DE10151078A1

DE10151078A1 - Spritzgiesswerkzeug

Info

Publication number: DE10151078A1
Application number: DE10151078A
Authority: DE
Inventors: Werner Bornkessel; Juergen Schwarz
Original assignee: Fachhochschule Jena
Current assignee: Fachhochschule Jena
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: DE10151078B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug, vorzugsweise für die Verarbeitung von Kunststoffen und Plastmaterialien, mit einer konturnahen und formnestparallelen Kühlung. Die Aufgabe, ein Spritzgießwerkzeug zu schaffen, das die Produktivität des Spritzgießvorgangs durch eine konturnahe und formnestparallele Kühlung verbessert, wird dadurch gelöst, daß das Spritzgießwerkzeug eine Vielzahl von Lamellen oder Scheiben, die Ausnehmungen zur Ausbildung wenigstens eines schrägen oder gewundenen Kühlkanals, der an einem Formnest anliegt, aufweist, wobei die durchschnittliche Dicke (d¶B¶) der Lamellen (L) weniger als der Hälften der Öffnungsbreite d des Kühlkanals (B) in Lamellenstapelrichtung (n) beträgt und die einzelnen Lamellen (L¶1¶ bis L¶n¶) zueinander versetzt zu einem Block derart zusammengefügt sind, daß die wahlweise vorgebbaren Ausnehmungen (A¶1¶ bis A¶n¶) einen an wenigstens ein Formnest (D) angepaßten Kühlkanal (K) bilden, wobei zwischen den einzelnen Lamellen jeweils ein stufenartiger, vornehmlich rechtwinkliger Übergang (S) besteht und die Stufenbreite (b) durch die Lamellendicke (d¶B¶) und die Richtung der Kanalführung festgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug, vorzugsweise für die Verarbeitung von Kunststoffen und Plastmaterialien, mit einer konturnahen und formnestparallelen Kühlung, welches deutlich kürzere Zykluszeiten für einen Spritzgießvorgang aufweist, wodurch bei höherer Produktivität auch eine verbesserte Qualität der spritzgegossenen Formteile erreicht wird.

Es ist bekannt, daß eine Verbesserung der Kühlung von Spritzgießwerkzeugen und/oder Formkernen nicht nur die Qualität der Formteile verbessert, sondern besonders die Produktivität der Formwerkzeuge und der dabei eingesetzten Spritzmaschinen erhöht. Diese Effekte kommen besonders bei größeren Formteilen und hohen Stückzahlen zum tragen.

DE 43 25 481 A1 zeigt beispielsweise die Verbesserung der Kühlung durch den Einsatz von Wärmeausgleichsschichten aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit.

DE 42 34 961 A1 nutzt zur Verbesserung der Kühlung die konturnahe Anpassung der Kühlkanäle an die äußere Form der Formneste in den Werkzeugen bzw. Formkernen. Dazu wird das jeweilige Werkzeug in Ebenen aufgetrennt, in denen die Kühlkanäle verlaufen sollen. Durch Fräsen, Bohren, o. dgl. werden dann in diesen Ebenen entsprechend dem gewünschten, konturnahen Verlauf die Kühlkanäle hergestellt. Anschließend werden die aufgetrennten, bearbeiteten Teile wieder zu einem Werkzeug zusammengefügt. Die Herstellung der Kühlkanäle kann dabei entsprechend dem Volumenstrom des Kühlmediums (z. B. Öl oder Wasser) mit einem angepaßten Kanalquerschnitt und einem Verlauf vorgenommen werden, der den Konturen des Formteils bzw. seines Formnestes folgt, d. h. im wesentlichen parallel zu ihnen geführt wird. Außerdem werden dabei zusätzlich Turbulatoren zur mechanischen Verwirbelung der Kühlflüssigkeit eingearbeitet.

Bei einem plattenweisen Aufbau eines Formwerkzeuges oder eines Formkernes muß die Dicke dieser Platten dem notwendigen Querschnitt des Kühlkanals entsprechen, d. h. bei einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt der Seitenlänge gleich sein. Runde, kreisförmige, elliptische oder dreieckige Querschnitte sind nicht oder nur mit erheblichem Mehraufwand herstellbar.

Die konturnahe, formnestparallele Führung der Kühlkanäle bleibt innerhalb einer Platte auf diese Ebene beschränkt. Konturierte, durchbrochene Platten müssen oberhalb und unterhalb von geschlossenen Platten als Deckel bzw. Boden abgeschlossen werden, wodurch erst die Kühlkanäle im Block entstehen. Untereinander müssen die Kühlkonturen erst über Bohrungen verbunden werden, die die Boden- bzw. Deckplatten durchbrechen. Alle Kühlkanäle werden dabei glattwandig erzeugt. Sowohl die Seitenflächen als auch Boden- oder Deckflächen der Temperierkanäle sind glatt gefräst, gebohrt, o. dgl.

