WO2010133207A2 - Anordnung zum ausgleich der wärmedehnung in heisskanal-verteileranordnungen von schmelzeleitsystemen in spritzgiesswerkzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleich der Wärmedehnung von Heißkanal-Verteileranordnungen bei Schmelzeleitsystemen von Spritzgießwerkzeugen insbesondere für plastische Kunststoffe oder Kautschuk. Bei solchen Werkzeugen treten zwischen Schmelze, Verteileranordnung und Werkzeug große Temperaturunterschiede auf, die zu einem Versatz zwischen den Komponenten der Heißkanal-Verteileranordnung führen. Dadurch wird der glatte Fluss der Schmelze gestört. Es wird vorgeschlagen, zwischen den einzelnen Komponenten von Heißkanal-Verteileranordnungen gelenkige Verbindungselemente vorzusehen, die einen auftretenden Versatz kompensieren. Durch eine besondere Gestaltung der Elemente und/oder eine besondere Lagerung der Verteilerbalken im Werkzeug wird ein glatter Fluss der Schmelze gewährleistet, wodurch die Qualität der Spritzgießteile gesteigert und Prozesssicherheit für die Spritzgießfertigung verbessert werden kann.

Description

Bezeichnung der Erfindung:

Anordnung zum Ausgleich der Wärmedehnung in Heißkanal-Verteileranordnungen von Schmelzeleitsystemen in Spritzgießwerkzeugen

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausgleich der Wärmedehnung in Heißkanal- Verteileranordnungen von Schmelzeleitsystemen in Spritzgießwerkzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Werkzeugs, wie es bspw für das Spritzgießen von Kunststoffteilen verwendet wird. Das Werkzeug besteht auf der Düsenseite aus einer Spannplatte 2, einer Zwischenplatte 3 und einem Formeinsatz 5, der von einer Kavitätenplatte 4 gehalten wird. Auf der Auswerferseite weist das Werkzeug entsprechend einen Kerneinsatz 7, eine Zwischenplatte 8 und eine Spannplatte 9 auf. Das Werkzeug wird über die Werkzeugzentrierflansche 1 und 10 exakt in der Schließeinheit der Spritzgießmaschine positioniert. In dieses Werkzeug wird über die Angussbuchse 21 unter Druck die Schmelze in eine Heißkanal- Verteileranordnung eingeleitet. Die Verteileranordnung kann, in Abhängigkeit der zu verarbeitenden Schmelze, beheizt oder temperiert sein, um die Schmelze fließfähig zu halten. Die Gestaltung der Verteileranordnung ist abhängig von der Form des zu spritzenden Kunststoffteils und besteht im einfachsten Fall aus nur einem Verteilerbalken 13. Die Verteileranordnung verteilt die Schmelze auf die im Werkzeug angeordneten Düsen 11, über die die Schmelze in die durch Formeinsatz 5 und Kerneinsatz 7 gebildete Kavität 6 für das herzustellende Formteil eingespritzt wird. Nach Erkalten der Schmelze wird die Auswerferseite abgehoben und das Kunststoffteil entnommen oder ausgeworfen.

Bei Spritzgießwerkzeugen der erläuterten Art treten im Betrieb zwischen der Verteileranordnung mit der im Fließkanal 18 fließenden Schmelze und dem restlichen Werkzeug große Temperaturdifferenzen auf, so dass Vorkehrungen getroffen werden müssen, dass die Verteileranordnung gegenüber dem restlichen Werkzeug expandieren kann. Andererseits muss sicher gestellt werden, dass, an der Übergabestelle von Verteiler 13 und den Düsen 11, aufgrund der Temperaturdifferenzen zwischen Werkzeug und Heißkanal, kein Versatz im Übergang des Fließkanals 18 in den Fließkanal 19 auftritt. Denn dann treten „fließtote Zonen" oder „toten Ecken" auf, die zur Schmelzestagnation führen und fehlerhafte Spritzteile zur Folge haben. Bekannte Lösungen für die aufgezeigte Problemstellung sind in den Figuren 2 bis 6 erläutert:

