-
Die Erfindung betrifft eine Heißkanaldüse für Spritzgießformen, aufweisend ein Düsenrohr, in dem ein Durchtrittskanal zum Durchtritt einer Kunststoffschmelze ausgebildet ist, wobei sich der Durchtrittskanal von einer rückseitigen Kanaleintrittsseite bis zu einer vorderseitigen Düsenspitze entlang einer Mittelachse erstreckt und in wenigstens einem Austrittskanal in der Düsenspitze mündet, durch den die Kunststoffschmelze austreibbar ist, wobei ein Anlagekragen zur dichtenden Anlage gegen die Spritzgießform vorgesehen ist, und wobei wenigstens das Düsenrohr, die Düsenspitze und/oder der Anlagekragen mittels eines generativen Fertigungsverfahrens als einteiliger Grundkörper hergestellt sind.
-
STAND DER TECHNIK
-
Aus der
DE 10 2006 029 152 A1 ist eine gattungsbildende Heißkanaldüse für Spritzgießformen bekannt. Derartige Heißkanaldüsen dienen dazu, eine vorgeheizte, plastifizierte Kunststoffmasse in eine Spritzgießform einzuspritzen, wobei die Heißkanaldüse mit der Düsenspitze in die Kavität der Spritzgießform mündet. Ist der Spritzguss erfolgt, so schließt sich eine Abkühlphase an, während der die Kunststoffschmelze für den bereits nächsten Spritzgussschritt in der Heißkanaldüse im plastifizierten Zustand vorgehalten werden muss. Hierzu ist die Heißkanaldüse beheizt, wobei moderne, insbesondere hoch additivierte Kunststoffe in einem nur schmalen Temperaturband vorgehalten werden dürfen, ohne dass die Kunststoffschmelze bei zu niedriger Temperatur entweder bereits erstarrt und der Folgeprozess unmöglich wird, oder die Kunststoffmasse überhitzt, sodass sich insbesondere aufadditivierte Bestandteile der Kunststoffmasse zersetzen und die späteren Spezifikationen eines aus der Kunststoffmasse gespritzten Bauteils nicht eingehalten werden können.
-
Die
US 2016/0151948 A1 offenbart eine Heißkanaldüse für Spritzgießformen, aufweisend ein Düsenrohr, in dem ein Durchtrittskanal zum Durchtritt einer Kunststoffschmelze ausgebildet ist, wobei sich der Durchtrittskanal von einer rückseitigen Kanaleintrittsseite bis zu einer vorderseitigen Düsenspitze entlang einer Mittelachse erstreckt und in wenigstens einem Austrittskanal in der Düsenspitze mündet, durch den die Kunststoffschmelze austreibbar ist, wobei ein Anlagekragen zur dichtenden Anlage gegen eine Werkzeugform vorgesehen ist, und wobei wenigstens das Düsenrohr, die Düsenspitze und der Anlagekragen mittels eines generativen Fertigungsverfahrens als einteiliger Grundkörper hergestellt sind.
-
Die
DE 10 2010 056 073 A1 offenbart eine Heißkanaldüse, wobei angegeben ist, dass diese mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Darin wird beschrieben, dass als pulverförmige Werkstoffe für die generative Herstellung des Düsenkörpers diverse Stähle, Nichteisen-Metalle, Sintermetalle, Keramiken usw. geeignet sind. Durch den Laserstrahl können diese verschiedenen Materialien hochfest miteinander verschmolzen werden. Partiell können auch sehr verschleißfeste Materialien verwendet werden, um z. B. eine Führung für eine Verschlussnadel in der Düse aufzubauen.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der weiteren Verbesserung einer Heißkanaldüse mit einem im generativen Verfahren hergestellten Grundkörper, der einerseits ein vorteilhaftes Wärmeleitverhalten und Festigkeitsverhalten und andererseits ein besonders gutes Verschleißverhalten insbesondere im Bereich der Düsenspitze aufweist.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst mit einer Heißkanaldüse, wobei der Grundkörper wenigstens umfassend das Düsenrohr einen ersten Werkstoff und die Düsenspitze einen vom ersten Werkstoff abweichenden zweiten Werkstoff aufweist.
