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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen eines Formteils in einem Spritzgießwerkzeug sowie ein Spritzgießwerkzeug.
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Beim klassischen Spritzgießverfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Formteils aus einem Thermoplast wird die heiße, plastifizierte und somit flüssige Kunststoffschmelze (Polymerschmelze) in die deutlich kältere Kavität eines Spritzgießwerkzeugs unter hohem Druck eingespritzt. Sobald die heiße Schmelze mit der kalten Werkzeugwand in Kontakt tritt, kühlt die Schmelze oberflächennah sehr rasch ab, es bildet sich eine erkaltete Randschicht, die einerseits eine präzise Abformung von mikro- und nanostrukturierten Werkzeugoberflächen in den Kunststoff verhindert und andererseits den Fließquerschnitt verringert, d. h. insbesondere bei Dünnwandteilen die maximale Fließweglänge begrenzt oder sehr hohe Fülldrücke erfordert.
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Um diesen Effekt zu verringern, ist es bekannt, eine variotherme Prozessführung einzusetzen, die im wesentlichen auf einem aktiven Aufheizen der Werkzeugoberfläche vor dem Einspritzen des Kunststoffs und einem möglichst raschen Abkühlen des Werkzeuges nach dem Formfüllvorgang basiert.
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Oftmals müssen Werkzeugoberflächentemperaturen bis hin zur Glasübergangstemperatur bzw. der Kristallitschmelztemperatur des Polymers gewählt werden, um die Randschichtbildung derart einzuschränken, dass die gewünschte hohe Oberflächenqualität bzw. Formteilfüllung gewährleistet wird.
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Bekannt sind verschiedene variotherme Systeme, bei denen a) das gesamte Werkzeug, b) einzelne Formeinsätze oder c) lediglich die Formnestoberfläche aufgeheizt werden. Grundsätzlich sind Systeme der Kategorie c) zu bevorzugen, da sehr wenig Werkzeugmasse aufgeheizt und wieder abgekühlt werden muss und somit der gesamte Energiebedarf gering gehalten werden kann.
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Ein zu c) bekanntes System ist die Induktion oberflächennaher Ströme durch Anlegen eines elektromagnetischen Wechselfeldes durch einen externen Induktor. Diese indirekt erzeugten oberflächennahen Ströme führen zu einer raschen Erwärmung der Werkzeugoberfläche. Der externe Induktor muss vor dem Schließen des Spritzgießwerkzeuges aus dem Bereich der Kavität bewegt werden, d. h. die Werkzeugoberfläche wird ab diesem Zeitpunkt nicht mehr beheizt. Bis zum Zeitpunkt des Eintreffens der Schmelze in der Kavität fließt somit bereits ein großer Teil der in die Werkzeugoberfläche eingebrachten Wärme über das umgebende Werkzeug wieder ab. Es muss daher sehr viel Heizenergie eingesetzt werden, um zum Zeitpunkt des Einspritzens die erforderliche Werkzeugoberflächentemperatur zu gewährleisten.
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Abhilfe schafft hier die direkte Beheizung durch ein in die Werkzeugwand integriertes Heizsystem. Aus der
EP 0 418 577 A2 ist ein solches Verfahren bekannt. Hier sind in die Wandung der Kavität des Spritzgießwerkzeugs Elektroden integriert, die mit Strom beaufschlagt werden können, um zum richtigen Zeitpunkt die gewünschte hohe Temperatur der Kavitätswand durch elektrische Aufheizung zu erzeugen und so dem obigen genannten nachteiligen Effekt entgegenwirken zu können.
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Dabei ist jedoch zu beachten, dass die oberflächennahe Wärme sehr schnell wieder abfließt, sobald die Heizung ausgeschaltet wird. Dies ist z. B. beim Einsatz eines externen Induktors problematisch, bei dem durch die Manipulation eine merkliche Zeitdifferenz bis zum Eintreffen der Schmelze in der Kavität auftritt.
