DE102007010099A1

DE102007010099A1 - Beheizbares Werkzeug

Info

Publication number: DE102007010099A1
Application number: DE102007010099A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bürkle; Marcel Burr; Andreas Dr. Müller
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-04
Also published as: WO2008107265A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beheizbares Werkzeug für eine eine Kunststoff- oder Metallschmelze verarbeitende Vorrichtung, umfassend ein Trägermaterial sowie eine darauf aufgebrachte Heizeinrichtung aus einer elektrisch leitenden Keramik und einer Kavitätsoberfläche, wobei zumindest zwischen dem Trägermaterial und der elektrisch leitenden Keramik eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist. Die Isolationsschicht ist gebildet durch thermische Oxidation, Polymerwerkstoffe oder Abscheidung von elektrisch nicht leitenden Schichten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein beheizbares Werkzeug für eine eine Kunststoff- oder Metallschmelze verarbeitende Formvorrichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2 und 6.
Bei bekannten keramischen Heizelementen (vgl. beispielsweise DE 43 25 606 ) ist der Heizleiter aus einem elektrisch leitenden, gesinterten, keramischen Körper gebildet, welcher mit einem Außenkörper aus einem elektrisch isolierenden, gesinterten, keramischen Material fest verbunden ist. Ein solches Heizelement ist nachträglich nur stark eingeschränkt in seiner geometrischen Form anpassbar bzw. veränderbar. Eine Bearbeitung mit funkenerosiven Verfahren ist aufgrund der elektrischen Isolation nicht möglich.
Formvorrichtungen der eingangs genannten Art, die eine elektrisch leitfähige Keramik als Heizelement aufweisen, sind beispielsweise aus der DE 103 37 685 , der DE 37 12 128 C2 , der DE 199 42 364 C2 sowie der WO 00/54949 bekannt. Bekannt ist es überdies, zwischen der elektrisch leitfähigen Keramik und einem Trägermaterial bzw. einer Kavitätsoberfläche eine elektrische Isolationsschicht zwischenzuschalten. Diese ist notwendig, da ansonsten während des Aufheizvorganges bzw. der Bestromung einer in einem Werkzeug integrierten elektrisch leitfähigen Keramik an der Schnittstelle zwischen Trägermaterial und Keramik, wobei das Trägermaterial meist aus Werkzeugstahl besteht, eine unkontrollierte Ankopplung bzw. ein Abfließen des Heizstromes in das elektrisch leitende Trägermaterial erfolgt.
Die Zwischenschicht soll dabei nicht nur elektrisch isolierend, sondern anwendungsabhängig entweder thermisch gut leitfähig oder thermisch gut isolierend sein. In jedem Fall sollte aber eine Temperaturstabilität von bis zu 800°C und eine große Druckbeständigkeit sichergestellt sein. Überdies ist es hilfreich, wenn die elektrische Isolationsschicht einfach und prozesssicher in das beheizbare Werkzeug integriert werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß drei alternative Lösungsmöglichkeiten vorgeschlagen. Eine erste Lösungsmöglichkeit ist durch eine thermische Oxidation des Keramikmaterials gekennzeichnet. Dies ist insbesondere bei ausgewählten Keramiken wie beispielsweise Si₃N₄/TiN möglich. Dabei bildet sich eine nicht leitfähige Außenhaut auf dem Keramikmaterial. Verfahrensmäßig wird die elektrisch leitfähige Keramik auf Temperaturen im Bereich zwischen 600 und 1200°C gebracht. Um einen Verzug und eine Rissbildung an der Keramik zu vermeiden, sollte die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit unter 5 K/min liegen.
Die thermische Oxidation bietet die Möglichkeit der Bildung einer elektrisch isolierenden Deckschicht mit einer hohen mechanischen und thermischen Stabilität sowie einer weitestgehend gleichbleibenden thermischen Leitfähigkeit.
Eine gute thermische Leitfähigkeit ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Heizelement im Werkzeug unterhalb der Kavitätsfläche integriert ist.
Eine weitere Alternative zur Ausbildung einer elektrischen Isolationsschicht ist beispielsweise durch die Verwendung von thermoplastisch verarbeitbaren Polymeren auf der Basis von Polyimiden (PI), flüssig kristalliner Polymere (LCP), Polyetherketonen (PEK), Polyethersulfonen (PES) sowie durch den Einsatz von Duroplasten möglich. Die vorgenannten Werkstoffe weisen in der Regel eine Temperaturbeständigkeit im Bereich von bis zu 400°C auf und eignen sich dadurch gut für die elektrische Isolation. Dabei sind Materialdicken von unter 0,15 mm ausbildbar, die nicht nur eine hohe Druckbeständigkeit, sondern auch eine gute thermische Leitfähigkeit ermöglichen.
