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Einspritzdüse für kunststoffverarbeitende Spritzgießmaschinen
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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für kunststoffverarbeitende
Spritzgießmaschinen zum Einspritzen von mindestens zwei unterschiedlichen Kunststoffmaterialien
in ein Formwerkzeug im Zuge der Herstellung von Verbund-Gießteilen, mit einem Düsenkörper,
in dem eine Düsenbohrung und mindestens zwei Zuführungskanäle für die Kunststoffmaterialien
ausgebildet sind und der ein Ventil zum individuellen Verbinden und Trennen der
Zuführungskanäle mit bzw. von der Düsenbohrung enthält.
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Bei der Herstellung von sogenannten Verbund-Gießteilen (Sandwich-Verfahren)
wird in einem ersten Spritzvorgang ein den Außenmantel des herzustellenden Gießteiles
bildendes erstes Kunststoffmaterial eingespritzt. In einem zeitlich den ersten Spritzvorgang
überlappenden oder anschließenden zweiten Spritzvorgang wird ein zweites Kunststoffmaterial
in die Formhöhlung eingebracht, durch das die Charge des ersten Kunststoffmaterials
aufgeweitet wird, sodaß es die Haut oder den Mantel des Gießteiles bildet und von
dem zweiten Kunststoffmaterial ausgefüllt wird. Bei Verfahren, in denen nur zwei
Kunststoffmaterialien verarbeitet werden, bildet das zweite Kunststoffmaterial den
Kern des Verbund-Gießteiles. Es ist jedoch auch bekannt, auf entsprechende Weise
noch ein drittes Kunststoffmaterial
in die Formhöhlung des Gießwerkzeuges
einzubringen, welches den eigentlichen Kern bildet, wobei das als zweites eingespritzte
Kunststoffmaterial eine Verbindungsschicht zwischen Kern und Außenhaut darstellt.
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Das Sandwich-Verfahren ermöglicht es, Verbund-Gießteile herzustellen,deren
Außenfläche durch ein gegenüber äußeren Einflüssen (z.B. Verschleiß, chemischer
Angriff) widerstandsfähiges hochwertiges Kunststoffmaterial gebildet ist, während
der Kern aus weniger kostspieligem Kunststoffmaterial besteht. In diesem Zusammenhang
geht das Interesse dahin, die Stärke der Mantelschicht dünn zu halten, um hochwertiges
Kunststoffmaterial einzusparen. Dünne Wandstärken der Mantelschicht führen jedoch
zu Problemen bei der Durchführung des Verfahrens, weil die Gefahr besteht, daß die
die Mantelschicht bildende geringe Kunststoffmenge im Formwerkzeug vorzeitig einfriert.
Die zur Vermeidung dieses Nachteiles erforderlichen kurzen Einspritzzeiten lassen
sich jedoch mit den bekannten Einspritzdüsen der eingangs geschilderten Art, bei
denen das Ö#ffnen und Schließen der Zuführungskanäle durch Drehventile oder Schließnadeln
gesteuert werden, mit den für diese Ventilkonstruktionen typischen Hüben nicht erreichen.
Hinzu kommt, daß geringe Einspritzmengen an Kunststoffmaterial entsprechend dünne
Düsenbohrungen zur Folge haben, die mittels Schließnadeln nur noch schwierig zu
beherrschen sind, weil deren Funktionsfähigkeit und Herstellbarkeit bei Durchmessern
unter 3 mm eine Grenze finden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einspritzdüse der eingangs
beschriebenen Art vorzuschlagen, die erheblich kürzere Spritzzeiten als die bekannten
Einspritzdüsen erlaubt und bei der der Querschnitt der Düsenbohrung unabhängig von
der Ventilkonstruktion gewählt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Ventil eine vor
der eingangsseitigen Mündung der Düsenbohrung angeordnete, eine durchgehende Bohrung
enthaltende, elastisch verformbare Ventilplatte aufweist, deren Vorder- und Rückseite
je
ein Raum zugeordnet ist, in den jeweils ein Zuführungskanal mündet, daß an der Rückseite
der Ventilplatte ein die durchgehende Bohrung gegenüber dem rückseitigen Raum abdichtendes
betätigbares Dichtelement andrückbar ist, und daß die Ventilplatte durch ein verstellbares
Betätigungselement in zwei Stellungen einstellbar ist, in deren erster die Ventilplatte
zumindest mit einem Teil ihrer Vorderseite an einer die eingangsseitige Mündung
der Düsenbohrung umgebenden Dichtfläche dichtend anliegt und den vorderseitigen
Raum gegenüber der Düsenbohrung verschließt und in deren zweiter die Ventilplatte
von der Dichtfläche abgehoben ist und den vorderseitigen Raum mit der Düsenbohrung
verbindet.
