DE4104433C2 - Spritzgießverfahren und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren, bei dem ein fließfähiges Kunststoffmaterial über eine Nadelverschlußdüse einem Formhohlraum einer Spritzgießform zugeführt wird, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Heißkanalspritzen und Heißkanalspritzgußwerkzeuge sind seit den fünfziger Jahren üblich und bewährt. Während dieser Zeit wurden die als geeignet für Spritzgießverfahren befundenen Kunststoffe verarbeitet, z. B. Polyethylen, Polypropylen, Mi­ schungen beider, Polycarbonate und ähnliche für das Spritz­ gießen übliche Werkstoffe. Diese Kunststoffe haben (bezüglich Schmelzbereich, Fließzustand u. dgl.) ziemlich ähnliche Eigen­ schaften, die sie für Spritzgießverfahren geeignet machen.

Seit der Mitte der siebziger Jahre hat aber die Kunststoff­ technik erhebliche Fortschritte gemacht. Völlig neue Klassen von Polymeren, als technische Kunststoffe, Hochtemperatur­ kunststoffe und hochfeste Kunststoffe, Elastomere und Flüssig­ kristallpolymere bezeichnet; sind entstanden und haben zu ganz neuen Produktgruppen geführt. Die wirtschaftliche Verarbeitung dieser Werkstoffe ist aber eine notwendige Voraussetzung da­ für, daß sie in weiteren Produktbereichen mit Erfolg einge­ setzt werden können.

Diese neuen Werkstoffe erfordern, wie schon erwähnt, unter Umständen eine Verarbeitung bei hoher Temperatur, und die Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von Ventilspindeln und Ventilkörpern in Heißkanalwerkzeugen; die Erfindung beschreibt und erläutert eine Vorrichtung und ein Verfahren, die ohne Schwierigkeiten an Heißkanalspritzgießanlagen und -vorrichtun­ gen verwendbar sind, so daß Hochtemperaturpolymere darin leichter verarbeitet werden können.

Spezielle Heißkanalsysteme, auf die sich die Erfindung bei­ zieht, sind beispielsweise beschrieben in den US-Patent­ schriften 4 173 448, 4 268 240, 4 588 367, 4 657 496 und 4 662 837 und werden geliefert von Husky Injection Molding Systems of Canada.

Für Hochtemperaturpolymere ist es typischerweise erforderlich, die Polymere bei einer Temperatur zwischen 316°C und 427°C zu verarbeiten. Bei derart hohen Temperaturen zeigte es sich, daß gespritzte Erzeugnisse im Bereich des Angußkanals verbrannten. Außerdem pflegten diese Produkte über verhältnismäßig große Bereiche neben dem Angußbereich aufzu­ blättern. Auch das war auf die außerordentlich starke lokale Erhitzung in diesem Formteil zurückzuführen.

Aber auch nachdem die Angußbüchsen umgebaut und mit Wasser­ kühlung versehen worden waren, erreichten die Temperaturen am Sitz des Absperrventils 204°C und die Werkzeugtemperatur neben dem Anschnitt stieg bis auf nahe 135°C. Die Wasserkühlung des Anschnittbereichs verringerte aber das Verbrennen und das Aufblättern, außer in unmittelbarer Nachbarschaft des Absperr­ ventilsitzes.

Die DE 30 16 702 A1 beschreibt eine Spritzgießvorrichtung mit einem ringförmigen Kühlkanal im Bereich der Spritzdüse.

Die DE 39 19 493 A1 beschreibt eine Spritzgießvorrichtung mit einem Kühlmedium, das über einen Kanal parallel und an der Außenseite der Ventilnadel zur Spritzdüse strömt. Das erwärmte Kühlmedium wird dann über einen dem ersten Kanal gegenüber­ liegenden Rückströmkanal, ebenfalls an der Außenseite der Ventilnadel, abgeführt.

