DE102013022128A1

DE102013022128A1 - Verfahren un Vorrichtung einer passiven Spritzguss-Nadelverschlussmechanik

Info

Publication number: DE102013022128A1
Application number: DE102013022128.5A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Der Erfindung lag die zuvor technisch nicht praxistauglich gelöste Aufgabe, in Spritzgusswerkzeugen passive Nadelverschlussvorrichtungen, die durch den Schmelzedruck gesteuert werden realisieren zu können zu Grunde. Das der Erfindung gemäße Verfahren ermöglicht es, dass das Öffnen vom Nadelverschluss durch den Schmelzedruck gesteuert werden kann, und der Angusspunkt beim Rückgang vom Schmelzedruck wieder verschlossen wird. Hierzu wurde nicht nur das Problem der Integration eines hinreichend starken, passiven mechanisches Kraftelementes gelöst, sondern dieses kann zudem in seiner Verhaltenscharakteristik eingestellt und zusammen mit der Nadel zu Wartungszwecken aus dem zusammengebauten Formwerkzeug entnommen werden. Zudem ist auch die Schließpossition der Nadel, ohne Demontage des Formwerkzeuges von außen verstellbar. Die Erfindung bietet somit die Überwindung aller bisherigen Haupthindernisse für die Realisierung von passive Nadelverschlussmechaniken.

Description

Technisches Gebiet:
Nadelverschlussmechaniken werden in der Spritzgusstechnik überwiegend in Verbindung mit Heisskanal-Formwerkzeugen eingesetzt, um die Angussöffnung zur Formhöhle hin verschließen zu können. Von einer passiven Nadelverschlussmechanik kann man dann sprechen, wenn ein durch den Schmelzedruck gesteuerte Mechanik das Öffnen und Schließen des Angusskanals bewerkstelligen würde, wobei in der gängigen Praxis bisher nur aktiv von externen Pneumatik-, Hydraulik- oder Elektro-Aktoatoren betätigte Nadelverschlüsse gebräuchlich sind. Die Erfindung ermöglicht, über das beschriebene Verfahren die Umgehung sämtlicher Haupthindernisse für die Realisierung von passiven Nadelverschlussmechaniken im Bereich der Spritzgusstechnik.
Stand der Technik:
Nadelverschlussmechaniken ermöglichen gerade auch im Bereich der Kunststoffspritzgusstechnik eine höhere Oberflächenqualität am Angusspunkt, wie sie in hygienischen Anwendungen oder für die mechanische Robustheit relativ dünnwandiger Produkte oft erforderlich ist. Hierdurch werden jedoch die Kosten für entsprechende Formwerkzeuge in einem erheblichen Umfang erhöht, was nicht zu Letzt auch durch die dazu bisher benötigten Kraft-Aktoatoren und deren Steuerungen hervorgerufen wird. Deswegen wird in Fachkreisen schon länger über den Wunsch einer passiven Nadelverschlussmechanik disskutiert, wo hingegen noch kein Unternehmen eine praxistaugliche Lösung hierzu aufzeigen konnte. Die Probleme bestanden bisher bei den angedachten Lösungswegen darin, dass die passive Mechanik, deren Nadelverschluss nahe der Angussöffnung realisiert werde muss in der Schließposition der Nadel nicht von außen einstellbar erschien, dass das erforderliche Rückschub- bzw. Verschlusselement, i. d. R. eine alternde Feder nicht ohne Zerlegen des Formwerkzeugs wechselbar wäre und zudem für eine Feder die ausreichende Kräfte aufweisen kann der Platz im Angussbereich meist nicht verfügbar ist. Ein weiteres Problem, das erst nach Analyse der technischen Abläufe zu erkennen ist liegt drin, dass durch kleine Unterschiede zwischen den Federn und den Einbausituationen ein uneinheitliches Verhalten mehrerer Nadelverschlüsse eines Formwerkzeuges zu erwarten wäre.
