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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Temperierung beim
Spritzgießen
von Formteilen, insbesondere optischer Formteile sowie Displays,
Streuscheiben, Mikrostrukturen und dergleichen, indem geometrisch
begrenzte Formbereiche einer Kavität eines Spritzgießwerkzeuges
zielgerichtet und tiefenbegrenzt induktiv erwärmt werden und nach dem Erstarren
des in die Form gebrachten Werkstoffs durch Öffnen der Werkzeughälften das Formteil
aus der Kavität
entfernt wird.
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Beim
Spritzgießen
von Formteilen mittels thermoplastischer, duroplastischer oder elastomerer Werkstoffe,
bei denen der Werkstoff in ein Formwerkzeug eingebracht wird, entstehen
vielfach neben Fehlern in der Oberflächenqualität eines Kunststoffformteils,
wenn zwei oder mehrere Fließströme der Kunststoffschmelze
aufeinandertreffen, auch Fehler durch eine nicht ausreichende Abformgenauigkeit
an der Oberfläche
des Kunststoffformteils, beispielsweise Bindenahtkerben, Glanzunterschiede
oder Wolken- und Schlierenbildungen, was kostenintensive und zeitraubende
Nacharbeiten erforderlich macht. Weitere Fehler bei der Herstellung
eines Kunststoffformteils können
entstehen, wenn der erhitzte Werkstoff durch Kontakt der Kunststoffschmelze
mit einer kälteren
Werkzeugwand ungleichmäßig erstarrt.
Besonders die Herstellung von optischen Formteilen, die Abformung
von Mikrostrukturen oder die Herstellung insbesondere dickwandiger
Teile ist bei einer reduzierten Fließfähigkeit des Werkstoffs nicht
möglich, insbesondere
dann, wenn der sich abkühlende
Werkstoff nicht alle Werkzeughohlräume ausfüllt. Um die Abformgenauigkeit
einer Kunststoffschmelze wesentlich zu verbessern, wird vielfach
zur Verbesserung der Fließfähigkeit
der Kunststoffschmelze die Werkzeugwandtemperatur erhöht, was
zu einer deutlichen Zykluszeitverlängerung führt. Aus dem Stand der Technik
sind eine Reihe von Verfahren und entsprechende Spritzgießwerkzeuge
zur Erzielung einer besseren Abformungsgenauigkeit, einer Reduzierung
der Spannungszustände
im Kunststoffformteil sowie einer Reduzierung der Zykluszeiten durch Temperierung
der Spritzgießwerkzeuge
bekannt. So wird in der
DE
197 35 031 A1 eine Spritzgießvorrichtung beschrieben, bei
der in der Nähe
kritischer Stellen Temperaturelemente, z. B. elektrische Heizpatronen
und auch Kühlelemente
in Ausnehmungen des Formeinsatzes eingebracht werden, die den Formeinsatz
während
der Einspritzphase des Kunststoffes beheizen und nach dem Befüllen der
Kavität
sorgen die Kühlelemente
für ein
definiertes Abkühlen
der Kunststoffschmelze. In der
DE 199 29 731 A1 wird ein Verfahren zum Beheizen
von Spritzgießwerkzeugen
beschrieben, bei dem der zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material
bestehende Formeinsatz vor und/oder während des Einspritzens der Kunststoffschmelze
durch einen hindurchgeleiteten oder induzierten Heizstrom erhitzt
wird, um den Formeinsatz gleichmäßig zu beheizen.
Aus der
DE 36 21 379
A1 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Beseitigung von Fließ-
bzw. Bindenahteinkerbungen in Spritzgießteilen aus Thermoplast bekannt,
indem beim Spritzgießen
die Kunststoffschmelze während
der Formbefüllung
in den Formwandbereichen der vorausbestimmbaren Fließ- und Bindenähte so lange
nahe der Erweichungs- bzw. der Kristallitschmelztemperatur des Thermoplasts
gehalten wird, bis die Formbefüllung
abgeschlossen ist. In der
DE
43 08 008 A1 wird weiterhin ein Verfahren vorgeschlagen,
bei dem die Erwärmung
eines geometrisch begrenzten Formbereiches bis zu einer geringen
Tiefe an der geöffneten
Form mittels eines externen Induktors erfolgt, indem die Spritzgießform mit
Kavitätsbereich
und Formhohlraum durch einen wassergekühlten Induktor im aufgefahrenen
Zustand erwärmt
wird, wobei die Erwärmung
wahlweise durch einen angußseitig
oder auswerferseitig wirkenden Induktor erfolgen kann. Während der
Schließphase
erfolgt eine Abkühlung
des Spritzgießwerkzeuges
durch Wärmeleitung,
Konvektion und Strahlung, wobei die Erwärmung auf eine so hohe Temperatur
erfolgt, dass erst nach vollständiger Formbefüllung in
der Werkzeugwand die Erstarrungstemperatur unterschritten wird.
