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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzgießen eines geschäumten Spritzgießartikels und einen nach dem Verfahren hergestellten Spritzgießartikel.
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Aus der
DE 199 11 378 A1 ist es bekannt, beim Spritzgießen der zum Einspritzen in die Kavität bestimmten Schmelze ein Treibmittel (Schäumgas) beizumischen, um auf diese Weise einen geschäumten Spritzgießartikel herzustellen. Der so erzeugte Spritzgießartikel weist eine poröse Struktur (Gefüge) auf, was den Vorteil hat, dass bei nur geringfügig geschwächter Festigkeit das Gewicht des Spritzgießartikels bedeutend verringert werden kann. Bei dieser Art des Spritzgießens ist es auch bereits bekannt, zu Beginn des Einspritzvorganges treibmittel-freie Schmelze in die Kavität einzuspritzen (Vorfüllung), um zu erreichen, dass der Spritzgießartikel eine glatte, von Poren freie Oberfläche erhält. Es ist ferner bekannt, kurz vor dem Ende des Einspritzvorganges erneut treibmittel-freie Schmelze in die Kavität einzuspritzen, damit auch der Anschnittbereich des Spritzgießartikels eine porenfreie Oberfläche erhält.
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Es ist ferner bekannt, Spritzgießartikel zur Verminderung ihres Gewichtes aus ungeschäumtem Kunststoff herzustellen, wobei der Spritzgießartikel zur Verminderung seines Gewichtes in seinem Inneren mit einem Hohlraum versehen ist. Dies geschieht dadurch, dass unmittelbar nach dem Einspritzen der Schmelze in das Werkzeug, also vor Erstarrung der Schmelze, der Spritzgießartikel mit einem Gas oder einer Flüssigkeit solange aufgeblasen wird, bis ein Einbrechen des erstarrten Spritzgießartikels nicht mehr zu befürchten ist. Bei großflächigen Spritzgießartikeln ist, jedoch die Belastbarkeit der dabei entstehenden dünnen Wandteile erheblich geringer als bei einem massivem Spritzgießartikel.
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In der Druckschrift
DE 24 61 580 A1 wird unter anderem ein Spritzgießverfahren beschrieben, bei welchem mit schäumbarer Schmelze gearbeitet wird. Dabei geht es allein darum, den Spritzgießartikel beim Gießen gleichzeitig mit einer glatten äußeren Haut zu versehen. Zu diesem Zweck wird nach oder während des Einspritzens der schäumbaren Schmelze ein Druckgas zugegeben, welches die schäumbare Schmelze gegen die Innenwand der Gießform presst, so dass die Schmelze hier ungeschäumt erstarrt. Danach wird das Gas abgelassen, so dass der noch nicht erstarrte, also der nicht an der Innenwand der Form anliegende Teil der Schmelze aufschäumt. Eine Steuerung der Druckstärke zur Erzielung einer bestimmten Verteilung unterschiedlich großer Poren findet nicht statt.
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Auch die Druckschrift
WO 92/18 561 A1 befasst sich mit der Herstellung von geschäumten Spritzgießartikeln mit einer glatten äußeren Haut. Das hier verfolgte Ziel besteht darin, die Spritzgießartikel mit einer größeren Festigkeit und Steifigkeit sowie mit einer besseren Kriechfestigkeit bei höheren Temperaturen herzustellen, als dies bisher möglich war. Außerdem soll von einem relativ preiswerten Material (PET) ausgegangen werden. Diese Ziele sollen einerseits durch die Wahl der Ausgangsmaterialien, unter anderem Glasfasern, und andererseits durch die Verfahrensführung erreicht werden. Die Verfahrensführung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug intensiv gekühlt wird, so dass die an die innere Oberfläche des Formwerkzeugs gelangende Schmelze in amorphem Zustand sehr schnell erstarrt, und es dort nicht zu einer Kristallisation kommt. Durch diese sehr schnelle Abkühlung und Erstarrung bleibt dem Treibmittel keine Zeit, in der Außenhaut Blasen zu bilden.
