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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine Spritzgießmaschine,
umfassend einen Werkzeugeinsatz, wobei der Werkzeugeinsatz eine
Kavität zur Aufnahme von Kunststoffschmelze in einem zwischen
Formaufspannplatten aufspannbaren Formwerkzeug mitbildet, eine Transportvorrichtung für
den Werkzeugeinsatz und eine Heizvorrichtung für den Werkzeugeinsatz.
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Generell
besteht das Formwerkzeug einer Spritzgießmaschine üblicherweise
aus zwei Werkzeughälften, die den Formhohlraum (Kavität)
beinhalten. Die Formhohlraum bildenden Flächen können auch
in Einsätzen, die in die Werkzeughälften montiert
sind, enthalten sein. Die Werkzeughälften und/oder die
Einsätze werden je nach verarbeitetem Kunststoff gekühlt
oder temperiert. Ein Formwerkzeug für eine Spritzgießmaschine
wird dynamisch („variotherm") temperiert, wobei in jedem
Zyklus vor dem Einspritzen ein Aufheizen der Oberfläche
auf eine Temperatur vorzugsweise zwischen Glasübergangs-
bzw. Schmelztemperatur und Massetemperatur des Kunststoffs erfolgt.
Nach erfolgtem Aufheizen wird wieder gekühlt. Idealerweise
wird nur die Oberfläche der Kavität erwärmt,
die mit der Schmelze in Berührung kommt. Je geringer die
zu erwärmenden Massen sind, desto wirtschaftlicher und
energieeffizienter kann die dynamische Temperierung durchgeführt
werden.
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Vom
Anmelder wurde bereits eine Lösung vorgestellt, bei der
die Kavität in einem dünnen, mittels Federn abhebenden
Einsatz eingebracht ist. Das Beheizen erfolgt extern über
Infrarot-Strahler. Während dem Heizen wird diese dünne
Platte vom gekühlten Formkörper abgehoben, somit
wird nur eine kleine Masse erwärmt. Der durch das Abheben
entstandene Luftspalt dient als Isolator zum gekühlten Werkzeug.
Dies wirkt sich sowohl auf die Heizzeit als auch auf die Kühlzeit
günstig aus.
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Ein ähnliches
Verfahren ist in der koreanischen Patentanmeldung (
WO 2006/112571 ) dargestellt. Hierbei
wird ebenfalls ein Werkzeugeinsatz abgehoben, dieser wird im Gegensatz
zu unserer oben angeführten Anmeldung allerdings durch
eine im Einsatz integrierte Heizvorrichtung erwärmt. Die
zu erwärmende Masse wird dadurch auf ein Minimum reduziert.
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Bei
beiden angesprochenen Verfahren kann die benötigte Heizzeit
gegebenenfalls zu einer Zykluszeitverlängerung führen.
Im ersten Falle steht eigentlich nur die zur Teilentnahme benötigte
Zeit zum Erwärmen zur Verfügung, im zweiten Falle
zusätzlich auch die Zeit während des Formöffnens
und -schließens sowie während des Schließkraftaufbaus.
Geht die benötigte Heizzeit darüber hinaus, kommt
es allerdings in beiden Fällen zu einer Verlängerung
der Zykluszeit. Dieser Problematik könnte mit der Entwicklung
entsprechend schneller Heizverfahren entgegnet werden. Es hat sich
jedoch gezeigt, dass besonders schnelles Aufheizen oft mit schlechter
Reproduzierbarkeit der erreichten Temperatur einhergeht.
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Vom
Anmelder wurden diese Schwierigkeiten für allgemeine externe
Heizgeräte sowie im speziellen für IR-Strahler
durch doppelte Ausführung des zu erwärmenden Einsatzes
gelöst. Diese werden drehbar ausgeführt (z. B.
Indexplattenverfahren, Drehtisch). Jeweils einer der Einsätze
befindet sich im Werkzeugbereich bzw. in einer externen Heizstation.
Dadurch kann der Heizvorgang zeitgleich mit dem Einspritzvorgang
stattfinden. Durch die Beschränkung auf externe Heizvorrichtungen
entstehen aber auch hier gewisse Nachteile. Die Zeit die zum Drehen
der Vorrichtung benötigt wird steht beispielsweise nicht
zum Heizen zur Verfügung, was gerade bei besonders kurzen
Zyklen eine Verlängerung der Zykluszeit bedeuten kann.