Die Erwärmung erfolgt
dabei durch Hochfrequenz, Laserstrahl oder Infrarotstrahler. Aus
der
DE 102 57 129
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus
Kunststoff und ein Werkzeug bekannt, bei dem während und vor dem Verteilen
des Werkstoffs mindestens ein Werkzeugteil abschnittsweise durch
gerichtete Hochfrequenztechnik nur an der Kontaktfläche zum
Werkstoff erwärmt
wird, wobei der aus einer Primärspule und
einem Trafokern bestehende Induktor thermisch und magnetisch gegen
das zweite Werkzeugteil isoliert ist und die Polschuhe des Induktors
so am zweiten Werkzeugteil angeordnet sind, dass sie bei geschlossenem
Werkzeug über
eine magnetisch leitende Anlagefläche mit dem ersten Werkzeugteil
in magnetisch leitendem Kontakt stehen.
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Aus
der
DE 602 09 080
T2 ist weiterhin ein Keramikformwerkzeug zur Verwendung
bei einer Formgebungsvorrichtung, welche das Induktionsheizen einsetzt,
bekannt.
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Nachteilig
insbesondere bei der Herstellung von optischen Formteilen ist, dass
bei einer induktiven Erwärmung
mit integrierten Induktoren in dem Spritzgießwerkzeug vielfach die Formteiloberflächenqualität der optischen
Formteile beeinträchtigt wird,
wenn der Induktor Markierungen oder Abdrücke auf der Formteiloberfläche hinterlässt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Werkzeug
zur Temperierung beim Spritzgießen
zu schaffen, mit denen durch eine gezielte Erwärmung vorgegebener Formbereiche
einer Kavität
eines Spritzgießwerkzeuges
die Formteiloberflächenqualität insbesondere
bei der Herstellung optischer Formteile verbessert wird und gleichzeitig die
Zykluszeiten im Vergleich zu bisher eingesetzten Verfahren reduziert
werden.
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Gelöst wird
die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Verfahren zur
Temperierung beim Spritzgießen
durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale und durch ein Werkzeug zur Temperierung beim Spritzgießen durch
die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
Verfahren zur Temperierung beim Spritzgießen ist dadurch gekennzeichnet,
dass vor einer Befüllung
von mindestens einer Kavität
eines Spritzgießwerkzeuges
zur beidseitig gerichteten direkten induktiven Erwärmung von geometrisch
begrenzten Formbereichen und/oder der gesamten Wandlänge der
Kavitäten
von Werkzeughälften
eine Lageänderung
der zueinander beweglich vorgesehenen Werkzeughälften so durchgeführt wird,
dass mehrere in die Werkzeughälften
integrierte und zueinander mit Abstand angeordnete Induktoren unter Einhaltung
gleicher Abstände
wahlweise vor den gegenüberliegenden
Hälften
der Kavitäten
angeordnet werden, um die in den Werkzeughälften gegenüberliegenden Kavitätshälften zu
erwärmen,
und dass nach der abgeschlossenen Erwärmung der Kavitäten eine
Rückbewegung
der Werkzeughälften
in ihre Ursprungslage erfolgt.
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Dadurch,
dass vor einer vollständigen
Befüllung
der Kavitäten
des Spritzgießwerkzeuges
eine induktive Erwärmung
von geometrisch begrenzten Bereichen der Wände der Kavitäten und/oder
eine induktive Erwärmung
auf der gesamten Wandlänge
der Kavitäten
erfolgt, wird die Erstarrung des Kunststoffmaterials bis zur vollständigen Formbefüllung unterbunden
und damit eine bessere Abformgenauigkeit für die einzelnen Formteile erreicht
und gleichzeitig werden die Spannungszustände bei der Erstarrung reduziert.