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4 der
WO 92/18 561 A1 zeigt, dass die Größe der Poren im Inneren des Spritzgießartikels von innen nach außen abnimmt. Die unterschiedlich großen Poren sind hierbei jedoch dadurch bedingt, dass infolge der späteren Erstarrung im inneren Bereich das Treibmittel mehr Zeit hat, Poren zu bilden. Die Steuergröße für die unterschiedliche Porengröße ist somit allein die Intensität der Kühlung.
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Aus der Druckschrift
EP 0 127 961 B2 ist ein Spritzgieß-Verfahren bekannt, bei dem nach dem Einschießen der Schmelze in die Kavität über ein Rohr eine genau bemessene Menge Stickstoffgas mit einem bestimmten Druck eingeblasen wird. Aufgabe dieses Druckgases ist es, die Schmelze gegen die Innenwände der Form zu drücken, wobei sich ein Hohlraum in dem Spritzgießartikel bildet. Ein geschäumter Bereich im Spritzgießartikel wird hierbei nicht gebildet.
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Bei einer Abwandlung dieses Verfahrens wird das Stickstoffgas durch eine Flüssigkeit ersetzt. Diese Flüssigkeit ist so beschaffen, dass sie beim Erreichen ihrer Zersetzungstemperatur Stickstoff freigibt. Die Flüssigkeit bewirkt zunächst das gleiche wie das Druckgas beim vorgenannten Verfahren der
EP 0 127 961 B2 . Gegenüber diesem tritt jedoch ein zusätzlicher Effekt auf. Dieser besteht darin, dass das beim Erreichen der Zersetzungstemperatur frei werdende Gas sich mit der im Kern noch vorhandenen flüssigen Schmelze mischt und statt eines Hohlraums einen porenhaltigen Kern bildet. Diese Druckschrift offenbart somit nichts weiter, als die Herstellung eines klassischen geschäumten Spritzgießartikels mit ungeschäumter Außenhaut. Es wird kein Gas eingeführt, dessen Druck als Funktion der Zeit gesteuert wird.
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Die Druckschrift
EP 1 161 333 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung geschäumter Spritzgießartikel, bei dem von einer Druckregelung des Treibmittels die Rede ist. Dabei geht es jedoch darum zu verhindern, dass das flüssige Treibmittel vorzeitig, nämlich vor seinem Eintritt in die Kavität, in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Einführung des Treibmittels in die Kavität erfolgt mit einem konstanten vorgegebenen Druck (
3 der Druckschrift), was bedeutet, dass der in der Kavität wirkende Druck des Treibmittels während des Erstarrungsvorganges der Schmelze nicht verändert wird.
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In der
DE 24 40 193 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein geschäumter Spritzgusskörper mit einer glatten Außenhaut von einer einzigen Spritzgiessmaschine hergestellt wird, wobei davon ausgegangen wird, dass bisher zwei Spritzgiessmaschinen, je eine für das Hautmaterial und das Kernmaterial, erforderlich seien. Bei dem bekannten Verfahren wird unter anderem das Kernmaterial in einer aus dem Hautmaterial bestehenden schlauchartigen Umhüllung zunächst in einer für das erforderliche Hautmaterial benötigten Menge in die Form eingespritzt und dann ein Druckgas zugeführt, welches die Aufgabe hat, das Hautmaterial gegen die Innenwand der Form fest anzudrücken. Dabei können gegebenenfalls dem geringen mit dem Hautmaterial bereits eingespritzten Kernmaterial Druckgasblasen einverleibt werden. Dann wird ein Kühlgas für die Außenhaut eingeführt. Erst danach, wenn Druckgas und Kühlgas abgelassen sind, wird die Hauptmenge des mit Schaummittel versehenen Kernmaterials eingespritzt. Druckgas und Kühlgas dienen bei diesem Verfahren allein zur Herstellung einer an der Form-Innenwand fest anliegenden und erstarrten Aussenhaut und nicht zur Beeinflussung des Zustandes des schäumungsfähigen Kernmaterials.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Spritzgießartikeln zu entwickeln, bei welchem das Verhältnis von Materialaufwand zur erreichbaren Festigkeit wesentlich geringer ist als bei den bekannten Spritzgießartikeln.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welches die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Vorteilhafe Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 genannt.