Die Kühlmittelströmung in den glattwandigen Kanälen macht daher nicht selten den Einbau zusätzlicher mechanischer Hindernisse mit dem Zweck der Verwirbelung notwendig, denn der Wärmeaustausch zwischen Wand und Kühlmittel steigt erst mit zunehmenden Turbulenzgrad der Strömung.

Weiterhin ist aus US-PS 5,031,483 ein Spritzgießwerkzeug bekannt, das aus einer Vielzahl von lamellenartigen Platten aufgebaut ist, in die u. a. Ausnehmungen zur Bildung eines Kühlkanals eingebracht sind, dabei wird besonderer Wert auf die Ausbildung eines stetig verlaufenden Übergangs zwischen den einzelnen Platten gelegt. Eine effektive Kühlung im Sinne vorliegender Erfindung ist damit nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spritzgießwerkzeug zu schaffen, das die Produktivität des Spritzgießvorgangs durch eine konturnahe und formnestparallele Kühlung verbessert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei das Spritzgießwerkzeug bzw. der Formkern aus Lamellen, dünnen Blechen oder Scheiben aufgebaut ist, deren Dicken kleiner ist, als der Kühlkanalquerschnitt. Aus diesen Lamellen werden jeweils die Konturen des Kühlkanals präzise und wahlweise vorgebbar ausgeschnitten. Abschließend werden die konturierten, geschnittenen Lamellen übereinander positioniert und zueinander versetzt zu einem Block zusammengefügt. Der Kühlkanal kann dabei sowohl in einer Ebene als auch schräg durch die Schichtstruktur der Lamellen verlaufen. Der Kühlkanal entsteht erst durch das Verbinden der Lamellen zu einem Schichtsystem, das zu einem Block zusammengefügt wird. Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist, daß die Dicke (d_B) der Lamellen (L₁ bis L_n) kleiner als der Querschnitt d des Kühlkanals (K) in der Lamellenstapelrichtung n ist und vornehmlich wenigstens 0,5 mm beträgt, wobei wenigstens zwei aufeinanderfolgende Lamellen den Kühlkanalquerschnitt in lateraler Richtung bilden, und die einzelnen Lamellen (L₁ bis L_n) zueinander versetzt zu einem Block A derart zusammengefügt sind, daß die wahlweise vorgebbaren Ausnehmungen (A₁ bis A_n) einen an das jeweilige Formnest (D) angepaßten Kühlkanal bilden, wobei zwischen den einzelnen Lamellen jeweils ein stufenartiger Übergang (S) besteht, der vornehmlich rechtwinklig ausgeführt ist und die Stufenbreite (b) durch die Lamellendicke (d_B) und die Richtung der Kanalführung festgelegt ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 beispielhaft einen Kühlkanalquerschnitt gemäß vorliegender Erfindung, der durch ein Vieleck gebildet ist,

Fig. 2 zeigt links den Schnitt durch eine schräg durch den Schichtaufbau verlaufende Kühlbohrung mit kreisförmigem Querschnitt eines glattwandigen Kanals entsprechend dem Stand der Technik. Rechts ist der Aufbau eines solchen Kühlkanals mittels elliptisch ausgeschnittener, zueinander versetzter Lamellen oder Lagen entsprechend vorliegender Erfindung dargestellt,

Fig. 3 verdeutlicht den Zugewinn an Wärmeaustauschfläche eines Kühlkanals in Abhängigkeit von der Anzahl eingesetzter Lamellen und der Winkelihrung des Kühlkanals,

Fig. 4 beispielhaft ein gemäß vorliegender Erfindung ausgebildetes Spritzgießwerkzeug in perspektivischer Ansicht,

Fig. 5 zeigt den scheibenweisen Aufbau des ersten Endes eines Spritzgießwerkzeugs nach Fig. 4,

Fig. 6 zeigt den scheibenweisen Aufbau des Auslaufendes eines Spritzgießwerkzeugs nach Fig. 4 und die

Fig. 7a-7g alle Lamellen zur Bildung des Spritzgießwerkzeugs nach Fig. 4 in Draufsicht.