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Bei der Einspritzdüse nach der Erfindung ist das wesentliche Ventilelement
eine Ventilplatte, deren elastische Biegeverformbarkeit zum Öffnen und Schließen
der Zuführungskanäle ausgenützt wird. Die Biegeverformung wird durch ein Betätigungselement
bewirkt, das die Ventilplatte in der ersten Stellung mit der Vorderseite an die
Dichtfläche andrückt, welche die Eingangsseite der Düsenbohrung umgibt.
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In diesem Zeitpunkt ist auch die durchgehende Bohrung der Ventilplatte
von hinten her durch das Dichtelement verschlossen, sodaß auch der rückseitige Raum
von der Düsenbohrung abgesperrt ist. In der ersten Stellung wird die Ventilplatte
durch Kraftbeaufschlagung mittels des Betätigungselementes in einer elastisch ausgebogenen
Stellung gehalten. Durch Verminderung oder Wegnahme der Kraftbeaufschlagung stellt
sich die Ventilplatte in die unverformte Ausgangslage zurück, wobei sie der Natur
der Biegeverformung entsprechend einen relativ geringen Weg von beispielsweise nur
0,5 mm zurücklegt. Dieser geringe öffnungshub hat eine dementsprechend kurze Steuer
zeit zur Folge wobei jedoch durch das ringförmige Zuströmen des Kunststoffmaterials
aus dem vorderseitigen Raum insgesamt ein genügend grosser Strömungsquerschnitt
für das zufließende Kunststoffmaterial zur Verfügung steht. Die Zuströmung von Kunststoffmaterial
aus dem rückseitigen Raum erfolgt durch entsprechende Steuerung des Dichtelementes,
das der durchgehenden
Bohrung der Ventilplatte auf deren Rückseite
zugeordnet ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist jedoch
vorgesehen, daß das Dichtelement zugleich das Betätigungselement für die Ventilplatte
ist und in der ersten und zweiten Stellung der Ventilplatte dichtend an deren Rückseite
anliegt und die durchgehende Bohrung gegenüber dem rückseitigen Raum verschließt.
Bei dieser Ausführungsform ist die Ventilplatte sowohl in der ersten als auch in
der zweiten Stellung biegeverformt, wobei die Kraftbeaufschlagung des Betätigungselementes
so bemessen ist, daß in der zweiten Stellung die Ventilplatte aufgrund ihrer elastischen
Rückwirkung immer noch mit ausreichend grosser Dichtkraft an dem zugleich das Dichtelement
bildenden Betätigungselement anliegt. Erst in einer dritten Stellung, in der die
Kraftbeaufschlagung der Ventilplatte durch entsprechendes Zurückfahren des Betätigungselementes
völlig aufgehoben ist, stellt sich die Ventilplatte in die unverformte Lage ein
und gibt über ihre nunmehr frei gewordene durchgehende Bohrung die Verbindung zwischen
dem rückseitigen Raum und der Düsenbohrung frei. Der Gesamthub des Betätigungselementes
liegt bei etwa 3 mm und damit erheblich unter den Hüben der bekannten Ventilkonstruktionen.
Darüber hinaus ist man bezüglich der Abmessungen des an der Rückseite der Ventilplatte
anliegenden Dichtelementes nicht in irgendeiner Weise beschränkt, da die Abdichtung
der durchgehenden Bohrung auf einem verhältnismässig grossen Durchmesser der Ventilplattenrückseite
erfolgen kann.Der Hub der Ventilplatte selbst beträgt nur einen Bruchteil desjenigen
des Betätigungselements.