-
Kerngedanke der Erfindung ist die vorteilhafte Nutzung eines generativen Fertigungsverfahrens zur Herstellung des Grundkörpers der Heißkanaldüse, wobei insbesondere ein sogenanntes Laser-Selective-Melting (SLM) Verfahren zur Anwendung kommen kann, wobei während des Verfahrensablaufes der Werkstoff zur Herstellung des Grundkörpers gewechselt wird oder der zweite Werkstoff wird mittels eines Auftragsverfahrens, insbesondere mittels eines Laserauftragsverfahrens beispielsweise unter Bereitstellung des zweiten Werkstoffes in Form eines zuführbaren Drahtes auf den ersten Werkstoff aufgebracht. Dabei soll das Düsenrohr mit dem ersten Werkstoff hergestellt werden, wobei wenigstens die Düsenspitze mit dem zweiten Werkstoff hergestellt wird. Dabei kann es wahlweise auch vorgesehen sein, den Anlagekragen und/oder Bereiche unter der Düsenspitze entweder mit dem ersten oder mit dem zweiten Werkstoff herzustellen, insbesondere je nach dem, wo die Teilungsebene vorgesehen wird. Insofern können der Düsenkörper und der Anlagekragen gleichermaßen auf Basis des ersten Werkstoffes gemeinsam hergestellt sein oder der Anlagekragen und die Düsenspitze sind gemeinsam aus dem zweiten Werkstoff hergestellt.
-
Bei generativen Fertigungsverfahren der hier interessierenden Art werden pulverförmige metallische Werkstoffe bereitgestellt, die durch selektives Laserbestrahlen miteinander gesintert werden können. Dabei wird der Grundkörper schichtweise erzeugt, indem in einer Vielzahl von Laserüberläufen jeweils eine dünne Schicht aus einem pulverförmigen Werkstoff vollflächig, beispielsweise mittels eines Rakels auf eine entsprechende Unterlage aufgetragen wird. Wächst der Grundkörper in seiner Mittelachse langsam an, so bildet der bereits fertige Teil des Grundkörpers die Unterlage.
-
Im Rahmen der Erfindung können auch mehr als zwei voneinander unterschiedliche Werkstoffe Verwendung finden, uns es ist auch denkbar, dass die Heißkanaldüse mit den wesentlichen Bestandteilen aus drei oder mehr Werkstoffen als im Wesentlichen monolithischer Körper hergestellt wird.
-
In Abhängigkeit von Geometriedaten der jeweiligen Schicht werden nur die Bearbeitungsstellen, die den Stellen entsprechen, an denen der Grundkörper erzeugt werden soll, eine Laserbestrahlung vorgenommen, um das Pulver zu sintern. Die Energie, die vom Laser zugeführt wird, wird vom Pulver absorbiert und führt an der Bearbeitungsstelle zu einem lokal begrenzten Sintern oder Verschmelzen von Partikeln. Anschließend wird die so erhaltene Struktur um die Dicke der Schicht abgesenkt, um in entsprechender Weise eine weitere Schicht mittels des Rakels aufzutragen und zu strukturieren. Die vorgehend genannten Verfahrensschritte werden wiederholt, bis der Grundkörper der Heißkanaldüse fertig gestellt ist.
-
Kerngedanke der Erfindung ist gemäß einer ersten Variante nun der Wechsel des Werkstoffes zur Herstellung beispielsweise des Düsenrohres mit dem Anlagekragen, und ab oder oberhalb des Anlagekragens wird ein Werkstoff aufgerakelt, der sich vom Werkstoff unterscheidet, der für das Düsenrohr verwendet wurde, um die Düsenspitze mittels der nachfolgenden Laserüberläufen auf dem Düsenrohr aufbauend zu erzeugen.
-
Die aufeinanderfolgenden Schichten erstrecken sich dabei in der Mittelachse, sodass der Grundkörper im generativen Fertigungsverfahren aufgebaut wird, indem dieser in der Mittelachse anwächst. So kann für den Grundkörper wenigstens umfassend das Düsenrohr und den Anlagekragen, jedoch gegebenenfalls auch Teile der Düsenspitze oder auch nur Teile des Anlagekragens mit dem ersten Werkstoff hergestellt werden, und der zweite Werkstoff wird angewendet, um wenigstens den oberen Teil der Düsenspitze oder die gesamte Düsenspitze auf den bereits vorhandenen Grundkörper aufzubauen.
