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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer
Coinjektion von Materialien in flüssigem Zustand in eine Form.
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Das
Wort "Coinjektion" bezeichnet einen Formvorgang
durch Einspritzung zweier oder mehrerer unterschiedlicher Werkstoffe
in flüssigem
Zustand unter hohem Druck, beispielsweise zweier unterschiedlicher
thermoplastischer Werkstoffe für
die Massenproduktion von Fertigprodukten, die spezielle ästhetische
und funktionelle Eigenschaften aufweisen. Die so erhaltenen Erzeugnisse
werden in einem großen
Anwendungsbereich verwendet, beispielsweise zur Herstellung von
Innenblenden für
Automobile, Sessel oder Paneelen für Möbel, Güter des Haushalts, Hausmöbel und
andere.
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Mit
Hilfe desselben Coinjektionsverfahrens, durch Einspritzen eines
Werkstoffs in gasförmigem Zustand
und eines oder mehrerer thermoplastischer Werkstoffe, ist es darüber hinaus
möglich,
Erzeugnisse von besonders exakter Konfektionierung zu erhalten,
insbesondere wenn Verstärkungsrippen,
Löcher mit
gekrümmter
Form usw. vorgesehen werden müssen.
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Ein
typischer Fall ist der der Massenproduktion von Innenblenden für Automobile,
die durch zwei thermoplastische Werkstoffe gebildet werden, von denen
einer die äußere Hülle bildet,
während
der andere die Unterlage oder den Kern der Blende bildet.
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Das
Verfahren der Coinjektion mehrerer Werkstoffe beruht auf dem Fließverhalten
einer geschmolzenen Masse im Innern einer Form sowie auf dem Verhalten ähnlicher
Werkstoffe, z. B. thermoplastischen Materialien, die im flüssigen Zustand
jedoch nicht miteinander vermischt werden können. Tatsächlich werden die zu spritzenden
Werkstoffe erwärmt
und auf einer voreingestellten Temperatur gehalten, die sie in flüssigem Zustand
hält, und
werden dann unter Druck in einen vorbestimmten Punkt der Form eingespritzt.
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So
wird beispielsweise im erwähnten
Falle der Herstellung von Blenden für Kraftfahrzeuge der Verkleidungswerkstoff
zunächst
durch einen geeignet ausgewählten
Einspritzpunkt in die Form eingespritzt; die flüssige Masse unter Druck dehnt
sich aus und berührt
die Wände
der Form, kühlt
sich infolgedessen ab und bildet entsprechend den Berührungsbereichen
einen dünnen
Film. Der innere Teil der Masse behält im wesentlichen dieselbe,
anfängliche Temperatur
bei und daher den flüssigen
Zustand.
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Die
Parameter des Vorganges – nämlich der Einspritzdruck,
die Temperatur und die Fließgeschwindigkeit
der Masse – werden
ermittelt, um eine gleichmäßige Ausdehnung
der flüssigen
Masse in der Form zu ermöglichen.
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Nach
einer einstellbaren Verzögerung – ermittelt
auf der Grundlage des Verlaufens der flüssigen Masse, der Dicke der
Verkleidung und der gewünschten
Endzusammensetzung des Produkts – wird die Einspritzung eines
Trägerwerkstoffs
entsprechend demselben Punkt der Form begonnen. Dies veranlaßt die Masse
des Trägerwerkstoffs,
in den inneren Teil – der
noch in flüssigem
Zustand ist – der Masse
des Verkleidungswerkstoffs einzudringen, so daß eine homogene Schichtung
des Endprodukts erreicht wird.
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Das
Einspritzzeitintervall für
den jeweiligen Werkstoff richtet sich nach der Art des verwendeten Werkstoffs,
dem Druck und den Einspritztemperaturbedingungen des jeweiligen
Werkstoffs und dem Endergebnis, das erhalten werden soll. Insbesondere
kann die Einspritzung eines nachfolgenden Werkstoffs beginnen, bevor
oder nachdem ein vorhergehender Werkstoff vollständig in die Form eingespritzt worden
ist.
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Bei
der bekannten Technik erfolgt die Coinjektion an einem vorher festgelegten
Punkt einer Form durch eine Coinjektionseinheit, die so viele Injektoren – die im
allgemeinen zueinander coaxial und innenliegend sind – umfaßt wie die
Anzahl der Werkstoffe, die in die Form eingespritzt werden sollen.