Figur 2 zeigt ein sog. "geschraubtes System". Bei diesem System ist die Düse 11 durch Verschraubung fest mit dem Heißkanal-Verteilerbalken 13 verbunden. Durch diese Maßnahme wird ein Versatz zwischen dem Fließkanal 18 der Verteileranordnung und dem Fließkanal 19 der Düse 11 vermieden. Der Verteilerbalken 13 ist im Werkzeug nur unterhalb der Angussbuchse 21 durch eine Mittenzentrierung 14 fixiert. Die freie Ausdehnbarkeit des Verteilerbalkens 13 am anderen Ende wird durch obere und untere Stützscheiben 17, 24 gewährleistet, an denen der Verteilerbalken 13 im Werkzeug gleiten kann. Eine Wärmedehnung, dh Expansion des Verteilerbalkens 13 um einen Betrag 27 an der Übergabestelle wird über die Biegung oder Schrägstellung 28 der am Düsenanschnitt 23 gehaltenen Düse 11 kompensiert. Naturgemäß ist eine Biegung nur bis zu einem Wert zulässig, bei dem keine bleibende Verformung oder eine Undichtigkeit zu befürchten ist. Diese maximale Biegung wird über das zulässige Längenverhältnis zwischen der Entfernung 25 der Düse 11 von der Zentrierung 14 des Verteilerbalkens 13 zu der Länge 26 der Düse definiert. In Fällen, wo dieses Verhältnis überschritten wird, ist man gezwungen, auf andere Lösungen auszuweichen.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine weitere bekannte Anordnung, die in der Fachwelt als "geflanschtes System" bezeichnet wird. Bei dieser Anordnung sind die Düsen 11 durch einen Flansch 12 fest im Werkzeug angeflanscht. Der Flansch 12 ist so gestaltet, dass der Verteilerbalken 13 über den Flansch gleiten kann. Der Verteilerbalken 13 ist nur in der Nähe der Angussbuchse 21 durch eine Mittenzentrierung 14 fest im Werkzeug fixiert. Ansonsten wird er durch einen Längszentrierstift 16 in einer Längszentriernut 15 geführt und kann bei Erwärmung in der durch die Längszentriernut 15 vordefinierte Richtung expandieren. Eine Stützscheibe 17 gewährleistet, dass der Verteilerbalken 13 dichtend an der Düse 11 anliegt. Diese Abdichtung kann ebenso über eine Schraubenverbindung zwischen Düse 11 und Verteiler 13 oder als Kombination der beiden Varianten hergestellt werden. Bei der vordefinierten Solltemperatur und bei korrekter Kalkulation der Wärmedehnung liegt die Austrittsbohrung des Fließkanals 18 des Verteilerbalkens 13 exakt über dem Fließkanal 19 der Düse 11. Diese Annahme gilt aber nur für den Fall, dass die Temperatur des Verteilerbalkens 13 und die Werkzeugtemperatur eine vordefinierte Temperaturdifferenz ΔT aufweisen. Andernfalls kommt es, wie in Figur 4 gezeigt, zwischen dem Fließkanal 18 des Verteilerbalkens 13 und dem Fließkanal 19 der Düse 11 zu einem Versatz 20 (vgl vergrößerte Darstellung Z). Für Verteilanordnungen mit größeren Abmessungen bzw größere Spritzgießteile ist diese Lösung daher ebenfalls nicht geeignet.

Figur 5 zeigt eine Heißkanal-Verteileranordnung, wie sie für Spritzgießwerkzeuge mit größeren Abmessungen üblich ist. Bei dieser bekannten Anordnung wird der Verteilerbalken in zwei oder mehrere schwimmend gelagerte Abschnitte unterteilt. Die Heißkanal-Verteileranordnung besteht im gezeigten Fall aus einem Brückenverteiler 29 und einem Unterverteiler 30. Die beiden Verteilerelemente liegen flach aufeinander oder nebeneinander. Um eine Wärmedehnung zuzulassen, wird der Brückenverteiler 29 nur an der Angussbuchse durch eine Mittenzentrierung 14 im Werkzeug fixiert und seine Ausdehnungsrichtung durch eine Längszentrierung 15, 16 definiert. Der in Fließrichtung folgende, also die Schmelze übernehmende Unterverteiler 30 ist an oder in unmittelbarer Nähe der Übergabestelle 34 durch eine weitere Mittenzentrierung 14' fixiert. Der Brückenverteiler 29 kann sich an der Übergabestelle 34 in Expansionsrichtung über den in Fließrichtung folgenden Unterverteiler 30 schieben und so expandieren. Die Problematik besteht hier ebenso wie bei der in Figur 3 und 4 gezeigten Anordnung darin, dass die Fließkanäle auch an der Übergabestelle 34 zwischen den Verteilerbalken 29, 30 nur bei einer bestimmten Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur des Schmelzeleitsystems und der Formtemperatur des Spritzgießwerkzeugs fluchten. Weicht ΔT von den vordefinierten und kalkulierten Werten ab, fluchten die aufeinander treffenden Fließkanäle nicht mehr und es entsteht, obwohl der Versatz zwischen Düse 11 und Unterverteiler 30 durch Verwendung einer geschraubten Düse verhindert wird, ein weiterer Versatz zwischen dem Unterverteiler 30 und dem Brückenverteiler 29.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Ausgleich der Wärmedehnung von Heißkanal- Verteileranordnungen bei Schmelzeleitsystemen von Spritzgießwerkzeugen zu schaffen, bei der die durch thermische Expansion auftretende Versätze von Fließkanälen so kompensiert sind, dass keine fließtoten Zonen oder toten Ecken auftreten, die den glatten Fluss der Schmelze behindern und zur Schmelzestagnation führen. Diese Aufgabe wird durch die Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Konkrete Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 9.

