DE4137720C2 - Spritzgießdüse mit konischem Heizelement in der Nähe der Angussöffnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißkanal-Angussdüse mit einem Düsenkörper und mit einem im Düsenkörper verlaufenden Schmelzekanal, der in einer Angussöffnung endet, wobei die Angussöffnung in einem Nasenabschnitt des Düsenkörpers vorge­ sehen ist und wobei sich um den Schmelzekanal ein Heizelement erstreckt.

Das thermische Steuern des Einlaufs im Angusskanalbereich, welches auch als tempe­ raturgestütztes Einleiten bezeichnet wird, umfasst ein solches Vorgehen, bei dem die Temperatur der Schmelze im Einlaufbereich während jedes Zyklusses verändert wird, um den Strom der Schmelze zum Formhohlraum zu steuern. Dies ist beispielsweise aus US 4,768,945 bekannt. Dort ist ein Heizelement beschrieben, welches einen vorne lie­ genden Abschnitt hat, der sich diagonal in ein Nasenteil der Düse erstreckt. In der US 4,911,636 und der US 4,941,249 ist das thermische Steuern im Einlaufbereich unter Verwendung einer Düse mit einem integralen Heizelement beschrieben, welches einen kreisförmigen Abschnitt hat, welcher die Schmelzebohrung in einem in Vorwärtsrichtung gerichteten Nasenabschnitt der Düse umgibt. In der US 4,875,848 ist ein konischer An­ gusskanaleinsatz beschrieben, der in dem vorderen Ende einer Düse sitzt, die mittels eines integralen, spiralförmig verlaufenden Heizelementes erwärmt wird.

Bei allen den vorstehend genannten Auslegungsformen ist das Heizelement in die Stahldüse oder den Angusskanaleinsatz eingebettet und ist nicht in direktem Kontakt mit der durch den Schmelzekanal strömenden Schmelze. Wenn man daher diese Systeme für das thermische Steuern im Einlaufbereich einsetzt, hat sich gezeigt, dass es eine Grenze bei der minimalen Zykluszeit gibt, da das Heizelement in den Stahlkörper der Düse eingebettet ist, welcher als eine Wärmesenke wirkt.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, wenigstens teilweise diese Schwierigkeiten beim Stand der Technik dadurch zu überwinden, dass eine im Einlaufbereich thermisch ge­ steuerte Spritzgießdüse bereitgestellt wird, bei welcher ein Teil des Heizelementes in direktem Kontakt mit der Schmelze in der Nähe des Angusskanals ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 da­ durch gelöst, dass das Heizelement im Bereich des Nasenabschnittes Windungen ausbildet, die zumindest abschnittsweise die Innenfläche des Schmelzekanals bil­ den. Auf diese Weise steht das Heizelement im Bereich des Nasenabschnittes und damit im Bereich der Angussöffnung in direkten Kontakt mit der im Schmelzekanal befindlichen Schmelze. Durch den direkten Kontakt kann eine schnelle Wärmeüber­ tragung stattfinden und die sich im Schmelzekanal befindliche Gussmasse kann schnell aufgeheizt werden. Dadurch lassen sich bei der Herstellung von Gussteilen hohe Taktraten erzielen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können sich die Windungen bis in die Nähe der Angussöffnung erstrecken. Dies hat den Vorteil, dass auch die in der An­ gussöffnung befindliche Gussmasse nahezu gleichzeitig mit der im Schmelzekanal befindlichen Gussmasse erhitzt und geschmolzen werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Windungen eine in Rich­ tung der Angussöffnung sich konisch verjüngende Fläche bilden. Durch die sich ko­ nisch verjüngende Fläche wird ein gleichmäßigeres Geschwindigkeitsprofil über die Angussöffnung erzielt.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Windungen des Heizelementes vorzugsweise in dem in Richtung der Angussöffnung gelegenen Abschnitt einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Der viereckige Querschnitt ist kostengünstig und einfach herzustellen. Mit einem viereckigen Querschnitt wird bei aneinanderliegen­ den Windungen eine glatte Innenfläche des Schmelzkanals aus gebildet.