Die Zufuhr der Werkstoffe zur Einspritzeinheit erfolgt mit Hilfe
einer Presse, die diese unter geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen
zuführt,
wobei die Regelung der Fließgeschwindigkeit
durch die Einspritzeinrichtung erfolgt.
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Eine
Vorrichtung, die die Coinjektion mehrerer Harzwerkstoffe ausführt, ist
in der europäischen Anmeldung
Nr.
EP 0 467 274 im
Namen der Nissei ASB Machine Co. beschrieben. Diese Vorrichtung
ist ein Heißkanal-Spritzgießwerkzeug
zum Mehrschichtformen, das mehrere Düsenkörper zum Einspritzen mehrerer
unterschiedlicher Harzwerkstoffe aufweist, um ein mehrschichtiges
Erzeugnis zu bilden. Das Heißkanal-Spritzgießwerkzeug
umfaßt
mehrere Heißkanalblöcke, die
jeweils einen Kanal zur Leitung des jeweiligen Harzwerkstoffs in
den entsprechenden Düsenkörper aufweisen.
Die Heißkanalblöcke sind mit
einer wärmeisolierenden
Schicht dazwischen übereinander
gestapelt. Ein jeder der Heißkanalblöcke umfaßt Hilfsmittel
zur Temperatursteuerung, um die Heißkanalblöcke bei ihrer jeweiligen Eigenformtemperatur
zu halten.
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Ein
anderes Beispiel einer Vorrichtung für die Coinjektion ist in der
europäischen
Patentanmeldung Nr.
EP 0 480
223 von Gellert offenbart. Dieses Dokument offenbart ein
Mehrfachspritzgießsystem,
das einen Heißkanalverteiler
umfaßt,
der aus einer ersten und einer zweiten Heißkanalplatte besteht, die im
wesentlichen parallel und hintereinander angeordnet sind, und das
darüber
hinaus Hilfsmittel umfaßt,
um wenigstens zwei unterschiedliche Plastikwerkstoffe entlang horizontalen
Heißkanälen zu Einspritzdüsen zu führen, die
vor der zweiten Heißkanalplatte
angeordnet sind.
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Darüber hinaus
ist in US-Patent Nr. 5 094 603 im Namen von Gellert eine Formvorrichtung
zur Coinjektion einer unter Druck befindlichen Schmelze aus zwei oder
mehr Schmelzequellen in mehrere Gesenke beschrieben, umfassend mehrere
erwärmte Düsen, wobei
jede Düse
einem entsprechenden dieser mehreren Gesenke zugehörig ist.
Ein äußerer Durchgang
für die
Schmelze wird durch gekrümmte Leitungen
an gegenüberliegenden
Seiten der Schmelzeverteilungsplatte in vier Kanäle getrennt, die radial um
eine Zentralbohrung der Düse
in einem Abstand angeordnet sind. Die vier Kanäle führen zu einer Schmelzetrichterleitung,
die sich in den benachbarten hohlraumbildenden Einsatz um das Nasenteil
der Düse
erstreckt.
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Das
japanische Patent Nr. JP 61-268421 im Namen von Sumitomo beschreibt
eine Vorrichtung für
die Herstellung eines mehrschichtigen Formkörpers mit Sandwich-Struktur.
Die Vorrichtung umfaßt einen
ersten und einen zweiten Heißkanal,
eine äußere Düse für die Einspritzung
eines ersten Harzwerkstoffes und eine innere Düse für die Einspritzung eines zweiten
Harzwerkstoffes. Das Öffnen
und Schließen
der äußeren Düse erfolgt
durch Erhöhen bzw.
Verringern des Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Heißkanal,
und das Öffnen
und Schließen
der inneren Düse
erfolgt durch die Vor- und Rückwärtsbewegung
einer Nadel.
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Bei
all den vorstehend zitierten Dokumenten umfassen die darin beschriebenen
Vorrichtungen eine Düse
für jedes
einzelne Gesenk.
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Die
US-A-4 964 795 beschreibt einen Verteileraufbau zum Transport von
Spritzgieß-Kunststoffmaterialien
von einem zentralen Einspritzpunkt zu mehreren Punkten innerhalb
eines großen
Spritzgießgesenks.
Die GB-A-1 369 744 offenbart eine Spritzgießeinheit für die Steuerung des Flusses
von Plastikwerkstoffen aus zwei Quellen in ein Spritzgießgesenk,
die zwei Angußkanäle umfaßt.