Durch Patentrecherchen konnten Veröffentlichungen, denen die Grundlagen für die Nadelverschlusstechnik sowie auch Mehoden zu deren verbesserter Anwendung (z. B. CH662085 A1 ) zu entnehmen sind ausfindig gemacht werden. Es konnten jedoch insgesamt keine Veröffentlichung gefunden werden in der die Möglichkeit von passiven Nadelverschlüssen behandelt wird. Das dem Verfahren dieser Veröffentlichung nach, mittels entsprechender Vorrichtungen nutzbare Funktionsprinzip ermöglicht die anwendungstechnischen Vorteile, dass ohne Zerlegen des Formwerkzeuges von außen der Nadelweg verstellt, die zum Schließen erforderliche Feder ebenso wie die Nadel selbst von außen gewechselt und zudem auch die das Öffnungsverhalten bestimmenden Vorspannungen der Federn verstellt werden kann. Hier hinzu kommen die Vorteile, dass sich nach diesem Funktionsprinzip die Feder in Spritzgusswerkzeugen in dem Bereich oberhalb der Schmelzezuleitung, bzw. bei mehreren Anguss-Kanälen oberhalb der Schmezeverteilung befindet, wo die in dieser Anwendung problematischen Einflüsse der Verschmutzung durch das Spritzgut und der Belastung durch die Schmelzekanal-Hitze nicht mehr unausweichlich vorliegen.
Diese Verbesserungen der technischen Möglichkeiten bedeuten, dass der grundsätzlich gewünschte Einsatz von passiven Nadelverschlussmechaniken, der aufgrund der zuvor nicht überwundenen funktionstechnischen, einstellungstechnischen und wartungstechnischen Probleme in Fachkreisen für nicht praktikabel gehalten wurde, hiernach nun realisierbar ist. Die erfinderische Höhe des Verfahrens kommt auch dadurch zum Ausdruck, dass hierdurch die erhebliche Vorteile im Bezug auf die Gesamtkosten von passiven Nadelverschlussystemen ermöglicht werden.
Darstellung der Erfindung:
Der Erfindung lag die zuvor technisch nicht praxistauglich gelöste Aufgabe zu Grunde, ohne externen Kraft-Aktor eine passive Nadelverschlussmechanik zu ermöglichen, die durch den Schmelzedruck gesteuert sowie ohne Zerlegen des Formwerkzeuges in Schließpossition und Arbeitsverhalten eingestellt und ebenso auch vollständig ausgetauscht bzw. gewartet werden kann.
Hierzu wird eine Verschlussnadel (1) mit einem Nadelgriff (verbreiterten Kopf oder Gewinde mit Muttern), zusammen mit dem am Nadelgriff kraftschlüssig angebrachten Schließkraftelement (2) beispielsweise in eine seitlich offene Klaue eingebettet. Diese Klaue kann als eine Einfräßung in einen Zylinder (3), der an der Außenseite ein Gewinde aufweist, an der Oberseite eine Außenverzahnung für einen Rohrschlüssel bzw. eine Langnuss besitzen kann, und zudem von der Oberseite bis zur Klauennut ein Innengewinde aufweist ausgeführt werden. Der Nadelgriff liegt hierbei, beispielsweise durch die Spiralfeder (2) gedrückt auf der Unterseite der Klaue auf, so dass über das Außengewinde des in der Werkzeugkopfplatte (4) einzuschraubenden Zylinders (3) die Schließpossition der Nadel (1) eingestellt und mittels der Mutter (5) fixiert werden kann. Im Innengewinde des Zylinders (3) ist eine Schraube (6) eingebracht, die an der Oberseite beispielsweise eine Innenverzahnung für einen Steckschlüssel und an der Unterseite eine Federführung, die in einfachen Ausführungen des Verfahrens zugleich den oberen Anschlag der Nadel (1) bilden kann aufweist. Diese Schraube (6) dient hauptsächlich dazu, dass die für die Bewegungscharakteristik der Nadelverschlussmechanik entscheidenden Vorspannungen der Federn verschiedener Nadeln von außen eingestellt und in Verbindung mit den jeweiligen Muttern (7) fixiert werden können. Der Anschlag kann zudem den Arbeitsbereich der Feder begrenzen, wodurch eine absehbare Lebensdauer bzw. Zyklenfestigkeit, bzw. auch eine definierte Wartungsanweisung zum Austausch der Feder ermöglicht wird. Die Funktion des oberen Nadelanschlages kann alternativ hierzu auch durch eine Verjüngung (8) zwischen Klauenöffnung