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Die Erfindung hat auch einen geschäumten Spritzgießartikel zum Gegenstand, der ein sehr günstiges (kleines) Verhältnis vom Materialaufwand zur Festigkeit aufweist. Dieser Spritzgießartikel gemäß der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 9 gekennzeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieses Spritzgießartikels sind in den Ansprüchen 9 bis 14 genannt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche 15 und 16 gekennzeichnet.
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Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Porengröße und damit die Materialdichte des Spritzgießartikels von seiner Oberfläche in Richtung nach innen so gesteuert wird, dass bei gegebener Materialeinsparung eine möglichst hohe Festigkeit des Spritzgießartikels erreicht wird, beziehungsweise bei gegebener Festigkeit der Spritzgießartikel möglichst wenig Material enthält. In der Regel nimmt dabei die Porengröße von der Oberfläche des Spritzgießartikels in Richtung nach innen zu. Der Aufbau der Struktur des Spritzgießartikels gemäß der Erfindung ist mit dem Aufbau der Struktur eines Knochens vergleichbar, so dass bei der Erfindung von ”bionischem Spritzgießen” gesprochen werden kann.
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Die Bildung unterschiedlich großer Poren wird erreicht durch ein Steuerfluid (Gas oder Flüssigkeit), das unmittelbar nach dem Einspritzen über eine besondere Zuführung in das Innere des gespritzten und noch nicht erstarrten Spritzgießartikels gepresst wird. Je größer der Druck dieses Steuerfluids ist, umso kleiner bleiben die Poren beim Erstarrungsvorgang, der von der Oberfläche des gespritzten Artikels aus nach innen fortschreitet. Während dieses fortschreitenden Erstarrungsvorganges wird gemäß der Erfindung der Druck des Steuerfluids kontinuierlich oder stufenweise verändert, und zwar in der Regel herabgesetzt, so dass die Poren dank der Volumenänderung des in ihnen enthaltenen Treibmittels ihre Größe verändern und diese Größe im Augenblick des Erstarrens der sie umgebenden Schmelze beibehalten.
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Die zum Inneren der Wand des Spritzgießartikels größer werdenden Poren können beispielsweise eine Größe von 1/20 bis 1/4 der Wanddicke erreichen, vorzugsweise von 1/14 bis 1/6 und insbesondere von 1/12 bis 1/8 der Wanddicke. Unter ”Wanddicke” wird hierbei bei einem massiven Spritzgießartikel die Dicke des Spritzgießartikels verstanden und bei einem Spritzgießartikel mit einem Hohlraum die Dicke der den Hohlraum umgebenden Wand.
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Als Treibmittel kommen physikalisch und/oder chemisch wirkende Treibmittel in Betracht. Bei den physikalisch wirkenden Treibmitteln handelt es sich um ein gasförmiges und/oder bei Zugabe zur Schmelze noch flüssiges Schäumfluid, welches in seinem gasförmigen Aggregatzustand die Poren erzeugt und ausfüllt. Ein chemisch wirkendes Treibmittel, das im festen, vorzugsweise pulverförmigen, oder flüssigen Zustand der Schmelze beigegeben wird, ist ein solches, welches aufgrund einer chemischen Reaktion Schäumgas bildet, welches die Poren erzeugt und ausfüllt, ähnlich wie Backpulver beim Backvorgang.
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Will man einen Spritzgießartikel herstellen, bei dem das geschäumte Material den Spritzgießartikel vollständig ausfüllt, so muss das Steuerfluid vor dem endgültigen Erstarren der gesamten Schmelze aus dem Inneren des Spritzgießartikels abgelassen werden.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen Spritzgießartikel mit einem inneren Hohlraum herzustellen. In diesem Falle verbleibt eine gewisse Menge des Steuerfluids mit einem der gewünschten Porengröße angepassten Druck bis zur vollständigen Erstarrung der Schmelze im Spritzgießartikel und wird erst danach abgelassen, so dass der Hohlraum bestehen bleibt.
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Nach dem Ablassen des Steuerfluids kann eine geringe treibmittelfreie oder Treibmittel enthaltende Schmelzemenge nachgespritzt werden, um die Zu- beziehungsweise Ablassöffnung für des Steuerfluid am Spritzgießartikel zu verschließen.
