DE10136678A1

DE10136678A1 - Erwärmung einer Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeuges

Info

Publication number: DE10136678A1
Application number: DE2001136678
Authority: DE
Inventors: Harald Bleier; Christian Gornik
Original assignee: Battenfeld GmbH
Current assignee: Wittmann Battenfeld GmbH
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-28
Also published as: DE10136678B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul für eine Werkzeugkavität, insbesondere für eine Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeuges, zum Heizen oder Kühlen der Kavitätsoberfläche (5). DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Basisträger einen Teil der Kavität bildet und mindestens aus zwei Schichten (1, 2) aufgebaut ist, wobei die erste Schicht (1) durch Zuführen von Elektrizität auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Modul für eine Werkzeugkavität, insbesondere für eine Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeuges, zum Heizen oder Kühlen der Kavitätsoberfläche.

Im Stand der Technik ist die klassische Erwärmung bzw. das Kühlen von Werkzeugen bzw. der Kavitätsoberflächen hinlänglich bekannt. Im allgemeinen wird in das Werkzeug ein Kühlmittelkreislauf integriert, durch den in der Regel zum Erwärmen zunächst temperiertes Wasser oder Öl und nach dem Einspritzvorgang gekühltes Wasser oder Öl gefördert wird. Hierdurch wird erreicht, dass die eingespritzte Kunststoffmasse zunächst an der Werkzeugwandung erstarrt und durch die fortschreitende Kühlung als gesamtes Teil erstarrt, bevor es entformt werden kann.

Bei der Fertigung von Klein- und Kleinstteilen besteht das Problem, dass relativ große Werkzeugmassen aufgeheizt und anschließend wieder abgekühlt werden müssen, obwohl die Masse des gefertigten Kunststoffteiles relativ gering ist. Dies führt zu unnötig hohen Zykluszeiten.

Es besteht daher die Aufgabe, die Erwärmung bzw. die Abkühlung des Werkzeuges respektive der Kavitätswandung zu beschleunigen, um die Zykluszeit zu verkürzen.

Die Lösung der Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein Basisträger einen Teil der Kavität bildet und mindestens aus zwei Schichten aufgebaut ist, wobei die erste Schicht durch Zuführen von Elektrizität auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.

Als erste Schicht kann beispielsweise eine Widerstandslegierung vorgesehen werden, die im Plasmaflammspritzen aufgetragen wird und mit elektrischen Anschlüssen versehen ist. Derartige Widerstandslegierungen haben sich bereits beim Einsatz in Haushaltsgeräten wie Backöfen bewährt. Der Vorteil der aufgespritzten Widerstandslegierungen liegt darin, dass die Heizschichten sehr dünn sein können und dadurch schnell aufheizen, wodurch die Regulierbarkeit wesentlich erhöht wird und die Schicht gleichfalls schnell abkühlt.

Für die zweite Schicht des Basisträgers wird vorgeschlagen, ein Element mit Peltier-Effekt einzusetzen. Bei Bauelementen mit Peltier-Effekt werden zwei unterschiedliche Materialien leitend verbunden, je nach Richtung der angelegten Spannung entsteht ein ebenso gerichteter Elektronenfluß, in dessen Folge ein Wärmetransport je nach Elektronenflußrichtung ausgelöst wird. In Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und der Richtung der angelegten Spannung kann nun ein solches Bauteil mit Peltier-Effekt zum Beheizen oder Kühlen verwendet werden. Vorteile dieser Elemente sind der geringe Energieverbrauch und die schnelle Temperaturänderung.

Insbesondere bei der Erzeugung von Mikrostrukturen ist es vorteilhaft, wenn in der ersten Schicht mindestens ein Teil der Geometrie des herzustellenden Formteils eingearbeitet ist.

An die zweite Schicht ist fortbildungsgemäß ein Kühlmittelkreislauf zur Wärmeabfuhr angeordnet, insbesondere beim Einsatz der zweiten Schicht mit Peltier-Effekt wird die aus der Kavität abgeführte Wärmeenergie über den Kühlmittelkreislauf wegtransportiert.

Je nach Aufbau der Schichten ist es erforderlich, dass zwischen der ersten und der zweiten Schicht eine dritte Schicht angeordnet ist, wobei die dritte Schicht elektrisch und/oder thermisch isolierend ausgeführt ist. Ist die zweite Schicht eine Schicht mit Peltier-Effekt, muss die dritte Schicht ein elektrischer Isolator sein.

Ein besonderer Effekt kann erzielt werden, wenn mindestes eine der Schichten ein keramische Schicht mit Halbleitereigenschaften ist. Je nach Wahl des Halbleiters kann beispielsweise die Maximaltemperatur begrenzt werden, da ab einer bestimmten Temperatur sich die Kristalle umwandeln und somit elektrisch leitend bzw. nichtleitend werden. Folglich wird die Stromzufuhr und somit der Heizvorgang bis zum Unterschreiten der Maximaltemperatur unterbrochen. Durch den Einsatz mehrerer derartiger Module in einem Werkzeug können unterschiedliche Temperaturen in einem Werkzeug einfach realisiert werden.

Ein weiterer sehr vorteilhafter Effekt beim Einsatz einer Schicht aus Keramik wird erzielt, wenn man sich dessen piezoelektrische Eigenschaften zu Nutze macht. Es könnte hiermit beispielsweise der Druck in der Kavität gemessen und ausgewertet werden.

Um die Steuerung des Moduls zu ermöglichen ist die erste und/oder die zweite Schicht mit Stromanschlüssen versehen ist, die mit einem Steuer- und/oder Regelgerät verbunden sind.