und dem Gewinde der Feder-Spannschraube (6) realisiert werden, wobei sich unabhängig von der Federspannungseinstellung ein immer gleichbleibender Nadelhubweg ergibt, und durch Übernahme dieser Funktionen auch Aufwände an dem o. g. Federführungs- und Anschlag-Zylinder der Schraube (6) reduziert werden können. Somit ist es möglich, unabhängig der weiteren Einstellungen vom Spritzzyklus (z. B. Schließpossition und Nadelhubweg) ein einheitliches Bewegungsprofil mehrerer passiver Nadelverschlussmechaniken bzw. ein einheitliches Füllverhalten mehrerer Formhöhlen zu erreichen. Dem entsprechend könnte die Einbringung der Schraube (6) in Systemen mit nur einer Formhöhle auch problemlos eingespart, oder nur zur Einstellung des oberen Nadelanschlages verwendet werden. In großen Systemen ist hierzu auch eine weitere Schraube in der Schraube (6) denkbar. Allgemein ist der Auslegung des Nadelhubweges das Erreichen einer hinreichenden Öffnung vom Schmelzekanal (9) zu Grunde zu legen. Die Öffnungskraft entsteht, indem der steigende Schmelzedruck zu Beginn des Füllvorgangs auf die Fläche der Reduzierung (10) des Nadeldurchmessers einwirkt. Diese Ringkolbenfläche (10) ist an der Stelle an der die Nadel aus ihrer Führung in die Schmelze eintritt anzubringen. Um bei gefüllten Materialien, beim Druckanstieg der Schmelze das Eindringen von Füllmaterialien in die Nadelführung nach Möglichkeit zu vermeiden, kann die Reduzierung (10) ggf. als Einkerbung Ausgedreht werden. Die beim Ende des Füllvorgangs, bzw. bei der Absenkung des Spritzdruckes dem Öffnungsvorgang entgegen wirkende Schließkraft der Feder (2), muss die zusammengenommen Kräfte vom erwünschten Nachdruck im Angusspunkt über die Angussfläche, den Restdruck der Schmelze über die Ringkolbenfläche (10) und den mechanischen Widerständen im System deutlich übersteigen. Da aber alle diese Faktoren sehr stark vom zu verarbeitenden Material und der individuellen Systemgeometrie abhängig ist, kann hier zur Orientierung nur ein in den meisten Fällen hinlängliches Feld der erforderlichen Schließkräfte genannt werden. Da sich die Druck beaufschlagte Nadelfläche zwar quadratisch zum Durchmesser verhält, dies aber weder für die Umfangsreibung noch für Scherkräfte gilt, und zudem in den Systemen je nach Größe tendenziell abweichende Geschwindigkeitsanforderungen bestehen, sind beispielsweise in den meisten Kunststoff-Anwendungen für Nadeln mit 2 mm Angussdurchmesser Schließkräfte zwischen 200–500 N und für Nadeln mit 6 mm Angussdurchmesser Schließkräfte von 600–1500 N vorzusehen. Bei der Auslegung bzw. Einstellung der Federkraft ist die zum robusten Schließen des Nadelverschlusses hinlängliche Kraft nach Möglichkeit nicht unnötig weit zu überschreiten, wobei ein Kompromiss für eine höhere Schließgeschwindigkeit beim Absenken des Schmelzedrucks anwendungsspezifisch zu bedenken ist. Die Spritzdrücke des Systems müssen es, im Zusammenwirken mit der die Öffnungskraft auswirkenden Ringkolbenfläche (10) gewährleisten können, dass die daraus resultierende Öffnungskraft die damit abzustimmende Schließkraft zuzüglich der weiteren mechanischen Widerstände bei Weitem überwiegt.
Zum Abstimmen bzw. Synchronisieren von mehreren Düsen können, nach dem Einstellen und Kontern der Nadel-Schließpossitionen (im bereits aufgewärmten Werkzeug) die Federvorspannungen über verkürzte, die Formhölen nur teilweise füllende Zyklen eingestellt werden. So kann das Füllverhalten verschiedener Düsen verglichen und optimiert werden, damit im vollen Spritzzyklus dann das erwünschte Füllverhalten, bzw. die erwünschten Füllgrade erreicht werden. Die Federvorspannungen durch eine Vorrichtung im ausgebauten Zustand einzustellen, würde die ggf. leicht unterschiedlichen Einbausituationen der Nadeln vernachlässigen. Dennoch könnte dadurch eine schnellere Abstimmung des Werkzeugs erreicht werden.