Die GB 22 02 787 A beschreibt eine Spritzgießvorrichtung, bei der das Kühlmedium im Inneren eines in der Ventilnadel vor­ gesehenen Rohres zur Nadelspitze strömt und von dort über einen Ringraum zwischen dem Rohr und einer Mittelbohrung der Nadel diese wieder verläßt. Zum Zurückholen eines die Nadel betätigenden Kolbens ist eine Feder vorgesehen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens vorzuschlagen, womit auf konstruktiv einfache Weise sowohl das Nadelventil bewegt wie auch sehr gut gekühlt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Pa­ tentansprüchen 1 und 2× genannten Merkmale.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie­ len erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Vorrich­ tung;

Fig. 2 in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab ein De­ tail von Fig. 1;

Fig. 3 in ebenfalls gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab ein weiteres Detail von Fig. 1 bei einer demgegenüber abgeänderten Ausführungsform;

Fig. 4 ebenfalls in vergrößertem Maßstab ein weiteres Detail bei einer ebenfalls abgeänderten Ausführungsform.

Insbesondere Fig. 1 zeigt eine Verteilerplatte 10, die von einer feststehenden Formplatte 12 durch eine Zwischenplatte 14 getrennt ist. Die feststehende Formplatte 12 wirkt mit einer beweglichen Formplatte 16 zusammen, die typischerweise mehrere Formhohlräume 18 aufweist, von denen nur einer dargestellt ist. Jeder dieser Hohlräume ist einzeln durch einen Anguß 20 zu­ gänglich. Der Kunststoff wird durch Angußkanäle 22 in einer Verteilerplatte 24 und in der Zwischenplatte 14 zum Anguß 20 gedrückt.

Ein Ventil 29 ist vorgesehen, das eine Kolben-Zylinder-Einheit 26 und eine Düse 28 aufweist. Die Düse 28 ist vergleichbar mit denen in üblichen Heißkanalsystemen, wie sie z. B. in der US- 4 173 448 dargestellt ist. Zu derartigen Kon­ struktionen gehört ein Düsengehäuse 30, welches eine Anguß­ büchse 32 im Bereich des Angusses 20 der feststehenden Formplatte 12 ausbildet und hält. Die Büchse 32 besitzt eine Öffnung 34, die einen Ventilsitz 36 ausbildet.

Außerdem kann bei der bevorzugten Ausführungsform zwischen Form­ platte 12 und Angußbüchse 32 ein Kühlmittelkanal 38 ausgebildet sein.

Um den Mechanismus zu beschreiben, der das Ventil wahlweise öffnet und/oder schließt, wird auf die Kolben-Zylinder-Einheit 26 verwiesen. Diese Bauteilgruppe besteht aus einem in einer Ventilbüchse 42 ausgebildeten Zylinder 40. Ein Kolben 44 kann in dem Zylinder 40 eine Axialbewegung ausführen und bildet in diesem einen oberen Kolbenraum 46 und einen unteren Kolbenraum 48 aus. Die Hin- und Herbewegung des Kolbens erfolgt durch abwechselnde Einführung eines fließfähigen Mediums bei Raum­ temperatur in die Räume 46 und 48 durch einen Kanal 45 in der Verteilerplatte 10 und, im Falle des Raumes 48, auch durch Öffnungen 47 im Kolben 44.

Das kolbennahe Ende 49 der Ventilnadel 50 ist in geeigneter Weise am Kolben 44 befestigt, z. B. durch eine Halteplatte 53. Die Nadel 50 bewegt sich mit dem Kolben 44 in der Ventilbüchse 42 und einem Teil des Angußkanals 22.

Das kolbenferne Ende 51 der Nadel 50 wirkt mit dem Ventilsitz 36 zusammen, wenn das Ventil 29, wie in Fig. 1 gezeigt, ge­ schlossen ist.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Nadel 50 einen Fließkanal 52 auf, der sich axial längs der Nadel erstreckt.

Ein Kühlrohr 54 befindet sich innerhalb des Kanals 52 in Ab­ stand von dessen Wänden, dort gehalten durch ein z. B. hartge­ lötetes Rohrstück 56, deutlicher erkennbar in den Fig. 2 und 4. Das Kühlrohr 54 ist hohl und öffnet sich gegen den Kanal 52 in unmittelbarer Nähe des kolbenfernen Endes 51 der Nadel 50. Ebenso ist das Rohr 54 am kolbennahen Ende 49 der Nadel 50 offen und ist über einen Verbindungsdurchlaß 58 in dem Kolben 44 mit dem oberen Kolbenraum 46 verbunden.

