DE102004022306A1

DE102004022306A1 - Formkern

Info

Publication number: DE102004022306A1
Application number: DE102004022306A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Glas
Original assignee: Individual
Current assignee: Tribotherm Ug (haftungsbeschraenkt) De
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: WO2005108044A1; DE202005020812U1; DE102004022306B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formkern eines Spritzgusswerkzeugs, bestehend aus einem Innenkern und einem Außenkern, vorzugsweise für die Herstellung von Kappen oder dergleichen, insbesondere Schraubkappen, mit einer gedachten Längsachse, wobei der Außenkern sich gliedert in einen Schaft und ein, vorzugsweise eine Formfläche tragendes, Schaftende. Zur Erhöhung der Produktivität einer Spritzgussmaschine ist vorgesehen, dass das Schaftende aus einer Kupferlegierung mit innen liegenden Kühlkanälen geformt ist, während der übrige Kern aus üblichen Stählen gefertigt ist. Ein Innenkern und ein zugeordneter Formeinsatz können vorteilhaft ebenfalls aus den beiden Werkstoffen kombiniert sein.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkern eines Spritzgusswerkzeugs bestehend aus einem Innenkern und einem Außenkern, vorzugsweise für die Herstellung von Kappen oder dergleichen, insbesondere Schraubkappen, mit einer gedachten Längsachse, wobei der Außenkern sich gliedert in einen Schaft und ein, vorzugsweise eine Formfläche tragendes, Schaftende.
Die Erfindung betrifft sowohl den fertigen Formkern, als auch den Rohkern. Der Rohkern unterscheidet sich im wesentlichen vom fertigen Formkern dadurch, dass in die Außenfläche des Schaftendes noch keine der gewünschten Werkstücke entsprechende Formfläche eingebracht ist. Weiterhin weist der Rohkern im Gegensatz zum fertigen Formkern noch kein Zahnritzel, sowie kein Lager für Drehbewegungen auf. Diese werden lediglich bei Bedarf in die Außenkontur des Schaftes eingebracht, insbesondere dann, wenn mit dem fertigen Formkern Schraubkappen oder Gegenstände mit Innengewinde gespritzt werden sollen. Für die Fertigung solcher Spritzteile ist eine Drehbewegung des Formkern notwendig. Der fertige Formkern wird in Spritzgießmaschinen eingesetzt, wobei die äußere Formfläche des Schaftendes mit einem Gegenwerkzeug einer Maschinenhälfte eine Kavität bildet, also den geometrischen Raum, der die negative Entsprechung de fertigen Spritzgießteils ist. Die Spritzgießmaschine spritzt die aufbereitete Kunststoffmasse unter hohem Druck und hoher Temperatur in einer bestimmten Zeit in die Kavität. Daraufhin erfolgt eine Abkühlung der geformten Kunststoffmasse, wodurch der Kunststoff erstarrt und das fertige Spritzgießteil, das auch Formteil oder Spritzling genannt wird, gebildet wird. Die von der Formmasse beim Erstarren abgegebene Wärmemenge wird über den Innenkern abgeführt in dem wendelförmige, wasserdurchflossene Kühlkanäle vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kern vorzuschlagen, mit dem die Fertigungsleistung bekannter Spritzgießmaschinen erhöht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kern dadurch gelöst, dass im Außenkern Mittel zur Ableitung von Wärmemengen aus dem Schaftende vorgesehen sind. Überraschenderweise kann durch diese Maßnahme die Schussfolge der Spritzgießmaschine verkürzt werden. Die Produktivität steigt entsprechend. Dieser Effekt lässt sich dadurch erklären, dass der Wärmemengenabtransport wesentlich schneller erfolgen kann, was allein schon auf die räumliche Nähe von Außenkern zur Außenfläche des Schaftendes zurückzuführen ist. Aufgrund der teilweise erheblichen Dicke des Außenkerns erfolgt der Wärmemengenabtransport aus dem Schaftende zeitlich verzögert. Der Wärmemengenabtransport erfolgt auch inhomogen. Dies ist auf die unterschiedlichen Abstände einzelner Bereiche des Schaftendes von der Innenkernkühlung zurückzuführen, was zu unterschiedlichen Temperaturgradienten zwischen unterschiedlichen Bereichen der Außenfläche des Schaftendes und der Innenkernkühlung führt.
