen zur Bezeichnung der gleichen oder ähnlicher
Teile verwendet worden sind, bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf eine Spritzgießmaschine
zum Formen von Mikroteilen. Die Mikroteile besitzen im allgemeinen
Wanddicken zwischen ca. 0,025 und 0,3 mm. Wie in den 1 – 4 der
Zeichnungen gezeigt, besteht die Mikrospritzgießmaschine 10 aus einem
Plastifizierabschnitt 12, einem Einspritzabschnitt 14 und
einem Formwerkzeugabschnitt 11. Der Plastifizierabschnitt 12 ist
zum Erweichen und gesteuerten Zuführen des geschmolzenen Kunststoff-
oder Harzmaterials in den Einspritzabschnitt der Spritzgießmaschine
ausgeführt.
Die Spritzgießmaschine 10 enthält einen
erwärmten
Zylinderblock 16, der aus einem oberen Abschnitt 17 und
einem unteren Abschnitt 18, die integral miteinander ausgebildet
sind, besteht. Der obere und der untere Abschnitt des Zylinderblocks 16 enthalten
vorzugsweise Heizlöcher 20 darin,
die am besten in den 5 und 6 gezeigt
werden. Die Heizlöcher
sind im ganzen Block 16 angeordnet und zur Aufnahme elektrischer Heizpatronen 21 darin
zur Bereitstellung einer gleichförmigen
Erwärmung
des Zylinderblocks ausgeführt.
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Der
Plastifizierabschnitt 12 enthält ein spiralförmiges Dosierschneckenglied 22,
das durch einen (nicht gezeigten) Schrittmotor zur Drehung im Uhrzeigersinn
angetrieben wird. Das obere Ende 23 des spiralförmigen Schneckenglieds
ist zur Aufnahme der Kunststoff- oder Harzgranulate 24 aus
einem einen Kunststoffgranulatvorrat enthaltenden Trichter 25 ausgeführt. Des
weiteren enthält
Plastifizierabschnitt 12 einen Plastifizierdruckluftzylinder 26,
der einen Plastifizierkolben 27 in der Plastifizierkammer oder
-bohrung 13 antreibt, die im erwärmten Zylinderblock 16 angeordnet
ist und die erwärmten
Kunststoffgranulate enthält.
Die Bohrung 13 ist zur Aufnahme der Kunststoff- oder Harzgranulate 24 vom
spiralförmigen
Schneckenglied 22 ausgeführt, wobei die Position wie
in 1 gezeigt ist. Der Plastifizierkolben 27 wirkt
mit der Bohrung 13 im erwärmten Zylinderblock 16 zum
Komprimieren und Erwärmen
der Kunststoff- oder Harzgranulate zu einem flüssigen Zustand zusammen, wobei
die Position wie in 1 gezeigt ist. Der Plastifizierkolben 27 ist
bezüglich
der Bohrung 13 so bemessen, daß eingeschlossene Luft während der
Komprimierung und Erwärmung
der Kunststoffgranulate am Kolben und der Bohrungswand vorbei ausströmen kann.
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Wie
weiterhin in den 1 und 7 gezeigt,
verlässt
eine Leitung 29 die Bohrung 13 und steht mit dem
Harzströmungskanal 32 des
Einspritzabschnitts 14 in Verbindung. In der Leitung 29 befindet
sich ein Hochdruckventilglied 31, das zwischen einer geöffneten
und einer geschlossenen Position betätigbar ist, wie in den 5 und 6 gezeigt. Die
Leitung 29 ist so ausgeführt, daß sie den Harzströmungskanal 32 schneidet,
um dem Einspritzkanal geschmolzenes Kunststoff- oder Harzmaterial
zuzuführen
und ihn damit zu füllen,
wie nachfolgend beschrieben.
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Der
Einspritzabschnitt 14 der Spritzgießmaschine 10 besteht
aus einem Harzströmungskanal 32,
einem Einspritzzylinder 33 und einem Einspritzstift 34,
der mit einem mit einem Linearantriebsmittel oder -motormittel 36 verbundenen
Schubstift 35 in Eingriff gebracht werden kann, wie am
besten in den 1 – 4 und 7 gezeigt.
