DE102008022075A1

DE102008022075A1 - Formwerkzeug und Verfahren zur Herstellung von Kunststoffartikeln

Info

Publication number: DE102008022075A1
Application number: DE102008022075A
Authority: DE
Inventors: Martin Eichlseder; Erwin Dr. Bürkle
Original assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Current assignee: KraussMaffei Technologies GmbH
Priority date: 2008-05-03
Filing date: 2008-05-03
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Kunststoffartikeln mittels für eine variotherme Temperierung ausgelegter Formwerkzeuge. Die Formenteile dieser Formwerkzeuge weisen jeweils eine Kavitätenfläche auf, in der ein oder mehrere Peltier-Elemente zur Temperierung der Kavitätenfläche vorgesehen sind. Die Peltier-Elemente sind sehr nahe an der Kavitätenfläche angeordnet und beispielsweise in einer Keramikschicht eingebettet, die sich auf einem Grundkörper des Formenteils befindet. Die Kavitätenfläche wird von einer Metallschicht auf der Keramikschicht gebildet. Die Peltier-Elemente ermöglichen durch Umpolen der Stromrichtung ein rasches und effizientes Aufheizen und Abkühlen der Kavität. Für die Wärmeabfuhr können hinter den Peltier-Elementen Kühlkanäle vorgesehen sein.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Kunststoffartikeln, wobei ein Kunststoffmaterial in ein Formwerkzeug eingegeben wird und dort zu einem fertigen Kuntstoffartikel ausgeformt wird. Die Erfindung eignet sich für das Spritzgießen von Kunststoffartikeln, bei dem plastifiziertes Kunststoffmaterial in einer Einspritzphase in die Kavität eines Formwerkzeugs eingespritzt wird und in einer Abkühlphase zu dem fertigen Kunststoffartikel ausgeformt wird. Ebenso eignet sich die Erfindung für das Reaktionsgießen, wobei ein reaktionsfähiges Gemisch an Kunststoffmaterial in ein Formwerkzeug eingegeben wird und dort zu einem fertigen Kunststoffartikel ausreagieren kann.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, beim Spritzgießen das Formwerkzeug in einem Herstellungszyklus aufzuheizen und abzukühlen. Damit soll einerseits eine hohe Temperatur des Formwerkzeugs in der Einspritzphase und andererseits eine niedrige Temperatur des Formwerkzeugs in der Abkühlphase erzielt werden. Dieser Wechsel von Aufheizen und Abkühlen eines Formwerkzeugs in einem Zyklus wird auch variotherme Temperierung genannt. In dem Aufsatz „Variotherme Temperierung – Methoden und Einsatzmöglichkeiten" von J. Gießauf, ENGEL Austria GmbH, VDI Fachtagung „Spritzgießen 2008 – Innovation und Produktivität" vom 29.–30. Januar 2008 in Baden-Baden, Deutschland, werden verschiedene Methoden zur variothermen Temperierung und deren Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.
Aus der DE 102 21 558 A1 ist ein für eine variotherme Temperierung geeignetes Formwerkzeug bekannt, wobei zwei räumlich voneinander getrennte Fluidkanalsysteme vorgesehen sind, nämlich ein kavitätennahes Fluidkanalsystem aus einem oder mehreren Kühlkanälen und einem kavitätenfernen Fluidkanalsystem aus ein oder mehreren Heizkanälen. Bei dieserm Formwerkzeug ist es möglich, mittels der Heizkanäle das Formwerkzeug ständig auf einer vergleichsweise hohen Temperatur zu halten und nur impulsartig in der Abkühlphase ein Kühlmedium wie beispielsweise Wasser durch die kavitätennahen Kühlkanäle zu pumpen.
Die bekannten Formwerkzeuge sind nachteilig hinsichtlich des Energieverbrauchs und vergleichsweise träge in der Reaktionszeit, was sich insbesondere bei kurzen Zykluszeiten als nachteilig erweist.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Energieeffizienz und die Reaktionszeit bei der Herstellung von Kuntstoffartikeln mittels Spritzgießen und/oder Reaktionsgießen zu verbessern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mittels eines Formwerkzeugs mit einem Formenteil nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 11. Die abhängigen Ansprüche betreffen Weiterentwicklungen der Erfindung.
Dadurch dass ein oder mehrere Peltier-Elemente zur Temperierung der Kavitätenfläche vorgesehen sind, können durch einfaches Umpolen der Stromrichtung die Peltier-Elemente einmal zum Kühlen der Kavitätenfläche und einmal zum Aufheizen der Kavitätenfläche verwendet werden. Die dazu benötigte Wärmemänge wird dabei immer von einer Seite zur anderen Seite gepumpt. Die Reaktionszeit der Peltier-Elemente ist extrem kurz, d. h. es kann rasch zwischen Kühlen und Heizen hin- und hergeschaltet werden. Dieses schnelle Ansprechverhalten ermöglicht zudem eine gute und rasche Temperaturregelung an der Kavitätenoberfläche.
