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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Spritzgießsysteme
und insbesondere, aber nicht ausschließlich auf die heißen Spitzen
von Düsen
für Eingußkanäle, insbesondere
Düsen,
bei welchen ein Spitzeneinsatz durch ein separates Haltestück befestigt
ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
Stand der Technik umfaßt
verschieden Düsen
und Spitzen für
Eingußkanal-Spritzgußsysteme.
Die Eingußkanaldüsen sind
typischerweise entweder vom Typventileinlauf oder Eingußspitze.
Bei dem Ventileinlauftyp bewegt sich ein separater Schaft innerhalb
der Düse
und der Spitze, der als Ventil dient, um selektiv den Strom des
Harzes durch die Düse
zu starten und zu stoppen. Bei dem Eingußspitzentyp wird eine kleine Eingußzone am
Ende der Spitze abgetrennt, um dadurch den Strom des Harzes durch
die Düse
zu stoppen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Düsen vom
Eingußspitzentyps.
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Ein
Spritzgießsystem
unter Verwendung einer Düse
vom Eingußspitzentyp
hat typischerweise eine gekühlte
Form mit einer kleinen kreisförmigen
Eingußöffnung,
in welche die Spitze der Düse
eingesetzt wird. Die Spitze ist typischerweise konisch mit einer
verjüngten
Punkt. Im Betrieb wird der verjüngte
Punkt im kreisförmigen
Einguß positioniert,
um dadurch eine ringförmige Öffnung zu
bilden, durch welche geschmolzener Kunststoff von der Düse zur Form
transferiert wird. Wenn die Form voll ist, stoppt der Kunststoffstrom.
In einem idealen Formungszyklus wird die Form typischerweise gekühlt, um
den eingespritzten Kunststoff so bald wie möglich zu verfestigen. Wenn
der flüssige
Kunststoff in der Form kühlt,
schrumpft er, und dies gestattet, daß Kunststoff aus der Düse in die
Form nachströmt.
Dieser Schritt wird als „Packen" bezeichnet. Die
Düse ist
typischerweise erhitzt, so daß der
geschmolzene Kunststoff innerhalb der Düse flüssig bleibt. Der heiße Kunststoff,
der sich währen
des Packens durch die Eingußzone
bewegt, bewahrt die Eingußzone
vor dem Verfestigen, bis der gesamte Kunststoff in dem Teil verfestigt
ist. Gegebenenfalls wird der Einguß verfestigt, die Form wird
geöffnet
und der Teil wird ausgestoßen,
wodurch eine kleine Menge an verfestigtem Kunststoff an der Eingußzone abbricht.
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Wenn
die Form geöffnet
wird, bevor der Einguß erstarrt
ist, bildet der Kunststoff von der Düse zur Form hin einen Strang.
Dies ist als „Eingußstrang" bekannt und nicht
annehmbar, weil der Kunststoffstrang von dem geformten Teil in einem
nachfolgenden Vorgang entfernt werden muß oder der Teil abgetrennt
wird. Eine lange Wartezeit für
das Erstarren des Eingusses ist ebenfalls nicht akzeptierbar, weil
sie zur Formungszykluszeit hinzukommt, die so kurz wie möglich sein
soll, um die Systemproduktivität
zu optimieren.
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Wenn
die Düse
nicht genug Hitze an die Spitze liefert, um den Einguß vor dem
Erstarren zu bewahren, bevor der Teil vollständig spritzgegossen und gepackt
ist, kann der Teil Hohlräume
oder andere Qualitätsprobleme
haben, die ihn nicht akzeptierbar machen.
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Im
Stand der Technik ist das direkte Erhitzen der Düsenspitze wegen der kleinen
Größe der Düsenspitze
nicht praktisch. Folglich muß die
Düsenspitze
durch einen wärmeleitenden
Vorgang erhitzt werden, der auf der Leitfähigkeit der Materialien in
der gesamten Düse
beruht. Hitze wird an den Düsenkörper durch bekannte
Techniken angelegt und zur Düsenspitze
geleitet. Das Spitzenmaterial muß deshalb aus einem hochleitfähigen Material
bestehen, welches den Strom von Hitze zur Düsenspitze begünstigt.
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Es
ist wesentlich, daß die
Düsenspitze
die richtige Menge an Hitze an die Eingußzone abgibt, um den Kunststoff
in einem flüssigen
Zustand zu halten, wenn er durch den Einguß strömt, aber auch um ihm zu ermöglichen,
in einer vernünftigen
Zeit zu erstarren, wenn der Strom aufgehört hat. Die Spitze muß auch korrosionsfest
sein, Drucklasten von den Spritzdrücken standhalten, die 75 MPa
(40.000 psi) oder mehr erreichen können, und verschleißfest sein,
wenn sie mit Kunststoffen verwendet wird, die Füller, wie Glas oder andere teilchenförmige Materialien,
enthalten. Da die Spitze abgenützt
werden kann, ist es erwünscht,
daß sie
leicht ersetzbar ist. Es ist auch erwünscht, daß die Spitze leicht geändert werden
kann, um verschiedene Materialien zu verarbeiten.