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Eine hohe Festigkeit bei geringem Materialaufwand lässt sich in bestimmten Fällen auch erreichen, wenn die Porengröße von außen nach innen zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt. Dies kann insbesondere bei Spritzgießartikeln mit einem inneren Hohlraum von Vorteil sein.
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In an sich bekannter Weise kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung auch für eine porenfreie Oberfläche des geschäumten Spritzgießartikels gesorgt werden, indem zu Beginn des Einspritzvorganges zunächst treibmittelfreie Schmelze in die Kavität eingespritzt wird, die dann die Außenschicht des Spritzgießartikels bildet.
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Entsprechend kann verfahren werden, wenn die den inneren Hohlraum umhüllende Wandfläche des Spritzgießartikels porenfrei sein soll. In diesem Falle wird in der Endphase des Einspritzvorgangs treibmittelfreie Schmelze eingespritzt. Eine porenfreie glatte Oberfläche des inneren Hohlraums ist bespielsweise von Interesse, wenn dieser Hohlraum als Leitungskanal für eine Flüssigkeit dienen soll. Das Säubern und das Trockenlegen dieses Kanals wird dank der porenfreien inneren Oberfläche wesentlich erleichtert. Schließlich kann auf gleiche Weise auch der Kern eines hohlraumfreien geschäumten Spritzgießartikels aus treibmittelfreier Schmelze hergestellt werden.
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Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann eine Spritzgießanlage mit Nadelverschlussventilen dienen, bei der die Ventilnadeln mit einem inneren Kanal versehen sind, über den das Steuerfluid zugeführt beziehungsweise abgelassen werden kann. Die geschäumte Schmelze kann in an sich bekannter Weise derart gewonnen werden, dass an einer geeigneten Stelle des die Schmelze zum Werkzeug leitenden Heißkanals ein Injektor angeschlossen ist, über den ein physikalisch wirkendes Treibmittel – je nach Temperatur und Art (zum Beispiel Stickstoff oder Kohlendioxid) – in flüssigem oder gasförmigem Zustand der Schmelze beigegeben wird, wobei in Strömungsrichtung hinter der Injektorstelle noch eine besondere Mischzone zur Schaumerzeugung angeordnet sein kann. Entsprechend kann ein chemisch wirkendes Treibmittel zugeführt werden. Es ist auch möglich, die Injektion des Treibmittels vor der Maschinendüse oder über einen Kaltkanal durchzuführen. Durch die Steuerung des Fluidinjektors kann die Menge (Dichte) der Gasblasen im Spritzgießartikel beeinflusst werden. Die Größe der Gasblasen bleibt hierbei aber im Wesentlichen unverändert, wenn man davon absieht, dass bei vielen Gasblasen durch Vereinigung zweier oder mehrerer Gasblasen auch etwas größere Gasblasen entstehen können. Die Größe der Gasblasen und damit der Poren wird vielmehr durch die erfindungsgemäße Steuerung des Steuerfluid-Druckes erreicht.
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Es ist auch möglich, in an sich bekannter Weise das Treibmittel über einen weiteren Zugang zur Kavität gleichzeitig mit dem Einspritzen ungeschäumter Schmelze in die Kavität einzuspritzen. Durch die dabei beim Einspritzvorgang auftretende Verwirbelung bildet sich auch in diesem Falle eine geschäumte Schmelze.
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Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.
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1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele verschiedener Querschnitte durch Spritzgießartikel, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurden,
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
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Der in 1 gezeigte Querschnitt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Poren 2, 3 von der äußeren Oberfläche des Spritzgießartikels 1 nach innen hin zunimmt. Im äußeren Bereich erkennt man die kleineren Poren 2 und im inneren Bereich die größeren Poren 3. Das zunächst im Innern des noch nicht erstarrten Spritzgießartikels vorhanden gewesene Steuerfluid wurde kurz vor der endgültigen Erstarrung abgelassen.
