DE2816014A1

DE2816014A1 - Ventilnadel fuer spritzgiesswerkzeug

Info

Publication number: DE2816014A1
Application number: DE19782816014
Authority: DE
Inventors: Jobst Ulrich Gellert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-04-29
Filing date: 1978-04-13
Publication date: 1978-11-09
Also published as: FR2388666A1; CA1086014A; US4125352A; JPS53134860A; GB1601196A; FR2388666B1

Description

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Patentanwälte
DIPL.-PHYS. JÜRGEN WEISSE DIPL.-CHEM. DR. RUDOLF WOLGAST

D 562o Velbert 11 - Langenberg, Bökenbusch 41 Postfach 11 o3 86 Telefon (o2127) 4ol9 Telex 8516895

P atentanme!dung Jobst Ulrich Geliert, 11 Newton Road, Brampton, Ontario_f Canada

Ventilnadel für Spritzgießwerkzeug

Die Erfindung betrifft eine Ventilnadel für ein Spritzgießwerkzeug, welche ein formseitiges und ein antriebsseitiges Ende aufweist.

Bislang sind beim Spritzguß unterschiedlicher Spritzgußmassen für verschiedene Anwendungen mit wechselndem Erfolg in weitem Bereich unterschiedliche Nadelverschlußsysteme eingesetzt worden. Während diese bekannten Anordnungen eine Vielzahl verschiedener Einrichtungen aufweisen, mittels derer im Bereich des Verschlusses Wärme zur Verfügung gestellt wird, sind sie jedoch in erster Linie auf das Nadelventil ausgerichtet, wobei nicht erkannt worden ist, in welchem umfang die Wärmeübertragung im Bereich des NadelverSchlusses kritisch für den 3etrieb der gesamten Anordnung ist. Obgleich diese bekannten Anordnungen für manche Spritzgußmassen unter günstigen Umständen betriebsfähig sind, sind sie im Betrieb nicht optimal und insbesondere unzureichend, wenn schwierig zu verarbeitende Spritzgußmassen unter besonderen Anforderungen verarbeitet werden müssen. Ohne hinreichende Wärmeübertragung im Bereich des Nadelverschlusses werden erhöhte Spritzdrücke erforderlich.

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ORIGINAL INSPECTED

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wie auch eine erhöhte, an der Ventilnadel angreifende Kraft, die beide wiederum nachfolgend zu Schwierigkeiten im Betrieb und zu erhöhten Kosten führen. Darüberhinaus können bei vielen dieser bekannten Anordnungen dadurch Probleme entstehen, daß die Heizelemente durchbrennen und überhitzt werden.

In jüngerer Zeit ist es sehr wünschenswert geworden, Spritzgußmassen hoher Dichte wie zu 60% glasverstärktes Nylon im Spritzgußverfahren anstelle von Aluminium zu verarbeiten. Anordnungen mit den üblichen Nadelverschiußdüsen, die im Bereich des NadelverSchlusses keine ausreichend gleichförmige Wärmeverteilung besitzen, sind zum Spritzguß solchen Materials ungeeignet. Bei den üblicherweise verarbeiteten thermoplastischen Massen, die mit zunehmender Temperatur allmählich weicher werden, werden die Verschlußprobleme dadurch überwunden, daß die an der Ventilnadel wirksame Kraft bis in den Bereich von 180 bis 370 N (400 bis 800 lbs) erhöht wird. Bei kristallinen Massen ist nicht einmal diese eher kurzsichtige Lösung verfügbar, i-iell die Schmelze beim Abfall der Temperatur in einem sehr engen Temperaturbereich fest wird. Sorgt man dagegen dafür, daß im Bereich des NadelverSchlusses ausreichend Wärme zur Verfügung steht, so wird man in den meisten Anwendungsfällen mit geringeren Kräften an der Ventilnadel im Bereich von 75 bis 160 N (15O bis 300 ibs) auskommen.

Zusätzlich wird bei einigen Anwendungen des Spritzgußverfahrens gefordert, in dem erzeugten Produkt ein Loch auszubilden, das mit der Verschlußöffnung zusammenfällt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man die Ventilnadel durch den plastischen Teil der Masse hindurchdringen und sowohl am hochstehenden Teil der Form als auch in der öffnung selbst zur Anlage kommen läßt. Dafür ist eine gleichmäßige übertragung ausreichender Wärme vom oberen Teil des Heizblocks und der Schmelze auf die Spitze der Ventilnadel erforderlich, die bisher nur mit großen Schwierigkeiten auf ihrer Temperatur gehalten und besonders in ihrer Temperatur gesteuert werden kann.