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Um
diesen Erfordernissen zu entsprechen, sind zweistückige Spitzenanordnungen üblich geworden. Ein
entfernbarer Spitzeneinsatz wird im Düsengehäuse mittels eines Spitzenhalters
befestigt, der typischerweise in Gewindeeingriff mit dem Düsengehäuse steht.
Der relativ billige Spitzeneinsatz kann durch Abschrauben des Halters,
Installieren eines anderen Spitzeneinsatzes und Wiederbefestigen
des Halters leicht geändert werden.
Solche Spitzenanordnungen sind kosteneffektiv, weil der Halter nicht
ersetzt wird.
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Die
zweistückigen
Spitzenanordnungen umfassen eine Düsendichtung, die an dem Halteteil
befestigt ist. Da die Düsendichtung
die Form kontaktiert, die relativ zur Düsenspitze kalt ist, wird bevorzugt,
daß das Düsendichtungsmaterial
eine geringe Wärmeleitfähigkeit
hat, damit die Hitze der Düse
und der Dü senspitze nicht über die
Düsendichtung
auf die Form übertragen
wird.
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Diese
Erfordernisse haben zu verschiedenen US-Patenten geführt, die
auf eine Vielfalt von Spitzen- und Düsendichtungsanordnungen gerichtet
sind, welche einen Spitzeneinsatz und einen Halter anwenden, und
sie lehren alle die Verwendung eines hochwärmeleitfähigen Materials für den Spitzeneinsatz.
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Das
US-Patent 5,208,052 an Schmidt
et al. lehrt einen Spitzeneinsatz aus Beryllium-Kupfer mit einer hohen
Wärmeleitfähigkeit
und einem Halter aus einer Titan-Legierung mit niedriger Wärmeleitfähigkeit.
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Das
US-Patent 5,299,928 an Gellert
lehrt ebenfalls, daß ein
innerer Teil der Spitze aus einem hochwärmeleitfähigen Material geformt wird,
wie einer Beryllium-Kupfer-Legierung, und der äußere Halteteil aus einem Material
geformt wird, wie einer Titan-Legierung, die wesentlich geringere
Wärmeleitfähigkeit
als der Beryllium-Kupfer-Spitzeneinsatz hat.
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In ähnlicher
Weise lehrt das
US-Patent 5,885,628 an
Swenson et al. einen inneren Teil der Spitze aus einem hohen wärmeleitfähigen Material
herzustellen, wie Beryllium-Kupfer, und einen äußeren Teil, vorzugsweise aus
einem Material geringer Leitfähigkeit
zu formen ist, wie einer Titan-Legierung.
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Das
US-Patent 6,394,785 an Ciccone
lehrt ebenfalls einen Düsenspitzeneinsatz,
der normalerweise aus Beryllium-Kupfer besteht.
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Für verschleißfestere
Spitzen offenbart das
US-Patent
6,302,680 an Gellert et al. einen Spitzeneinsatz aus einem
Material, wie Beryllium-Kupfer oder Wolframkarbid-Kupfer, mit einer
Kombination von Wärmeleitfähigkeit
und Verschleiß-
und Korrosionsfestigkeit, die für
das zu gießende
Material geeignet ist. Die Düsendichtung,
die auch den Spitzeneinsatz hält,
besteht aus einem geeigneten verschleiß- und korrosionsfesten Material,
wie rostfreiem oder H-13 Werkzeugstahl. Das
US-Patent 6,164,954 an Mortazavi et
al. offenbart ebenfalls die Verwendung von Materialien für den Spitzeneinsatz,
die hohe Verschleißfestigkeit
und gute Wärmeleitfähigkeit
haben, wie Karbid oder Wolframkarbid. Mortazavi offenbart auch die
Verwendung von Materialien für den
Halter, die gute Wärmeleitfähigkeit
haben, wie Ti/Zr-Karbid.
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Das
US-Patent 5,879,727 an Puri
offenbart eine Düsenspitze,
vorzugsweise aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit,
wie auf Kupfer basierenden Legierungen. Die Spitze steht mit der
Düse in
Gewindeeingriff, und ein Dichtungsring, der ebenfalls aus relativ
hochverschleißfestem
Material besteht, wie H-13, 4140 oder P-20 Werkzeugmetallen, ist
an der Spitze durch einen Isolator befestigt, der aus einem Material
geringer Leitfähigkeit,
wie Titan, besteht.
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Das
US-Patent 5,804,228 an Caco
Pacific Corporation offenbart eine Düsenanordnung. Der Düsenkörper besteht
aus Stahl mit einem Spitzenhalter aus eine auf Kupfer basierenden
Legierung. Der Halter umfaßt
eine Schulter, welche an einer Schulter der Mischspitze greift,
um die Spitze zu halten. Der Halter ist innerhalb eines Endes des
Düsenkörpers befestigt,
und eine Heizeinrichtung ist in Kontakt mit dem Düsenkörper, aber
nicht mit dem Spitzenhalter vorgesehen und liefert deshalb keine
direkte Erwärmung
des Halters.