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Es ist zu beachten, dass die 1 bis 4 sehr vereinfacht und nur symbolisch die Größe und Verteilung der Poren wiedergeben. Vor allem wird die Verteilung nicht so gleichmäßig sein wie in den Figuren dargestellt. Verteilung und Größe der Poren hängen ab von der von außen nach innen fortschreitenden Erstarrungfront und der Größe des Drucks des druckgesteuerten Steuerfluids. Je nachdem, ob der Druck des Steuerfluids kontinuierlich oder stufenweise verändert (herabgesetzt) wird, verläuft die Änderung der Porengröße nach innen hin im Wesentlichen kontinuierlich oder stufenförmig.
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In allen 1 bis 4 ist die äußere Schicht 4 des Spritzgießartikels porenfrei, was, wie oben erläutert, durch anfängliches Einspritzen ungeschäumter Schmelze erreicht wurde.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem gemäß 1 dadurch, dass der Spritzgießartikel einen inneren Hohlraum 5 aufweist. Dies wurde dadurch erreicht, dass eine Restmenge des Steuerfluids erst abgelassen wurde, nachdem die gesamte Schmelze des Spritzgießartikels hinreichend erstarrt war.
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Der Querschnitt des Spritzgießartikels gemäß 3 unterscheidet sich von dem gemäß 2 dadurch, dass die den Hohlraum 5 umgebende Wand 6 ebenfalls porenfrei ausgebildet ist, was in der oben erläuterten Weise erreicht wird und dem oben erläuterten Zweck dient.
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Der Querschnitt des Spritzgießartikels gemäß 4 unterscheidet sich von dem gemäß 3 dadurch, dass die Porengröße von der Oberfläche des Spritzgießartikels aus gesehen zunächst zunimmt und dann wieder abnimmt, was durch eine entsprechende Drucksteuerung (groß-klein-groß) des Steuerfluids erreicht wurde.
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Bei allen vier gezeigten Ausführungsbeispielen wird bei einem relativ geringen Materialaufwand eine hohe Festigkeit des Spritzgießartikels erreicht.
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Der Spritzgießartikel gemäß 1 weist dank seiner relativ hohen Materialdichte im Außenbereich eine im Verhältnis zum Materialaufwand relativ hohe Festigkeit auf. Der Aufbau ist mit einem Doppel-T-Träger vergleichbar, wobei die Außenbereiche mit den kleinen Poren 2 den Flanschen des Doppel-T-Trägers und der Innenbereich mit den großen Poren 3 dem Verbindungssteg des Doppel-T-Trägers entspricht. Gleiches gilt für die Ausführungsbeispiele gemäß 2 und 3.
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Der Spritzgießartikel gemäß 4 hat eine relativ hohe Materialdichte im Außenbereich und im Innenbereich um den Hohlraum 7 herum. Hier ist der Aufbau der Gesamtwand um den Hohlraum 7 herum mit einem Doppel-T-Träger vergleichbar, wobei die Bereiche mit den kleinen Poren 2 und 7 den Flanschen des Doppel-T-Trägers und der Bereich mit den großen Poren 3 dem Verbindungssteg des Doppel-T-Trägers entsprechen.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Mit 10 ist ein Abschnitt eines Heißkanal-Verteilers bezeichnet, durch dessen Schmelzekanal 11 die Schmelze zu der Düse 12 geleitet wird, durch deren Schmelzekanal 13 sie über die Düsenspitze 14 in die Kavität des nicht dargestellten Werkzeugs gespritzt wird. Zur Steuerung des Schmelzeflusses ist die Düse mit einer axial verschiebbaren Ventilnadel 15 versehen.
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Zum Aufschäumen der Schmelze wird dieser an der Stelle a ein Treibmittel zugegeben, welches von einem Anschluss 16 für Treibmittel geliefert wird. In einer in die Düse 12 integrierten Mischkammer 17 wird für eine gute Durchmischung von Schmelze und Treibmittel (Schäumgas) gesorgt.
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Erfindungsgemäß ist die Ventilnadel mit einem Innenkanal 18 versehen, über den von einem Steuergas-Anschluss 19 unmittelbar im Anschluss an das Einspritzen der Schmelze ein Steuergas in die Kavität gepresst wird, dessen Druckhöhe während der Erstarrungsphase der Schmelze erfindungsgemäß steuerbar ist.