Am Beispiel eines durch ein Schichtsystem aus konturierten Lamellen erzeugten Kühlkanals wird in Fig. 1 im Schnitt schematisch dargestellt, wobei der Gewinn an Wärmeaustauschfläche verdeutlicht werden soll. Setzt man den Umfang U_VE des Vielecks, das sich als Querschnitt aus dem scheibenweisen Aufbau des Kühlkanals ergibt, ins Verhältnis zum Umfang U_K eines entsprechenden kreisförmigen Querschnitts, dann erhält man als Gewinn an Umfang- bzw. Wärmeaustauschfläche:

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Kühlkanäle wahlweise dem zu spritzenden Formteil konturnah anpaßbar sind, d. h. daß der Kühlkanal über seine Länge mit unterschiedlichen an das Formnest angepaßten Querschnittsprofilen versehen sein kann.

Gleichzeitig werden (bei gerader und zusätzlich bei schräger Führung durch den Lamellenblock) kleine Stufen und Terassenflächen gebildet, die zum Wärmeaustausch beitragen, was letztlich zu einer schnelleren Abkühlzeit führt. Gleichzeitig verursachen die in die Kühlmittelströmung hineinragenden Stufen, Kaskaden und Terrassen eine zusätzliche Verwirbelung. Der Turbulenzgrad der Kühlmittelströmung nimmt zu, woraus ein besserer Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Wand des Formnestes resultiert.

Ein Kühlkanal ist nach vorliegender Erfindung also aus einer Vielzahl dünner Lamellen (z. B. Stahlbleche) gebildet, wobei, je nach Größe und Volumen des zu spritzenden Formteils, der Querschnitt und die Führung des Kühlkanals variabel an das jeweilige Formnest anpaßbar sind und je nach Winkelführung des Kühlkanals auch eine mindest erforderliche Anzahl von Lamellen für den jeweiligen Kanalquerschnitt vorgebbar ist. Dabei kann die Anzahl und Dicke von Lamellen in unterschiedlichen Kanalquerschnitten voneinander abweichen.

Noch größere Gewinne an Wärmeaustauschfläche kann man erzielen, wenn der Kühlkanal schräg unter einem Winkel durch entsprechend ausgeschnittene Lamellen gebildet wird. Die ausgeschnittenen Konturen in den einzelnen Blechen sind dabei jeweils zueinander versetzt. Dadurch bilden sich nicht nur Stufen im Kühlkanal aus, sondern durch den Versatz entstehen terassenförmige Flächen, die zusätzlich zum Wärmeaustausch beitragen.

Fig. 2 zeigt links den Schnitt durch eine schräg durch den Schichtaufbau verlaufende Kühlbohrung mit kreisförmigen Querschnitt eines glattwandigen Kanals entsprechend dem Stand der Technik. Rechts ist der Aufbau eines solchen Kühlkanals mittels elliptisch ausgeschnittener, zueinander versetzter Lamellen oder Lagen entsprechend vorliegender Erfindung dargestellt.

Die Ausschnitte in den einzelnen Lagen oder Lamellen sind elliptische Zylindermantelflächen, wobei jeweils zwischen zwei zueinander versetzten Blechlamellen sichelförmige Terrassen (oben und unten) entstehen.

Zusammen mit der Summe der elliptischen Zylindermantelflächen der Konturen der einzelnen Bleche ergibt sich für das Verhältnis der Wärmeaustauschfläche zu einem glatten Kühlkanal mit kreisförmigen Querschnitt

wobei A ST|W für die Wärmeaustauschfläche im gestuften Kanal, A KZ|W für die Wärmeaustauschfläche im linken kreisförmigen Kanal und n_BL für die Zahl der den Kanalquerschnitt bildenden Lamellen steht. Die Winkelabhängigkeit, wie sie sich aus vorstehender Beziehung ergibt, ist für verschiedene Anzahlen von Scheiben oder Lamellen in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 3 zeigt die anzustrebenden Winkelbereiche für den Winkel α nach Fig. 2 für einen größtmöglichen Gewinn an Wärmeaustauschfläche, wie er durch die Stufen- und Terrassenbildung durch entsprechend konturierte und zusammengefügte Lamellen in Stapelrichtung n realisiert werden kann.

Es wurde gefunden, wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, daß von praktischem Nutzen für den scheiben- bzw. lamellenförmigen Aufbau von Kühlkanälen mindestens 5 bis etwa 25 Scheiben oder Lamellen im Kühlquerschnitt sind. Der günstigste Winkelbereich erstreckt sich dabei von 40°-50° (bei fünf Lamellen) bzw. zwischen 30° und 40° (bei fünfundzwanzig Lamellen). In diesen Bereichen sind Zuwächse von 20% bis über 30% an Wärmeaustauschflächen realisierbar. Eine weitere Erhöhung der Anzahl der vorzusehenden Lamellen, in Abhängigkeit von der Kompliziertheit der Kühlkanalführung, bei gleichzeitiger Verringerung der Lamellendicke, bei identischem Spritzgießwerkzeug liegt im Rahmen der Erfindung, bringt jedoch, wie Fig. 3 verdeutlicht, keinen erheblichen Zuwachs an Wärmeaustauschflächen, jedoch eine Vergrößerung des genannten Winkelbereichs zwischen 10° und 50°.