Mit der vorgeschlagenen Anordnung wird gegenüber herkömmlichen Anordnungen der Vorteil erzielt, dass die im Spritzgießverfahren gefertigten Teile, durch die Vermeidung von Schmelzestagnation in fließtoten Zonen, eine höhere Qualität aufweisen, die Prozesssicherheit in der Spritzgießfertigung wesentlich verbessert wird und die Wartungsintervalle für das Schmelzeleitsystem verlängert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Figuren 6 bis 10 erläutert:

Figur 6 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2, bei der das Verbindungselement als exzentrische Buchse 38 ausgebildet ist. Der Verteilerbalken 13 ist wie üblich in Höhe der Angussbuchse 21 durch eine Mittenzentrierung 14 im Werkzeug fixiert und im übrigen bei Raumtemperatur mit etwas Spiel im Werkzeug gelagert. Die Düse 11 ist über einen Flansch 12 ebenfalls im Werkzeug fixiert. Wenn der Verteilerbalken 13 durch Aufheizen expandiert, tritt an der Übergabestelle zwischen dem Fließkanal 18 des Verteilerbalkens 13 und dem Fließkanal 19 der Düse 11 ein Versatz 20 auf, oder der bei Raumtemperatur vorhandene Versatz wird nicht komplett ausgeglichen. Damit durch einen solchen Versatz keine fließtote Zone und damit eine Schmelzestagnation auftreten kann, wird an der Übergabestelle erfindungsgemäß ein Verbindungselement in Form einer Buchse 38 mit zwei exzentrischen Ansätzen vorgesehen. Die exzentrische Buchse 38 ist in zylindrischen Ausnehmungen von Verteilerbalken 13 und Düse 11 drehbar gelagert. Bei einem durch unterschiedliche Wärmedehnung hervorgerufenem Versatz kann sich die Buchse 38 aufgrund ihrer Exzentrizität entsprechend drehen und auf diese Weise den Versatz kompensieren. Da der Fließkanal 18 in der Buchse 38 im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie im Verteilerbalken 13 und in der Düse 11 aufweist, wird der Schmelzefluss nur etwas abgelenkt. Es ist natürlich auch denkbar, die exzentrische Buchse 38 an der Angussbuchse 21 vorzusehen und den Verteilerbalken 13 auf der Höhe der Düse 11 zu fixieren. Bei großen Werkzeugen mit langen Verteilerbalken ist auch das Vorsehen von zwei exzentrischen Buchsen 38 an beiden Übergabestellen 34 denkbar. Sofern eine Fixierung vorgenommen wird, sollte diese dann im Mittenbereich des Verteilerbalkens erfolgen.

Die Figur 7 zeigt die Ausbildung an der Übergabestelle 34 zwischen den Verteilerbalken 29 und 30, bspw einem Brückenverteiler und einem Unterverteiler im Detail. Durch die in beiden Verteilerbalken drehbar gelagerte exzentrische Buchse 38 wird der Fließkanal 18 ohne wesentliche Querschnittsverringerung stufenlos weitergeführt.

Figur 7a zeigt ein Ausführungsbeispiel der exzentrischen Buchse 38 im Detail. Ihre beiden zylindrischen Ansätze weisen Drehachsen 40, 41 auf, die um einen Versatz 39 versetzt sind. Die Größe dieses Versatzes hängt von den auftretenden Temperaturdifferenzen und von den Abmessungen der Verteilerbalken 13, 29, 30 ab. Die exzentrische Buchse 38 kann so ausgebildet sein, dass sie in der Mitte zwischen den beiden Verteilerbalken 29, 30 eine Stufe 33 aufweist, die die beiden Verteilerbalken auf Abstand hält. Hierdurch wird sowohl der Wärmeübergang zwischen den Verteilerbalken reduziert als auch ein Kippen der Buchse verhindert, was zu Undichtigkeit führen könnte.