Weiterhin ermöglicht das Vorsehen von Mitteln zur Ableitung von Wärmemengen im Außenkern eine homogenere Ableitung der Wärmemengen, wodurch die Qualität des Spritzgießteils aufgrund der gleichmäßigeren Materialabkühlung wesentlich erhöht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schaftende aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung gefertigt ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer oder kupferhaltigen Legierungen ist im Vergleich zu Werkzeugstählen wesentlich höher und beträgt vorzugsweise zwischen 130 und 260 W/mK. Diese erfindungsgemäße Maßnahme beschleunigt den Abtransport von Wärmemengen aus der Kavität erheblich, was wiederum zu einer Erhöhung der Produktionsleistung führt.
Es ist zweckmäßig, dass als Mittel zur Ableitung von Wärmemengen aus dem Schaftende mindestens eine Wärmeableitung im oder am Schaft, vorzugsweise zumindest teilweise entlang des Schaftes vorgesehen ist, wobei die Wärmeableitung mit dem Schaftende mindestens eine Wärmeaustauschfläche aufweist. Die Wärmemengen werden also entlang des Schaftes abtransportiert, was zu einer beschleunigten Abkühlung des Schaftendes führt. Je größer die Wärmeaustauschfläche ausgebildet ist, desto schneller erfolgt der Wärmeaustausch.
Um einen Wärmemengenabtransport ohne Materialtransport bereitstellen zu können, ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Wärmeableitung massiv ausgebildet ist, und aus einem Material besteht, vorzugsweise aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Schaftmaterial, vorzugsweise Werkzeugstahl, aufweist. Die Wärmemengen werden durch die massive Wärmeleitung entlang des Schaftes transportiert und können an einer von dem Schaftende entfernten Stelle weiter abgeführt werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Wärmeableitung an einer von dem Schaftende entfernten Stelle zumindest eine zweite Wärmetauschfläche mit einem fluidischen Kühlmittel oder mit, vorzugsweise mit Luft angeströmten, Kühlrippen, aufweist.
Ein noch verbesserter Wärmemengenabtransport wird dadurch gewährleistet, dass die Wärmeableitung als Zufluss- und Abflusskanal für ein fluidischen Kühlmittel ausgebildet und vorzugsweise Teil eines fluidischen Kühlkreislaufes ist. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Schaftende von Kühlmittel durchflossen ist, was zu einer beschleunigten Abkühlung des Schaftendes und damit zur Kühlung der äußeren Formfläche führt. Dabei können die Kanäle in der einfachsten Ausgestaltungsform mit Leitungswasser durchflossen sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kanäle Teil eines Kühlkreislaufes sind.
Ein besonders geringer Abstand zwischen Kanälen und äußerer Formfläche des Schaftendes wird dadurch hergestellt, dass die Kanäle teilweise in einem Mantel des Schaftendes eingeformt sind.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kanäle auch teilweise in die Wand des Schaftes integriert sind. Hierdurch wird mit Vorteil vermieden, dass bei der Fertigung störende Kanäle unmittelbar an der Außenseite des Schaftes angebracht werden müssen.
Es ist von Vorteil, dass der Schaft vorzugsweise ein Zahnritzel sowie ein Lager für Drehbewegungen um eine gedachte Längsachse aufweist, wobei die Ein- und Austrittsöffnungen der Kanäle zwischen Zahnritzel und Schaftende angeordnet sind.
Es ist jedoch gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ebenfalls vorgesehen, dass der Schaft vorzugsweise ein Zahnritzel sowie ein Lager für Drehbewegungen um eine gedachte Längsachse aufweist, wobei die Ein- und Austrittsöffnungen der Kanäle zwischen Zahlritzel und einem Einspannende des Kern angeordnet sind.
Ein besonders homogener Wärmemengenabtransport wird dadurch sichergestellt, dass die Kanäle im Schaftende wendelförmig ausgebildet sind.
Es ist fertigungstechnisch von großem Vorteil, dass das Schaftende und/oder der Schaft zumindest jeweils teilweise aus zwei konzentrisch angeordneten Hülsen aufgebaut sind, die radial miteinander, vorzugsweise mittels Elektronenstrahlschweißen, verbunden sind. Dabei sind die Kanäle als Ausnehmungen in eine der beiden Hülsen eingebracht. Durch diese Maßnahme können axiale Bohrungen im Schaftmantel oder im Schaftende mit Vorteil vermieden werden.