Ein Formenelement kann einen schichtartigen Aufbau aufweisen, wobei sich auf einer Grundplatte eine Schicht mit den Peltier-Elementen befindet, die sehr nahe an der Kavitätenfläche angeordnet sind. Diese Schicht kann auch als Kavitätenplatte bezeichnet werden. Die Kavitätenplatte kann ihrerseits einen Schichtaufbau mit einer Keramikschicht und einer Metallschicht aufweisen, wobei die Keramikschicht der Grundplatte und die Metallschicht der Kavitätenfläche zugewandt ist und eine Kavitätenfläche bildet. Die Kavitätenfläche kann aber auch unmittelbar von der Keramikschicht gebildet werden, d. h. gegebenenfalls kann auf die Metallschicht auch verzichtet werden. Die Peltier-Elemente sind in der elektrisch isolierenden Keramikschicht angeordnet und insbesondere in diese eingebettet. In dem Bereich zwischen den Peliter-Elementen kann ansstelle von Keramikmaterial auch ein elastisches elektrisch isolierendes Material vorgesehen werden. Gegebenenfalls kann der Raum zwischen den Peltier-Elementen aber auch frei bleiben. Es können ein oder mehrere handelsübliche Peltier-Elemente verwendet werden und/oder es können eine Vielzahl von einzelnen Peltier-Elementen in der Kavitätenplatte vorgesehen werden. Dabei hat das Keramik eine isolierende Aufgabe und die Metallschicht hat die Aufgabe der leichteren Bearbeitung der Kavitätenoberfläche für die Fertigbearbeitung. Weiter sind alle bekannten Oberflächenbeschichtungstechniken wie beispielsweise das Sputtern von Verschleißschutzschichten denkbar.
Ein einzelnes Peltier-Element besteht aus zwei kleinen zum Beispiel quader- oder würfelförmigen Stücken, wobei eines aus einem p- und das andere aus einem n-dotiertem Halbleitermaterial besteht, die auf einer Seite durch eine Metallbrücke miteinander verbunden sind. In handelsüblichen Peltier-Elementen sind eine Vielzahl solcher einzelner Peltier-Elemente in Reihe geschaltet, wobei die p- und n-dotierten Halbleiterstücke abwechselnd auf verschiedenen Seiten, zum Beispiel oben und unten, durch Kontaktbrücken miteinander verbunden sind, so dass der zugeführte Strom alle Stücke nacheinander durchfließt. Bei den Kontaktbrücken könnte es sich zum Beispiel um metallische Kontaktbrücken handeln. Nachfolgend soll unter einem Peltier-Element ein zuvor genanntes einzelnes funktionsfähiges Peltier-Element verstanden werden, d. h. die kleinste Einheit zur Erzeugung des Peltier-Effekts.
Bei Verwendung einzelner Peltier-Elemente kann eine Vielzahl der Peltier-Elemente hintereinander in Reihe geschaltet zu einer Kette von Peltier-Elementen zusammengestellt werden. Durch die enge Anordnung der Peltierelemente wird eine sehr homogene Oberflächentemperatur erreicht. Eine oder mehrere derartiger Ketten können in einer Ebene parallel zur Kavitätenfläche vorgesehen werden, beispielsweise in einer Keramikschicht eingebettet. Die Peltier-Elemente können aber auch auf einer Art Matte oder Trägerfolie befestigt und in geeigneter Weise in Reihe geschaltet sein. Aus einer oder mehreren Reihen von Peltier-Elementen können Blöcke von Peltier-Elementen gebildet werden, die unabhängig voneinander betrieben werden können.
Die Anbringung der einzelnen Peltier-Elemente bzw. die Ketten oder Matten von Peltier-Elementen auf einer Grundplatte des Formenteils kann in einfacher Weise erfolgen. Auf der Grundplatte wird zunächst Kermikmaterial aufgebracht, auf dem die Peltier-Elemente befestigt werden. Mit weiterem Keramikmaterial oder elastischem Isoliermaterial werden die Zwischenräume zwischen den Peltier-Elementen aufgefüllt und diese mit einer Schicht aus dem Keramikmaterial bedeckt, so dass eine Keramikschicht mit eingebetteten Peltier-Elementen vorliegt. Die Zwischenräume können aber auch frei gelassen werden, wenn die zu erwartenden Werkzeuginnendrücke, die auf die Kavitätenoberfläche und damit auf die obere Keramikschicht drücken, dies zulassen. Auf die Keramikschicht wird zur einfacheren Bearbeitung der Kaviätenfläche noch eine dünne Metallschicht aufgebracht, die auf ihrer der Keramikschicht abgewandten Seite die Kavitätenfläche bildet.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die von den Peltier-Elementen von der Kavität abgeführte Wärme duch ein Kühlfluid, beispielsweise Kühlwasser, rasch abgeführt. Wenn die Peltier-Elemente im Heizbetrieb betrieben werden, um beispielsweise die Kavitätenfläche aufzuheizen, kann auch ein Heizfluid als Unterstützungsmaßnahme vorgesehen werden. Hierzu können zwischen der Grundplatte und der Kermikschicht mit den Peltier-Elementen eine oder mehrere Platten vorgesehen werden, in die Kanäle eingebracht sind, die von einem Temperiermedium durchströmbar sind. Als Temperiermemedium können beispielsweise Wasser, Öl oder Dampf vorgesehen werden. In einer ersten Ausführungsform ist eine Platte mit Temperierkanälen zwischen der Grundplatte und der Schicht mit den Peltier-Elementen vorgesehen. Gegebenfalls kann eine weitere Platte dahinter angeordnet werden, die Kanäle für ein Heizmedium aufweist.