Da sofort nach dem Verlassen der Heizstation der Einsatz beginnt
abzukühlen, muss außerdem auf eine etwas höhere
Temperatur geheizt werden um zum Zeitpunkt des Einspritzens die
gewünschte Temperatur zu erhalten. Überhaupt ist
nach dem Verlassen der externen Heizstation generell keine Steuerung
bzw. Regelung der Temperatur des Einsatzes mehr möglich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden
und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Werkzeugeinsatz über die Transportvorrichtung
aus dem Bereich des Formwerkzeuges bewegbar ist und dieser Werkzeugeinsatz
eine integrierte Heizvorrichtung aufweist.
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Vorteilhaft
kann dabei vorgesehen sein, dass die Transportvorrichtung den Werkzeugeinsatz
aus dem Bereich des Formwerkzeuges hebt, dreht, schwenkt oder translatorisch
bewegt.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich dabei herausgestellt, wenn mindestens
zwei im Wesentlichen identische, eine integrierte Heizvorrichtung
aufweisende, Werkzeugeinsätze über die Transportvorrichtung
abwechselnd bzw. nacheinander zwischen den Formwerkzeugen anordenbar
sind.
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Der
zu erwärmende Einsatz wird hierbei doppelt bzw. mehrfach
ausgeführt und mit aus dem Mehrkomponenten-Spritzguss bekannten
Methoden (z. B. Indexplattenverfahren, Drehtisch) aus dem Werkzeug-Bereich
bewegt. Im Gegensatz zur im Stand der Technik angeführten
Lösung befindet sich die Heizvorrichtung allerdings integriert
im Werkzeugeinsatz. Der Heizvorgang findet hier einerseits außerhalb
des Werkzeugs parallel zum Spritzgießvorgang statt, andererseits
kann zusätzlich auch die Zeit während des Formöffnens
und -schließens sowie während der Drehbewegungen
zum Heizen genutzt werden. Für kurze Zyklen ist damit eine
weitere Reduzierung der Zykluszeit denkbar. Darüber hinaus
ist eine Heizung bzw. eine Regelung der Temperatur auch während
Einspritz- bzw. Nachdruckphase möglich. Zusätzlich
kann die Zeit während der Drehbewegungen zum Heizen benutzt
werden, was bei besonders schnellen Zyklen zu einer weiteren Zykluszeitreduzierung
führen kann.
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Bezüglich
des Drehtisches sei angemerkt, dass der Drehtisch nur die Drehbewegung,
und nicht den Hub durchführt. Für die Hubbewegung
kann ein zusätzlicher Antrieb, im einfachsten Fall Federn
vorgesehen sein.
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Auch
bei geschlossenem Formwerkzeug kann prinzipiell weiterhin ein Heizvorgang
stattfinden. Der Hauptanteil der Heizphase kann allerdings bevorzugt
bei abgehobenem bzw. herausgedrehtem Werkzeugeinsatz und nur ein
kleiner Anteil bei geschlossenem Formwerkzeug erfolgen, wobei das Heizen
auch nur im herausgedrehten Zustand erfolgen kann.
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Bei
gleicher Zykluszeit wird die zur Verfügung stehende Heizzeit
verlängert, was die Homogenität der Erwärmung
positiv beeinflussen kann. Die Aufheizgeschwindigkeit kann so gewählt
werden, dass eine exaktere Reproduzierbarkeit der erreichten Maximaltemperatur
gewährleistet ist. Weiters wird dadurch die benötigte
Heizleistung verringert, was zu Schonung des Werkzeugs und Energieeffizienz
beitragen kann.
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Eine
Regelung der Einsatztemperatur kann auch in der Einspritz- bzw.
Nachdruckphase durchgeführt werden. Es ist möglich
den Abkühlverlauf nach einem vorgegebenen Profil zu regeln.
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Durch
Temperatursensoren im Einsatz kann eine closed-loop Regelung realisiert
werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Temperatur der Werkzeugeinsätze
gemessen wird (entweder von außen mittels Pyrometer, oder
mit Temperatursonden, die in die Werkzeugeinsätze eingebaut
sind), und somit eine Überwachung oder closed-loop-Regelung der
Temperatur durchgeführt wird.