Weiter kann das Heizelement elektrisch isoliert sein. Eine leichte Montage des Dü­ senkörpers wird erreicht, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Heizelement einstückig im Düsenkörper angeordnet ist.

Um das Heizelement mit Energie zu versorgen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Heizelement einen von der Angussöffnung abgewandten hinteren Abschnitt aufweisen, der mit einem Anschluss versehen ist. Die Anordnung des An­ schlusses am hinteren Abschnitt des Heizelementes stellt sicher, dass an der Stelle des Anschlusses niedrige Temperaturen herrschen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein zwischen den Windungen und dem hinteren Abschnitt gelegener Mittenabschnitt des Heizelementes spiralförmig um den Düsenkörper gewickelt sein. Durch die spiralförmige Wicklung lässt sich eine gleichmäßige Erwärmung der Gussmasse im Schmelzekanal erreichen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils einer Heißkanal-Angussdüse in einem System mit einer Vielzahl von Formhohlräumen zur Verdeutlichung ei­ ner thermisch im Einlaufbereich gesteuerten Düse gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform,

Fig. 2 eine isometrische Ansicht zur Verdeutlichung der Wickelweise eines elektrischen Heizelementes zur Bildung eines konisch verlaufenden Windungsteils,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht zur Verdeutlichung der Art und Wei­ se der Ausbildung des Windungsteils des Heizelementes und dessen Verdichtung in einer Form, um die Windung sowie den Querschnitt die­ ses Teils des Heizelementes zu formen,

Fig. 4 eine Schnittansicht von zwei Teilen der Düse zur Verdeutlichung der Art und Weise, mit der das Heizelement zwischen denselben ange­ bracht wird, und

Fig. 5 eine Schnittansicht der fertiggestellten Teile der Düse.

Zuerst sei auf Fig. 1 Bezug genommen, welche eine Heißkanal-Angussdüse mit einem thermisch gesteuerten Einlaufbereich zeigt, welcher ein integrales, elektrisch isoliertes Heizelement 12 hat. Die Düse 10 hat einen Düsenkörper 14, welcher sich von einem Bund 16 in der Nähe des hinteren Endes 18 wegerstreckt. Die Düse 10 sitzt in einer Bohrung 20 in der Formhohlraumplatte 22 im Zusammenwirken mit einem Umfangsiso­ lierflansch 24, der sich vom bundförmigen Teil 16 wegerstreckt und auf einer Umfangs­ schulter 26 sitzt. Die Düse 10 hat einen Nasenabschnitt 28 in der Nähe ihres vorderen Endes 30, welches in einer Öffnung 32 aufgenommen ist, die durch die Formhohlraum­ platte 22 zu einem Formhohlraum 34 geht. Somit ist die Düse 10 genau in ihrer Position ausgerichtet, in welcher die zylindrische, äußere Fläche 36 des Düsenkörpers 14 von der von ihm umgebenen Formhohlraumplatte 22 mittels eines isolierenden Luftraums 38 getrennt ist. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform hat die Düse 10 einen zentralen Schmelzekanal 40, der sich zu einem Angusskanal bzw. einem Einlauf 42 im Nasenab­ schnitt 28 erstreckt, welcher zu dem Formhohlraum 34 führt.

Die Düsen 10 sind mittels Schrauben 44 an einer gemeinsamen, länglichen Verteilerein­ richtung 46 befestigt, die einen Schmelzekanal 48 hat, welcher sich zu der Mehrzahl von Auslässen 50 verzweigt, die jeweils zu dem Schmelzekanal 40 über eine der Düsen 10 ausgerichtet sind. Die Verteilereinrichtung 46 ist fest an Ort und Stelle zwischen einer Rückplatte 52 und einer Formhohlraumplatte 22 mittels eines zentralen Ausrichtringes 54 und eines federnd nachgiebigen Distanzelements 56 festgehalten. Die Rückplatte 52 wird mit Hilfe von Schrauben 58 an Ort und Stelle gehalten, welche durch eine Stütz­ platte 60 in die Formhohlraumplatte 22 gehen. Die Rückplatte 52 und die Formhohl­ raumplatte 22 werden durch Pumpen von Kühlwasser durch die Kühlkanäle 62 gekühlt.