Mittels der Peltier-Temperierung und gegebenenfalls der zusätzlichen Fluidtempererierung können auf effektive Weise hohe Temperaturen in der Kavität des Formwerkzeugs und dadurch niedrigere Werkzeuginnendrücke erzielt werden, was geringere Schließkräfte und damit auch kleinere Spritzgießmaschinen ermöglicht.
Nachfolgend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
1 partieller Schnitt durch ein geschlossenes Formwerkzeug mit zwei Formenteilen gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 partieller Schnitt durch ein Formenteil gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 partieller Schnitt durch ein Formenteil gemäß einer dritten Ausführungsform;
4 partieller Schnitt durch ein Formenteil gemäß einer vierten Ausführungsform;
5 partieller Schnitt durch ein Formenteil gemäß einer fünften Ausführungsform;
6 partieller Schnitt durch ein Formenteil gemäß einer sechsten Ausführungsform;
7 partieller Schnitt durch ein Formenteil gemäß einer siebten Ausführungsform;
8 Draufsicht auf eine Kavitätenfläche
Gemäß 1 weist ein Formwerkzeug 1 zwei Formenteile 2 und 3 auf, beispielsweise zwei Formhälften, die in geschlossenem Zustand eine Kavität 4 bilden. In jedem der Formenteile 2 und 3 sind in der Nähe der Kavitätenfläche 5 Peltier-Elemente 6 angeordnet, die in geeigneter Weise verdrahtet und mit einer passenden Stromquelle verbunden sind. Die Peltier-Elemente sind im dargestellten Beispiel in eine Keramikschicht 7 auf einer Grundplatte 8 eingebettet. Sie können aber auch unmittelbar auf der der Kavität 4 zugewandte Oberfläche der Grundplatte 8 befestigt werden. Auf der Keramikschicht 7 befindet sich eine Metallschicht 9, deren der Kavität 4 zugewandte Oberfläche gleichzeitig die Kavitätenfläche 5 bildet. Die Keramikschicht 7 und die Metallschicht 9 bilden zusammen eine Kavitätenplatte 17. Die Peltier-Elemente 6 können handelsübliche Peltier-Elemente sein, die aus einer Vielzahl von einzelnen Peltier-Elementen aufgebaut sind. Es können aber auch einzelne Peltier-Elemente direkt zwischen der Grundplatte 8 und der Kavitätenfläche 5 vorgesehen werden, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit der 4 erläutert wird.
Die 2 zeigt eine Weiterbildung eines Formenteils, wobei zwischen der Grundplatte 8 und der Keramikschicht 7 eine von einem Temperiermedium durchströmbare weitere Platte 10 vorgesehen ist. Mittels Befestigungsmittel 14 kann das Formenteil 2 bzw. 3 an einer Formaufspannplatte einer Spritzgießmaschine befestigt werden. In der Platte 10 sind eine Vielzahl von Kanälen 11 angeordnet, die von einem Temperiermedium durchströmt werden kann. Die Kanäle 11 können von einem einzigen Kühlkanal gebildet werden, der in engen Abständen mäandernd, d. h. serpentinenförmig, in einer Ebene in die Platte 10 eingebracht worden ist. Die Kanäle 11 können aber auch von mehreren einzelnen Kühlkanälen gebildet werden, die in geringem Abstand voneinander in der Platte 10 angeordnet sind und beispielsweise außerhalb der Platte 10 an eine oder mehrere Sammelleitungen angeschlossen sein können. Wenn durch diese Kanäle 11 ein Temperiermedium in Form von Kühlwasser durchgeleitet wird, d. h. wenn man die warme Seite des Peltier-Elements kühlt, so kann die Kavitätenfläche 5 stärker und effizienter abgekühlt werden. Durch Umpolung der Peltier-Elemente können die warme Seite und die kalte Seite miteinander vertauscht werden, d. h. nach Beendigung des Abkühlvorgangs kann durch Umpolung der Peltier-Elemente der Kavitätenfläche Wärme zugeführt werden, um diese für einen nächsten Einspritzvorgang aufzuheizen. Dieser Heizvorgang kann unterstützt werden, wenn in den Kanälen 11 die Zufuhr von Kühlwasser unterbrochen wird oder auf heißes Wasser umgeschaltet wird, d. h. wenn die Kanäle 11 von einem Heizfluid durchströmt werden.
Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform ist eine zusätzliche Platte 12 zwischen der Grundplatte 8 und der Platte 10 vorgesehen, die mit Heizkanälen 13 ausgestattet ist. Die Heizkanäle 13 können in gleicher Weise in der Platte 12 eingearbeitet sein wie die Kühlkanäle 11 in der Platte 10. Mittels der Heizkanäle 13 kann das Formenteil 2 oder 3 bzw. das Formwerkzeug 1 immer auf einer gewünschten hohen Temperatur gehalten werden. Für das Einspritzen brauchen die Peltier-Elemente dann nur bei einer geringeren Temperaturdifferenz betrieben zu werden, was sich positiv auf den Stromverbrauch und insgesamt die Energiebilanz auswirkt. Nach Beendigung des Einspritzens, d. h. zum Abkühlen der Kavitätenflächen 5, werden zum einen die Peltier-Elemente umgepolt, um Wärme von den Kavitätenflächen abzutransportieren und zum anderen wird während der Kühlzeit eine Kühlflüssigkeit durch die Kanäle 11 gepumpt. Durch geschicktes Abstimmen der Temperaturen der Medien und der deren Durchlussrate in den Heiz- und Kühlkanälen auf die Peltier-Elemente und deren Betrieb kann das Formenteil bzw. das Formwerkzeug sehr effizient im Energieverbrauch betrieben werden und es können sehr kurze Zyklen gefahren werden.
4 zeigt in stark vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus einem Formenteil, bei dem in Abwandlung zu den oben beschriebenen Beispielen anstelle handelsüblicher Peltier-Elemente 6 einzelne Peltier-Elemente 15 vorgesehen sind, die einen Block 15a aus einem p-Halbleitermaterial und einen Block 15b aus einem n-Halbleitermaterial aufweisen, wobei die beiden Blöcke 15a und 15b über eine Kontaktbrücke 16 miteinander verbunden sind. Eine Vielzahl derartiger Peltier-Elemente sind zwischen der Kavitätenfläche 5 und der Grundplatte 8 angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet. Eine oder mehrer derartiger Ketten von Peltier-Elementen 15 können in beliebiger Art und Weise in einer Ebene parallel zur Kavitätenfläche 5 verlegt sein, beispielsweise serpentinenförmig oder spiralförmig. Es können aber auch mehrere einzelne Peltier-Heiz-/Kühlkreisläufe vorgsehen werden. Die Herstellung derartiger Formenteile kann wie folgt erfolgen. Auf die metallische Oberfläche der Grundplatte 8 wird mittels Flammspritzen oder anderer geeigneter Verfahren wie zum Beispiel das sogenannte Rapid Prototyping eine erste Schicht an Keramikmaterial aufgetragen. Anschließend können die Peltier-Elemente 15 bzw. eine oder mehrere Ketten von Peltier-Elementen 15 mit der Keramikschicht verlötet werden. Danach kann weiteres Keramikmaterial auf die Peltier-Elemente 15 und in die Zwischenräume zwischen die Blöcke 15a und 15b gespritzt werden, wobei die Zwischenräume mit dem Keramikmaterial gefüllt werden, was sich positiv auf einen stabilen Sitz der Blöcke 15a und 15b und damit der Peltier-Elemente 15 auswirkt. Im Ergebnis liegt nun auf der Grundplatte 8 eine Kermikschicht 7 vor, in die Peltier-Elemente 15 eingebettet sind. Als letzte Schicht wird eine Metallschicht 9 in geeigneter Weise aufgetragen, die vergleichsweise dünn sein kann und beispielweise eine Dicke von wenigen Millimetern oder gar nur Zehntel-Millimeters aufweisen kann. Damit kommen die Peltier-Elemente 15 sehr nahe an die Kavitätenfläche 5 heran, was sich positiv auf die Effizienz und die Schnelligkeit der Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr auswirkt.
Die Ausführungsformen mit den Kühlkanälen 11 und/oder den Heizkanälen 13, wie sie in den 2 und 3 dargestellt sind, können auch für die Ausführungsform gemäß der 4 vorgesehen werden, d. h. zwischen der Kermikschicht 7 und der Grundplatte 8 können eine weitere Platte 10 mit Kanälen 11 und/oder eine weitere Platte 12 mit Kanälen 13 vorgesehen werden.
5 zeigt in stark vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus einem Formenteil gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei die Kavitätenfläche 5 unmittelbar von der Keramikschicht 7 gebildet wird. Auf die Metallschicht ist in diesem Fall verzichtet worden. Hinter der Kermikschicht können in dem Grundkörper 8 bzw. in geeigneten Schichten oder Platten zum Durchleiten eines fluiden Temperiermediums ein oder mehrere Kanäle 11, 13 in verschiedenster Ausgestaltung und Anordnung vorgesehen werden. Das etwaige Vorhandensein derartiger Kanäle ist in der 5 nur angedeutet.