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Das
kanadische Patent 2,332,062 und
die PCT-Veröffentlichung
WO 03/028973 an Mold Masters
offenbaren beide eine Düsenanordnung.
Der Düsenkörper umfaßt eine
integral geformte Heizein richtung. Die Spitze besteht aus einem
hochwärmeleitfähigen Material,
und der Halter besteht aus einem wesentlich weniger leitfähigen Material,
um Hitzeverluste zu vermeiden. Die Heizeinrichtung steht nicht in
Kontakt mit dem Halter und liefert diesem somit keine Wärme.
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Alle
diese Düsenspitzen
funktionieren im wesentlichen auf die gleiche Weise unter Verwendung
der Hochwärmeleitfähigkeit
des Düsenspitzeneinsatzes,
um Hitze von dem erhitzten Düsenkörper auf
die Eingußzone
zu übertragen.
Die Hitze von der Düsenspitze öffnet den
Einguß am
Beginn des Einspritzzyklus und hält ihn
während
des Einspritzvorganges offen, und die Kühlung der Form kühlt und
verfestigt gegebenenfalls den Einguß und die Formfüllung. Wenn
die Spitze nicht heiß genug
ist, kann sich der Einguß nicht öffnen und
das Spritzgießen
wird nicht stattfinden, oder der Einguß wird sich zu bald verfestigen,
wodurch Teile schlechter Qualität
erzeugt werden. Wenn zuviel Hitze zur Spitze transferiert wird,
wird der Einguß nicht
verfestigen, was in einer Strangbildung des Eingusses resultiert.
Deshalb besteht für
jede spezielle Düsenspitze
und jedes Harz ein Betriebstemperaturfenster. Zwischen der minimalen
Temperatur, die erforderlich ist, um den Einguß wunschgemäß zu öffnen und ihn während des
Formungsvorganges offen zu halten, und der maximalen Temperatur,
bei welcher Teile ohne Eingußstränge hergestellt
werden können.
Wenn das Betriebsfenster zu schmal ist, kann es schwierig sein,
daß Formen
mit mehreren Hohlräumen
in allen Hohlräumen
konsistent gute Teile herstellen, weil mit dem Spritzgießvorgang
viele Variablen verbunden sind. Ein Faktor ist die Einbautoleranz,
welche die Spitzenhöhe
im Einguß variiert.
Da die Spitze konisch ist, verursachen Variationen der Spitzenhöhe Variationen
in der Größe des Ringraumes
zwischen der Spitze und dem Einguß, durch welchen der geschmolzene
Kunststoff strömt.
Ein anderer Faktor ist die Variation in der Temperatur des Harzes
von Düse zu
Düse infolge von
Hitzeverlusten an verschiedenen Teilen im Eingußkanal oder aus einem Strömungsungleichgewicht
im Eingußkanal.
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Außerdem haben
Harze Schmelzeströmungscharakteristiken
und einen optimalen Temperaturbereich zur Verarbeitung, welcher
bestimmt, welche Verarbeitungsparameter im Spritzgießverfahren
angewendet werden. Die Strömungsmerkmale
für ein
Harz variieren von Charge zu Charge. Um die Harzkosten niedrig zu
halten und ein Sortieren der Harze nach Chargen zu vermeiden, kaufen
die Verarbeiter häufig
Harze in großen Mengen
mit einer Spezifikation, die einen großen Bereich an Strömungseigenschaften
gestattet. Eine Charge des Harzes kann für einen gegebenen Satz von
Verarbeitungsparametern adäquat
sein, die nächste
Charge kann hingegen andere Strömungseigenschaften
haben und unter Umständen
unter Verwendung genau der gleichen Verarbeitungseinstellungen keine
guten Teile erzeugen.
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In
vielen Spritzgießsystemen
wird die Temperatur der Düse
häufig überwacht,
typischerweise nahe der Spitze mit einem Temperaturfühler. Dieser
mißt die
Temperatur des Metalls in der Düse
und nicht die tatsächliche
Temperatur des geschmolzenen Harzes. Es gibt eine Schleifen-Feedbackanordnung
zwischen dem Wärmefühler und
dem Düsenerhitzer,
um typischerweise die Düsentemperatur,
die von dem Thermoelement gemessen wird, auf einen fix eingestellten
Punkt zu halten. Bei einigen Systemen kann die Temperatur jeder
einzelnen Düse
eingestellt werden, wie dies notwendig ist, um die vorstehend erwähnten Variationen
zu kompensieren, aber in vielen Systemen ist eine solche individuelle
Kontrolle der Düsenerhitzer
nicht möglich.
Wiederum bei anderen Systemen wird die Düsentemperatur nicht überwacht.