-
Der erste Werkstoff ist dabei erfindungsgemäß ein Warmarbeitsstahl, und der Warmarbeitsstahl ist durch eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit gekennzeichnet, sodass aus diesem Werkstoff in vorteilhafter Weise der Grundkörper mit dem Düsenrohr und dem Anlagekragen gebildet werden kann.
-
Die Düsenspitze ist insbesondere bei abrasiven Kunststoffschmelzen einer hohen Verschleißbelastung ausgesetzt, sodass für die Erzeugung der Düsenspitze ein Werkstoff umfassend ein Stellit vorgesehen ist. Stellite sind Werkstoffe, die sehr hohe Verschleißfestigkeiten bieten, sodass die gesamte Heißkanaldüse insofern optimiert werden kann durch einen Warmarbeitsstahl mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Zähigkeit, und weiterhin mit einer Düsenspitze, die an sich nicht mehr mechanisch hoch belastet ist, sondern vornehmlich einer Oberflächenabrasion ausgesetzt ist. Durch die Wahl des Werkstoffes mit einem Stellit kann die Düsenspitze folglich hohe Standzeiten ermöglichen, während der sich darunter erstreckende Grundkörper, insbesondere mit dem Düsenrohr und mit dem Anlagekragen, hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte aufweist. Das Stellit kann den Typ 21 aufweisen, insbesondere kann das Stellit den Werkstoff L-21 CoCr aufweisen.
-
Mit weiterem Vorteil können beide Werkstoffe im generativen Fertigungsverfahren aufbauend aufeinander hergestellt werden. Generative Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, einen Werkstoffwechsel vorzunehmen, indem das Pulvermaterial entsprechend getauscht wird, ohne dass der bereits fertige Teil des Grundkörpers aus der SLM-Vorrichtung entnommen werden muss.
-
Alternativ oder zusätzlich zum Aufbau der Düsenspitze mittels des generativen Fertigungsverfahrens kann nach der Herstellung des Grundkörpers wenigstens umfassend das Düsenrohr und zumindest Teile des Anlagekragens die Düsenspitze mittels eines Auftragsschweißens, vorzugsweise mittels eines Laserauftragsschweißens, aufgebaut werden, wobei das Auftragsschweißen mittels des Werkstoffes Stellit oder alternativen hoch verschleißfesten Werkstoffen erfolgt.
-
Die Düsenspitze kann auch teilweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt sein und teilweise mittels eines Laserauftragsschweißens, insbesondere, wenn eine verschlissene Düsenspitze durch ein Laserauftragsschweißen wieder aufbereitet wird. So bietet sich die Möglichkeit, Heißkanaldüsen mit verschlissenen Düsenspitzen erneut aufzubauen, indem mittels eines Auftragsschweißverfahrens im Rahmen einer Überarbeitung beispielsweise der Werkstoff Stellit wieder aufgebaut wird wobei beispielsweise ein nachfolgendes Schleifverfahren herangezogen wird, um die geforderte Kontur und die Oberflächenqualität der Düsenspitze wieder herzustellen.
-
Der Grundkörper der Heißkanaldüse ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilungsebene zwischen dem ersten Werkstoff des Grundkörpers mit dem Düsenrohr und dem Anlagekragen und mit dem zweiten Werkstoff der Düsenspitze ausgebildet ist. Die Teilungsebene ist dabei so ausgerichtet, dass die Mittelachse senkrecht auf der Teilungsebene steht. Die Teilungsebene kann dabei mit dem oberen Rand des Anlagekragens zusammenfallen, oder die Teilungsebene weist einen Abstand zum oberen Rand des Anlagekragens auf, der kleiner ist als 3 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm und besonders bevorzugt kleiner als 1 mm. Dabei kann die Teilungsebene entweder oberhalb der unterhalb des oberen Randes des Anlagekragens vorhanden sein, wobei die Oberseite die Seite der Düsenspitze beschreibt und die untere Seite beschreibt die Seite, die zur Kanaleintrittsseite gerichtet ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Heißkanaldüse für Spritzgießformen, aufweisend ein Düsenrohr, in dem ein Durchtrittskanal zum Durchtritt einer Kunststoffschmelze ausgebildet ist, wobei sich der Durchtrittskanal von einer rückseitigen Kanaleintrittsseite bis zu einer vorderseitigen Düsenspitze entlang einer Mittelachse erstreckt, und in wenigstens einem Austrittskanal in der Düsenspitze mündet, durch den die Kunststoffschmelze austreibbar ist, und wobei ferner ein Anlagekragen zur direkten Anlage gegen die Spritzgussform vorgesehen ist. Das Verfahren sieht dabei ein generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung des Grundkörpers vor, wobei der Grundkörper wenigstens das Düsenrohr, die Düsenspitze und/oder den Anlagekragen umfasst. Dabei sieht das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte vor: Herstellen des Grundkörpers mit dem Düsenrohr und dem Anlagekragen aus einem ersten Werkstoff, insbesondere umfassend einen Warmarbeitsstahl, bis zu einer Teilungsebene, auf der die Mittelachse senkrecht steht und Herstellen der Düsenspitze aus einem zweiten Werkstoff, insbesondere umfassend ein Stellit.