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Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Ventilnadel für die Nadelverschlußdüse eines Spritzgießwerkzeuges zu schaffen, mittels derer eine raschere Wärmeübertragung auf den Bereich um den Nadelverschluß erfolgen und eine gleichförmigere Temperaturverteilung eingehalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,, daß wenigstens ein an das formseitige Ende angrenzender Teil der Ventilnadel als abgedichtetes Hohlrohr ausgebildet ist, welches eine verdampfbare Flüssigkeit unter einem Partialvakuum enthält.

Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Ventilnadel nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Bezugszeichen im einzelnen erläutert und beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils eines Spritzgießwerkzeuges mit einer Nadelverschlußdüse, die eine erfindungsgemäß ausgebildete Ventilnadel enthält;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der in Fig. 1 dargestellten Ventilnadel;

Fig. 3 ein Längsschnitt eines Teils der in Fig. 2 dargestellten Ventilnadel; und

Fig. 4 einen Längsschnitt eines Teils einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Ventilnadel_s

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Fig. 1 zeigt zunächst ein Spritzgießwerkzeug mit einer Nadelverschlußdüse und einer einfachen Hohlform 10 an einer Spritzgußmaschine 12 mit einem Heizblock 14 aus einer Beryllium-Kupferlegierung, der oberhalb des Hohlraums 16 in das Spritzgießwerkzeug eingeschlossen ist. Die Hohlform 10 besteht aus einem Hohlraumblock 18 und einer Trägerplatte 20. Der Heizblock 14 wird durch ein elektrisches Heizelement 22 beheizt; er besitzt ein unteres Düsenteil 24 und eine mittige Zylinderbohrung 26, in welcher sich die Ventilnadel 28 befindet. Ein pneumatisch angetriebener Kolben 30 betätigt einen Schwenkarm 32, der der Ventilnadei 28 an ihrem antriebsseitigen Ende 33 anliegt und diese unter Schließung des Ventils in den Verschluß 34 hineinbewegt. Man erkennt, daß der Heizblock 14 durch eine Buchse 36 innerhalb des Hohlraumblocks gehaltert ist. Durch einen Luftspalt 38 werden Wärmeverluste durch den Wärmeübergang vom Heizblock 14 auf den gekühlten Hohlraumblock 18 vermindert. Eine Dichtung 40 aus Titan verhindert, daß die geschmolzene, plastische Spritzgußmasse oder Schmelze in den Luftspalt 38 eindringen kann, und unterstützt den Wärmeübergang auf den Bereich des Verschlusses 34. Die Bohrung 26 verläuft durch eine Dichtbuchse 42, die ebenfalls einen Teil 44 des Heißkanals 46 enthält, der sich von der Spritzgußmaschine 12 her erstreckt.

Im Betrieb der Spritzgußmaschine 12 wird die geschmolzene Spritzgußmassse unter Druck durch den Heißkanal 46 gepreßt, der durch die Trägerplatte 20 und die Dichtbuchse 42 hindurch in den Heizblock 14 verläuft, in dem er sich mit der Bohrung 26 verbindet. Die Schmelze fließt durch die Bohrung 26 hindurch und um die Ventilnadel 28 herum und gelangt so durch den Verschluß 34 hindurch in den Hohlraum 16. Das Ventil besteht aus dem kegelstumpfförmigen Ende 48 der Ventilnadel 28 und dem als Sitz dafür dienenden Verschluß 34, Wie man siehfc_f sitzt bei dieser Ausführung das Ende 48 der Ventilnadel 28 auf deai hochstehenden Teil 49 der Form auf und bildet so an dieser

- 7 Stelle ein Loch in dem Spritzgußerzeugnis.