Die Verteilereinrichtung 46 wird mittels eines elektrischen Heizelementes 64 erwärmt, welches eingegossen ist, wie dies in der US 4,688,622 beschrieben ist. Der Ausrichtring 54 bildet einen weiteren isolierenden Luftraum 66 zwischen der beheizten Verteilerein­ richtung 46 und der Formhohlraumplatte 22.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform hat das Heizelement 12 einen Nickel-Chrom- Widerstandsdraht 68, welcher durch ein elektrisch isolierendes Material 70 aus feuerbe­ ständigem Pulver, wie Magnesiumoxid, im Innern eines Stahlgehäuses 72 geht. Das Heizelement 12 hat einen hinteren Abschnitt 74, einen spiralförmig verlaufenden Mit­ telabschnitt 76 und einen vorderen Abschnitt 78. Der hintere Abschnitt 74 erstreckt sich durch eine Öffnung 80 in dem Bund 16 zu einem kalten Anschluss 82 nach außen, um eine Verbindung mit einem externen Leitungsdraht (nicht gezeigt) herzustellen. Der Mit­ telabschnitt 76 des Heizelementes 12 ist integral in einen spiralförmigen Kanal 84 in der äußeren Fläche 36 des Düsenkörpers 14 eingelötet, und es erstreckt sich um den Dü­ senkörper 14. Das spiralförmige Teil des Heizelementes 76 in dem Kanal 84 ist von ei­ nem Schutzüberzug 86 aus Nickel bedeckt, wie dies in der US 4,768,283 beschrieben ist.

Während die hinteren und mittleren Abschnitte 74, 76 des Heizelementes 12 einen im allgemeinen regelmäßigen, kreisförmigen Querschnitt haben, hat der vordere Abschnitt 78 einen im allgemeinen regelmäßigen, viereckförmigen Querschnitt. Der vordere Ab­ schnitt 78 wird von einer Anzahl von benachbarten Windungen 88 gebildet, welche eine innere Fläche 90 bilden, welche in Richtung nach vorn und innen konisch verläuft. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, bildet ein Teil 92 der inneren Fläche 90 der Windun­ gen 80 einen nach innen konisch verlaufenden Abschnitt 94 des Schmelzekanals 40 in der Nähe des Angusskanals 42.