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US 4 104 353 betrifft ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung großer Körper, die
wenigstens lokal einen Kernteil und einen Hautteil aufweisen, wobei
der Kunststoffkern und die Hautteile nacheinander an wenigstens
zwei Zonen eines Spritzgießgesenks
eingespritzt werden und "Auslaufeinrichtungen" (d. h., Hohlräume
43)
in den Kreuzungsebenen der Massen des Hautmaterials bereitgestellt
sind, um das Hautmaterial aufzunehmen und das Verbinden mit dem
Kernmaterial in diesen Bereichen zu ermöglichen. Dies führt zu Anhängseln,
die vom Endprodukt entfernt werden müssen.
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Die
bekannten Coinjektionsvorrichtungen sind zwar für die Herstellung einfacher
Artikel wirkungsvoll, doch kaum für die Massenproduktion von Erzeugnissen
geeignet, die geometrisch komplexe Teile, variable Bereiche oder
große
Oberflächenausdehnungen
aufweisen. Tatsächlich
ist für
die Herstellung derartiger Artikel besondere Sorgfalt bei der Ausbildung
der Form vonnöten,
beispielsweise zusätzliche
Hohlräume
darin vorzusehen, um homogene Diffusion des ersten eingespritzten
Werkstoffs zu ermöglichen
und gleichzeitig das richtige Verhältnis zwischen diesem und nachfolgend
eingespritzten Werkstoffen sicherzustellen. Offensichtlich erfordern diese
Merkmale die Entfernung überschüssiger Anteile
mit daraus folgender Zunahme von Ausschuß und längeren Herstellungszeiten und
demzufolge mit einem langen und ökonomisch
unvorteilhaften Arbeitsverfahren. Sehr oft ist auch der erste eingespritzte
Werkstoff, d. h., derjenige, der die Verkleidung des Erzeugnisses
bildet, der kostspieligste Werkstoff, und es ist daher noch kostspieliger,
wenn man gezwungen ist, dieses Material in größerer Menge als erforderlich
einzuspritzen. Darüber
hinaus kann homogene Verteilung der Werkstoffe in allen Bereichen
des Gesenks nicht gewährleistet
werden, da die komplexe Struktur der inneren Formvolumina häufig dazu
führt,
daß sich
das zuerst eingespritzte Material vorzeitig abkühlt; das Ergebnis ist daher
ein Produkt mit unregelmäßiger Schichtung,
nämlich
mit bestimmten Bereichen, in denen das richtige Verhältnis zwischen
den Werkstoffen nicht gewährleistet oder – was noch
schlimmer ist – nur
einer der eingespritzten Werkstoffe vorhanden ist.
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Alternativ
werden strukturell komplexe Erzeugnisse erhalten, indem einfachere
Elemente, hergestellt mittels bekannter Coinjektionsvorrichtungen, zusammengefügt werden.
Zwar wird verbesserte Homogenität
der Werkstoffverteilung in den richtigen Anteilen erhalten, doch
erhöhen
sich die Herstellungskosten beträchtlich,
sowohl aufgrund der größeren Anzahl
der für
jeden einzelnen Produkttyp erforderlichen Formen und der längeren Zeiten,
die für
die Herstellung und den Zusammenbau der unterschiedlichen Elemente
benötigt
werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die obigen Nachteile durch
Bereitstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Cospritzgießens zu überwinden,
das eine Massenherstellung aller Produktarten von den einfachsten
bis zu strukturell komplexeren oder in bezug auf die Oberflächen sehr
großen
ermöglicht
und dabei eine homogene Verteilung der eingespritzten Werkstoffe
in den richtigen Verhältnissen
sicherstellt und die gewünschten ästhetischen
und funktionalen Eigenschaften erzielt.
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Die
Aufgabe wird mit Hilfe der vorliegenden Erfindung gelöst, die
gemäß Anspruch
1 eine Vorrichtung zur Durchführung
einer Coinjektion von wenigstens zwei Werkstoffen in eine Form betrifft.
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Dank
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es daher möglich,
eine Coinjektion an mehreren Punkten in einer Form auszuführen, die
ebenfalls komplex und groß sein
kann, und somit die Massenherstellung von Erzeugnissen mit homogener
Verteilung der Werkstoffe in geeigneten Verhältnissen zu ermöglichen,
womit ein optimales Ergebnis vom ästhetischen und funktionalen
Gesichtspunkt des Erzeugnisses sichergestellt wird, und dies in
kürzerer Zeit
und mit niedrigeren Kosten.
