DE19528975C3 - Gaseinblasdüse und gasunterstütztes Spritzgießverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaseinblasdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein gasun­ terstütztes Spritzgießverfahren gemäß dem Patentan­ spruch 9. Insbesondere betrifft sie eine derartige Düse und ein derartiges Verfahren mit ausgezeichnetem Gas­ einschließvermögen.

Gasunterstütztes Spritzgießen wurde zu einer wichti­ gen Technik beim Kunststoff-Spritzgießen. Gasunter­ stütztes Spritzgießen hat tatsächlich die Technik des Kunststoff-Spritzgusses dadurch revolutioniert, daß ein Verfahren mit verringerten Kosten und verringerter Zykluszeit geschaffen wurde. Das Aussehen von durch gasunterstütztes Spritzgießen hergestellten Kunststoff­ teilen ist verbessert, was zu einer wesentlichen Erhö­ hung der Ausbeute führt.

Zur Unterstützung der Beschreibung der Erfindung wird mittels der Schnittansichten der Fig. 1A-1C einer Spritzgießform ein kurzer Überblick über ein her­ kömmliches gasunterstütztes Spritzgießverfahren gege­ ben. Die Fig. 1A-1C veranschaulichen schematisch ein derartiges Verfahren mittels dreier Schnittansichten der Spritzgießform.

Wie aus den Schnittansichten der Fig. 1A-1C er­ kennbar, wird eine Einspritzdüse 11 auf die Angußbuch­ se der Spritzgießform aufgesetzt. Ausgangsmaterial für den Spritzgießvorgang wird über die Einspritzdüse 11 zugeführt, das anschließend in die Angußbuchse 12 mit Verteilerstern 13 gelangt. Das Ausgangsmaterial füllt dann den Formhohlraum 14 aus, wie es in Fig. 1B durch die gepunktet dargestellte Füllung gezeigt ist.

Dann wird Gas mit hoher Reinheit, z. B. Stickstoff, über die Gaseinblasdüse 15 in das Formwerkzeug ein­ geblasen. Dieses eingeblasene Gas unterstützt die Aus­ weitung des Kunststoffs bis in Ecken, wo der Gasdruck geringer, die Temperatur höher und die Viskosität nied­ riger sind. Das druckausübende Gas wird kontinuierlich eingeblasen, um den Druck innerhalb des Formhohl­ raums aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht ausreichen­ de Zuführung von Material bis in relativ entfernte Stel­ len innerhalb der Angußbuchse 12 wie auch in die schmaleren und dünneren Teile des Formwerkzeugs, wie schematisch aus Fig. 1C erkennbar ist.

Eine derartige Technik für gasunterstütztes Spritz­ gießen kann den Effekt verhindern, daß die Oberfläche in Bereichen des gegossenen Teils einfällt, wo die Dicke größer ist. Wegen der Dickenunterschiede in verschie­ denen Bereichen eines Gießteils innerhalb eines Form­ hohlraums unterscheidet sich die Abkühlrate für diese verschiedenen Bereiche. Da bei gasunterstütztem Spritzgießen eine gleichmäßigere Verteilung des ge­ schmolzenen Ausgangsmaterials innerhalb des Form­ werkzeugs erzielt werden kann, kann die Abkühlrate im gesamten gegossenen Bauteilkörper vergleichmäßigt werden, was das Einfallen der Oberfläche verhindert, wie es bei herkömmlichen Spritzgießtechniken auftritt. Es besteht auch geringere Wahrscheinlichkeit, daß eine unzureichende Menge an Ausgangsmaterial in entfernte und enge Bereiche des Formhohlraums verteilt wird. Gasunterstütztes Spritzgießen ist daher besonders zum Gießen großer Kunststoffteile geeignet, während Ver­ windung. Verformung oder unzureichendes Einspritzen von Material in den Körper vermieden ist.