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Beispiele
für Ausführung der Heizvorrichtung: Induktive
Heizung (Spule im Einsatz), Widerstandsheizung (z. B. Heizpatronen,
elektrisch leitfähige Keramik, Heizdrähte, ...),
Peltierelemente, Temperiermedien (z. B. Wasser, Dampf, Öl,
...).
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Die
Rückseite des abhebenden Einsatzes sowie die entsprechende
Kontaktfläche am Werkzeug kann poliert ausgeführt
werden um einen besseren Wärmeübergang zu gewährleisten.
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Schutz
wird auch begehrt für eine Spritzgießmaschine
mit einer Vorrichtung nach einer der genannten Ausführungen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird Schutz für ein Verfahren
zur Herstellung eines Spritzgussteiles in einer Spritzgießmaschine
begehrt, wobei die Heizvorrichtung den Werkzeugeinsatz während
wenigstens einem der Verfahrensschritte Formöffnen, Abheben,
Drehen, Formschließen, Einspritzen und/oder Nachdruck auf
einer einstellbaren Temperatur hält, wobei der Werkzeugeinsatz
im und/oder außerhalb des Bereiches des Formwerkzeuges
angeordnet wird.
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Die
Entnahme der Spritzgussteile kann aus dem bereits herausgedrehten
Einsatz erfolgen. In diesem Fall bleibt das Spritzgussteil nach
dem Öffnen des Formwerkzeugs im beweglichen Einsatz. Während
das Teil außerhalb des Formwerkzeugs aus der Kavität
entnommen wird, kann schon der nächste Zyklus beginnen.
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Bei
dreifacher Ausführung des Werkzeugeinsatzes könnte
die Teileentnahme parallel zu Heizen und Einspritzen stattfinden
(1. Station: Spritzen, 2. Station: Entnahme, 3. Station: Heizen).
Auch können durchaus noch mehr Werkzeugeinsätze
parallel eingesetzt werden.
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Die
Beheizung von innen in Kombination mit der geringen zu beheizenden
Masse führt zu einer sehr schnellen und effizienten Erwärmung.
In diesem Zusammenhang ist auch das Anbringen eines Isolators zwischen
dem Werkzeugeinsatz und der Transportvorrichtung möglich,
welcher die Übertragung der Wärme vom Einsatz
in das gekühlte Formwerkzeug minimiert.
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Eine
Kombination mit einem Verfahren mit externer Heizstation ist denkbar.
Das heißt die Erwärmung erfolgt sowohl von außen
als auch von innen. Dies kann beispielsweise zu einer weiteren Verkürzung
der Heizzeit genutzt werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand
der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher
erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
simplifizierte Querschnittsdarstellung des Formaufspannbereiches
der Spritzgießmaschine,
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2 eine
Ansicht des Formaufspannbereiches,
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3 eine
weitere Querschnittsdarstellung mit röhrenförmigen
Heizelementen und
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4 den
Formaufspannbereich mit angehobener Transportvorrichtung.
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1 zeigt
generell den gesamten Formaufspannbereich einer Spritzgießmaschine
mit der bewegbaren Formaufspannplatte 3 und der fixierten Formaufspannplatte 4.
Zwischen diesen Formaufspannplatten 3 und 4 ist
das Formwerkzeug, bestehend aus der bewegbaren Werkzeughälfte 7 (welche vorzugsweise
gekühlt ist), der fixen Werkzeughälfte 8,
dem auswerferseitigen Werkzeugeinsatz 1 und dem düsenseitigen
Werkzeugeinsatz 2, aufgespannt. Der Werkzeugeinsatz 1 (kann
auch als Matrize bezeichnet werden) bildet zusammen mit dem Werkzeugeinsatz 2 (kann
auch als Kern bezeichnet werden) die Kavität zur Aufnahme
von Kunststoffschmelze. Diese Kunststoffschmelze wird über
die Einspritzdüse 10 durch den Angusskanal 11 in
die Kavität gespritzt. In dieser Figur ist allerdings das
Formwerkzeug geöffnet dargestellt, wobei in diesem Zustand kein
Einspritzvorgang stattfinden kann. Wenn sich das Formwerkzeug schließt,
greifen die Bolzen 12 in die Bolzenaufnahmen 13 ein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht zumindest
aus einem Werkzeugeinsatz 1, einer Transportvorrichtung 5 und
einem Heizelement 6. In 1 sind zwei
Werkzeugeinsätze 1, 1' mit Heizelementen 6 vorgesehen,
wobei die beiden Werkzeugeinsätze 1, 1' abwechselnd über
die Transportvorrichtung 5 zwischen die Werkzeughälften 7 und 8 gedreht
werden. Die Achse der Transportvorrichtung 5, dessen in 1 gezeigte
Ausführung einer Indexplatte ähnelt, ist Bestandteil
des Formwerkzeuges, kann jedoch auch Maschinenbestandteil sein oder überhaupt
von extern, beispielsweise mittels Handlingroboter, eingreifen.