Im Gebrauchszustand werden die Teile der Anlage wie in Fig. 1 gezeigt angeordnet, und elektrische Energie wird an das Heizelement 12 jeder Düse 10 und das Heiz­ element 64 in der Verteilereinrichtung 46 angelegt, um diese auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur in Abhängigkeit von dem zu formenden Material zu erwärmen. Eine unter Druck stehende Schmelze von einer Formmaschine (nicht gezeigt) wird in den Schmelzekanal 48 in der Verteilerleitung 46 über den Einlass 96 entsprechend einem Arbeitsspiel eingespritzt, welcher in Verbindung mit einem Zyklus zum Anle­ gen der Energie an die Heizelemente 12 in den Düsen 10 gesteuert wird. Somit er­ hält man eine thermische Steuerung oder eine temperaturgestützte Steuerung des Einlaufbereiches durch Abschalten der Energiezufuhr an die Heizelemente 12 für eine kurze Zeitperiode vor und beim Öffnen der Form, um die geformten Erzeugnisse auszustoßen. Der Wärmeverlust von dem Nasenabschnitt 28 zu der diesen umge­ benden, gekühlten Formhohlraumplatte 22 führt zu einem Abschmelzen in den An­ gusskanälen 42 vor dem Auswerfen. Wenn die Form geschlossen wird, wird wieder­ um Energie den Heizelementen 12 zugeführt, um die erstarrte Schmelze in den An­ gusskanälen 42 zu erwärmen, so dass diese sich unmittelbar dann wieder öffnen, wenn der Einspritzdruck wiederum einwirkt. Die unter Druck stehende Schmelze strömt durch den Schmelzekanal 40 und den Angusskanal 42 in jeder Düse 10 und füllt die Hohlräume 34 aus. Nachdem die Hohlräume ausgefüllt sind, wird der Spritz­ druck kurzzeitig aufrechterhalten, um eine Verdichtung zu bewirken und dann wird er aufgehoben. Nach einer kurzen Kühlperiode wird die Form wiederum geöffnet, um die geformten Erzeugnisse auszuwerfen. Ein derartiger Arbeitszyklus wird kontinuier­ lich so schnell als möglich wiederholt, wobei in einigen Fällen dieser Arbeitszyklus einige Male pro Minute wiederholt ausgeführt werden kann. Es ist noch zu erwähnen, dass die Lage der vorderen Abschnitte 78 der Heizelemente 12, welche in direktem Kontakt mit der Schmelze in den Schmelzekanälen 40 in der Nähe der Angusskanäle 42 sind, die Zeit nennenswert reduzie­ ren, welche nach dem Wiederanlegen der Energie zum Anschmelzen der erstarrten Schmelze in den Angusskanälen 42 erforderlich ist, wodurch sich somit die Zykluszeit reduzieren lässt. Ferner verlaufen die konischen Windungen 88 der vorderen Abschnitte 78 der Heizelemente 12 allmählich in Richtung nach hinten weiter in den Düsenkörper 14 der Düsen hinein, so dass die Temperaturbeeinflussung der thermischen Steuerung im Einlaufbereich allmählich im Abstand von den Angusskanälen 42 verringert wird. Die zentralen Abschnitte 76 der Heizelemente 12 sind in die Düsenkörper 14 der Düsen 12 in einem beträchtlichen Abstand von den zentralen Schmelzekanälen 40 eingebettet. Somit wirken die Hauptkörper als Wärmesenken und Temperaturschwankungen der Schmelze in diesem Bereich infolge des thermisch gesteuerten Zyklusses im Einlaufbe­ reich lassen sich so gering wie möglich halten.

Nunmehr wird auf die Fig. 2 bis 4 Bezug genommen, um die Schritte zu erläutern, wel­ che bei der Herstellung der Düse eingesetzt werden. Zuerst wird eine vorbestimmte Länge eines Heizelementes 12 auf einen konischen Dorn bzw. eine konische Schablone (nicht gezeigt) gewickelt, um einen konisch verlaufenden Windungsabschnitt 98 zu bil­ den, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Dieser gewundene Abschnitt 98 des Heizelementes 12 wird dann zwischen den inneren und äußeren, konischen Formteilen 100, 102 verdichtet, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Das äußere Formteil 102 hat eine Öffnung 104 mit vorbe­ stimmten Abmessungen um die innere Fläche 106, in welche der gewickelte Abschnitt 98 des Heizelementes eingeführt wird. Wenn das äußere Formteil 102 nach unten gegen das innere Formteil 100 gedrückt wird, wie dies mit einem Pfeil angedeutet ist, wird der gewickelte Abschnitt 98 des Heizelementes 12 verdichtet, um einen vorderen Abschnitt 78 zu bilden, welcher die Form hat, die in den Fig. 1, 4 und 5 gezeigt ist. Wie gezeigt, ist der im allgemeinen runde Querschnitt nunmehr im allgemeinen viereckförmig ausgebil­ det, und die benachbarten Windungen 88 bilden die konische, innere Fläche 90.