Sollte im Gegensatz eine thermische Isolation durch einen anderen konstruktiven Aufbau des beheizbaren Werkzeugs vonnöten sein, so kann die Schicht, beispielsweise durch Verwendung eines Duroplastwerkstoffes in Form einer dicken Platte ausgebildet sein, die zwischen der elektrisch leitfähigen Keramik und dem Trägermaterial angeordnet ist.
Die thermoplastisch verarbeitbaren Polymere können beispielsweise in Form von Folien vorgesehen sein, die insbesondere selbstklebend ausgebildet sind. Diese werden bereits von verschiedenen Herstellern angeboten. Solche Folien sind hinsichtlich der Foliendicke kalibriert erhältlich, ansonsten können die Thermoplast- bzw. Duroplastwerkstoffe mechanisch bearbeitet und einfach, beispielsweise durch Fräsen oder Schleifen, auf das Endmaß gebracht werden.
Eine weitere Alternative zur Ausbildung einer elektrischen Isolierung ist durch die Abscheidung von bestimmten Schichtwerkstoffen wie Nitriden, Oxiden oder Carbiden gekennzeichnet. Diese können mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren), chemischer Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren), durch Plasmaspritzen oder thermisches Spritzen auf die jeweiligen Flächen aufgebracht werden. Als Nitride sind beispielsweise Siliciumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN), Kohlenstoffnitrid (C₃N₄) verwendbar. Als Oxide kommt beispielsweise Siliciumdioxid (SiO₂) in Betracht. Als Carbide können Borcarbid (B₄C) oder Siliciumcarbid (SiC) verwendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich die Oberflächen eines keramischen Heizelements nachträglich isolieren. Dabei ist eine gezielte Beeinflussung der Stromdichte an den gesinterten, keramischen Heizelementen aufgrund der frei veränderbaren Geometrie des Stromleiters möglich, wodurch eine gezielte Einstellung der Temperaturverteilung an der Heizleiteroberfläche möglich ist.
Überdies ist eine variable Gestaltung und Anpassung des gesinterten, keramischen Heizelements an die durch das Werkzeug bzw. die Form vorgegebene Geometrie möglich.
Beim Einsatz des keramischen Werkstoffs direkt an der Kavitätsoberfläche besteht die Möglichkeit der freien Anpassung der Geometrie des keramischen Sinterwerkstoffs an die Formteilkontur und der Bearbeitung des Werkstoffes mit funkenerosiven Verfahren. Überdies gibt es eine freie Gestaltungsmöglichkeit bei der Einleitung der elektrischen Energie, insbesondere der Position der Anschlussleitungen. Damit ist es möglich, diese Heizelemente auf der Basis eines gesinterten keramischen Werkstoffes als Normalien anzubieten. Diese Normalien können jederzeit mit gängigen, auch in der Industrie verbreiteten funkenerosiven Bearbeitungsverfahren optimal an den vorliegenden Anwendungsfall adaptiert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Formhälfte eines beheizbaren Werkzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Formhälfte eines beheizbaren Werkzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Formhälfte eines beheizbaren Werkzeugs gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
4 eine schematische Schnittansicht durch eine Formhälfte eines beheizbaren Werkzeugs gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Alle in den 1 bis 4 dargestellten Vorrichtungen sind Werkzeughälften eines beheizbaren Werkzeugs. Diese Werkzeughälften wirken mit einem – nicht dargestellten – weiteren Teil eines Werkzeugs zusammen. Diese beiden Werkzeughälften sind in der Regel an Aufspannplatten einer Schließeinheit für Spritzgießmaschinen angeordnet. Solche Schließeinheiten sind hinlänglich bekannt und müssen vorliegend nicht näher erläutert werden. Insofern wird nur auf den erfindungsgemäßen Gegenstand eingegangen.