Der Einspritzzylinder 33 ist entfernbar an einer zwischen
dem oberen Abschnitt 17 und dem unteren Abschnitt 18 des
Zylinderblocks 16 angeordneten Bohrung 37 angebracht. Der
Einspritzzylinder 33 enthält eine sich über seine Länge erstreckende
Bohrung 38 (7), die den Harzströmungskanal 32 darin
definiert und zur Aufnahme des Einspritzstifts 34 zur Hin-
und Herbewegung darin ausgeführt
ist. Der Harzströmungskanal 32 ist
axial auf eine Düse 40 ausgerichtet,
die einen Einguß 41 im
Formwerkzeugglied 44 in Eingriff nimmt, um das Einspritzen
des geschmolzenen Kunststoff- oder Harzmaterials durch den Einguß in das
Formwerkzeug zu gestatten, wie am besten in 4 gezeigt.
Falls erforderlich, können
Heizspulen 42 dort um den Zylinderblock herum vorgesehen
werden, wo der Harzströmungskanal
die Düse 40 in
Eingriff nimmt, um den geschmolzenen Zustand des Kunststoff- oder
Harzmaterials zu erleichtern und aufrechtzuerhalten. Die Heizspule
wird in den 1 – 4 gezeigt.
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Das
Einspritzstiftglied 34 ist zur Aufnahme in der Bohrung 38 des
Einspritzzylinders 33 und zum Halten einer sehr engen Toleranz
bezüglich
der Bohrung in einem Bereich von ca. 0,012 oder weniger ausgeführt. Dieses
präzisionsgemäße Anbringen
des Einspritzstifts im Einspritzzylinder gestattet das Anlegen von
hohen Drücken
mit sehr hohen Geschwindigkeiten während der Einspritzphase, während ein Rückstrom
von geschmolzenem Harz zwischen dem Einspritzstift und dem Einspritzzylinder 33 während des
Einspritzvorgangs verhindert wird. Wie in 5 gezeigt,
ist das in der Leitung 29 des Plastifizierabschnitts 12 angeordnete
Ventilglied 31 während
des Einspritzschritts (3) geschlossen, um einen Rückstrom
des Harzmaterials in den Niederdruckkapazitätsplastifizierzylinder zu verhindern.
Wie in den 5 und 6 gezeigt,
ist das Ventilglied 31 ein durch einen Druckluftzylinder 39 angetriebenes
konisches Ventil. Das Ventilglied 31 ist innerhalb des
erwärmten
Zylinderblocks angeordnet und wird auf einer ordnungsgemäßen gleichförmigen Kunststoffschmelztemperatur
gehalten.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Ventilglied 31 konzentrisch
mit dem Plastifizierzylinder 26 und dem Kolben 27 angeordnet,
um den Strom von geschmolzenem Kunststoffmaterial durch die Leitung 29 von
dem Plastifizierabschnitt zum Einspritzabschnitt auf vorbestimmte
Weise zu steuern. In 8 ist das konische Ende 30 des
Ventilglieds 31 strukturell zur Ineingriffnahme des Einlasses
zur Leitung 29 angeordnet, um den Strom von geschmolzenem
Kunststoffmaterial in den Einspritzabschnitt während des Einspritzschritts
(3) zu sperren und einen Rückstrom des Harzmaterials in
den Niederdruckkapazitätsplastifizierzylinder
zu verhindern.
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Der
Vorgang des Schmelzens des Kunststoffmaterials und des Füllens des
Einspritzabschnitts wird in 2 gezeigt.
Die geschmolzenen Kunststoffharzgranulate 24 in der Bohrung 13 werden
durch den Plastifizierkolben 27 komprimiert, und das Ventilglied 31 wird
geöffnet,
wie in den 6 und 8 gezeigt.
Der Plastifizierkolben 27 zwingt das erwärmte Kunststoff- oder Harzmaterial
zur Strömung
in den Harzströmungskanal 32 einschließlich der
Bohrung 38 am Einspritzzylinder 33 des Einspritzabschnitts 14.
Dadurch wird der Harzströmungskanal
gefüllt,
wobei die Position wie in 2 gezeigt
und in 7 dargestellt ist.
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Der
Plastifizierkolben 27 wird durch einen Druckluftzylinder 26 in
die Kammer oder Bohrung 13 im oberen Abschnitt 17 bewegt.