Die in Spritzgusssystemen allgemein zu beachtenden thermischen Ausdehnungen der Komponenten und deren Fügungstoleranzen zu einander sind dem Stand der Technik zu entnehmen. Gleiches gilt für die hydraulische Balancierung von Schmelze-Verteilern. Auch die über dies hinaus zur Realisierung des Verfahrens erforderlichen Grundlagen für die Nadelverschlusstechnik, also hierzu geeignete fertigungstechnische Methoden und die Berücksichtigung von Toleranzen für die Montage und ein unverklemmtes Arbeitsspiel sowie zur verbesserten Anwendung sind dem Stand der Technik, bzw. der bereits länger gebräuchlichen Praxis nach dem einschlägigen Fachpersonal ersichtlich.
Ausführung der Erfindung:
Um die Ausführung des Verfahrens, also den Aufbau einer dem entsprechenden Vorrichtungen zu verdeutlichen, soll die Funktionsweise des Verfahrens an der über die in der Zeichnung offenbarte Vorrichtung, die an einer Heisskanaldüse in Flachbauform unter einem schwimmend gelagerten Heisskanal-Plattenverteiler (11) eingesetzt ist als Beispielanwendung beschrieben werden. Die Heisskanaldüse weist außer der erfindungsgemäßen Vorrichtung außerdem eine Heizpatrone (12), einen Temperatursensor (13) sowie Fixierungs-, Stütz- und Dichtungselemente auf.
Isolationsplatten (14) mit Abstützungen und Durchlässen, die zwischen dem schwimmenden Heisskanal-Plattenverteiler (11) und der Werkzeugkopfplatte (4) sowie oft auch zur Formseite hin eingebracht werden dienen im Allgemeinen zur Reduzierung vom Energieverbrauch. Der zentrale Bestandteil der Düse ist der im linken Bereich aus dem Heisskanal-Plattenverteiler (11) gespeiste Schmelzekanal (9), in den oberhalb des Angusspunktes die Verschlussnadel (1) einmündet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus den zusammen wirkenden Ringkolben (10), der von außen tauschbaren Schließkraftfeder (2), der einstellbaren Nadelhalterung (3), der Feder-Spannschraube (6) sowie den Fixierelementen (5 & 7) und der dies alles verbindenden Verschlussnadel (1). Die erfindungsgemäße Funktionsweise der Vorrichtung sowie das Vorgehen zu deren Abstimmung wurden bereits in der Darstellung der Erfindung erläutert. Demnach ist zu ermitteln, welche Schließkräfte benötigt werden und in welcher Größen hiernach die Nadelquerschnitsreduzierung (10) auszulegen ist. Bei einem für das Beispiel Kunststoffspritzgießen moderaten Spritzdruck von 1000bar, würden auf eine ca. 33 qmm große, 2 mm breite Ringfläche (10) um einen Angussquerschnitt von 2 mm immerhin 3300 N wirken. Um bei einem ungefüllten Material den Nadelverschluss robust schließen zu können, sollte hier hingegen eine Federkraft von 400 N schon hinlänglich sein. Eine Auslegung der Vorrichtung, die über den Schmelzedruck eine, die erforderliche Schließkraft deutlich überwiegende Öffnungskraft erzeugt, ist also praktisch gut realisierbar.
Es ist dem Stand der Technik nach bekannt ist, dass beim Bedarf von möglichst hoher Kompaktheit zum Einstellen relativ runde Innenverzahnungen oder zum Kontern außen auch Muttern mit Kronenverzahnung eingesetzt werden können. Dem entsprechend lässt sich eine höhere Kompaktheit als in dem Zeichnungsbeispiel erreichen. Die Zeichnung verdeutlicht jedoch bereits, dass hierzu auch auf eine Außenverzahnung der Nadelhalterung (3) verzichtet werden kann, da diese auch über die Schraube (6) bzw. ihre Mutter (7) greifbar ist (solange diese Einstellungselemente wechselseitig fixiert werden).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CH 662085 A1 [0003]

Claims

Das der Erfindung gemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzedruck in einem Formgusskanal (9), einen den Angusspunkt verschließenden Nadelmechanismus dadurch öffnet, in dem er auf die Fläche einer Verjüngung (10) der Nadel (1) einwirkt, die in dem Bereich in dem die Nadel (1) in den Schmelzekanal (9) eintritt anzubringen ist.