6 zeigt in stark vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus einem Formenteil gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei zwischen dem Grundkörper 8 und der Keramikschicht 7 eine Schicht mit Kanälen 11 vorgesehen ist, wobei die Kanäle durch in geeigneter Weise voneinander beabstandete Stege 18 zwischen dem Grundkörper 8 und der Keramikschicht 7 gebildet werden. Diese Stege 18 können beispielsweise mittels des sogenannten Lasercusings oder einer vergleichbaren Technik auf den Grundkörper 8 aufgetragen werden. Es ist aber auch denkbar, die Kanäle 11 in die Oberfläche des Grundkörpers 8 einzuarbeiten, indem an diesen Stellen Material des Grundkörpers 8 abgetragen wird, so dass dazwischen die Stege 18 stehen bleiben.
Bei der in der 7 gezeigten Ausführungsform ist zwischen der Grundplatte 8 und der Keramikschicht 7 eine temperierbare Platte 19 angeordnet, bei der in den sich gegenüberliegenden Oberlächen Nuten eingearbeitet worden sind. Dadurch ergeben sich Kanäle 11 und 13, die zur Oberfläche der Platte 19 offen sind und dort von der Grundplatte 8 und der Keramikschicht 7 abgedeckt werden. Bei den Kanälen 13 wird also eine Wand 20 von der Grundplatte 8 und bei den Kanälen 11 eine Wand 21 von der Keramikschicht 7 gebildet.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 6 und 7 kann das durch die Kanäle 11 geleitete Temperierfluid – im Unterschied zu den 2 und 3 – in unmittelbaren Kontakt mit der Keramikschicht treten, was den Wärmeaustausch mit dieser Schicht und damit mit den Peltier-Elementen verbessert.
Wie in 8 schematisch dargetellt ist, können mehrere Peltier-Elemente 15 zu Peltier-Reihen 24, 25 oder Peltier-Blöcken 22, 23 zusammengefasst werden, so dass einer Kavitätenfläche 5 meherere Peltier-Reihen oder -blöcke mit jeweils separater Stromversorgung zugeordnet werden können. In einem Peltier-Block 23 kann beispielsweise eine serpentinenförmig angeordente Reihe 25 vorgesehen werden. Die Peltier-Elemente 15 können aber auch in anderer Weise zu einem Peltier-Block zusammengeschaltet werden. Somit können verschiedene Bereiche der Kavitätenfläche unterschiedlich und unabhängig voneinander temperiert werden. Dies kann beispielsweise bei Kunststoff-Artikeln mit unterschiedlicher Wandstärke sinnvoll sein, um den Bereich der geringeren Wandstärke länger beheizen zu können als den Bereich mit der größeren Wandstärke, um ein zu frühes Abkühlen und Erstarren im Bereich der geringen Wandstärke zu vermeiden. Zusätzlich können zyklusbegrenzende Bereiche im Formenteil bzw. im Angußbereich oder in Nebenkavitäten besser optimiert werden. Durch einzelne Fluidkreisläufe der Barrierekühlung kann in Kombination mit den Peltier-Elementen die Flexibilität der variothermen Prozessführung örtlich noch erhöht werden.
Ein typischer Zyklus für die Herstellung eines Kunststoff-Artikels unter Einsatz eines Formwerkzeugs mit erfindungsgemäßen Formenteilen läuft wie folgt ab, wobei von einem Zeitpunkt ausgegangen wird, zu dem der Kunststoffartikel gerade ausgeformt ist und die Formhälften aufgefahren sind. Parallel zur Entnahme oder zum Ausstossen des Kunststoffartikels oder beim Schließen des Werkzeugs werden die Kavitätenflächen 5 aufgeheizt. Nach dem Einspritzen wird unter Berücksichtigung der Qualität des Kunststoffartikels durch Umpolung der Peltier-Elemente die Kühlung der Kavitätenflächen eingeschaltet. Die von den Kavitätenflächen abgeführte Wärmeenergie wird vorzugsweise über die wassergekühlten Kühlkanäle 11 abgeführt. Nach Erreichen der Entformungstemperatur wird das Formwerkzeug geöffnet und durch Umpolen der Peltier-Elemente die Kavitätenfläche 5 wieder hochgeheizt. Während der Heizphase ist der Betrieb der Kühlkanäle 11 vorzugsweise unterbrochen.