Basierend auf Verfahrensexperimenten beruhen diese Systeme auf Energiekontrolleinstellungen,
typischerweise einem Prozentsatz der maximal verfügbaren Energie,
um die Betriebstemperatur der Düse
festzustellen. Mit jedem System ist es je doch leider nicht möglich, eine
Düse an
der oberen Grenze des Betriebsfensters und eine andere Düse an der
unteren Grenze desselben arbeiten zu lassen. Wenn das Fenster anderseits
zu schmal ist, können
einige Düsen
stets außerhalb
des Fensters liegen, wodurch verhindert wird, daß die Form in allen Hohlräumen gute
Teile erzeugt.
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Es
besteht deshalb das Erfordernis für eine Spritzgieß-Düsenspitze, welche ein breiteres
Betriebsfenster als jene nach dem Stand der Technik ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert.
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Die
Erfindung schafft eine Düse
für ein
Spritzgieß-Eingußsystem.
Die Düse
umfaßt
ein Düsengehäuse mit
einem Schmelzekanal, der sich durch das Gehäuse erstreckt, eine Düsenspitze
mit einem Spitzenkanal und zumindest einer Auslaßöffnung in Verbindung mit dem
Spitzenkanal, und einen Spitzenhalter, der mit dem Düsengehäuse lösbar verbunden
ist und die Düsenspitze
gegen das proximale Ende des Düsengehäuses hält, derart,
daß der
Spitzenkanal mit dem Schmelzekanal kommuniziert. Der Spitzenhalter
ist signifikant stärker wärmeleitend
als die Düsenspitze.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Düse
eine Düsendichtung,
die signifikant warmer leitfähig als
der Spitzenhalter ist. Die Düsendichtung
kann mit dem Spitzenhalter verschmolzen und ringförmig von
der Düsenspitze
beabstandet sein.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Düsenhalter
entfernbar an dem Düsengehäuse durch
Gewinde befestigt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Düsenhalter
entfernbar an dem Düsengehäuse durch Niedrigtemperaturlöten befestigt.
Bei einem noch anderen Ausführungsbeispiel
ist die Düsenspitze
in dem Düsenhalter
durch Niedrigtemperaturlöten
gehalten.
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Vorteilhaft
schafft die vorliegende Erfindung eine Düsenspitze mit einem breiten
Betriebsfenster, welches die Produktion von hochqualitativen Teilen
selbst bei großen
Variationen der Harztemperatur der Düsenhöhe und der Harzströmungseigenschaften
gestattet. Die Düsenspitze
des bevorzugten Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung vermeidet zweckmäßig, daß die Düsentemperaturen eingestellt
werden müssen.
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Die
Merkmale, Vorteile und Ziele dieser Erfindung werden dem Fachmann
durch Bezugnahme auf die nachfolgende beispielhafte Beschreibung
und illustrativen Zeichnungen verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Längsquerschnittsansicht
eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
einer Düse
der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein Spitzenhalter außerhalb
des Düsengehäuses installiert
ist.
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2 ist
eine Detailansicht eines Teiles von 1.
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3 ist
eine Längsquerschnittsansicht
eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispieles
einer Düse
der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein Spitzenhalter in dem
Düsengehäuse installiert
ist.
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4 ist
eine Längsquerschnittsansicht
eines weiteren Ausführungsbeispieles
einer Düse,
die nicht gemäß der Erfindung
ausgebildet ist, bei welcher ein Spitzenhalter an das Düsengehäuse gelötet und
die Düsenspitze
an dem Spitzenhalter durch Niedrigtemperatur-Lötmaterial befestigt ist.
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5 ist
eine isometrische Ansicht einer verlängerten Düsenspitze.
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6 ist
ein Längsquerschnitt
der verlängerten
Düsenspitze
nach 5.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
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Unter
Bezugnahme auf die 1 und 2 ist in
diesen eine Spritzgießdüse 10 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung allgemein dargestellt. Die Spritzgießdüse 10 umfaßt ein langgestrecktes
Düsengehäuse 12 mit
einem Schmelzekanal 14, der in bekannter Weise in Fluidverbindung
mit einer Quelle von unter Druck stehendem geschmolzenem Material
(nicht gezeigt) steht. Eine Düsenspitze 16 ist
am proximalen Ende 18 des Düsengehäuses 12 installiert,
so daß ein
Spitzenkanal 22 in der Düsenspitze 16 in Fluidverbindung
mit dem Schmelzekanal 14 geformt wird und zumindest eine
Auslaßöffnung 20 in
Fluidverbindung mit dem Spitzenkanal 22 hat. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die Düsenspitze 16 am
proximalen Ende 18 des Düsengehäuses 12 durch einen
Spitzenhalter 24 gehalten, der entfernbar an einem proximalen
Ende 18 des Düsengehäuses durch
Gewinde 26 oder Funktionsäquivalente befestigt ist. Der
Spitzenhalter 24 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er die
Düsenspitze 16 aufnimmt
und hält,
wenn der Spitzenhalter 24 in das proximale Ende 18 des
Gehäu ses 12 geschraubt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind das Düsengehäuse 12 und
der Spitzenhalter 24 so konstruiert, angeordnet und mit
solchen Gewinden versehen, daß der
Spitzenhalter 24 auf Außengewinden des Düsengehäuses 12 installiert
wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sind das Düsengehäuse 12 und
der Spitzenhalter 24 im wesentlichen zylindrisch im Querschnitt
mit im wesentlichen gleichen Außendurchmessern,
so daß eine
im wesentlichen zylindrische externe Heizeinrichtung 28 über dem
Düsengehäuse 12 und
dem Spitzenhalter 24 installiert werden kann. Die Heizeinrichtung 28 führt dem
Düsengehäuse 12 und
dem Spitzenhalter 24 Hitze zu, um das Material in dem Schmelzekanal 14 und
dem Spitzenkanal 22 geschmolzen zu halten.