Durch die erfindungsgemäß gerichtete
induktive Erwärmung
von Bereichen der Wände
der Kavitäten
kann weiterhin die Eindringtiefe der zu erwärmenden Randschichten der Wand
der Kavitäten in
Abhängigkeit
vom Werkstoff der Spritzgießform
sowie der Frequenz gezielt gesteuert und damit verbunden die Zykluszeiten
gegenüber
bekannten Verfahren reduziert werden. Durch die Erhöhung der
Kontakttemperatur in der Wand der Kavitäten und durch die damit verbundene
verlangsamte Abkühlung
der Werkstoffschmelze wird eine Verbesserung der Gefügestrukturen
erreicht. Positive Verbesserungen sind ebenfalls bei den thermischen
und mechanischen Formteileigenschaften sowie für oberflächennahe Orientierungszustände erreichbar,
die für
eine nachträgliche
an den Formteilen durchzuführende Oberflächenveredlung,
wie das Galvanisieren, von Relevanz sind. Ein weiterer Vorteil der
durch die Bewegung der beiden Werkzeughälften zueinander und der damit
verbundenen Lageänderung
der Induktoren auftretenden gezielten induktiven Erwärmung besteht
darin, dass insbesondere bei der Herstellung von optischen Bauteilen
auf den optischen Flächen keine
Markierungen oder Abdrücke
durch die Induktoren entstehen können.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Verfahrens bestehen darin, dass die zueinander
in ihrer Lage veränderbaren
Werkzeughälften
entweder durch Verdrehen mindestens einer der Werkzeughälften ihre
Lage so zueinander verändern,
dass unter Einhaltung gleicher Abstände von Induktoren und Kavitäten die
Erwärmung
der den Induktoren gegenüberliegenden
Hälften
der Kavitäten
erfolgt, oder dass als vorteilhafte Variante durch eine Längsbewegung
eines in einer der Werkzeughälften
angeordneten und geführten
Einsatzes quer zur Schließrichtung
der Werkzeughälften
diese ihre Lage so zueinander verändern, dass die Erwärmung der
den Induktoren gegenüberliegenden
Hälften
der Kavitäten
erfolgt, und dass nach abgeschlossener Erwärmung der Kavitäten entweder
eine Rückdrehung
einer der Werkzeughälften
oder eine Rückbewegung
des in einer der Werkzeughälften
geführten
Einsatzes in die Ursprungslage erfolgt.
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Bevorzugt
ist ein Werkzeug zur Durchführung
des Verfahrens zur Herstellung von Spritzgießformteilen aus Kunststoff
vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einem Spritzgießwerkzeug
mit zwei Werkzeughälften,
die mindestens eine Kavität
umschließen
und mindestens ein oder mehrere integrierte Induktoren zur direkten
induktiven Erwärmung
geometrisch begrenzter Formbereiche und/oder der gesamten Wandlänge der
Kavitäten
in mindestens einer der Werkzeughälften aufweisen, vor einer
Befüllung
der Kavitäten
des Spritzgießwerkzeuges
die Werkzeughälften
um einen definierten, vom Abstand der Kavitäten abhängigen Winkel gegeneinander
verdrehbar vorgesehen sind oder mittels eines in einer der Werkzeughälften geführten Einsatzes
um einen definierten, vom Abstand der Kavitäten abhängigen Weg verschiebbar vorgesehen sind.
Durch diese wahlweise Anordnung der Induktoren können bei einem Spritzgießvorgang
nicht nur unterschiedliche Wandbereiche gezielt gesteuert erwärmt werden,
sondern auch die Aufheizzeit kann sehr gering gehalten werden, was
sich insbesondere bei dickwandigen Teilen vorteilhaft auswirkt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
werden darin gesehen, dass die in das Spritzgießwerkzeug integrierten Induktoren
zur Erwärmung
der Wände
der Kavitäten
entweder auf einer der zu erwärmenden Seite
der Werkzeughälften
oder auf einer gegenüberliegenden
Seite der zu erwärmenden
Werkzeughälfte oder
in beiden Werkzeughälften
des Spritzgießwerkzeuges
vorgesehen sind.
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Alternativ
ist auch vorgesehen, dass die Induktoren extern außerhalb
der beiden Werkzeughälften
angeordnet sind. Die entsprechenden Bereiche der Wände der
Kavität
der beiden Werkzeughälften werden
dabei bei geöffneter
Kavität
erwärmt.