-
Der Grundkörper kann mit dem Düsenrohr und dem Anlagekragen gemeinsam mit der Düsenspitze aufeinander aufbauend im generativen Fertigungsverfahren hergestellt werden. Alternativ kann die Düsenspitze oder wenigstens Teile der Düsenspitze, insbesondere der oberflächennahe Bereich, mittels eines Auftragsschweißverfahrens und insbesondere mittels eines Laserauftragsschweißverfahrens auf dem Grundkörper bzw. auf einem bereits vorhandenen Teil der Düsenspitze aufgebracht werden.
-
Insbesondere dann, wenn beim erstmaligen Herstellen der Heißkanaldüse die Düsenspitze vollständig im generativen Fertigungsverfahren aus den beiden miteinander kombinierten Werkstoffen hergestellt wurde, kann im Rahmen einer Überarbeitung ein verschlissener Bereich der Düsenspitze mittels eines Auftragsschweißverfahrens nachträglich wieder aufgebaut werden. Insofern kann beispielsweise ein innerer, unterer Bereich der Düsenspitze mittels eines generativen Fertigungsverfahrens ursprünglich hergestellt worden sein, während ein oberflächennaher Bereich der Düsenspitze durch ein Auftragsschweißverfahren, insbesondere mittels Laserstrahlung, aufgebaut wurde.
-
Der Anlagekragen kann dabei einen radial nach außen geformten, kragenartigen Bereich aufweisen, mit dem dieser gegen das Spritzgießwerkzeug anliegt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst der Anlagekragen aber auch solche Anlagebereiche oder Anformungen, die beispielsweise zylindrisch ausgeführt sind, und die eigentliche Kragenform ist vorliegend nicht zwingend Bestandteil des Anlagekragens. Der Anlagekragen gemäß der Erfindung betrifft insoweit alle möglichen Anlagebereiche einer Heißkanaldüse, die zur Anlage gegen ein Spritzgießwerkzeug vorgesehen sind, auch solche, die nicht direkt eine kragenartige Ausformung aufweisen, etwa zylindrische Außendichtungen.
-
Die Düsenspitze umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung auch alle Abwandlungen von einer Spitzenform, beispielsweise umfasst die Düsenspitze im Sinne der Erfindung auch Mündungsöffnungen oder sonstige Formen von Öffnungen, die dazu ausgebildet sind, eine plastifizierte Kunststoffschmelze in die Kavität einer Spritzgießform zu spritzen. Insofern sind vorliegend mit der beschriebenen Düsenspitze auch Mündungsöffnungen mit umfasst, die beispielsweise bei Heißkanaldüsen mit einem Nadelverschluss auftreten.
-
Figurenliste
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Seitenansicht der Heißkanaldüse,
- 2 eine Querschnittsansicht der Heißkanaldüse und
- 3 eine Detailansicht der Heißkanaldüse im oberen Bereich der Düsenspitze.
-
Die 1 und 2 zeigen eine Heißkanaldüse 1, und in 1 ist diese in einer Seitenansicht gezeigt, wobei 2 die Heißkanaldüse 1 in einer aufgeschnittenen Querschnittsansicht darstellt.
-
Die Heißkanaldüse 1 dient zum Einsatz in Spritzgießformen, und diese weist ein Düsenrohr 10 mit einem im Düsenrohr 10 ausgebildeten Durchtrittskanal 11 zum Durchtritt einer Kunststoffschmelze auf. Der Durchtrittskanal 11 erstreckt sich von einer rückseitigen Kanaleintrittsseite 12 bis zu einer vorderseitigen Düsenspitze 13 entlang einer Mittelachse 14, und der Düsenkanal 11 mündet in wenigstens einem Austrittskanal 15, der unter einem Winkel zur Mittelachse 14 in der Düsenspitze 13 eingebracht ist.