Die Erfindung eignet sich für alle Anwendungen von Kunststoff-Formwerkzeugen im Zusammenhang mit einer variothermen Temperierung des Formwerkzeugs. Es können Temperaturunterschiede zwischen der kalten und der warmen Seite des Peltierelements von bis zu 100°C erzeugt werden. Da beim Einbringen des Kunststoffmaterials in das Formwerkzeug rasch eine hohe Temperatur der Kavitätenflächen erzeugt werden kann, weisen die Kunststoff-Artikel eine hohe Oberflächengüte auf. Es kann mit sehr kurzen Kühlzeiten gearbeitet werden, da die Peltier-Elemente sehr nahe an der Kavitätenfäche positioniert sind und damit ein rascher und effektiver Wärmetransport erfolgen kann. Die Kühlleistung und die Heizleistung können über die Zeit variiert werden und auch in der Leistung, was völlig neue Verfahrensabläufe ermöglicht, die insbesondere für zukünftige Kunststoff-Materialien von Bedeutung sein können.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen von Formenteilen können je nach Anwendungsfall auch miteinander kombiniert werden. In einem Formwerkzeug kann beispielsweise ein Formenteil 2 in der Ausführungsform gemäß 2 mit einem Formenteil in der Ausführungsform gemäß der 3 miteinander kombiniert werden. Ebenso können Formenteile mit Peltier-Elementen in der Ausführungsform gemäß der 4 mit Formenteilen mit Peltier-Elementen in der Ausführungsform gemäß der 1 zu einem Formwerkzeug zusammengebracht werden. Es ist auch möglich, wie in 4 dargestellt, vollständig ohne Wasserkühlkreisläufe zu arbeiten; die über den Kunststoff eingebrachte Wärmeenergie wird dabei über das Werkzeug abgestraht, was mit zusätzlichen Wärmeleitblechen am Werkzeug unterstützt werden kann.
Nachfolgend wird beispielhaft ein Prozess für einen geeigneten Ablauf bei einer Temperierung eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs angegeben. Die verwendeten Begriffe weisen folgende Bedeutung auf:

Peltier-Heizung: = Betrieb der Peltier-Elemente in der Weise, dass der Kavitätenfläche Wärme zugeführt wird.
Peltier-Kühlung: = Betrieb der Peltier-Elemente in der Weise, dass der Kavitätefläche Wärme entzogen wird.
Barriereheizung: = Betrieb von einem oder mehreren Fluidkanälen in der Weise, dass der Kavitätenfläche Wärme zugeführt wird. Dies kann beispielsweise durch Betrieb der kavitätennahen Kühlkanäle 11 mit einem Heizfluid erfolgen.
Barrierekühlung: = Betrieb von einem oder mehreren Fluidkanälen in der Weise, dass der Kavitätenfläche Wärme entzogen wird. Dies kann beispielsweise durch Betrieb der kavitätennahen Kühlkanäle 11 mit einem Kühlfluid erfolgen.

Die kavitätenfernen Heizkanäle 13 können sowohl während der Barrierekühlung als auch während der Barriereheizung in Betrieb sein, d. h. von einem Heizfluid geeigneter Temeratur durchströmt werden.
Der Prozess läuft in folgenden Schritten ab:

1. Start des Schließens des Formwerkzeugs und gleichzeitig Starten der Peltier-Heizung.
2. Start des Einspritzens von Kunststoffmasse, wenn das Formwerkzeug eine geeignete Kavität gebildet hat und Starten der Barrierekühlung.
3. Start des Aufbringens von Nachdruck und Umschalten von Peltier-Heizung auf Peltier-Kühlung.
4. Abkühlenlassen des Formteils unter Fortsetzung von Barrierrekühlung und Peltier-Kühlung.
5. Start des Öffnens des Formwerkzeugs, Abschalten der Peltier-Elemente und Starten der Barriereheizung.
6. Entnahme des fertigen Kunststoffartikels

Das Starten der Peltier-Heizung kann auch zeitversetzt zum Starten des Schließens des Formwerkzeugs erfolgen und zwar – je nach den Anforderungen – eine gewisse Zeit vor oder nach dem Starten des Schließens.
Im Falle der Herstellung von mehrkomponentigen Kunststoffartikeln können geeignete Zwischenschritte vorgesehen werden, wobei das Formwerkzeug ohne Artikelentnahme geöffnet wird und die Kavitätenflächen oder Teile einer Kavitätfläche entsprechend den Anforderungen der weiteren Kunststoffkomponente oder Kunststoffkomponenten mit den Peltierelementen aufgeheizt oder gekühlt wird.
Je nach den Anforderungen des Herstellungsprozesses können eine oder mehrere der Kavitätenflächen ganz oder teilweise mehrmals hintereinander aufgeheizt und gekühlt werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn bei einem mehrkomponentigen Kunststoffartikel eine der Komponenten aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht und eine andere Komponente aus einem vernetzenden oder sonstwie unter Erwärmung ausreagierendem Kunststoffmaterial besteht. In diesem Fall können die beteiligten Peltier-Elemente innerhalb eines Zyklus mehrmals hintereinander von Heizung auf Kühlung und umgekehrt umgepolt werden.
Im Falle der Verwendung von Peltier-Elementen und Fluidkanälen können sich die einzelnen Phasen des Heizens und Kühlens in geeigneter Weise überschneiden, d. h. Barrierekühlung kann sich mit einer Peltier-Heizung überschneiden und eine Barriereheizung mit einer Peltier-Kühlung.