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Im
Betrieb des Spritzgießgehäuses 10 erhitzt
die Heizeinrichtung 28 direkt das Düsengehäuse 12 und den Spitzenhalter 24,
welcher Hitze auf die Düsenspitze 16 und
das geschmolzene Material in den Schmelzekanal 14 und den
Spitzenkanal 22 überträgt. Wie
vorstehend erläutert,
muß der
Düsenspitze 16 genügend Hitze
zugeführt
werden, um den Einguß am
Beginn des Spritzgießzyklus
zu öffnen
und ihn während
des Spritzgießvorganges
offen zu halten. Die Spitze muß nicht
so heiß sein,
daß sie,
nachdem die Formfüllung
beendet ist, ein Verlegen des Eingusses nicht gestattet. Wie vorstehend
erwähnt,
erreichen die Spritzgießdüsen nach dem
Stand der Technik dies, indem die Düsenspitze aus einem hochwärmeleitfähigen Material,
wie Beryllium-Kupfer, besteht. Der Spitzenhalter und die Düsendichtung
bestehen aus Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie verschiedenen
rostfreien Stählen
und Werkzeugstählen.
Die vorliegende Erfindung kehrt diese Vorgehensweise um, so daß der Spitzenhalter
signifikant stärker
wärmeleitfähig als
die Spitze ist. Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen besteht der
Halter 24 aus einem hochleitfähigen Material, wie Beryllium-Kupfer-Legierung,
die aus irgendeiner Spezifikation der ASTM C17000 Reihen besteht,
oder aus einer Kupfer-Legierung, die aus einer C18000 Spezifikation
besteht, und die Düsenspitze 16 besteht
aus einem weniger leitfähigen
Material, wie rostfreiem Stahl, Werkzeugstahl oder Carbid. Der Halter
wird typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit
im Bereich von etwa 100 bis 300 Wm–1K–1 haben,
und die Düsenspitze
wird typischerweise einen Bereich von 10 bis 95 Wm–1K–1 haben.
Die Verwendung einer Düsenspitze
mit einer Leitfähigkeit
am oberen Ende des Bereiches würde
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung eines Halters mit
einer Leitfähigkeit
im oberen Bereich erforderlich machen, so daß eine signifikante Differenz,
ein Faktor von zumindest etwa zwei und vorzugsweise sechs oder mehr,
in der erzielten Wärmeleitfähigkeit
besteht. Die Verwendung eines Halters mit einer Leitfähigkeit
am unteren Ende des Bereiches könnte
eine Spitze mit einer Leitfähigkeit
am unteren Ende des Bereiches umfassen, vorausgesetzt, daß die gesamte
Betriebstemperatur des Systems hoch genug ist, um gute Teile zu
erzeugen, ohne das Kunststoffmaterial bei einer zu hohen Temperatur
zu verarbeiten. Der bevorzugte Bereich für die Wärmeleitfähigkeit des Halters liegt bei
etwa 150 bis 260 Wm–1K–1 mit
Düsenspitzen
im Bereich von 25–60
Wm–1K–1.
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Dem
Fachmann ist klar, daß die
für die
Düsenspitze
der vorliegenden Erfindung verwendeten Materialien wesentlich verschleißfester
als das für
die Düsenspitzen
nach dem Stand der Technik der Technik verwendete Beryllium-Kupfer
sind. Deshalb können
Anwendungen, die verschleißfeste
Spitzen erfordern, mit der gleichen Spitze wie jene Anwendungen
gefahren werden, die solche Verschleißfestigkeit nicht erfordern.
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Gemäß einem
anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann der Spitzenhalter in die Innengewinde des Düsengehäuses eingeschraubt sein. Bezug
genommen wird auf 3, die ein solches Ausführungsbeispiel
zeigt, wobei das Düsengehäuse 112 und
der Spitzenhalter 124 mit Innengewinden 126 im
Düsengehäuse 112 und
einem passenden Außengewinde
am Spitzenhalter 124 versehen sind. Der Spitzenhalter 124 wird
in den Innengewinden 126 installiert, um die Düsenspitze 116 zu
halten.