Der Zylinderblock 16, der den Plastifizierkolben und die
Kammer umgibt, wird auf die ordnungsgemäße Schmelz- und Einspritzverarbeitungstemperatur
für das
bestimmte gerade geformte Kunststoff- oder Harzmaterial erwärmt. Im
allgemeinen liegt diese Temperatur zwischen ca. 177°C (350°F) und 343°C (650°F). Diese Erwärmung wird
durch die elektrischen Heizpatronen 21 bewerkstelligt,
die in die Heizlöcher 20 eingeführt werden.
Vorzugsweise werden die Heizpatronen im Zylinderblock in einer Ausrichtung
angeordnet, die bezüglich
des Einspritzzylinders und des Harzströmungskanals axial positioniert
ist. Die durch den Plastifizierdruckluftzylinder 26 auf
den Plastifizierkolben 27 wirkende Kraft und die sich aus
den elektrischen Heizpatronen ergebende Erwärmung erleichtert das Schmelzen
der Kunststoff- oder Harzgranulate in der Kammer oder Bohrung 13.
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Das
entweder in der Leitung 29 (1 – 6)
angeordnete oder ihr zugeordnete (8) Ventilglied 31,
das sich zwischen dem Harzströmungskanal
und dem Einspritzzylinder und der Plastifizierkammerbohrung 13 befindet,
ist geöffnet,
während
die Düse
gegen das Formwerkzeugglied 44 und den Einguß 41 gehalten
wird. Das Ventilglied 31 wird durch den Druckluftzylinder 39 oder
durch einen konzentrisch angebrachten Zylinder, der in 8 nicht gezeigt
wird, zwischen der geöffneten
und der geschlossenen Position bewegt. Während der Zeitdauer, die das
Ventilglied 31 geöffnet
ist, empfängt
der Einspritzabschnitt geschmolzenen Kunststoff und wird damit gefüllt, und
die Düse 44 ist
gegen das Formwerkzeug angeordnet, während das zuvor geformte Kunststoffteil
abkühlt.
Dadurch wird verhindert, daß geschmolzenes
Kunststoffmaterial während
des Füllschritts
die Düse 42 verlässt und
in das Formwerkzeug eintritt.
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Ein
Linearmotor 36 steuert die Bewegung des Einspritzstifts 34.
Während
des Füllens
des Einspritzabschnitts mit Kunststoffmaterial wird durch den Linearmotor 36 eine
kleine Last oder ein kleiner Druck gegen den Einspritzstift gehalten.
Da beim Füllen
auf das geschmolzene Kunststoffmaterial in der Plastifizierkammer
durch den Plastifizierkolben ein größerer Druck ausgeübt wird,
schiebt das in den Einspritzabschnitt 14 eintretende geschmolzene Kunststoffmaterial
den Einspritzstift 34 von der Düse 40 weg, wobei die
Position des Strömungskanalpfeils in 7 gezeigt
wird. Dieses Wegdrücken
des Einspritzstifts und Linearmotors von der Düse hilft dabei, das Bilden
von Lücken
in dem in der Plastifizierkammer oder Bohrung 13 enthaltenen
geschmolzenen Kunststoffmaterial zu verhindern. Des weiteren stellt der
Eingriff des Einspritzstifts mit dem Linearmotor die vorbestimmte
Steuerung des erforderlichen Schußvolumens für das zu formende Teil bereit. Wenn
der Einspritzstift im Einspritzzylinder axial nach hinten gedrückt wird,
hält die
Rückkopplung
eines Linearweggebersensors an die Linearmotorsteuerung den Einspritzstift
an einer vorbestimmten Stelle an. Da das Kunststoffmaterial unter
Druck gehalten wird, während
sich der Einspritzstift von der Düse axial nach hinten bewegt,
wird die Gleichförmigkeit
des Kunststoffschußvolumens
im Harzströmungskanal zum anschließenden Formen
des nächsten
Mikroteils ordnungsgemäß und auf
vorbestimmte Weise gesteuert. Wenn der Linearmotor 36 die
ordnungsgemäße Position
für das
gewünschte
Schußvolumen, das
durch den Harzströmungskanal,
die Düse
und den Einguß in
das Formwerkzeug eingespritzt werden soll, erreicht, wird der Linearmotor
angehalten, und die Last am Plastifizierzylinder wird entfernt. Dann
wird das Ventilglied 31 geschlossen (5), um
die Last am Plastifizierzylinder zu entfernen. Danach bewegt sich
der Linearmotor 36 vom Einspritzzylinder um ca. 1 mm axial
nach hinten, um Druck auf die Schmelze vor dem Einspritzstift abzubauen.