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Beispielhaft
soll mittels 1 ein Verfahren zur Herstellung
eines Spritzgussteiles in einer Spritzgießmaschine entsprechend
einer möglichen Ausführung der vorliegenden Erfindung
dargestellt werden:
Am gekühlten Grundkörper
der beweglichen Werkzeughälfte 7 liegt ein relativ
dünner Werkzeugeinsatz 1 an, der die Kavität
beinhaltet. Dieser Werkzeugeinsatz 1 ist gemeinsam mit
einem zweiten, identischen Werkzeugeinsatz 1' an einem
Hub-/Drehmechanismus 5 befestigt. Zum Wechseln der Werkzeugeinsätze 1, 1' erfolgt
zunächst ein kleiner Hub in Richtung Maschinenachse (Abheben
der Kavität von der gekühlten Werkzeughälfte 7),
anschließend eine 180° Drehbewegung. Die abhebbaren
Werkzeugeinsätze 1, 1' enthalten dabei
eine integrierte Heizvorrichtung 6. Parallel zum Spritzgießvorgang
mit dem einen Werkzeugeinsatz 1' wird der andere Werkzeugeinsatz 1 durch
die Heizvorrichtung 6 beheizt. Der Heizvorgang kann darüber
hinaus auch während des Formöffnens, Abhebens,
Drehens sowie auch beim Formschließen, Einspritzen und
in der Nachdruckphase aufrecht gehalten werden.
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2 zeigt
eine Ansicht der bewegbaren Seite der Spritzgießmaschine.
Hierbei ist die Formaufspannplatte 3 am Maschinenrahmen 9 bewegbar gelagert.
Auf dieser Formaufspannplatte 3 ist die Werkzeughälfte 7 aufgespannt
und die Transportvorrichtung 5 mit den daran angebrachten
Werkzeugeinsätzen 1, 1' mit den jeweiligen
Heizelementen 6 angebracht.
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3 zeigt
eine weitere vereinfachte Querschnittsdarstellung des Formaufspannbereiches
einer Spritzgießmaschine. Hierbei weisen die Werkzeugeinsätze 1, 1' Temperierbohrungen 6' auf,
die durch Temperiermedien, vorzugsweise Wasser, Wasserdampf oder Öl,
die Werkzeugeinsätze 1, 1' auf einer
regulierbaren Temperatur halten. Das Temperiermedium kann den Werkzeugeinsätzen 1, 1' über
Schläuche zugeführt werden (in der Zeichnung nicht
dargestellt). Diese Schläuche können durch die mit
der Maschine verbundene Transportvorrichtung 5 geführt
sein, oder frei zur Heizvorrichtung 6 (Temperiergerät)
verlegt sein.
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4 zeigt
diesmal den Formaufspannbereich einer Spritzgussmaschine mit einer
angehobenen Transportvorrichtung 5. Diese Anhebung (Wegbewegung
des Werkzeugeinsatzes 1 von der Werkzeughälfte 7 in
Richtung der Spritzgießmaschinenlängsachse) dient
erstens dem nicht zu schnellen Auskühlen des Werkzeugeinsatzes 1 bei
direktem Kontakt mit der gekühlten Werkzeughälfte 7 und zweitens
der anschließenden freien Bewegbarkeit bei der Drehbewegung
der Transportvorrichtung 5. In oder im Bereich dieser Transportvorrichtung 5 sind
in 4 noch Zuführleitungen 14 dargestellt,
die die in die Werkzeugeinsätze 1', 1 integrierten
Heizvorrichtungen 6 mit einem Temperiermedium, Strom oder anderweitiger
Energie versorgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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