Da während
der Schließphase
des Spritzgießwerkzeuges
bereits eine Abkühlung
der Wand der Kavität
erfolgt, muss deshalb bei dieser Variante eine Erwärmung der
Wand der Kavität
auf eine solche Temperatur erfolgen, dass erst nach vollständiger Befüllung der
Kavität
in der Wand die Erstarrungstemperatur des Kunststoffes unterschritten
wird.
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Bevorzugt
sind in einem komplexen Spritzgießwerkzeug die integrierten
Induktoren vorzugsweise zwischen einzelnen Kavitäten angeordnet, wobei die Induktoren
und Kavitäten
entweder in einer kreisförmigen
Anordnung zu einem Mittelpunkt der Werkzeughälfte mit insbesondere gleichem
Abstand zueinander in mindestens einer der Werkzeughälften angeordnet
sind, oder die integrierten Induktoren und die Kavitäten sind
insbesondere parallel und mit gleichem Abstand zueinander in vorgesehenen
Reihen in unterschiedlichen Bereichen in mindestens einer der Werkzeughälften angeordnet,
wobei die Induktoren zwischen den Kavitäten abgeschirmt zueinander vorgesehen
sind. Der Antrieb der beiden Werkzeughälften erfolgt in vorteilhafter
Weise hydraulisch oder mechanisch.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines Spritzgießwerkzeuges
mit beidseitiger induktiver Erwärmung;
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2 eine
Prinzipskizze des Spritzgießwerkzeuges
mit integrierten Induktoren in der zu erwärmenden Werkzeughälfte;
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3 eine
Prinzipskizze des Spritzgießwerkzeuges
mit integrierten Induktoren in der der zu erwärmenden Werkzeughälfte gegenüberliegenden Werkzeughälfte;
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4 eine
Prinzipskizze des Spritzgießwerkzeuges
mit externen Induktoren;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
mit kreisförmiger
Anordnung mehrerer Kavitäten
und Induktoren in einer Werkzeughälfte;
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6 das
Ausführungsbeispiel
mit kreisförmiger
Anordnung mehrerer Kavitäten
und Induktoren nach einer Verdrehung;
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7 ein
Ausführungsbeispiel
mit reihenförmiger
Anordnung mehrerer Kavitäten
und Induktoren in einer Werkzeughälfte;
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8 das
Ausführungsbeispiel
mit reihenförmiger
Anordnung mehrerer Kavitäten
und Induktoren nach einer Verschiebung.
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In
den 1 bis 4 ist ein Spritzgießwerkzeug
mit Varianten für
eine induktive Erwärmung durch
interne oder externe Induktoren schematisch dargestellt. Das Spritzgießwerkzeug
besteht dabei aus zwei Werkzeughälften 1 und 2,
die eine Kavität 3 bilden.
In dem ersten Ausführungsbeispiel
gemäß 1 sind
in den beiden Werkzeughälften 1 und 2 des
Spritzgießwerkzeuges
in den Wänden 4 und 5 der
Kavität 3 interne
Induktoren 6 und 7 zur beidseitigen induktiven
Werkzeugerwärmung
angeordnet.
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Die 2 und 3 zeigen
Ausführungsbeispiele,
bei denen in jeweils nur einer Werkzeughälfte 1 die internen
Induktoren 6, 7 angeordnet sind. In dem Ausführungsbeispiel
entsprechend 2 sind die Induktoren 6 in
die Wand 4 der Kavität 3 der zu
erwärmenden
Werkzeughälfte 1 integriert.
In dem Ausführungsbeispiel
entsprechend 3 sind die Induktoren 7 dagegen
in die Wand 5 der Kavität 3 der der
zu erwärmenden
Werkzeughälfte 1 gegenüberliegenden
Werkzeughälfte 2 integriert.
Mittels der in die Wände 4 und 5 der
Kavität 3 des
Spritzgießwerkzeuges
integrierten Induktoren 6, 7 ist eine induktive
Erwärmung
von geometrisch begrenzten Bereichen der Wände 4, 5 der
Kavität 3 als
auch eine induktive Erwärmung
der gesamten Wandlänge 4, 5 der
Kavität 3 in
einer der Werkzeughälften 1, 2 vorgesehen.
In dem Ausführungsbeispiel
entsprechend 4 werden die Wände 4 und 5 der
Kavität 3 bei
geöffneter Kavität 3 durch
externe Induktoren 8 erwärmt. Da während der Schließphase des
Spritzgießwerkzeuges
bereits eine Abkühlung
der Wände 4 und 5 der Kavität 3 erfolgt,
muss deshalb bei dieser Variante eine Erwärmung der Wände 4 und 5 der
Kavität 3 auf eine
solche Temperatur erfolgen, dass erst nach vollständiger Befüllung der
Kavität 3 in
den Wänden 4 und 5 die
Erstarrungstemperatur des Kunststoffes unterschritten wird.