Ein weiterer Vorteil ist, daß auf diese Weise nicht nur rechteckige oder quadratische Querschnitte von Kühlgängen in einer Ebene oder mehreren zueinander parallelen, aber voneinander separierten Ebenen, wie bei Systemen nach dem Stand der Technik, herstellbar sind, sondern es lassen sich auch kreisförmige, elliptische, dreieckige oder daraus zusammengesetzte Querschnitte realisieren, die außerdem noch schräg, spiralförmig oder wie ein Schneckengang durch das Formwerkzeug bzw. den Formkern geführt werden können. Dabei kann der Verlauf immer so gewählt werden, daß er ohne die Beschränkung auf eine einzelne oder mehrere, einzelne Ebenen immer parallel und nahe den Formnestkonturen folgt.

In jedem Fall sind die Wände solcher Kühlkanäle nicht mehr glatt, sondern sie weisen durch den Aufbau aus einem Lamellenschichtsystem innen zahlreiche Stufen, Kaskaden, Treppen und Terrassenflächen auf, die zusätzliche Wärmeaustauschflächen bilden. Praktisch wird dieser Effekt immer erreicht, solange man nicht zu dünne Lamellen verwendet. Bevorzugt sollte die Dicke der eingesetzten Lamellen mindestens 0,5 mm betragen. Die jeweils geeignetste Dicke der Lamellen ergibt sich aus ihrer optimalen Anzahl bei vorgegebenem Querschnitt des zu realisierenden Temperierkanals.

Im weiteren zeigt Fig. 4 beispielhaft die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeugs A mit einem scheibenweisen Aufbau eines schraubengangförmig verlaufenden Kühlkanals mit achsenparallelem Einlauf B und seitlichem Auslauf C, wobei ersichtlich ist, daß die Dicke der einzelnen Scheiben deutlich kleiner als die Abmessungen des Kühlkanalquerschnittes sind.

Der Aufbau dieses Beispiels in Fig. 4 besteht aus 80 einzelnen Scheiben, wobei aus jeder mindestens eine oder mehrere verschiedene Konturen ausgeschnitten sind. Diese 80 Lamellen sind mit ihren jeweiligen Konturen in den Fig. 7a-g einzeln und nebeneinander in Draufsicht dargestellt. Die Lamelle 1 ist die oberste, die Lamelle 80 die unterste aus dem Schichtaufbau.

Weiter zeigt das in Fig. 4 dargestellte erfindungsgemäße Spritzgießwerkzeug der Einfachheit halber ein zylindrisches Formnest D sowie eine periphere, achsenparallel angebrachte, kleine Orientierungsbohrung E, die bei allen Lamellen an der selben Stelle vorgesehen ist, was den orientierten Zusammenbau erleichtert.

Fig. 5 zeigt den scheibenweisen Aufbau des ersten Endes eines Spritzgießwerkzeugs nach Fig. 4 mit einem Einlauf B. Es sind zwölf der oberen Lamellen ohne die oberste, abschließende Deckscheiben in fünf verschiedenen Ansichten dargestellt (vgl. mit den Fig. 7a bis 7g). Die obere linke Abbildung zeigt den Schnitt durch eine Ebene A-A gemäß der unteren linken Abbildung. Die rechten drei zeigen verschiedene perspektivische Ansichten.

Fig. 6 zeigt den scheibenweisen Aufbau des zweiten Endes des Spritzwerkzeugs mit einem seitlichen Auslaufs C anhand der untersten Lamellen in fünf verschiedenen Darstellungen analog Fig. 5. Die abschließende Lamelle 80, die Bodenplatte, enthält nur noch die Konturen für die zentrale Ausnehmung D und die peripher angebrachte, achsenparallele Orientierungsbohrung E.