Es ist von besonderem Vorteil, dass die Stirnfläche des Schaftes mit einer Anschlagfläche des Schaftendes, vorzugsweise Elektronenstrahlschweißen verbunden ist. Hierdurch wird eine besonders feste Verbindung zwischen kupferhaltigem Schaftende und dem Schaft aus Werkzeugstahl geschaffen.
Die Vorteile einer Werkstoffkombination von Stahl und Kupfer können auch für den Innenkern genutzt werden, wenn der Innenkern mindestens teilweise, vorzugsweise im Bereich des Schaftendes, aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung geformt ist.
Dasselbe gilt sinngemäß für die Maßnahme, daß dem Formkern ein Formeinsatz, insbesondere für Außengewinde, zugeordnet ist, der mit dem Formkern eine Kavität bildet, wobei der Formeinsatz mindestens im Bereich, der an die Kavität angrenzt, aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung geformt ist.
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
Die Figuren der Zeichnung zeigen:
1 einen Axialschnitt eines Formkerns mit Formeinsatz,
2 einen Axialschnitt eines Rohkerns mit Wärmeableitung ohne Fluid,
3 einen Axialschnitt eines Rohkerns mit fluidischer Kühlung und
4 einen Axialschnitt eines Rohkerns mit fluidischer Kühlung und anderer Fluidführung
In 1 ist ein Formkern 1 dargestellt. Der Formkern 1 ist Teil eines nicht dargestellten Spritzgießwerkzeugs und besteht aus einem Innenkern 2 und einem Außenkern 3. Der dargestellte Formkern 1 wird für die Herstellung von Schraubkappen eingesetzt. Der Außenkern 3 gliedert sich in einen Schaft 4 und einem mit dem Schaft 4 unlösbar verbundenen Schaftende 5. An dem dem Schaftende 5 gegenüberliegenden Ende 6 des Kerns 1 liegt das Einspannende 7 mit Gewindemutter 8 zum Einspannen des Kerns 1 in eine nicht dargestellte Spritzgussmaschine.
Das Schaftende 5 weist eine Außenfläche 9 auf, die als Formfläche 10 ausgebildet ist. Die Formfläche 10 ist bei dem gezeigten Kern als Formfläche für ein Innengewinde in einem Schraubkappenspritzgießteil ausgeformt. Die Formfläche 10 bildet mit einem Gegenwerkzeug 11 eine Kavität 12. Die nicht dargestellte Spritzgießmaschine spritzt eine aufbereitete Kunststoffmasse unter hohem Druck und hoher Temperatur in einer bestimmten Zeit in die Kavität. Dies ist durch Pfeile 13 angedeutet.
In 1 ist zu erkennen, dass im Innenkern 2 wendelförmige Kanäle 14 vorgesehen sind, durch die vom Einspannende 7 her Kühlwasser geleitet wird, um Wärmemengen aus dem Schaftende 5 abzuführen.
Erfindungsgemäß wird die Wärmeleitung des Formkerns dadurch verbessert, dass als Mittel zur Ableitung von Wärmemengen ein Zuflusskanal 15 und ein Abflusskanal 16 für ein fluidisches Kühlmittel vorgesehen sind. Zuflusskanal 15 wie auch Abflusskanal 16 sind in einen Mantel 17 des Schaftendes 5 als auch in die Wand 18 des Schaftes 4 integriert. Die Kühlmitteleintrittsöffnung 19 und die Kühlmittelaustrittsöffnung 20 verbinden Zuflusskanal 15 und Abflusskanal 16 zu einem nicht dargestellten Kühlkreislauf.
Dem Formkern ist ein Formeinsatz 11 zugeordnet, der mit dem Formkern die Kavität 12 bildet, die bei jedem Schuß der Spritzgießmaschine mit Kunststoff gefüllt wird. Auch dieser Formeinsatz 11 ist durch ein Fluid gekühlt. Als Fluid wird meist Wasser verwendet. Es kann aber auch bei bestimmten Kunststoffen die Verwendung von Öl vorteilhaft sein. Das Fluid durchströmt Kühlkanäle 35, die im Inneren des Formeinsatzes 11 vorgesehen sind. Der Bereich 39, der an die Kavität 12 angrenzt, ist aus Kupfer geformt. Die zylindrische Naht 40 zwischen Bereich 39 und Grundwerkstoff 41 des Formeinsatzes 11 ist mittels Elektronenstrahlschweißen hergestellt. In 1 ist der Formeinsatz 11 in einen inneren und einen äußeren Formeinsatz 42, 43 geteilt. Derartige Teilungen sind insbesondere zur Herstellung von Außengewinden erforderlich.