Das vorgeschlagene Modul eignet sich zum Einsatz in einem Spritzgießwerkzeug, wobei eines oder mehrere Module zur Herstellung von vorzugsweise Mikrostrukturen aus Kunststoff eingesetzt werden. Es ist aber auch denkbar, ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff aus zwei Modulen zu bilden. Um das Formteil aus dem Modul zu entformen ist angedacht, dass durchgehende Bohrungen vorgesehen sind, in denen Auswerferstifte gelagert werden, die direkt auf das Formteil wirkend bewegt werden können. Zur leichteren Entformung ist vorgesehen, nach dem Abkühlvorgang des Formteils die Heizschicht zu aktivieren und auf eine einstellbare Temperatur aufzuheizen bzw. weiter abzukühlen, um so die Schrumpfkräfte des Kunststoffes auf die Kavitätenwandung zu minimieren.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, die Figur zeigt eine perspektivische Darstellung eines Moduls.
Der in der Figur dargestellte Basisträger des Moduls besteht aus einer ersten Schicht 1, die direkt einen Teil der Kavitätsoberfläche 5 bildet. In die erste Schicht 1 ist eine Mikrostruktur 6 eingearbeitet, die mindestens einen Teil des zu fertigenden Formteiles bildet. Diese erste Schicht 1 ist eine Widerstandsheizschicht, die zum Aufheizen mit elektrischen Anschlüssen 7 und 8 versehen ist. Eine zweite Schicht 2 ist als Bauelement mit Peltier-Effekt, einem sogenannten Peltier-Element, gefertigt und besteht daher aus zwei unterschiedlichen Materialien. Um diese zweite Schicht 2 mit Spannung zu versorgen, ist diese ebenfalls mit elektrischen Anschlüssen 9 und 10 versehen. Damit der gewünschte Peltier-Effekt eintritt, muss zwischen der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 eine elektrisch nichtleitende Isolierschicht 3 aufgebracht sein. Bei einer Ausführung der zweiten Schicht (2) aus Stahl muss die Isolierschicht 3 zusätzlich thermisch isolierend sein, damit die über die erste Schicht 1 aufgebrachte Wärmeenergie nicht sofort wieder abgeführt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß der dargestellten Figur ist die zweite Schicht 2 selbst ein thermischer Isolator.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der ersten Schicht 1 wird diese Widerstandsschicht erwärmt. Das Aufheizen kann durch Anlegen einer Spannung an der zweiten Schicht 2, dem Peltier-Element, unterstützt werden. Nach dem Einspritzen der Kunststoffmasse wird die Spannung an der Widerstandsschicht 2 weggeschaltet und die Spannung am Peltier-Element 2 wird umgepolt, so dass kavitätsnahe gekühlt wird, d. h. die Wärme abtransportiert wird. Die Wärmeabfuhr erfolgt beispielsweise in einen Kühlmittelkreislauf, der als eine weitere Schicht 4 direkt an die zweite Schicht 2 anschließt.
Mit der vorgeschlagenen Lösung werden folgende Vorteile verbunden:

- es wird nur kavitätsnahe erwärmt,
- es gibt nur wenig zu erwärmende Masse,
- es kann rasch aufgeheizt werden mit geringem Energieeinsatz,
- rasches Abkühlen durch Wärmeabfuhr über Peltier-Element,
- Realisierung deutlich kürzerer Zykluszeiten im Variothermprozeß als der heutige Stand der Technik,
- das Aufheizen und Kühlen erfolgt elektrisch und ist dadurch gut regel- und/oder steuerbar.

Man kann folglich von einem "intelligenten" Modul für die Erwärmung einer Kavität eines Spritzgießwerkzeuges sprechen. Bezugszeichenliste 1 erste Schicht des Moduls
2 zweite Schicht des Moduls
3 dritte Schicht des Moduls
4 Kühlkreislauf als weitere Schicht des Moduls
5 Kavitätsoberfläche
6 Mikrostruktur in erster Schicht 1
7, 8 elektrische Anschlüsse an erster Schicht 1
9, 10 elektrische Anschlüsse an zweiter Schicht 2

Claims

1. Modul für eine Werkzeugkavität, insbesondere für eine Werkzeugkavität eines Spritzgießwerkzeuges, zum Heizen oder Kühlen der Kavitätsoberfläche (5), dadurch gekennzeichnet, dass ein Basisträger einen Teil der Kavität bildet und mindestens aus zwei Schichten (1, 2) aufgebaut ist, wobei die erste Schicht (1) durch Zuführen von Elektrizität auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.

2. Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (2) des Basisträgers ein Element mit Peltier-Effekt ist.

3. Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Schicht (1) mindestens ein Teil der Geometrie des herzustellenden Formteils eingearbeitet ist.

4. Modul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Formteils eine Mikrostruktur (6) ist.

5. Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der zweiten Schicht (2) ein Kühlmittelkreislauf (4) zur Wärmeabfuhr angeordnet ist.

6. Modul nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Schicht (2) eine dritte Schicht (3) angeordnet ist, wobei die dritte Schicht (3) elektrisch und/oder thermisch isolierend ausgeführt ist.

7. Modul nach mindestes einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Schichten (1, 2) eine keramische Schicht mit Halbleitereigenschaften ist.

8. Modul nach mindestes einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (1) und/oder die zweite Schicht (2) mit Stromanschlüssen (7, 8, 9, 10) versehen ist, die mit einem Steuer- und/oder Regelgerät verbunden sind.

9. Spritzgießwerkzeug mit einem oder mehreren Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von vorzugsweise Mikrostrukturen aus Kunststoff.

10. Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Formteilen aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität des Spritzgießwerkzeuges aus zwei Modulen nach mindestes einem der Ansprüche 1 bis 8 gebildet wird.