Die exzentrische Buchse 38 kann an den exzentrischen Ansätzen, mit denen sie in den zylindrischen Ausnehmungen der Verteilerbalken 13, 29, 30 oder Düsen 11 gelagert ist, mit Dichtungen 42, bspw mit einem O-Ring, versehen sein, um so eine zusätzliche Sicherheit gegen ein Austreten der Schmelze an der Übergabestelle 34 zwischen der Buchse 38 und den Verteilerbalken 29, 30 zu erzielen.

Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung gemäß Anspruch 3, bei dem das Verbindungselement als Zentrierhülse 36 ausgebildet ist, in deren Mitte der Fließkanal 18 gerade ausgebildet ist. Eine solche Ausführung ist bei ausgedehnten Heißkanal- Verteileranordnungen einsetzbar, bei denen die Verteilerbalken 29, 30 bspw als Brücken- und Unterverteiler winklig zueinander angeordnet sind. Voraussetzung für den Einsatz einer solchen Zentrierhülse 36 ist aber, dass anstatt der üblichen, in Figur 5 gezeigten Fixierung der Verteilerbalken 29, 30 an der Übergabestelle 34 die Fixierung der Verteilerbalken 29, 30 an den Stellen vorgenommen wird, die an der der Übergabestelle 34 entgegengesetzten Stelle des Fließkanals 18 bzw. 18' liegen. Im gezeigten Beispiel ist der Verteilerbalken 30 lediglich über die fest mit dem Verteiler 30 verschraubte Düse 11 im Werkzeug fixiert und kann um diesen Punkt geringfügig drehen. Der andere Verteilerbalken 29 ist gleichfalls nur an der der Übergabestelle gegenüber liegenden Stelle durch eine Mittenzentrierung 14 in Höhe der Angussbuchse 21 fixiert. Ein Auftreten von Wärmedehnung in einem oder beiden Verteilerbalken 29, 30 hat deshalb nur zur Folge, dass sich die Verteilerbalken in Richtung auf die Übergabestelle 34 ausdehnen können, was lediglich zu einer geringfügigen Änderung des Winkels 22 zwischen den Verteilerbalken 29. 30 führt, welche durch die im übrigen schwimmende Lagerung zugelassen wird. Ein unerwünschter Versatz 39 im Fließkanal 18 wird auch bei dieser Ausführungsform wirksam vermieden. Die Zentrierhülse 36 kann, wie zur exzentrische Buchse 38 in Figur 7a erläutert, auch mit einer Stufe 33 und/oder mit Dichtungen 42 versehen sein.

Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Anspruch 3, bei dem das Verbindungselement ebenfalls als Zentrierhülse 36 ausgebildet ist. Im Unterschied zu der in Figur 8 gezeigten Ausführung ist die Düse 11 nicht als Drehpunkt für den Verteilerbalken 30 ausgeführt . Deshalb ist aus den erläuterten Gründen eine Fixierung des Verteilerbalkens 30 durch eine Mittenzentrierung 14' möglichst nahe an der Düse vorzunehmen. Dadurch erfolgt die Kompensation der Wärmedehnung in der gleichen Weise wie zu Figur 8 erläutert, wobei die eingeschraubte Düse 11 minimal auf Biegung beansprucht wird.

Figur 10 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel der Anordnung gemäß Anspruch 7. Dort ist das Verbindungselement als massiver zylindrischer Ansatz 35 an dem Verteilerbalken 30 ausgebildet, der in einer entsprechenden zylindrischen Ausnehmung 37 im Verteilerbalken 29 drehbar gelagert ist. Im Übrigen erfolgt die Fixierung der Verteilerbalken 29, 30 und der Ausgleich der Wärmeausdehnung in der zu Figur 8 erläuterten Weise.

Auch bei dieser Ausführungsform kann zur Verringerung des Wärme- und Reibungskontakts eine Stufe 33 an den zylindrischen Ansatz angeformt sein oder eine Dichtung 42 in dem zylindrischen Ansatz oder der Ausnehmung vorgesehen werden.