Am fertigen Formkern ist ein Zahnritzel 21 vorgesehen. Durch die Gewindeleitmutter 8 kann derselbe um seine Längsachse 22 gedreht werden. Neben dem Zahnritzel 21 in Richtung Schaftende 4 ist ein Lager 23, bestehend aus einer Lagerfläche 24 und einer Lagerbuchse 25 vorgesehen. Das als Gleitlager ausgebildete Lager 23 dient zur Führung des Kerns 1 bei axialer Bewegung während er rotiert. Die Rotationsbewegung ist insbesondere bei der Fertigung von Spritzgießteilen mit Innengewinde notwendig, um den Kern nach Fertigstellung des Spritzgießteils aus dem Innengewinde des Spritzgießteils herausdrehen zu können. Für diese Bewegung ist auch eine axiale Bewegung des Kerns 1 in Richtung Einspannende 7 notwendig. Zur Lagerung dient das entsprechende Gleitlager 26.
In den 2 bis 4 ist nicht der fertige Formkern 1, sondern das Rohteil eines Außenkerns 3 dargestellt. Dies ist vor allem daran zu erkennen, dass die Außenfläche 9 des Schaftendes 5 keine Konturen aufweist, also nicht als Formfläche ausgebildet ist. Die Einformung der geometrischen Konturen muss erst noch erfolgen. Schon der Rohkern besteht aus einem Außenkern 3 und einer Bohrung 27 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Innenkerns. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiels erfolgt der Wärmemengenabtransport entlang der Wärmeableitung 28, die in die Wand 18 des Schaftes 4 integriert ist, ohne Fluid. Die Wärmeableitung 28 besteht aus einer kupferhaltigen Legierung. Die Wärmeableitung 28 ist massiv ausgebildet und weist eine erste Wärmetauschfläche 29 mit dem Schaftende 5 auf und eine zweite Wärmetauschfläche 30, welche beispielsweise in Kontakt mit einem Kühlkreislauf oder mit Luft angeströmten Kühlrippen steht.
Der in 3 dargestellte Rohkern 1 weist einen Zuflusskanal 15 und einen Abflusskanal 16 für ein fluidisches Kühlmittel auf. Die Eintrittsöffnung 19, sowie die Austrittsöffnung 20 sind zwischen Einspannende 7 und Zahnritzel 21 angeordnet. Das Zahnritzel 21 ist beim Rohkern 1 noch nicht komplett ausgeformt, sondern besteht lediglich aus einem durchmesservergrößerten Abschnitt des Schaftes 4, da das Zahnritzel 1 nur bei Bedarf in den Rohkern eingebracht wird. Genauso verhält es sich mit dem Lager 23. Die Kanäle 15, 16 sind innerhalb des Mantels 17 des Schaftendes 5 und innerhalb der Wand 18 des Schaftes 4 angeordnet. Im Schaftende 5 sind die Kanäle 15, 16 wendelförmig ausgebildet, wodurch ein gleichmäßiger Wärmemengenabtransport verteilt über das gesamte Schaftende 5 erreicht wird.
Das Schaftende 5 ist aus zwei konzentrisch angeordneten Hülsen 31, 32 aufgebaut, wobei die Kanäle 15, 16 wendelförmig in die innenliegende Hülse 31 eingebracht sind. Mit der innenliegenden Hülse 31 ist die konzentrisch dazu angeordnete Hülse 32 durch Elektronenstrahlschweißen verbunden. Der Schaft 4 besteht ebenfalls aus zwei konzentrisch angeordneten Hülsen 33, 34. Die Kanäle 15, 16 sind in die innenliegende Hülse 33 eingebracht, woraufhin die konzentrisch dazu angeordnete äußere Hülse 34 ebenfalls mittels Elektronenstrahlschweißen mit der inneren Hülse 33 verbunden ist.
Der in 4 dargestellte Rohkern 1 unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Rohkern dadurch, dass die Eintrittsöffnung 19 und die Austrittsöffnung 20 des Zuflusskanals 15 und des Abflusskanals 16 zwischen Zahnritzel 21 und Schaftende 5 angeordnet sind. Zu erkennen ist auch in 5, dass das Schaftende 5 aus Hülsen 31 und 32 aufgebaut ist und dass analog dazu ein Teil des Schaftes 4 aus den konzentrischen Hülsen 33 und 34 aufgebaut ist, wobei alle Hülsen mittels Elektronenstrahlschweißen miteinander verbunden sind. Weiterhin ist in 4 zu erkennen, dass die Stirnfläche 35 des Schaftes 4 mit einer Anschlagfläche des Schaftendes 5 mittels Elektronenstrahlschweißen verbunden ist.