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Die Ventilplatte ist zweckmässigerweise kreisförmig, weil sich dadurch
am einfachsten eine einwandfreie Axialbewegung bei der Biegeverformung ergibt. Es
ist aber auch möglich, eine von der Kreisform abweichende Ventilplatte zu verwenden
und darin durch kreisförmige Ringnuten oder Eindrehungen den eigentlich verbiegbaren
Teil der Ventilplatte zu erzeugen. Nach einer zweckmässigen Weiterbildung ist es
dabei möglich, die Ventilplatte mit dem Randbereich ihrer
Vorderseite
an einer Stirnfläche des Düsenkörpers anliegen zu lassen, die zusammen mit einer
solchen die eingangsseitige Mündung der Düsenbohrung umgebenden Ringnut in der Vorderseite
der Ventilplatte den vorderseitigen Raum bildet.
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Die Ringnut kanntorusförmig gerundet werden, um Toträume zu vermeiden
und eine strömungsgünstige Ausbildung für das Kunststoffmaterial zu schaffen. Eine
entsprechende Ausbildung der Ventilplatte kann auch auf deren Rückseite vorgesehen
werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden
Zeichnung sowie aus weiteren Unteransprüchen.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Einspritzdüse
nach der Erfindung, wobei das zugehörige Formwerkzeug und die Spritzeinheiten zur
Zuführung der unterschiedlichen Kunststoffmaterialien nur angedeutet sind, und in
Fig. 2 die Ventilplatte in grösserem Maßstab.
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Die im Ganzen mit 1 bezeichnete Einspritzdüse ist auf nicht näher
dargestellte Weise mit einem Formwerkzeug zur Herstellung von Verbund-Gießteilen
fest verbunden. Die Einspritzdüse 1 besteht im wesentlichen aus einem Düsenkörper
3, einer Spannhülse 4, die eine Ventilplatte 5 in dem Düsenkörper 3 festhält, und
einem Betätigungskolben 6, der axial verstellbar ist und zur Betätigung der Ventilplatte
5 dient. Die Verstellung des Betätigungskolbens 6 erfolgt über eine durch die Programmsteuerung
der Spritzgießmaschine beaufschlagbare Kolben-Zylinder-Anordnung 7, die nur angedeutet
ist.
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Der Düsenkörper 3 enthält eine Bohrung 31, die zur Aufnahme und Führung
der Spannhülse 4 dient und an deren vorderer Stirnfläche 32 die Ventilplatte 5 mit
dem Randbereich ihrer Vorderseite dichtend anliegt. In der Stirnfläche 32 mündet
ein zuführungskanal 33 für das Kunststoffmaterial, das den Mantel de#s herzustellenden
Verbund-Gießteiles bilden soll.
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Der Zuführungskanal 33 erstreckt sich im Düsenkörper 3 bis zu einer
Angußbüchse 34, an der eine Spritzeinheit 35 für das genannte Kunststoffmaterial
ansetzbar ist.
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Die Ventilplatte 5 ist im wesentlichen eine kreisförmige Scheibe aus
hochwarmfestem Federstahl, die auf der Rückseite 51 einen vorspringenden Rand 52
aufweist. Der Rand 52 übergreift einen Absatz 41 am vorderen Ende der Spannhülse
4. DieVorderseite 53 der Ventilplatte 5 weist innerhalb des Randbereiches, mit dem
die Ventilplatte 5 an die Stirnfläche 32 des Düsenkörpers 3 angepresst wird, eine
torusförmig gerundete Ringnut 54 auf, die einen vorspringenden Dichtansatz 55 umgibt.
Der Dichtansatz 55 trägt an seiner vorderen Stirnseite eine Druckfläche 56, die
zur Anlage an eine entsprechende Dichtfläche des Düsenkörpers 3 dient.