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Damit ein Aufheizen realisiert werden kann, muss die pro Zeiteinheit in der Heizschicht generierte Wärme größer als die Wärmeverluste durch Wärmeleitung, Konvektion bzw. Strahlung aus der Heizschicht sein. Die Temperaturerhöhung eines Stoffes hängt wiederum von der Heizleistung, der Heizzeit, dem Volumen und den Stoffgrößen (Dichte, spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit) ab. Berechnungen zeigen, dass, wenn mehr Leistung eingesetzt wird, der Temperaturanstieg überproportional steigt, da pro Zeiteinheit nur ein begrenzter Teil der Heizenergie aus der Heizschicht abgeleitet werden kann, d. h. mehr Wärme für die Temperaturerhöhung der Heizschicht zur Verfügung steht.
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Der Anspruch an eine hohe Wirtschaftlichkeit erfordert kurze Zykluszeiten, d. h. sehr hohe Heizraten (Aufheizraten) von mehr als 50 K/s, welche nur von wenigen Technologien (Induktion, Laser) bei schlechtem Wirkungsgrad (eingesetzte Energie zu erwärmter Fläche) erzeugt werden können. Typisch für die elektrische Variothermtechnologie sind Heizraten von 80 K/s bis 100 K/s, d. h. in den meisten Fällen sind Heizzeiten von maximal 2 s ausreichend. Diese Heizzeiten von maximal 2 s können zeitneutral in z. B. den Werkzeugschließvorgang integriert werden.
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Kurze Heizzeiten durch hohe Leistung erfordern weniger in das Werkzeug eingebrachte Heizenergie, die nach dem Einspritzen des Polymers wieder herausgekühlt werden muss, d. h. ein weiterer Aspekt der Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu anderen variothermen Technologien ist gegeben. Das direkte Beheizen der Werkzeugoberfläche ermöglicht eine aktive Temperaturführung bis unmittelbar zum Eintreffen der Polymerschmelze oder darüber hinaus.
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Die vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen (Spritzgießwerkzeuge) erfüllen die oben genannten Anforderungen an einen optimalen variothermen. Spritzgießprozess noch nicht voll befriedigend.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Spritzgießen und ein Spritzgießwerkzeug zum Einsatz des Variotherm-Verfahrens so fortzubilden, dass die genannten Nachteile bzw. Beschränkungen beim Einsatz dieser Technik vermieden werden können. Es soll also insbesondere eine optimale und schnelle Aufheizung und anschließende optimale Kühlung erfolgen, um einen wirtschaftlichen Spritzgießprozess durchführen zu können, der präzise geformte Teile liefert.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schrittabfolge beim Spritzgießen eines Formteils vorgesehen ist:
- a) Bereitstellen eines Spritzgießwerkzeugs, das eine Kavität zur Ausbildung der Form des Formteils aufweist, wobei die Kavitätswandung zumindest abschnittsweise durch ein Substrat, insbesondere aus Stahl, gebildet wird, auf dem eine elektrisch und thermisch isolierende, aus einem Metalloxid oder einer oxidischen Keramik bestehende Isolierschicht mit einer Dicke zwischen 1 μm und 500 μm aufgebracht ist, wobei auf der Isolierschicht, der Kavität zugewandt, eine elektrisch leitende Metallschicht mit einer Dicke zwischen 1 μm und 50 μm aufgebracht ist;
- b) Einspritzen von Kunststoffschmelze in die Kavität des geschlossenen Spritzgießwerkzeugs;
- c) vor, während und/oder nach Schritt b): Durchleiten eines elektrischen Stroms durch die Metallschicht zur Erwärmung derselben während einer vorgegebenen Zeit, wobei die Spannung des Stroms höchstens 75 V, vorzugsweise höchstens 50 V beträgt;
- d) nach der Ausformung des Kunststoffmaterials in der Kavität: Abkühlenlassen und Entformen des Formteils aus dem Spritzgießwerkzeug.
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Die Stromstärke des Stroms in der Metallschicht bei der Durchführung von Schritt c) wird dabei vorzugsweise zumindest zeitweise auf einem Wert von mindestens 50 A, vorzugsweise von mindestens 100 A, gehalten.