-
Wird die Heißkanaldüse 1 mit der unteren Kanaleintrittsseite 12 auf einer Verteilerplatte aufgebracht, kann über die Kanaleintrittsseite 12 die Kunststoffschmelze in den Düsenkanal 11 eintreten und vorderseitig aus dem wenigstens einem Austrittskanal 15 in die Spritzgießform austreten. Ferner weist die Heißkanaldüse 1 einen Anlagekragen 16 auf, der die Düsenspitze 13 voll umfänglich umschließt. Mit dem Anlagekragen 16 gelangt die Heißkanaldüse 1 in Anlage zur Spritzgießform, sodass die Heißkanaldüse 1 eingespannt ist zwischen dem Anlagekragen 16 in Kontakt mit der Spritzgießform und der unteren Kanaleintrittsseite 12 in Anordnung an der Verteilerplatte.
-
Die dargestellte Heißkanaldüse 1 weist einen monolithischen, dass heißt einteiligen Grundkörper 17 auf, der sich einteilig von der Kanaleintrittsseite 12 bis zum oberen Ende der Düsenspitze 13 erstreckt. Der Grundkörper 17 umfasst dabei wenigstens das Düsenrohr 10 mit dem Durchtrittskanal 11, die Düsenspitze 13 und dem Anlagekragen 16. Dabei ist der Werkstoff zur Herstellung des Düsenrohres 10 und des Anlagekragens 16 anders gewählt als der Werkstoff zur Bildung der Düsenspitze 13.
-
3 zeigt in einer vergrößerten Ansicht den Grundkörper 17 im Bereich der Düsenspitze 13. In der Ansicht ist eine Teilungsebene T eingezeichnet, auf der die Mittelachse 14 senkrecht steht. Die Teilungsebene T fällt zusammen mit dem oberen Rand 16a des Anlagekragens 16, und oberhalb der Teilungsebene T erstreckt sich die Düsenspitze 13.
-
Der Grundkörper 17, umfassend das Düsenrohr 10 bis hin zum Anlagekragen 16, weist einen ersten Werkstoff auf, der insbesondere aus einem Warmarbeitsstahl gebildet ist. Oberhalb der Teilungsebene T ist die Düsenspitze 13 aus einem zweiten und vom ersten Werkstoff abweichenden Werkstoff aufgebaut, insbesondere umfassend ein Stellit.
-
Bei der Herstellung des Grundkörpers 17, zu der die Düsenspitze 13 ebenfalls zählt, die jedoch einen anderen Werkstoff aufweist als der übrige Grundkörper 17, also vor allem das Düsenrohr 10, wird zunächst das Düsenrohr 10 bis hin zum Anlagekragen 16 bzw. einschließlich diesem schichtweise im generativen Fertigungsverfahren aufgebaut, wobei die Schichten zum Aufbau in der Mittelachse 14 aufeinander folgen. Anschließend erfolgt ein Werkstoffwechsel, ohne dass der bereits fertige Teil des Grundkörpers 17 aus der Vorrichtung, insbesondere der SLM-Vorrichtung entnommen werden muss. Alternativ wird die Düsenspitze 13 mittels eines Laser-Auftragsschweißverfahrens hergestellt, indem der zweite Werkstoff der Düsenspitze 13 mittels eines Drahtes zugeführt wird.
-
Ferner kann wenigstens auf die Düsenspitze eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird, insbesondere umfassend eine Hartstoffschicht, vorzugsweise umfassend ein AlTiSiN.
-
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Heißkanaldüse
- 10
- Düsenrohr
- 11
- Durchtrittskanal
- 12
- Kanaleintrittsseite
- 13
- Düsenspitze
- 14
- Mittelachse
- 15
- Austrittskanal
- 16
- Anlagekragen
- 16a
- oberer Rand
- 17
- Grundkörper
- 18
- innerer Rohrkörper
- 19
- äußerer Rohrkörper
- 20
- Wabenstruktur
- 21
- Sockelabschnitt
- 22
- Befestigungsmutter
- 23
- Haltemittel
- T
- Teilungsebene
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006029152 A1 [0002]
- US 20160151948 A1 [0003]
- DE 102010056073 A1 [0004]