Die Darstellungen in den Fig. 4, 5, 6 und 7a-g zeigen ein Ausführungsbeispiel, das auf einer einfachen Zylindergeometrie basiert. Das zentrale zylindrische Formnest dient lediglich der einfachen, deutlichen und übersichtlichen Darstellung der spriralförmigen, wendeltreppenartigen Ausführung des Kühlkanals im Beispiel, der schraubengangförmig um diese Zylinder-Achse herumführt. Es ist ersichtlich, daß dieses Prinzip der Realisierung eines Kühlkanals aus relativ dünnen Scheiben, die mit entsprechend geformten Ausnehmungen versehen sind, auch auf sehr komplizierte Geometrien anwendbar ist, beispielsweise auch auf kugel-, kegel- oder pyramidenförmige Geometrien eines Kunststoffformteils. Die Vorteile der vorgestellten Erfindung kommen besonders zum Tragen, wenn solche Kunststoffformteile zu kühlen sind, deren Geometrie sich aus verschiedenen Grundformen zusammensetzt, was letztlich eine effektive und gleichmäßige Kühlung mit Mitteln des Standes der Technik sehr erschwert oder fast unmöglich macht. Die vorgestellte Erfindung ermöglicht es hingegen jede beliebige Kanalform, mit beliebigem Querschnitt so parallel zu den Formteilkonturen zu führen, daß eine zeitlich kürzere und gleichmäßigere Kühlung des Formteils erreicht wird. Erfindungsgemäß wird durch die im Kühlkanal ausgebildeten Treppen, Stufen und Terrassen die innere Oberfläche des Kanals vergrößert und gleichzeitig eine größere Verwirbelung der Kühlmittelströmung erreicht, wodurch ein größerer, gleichmäßigerer und damit schnellerer Wärmeaustausch erreicht wird. Daraus resultieren nicht nur deutlich verkürzte Zykluszeiten beim Kunststoff-Spritzgießen, sondern auch eine verbesserte Qualität der gespritzten Formteile.

Entsprechende Überlegungen lassen sich ohne Beschränkungen allgemein auf die verbesserte Kühlung der Außenflächen des Spritzgießwerkzeugs A aus Fig. 4 anwenden. Solche Überlegungen sind von Bedeutung für die erfindungsgemäße Herstellung von Formkernen mit verbesserter Kühlung für Spritzgießwerkzeuge.

Für das Herstellen der Schnittkonturen in den einzelnen Scheiben (Ebenen) des aufgetrennten Formwerkzeugs oder Formkerns ist durch Bohren, Fräsen, Erodieren, Laserstrahl- oder Wasserstrahlschneiden o. dgl. möglich. Das Verbinden der einzelnen Scheiben (Ebenen) zu einem ganzen Formwerkzeug oder Formkern erfolgt vorzugsweise durch Diffusions- oder Preßschweißen im Vakuum, durch Hart- oder Hochtemperaturlöten im Vakuum oder unter Inertgas.

Claims

1. Spritzgießwerkzeug, bestehend aus einer Vielzahl von Lamellen oder Scheiben, die Ausnehmungen zur Ausbildung wenigstens eines schrägen oder gewundenen Kühlkanals, der an einem Formnest anliegt, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Dicke (d_B) der Lamellen (L) weniger als die Hälfte der Öffnungsbreite d des Kühlkanals (B) in Lamellenstapelrichtung (n) beträgt und die einzelnen Lamellen (L₁ bis L_n) zueinander versetzt zu einem Block derart zusammengefügt sind, daß die wahlweise vorgebbaren Ausnehmungen (A₁ bis A_n) einen an wenigstens ein Formnest (D) angepaßten Kühlkanal (K) bilden, wobei zwischen den einzelnen Lamellen jeweils ein stufenartiger, vornehmlich rechtwinkliger Übergang (S) besteht und die Stufenbreite (b) durch die Lamellendicke (d_B) und die Richtung der Kanalführung festgelegt ist.

2. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jeweils fünf Lamellen zur Bildung des Kühlkanalquerschnitts vorgesehen sind, wobei die Lamellen zueinander versetzt derart angeordnet sind, daß die mittlere Neigung des Kühlkanals (K) zwischen 40° und 50° festgelegt ist.

3. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jeweils fünfundzwanzig Lamellen zur Bildung des Kühlkanalquerschnitts vorgesehen sind, wobei die Lamellen zueinander versetzt derart angeordnet sind, daß die mittlere Neigung des Kühlkanals (K) zwischen 30° und 40° festgelegt ist.

4. Spritzgießwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Lamellen eine zueinander unterschiedliche Dicke gegeben ist.

5. Spritzgießwerkzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d_B) einer Lamelle wenigstens 0,5 mm beträgt.

6. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (K) über seine Länge mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen, die konturnah an das jeweilige Formnest (D) angepaßt sind, versehen ist.

7. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkanal (K) über seine Länge mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen versehen ist, wobei die Anzahl und Dicke der Lamellen in unterschiedlichen Querschnittsprofilbereichen voneinander abweichend festgelegt sein kann.