Der Kanal 52 ist in entsprechender Weise an den unteren Kol­ benraum 48 über mindestens einen Fluiddurchlaß 60 in der Nadel 50 angeschlossen, der mit einem Durchlaß 62 in dem Kolben 44 fluchtet.

Der Kolben 44 ist ferner, z. B. bei Pos. 64, ausgekehlt, um einen Fluidstrom durch den oder die Durchlässe 60 zu dem Durchlaß 62 zuzulassen, unabhängig von der gegenseitigen Funktionsstellung von Ventilnadel 50 und Kolben 44.

Im Betrieb gibt die Spritzgießmaschine, an die das dargestell­ te Heißkanalsystem und das oder die Produktionswerkzeuge ange­ schlossen sind, ein verflüssigtes Kunststoffmaterial durch den oder die Angußkanäle 22 in den Formhohlraum 18. Bei geschlos­ senem Ventil 29, wie es in den Fig. 1, 3 und 4 gezeichnet ist, wird der Kolben 44 durch Einführen eines auf Raumtemperatur befindlichen oder gekühlten, druckbeaufschlagten Fluids in den oberen Kolbenraum 46 zwangsweise bewegt.

Teile dieses Fluids strömen fortlaufend durch den Verbin­ dungsdurchlaß 58 in das Kühlrohr 54 hinein und durch es hin­ durch. Daher wird ein ständiger Strom von Fluid aus dem Rohr 54 in der Weise abgegeben, daß es am kolbenfernen Ende der Nadel 50 auf die Innenseiten des Nadelkanals 52 auftrifft, um wesentliche Wärmemengen von der Spitze 51 der Nadel abzufüh­ ren. Dieses bewirkt dann eine wesentliche Ableitung von Wärme aus dem Anguß 20 mit dem Ventilsitz 36 und dem Produktbereich bei der Öffnung 34.

Danach strömt der Fluidstrom außerhalb des Rohrs 54 zurück, wodurch die Nadel insgesamt sich weiter abkühlt, und tritt aus einem zwischen der Innenwand der Hohlnadel 50 und der Außen­ wand des Rohres 54 ausgebildeten Ringraum 41 (vgl. Fig. 3) in den Durchlaß 60, von dort durch den Durchlaß 62 in den Raum 48 und tritt über den Kanal 45 aus.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß, wenn das Ventil 29 offen ist, um verflüssigten Kunststoff in die Formhohlräume 18 zu leiten, die den Kolben betätigenden Fluidströme umgekehrt werden. Somit wird das druckbeaufschlagte, auf Raumtemperatur befindliche oder gekühlte Fluid in den unteren Kolbenraum 48 geleitet, wodurch der Kolben 44 in den Figuren nach oben ver­ schoben und das Ventil 29 geöffnet wird, indem das kolbenferne Ende 51 der Nadel 50 von dem Ventilsitz 36 weg und in den Angußkanal 22 bewegt wird.

Gleichzeitig wird Kühlflüssigkeit in den Kanal 52 geführt, in welchem sie zu dem kolbenfernen Ende 51 der Nadel 50 und in das Kühlrohr 54 fließt. Anschließend tritt das Fluid durch das Rohr 54, den Verbindungsdurchlaß 58, den oberen Kolbenraum 46 und den Kanal 45 aus.

Daher wird sowohl in der Offenstellung wie auch der Schließ­ stellung der bevorzugten Ausführungsform des Ventils 29 Kühl­ fluid innerhalb der Ventilnadel 50 umgewälzt. In Verbindung mit der durch die Benutzung des Kühlmittelkanals 38 hervor­ gerufenen Kühlung werden somit die Metalltemperaturen soweit abgekühlt, daß die obengenannten, beim Spritzen bestimmter Hochdrucktemperaturkunststoffe auftretenden Schwierigkeiten behoben werden können. Natürlich kann aber, je nach den Ver­ arbeitungstemperaturen der Materialien, die Nadelkühlung an sich ausreichen, um die genannten Schwierigkeiten zu beseiti­ gen.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung des kolbennahen Endes 49 der Ventilnadel 50, worin die Beziehungen und Verbindungen zwischen der Ventilnadel 50, dem Kühlrohr 54 und den Fluid­ durchlässen 58 und 62 deutlicher erkennbar sind.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Varianten, die bei der Verwirkli­ chung der Erfindung verwendet werden können. Zum Beispiel kann man, wie in Fig. 3 dargestellt, zur Verbesserung der Wärme­ ableitung das kolbenferne Ende 51 der Nadel 50 verändern, indem ein Stopfen 66 aus einem Material mit guter Wärmeleitfä­ higkeit, z. B. aus Berylliumkupfer, eingesetzt wird. Dadurch wird wegen der erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Stopfenwerk­ stoffs die Kühlwirkung des durch die Nadel 50 strömenden Medi­ ums noch weiter verstärkt.