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Diese
und andere Vorteile werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung,
die veranschaulichend und nicht einschränkend sein soll, sowie anhand
der beigefügten
Zeichnungen, worin:
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1 eine schematische Ansicht
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Schnitt ist;
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2 eine schematische Ansicht
einer nicht erfindungsgemäßen Coinjektionsdüse im Schnitt
ist;
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3 eine schematische Schnittansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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4 eine schematische Schnittansicht
einer Coinjektionsdüse
ist, die in der in 3 gezeigten
Vorrichtung verwendet wird.
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In 1 ist eine Ausführungsform
einer Vorrichtung für
die Coinjektion zweier Werkstoffe A, B dargestellt, der eine Presse 1 oder
eine andere ähnliche
Einrichtung vorgeschaltet ist, die imstande ist, die Werkstoffe
bei geeigneten Drücken
und Temperaturen stromabwärts
durch die Coinjektionseinheiten 3 in eine Form 2 zu
transportieren.
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Die
Vorrichtung 4 umfaßt
zwei getrennte Platten 5 und 6, die mittels Heizeinrichtungen 30 unabhängig voneinander
erwärmt
werden und deren Temperatur gesteuert ist und die bereitgestellt
sind zwischen Zufuhrleitungen 7 und 8 für die Werkstoffe im
flüssigen
Zustand, die von einer Presse 1 kommen, und Leitungen 9 und 10 für die Verteilung
dieser Werkstoffe auf mehrere Coinjektionseinheiten 3,
die in der Form 2 untergebracht sind.
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Bei
der in 1 dargestellten
Ausführungsform
sind die Zufuhrleitungen 7, 8 coaxial und die eine
im Innern der anderen angeordnet. Entsprechend einer Fassung 11 sind
die Leitungen so voneinander getrennt, daß jede ihrem eigenen Weg in der
zugehörigen
Platte folgt, um eine unabhängige Temperatursteuerung
des jeweiligen Werkstoffs zu ermöglichen.
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Die
Heizung und Temperatursteuerung der Platten erfolgt mit Hilfe bekannter
Mittel, beispielsweise durch Verwendung von Widerständen 30 und Thermoelementen
(nicht gezeigt), die in den Platten selbst untergebracht sind.
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Zur
deutlicheren Darstellung der Materialwege in der Vorrichtung ist
der Weg des Werkstoffs A durch strichpunktierte Pfeile dargestellt,
während
der Weg des Werkstoffs B durch Pfeile mit durchgehenden Linien dargestellt
ist.
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Entsprechend
den Einspritzpunkten, die auf der Form 2 bereitgestellt
sind, werden die Leitungen 9 und 10 wiederum in
eine coaxiale Anordnung entsprechend der der Zufuhrleitungen 7, 8 gebracht,
um ihre Verbindung zu den Coinjektionseinheiten 3 zu ermöglichen.
Diese letztgenannten Einheiten umfassen zwei coaxiale Injektoren,
die einzeln betrieben werden können,
um eine Regulierung des Massendurchsatzes des eingespritzten Werkstoffs
zu ermöglichen.
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2 zeigt schematisch im Querschnitt
den unteren Teil einer Coinjektionseinheit, nämlich denjenigen, der entsprechend
einem hohlen Teil der Form 2 bereitgestellt ist, in der
Stellung, in der kein Werkstoff A und B aus den entsprechenden Düsen 13a und 13b abgegeben
wird.
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Zur
Abgabe von Material A wird der Verschluß 16 relativ zum Körper 15 des
inneren Injektors angehoben, wodurch die Einspritzöffnung der
Düse 13a freigegeben
wird. Die Abgabe von Material B erfolgt dagegen durch Anheben des
Körpers 15 des
inneren Injektors, der auch als Verschluß für die Einspritzöffnung der
Düse 13b fungiert,
relativ zum Körper 15 des äußeren Injektors.
Es ist darüber
hinaus möglich,
eine Kombination von Bewegungen zu erreichen, um gleichzeitige Abgabe
beider Werkstoffe zu ermöglichen.