Der vordere Abschnitt 78 wird dann zwischen den vorderen und hinteren Abschnitten 108, 110 des Düsenkörpers 14 angebracht, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Nachdem die beiden Abschnitte 108, 110 vorübergehend fest miteinander verbunden sind, wird der restliche Teil des Heizelementes in Form von einigen benachbarten Windungen zu Be­ ginn in dem spiralförmigen Kanal 84 in der äußeren Fläche 36 gewickelt und dann ver­ läuft die Wicklung durch die Öffnung 80 in dem Bund 16 zu dem Anschluss 82 nach au­ ßen. Die Anordnung wird dann mit einem Nickellegierungs-Hartlotmaterial beschichtet und in einem Vakuumofen hartgelötet. Wie detailliert in der US 4,768,283 näher be­ schrieben ist, erhält man hierdurch eine metallurgische Bindung der Teile zur Bildung einer integralen Einheit und es wird ein Schutzüberzug 86 aus Nickel ausgebildet. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine Thermoelementbohrung 112 vorgesehen, um ein Thermoele­ ment 114 aufzunehmen, mittels welchem die Temperatur der Düse in der Nähe des vor­ deren Abschnitts 78 des Heizelementes 12 gemessen wird. Der Nasenabschnitt 28 wird dann maschinell bearbeitet, und der Schmelzekanal 40 geht durch den Nasenabschnitt, wozu eine Bearbeitung mittels einer elektrischen Entladung vorgenommen wird, um den Angusskanal 42 mit gewünschten Abmessungen zu bilden, so dass man die gewünschte Einlaufbereichauslegung erhält.

Obgleich voranstehend die Düse und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden, handelt es sich hierbei um ein Beispiel, welches keinen beschränkenden Charakter hat. Zahlreiche Abänderungen und Modifikationen können vom Fachmann im Bedarfsfall vorgenommen werden. Beispiels­ weise ist es ersichtlich, dass die Abmessungen des Schmelzekanals und des Angusska­ nals und die Konuswinkel der inneren Fläche sich in Abhängigkeit von unter­ schiedlichen Anwendungsfällen ändern können. Bei einigen Düsen kann der Schmelze­ kanal 40 von der Seite der Düse 12 nach innen und nicht von dem hinteren Ende 18 weg verlaufen. Unterschiedliche Auslegungsformen der Formteile können eingesetzt werden, um den Windungsabschnitt 98 des Heizelementes 12 auszubilden.

Claims (8)

1. Heißkanal-Angussdüse (10) mit einem Düsenkörper (14) und mit einem im Düsen­ körper (14) verlaufenden Schmelzekanal (40), der in einer Angussöffnung (42) endet, wobei die Angussöffnung (42) in einem Nasenabschnitt (28) des Düsenkörpers vor­ gesehen ist und wobei sich um den Schmelzekanal (40) ein Heizelement (12) er­ streckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) im Bereich des Na­ senabschnittes (28) Windungen (88) ausbildet, die zumindest abschnittsweise die In­ nenfläche des Schmelzekanals (40) bilden.

2. Heißkanal-Angussdüse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (88) sich bis in die Nähe der Angussöffnung (42) erstrecken.

3. Heißkanal-Angussdüse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Windungen (88) eine in Richtung der Angussöffnung (42) sich ko­ nisch verjüngende Fläche (90) bilden.

4. Heißkanal-Angussdüse (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (88) des Heizelements (12) vorzugsweise in dem in Richtung der Angussöffnung gelegenen Abschnitt einen viereckigen Quer­ schnitt aufweisen.

5. Heißkanal-Angussdüse (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) elektrisch isoliert ist.

6. Heißkanal-Angussdüse (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) einstückig im Düsenkörper (14) ange­ ordnet ist.

7. Heißkanal-Angussdüse (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) einen von der Angussöffnung (42) ab­ gewandten hinteren Abschnitt aufweist, der mit einem Anschluss versehen ist.

8. Heißkanal-Angussdüse (10) nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen den Windungen (88) und dem hinteren Ab­ schnitt gelegener Mittenabschnitt des Heizelements (12) spiralförmig um den Düsen­ körper (14) gewickelt ist.