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In 4 ist
alternativ ein anderes Ausführungsbeispiel
dargestellt, das nicht gemäß der Erfindung ohne
einem entfernbaren Spitzenhalter ausgestattet ist. Der Spitzenhalter 224 könnte ein
integraler Teil des Düsengehäuses 212 sein.
Wenn er aus einem anderen Material als das Düsengehäuse 212 besteht, kann
der Spitzenhalter 224 mit dem Hochtemperatur-Lötmaterial
an das Düsengehäuse 212 geschweißt oder
gelötet werden.
Die Düsenspitze 216 könnte in
dem Düsenhalter 224 durch
Löten mit
einem Lötmaterial
bei relativ geringer Temperatur befestigt werden, das noch immer
gestatten würde,
daß die
Düsenspitze 216 von
dem Spitzenhalter 224 durch Wiedererhitzen der Anordnung
auf eine Temperatur entfernt wird, die hoch genug ist, daß sie das
Niedrigtemperatur-Lötmaterial
schmilzt, aber nicht so hoch, daß sie das Hochtemperatur-Lötmaterial
schmilzt. Alternativ können
das Düsengehäuse 212 und
der Spitzenhalter 224 einstückig aus dem gleichen Material
ausgebildet werden. Bei einem anderen Beispiel könnte der Spitzenhalter 224 die
Spitze 216 angelötet
oder angeschweißt
haben, und der Spitzenhalter 224 kann in das Düsengehäuse 212 eingeschraubt sein.
Bei noch einem anderen Beispiel kann der Spitzenhalter 224 entfernbar
an dem Düsengehäuse 212 durch
eine Niedrigtemperatur-Lötgrenzfläche befestigt
werden, und der Spitzenhalter 224 kann konfiguriert sein,
daß er
mechanisch die Düsenspitze 216 in ähnlicher
Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach 1 hält.
Es sei bemerkt, daß für die Ausführungsbeispiele,
die Löten
erfordern, die Temperatur hoch genug ist, um selbst das Niedrigtemperatur-Lötmaterial
zu schmelzen, und hoch genug ist, so daß ein unerwünschter Abbau der Materialeigenschaften
des Spitzenhalters 224 auftritt.
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Bei
jedem der Ausführungsbeispiele
nach den 3 und 4 könnte eine
Heizeinrichtung 28 eine externe Heizeinrichtung sein, wie
dargestellt, oder sie könnte
einstückig
mit dem Düsengehäuse und
dem Spitzenhalter ausgebildet sein, wie dies im Stand der Technik
bekannt ist, da das Düsengehäuse und
der Spitzenhalter als Einheit ausgebildet sind.
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Bei
allen vorstehenden Ausführungsbeispielen
ist eine optionale Düsendichtung 30 am
proximalen Ende des Spitzenhalters 24, 124 oder 224 befestigt
und hat einen Flansch 32, welcher die Form kontaktiert und
gegen diese abdichtet (nicht gezeigt). Es sei bemerkt, daß der Fachmann
mit zahllosen Ausführungsbeispielen
für Düsendichtungen
vertraut ist, und daß diese
eine Blasenzone 34 umfassen können, die zwischen dem Flansch 32 und
der Düsenspitze 16 ausgebildet
ist, wo sich geschmolzenes Material ansammeln kann, um die Wärmeisolierung
der Spritzgießdüse 10 von
der Form zu verbessern. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf
die eine Ausführungsform
beschränkt,
die gezeigt und beschrieben ist, sondern umfaßt alle bekannten Ausführungsformen
für Düsendichtungen
und dergleichen.
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Bei
den dargestellten Ausführungsbeispielen
ist die Düsendichtung 30 vorzugsweise
aus einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als der Spitzenhalter 24 hergestellt,
um die Wärmeübertragung
zwischen dem Halter 24 und der Form (nicht gezeigt) zu
minimieren. Die Düsendichtung 30 ist
vorzugsweise auch ringförmig
von der Düsenspitze 16 beabstandet,
um die Wärmeübertragung
zwischen der Düsendichtung 30 und
der Düsenspitze 16 zu
minimieren. Das bevorzugte Material für die Düsendichtung 30 ist
13-8 Werkzeugstahl, der eine Wärmeleitfähigkeit
von etwa 14 Wm–1K–1 hat.
Die Düsendichtung 30 ist
vor zugsweise an den Spitzenhalter 24, 124 oder 224 an
einer Grenzfläche 36 durch
Elektronenstrahlschweißen,
Löten oder
einen anderen derartigen Prozeß angeschweißt. Alternativ
kann die Düsendichtung 30 mit
einer Preßpassung
an der Grenzfläche 36 ausgebildet
werden, oder die Düsendichtung 30 kann
an dem Spitzenhalter 24, 124 oder 224 durch
einen Gewindeeingriff befestigt sein.