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Wie
in 4 gezeigt, werden nach dem Füllen des Schußvolumens
in den Einspritzabschnitt und Beendigung des Einspritzens von Kunststoffmaterial
in das Formwerkzeug (3) die Formwerkzeugglieder 44 und 45 axial
von der Düse 40 bewegt und
bezüglich
einander geöffnet.
Während
des Öffnens
des Formnests wird ein Ausdrück-
oder Aushebestift 43 oder ein (nicht gezeigter) Saugschlauch
angelegt, um das geformte Mikroteil 50 aus dem Formnest
zu entfernen. Die Düse 40 wird
während
dieses Zeitraums in einem Abstand von dem kalten Formwerkzeug gehalten,
um ein Abkühlen
der Düse
und anschließendes
Härten
des in der Düse
enthaltenden geschmolzenen Kunststoff- oder Harzmaterials zu verhindern.
Die Formwerkzeugglieder sind in axial ausgerichteter Beziehung miteinander
verbunden und werden durch den Formwerkzeugdruckluftzylinder 47 axial
bezüglich
der Düse
bewegt.
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Wenn
das Formwerkzeug geschlossen ist und axial zur Ineingriffnahme der
Düse bewegt
wird, befindet sich der Einspritzstift in der rückwärtigen Position. Der Eingriff
des Formwerkzeugs mit der Düse durch
den Druckluftzylinder 47 verhindert ein Lecken von Kunststoffmaterial
zwischen der Düse 40 und dem
Einguß 41.
Dann wird Kunststoffmaterial in das Formnest eingespritzt, indem
das Elektromotormittel 30 zum Antrieb des Ausdrückstifts
nach vorne betätigt
wird. Das geschmolzene Kunststoffmaterial wird mit einem Druck von
34,5 MPa bis 690 MPa (5000 psi bis 100 000 psi) und in der Regel
von 345 MPa bis 690 MPa in den Formwerkzeugabschnitt 11 eingespritzt.
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Der
Begriff „Elektromotormittel" kann dazu verwendet
werden, einen mit einer Kugelspindelvorrichtung, die die Drehbewegung
in eine Linearbewegung umwandelt, verbundenen Drehmotor zu beschreiben.
Jedoch besteht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darin, daß es sich
bei dem Elektromotormittel um einen Linearmotor 36 handelt,
der dem Einspritzstift 34 direkt eine Linearbewegung bereitstellt.
Der Begriff „Linearmotor" wird dazu verwendet,
einen Motor zu beschreiben, der elektrisch in einer Linearbewegung,
anstatt in einer Drehbewegung, angetrieben wird. Eine bei der vorliegenden
Erfindung nützliche
Art von Linearmotor, ist ein von der Firma Trilogy Linear Motor,
Webster, TX, hergestellter und vertriebener Servo- oder Schrittlinearmotor.
Der Linearmotor stellt eine Linearbewegung bereit, die die Geschwindigkeit
und den Druck, mit der bzw. dem der Einspritzstift beaufschlagt
wird, einrückt
und steuert.
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Zum
Erreichen eines qualitativ hochwertigen geformten Mikroteils ist
die Steuerung des Füllens des
Formwerkzeugs und des aufrechterhaltenen Drucks, während das
Kunststoffmaterial gefriert, sehr wichtig. In der Regel bewegt der
Linearmotor 36 während
des ersten Teils des Füllens
des Formnests mit Kunststoffmaterial den Kolben mit einer voreingestellten
Geschwindigkeit nach vorne, die von dem im Kunststoffmaterial erzeugten
Druck unabhängig
ist. Dies muß bei
kleinen, dünnwandigen
Mikroteilen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von 500 cm/s oder darunter
(in der Regel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 125 cm/s) erfolgen.
Bei hohen Einspritzge schwindigkeiten bewirkt die Scherung des Kunststoffmaterials
eine Verringerung der Viskosität
des Kunststoffmaterials. Diese Verringerung der Viskosität gestattet
es der Maschine, dünnwandige
Dicken zu füllen,
bevor das Kunststoffmaterial gefriert. Im geformten Mikroteil werden
Wanddicken zwischen 0,025 und 0,30 mm erreicht. Die Linearmotorgeschwindigkeit
kann mit einem Servoantrieb gesteuert werden, um während des
Füllstadiums
die Motorgeschwindigkeit in vorbestimmten Schritten zu ändern. Dies
ist erforderlich, wenn Mikroteile mit komplexer Geometrie geformt
werden, da es wünschenswert
ist, eine konstante Strömungsfront
von Kunststoffmaterial vorzusehen, wenn das Formwerkzeug gefüllt wird.