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Das Spritzgießwerkzeug kann auch zeitweise mittels eines Kühlmediums gekühlt werden; in diesem Falle kann vorgesehen sein, dass die Kühlung während der Stromaufgabe auf die Metallschicht unterbrochen wird.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Spritzgießwerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Kavitätswandung zumindest abschnittsweise durch ein Substrat, insbesondere aus Stahl, gebildet wird, wobei auf dem Substrat eine aus einem Metalloxid oder einer oxidischen Keramik bestehende Isolierschicht mit einer Dicke zwischen 1 μm und 500 μm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 200 μm und 450 μm, aufgebracht ist und wobei auf der Isolierschicht, der Kavität zugewandt, eine elektrisch leitende Metallschicht mit einer Dicke zwischen 1 μm und 50 μm, vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 2 μm und 25 μm, aufgebracht ist.
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Die Isolierschicht besteht bevorzugt aus Zirkonoxid oder aus Siliziumoxid. Die elektrisch leitende Metallschicht besteht bevorzugt aus Chrom, aus Nickel, aus Zink, aus Zirkon, aus Mangan, aus Wolfram, aus Stahl und/oder aus einem Edelmetall oder einer Legierung mindestens einer dieser Metalle.
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Die Isolierschicht kann durch Flammspritzen, durch Plasmaspritzen, durch pulsierte Laserbeschichtung (PLD), durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere durch Plasma-assistierte chemische Gasphasenabscheidung (PA-CVD), oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht sein.
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Entsprechend kann auch die elektrisch leitende Metallschicht durch Flammspritzen, durch galvanisches Beschichten, durch Plasmaspritzen, durch pulsierte Laserbeschichtung (PLD), durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), insbesondere durch Plasma-assistierte chemische Gasphasenabscheidung (PA-CVD), durch chemisches Beschichten, insbesondere durch stromloses Vernickeln, durch Laserauftragsschweißen oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht sein.
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Die Isolierschicht und/oder die elektrisch leitende Metallschicht können mit einer Oberflächenstrukturierung versehen sein, insbesondere durch Polieren, durch Laserstrukturieren, durch chemisches Strukturieren durch elektrochemische Abtragung, durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Bohren oder Fräsen, und/oder durch funkenerosives Abtragen.
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Erfindungsgemäß wird also zur Durchführung der elektrischen Variothermtechnik eine dünne metallische, elektrisch leitfähige Beschichtung (Heizschicht) auf einer thermisch und elektrisch isolierenden Beschichtung aufgebracht. Die Isolierbeschichtung wird in einem vorhergehenden Schritt auf ein metallisches Substrat aufgebracht, bei dem es sich zumeist, aber nicht ausschließlich, um das Material des Spritzgießwerkzeugs handelt. Zwischen den einzelnen Komponenten bzw. Schichten herrscht ein fester Verbund. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die metallische, elektrisch leitfähige Beschichtung erfolgt ein Stromfluss durch die Beschichtung. Durch den Widerstand der Elektronen gegen den Stromfluss erfolgt eine Erwärmung der Heizschicht.
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Wesentlich ist dabei, dass eine Kombination aus Spannungen von bevorzugt weniger als 50 V (Schutzkleinspannung), einer rein metallischen Heizschicht mit einer Heizschichtdicke von bevorzugt weniger als 50 μm und einem Werkzeugaufbau aus Substrat, Isolierschicht und Heizschicht verwendet wird. Damit sind in vorteilhafter Weise Aufheizraten von mehr als 100 K/s erreichbar.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann mit diversen Ergänzungen bzw. Modifikationen vorteilhaft eingesetzt werden.
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Die elektrisch leitfähige Metallschicht, die als Heizschicht fungiert, besteht besonders bevorzugt aus Chrom oder aus Nickel und/oder aus Edelmetallen bzw. Legierungen der genannten Metalle. Sie weist bevorzugt fertigungstechnisch bedingte Rauigkeiten auf, sie kann aber durch eines der folgenden Verfahren strukturiert werden: Polieren, Laserstrukturieren, chemisches Strukturieren, elektrochemische Abtragung, mechanische Bearbeitung (Bohren, Fräsen) bzw. funkenerosives Abtragen. Die Strukturen können geometrisch definiert oder stochastisch, d. h. regellos bzw. zufällig, aufgebaut sein.
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Die Isolierschicht ist elektrisch und thermisch isolierend und besteht aus Metalloxiden (z. B. Zirkonoxid und Siliziumoxid) oder aus oxidischer Keramik. Auch die Isolierschicht kann wie die Heizschicht strukturiert sein.