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Tests
haben gezeigt, daß diese
neue Halter/Spitzen-Kombination ein wesentlich breiteres Betriebsfenster
für die
meisten Kunststoffharze bietet als die Kombinationen nach dem Stand
der Technik. Unter Verwendung einer Husky ULTRATM 500
Düse nach
dem Stand der Technik mit einem Stahlspitzenhalter 24 und einer
Beryllium-Kupfer-Düsenspitze 16 wurden
spritzgegossene Teile mit verschiedenen Harzen erzeugt, und die
Temperatur der Düse änderte sich,
um das Betriebsfenster zu bestimmen. Ein Wärmeelement in dem Spitzenhalter 24 nahe
dem proximalen Ende 18 des Düsengehäuses 12 überwachte
die Temperatur der Spitze 10 und war eine gute Anzeige
der Düsenverarbeitungstemperatur
entsprechend jener, die von den Harzherstellern empfohlen wurde.
Wenn die Temperatur der Düse
nach oben und nach unten eingestellt wurde, wurde die Eingußqualität der erzeugten
Teile überwacht.
Die für
die Öffnung
und das Herstellen von guten Teilen erforderliche Mindesttemperatur
des Eingusses wurde als Mindesttemperatur für das Betriebsfenster aufgezeichnet;
die Maximaltemperatur, bei welcher Teile ohne Eingußfäden hergestellt
wurden, wurde als Maximaltemperatur des Betriebsfensters aufgezeichnet.
Alle anderen Verarbeitungsparameter blieben konstant, wobei sich
nur die Düsentemperatur änderte.
Der Stahlspitzenhalter und die Beryllium-Kupfer-Düsenspitze
wurden mit einem Beryllium-Kupfer-Spitzenhalter und einer 4140 Stahldüsenspitze
gemäß der vorliegenden
Erfindung ersetzt, und der Test wurde wiederholt.
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Die
Ergebnisse dieser Tests sind in der Tabelle 1 gezeigt. Für die Ausführungsform
nach dem Stand der Technik reichte die Größe des Betriebsfensters von
einem Minimum von 30 Grad Celsius (C) für Polypropylen bis zu einem
Höchstmaß an 100
Grad Celsius für
hochdichtes Polyethylen. Bei einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung erhöhte
sich die Größe des Betriebsfensters
für Polypropylen
auf 205 Grad Celsius und das Betriebsfenster für hochdichtes Polyethylen auf
260 Grad Celsius. Die Ausführung
gemäß der vorliegenden
Erfindung senkte die Mindesttemperatur ab und hob die Höchsttemperatur
des Betriebsfensters wesentlich an. Tatsächlich wurden gute Teile noch
immer ohne Eingußfäden mit
einer Düse
bei 400 Grad Celsius hergestellt. Tests bei höheren Temperaturen wurden nicht
vorgenommen, weil die Beryllium-Kupfer-Halterdichtungen bei Temperaturen über 400
Grad Celsius ihre Festigkeit verlieren. Tabelle 1
| Harz | Betriebsfenster
für Düse mit Stahlhalter
und BeCu Spitzeneinsatz nach dem Stand der Technik | Betriebsfenster
für Düse mit BeCu
Halter und 4140 Stahlspitzeneinsatz gemäß der vorliegenden Erfindung |
| Polypropylen | 205–235 C | 195–400 C |
| Polycarbonat | 300–340 C | 285–400 C |
| HDPE | 180–280 C | 140–400 C |
| Nylon | 280–320 C | 270–350 C |
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Mit
der Konfiguration gemäß der vorliegenden
Erfindung war der hochwärmeleitende
Spitzenhalter
24 imstande, Hitze von der Heizeinrichtung
28 und
dem Düsengehäuse
12 auf
die Düsenspitze
16 besser
zu übertragen
als mit den Ausführungsformen
nach dem Stand der Technik, bei welchen der Spitzenhalter aus Stahl und
nur die kleine Spitze aus einem hochwärmeleitfähigen Material bestand. Die
größere Masse
des hochwärmeleitfähigen Materials
in dem Spitzenhalter
24 erzeugte mehr Hitze nahe dem Einguß, wodurch
der Stopfen an erstarrtem Harz, der am Einguß geformt wird, dünn genug
war, so daß der
Einguß bei
einer minimalen Betriebstemperatur öffnen konnte. Dies ergibt sich
aus der Karte
1, welche eine Steady State-Wärmeanalyse
der Temperatur entlang der Düsenspitze
16 für Konfigurationen
zeigt, die verwendet wurden, um die Ergebnisse in Tabelle 1 zu erzeugen. Karte
1 Wärmeprofil
der vorliegenden Erfindung gegenüber.
Stand der Technik
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Da
die Düsenspitze 16 aus
einem Material mit ziemlich niedriger Wärmeleitfähigkeit bestand, fiel die Temperatur
der Spitze entlang des konischen Teiles 40 rasch zu dem
Ende 42 der Düsenspitze 16 ab.