Jedoch leidet diese bekannte gasunterstützte Spritz­ gießtechnik immer noch unter Schwierigkeiten, wie sie durch Probleme beim Aufrechterhalten des Drucks des eingeblasenen Gases innerhalb des Formhohlraums hervorgerufen werden. Dieser Gasleckeffekt beruht auf der Kontraktion gegossener Kunststoffteile bei Abküh­ lung. Wenn sich ein gegossenes Teil zusammenzieht, entstehen entweder Zwischenräume zwischen der Gas­ düsenkappe und der Oberfläche des gegossenen Teils oder Mikrorisse an der Oberfläche des gegossenen Teils, was einen Raum innerhalb des Formhohlraums schafft, durch den eingeblasenes Gas entweichen kann. Starke Gasleckage führt zu schlechtem Gasunterstüt­ zungseffekt, wobei jedoch dieser Effekt bei gasunter­ stütztem Spritzgießen wesentlich ist, und so treten er­ neut Schwierigkeiten hinsichtlich verschlechterten Aus­ sehens der Erzeugnisoberfläche, Verwindung, Verfor­ mung sowie andere Probleme auf.

Es wurden Anstrengungen unternommen, die Schwierigkeiten hinsichtlich des Aufrechterhaltens des Gasdrucks innerhalb des Formhohlraums zu überwin­ den. Zum Beispiel wurde im AU 591385, EP 0 283 207 A2, im koreanischen Patent KR 88-2732, im GB 2210578 und im US 4,740,150 die Verwendung konischer Gaseinblasdüsen offenbart, die in das Aus­ gangsmaterial eingeführt sind, um die Ausbreitung des geschmolzenen Materials durch Einblasen zu unterstüt­ zen, um den Spritzgießablauf für das hergestellte Teil zu erleichtern. Jedoch gelingt es dabei nicht, den Gasdruck innerhalb des Formhohlraums aufrechtzuerhalten, wenn der Spritzgießprozeß abgeschlossen ist und das Teil abgekühlt ist, da sich bei diesem Verfahren unver­ meidlich Gasleckräume zwischen der Oberfläche der Düsenkappe der Gaseinblasdüse und der Oberfläche des spritzgegossenen Teils in demjenigen Bereich bil­ den, der in Kontakt mit der Düsenkappe steht.

Um den Gasdruck innerhalb des Formhohlraums leichter aufrechterhal­ ten zu können, wurde bereits vorgeschlagen, an dem in den Formhohlraum ragenden Ende einer nadelförmigen Gaseinblasdüse zwei umfangsmäßig umlaufende Rillen mit kreisabschnittförmigem Querschnitt vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gas­ einblasdüse für gasunterstütztes Spritzgießen sowie ein gasunterstütztes Spritzgießverfahren zu schaffen, mit deren Hilfe der Gasdruck innerhalb eines Formhohl­ raums während der Abkühlphase aufrechterhalten wer­ den kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprü­ chen 1 und 9 genannten Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen beschrieben. Dabei wird auf die folgen­ den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1A-1C veranschaulichen schematisch den Ab­ lauf bei gasunterstütztem Spritzgießen mittels dreier Schnittansichten einer Gießform;

Fig. 2A und 2B sind Schnittansichten zweier Gasein­ blasdüsen gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung;

Fig. 3A und 3B sind Schnittansichten zweier Gasein­ blasdüsen in einer Gießform während eines Spritzgieß­ vorgangs; und

Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Düsenkappe einer Gaseinblasdüse gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Um eine erfindungsgemäße Gaseinblasdüse zu be­ schreiben, wird zunächst auf die Fig. 2A und 2B Bezug genommen, die Schnittansichten zweier Gaseinblasdü­ sen gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der Er­ findung zeigen.

Wie aus der Zeichnung erkennbar, verfügt eine Gas­ einblasdüse 15 über einen Gasdüsenkörper 151, eine Gasdüsenkappe 152 und einen Gasdüsenstift 153 mit zugehöriger Feder 154.

Der Düsenkörper 151 ist im wesentlichen ein langge­ streckter Stab, um dessen Körper in Längsrichtung beim ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 2A eine Heiz­ spule 155 gewickelt ist oder an dem beim zweiten Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 2B eine Heizplatte 155' be­ festigt ist. Innerhalb des Düsenkörpers 151 befindet sich sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungs­ beispiel ein erster Gaskanal 156, der in Längsrichtung verläuft.