In 1 ist eine Ausführungsform einer Werkzeughälfte dargestellt, bei der ein Werkzeugträger 12.1 vorgesehen ist, der Kühlkanäle 20.1 aufweist, durch die ein Temperierfluid, beispielsweise ein Kühlfluid hindurchgeleitet werden kann. Auf dem Werkzeugträger ist eine elektrisch leitfähige Keramik 16.1 im Wesentlichen über die gesamte Breite des Werkzeugträgers in Form einer Schicht angeordnet. Die elektrisch leitfähige Keramik 16.1 ist vollflächig von einer elektrischen Isolationsschicht 18.1 umgeben, die lediglich an der Position der elektrischen Anschlüsse fehlt. Auf dem Werkzeugträger 12.1 bzw. der elektrisch leitfähigen Keramik 16.1 ist ein weiteres Werkzeugelement in Form einer Kavitätsseite 14.1 aufgebracht, und zwar derart, dass die elektrisch leitfähige Keramik 16.1 sandwichartig zwischen dem Werkzeugträger 12.1 und der Kavitätsschicht 14.1 eingeschlossen ist.
Über Ausnehmungen (z. B. Bohrungen) im Werkzeugträger 12.1 sind zwei elektrische Anschlussleitungen 22.1 an die elektrisch leitfähige Keramik 16.1 herangeführt und dort an den Stellen, an denen die elektrische Isolationsschicht 18.1 weggelassen ist, kontaktiert.
Aufgrund der Isolationsschicht ist eine Einleitung des Heizstromes in den aus Werkzeugstahl bestehenden Werkzeugträger 12.1 unterbunden. Die elektrische Isolationsschicht ist durch thermische Oxidation erzeugt worden. Dabei wird die elektrisch leitfähige Keramik 16.1 in einem Ofen auf eine Temperatur zwischen 600°C und 1200°C erwärmt, und zwar bei einer Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit von beispielsweise 3 K/Min. Insbesondere sollte die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit weniger als 5 K/min. betragen, da auf diese Art ein Verzug und eine Rissbildung der Keramik vermieden wird. Nachfolgend kann die Keramik zwischen die beiden Schichten, nämlich den Werkzeugträger 12.1 und die Kavitätsschicht 14.1 eingefügt werden.
Aufgrund der thermischen Oxidation ist eine gleichbleibende thermische Leitfähigkeit sichergestellt. Diese gute thermische Leitfähigkeit ist insofern erforderlich, als die elektrisch leitfähige Keramik einerseits die durch die Stromdurchführung erzeugte Wärme an die Kavitätsoberfläche abgeben muss. Andererseits sollte es auch möglich sein, die aufgrund des Kühlfluids durch die Kühlkanäle 20.1 abtransportierte Wärme schnell von der Kavitätsoberfläche zur Kühlung zu bringen. Auch dazu muss eine gute Wärmeleitfähigkeit von den Kühlkanälen über den Werkzeugstahl des Werkzeugträgers 12.1 durch die elektrisch leitfähige Keramik bis zur Kavitätsoberfläche gegeben sein. Wäre die Schicht 18.1 als thermisch isolierende Schicht ausgebildet, würde dies kontraproduktiv sein.
In 2 ist eine andere Ausführungsvariante dargestellt, bei der Kavitätsschicht 14.2 gleichzeitig als elektrisch leitfähige Keramik ausgebildet ist (und auch nachfolgend so bezeichnet wird). Nunmehr ist diese elektrisch leitfähige Keramik vollflächig auf dem Werkzeugträger 20.2 angeordnet. Um die Einleitung von Heizstrom in den wiederum aus Werkzeugstahl bestehenden Werkzeugträger 20.2 zu vermeiden, ist zwischen der elektrisch leitfähigen Keramik 14.2 und dem Werkzeugträger 12.2 eine Isolationsschicht 18.2 angeordnet, die aus einer Folie aus thermoplastischem Polymer besteht. Eine solche wird beispielsweise von der Fa. DuPont angeboten und weist eine Temperaturbeständigkeit bis 400°C auf. Mit einer Materialdicke von unter 0,15 mm weist sie überdies eine gute thermische Leitfähigkeit auf, die auch bei dieser Ausführungsform notwendig ist, um die Wärmeenergie, die aufgrund der Durchleitung von Kühlfluid durch die Kühlkanäle 20.2 entzogen wird, von der Kavitätsoberfläche abtransportieren zu lassen.