Bei einer weiteren, in Fig. 4 gezeichneten Ausführungsform läßt sich durch eine Verlagerung der Durchlässe 60 längs der Nadel eine in einer Richtung gehende Strömung des Fluids er­ reichen. Fig. 4 läßt erkennen, daß wenn das Ventil 29, wie zeichnerisch dargestellt, geschlossen ist (d. h., daß der Fluid­ druck in dem oberen Kolbenraum 46 wirken kann), das Strö­ men des Fluids durch das Kühlrohr 52 und die Nadel 50 wegen der Schließung des Durchlasses 60 durch die Ventilbüchse 42 und eine O-Ring-Dichtung 68 unterbunden ist.

Wenn der Raum 48 druckbeaufschlagt wird, so gelangen die Durchlässe 60 in Verbindung mit diesem Kolbenraum, und ein Fluidstrom durch die Nadel 50 und das Kühlrohr 52 usw. fließt ständig, bis das Ventil wieder geschlossen ist.

Ein solcher Aufbau führt zu lediglich unterbrochener aktiver Kühlung, aber das kann unter bestimmten Bedingungen erwünscht sein.

Beispiel

Unter einer Betriebsbedingung einer kunststoffverarbeitenden Spritzgießmaschine war es erforderlich, die Wärme geschmolze­ ner Kunststoffe in dem Angußkanal 22 auf etwa 371°C zu halten. Bei der Anwendung der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung des Er­ findungsgegenstandes, wobei Umgebungsluft das Antriebsmittel für den Kolben 44 ist und das Tor 20 durch Wasser gekühlt wird, konnten folgende Metalltemperaturen eingehalten werden:

• 1) kolbenfernes Ende 51 der Ventilnadel: 154 bis 160°C;
• 2) Formhohlraum 18: 127 bis 132°C;
• 3) feststehende Formplatte 12 (neben dem Tor 20): 102 bis 107°C.

Die Untersuchung und Prüfung des hergestellten Produkts zeig­ ten, daß Verbrennen und Aufblättern an dem Teil des Produkts neben der Torkanalöffnung vermieden waren.

Claims (5)

1. Spritzgießverfahren, bei dem ein fließfähiges Kunststoff­ material über eine Nadelverschlußdüse (28) einem Form­ hohlraum (18) einer Spritzgießform zugeführt wird, wobei die Nadel (50) der Nadelverschlußdüse (28) durch ein zirkulierendes Medium gekühlt und betätigt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1,

• - mit einem Angußkanal (22), der in eine Nadelver­ schlußdüse (28) mündet,
• - bei der die Nadel (50) durch eine Kolben-Zylinder- Einheit (26) betätigt wird,
• - die Nadel (50) in ihrem Innern so ausgebildet ist, daß Kühlmedium über einen Strömungskanal (52) bis in die Spitze der Nadel fließt und über einen mit die­ sem Strömungskanal in Verbindung stehenden anderen Fließkanal (41) wieder zurückfließt,
• - die Nadel (50) mit dem Kolben (44) der Kolben-Zylin­ der-Einheit (26) verbunden ist,
• - der obere Kolbenraum (46) und der untere Kolbenraum (48) der Kolben-Zylinder-Einheit (26) jeweils mit einem der Fließkanäle (52, 41) in der Nadel (50) in Verbindung steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Kolbenraum (48) über einen Durchlaß (60) in der Nadel (50) mit dem äußeren Ringraum (41) für das Kühlmedium in Verbindung bringbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Angußkanal (22) die Nadel (50) über einen Teil seiner Länge umgibt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Spritzmundstücks (28) ein zusätzlicher Kühlmittelkanal (38) vorgesehen ist.