Der Teil vom Ende 42 bis zu 4 mm vor dem Ende, der durch
die Linie 44 angedeutet ist, ist kälter als die gleiche Zone für eine Spitze
nach dem Stand der Technik. Dies bewirkt, daß der im Einguß angeordnete
Teil der Düsenspitze 16 gemäß der vorliegenden
Erfindung wesentlich kälter
als jener der Spitze nach dem Stand der Technik ist. Die relativ
kalte Düsenspitze
am Einguß gestattet
selbst bei sehr hohen Düsenbetriebstemperaturen
ein ordnungsgemäßes Erstarren
des Eingus ses. Ein anderer Faktor, welcher das Verarbeitungstemperaturfenster
beeinflußt,
ist die Reaktion der Düsenspitze 16 auf
die Übergangsbedingung
von Schererhitzung des geschmolzenen Materials, wenn es durch die
Spitze 16 strömt.
Im Vergleich zu Materialien, die für Spitzen nach dem Stand der
Technik verwendet wurden, haben die Materialien, die für die Spitze 16 gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wurden, relativ hohe Dichte und geringe Wärmeleitfähigkeit,
und sie sprechen nicht so stark oder so rasch auf die Schererhitzung
des geschmolzenen Materials während
des Einspritzens des geschmolzenen Materials an. Dies hält die Spitze
unmittelbar nach dem Einspritzteil des Formungszyklus bei einer
niedrigeren Temperatur, was die Gefahr von Eingußsträngen reduziert. Gute Teile
können
deshalb ohne Eingußstränge hergestellt
werden, selbst wenn sich die Düsentemperaturen
an ihrer strukturellen oberen Grenze befinden.
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Die
gleichen Tests wurden auch unter Verwendung von größeren Düsen (Husky's ULTRATM 750
und ULTRATM 1000) vorgenommen, und es wurden ähnliche
Resultate erzielt.
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Für alle Tests
hatte die Düsenspitze 16 eine
Länge,
die für
die meisten Anwendungen verwendet wurde. Bei einigen Anwendungen
war eine Spitze größerer Länge erforderlich.
Für diese
Anwendungen kann die niedrige Wärmeleitfähigkeit
der Düsenspitze 16 unzureichend
sein, um ausreichend Hitze an dem konischen Teil zu erzeugen, wenn
die gesamte Düsenspitze 16 aus
einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit
besteht. Für
diese Anwendungen kann eine verlängerte
Düsenspitze
hergestellt werden, wie in den 5 und 6 gezeigt.
Die verlängerte
Spitze 50 hat einen Schaftteil 52 und einen Endteil 54,
der sich von dem Schaftteil 52 wegerstreckt. Die Beziehung
zwischen den Wärmeleitfähigkeiten
für den
Schaftteil 52 und den Endteil 54 ist vorzugsweise
etwa die gleiche wie jene für
den Spitzenhalter 24 und die Spitze 16. Der Schaftteil 52 ist
aus einem Material geformt, das signifikant wärmeleitfähiger ist, wie Beryllium-Kupfer, als das Material,
wie rostfreier Stahl oder Werkzeugstahl, welches den Endteil 54 bildet.
Die Länge
des Endteiles 54 ist vorzugsweise etwa ein- bis zweimal
der Durchmesser des Schaftteiles 52. Die Teile 52 und 54 sind
vorzugsweise an ihrer Grenzfläche 56 verschweißt, wie
durch Elektronenstrahlschweißen.
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Wenn
ein Betrieb innerhalb des Fensters stattfindet, hat der Spritzgießvorgang
eine Zykluszeit, die wesentlich davon abhängt, wie lange der Einguß zum Verfestigen
braucht. Mit mehr Hitze am Ende der Düsenspitze muß mehr Hitze
in die Form dissipiert werden, wodurch eine längere Zeit benötigt wird,
um den Einguß zu
verfestigen, und somit eine längere
Zykluszeit benötigt.
Das kältere
Ende 42 der Düsenspitze 16 der
vorliegenden Erfindung gestattet Zykluszeiten, die auf zwei Arten
reduziert werden können.
Erstens läßt das kältere Spitzenende 42 den
Einguß früher verfestigen
durch (1) Übertragen
von weniger Hitze auf das Spitzenende 42, welche Hitze
durch die Form entfernt werden muß, um den Einguß zum Verfestigen
zu bringen, und (2) durch Bereitstellen einer größeren Temperaturdifferenz zwischen
dem Spitzenende und dem Kunststoff nahe demselben, um den Kunststoff
rascher zu kühlen.
Zweitens, weil die untere Grenze des Betriebsfensters gemäß der vorliegenden
Erfindung niedriger als jene bei den Düsen nach dem Stand der Technik
ist, weil die gesamte Verarbeitungstemperatur des Spritzgießsystems
reduziert werden kann. Bei Verwendung von Kunststoff bei einer niedrigeren
Temperatur verfestigt sich dieser in der Form und im Einguß rascher,
was die Zykluszeit signifikant reduzieren kann.