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Von der Druckfläche 56 aus springt die vordere Stirnfläche des Dichtansatzes
55 konusartig zurück (vgl. Fig. 2). Im Dichtansatz 55 ist eine von vorne bis zur
Rückseite 51 der Ventilplatte 5 durchgehende Bohrung 57 vorgesehen. Die durchgehende
Bohrung 57 mündet auf der Rückseite 51 zentral in einer flachen Ausnehmung 58, deren
Boden eine Dichtfläche für einen vorspringenden Ansatz 61 des Betätigungskolbens
6 bildet.
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Die Ventilplatte 5 weist zwischen der Ausnehmung 58 auf der Rückseite
51 und der Ringnut 54 ihre geringste Dicke auf, durch die im wesentlichen das Ausmaß
der federelastischen Verformbarkeit der Ventilplatte 5 bestimmt ist.
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In der Spannhülse 4 ist ein zweiter Zuführungskanal 42 für Kunststoffmaterial
ausgebildet, das den Kern des herzustellenden Verbund-Gießteiles bilden soll. Der
Zuführungskanal 42 erstreckt sich durch die Spannhülse 4 nach hinten bis zu einer
Angußbüchse 43, an die eine Spritzeinheit 44 für das zweite Kunststoffmaterial ansetzbar
ist. Der zweite Zuführungskanal 42 mündet an seinem vorderen Ende in einen rückseitigen
Raum hinter der Ventilplatte 5, der durch eine torusförmig gerundete Ringnut 62
in der vorderen Stirnfläche des Betätigungskolbens sowie durch die Rückseite 51
der
Ventilplatte 5 gebildet wird. Die Ringnut 62 umgibt den vorspringenden
Ansatz 61, der zentral eine Zentriererhebung 63 aufweist.
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Wie sich aus Fig. 1 ergibt, ist die Ventilplatte 5 in dem Düsenkörper
3 und dieser wiederum relativ zu dem Formwerkzeug 2 so angeordnet, daß die durchgehende
Bohrung 57 der Ventilplatte 5, eine Düsenbohrung 36 und der Angußkanal 21 des Formwerkzeuges
zueinander koaxial liegen. Dadurch, daß sich die durchgehende Bohrung 57, die Düsenbohrung
36 und der Angußkanal 21 in Strömungsrichtung erweitern, ergibt sich insgesamt ein
sich im Querschnitt vergrössernder Strömungsweg für das einzuspritzende Kunststof
fmaterial.
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Die eingarisseitige Mündung der Düsenbohrung 32 wird in einem Einsatzteil
37 aus hoch verschleiß festem Werkstoff gebildet, daß eine die Mündung umgebende
Dichtfläche 38 aufweist.
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Die Wirkungsweise der Einspritzdüse ist folgende: Durch eine entsprechende
Verspannung der Spannhülse 4 wird die Ventilplatte 5 mit ihrem Randbereich an die
Stirnfläche 32 im Düsenkörper 3 angepresst. In dem in Fig. 1 ersichtlichen Zustand
wird der Betätigungskolben 6 durch die Kolben-Zylinder-Anordnung 7 nach vorne kraftbeaufschlagt,
sodaß dadurch die Ventilplatte 5 elastisch ausgebogen wird und mit der Druckfläche
56 des Dichtansatzes 55 an der Dichtfläche 38 des Einsatzteiles 37 dichtend anliegt.
Dadurch wird der durch die Ringnut 54 und die Stirnfläche 32 gebildete vorderseitige
Raum, in den der Zuführungskanal 33 mündet, gegenüber der Düsenbohrung 36 abgesperrt.
Der vorspringende Ansatz 61 des Betätigungskolbens~6 liegt außerdem am Boden der
flachen Ausnehmung 58 der Ventilplatte dichtend an und sperrt dadurch den durch
die Ringnut 62 und die Rückseite 51 der Ventilplatte 5 gebildeten rückseitigen Raum,
in den der Zuführungskanal 42 mündet, gegenüber der durchgehenden Bohrung 57 der
Ventilplatte 5 ab. Die Kunststoffmaterialien in den Zuführungskanälen 33 und 42
sind entweder
drucklos oder stehen nur unter dem Staudruck, gegen
den die Schnecken in den zugehörigen Spritzeinheiten 35 bzw. 44 zurückfahren.