Wie auch beim vorherigen Beispiel sind die Anschlussleitungen 22.2 durch Ausnehmungen (z. B. Bohrungen) im Werkzeugträger 12.2 zu der elektrisch leitfähigen Keramik geführt, wobei an den Anschlussstellen die Folie mechanisch entfernt ist.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den 3 und 4 dargestellt, wobei bei beiden dargestellten Ausführungsformen die elektrisch leitfähige Keramik 14.3 und 14.4 gleichzeitig die Kavitätsoberfläche bildet. In beiden Fällen ist in der elektrisch leitfähigen Keramik 14.3 ein Kühlkanal 20.3 und 20.4 ausgebildet, der zur Kühlung dienen kann. In beiden Fällen ist die elektrisch leitfähige Keramik vollflächig auf einem dünnen Werkzeugträger 12.3 und 12.4 angeordnet. Die elektrisch leitfähigen Keramiken sind über Anschlussleitungen 22.3 und 22.4 kontaktiert, die sich wiederum durch den Werkzeugträger 12.3 und 12.4 erstrecken. Der Unterschied zwischen den 3 und 4 besteht darin, dass die Isolationsschicht 18.4 erheblich dicker ausgebildet ist als die Isolationsschicht 18.3.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist dabei beabsichtigt, möglichst keine thermische Energie an den Werkzeugträger 18.4 abzugeben, so dass die Isolationsschicht 18.4 sowohl elektrisch wie auch thermisch isolierend wirkt. Immerhin sind in der elektrisch leitfähigen Keramik die Kühlkanäle 20.4 gleichzeitig integriert, so dass sowohl die Wärmeenergie wie auch die Wärmeabfuhr zu bzw. von der Kavität hin- bzw. weggeleitet werden kann, ohne dass es des thermischen Einflusses des Werkzeugträgers bedarf.

10.1, 10.2, 10.3, 10.4: Werkzeughälfte eines Formwerkzeugs
12.1, 12.2, 12.3, 12.4: Werkzeugbasis und Trägermaterial
14.1, 14.2, 14.3, 14.4: Kavitätsfläche bildende Werkzeughälften-Schicht
16.1: Elektrisch Leitfähige Keramik
18.1, 18.2, 18.3, 18.4: Isolationsschicht
20.1, 20.2, 20.3, 20.4: Kühlkanal
22.1, 22.2, 22.3, 22.4: Elektrische Anschlussleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4325606 [0002]
- DE 10337685 [0003]
- DE 3712128 C2 [0003]
- DE 19942364 C2 [0003]
- WO 00/54949 [0003]

Claims

Beheizbares Werkzeug für eine eine Kunststoff- oder Metallschmelze verarbeitende Formvorrichtung umfassend – ein Trägermaterial sowie – eine darauf aufgebrachte Heizeinrichtung aus einer elektrisch leitenden Keramik und – eine Kavitätsoberfläche, wobei zumindest zwischen dem Trägermaterial und der elektrisch leitenden Keramik eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Isolationsschicht durch thermische Oxidation verzug- und rissfrei gebildet ist.
Beheizbares Werkzeug für eine eine Kunststoff- oder Metallschmelze verarbeitende Vorrichtung umfassend – ein Trägermaterial sowie – eine darauf aufgebrachte Heizeinrichtung aus einer elektrisch leitenden Keramik und – eine Kavitätsoberfläche, wobei zumindest zwischen dem Trägermaterial und der elektrisch leitenden Keramik eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastisch verarbeitbares Polymer als Isolationsschicht verwendet ist.
Beheizbares Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymer auf der Basis von Polyimiden (PI), flüssig kristalliner Polymere (LCP), Polyetherketonen (PEK) oder Polyethersulfonen (PES) verwendet ist.
Beheizbares Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer als Folie, insbesondere als selbstklebende Folie ausgebildet ist.
Beheizbares Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Duroplast als elektrische Isolationsschicht verwendet wird.
Beheizbares Werkzeug für eine eine Kunststoff- oder Metallschmelze verarbeitende Vorrichtung umfassend – ein Trägermaterial sowie – eine darauf aufgebrachte Heizeinrichtung aus einer elektrisch leitenden Keramik und – eine Kavitätsoberfläche, wobei zumindest zwischen dem Trägermaterial und der elektrisch leitenden Keramik eine elektrische Isolationsschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Isolationsschicht durch Abscheidung von Schichtwerkstoffen gebildet ist.
Beheizbares Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch PVD-, CVD-Verfahren, Plasmaspritzen oder thermisches Spritzen hergestellt ist.
Beheizbares Werkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Eigenschaften des Schichtwerkstoffes mit denen der elektrisch leitenden Keramik zumindest teilweise übereinstimmen.
Beheizbares Werkzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht Nitride, Oxide oder Carbide umfasst.
Beheizbares Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine Dicke von weniger als 0,15 mm aufweist.
Beheizbares Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht sowohl elektrisch wie auch thermisch isolierend wirkt.
Beheizbares Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitätsfläche unmittelbar von der elektrisch leitenden Keramik gebildet ist.