Claims

Patentansprüche:

I . Anordnung zum Ausgleich der Wärmedehnung in Heißkanal-Verteileranordnungen von Schmelzeleitsystemen in Spritzgießwerkzeugen, bei denen die Schmelze von einem Eintrittspunkt über die Verteileranordnung, bestehend aus einem (13) oder mehreren Verteilerbalken (29, 30) mit Fließkanälen (18, 19) von einer oder mehreren Düsen (11) in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs eingespritzt wird, wobei die Verteilerbalken (13, 29, 30) der Verteileranordnung jeweils derart im Werkzeug gelagert sind, dass sie an höchstens einer Stelle fixiert sind und im Übrigen in Richtung ihres Fließkanals (18, 19) expandieren können, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewährleistung eines glatten Flusses der Schmelze an der Übergabestelle (34) zwischen Verteilerbalken (13) und Düse (11) und/oder an den Übergabestellen zwischen den mehreren Verteilerbalken (29, 30) ein gelenkiges Verbindungselement (38, 36, 35) angeordnet ist, das einen durch Wärmedehnung bedingten Versatz der Fließkanäle (18, 19) selbsttätig ausgleicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement die Form einer Buchse (38) mit zwei zueinander exzentrischen Ansätzen hat, deren Drehachsen (40, 41) einen Versatz (39) aufweisen, zwischen den exzentrischen Ansätzen der Fließkanal in der Buchse (38) stetig weitergeführt ist, und die exzentrischen Ansätze jeweils drehbar in zylindrischen Ausnehmungen von Verteilerbalken (13) und Düse (11) und/oder den Verteilerbalken (29, 30) geführt sind, so dass die Buchse (38) durch Drehen die Stellung einnehmen kann, die dem durch die Wärmedehnung hervorgerufenen Versatz (39) entspricht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 , mit mindestens zwei zueinander winklig angeordneten Verteilerbalken (29, 30), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement als Zentrierhülse (36) ausgebildet ist, die jeweils frei drehbar in zylindrischen Ausnehmungen von Düse (11) und/oder

Verteilerbalken (13, 29, 30) gelagert ist, wobei die Zentrierhülse (36) bei Wärmedehnung der Verteilerbalken (29, 30) eine

Änderung des Winkels (22) der Verteilerbalken (29, 30) zueinander zulässt, um den

Versatz (39) der Fließkanäle (18) auszugleichen.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement in Form einer Buchse (38) oder einer Zentrierhülse (36) eine Stufe (33) aufweist, die einerseits die Kontaktflächen zwischen Verteilerbalken (13) und Düse (11) und/oder zwischen den mehreren Verteilerbalken (29, 30) reduziert, damit der Wärmekontakt minimiert ist und eine sauber voneinander getrennte Temperaturregelung der Verteilerbalken (29, 30) ermöglicht wird. Andererseits verhindert die Stufe (33) ein Kippen der Buchse (38) mit der daraus entstehenden Gefahr der Undichtigkeit.

5. Anordnung nach Anspruch einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement in Form einer Buchse (38) oder einer Zentrierhülse (36) an beiden Stirnflächen Ausnehmungen aufweist, in denen jeweils ein Dichtung (42) angeordnet ist, um das Austreten von Schmelze an der Übergabestelle (34) zu verhindern.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement aus gehärtetem Stahl gefertigt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 , mit mindestens zwei zueinander winklig angeordneten Verteilerbalken (29, 30), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement als zylindrischer Ansatz (35) an einem der Verteilerbalken (29, 30) ausgebildet ist, der in einer zylindrischen Ausnehmung (37) des anderen Verteilerbalkens geführt ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerbalken (13, 29, 30) an den Enden der Fließkanäle (18, 19) im Werkzeug fixiert sind, die den Verbindungselementen (38, 36, 35) gegenüber liegen.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerbalken (13, 29, 30) an ihrem nicht fixierten Ende durch mindestens eine obere und untere Stützscheibe (17, 24) mit so geringem Spiel im Werkzeug gehalten sind, dass einerseits eine Wärmedehnung in Richtung ihres Fließkanals zugelassen wird und andererseits der Fließkanal im Bereich der Übergabestelle (34) ausreichend dicht ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerbalken (13, 29, 30) an ihren nicht fixierten Enden, an Stelle der beiden Stützscheiben (17, 24) oder in Kombination mit ihnen, durch direkte oder indirekte Verschraubung miteinander verbunden werden, die die Verteilerbalken (13, 29, 30) so stark aneinander ziehen, dass die Übergabestelle (34) zwar ausreichend dicht ist, jedoch so viel Spiel aufweist, dass ein Verdrehen der Verteilerbalken (13, 29, 30) zugelassen wird.