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Die 5 und 6 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
des Spritzgießwerkzeuges
mit mehreren Kavitäten 3,
bei denen die Kavitäten 3 und
internen Induktoren 6, 7 kreisförmig zueinander
angeordnet sind, wobei die Induktoren 6, 7 zwischen
den einzelnen Kavitäten 3 abgeschirmt
angeordnet sind. Zur beidseitig gerichteten induktiven Erwärmung geometrisch
begrenzter Bereiche der Wände 4, 5 des
mindestens aus zwei Werkzeughälften 1, 2 bestehenden Spritzgießwerkzeuges,
werden vor einer Befüllung der Kavitäten 3 des
Spritzgießwerkzeuges
die Werkzeughälfte 1 und 2 gegeneinander
verdreht, und zwar in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Werkzeughälfte 2 (Schließseite)
gegenüber
der Werkzeughälfte 1 (Düsenseite),
wobei die beiden Werkzeughälften 1 und 2 durch
Verdrehung einer der beiden Werkzeughälften 1, 2 ihre
Lage so zueinander verändern,
dass immer bei gleichen Abständen
der Induktoren 6, 7 mindestens ein oder mehrere
der miteinander verbundenen Induktoren 6, 7 die
in den Werkzeughälften 1 und 2 gegenüberliegenden
Kavitätshälften 3 erwärmen, und
wobei nach der abgeschlossenen Erwärmung der Kavitäten 3 eine
Rückdrehung
der Werkzeughälfte 2 in
die Ursprungslage erfolgt. Dabei können bei Bedarf die beweglich
zueinander veränderbaren
Werkzeughälften 1, 2 nur
geometrisch begrenzte Bereiche der Wände 4, 5 der
Kavitäten 3 oder
aber die gesamten Wände 4, 5 der
Kavitäten 3 erwärmen. Die
Zentrierung der beiden Werkzeughälften 1, 2 erfolgt über Zentrierdorne 9.
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Die 7 und 8 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
mit einer reihenförmigen
Anordnung von mehreren Kavitäten 3 und
zwischen den Kavitäten 3 vorgesehenen
internen Induktoren 6, 7, die insbesondere parallel
und mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die zur
Erwärmung vorgesehenen
internen Induktoren 6, 7 ebenfalls abgeschirmt
zueinander vorgesehen sind.
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Ein
innerer Einsatz 10 der Werkzeughälfte 2 ist gemäß 8 beweglich
vorgesehen. Durch eine Linearführung 11 kann
der Einsatz 10 gegenüber
der Werkzeughälfte 1 quer
zur Schließrichtung
auf- und abwärts
bewegt werden und seine Lage so verändern, dass immer bei gleichen
Abständen
die einander in den Werkzeughälften 1 und 2 gegenüberliegenden
Kavitäten 3 erwärmt werden.
Nach der abgeschlossenen Erwärmung
der Kavitäten 3 erfolgt
eine Rückbewegung
des Einsatzes 10 der Werkzeughälfte 2 in die Ursprungslage.
Die zu erwärmenden
geometrisch begrenzten Formbereiche, insbesondere die Eindringtiefe
der zu erwärmenden
Randschichten, kann dabei gezielt gesteuert werden. Der Antrieb zur
Verdrehung einer der Werkzeughälften 1, 2 oder zur
Längsbewegung
des in einer der Werkzeughälften
beweglich angeordneten Einsatzes 10 ist hydraulisch oder
mechanisch vorgesehen.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern ist
in der Anordnung Induktoren 6, 7 in den beiden
Werkzeughälften 1, 2 zu
den einzelnen Kavitäten 3 und
in den Bewegungsformen der beiden Werkzeughälften 1, 2 zueinander
variabel.
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- 1
- Werkzeughälfte
- 2
- Werkzeughälfte
- 3
- Kavität
- 4
- Wand
der Kavität
- 5
- Wand
der Kavität
- 6
- integrierter
Induktor
- 7
- integrierter
Induktor
- 8
- externer
Induktor
- 9
- Zentrierdorn
- 10
- Einsatz
in der Werkzeughälfte
- 11
- Linearführung