Die Düsenkappe 152 ist ein im wesentlichen koni­ scher Körper, dessen Basisende mit dem zugehörigen Vorderende des Düsenkörpers 151 verbunden ist. Die Verbindung kann z. B. mittels einer Aussparung, die an der Konusbasis der Düsenkappe 152 ausgebildet ist, die das Einsetzende des Düsenkörpers 151 mit verringer­ tem Durchmesser aufnimmt, realisiert sein, wie in der Schnittansicht von Fig. 2A dargestellt. Entlang der Mit­ telachse der konischen Kappe 152 befindet sich ein zweiter Gaskanal 157 für die gesamte Gaseinblasdüse, der mit einem dritten Gaskanal 158 verbunden ist, der ebenfalls entlang der Mittelachse der Kappe 152 ausge­ bildet ist. Der Durchmesser des zweiten Gaskanals 157 ist größer als der des dritten Gaskanals 158, um eine Schraubenfeder 154 aufzunehmen. Wenn die Düsenkap­ pe 152 am Vorderende des Düsenkörpers 151 ange­ bracht wird, ist der erste Gaskanal 156 innerhalb des Düsenkörpers 151 mit dem zweiten Gaskanal 157 der Düsenkappe 152 ausgerichtet. Dies bildet einen voll­ ständigen Gaskanal sowohl im Düsenkörper 151 als auch in der Düsenkappe 152, der den ersten, zweiten und dritten Gaskanal 156, 157 und 158 umfaßt.

Das Ende der Konusspitze der Düsenkappe 152 geht im wesentlichen in einen kurzen Zylinder mit kleinem Durchmesser über, an dessen Außenfläche ein Gewinde 159 ausgebildet ist, wobei die Mittelachse des schrau­ benförmigen Gewindes mit der Mittelachse der Düsen­ kappe 152 zusammenfällt. Das Gewinde 159 verfügt über eine Länge von ungefähr 50-150 mm, und es ist mit einer Tiefe von ungefähr 0,2-0,5 mm in die Oberflä­ che des Zylinderkörpers eingeschnitten.

Bauliche Einzelheiten des Düsenstifts 153 sind am be­ sten in den Schnittansichten der Fig. 3A und 3B erkenn­ bar. Der Gasdüsenstift 153 ist im wesentlichen ein Stab mit konischen Spitzen 1531 und 1532 an jedem seiner Enden. Der Durchmesser der konischen Spitze 1531 ist größer als der der Spitze 1532, damit eine Basis vorliegt, die einen Flansch für die Schraubenfeder 154 bildet, damit diese an diesem einen Ende anliegt, wenn der Düsenstift 153 in den zweiten und dritten Gaskanal 157 und 158 innerhalb der Düsenkappe 152 eingesetzt ist. Der Düsenstift 152 wird in den zylindrischen Raum ein­ gesetzt, wobei er von der Schraubenfeder 154 umgeben ist. Dabei liegt, wie bereits oben beschrieben, das eine Ende der Feder 154 am Flansch der Basis des konischen Endes 1531 an, während ihr anderes Ende an einem sich verengenden Verbindungsabschnitt zwischen zwei Gas­ kanälen 157 und 158 anliegt, wie in Fig. 3A dargestellt.

Während der Hauptabschnitt des Düsenstifts 153 mit der konischen Kappe 1532 in den dritten Gaskanal 158 eingesetzt ist, besteht immer noch ausreichend Raum zwischen der Außenfläche des Düsenstifts 153 und der Innenwand des dritten Gaskanals 158, so daß Gas hin­ durchströmen kann. Andererseits kann, falls erforder­ lich, die Oberfläche der konischen Kappe 1531 am einen Ende des Düsenstifts 153 auf der entsprechenden koni­ schen Öffnung des ersten Gaskanals 156 innerhalb des Düsenkörpers 151 anliegen, um die Gasströmung abzu­ sperren, obwohl die Feder 154 Druck ausgesetzt werden kann, um das Durchlaufen von Gas durch die verbun­ denen Gaskanäle zu ermöglichen, wenn dies erforder­ lich ist.