Die Ventilnadel 28 hat nach Fig. 2 und 3 ein vergrößertes antriebsseitiges Endteil 50 und ein formseitiges Endteil 52 von kleinerem Durchmesser. Beide sind an einer Schrägfläche 54 miteinander verbunden, und das vergrößerte antriebsseitige Endteil 50 hat eine an seinem Umfang ausgebildete, abgeschrägte Schulter 56, die mit einem kreisförmigen Sitz 58 in der Dichtbuchse 42 zusammenwirkt. Bei dieser Ausführung wird das formseitige Endteil 52 der Ventilnadel 28 von einem Hohlrohr 60 aus Titan gebildet, das in ausgerichteter Anordnung an dem antriebsseitigen Endteil 50 dadurch befestigt ist, daß sein abgequetschtes Ende in einen eingesenkten Sitz 62 an dem antriebsseitigen Endteil 50 eingeführt und eingelötet ist. In das andere Ende ist eine Dichtkappe 64 eingelötet, die das kegelstumpfförmige Ende 48 bildet. Das antriebsseitige Endteil 50 der Ventilnadel 28 ist aus Stahl mit einem geeigneten Verhältnis von Abnutzungsfestigkeit und Festigkeit gebildet, während das Hohlrohr 60 aus Titan besteht und die Dichtkappe 64 aus Stahl.

Bei dieser Ausführung sind ungefähr 32% (bei 30⁰C) des Rauminhaltes des Hohlrohres 60 mit entionisiertem, entgastem destilliertem Wasser gefüllt, nachdem das Hohlrohr 60 unter Vakuum entgast worden ist. Das Hohlrohr 60 ist an den Enden wie oben beschrieben verschlossen, wobei dieser Verschluß offensichtlich luftdicht sein muß. Während bei dieser Ausführung das eingefüllte Wasser 32% des Hohlraums des Hohlrohrs 60 einnimmt, kann bei anderen Anwendungsfällen die Wasserfüllung in dem Bereich zwischen 10 und 50% des Hohlraums liegen. Das Hohlrohr 60 kann auch aus anderen geeigneten Materialien wie Zircaloy 2 oder Zircaloy 4 bestehen.

Im Betrieb des Spritzgießwerkzeuges wird der Heizblock 14 durch das elektrische Heizelement 22 auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt. Diese Wärme wird dem antriebsseitigen Endteil 50

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der Ventilnadel 28 zugeführt, das das rückwärtige Ende 68 des Hohlrohrs 50 einschließt. Entsprechend dem bekannten Funktionsprinzip des Wärmetransports durch ein Heizrohr bzw. eine "Wärmenadel" wird durch diese Wärme das Wasser in diesem Bereich verdampft, wodurch ein Umlauf in Richtung des vorderen Endes 70 des Hohlrohrs 60 erzeugt wird. Trifft der Dampf auf einen kälteren Teil der Wandung 72 des Hohlrohrs 60, so tritt Kondensation ein und Rückfluß zum rückwärtigen Ende 68. Dieser Umlauf erfolgt sehr rasch; bei der Verdampfung des Wassers nimmt es die Verdampfungswärme auf, und diese Energie wird bei der Kondensation des Dampfes an einem kühleren Teil des Hohlrohres 60 und der Bewegung in Richtung auf das vordere Ende 70 des Hohlrohrs 60 wieder frei. Dementsprechend erfolgt eine Wärmeübertragung auf das vordere Ende 70 des Hohlrohrs 60 mit minimalem Temperaturabfall über die Länge des Hohlrohres 60. Die in das Spritzgießwerkzeug eintretende Schmelze ist eine besonders wichtige Wärmequelle für die Ventilnadel 28, weil die Schmelze mit einer genau kontrollierten Temperatur eintritt; die rasche Übertragung dieser Wärme über die Länge des Hohlrohres 60 dient dazu, die Schmelze im vorderen Teil der Bohrung 26 und im Bereich des Verschlusses 34 auf nahezu gleichmäßiger Temperatur zu halten. Es wird daher den beiden verschiedenen Wärmequellen Wärme entnommen und auf den Bereich unmittelbar um den Verschluß 34 übertragen; diese stark erhöhte Wärmeübertragung und insbesondere die genaue Temperaturkontrolle ermöglicht den Spritzguß auch von schwierig zu verarbeitendem Material und von Massen mit entzündungshemmenden Zusätzen wie glasverstärktes Nylon. Darüberhinaus wird dadurch auf das vordere Ende 70 der Ventilnadel 28 ausreichend Wärme übertragen um zu ermöglichen, daß dieses Ende in der in Fig. gezeigten Stellung dem hochstehenden Teil 49 der Form aufsitzen und so ein geeignetes Loch in dem Spritzgußerzeugnis bilden kann. Während es wünschenswert ist, daß der Außendurchmesser des formseitigen Endteils 52 der Ventilnadel so klein wie möglich ist, um einen angemessenen Durchfluß der Schmelze zu sichern, ist es trotzdem notwendig, daß dieses Endteil