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Wenn
das Formnest nahezu, ungefähr
zu 95 Prozent, gefüllt
ist, wird die Einspritzbewegung von einer Geschwindigkeitssteuerung
zu einer Last- oder Kunststoffdrucksteuerung umgeschaltet. Dies
wird durch Erfassen der Position des Einspritzstifts 34 mit einem
Lineargeber erreicht, und wenn die vorbestimmte Position, in der
das Formnest nahezu gefüllt ist,
erreicht ist, schaltet das Steuersystem auf eine Drucksteuerung.
Dann wird der auf das eingespritzte Kunststoffmaterial ausgeübte Druck
durch mit verschiedenen Werten korrelierte Zeitschritte gesteuert. In
der Regel ist anfangs ein höherer
Druck und dann ein geringerer Druck erwünscht. Dadurch wird ein Kunststoffmaterialstrom
vom Einspritzzylinder in das dünnwandige
Mikroteil gestattet, während
er sich abkühlt
und schrumpft.
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Der
Linearmotor oder Drehmotor, der mit einer Kugelspindelvorrichtung
verbunden ist, ist aufgrund siener Steuerung von Geschwindigkeit,
Position und Last von einer einzigen Servosteuerung ideal zum Formen
von Mikroteilen geeignet. Diese Motorarten können über 690 MPa (100 000 psi) anlegen und
eine Einspritzzeit von 0,01 Sekunden erreichen, wenn ein geformtes
Mikroteil mit einer Wanddicke von ca. 0,05 mm erwünscht ist.
Des weiteren können diese
Motorarten sehr schnell gestartet und angehalten werden, wie es
für das
kleine Schußgrößenvolumen
von Kunststoffmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung
erforderlich ist. Nach dem Einspritzen des Kunststoffmaterials in
das Formwerkzeug und Beendigung der Haltedruckzeit kühlt das
Formwerkzeug ab, um das geschmolzene Kunststoffmaterial zu gefrieren.
Während
diese Abkühlung
bewerkstelligt wird, wiederholt der Formprozeß den Schritt des Füllens des
Einspritzabschnitts mit geschmolzenem Kunststoffmaterial und des
Ausdrückens
des geformten Teils, wie zuvor beschrieben.
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Die
vorliegende Spritzgießmaschine 10 verwendet
Druckluftzylinder zum Antrieb der Bewegung des Plastifizierkolbens
und zum Antrieb der Axialbewegung des Formwerkzeugabschnitts bezüglich des Einspritzabschnitts.
Die Einspritzstiftbewegung wird unter Verwendung eines Linearmotors
zur Bereitstellung einer hohen Geschwindigkeit und eines hohen Drucks
während
des Einspritzens bewerkstelligt. Solch eine Verwendung von Druckluftzylindern
und Elektromotormitteln erleichert eine Reinraumatmosphäre, um das
Formen aller Arten von Mikroteilen, für medizinische und elektronische
Gebiete, zu gestatten.
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Darüber hinaus
wird durch die Positionierung des Einspritzzylinders, des Einspritzstifts,
des Harzströmungskanals,
der Düse
und des Formwerkzeugs an der Mittellinie 52 (5 und 6)
des erwärmten
Zylinderblocks 16 eine Fehlausrichtung der verschiedenen
Teile bei Änderung
der Temperaturen der Komponenten verhindert. Diese Mittellinienpositionierung
verringert die Maßunterschiede
zwischen den verschiedenen Teilen auf weniger als 0,1 mm. Diese
verbesserte Position wird durch Anbringen des den Einspritzzylinder,
den Einspritzstift, den Harzströmungskanal
und die Düse
enthaltenden erwärmten
Zylinderblocks 16 als eine Mittellinienposition am Spritzgießmaschinenrahmen 52 (5 – 6)
und Gewährleisten
der Axialausrichtung und des Zusammenwirkens mit dem Formwerkzeugabschnitt 11 erleichtert.