Während der Verwendung der erfindungsgemäßen Gaseinblasdüse bei einem gasunterstützten Spritzgieß­ prozeß wird geschmolzenes Ausgangsmaterial für den Spritzgießvorgang über die Angußbuchse in den Form­ hohlraum eingespritzt, wie es in Fig. 3A dargestellt ist. Wenn der Innenraum des Formhohlraums mit ungefähr 70-90% des Gesamtvolumens gefüllt ist, wird die Gas­ einblasdüse sofort in die Einfüllöffnung oder die Vertei­ leröffnung eingeführt. Wie es aus Fig. 3A erkennbar ist, strömt Einblasgas (wie Stickstoff) im ersten Gaskanal 156 innerhalb des Düsenkörpers 151 in der durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung. Bei ausreichendem Druck wird die konische Kappe 1531 des Düsenstifts 153 nach oben gedrückt (bezogen auf die Ausrichtung der Fig. 3B), während die Feder 154 durch den Gas­ druck zusammengedrückt wird. Dabei wird auch die konische Kappe 1532 am anderen Ende des Düsenstifts 153 nach oben gedrückt, wodurch sich ein Kanal für das Gas öffnet, das in den Formhohlraum eintreten kann.

So kann die in der Zeichnung nicht dargestellte Gas­ versorgung Gas durch den ersten Gaskanal 156 in den Düsenkörper 151 und anschließend über den zweiten und dritten Gaskanal 157 und 158 in die Gasdüsenkappe 152 im Gaskanal innerhalb des Formhohlraums blasen. Diese Gasströmung dient dazu, die Verteilung des ge­ schmolzenen Ausgangsmaterials im Hohlraum zu Berei­ chen mit geringerem Gasdruck, höherer Temperatur und geringerer Viskosität zu erleichtern.

Der Gasfluß in den Formhohlraum wird aufrechter­ halten, während die Heizspule oder -platte (155 in Fig. 2A, oder 155' in Fig. 2B) die Temperatur des Gasdü­ senkörpers 151 und der Gasdüsenkappe 152 auf unge­ fähr 60-100°C aufrechterhält. Das an der Außenfläche des Zylinders an der Spitze der Gasdüsenkappe 152 ausgebildete Gewinde 159 dient dazu, die Kontaktfläche zwischen dem geformten Kunststoffmaterial und der Gasdüsenkappe 152 zu vergrößern. Diese gekrümmte Kontaktfläche sorgt auch für eine Wirkung ähnlich der eines O-Rings, der vom geformten Kunststoffmaterial zurückgehalten wird. Der enge und leckdichte Kontakte zwischen der Oberfläche der Gasdüsenkappe 152 und dem geformten Kunststoffmaterial ist daher gewährlei­ stet. Somit ist kein Gasaustritt an der Grenzfläche zwi­ schen der Gasdüsenkappe 152 und dem gegossenen Ma­ terial möglich, da nämlich kein Raum dazwischen ist. Daher ist zuverlässiges Aufrechterhalten des Gasdruckes möglich. Wenn der äußere Gasdruck weggenommen wird, drückt die Feder 154 den Gasedüsenstift 154 nach unten auf den Gasdüsenkörper 151, wie aus Fig. 3A er­ kennbar. Dadurch wird der erste Gaskanal 156 hinter dem Formhohlraum geschlossen, wodurch ein Zurück­ strömen von Gas verhindert ist.

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der Düsenkappe 152 einer Gaseinblasdüse 151 gemäß einem anderen bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform haben konzentrische, kreisförmige Nuten 159' dieselbe Funktion wie das Gewinde 159 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3A und 3B, nämlich für eine Erhöhung der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche der konischen Gasdüsenkappe 152 und dem geschmolzenen Kunststoffmaterial zu sorgen.