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Durch ein entsprechendes Signal der Programmsteuerung der Spritzgießmaschine
wird das im Zuführungskanal 33 befindliche Kunststoffmaterial druckbeaufschlagt
und die Druckbeaufschlagung der Kolben-Zylinder-Anordnung und damit die Kraftbeaufschlagung
des Betätigungskolbens 6 wird auf eine niedrigere Stufe herabgesetzt. Dadurch wird
die Ventilplatte 5 teilweise entlastet, sodaß sie sich um einen Hub von beispielsweise
o,5 mm von der Dichtfläche 38 abheben kann. Folglich strömt das in dem vorderseitigen
Raum befindliche und durch den Zuführungskanal 33 nachgeführte Kunststoffmaterial
zwischen der Druckfläche 56 und der Dichtfläche 38 hindurch in die Düsenbohrung
36 und von dort über den Angußkanal 21 in die Formhöhlung. Da in dieser zweiten
Stellung die Ventilplatte 5 immer noch elastisch ausgebogen ist, drückt sie mit
dem Boden der flachen Ausnehmung 58 auf die Stirnseite des Ansatzes 61, sodaß nach
wie vor der rückseitige Raum hinter der Ventilplatte 5 gegenüber der durchgehenden
Bohrung 57 abgesperrt ist.
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Auf ein weiteres Signal der Programmsteuerung hin wird die Kolben-Zylinder-Anordnung
7 und damit der Betätigungskolben 6 vollkommen druckentlastet, und letzterer um
einen zusätzlichen Hub von etwa 2,5 mm zurückbewegt, sodaß die Ventilplatte 5 sich
in eine dritte Stellung zurückbewegt, in welcher sie unverformt ist. Da in dieser
Stellung der Ansatz 61 des Betätigungskolbens 6 von dem Boden der Ausnehmung 58
abgehoben ist, steht nunmehr auch der rückseitige Raum hinter der Ventilplatte 5
über die durchgehende Bohrung 57 mit der Düsenbohrung 36 in Verbindung und Kunststoffmaterial
aus dem Zuführungskanal 42 kann zugleich mit dem Kunststoffmaterial aus dem Zuführungskanal
33 der Formhöhlung zugeführt werden, da zu diesem Zeitpunkt auch das Kunststoffmaterial
im Zuführungskanal 42 unter Druck steht.
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Zur Beendigung des Einspritzvorganges wird auf ein weiteres Signal
hin der Betätigungskolben 6 wieder nach vorne gefahren,
sodaß sein
Ansatz 61 an dem Boden der Ausnehmung 58 und die Druckfläche 56 an der Dichtfläche
38 zur Anlage kommt und dadurch der rückseitige und der vorderseitige Raum gegenüber
der Düsenbohrung 36 abgesperrt werden. Aufgrund der geringen Hübe lassen sich die
Spritzzeiten, während deren Kunststoffmaterial der Düsenbohrung 36 zufließt, außerordentlich
kurz halten.
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In dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel bildet der Betätigungskolben
6 zugleich das Dichtelement, welches den rückseitigen Raum gegenüber der durchgehenden
Bohrung 57 abschließt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, sondern es kann
ein getrennt gesteuertes Dichtelement vorgesehen werden, das unabhängig von den
Bewegungen des Betätigungskolbens 6 verstellbar ist. Die Kraftbeaufschlagung dieses
Dichtelementes und dessen Bewegungen müssen allerdings so auf diejenigen des Betä>-
gungskolbens 6 abgestimmt sein, daß die in den verschiedenen Stellungen der Ventilplatte
5 erwünschten Verformungen nicht behindert werden.
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Ohne daß dies in der vorstehenden Beschreibung näher erläutert wäre,versteht
es sich weiterhin, daß die Einspritzdüse bei Bedarf mit herkömmlichen Heizeinrichtungen
versehen ist.
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Auch der Betätigungskolben 6 enthält in seinem Inneren eine Ileizeinrichtung,
um thermoplastisches Kunststoffmaterial vor der Verarbeitung im fließfähigen Zustand
zu halten.
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