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ausreichende mechanische Festigkeit besitzt, um den wiederholt an der Ventilnadel 28 angreifenden Kräften standhalten zu können, die erforderlich sind, um das Ventil zu schließen. Es ist daher erwünscht, daß der Innendurchmesser so klein als möglich, aber doch so groß ist, daß eine ausreichende Wärmeübertragung stattfindet. In den meisten Anwendungsfällen kann die Ventilnadel 28 horizontal ausgerichtet sein, wodurch die Raumanforderungen verringert werden, weil die Notwendigkeit für die Unterbringung eines Dochtes im Inneren des Hohlrohrs 60 entfällt, der sonst zum Rücktransport der kondensierten Flüssigkeit zum rückwärtigen Ende 68 des Hohlrohrs 60 erforderlich ist. Im Fall der neuen glasverstärkten Materialien mit hohen Glasgehalten liegt die Arbeitstemperatur üblicherweise im Bereich zwischen 230 und 26O°C (450 bis 500° F), obgleich auch Arbeitstemperaturen bis zu ca. 345 C (65O°F) vorgesehen werden sollten.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführung der Ventilnadel, bei der alle mit der ersten Ausführung identischen Teile und die beiden Ausführungen gemeinsamen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser zweiten Ausführung ist das formseitige Endteil 52 der Ventilnadel 28 mit einem vollen Teil 74 ausgebildet, das zwischen dem antriebsseitigen Endteil 50 und dem Hohlrohr 60 befestigt ist. Das volle Teil 74 besteht üblicherweise aus Stahl; diese Ausführung wird in Fällen verwendet, in denen die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf den Bereich des Verschlusses 34 nicht so groß zu sein braucht. Im übrigen ist der Aufbau dieser zweiten Ausführung der Ventilnadel und die Arbeitsweise damit der gleiche bzw. die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel und wird daher nicht weiter beschrieben.

Obwohl in der vorstehenden Offenbarung zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und erläutert werden, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf diese beiden Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Insbesondere ist erkennbar, daß andere' geeignete Materialien und Abmessungen in Abhängigkeit von den Anforderungen an den Wärmeübergang und die Festigkeit, die in dem jeweiligen Anwendungsfall verlangt werden, gewählt werden können.

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Claims

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Patentansprüche

. Ventilnadel für ein Spritzgießwerkzeug, welche ein formseitiges und ein antriebsseitiges Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein an das formseitige Ende (48) angrenzender Teil der Ventilnadel (28) als abgedichtetes Hohlrohr (60) ausgebildet ist, welches eine verdampfbare Flüssigkeit unter einem Partialvakuum enthält.
2. Ventilnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jäie Ventilnadel (28) aus einem formseitigen Endteil (52) besteht, das an einem antriebsseitigen Endteil (50) sicher befestigt ist, daß das formseitige Endteil (52) einen geringeren Durchmesser als das antriebsseitige Endteil (50) hat und daß das formseitige Endteil (52) wenigstens teilweise als ein Hohlrohr (60) ausgebildet ist.
3. Ventilnadel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das formseitige Endteil (52) ein volles Teil (74) aufweist, das zwischen dem antriebsseitigen Endteil (50) und dem Hohlrohr (60) sicher befestigt ist.
4. Ventilnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das formseitige Ende (48) der Ventilnadel (28) kegelstumpf förmig von einer an dem Hohlrohr (60) befestigten Dichtkappe (64) gebildet ist.
5. Ventilnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlrohr (60) aus einer Titanlegierung besteht.

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6. Ventilnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

das Hohlrohr (60) zu etwa einem Viertel mit der verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt ist.
7. Ventilnadel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfbare Flüssigkeit destilliertes Wasser ist.
8. Ventilnadel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das formseitige Endteil (52) zum Teil in einem in das
antriebsseitige Endteil (50) eingesetzten Sitz (62)
aufgenommen und dadurch an dem antriebssextigen Endteil
(50) befestigt ist.

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