So weisen Gaseinblasdüsen, wie sie bei den bevorzug­ ten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, verbes­ serte Betriebseigenschaften beim Verhindern von Gas­ lecks auf. Dieser Spritzgießprozeß ohne konstantes Gasleck, worunter herkömmliche gasunterstützte Spritzgießabläufe leiden, verringert die Betriebskosten deutlich.

Claims (10)

1. Gaseinblasdüse mit einem Gaskanal (156, 157, 158) für ein gasun­ terstütztes Spritzgießverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß sie an ih­ rem in den Formhohlraum ragenden Ende eine aufgerauhte Außenfläche (159, 159') aufweist und daß innerhalb des Gaskanals ein Düsenstift (153) mit zugehöriger Feder (154) vorgesehen ist, der den Gaskanal schließt, wenn der äußere Gasdruck weggenommen wird, um ein Zurückströmen von Gas zu verhindern.

2. Gaseinblasdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aufgerauhte Außenfläche ei­ ne gewindeförmige Ausnehmung (159) an der Man­ telfläche eines zylindrischen Endes der Gaseinblas­ düse ist.

3. Gaseinblasdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die aufgerauhte Außenfläche aus mehreren in die Mantelfläche eines zylindrischen Endes der Gaseinblasdüse eingebrachten Nuten (159') besteht.

4. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufge­ rauhte Außenfläche eine Länge von ungefähr 50 bis 150 mm und eine Ausnehmungs- oder Nuttiefe von ungefähr 0,2 bis 0,5 mm aufweist.

5. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch

• 1. einen langgestreckten Düsenkörper (151) mit einem ersten, im we­ sentlichen in Längsrichtung verlaufenden Gaskanal (156) innerhalb des­ selben; und
• 2. eine Düsenkappe (152) mit konischem Körper, wobei am Ende des Konus die aufgerauhte Außenfläche vorliegt und wobei in der Konusbasis eine Aussparung zur Aufnahme des Vorderendes des Düsenkörpers (151) ausgebildet ist, mit einem zweiten und einem dritten in Längsrichtung ver­ laufenden Gaskanal (157, 158), die aufeinander folgen, wobei der erste (156), zweite (157) und dritte (158) Gaskanal zueinander ausgerichtet sind, um einen vollständigen Gaskanal der Gaseinblasdüse zu bilden, wo­ bei der Durchmesser des zweiten Gaskanals (157) größer als der des ersten (156) und des dritten (158) Gaskanals ist;
• 3. wobei die Feder (154) innerhalb des zweiten Gaskanals (157) mit ei­ nem Ende an dem Übergang vom zweiten (157) in den dritten Gaskanal (158) anliegt;
• 4. wobei der Düsenstift (153) innerhalb des zweiten und dritten Gaska­ nals von der Feder umgeben wird und über einen langgestreckten stiftför­ migen Körper mit vergrößerten konischen Kappen an seinen beiden Enden verfügt,
• 5. wobei die dem Formhohlraum abgewandte konische Kappe an dem dem Formhohlraum abgewandten Ende der Feder anliegt, während sich die andere aus dem dritten Gaskanal der Düsenkappe heraus erstreckt.

6. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dü­ senstift (153) verschiebbar im zweiten und dritten Gaskanal (157, 158) der Düsenkappe (152) liegt und ausreichend Raum zwischen seiner Außenfläche und der Innenwand des dritten Gaskanals besteht, daß dort Gas hindurchströmen kann.

7. Gaseinblasdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizspule (155) schraubenförmig um den Düsen­ körper (151) gewickelt ist.

8. Gaseinblasdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizplatte (155') am langgestreckten Düsenkörper (151) ange­ bracht ist.

9. Verfahren zum gasunterstützten Spritzgießen unter Verwendung einer Gaseinblasdüse nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Temperatur der Dü­ senkappe (152) während des Abkühlens des Spritz­ lings und Aufrechterhaltens des Drucks im Spritz­ ling auf 60°C bis 90°C gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als in den Formhohlraum eingeblase­ nes Gas Stickstoff verwendet wird.