1: Formkern
2: Innenkern
3: Außenkern
4: Schaft
5: Schaftende
6: Ende des Kerns
7: Einspannende
8: Gewindeleitmutter
9: Außenfläche
10: Formfläche
11: Formeinsatz
12: Kavität
13: Einspritzrichtung
14: Kanäle im Innenkern
15: Zuflußkanal
16: Abflußkanal
17: Mantel des Schaftendes
18: Wand des Schaftes
19: Eintrittsöffnung
20: Austrittsöffnung
21: Zahnritzel
22: Längsachse
23: Lager
24: Lagerfläche
25: Lagerbuchse
26: Gleitlager
27: Bohrung
28: Wärmeableitung
29: erste Wärmetauschfläche
30: zweite Wärmetauschfläche
31: Hülse
32: Hülse
33: Hülse
34: Hülse
35: Stirnfläche
36: Anschlagfläche
37
38: Kühlkanäle
39: Bereich
40: Naht
41: Grundwerkstoff
42: innerer Formeinsatz
43: äußerer Formeinsatz

Claims

Formkern eines Spritzgusswerkzeugs bestehend aus einem Innenkern und einem Außenkern, vorzugsweise für die Herstellung von Kappen oder dergleichen, insbesondere Schraubkappen, mit einer gedachten Längsachse, wobei der Außenkern sich gliedert in einen Schaft und ein, vorzugsweise eine Formfläche tragendes, Schaftende, dadurch gekennzeichnet, dass im Außenkern Mittel zur Ableitung von Wärmemengen aus dem Schaftende vorgesehen sind.
Formkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaftende aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung gefertigt ist.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Ableitung von Wärmemengen aus dem Schaftende mindestens eine Wärmeableitung im oder am Schaft, vorzugsweise zumindest teilweise entlang des Schaftes, vorgesehen ist, wobei die Wärmeableitung mit dem Schaftende mindestens eine erste Wärmetauschfläche aufweist.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitung massiv ausgebildet ist und aus einem Material besteht, vorzugsweise aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung; dass eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Schaftmaterial, vorzugsweise Werkzeugstahl, aufweist.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitung an einer von dem Schaftende entfernten Stelle zumindest eine zweite Wärmetauschfläche mit einem fluidischen Kühlmittel oder mit, vorzugsweise mit Luft angeströmten, Kühlrippen aufweist.
Formkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitung als Zufluss- und Abflusskanal für ein fluidisches Kühlmittel ausgebildet und vorzugsweise Teil eines fluidischen Kühlkreislaufes ist.
Formkern nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle teilweise in einen Mantel des Schaftendes eingeformt sind.
Formkern nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle teilweise in der Wand des Schaftes integriert sind.
Formkern nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft vorzugsweise ein Zahnritzel sowie ein Lager für Drehbewegungen um seine gedachte Längsachse aufweist und die Ein- und Austrittsöffnungen der Kanäle zwischen Zahnritzel und Schaftende angeordnet sind.
Formkern nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft vorzugsweise ein Zahnritzel sowie ein Lager für Drehbewegungen um seine gedachte Längsachse aufweist und die Ein- und Austrittsöffnungen der Kanäle zwischen Zahnritzel und einem Einspannende des Kerns angeordnet sind.
Formkern nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle im Schaftende wendelförmig ausgebildet sind.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaftende und/oder der Schaft zumindest jeweils teilweise aus zwei konzentrisch angeordneten Hülsen aufgebaut sind, die radial miteinander, vorzugsweise mittels Elektronenstrahlschweißen, verbunden sind.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche des Schaftes mit einer Anschlagfläche des Schaftendes, vorzugsweise mittels Elektronenstrahlschweißen, verbunden ist.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkern mindestens teilweise, vorzugsweise im Bereich des Schaftendes, aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung geformt ist.
Formkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formkern ein Formeinsatz (37), insbesondere für Außengewinde, zugeordnet ist, der mit dem Formkern eine Kavität (12) bildet, wobei der Formeinsatz (37) mindestens im Bereich (39), der an die Kavität (12) angrenzt, aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung geformt ist.