Ferner kann im Falle der Verwendung eines Formwerkzeugs mit Kanälen für ein fluides Temperiermedium auch vorgesehen werden, dass ab einer vorgegebenen Zeit vor dem Umpolen der Peltier-Elemente vom Heizbetrieb auf Kühlbetrieb ein Kühlfluid als Temperiermedium verwendet wird und/oder ab einer vorgegebenen Zeit vor dem Umpolen der Peltier-Elemente vom Kühlbetrieb auf Heizbetrieb ein Heizfluid als Temperiermedium verwendet wird. Im Ergebnis wird also beispielsweise kurz vor dem Umschalten von Kühlbetrieb auf Heizbetrieb der Peltier-Elemente die kalte Seite der Peltier-Elemente mit einem Heizfluid in der Temperatur heraufgesetzt. Dies wirkt sich zwar nachteilig auf die Effizienz der Peltier-Elemente beim Kühlen zum Beispiel des Kunststoff-Artikels aus, hat aber andererseits den Vorteil, dass bei dem kurz darauf folgenden erneuten Aufheizen der Kavitätenfläche, d. h. beim Heizbetrieb, schon eine „erwärmte” Seite zur Verfügung steht, was sich positiv auf die Effizienz der Peltier-Element im Heizbetrieb auswirkt und insgesamt zu einer Reduzierung der Zykluszeit beiträgt. Dies gilt in gleichem Maße auch für den umgekehten Fall unmittelbar vor dem Umschalten von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb.
Ferner können die Formenteile des Formwerkzeugs unabhängig voneinander beheizt und gekühlt werden und zwar sowohl bei reiner Peltier-Heizung und -Kühlung als auch bei zusätzlicher Barrierekühlung und -heizung.

1: Formwerkzeug
2: Formenteil
3: Formenteil
4: Kavität
5: Kavitätenfläche
6: Peltierblock-Element
7: Keramikschicht
8: Grundplatte bzw. Grundkörper
9: Metallschicht
10: Erste Schicht bzw. erste Platte
11: Kühlkanäle
12: Zweite Schicht bzw. zweite Platte
13: Heizkanäle
14: Befestigungsmittel
15: Peltier-Element
15a: p-Halbleitermaterial-Block
15b: n-Halbleitermaterial-Block
16: Kontaktbrücke
17: Kavitätenplatte
18: Steg
19: Temperierbare Schicht bzw. Platte
20: Von der Grundplatte gebildete Wand eines Kanals 13
21: Von der Keramikschicht 7 gebildete Wand eines Kanals 11
22, 23: Peltier-Blöcke
24, 25: Peltier-Reihen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10221558 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Variotherme Temperierung – Methoden und Einsatzmöglichkeiten” von J. Gießauf, ENGEL Austria GmbH, VDI Fachtagung „Spritzgießen 2008 – Innovation und Produktivität” vom 29.–30. Januar 2008 in Baden-Baden, Deutschland [0002]

Claims

Formenteil (2, 3) eines Formwerkzeugs (1) zur Herstellung von Kunststoffartikeln, wobei das Formenteil (2, 3) eine Kavitätenfläche (5) aufweist, und wobei ein oder mehrere Peltier-Elemente (6, 15) zur Temperierung der Kavitätenfläche (5) in dem Formenteil (2, 3) vorgesehen sind.
Formenteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formenteil einen Schichtaufbau aufweist mit einer Grundplatte (8) und einer Kavitätenplatte (17), wobei die Kavitätenplatte (17) eine Kavitätenfläche (5) bildet und wobei die Peltier-Elemente (6, 15) in der Kavitätenplatte (17) angeordnet sind.
Formenteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitätenplatte (17) einen Schichtaufbau mit einer Keramikschicht (7) und einer Metallschicht (9) aufweist, dass die Keramikschicht (7) zwischen der Grundplatte (8) und der Metallschicht (9) angeordnet ist, dass die Metallschicht eine Kavitätenfläche (5) bildet, und dass die Peltier-Elemente (6, 15) in der Keramikschicht (7) angeordnet sind.
Formenteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitätenplatte (17) eine Keramikschicht (7) aufweist, in der die Peltier-Elemente (6, 15) angeordnet sind und dass die Keramikschicht (17) eine Kavitätenfläche (5) bildet.
Formenteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Grundplatte (8) ein oder mehrere Kanäle (11) für ein Temperierfluid vorgesehen sind, die vorzugsweise im Bereich der Kontaktfläche zwischen der Grundplatte (8) und der Kavitätenplatte (17) verlaufen.
Formenteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (8) einen Schichtaufbau aufweist mit einer oder mehreren temperierbaren Schichten (10, 12), wobei in wenigtens einer der Schichten ein oder mehrere Kanäle (11, 13) für ein Temperierfluid vorgesehen sind, und wobei ein oder mehrere Kanäle (11, 13) vorgesehen sind, die an der Keramikschicht (7) liegen und der Keramikschicht zugewandte offene Bereiche aufweisen, derart dass in diesen Bereichen eine Wand (21) der Kanäle (11) von der Keramikschicht gebildet ist.
Formenteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Grundplatte (8) sowohl ein oder mehrere Heizkanäle (13) als auch ein oder mehrere Kühlkanäle (11) vorgesehen sind, wobei der oder die Heizkanäle (13) von dem oder den Kühlkanälen (11) getrennt ausgebildet sind, und wobei der oder die Kühlkanäle (11) näher an den Peltier-Elementen (6, 15) angeordnet ist/sind als der oder die Heizkanäle (13).
Formenteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Peltier-Elemente (6, 15) jeweils zu einer Reihe oder einem Block von Peltier-Elementen zusammengeschaltet sind, dass mehrere derartiger Reihen und/oder Blöcke zur Temperierung der Kavitätenfläche (5) vorgesehen sind, wobei jeder Reihe bzw. jedem Block ein bestimmter Bereich der Kavitätenfläche (5) zugeordnet ist, und dass die Reihen bzw. Blöcke unabhängig voneinander betrieben werden können, so dass die den jeweiligen Reihen bzw. Blöcken zugeordneten Bereiche der Kavitätefläche (5) unabhängig voneinander temperierbar sind.
Formwerkzeug (1) mit mindestens einem Formenteil (2, 3) nach einem der voranstehenden Ansprüche, und einer elektrischen Stromversorgung für die Peltier-Elemente sowie einer Heiz- und/oder einer Kühleinrichtung bei Vorhandensein von Heiz- und/oder Kühlkanälen.
Spritzgieß- oder Reaktionsgießmaschine mit einem Formwerkzeug nach Anspruch 9.
Verfahren zum Herstellen von Kunststoffartikeln mit einem Formwerkzeug nach Anspruch 10, wobei die Kavitätenfläche (5) mittels der Peltier-Elemente (6, 15) abwechselnd geheizt und gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 mit den Schritten: a) Zufahren des Formwerkzeugs und Aufheizen der Kavitätenfläche (5) mittels entsprechend gepolter Peltier-Elemente (6, 15); b) Einspritzen von Kunststoffmaterial in das Formwerkzeug, wobei die Kavitätenfläche (5) mittels entsprechend gepolter Peltier-Elemente (6, 15) gegebenenfalls weiter aufgeheizt wird, c) Kühlung der Kavitätenfläche (5) mittels entsprechend gepolter Peltier-Elemente (6, 15), d) Öffnen des Formwerkzeugs und Entnahme des fertigen Kunststoffartikels.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) die Kavitätenfläche (5) mittels entsprechend gepolter Peltier-Elemente aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein Formwerkzeug mit Kanälen für ein fluides Temperiermedium verwendet wird, wobei ab einer vorgegebenen Zeit vor dem Umpolen der Peltier-Elemente von Heizbetrieb auf Kühlbetrieb ein Kühlfluid als Temperiermedium verwendet wird und/oder wobei ab einer vorgegebenen Zeit vor dem Umpolen der Peltier-Elemente von Kühlbetrieb auf Heizbetrieb ein Heizfluid als Temperiermedium verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Formwerkzeug (1) zwei Formenteile (2, 3) aufweist, wobei die Formenteile (2, 3) in voneinander unterschiedlicher Weise temperiert werden, wobei die Peltier-Elemente (6, 15) des einen Formenteils (2) mit einer anderen Spannung betrieben werden als die Peltier-Elemente (6, 15) des anderen Formenteils (3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, wobei in wenigstens einem Formenteil mehrere voneinander unabhängig betreibbare Reihen oder Blöcke von Peltier-Elementen vorgesehen sind und derart unabhängig voneinander betrieben werden, dass die den Reihen und/oder Blöcken zugeordneten Bereiche der Kavitätenfläche auf unterschiedliche Temperaturen temperiert werden.
Verwendung von ein oder mehreren Peltier-Elementen zur variothermen Temperierung von Formenteilen eines Formwerkzeugs zur Herstellung von Kunststoffartikeln.
Verfahren zur Herstellung eines für eine variotherme Temperierung geeigneten Formenteils, mit folgenden Schritten: a) Aufbringen von Keramikmaterial auf eine Grundplatte oder einen Grundkörper des Formenteils, b) Befestigen von Peltier-Elementen auf dem Keramikmaterial, c) Aufbringen von weiterem Keramikmaterial auf die Peltier-Elemente bis eine Keramikschicht mit eingebetteten Peltier-Elementen ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich zwischen den Peltier-Elementen Freiräume gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Kermikmaterial und/oder ein elastisches elektrisch isolierendes Material zwischen die Peltier-Elemente eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht als Kavitätenfläche ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 20, dadurch gekennzeichnet, eine Metallschicht auf die Keramikschicht aufgebracht wird und dass die Metallschicht als Kavitätenfläche ausgebildet wird.