Ein der Erfindung nach Anspruch 1 gemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen vom Nadelmechanismus durch ein passives, mechanisches Kraftelement (2) (beispielsweise eine Feder) ermöglicht wird, das am oberen Ende der Nadel (1) kraftschlüssig zwischen Nadelhalter (3) und Nadelgriff anzubringen ist.
Ein der Erfindung nach den Ansprüchen 1 und 2 gemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Nadelhalter (3) im Werkzeugkopf oder in einem Düsenkopf, beispielsweise durch ein Gewinde in Richtung der Nadelbewegung verstellbar verankert wird, so dass ohne Zerlegen des Formwerkzeuges die Schließpossition der Nadel (1) von außen verändert und fixiert (beispielsweise durch Mutter (5)) werden kann.
Ein der Erfindung nach Anspruch 3 gemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Verankerung zwischen Nadelhalter (3) im Werkzeug- oder Düsenkopf vollständig zu entkoppeln ist, und zudem geometrisch derart ausgeführt wird, dass das passive mechanische Kraftelement (2) und die Nadel (1) zu Wartungszwecken, ohne Zerlegen des Formwerkzeuges aus diesem entnommen werden können.
Ein der Erfindung nach den Ansprüchen 3 oder 4 gemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass sich im Nadelhalter (3) ein weiterer verstellbar verankerter Anschlag (6) befindet, durch den die Vorspannung vom Schließkraftelement (2), ohne Zerlegen des Formwerkzeuges von außen verändert werden kann. Dieser kann zugleich auch die Funktion einer Federführung, einer Federwegbegrenzung und oder des oberen Nadelanschlages leisten.
Ein der Erfindung nach den Ansprüchen 3 bis 5 gemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der obere Nadelanschlag durch eine Verjüngung (8) in der Nadelgriff-Aufnahme des Nadelhalters (3) realisiert wird. Diese kann zugleich auch die Funktion einer Federführung und oder einer Federwegbegrenzung leisten.
Ein der Erfindung nach den Ansprüchen 3 bis 6 gemäßes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung des passiven mechanischen Kraftelements (2), bzw. dessen Kraft-Weg Profil dazu hinreichend ausgelegt wird, dass die Nadel (1) gegen Reibung, Schmelzerestdruck und Forminnendruck, mit der für eine hinreichend schnelle Bewegung erforderlichen Reserve sicher in die Schließposition zurück zu führen ist. Dem nach ist die zum Öffnen benötigte Fläche der Nadelverjüngung (10), in Verbindung mit den Einspritzdrücken im Schmelzekanal (9) so auszulegen, dass die Kraft des passiven mechanischen Kraftelements (2), zuzüglich der Reibungskräfte, mit der für eine hinreichend schnelle Bewegung erforderlichen Reserve von der Kraft des Schmelzedrucks an der Rinkolbenfläche (10) überwogen wird.
Eine, das technische Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7 ausführende Vorrichtung (Zeichnungsbeispiel) ist dadurch gekennzeichnet, dass die für die jeweiligen Spritzgussanwendung erforderlichen konstruktiven Maßnahmen, also die materialtechnischen Anforderungen und montagetechnischen Toleranzen für alle Komponenten und deren Zusammenspiel bei der Umsetzung berücksichtigt werden. Hierzu gehören zu forderst die allgemein erforderliche Betrachtung thermischer Ausdehnungen bei Komponenten verschiedener Arbeitstemperatur und oder aus verschiedenen Materialien. Aber auch speziellere Auslegungskriterien aus dem Bereich der Spritzgusstechnik, wie beispielsweise auch die Druckbalancierung von Verteilern sind für die Leistungsfähigkeit einer entsprechenden Vorrichtung zu beachten. Ins Besondere sind die für die Nadelverschlusstechnik bekannten Methoden, um dichte Passungen, unverklemmte Arbeitsspiele und eine sanfte Einführung an Übergangsstellen gewährleisten zu können, bei der Realisierung einer entsprechenden Vorrichtung einzusetzen.