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3 zeigt eine Ausführungsform
einer Vorrichtung 17 zur Coinjektion an mehreren Punkten
einer Form.
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Gemäß vorliegender
Erfindung ist der Vorrichtung 17 durch zwei getrennte rohrförmige Leitungen 18 und 19 für die Zufuhr
von Werkstoff A bzw. B eine Presse 1 vorgeschaltet, während eine
Form entsprechend mehreren Coinjektionseinheiten 20 nachgeschaltet
ist.
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Die
Vorrichtung 17 umfaßt
zwei getrennte rohrförmige
Leitungen 21 und 22, die mittels Heizeinrichtungen 31 unabhängig voneinander
erwärmt
werden und deren Temperatur gesteuert ist und die bereitgestellt
sind zwischen den Zufuhrleitungen 18 und 19 für die Werkstoffe
im flüssigen
Zustand, die von der Presse 1 kommen, und Leitungen 23 und 24 für die Verteilung
dieser Werkstoffe auf die jeweiligen Coinjektionseinheiten 20,
die in der Form 2 untergebracht sind.
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Auch
in diesem Falle sind die rohrförmigen Leitungen 21 und 22 getrennt,
um getrennte Heizung und Temperatursteuerung der darin strömenden Werkstoffe
zu ermöglichen;
Heizung und Temperatursteuerung erfolgen ebenfalls mit Hilfe bekannter Mittel,
beispielsweise durch Verwendung von elektrischen Widerständen 31 und
Thermoelementen (nicht gezeigt), die in direktem Kontakt mit den
Leitungen 21, 22 angeordnet sind.
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Von
jeder Leitung 21 und 22 gehen zahlreiche Leitungen 23 bzw. 24 aus,
die zu den einzelnen Einspritzeinheiten 20 führen, die
auf der Form 2 bereitgestellt sind.
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Die
Coinjektionseinheiten 20, die in der Ausführungsform
von 3 bereitgestellt
sind, umfassen zwei Injektoren, die nebeneinander angeordnet und
getrennt betätigbar
sind, um eine unabhängige Regulierung
des Massendurchsatzes der eingespritzten Werkstoffe zu ermöglichen.
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4 zeigt in schematischer
Form einen Querschnitt des unteren Teils 25 einer Coinjektionseinheit 20,
nämlich
den Teil, der entsprechend einem hohlen Teil der Form 2 bereitgestellt
ist, in der Stellung, in der kein Werkstoff A und B aus der Düse 26 abgegeben
wird.
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Zur
Abgabe von Material A wird der Verschluß 27 vom Injektorkörper 29 angehoben,
wodurch ein Teil der Injektionsöffnung
der Düse 26 freigegeben
wird. Die Abgabe von Material B erfolgt dagegen durch Anheben eines
Verschlusses 28 des entsprechenden Teils der Injektionsöffnung der
Düse 26 vom
Injektorkörper 29.
Des weiteren ist es möglich,
eine Kombination von Bewegungen auszuführen, die gleichzeitige Abgabe
beider Werkstoffe ermöglicht.
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Alternativ
kann die Injektionseinheit von 4 zwei
getrennte Düsen
(an Stelle der Düse 26 alleine)
aufweisen, die nebeneinander angeordnet sind und jeweils durch zugehörige Verschlüsse 27 und 28 gesperrt
werden können.
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Die
Injektoren umfassen Mittel zur Heizung und unabhängigen Temperatursteuerung
des jeweiligen Materialstroms.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung auch Hilfsmittel
zur örtlichen
Erwärmung
mehrerer Punkte der Form 2, beispielsweise um die homogene
Verteilung der Werkstoffe an bestimmte Bereiche der Form zu verbessern
oder unerwünschtes
Abkühlen
entsprechend den Kreuzungszonen zwischen den Materialströmen zu vermeiden,
die von unterschiedlichen Einspritzpunkten kommen.
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Durch
die Ausführung
der Coinjektion an mehreren Punkten mit Hilfe der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung ist die homogene Verteilung der Werkstoffe
in allen Bereichen der Form somit sichergestellt, selbst wenn die
Form strukturell komplex oder in ihrer Oberfläche sehr groß ist.
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Die
Verteilungshomogenität
der eingespritzten Werkstoffe in den richtigen Anteilen ermöglicht die
schnelle und ökonomische
Massenproduktion von Artikeln mit ausgezeichneten ästhetischen
und funktionellen Eigenschaften.