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Das Substrat, auf dem die Isolierschicht aufgebracht ist, ist bevorzugt metallisch, insbesondere aus Stahl, aber auch Kupfer- und Kupferlegierungen, Aluminium- und Aluminiumlegierungen und Nickel- und Nickellegierungen können zum Einsatz kommen. Das Substrat ist bevorzugt das Spritzgießwerkzeug selber.
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Als Material für die Elektroden, mit denen der Strom in die Metallschicht (Heizschicht) geleitet wird, können Kupfer- und Kupferlegierungen, Stahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Graphit, Gold, Silber, Platin oder andere Edelmetalle eingesetzt werden.
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Die Heizschicht bildet bevorzugt die Kavitätsoberfläche. Das Substrat kann auch ein bewegliches Werkzeugelement (z. B. ein Schieber oder ein Auswerfer) sein. Möglich ist auch ein Substrat in Form eines abhebenden Formeinsatzes, d. h. hier kommt ein Formeinsatz zur Anwendung, der während des Aufheizvorganges vom restlichen Werkzeug abgehoben wird, durch den sich ergebenen Luftspalt erfolgt eine thermische Isolierung. Die Heizschicht und die Isolierschicht können auf der Rückseite des Formeinsatzes aufgebracht sein. Möglich ist auch ein ausdrehender Formeinsatz, d. h. ein Formeinsatz, der während des Aufheizvorganges aus dem restlichen Werkzeug herausgedreht oder geschoben wird, so dass ein thermisch isolierender Luftspalt entsteht. Die Heizschicht und die Isolierschicht können auf der Rückseite des Formeinsatzes aufgebracht sein.
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Möglich ist es weiterhin, dass eine zusätzliche Verschleißschutzschicht auf der Heizschicht aufgebracht wird, die der Kavität zugewandt ist. Die Verschleißschutzschicht besteht dabei bevorzugt aus einem nicht leitfähigen Metalloxid oder einem Metallnitrid; bevorzugt sind hierbei CrN und CrOx.
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Auf der Heizschicht (Metallschicht) kann auch eine zusätzliche elektrische Isolationsschicht vorgesehen werden, bevorzugt in Kombination mit den oben genannten speziellen Formeinsätzen.
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Die Heizschicht kann auf beiden Werkzeughälften über der gesamten Kavitätsoberfläche des Werkzeugs aufgebracht sein. Möglich ist es auch, dass auf beiden Werkzeughälften die Heizschicht nur über Teile der Kavität vorgesehen wird.
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Die oben genannten Formeinsätze können auch im Rahmen einer zyklusparallelen Prozessführung eingesetzt werden, d. h. während ein Formeinsatz aufgeheizt wird, wird ein zweiter, heißer Formeinsatz für die Fertigung eines Formteiles verwendet.
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Das Heizen der Metallschicht erfolgt bevorzugt unmittelbar vor der Einspritzphase des Polymers. Das Heizen kann auch vor und während der Einspritzphase erfolgen. Zusätzlich kann auch während der Nachdruckphase eine aktive Temperaturführung vorgesehen werden, d. h. die Werkzeugoberflächentemperatur wird über eine bestimmte Zeit höher als die Werkzeugtemperatur gehalten. Das Heizen kann auch kombiniert werden mit einer aktiven Kühlung mittels eines Temperiermediums. Hierbei kann ein permanenter Kühlmittelfluss vorgesehen werden, aber auch ein gepulster Kühlmittelfluss. Während des Aufheizens kann der Kühlmittelfluss auch unterbunden werden.
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Die Spannungsversorgung erfolgt – wie bereits erwähnt – mit niedriger Spannung von bis zu 50 V und hohen Strömen von 10 A bis 10.000 A, wobei der Strom konstant oder gepulst sein kann. Vorgesehen werden kann ein Gleichstrom oder ein geglätteter Wechselstrom.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass zwischen der Heizschicht (Metallschicht) und der Isolierschicht noch eine Zwischenschicht mit wenigen Nanometern Dicke angeordnet ist; für deren Aufbringung gilt dasselbe wie bezüglich der Metallschicht und Isolierschicht.
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Bei Kenntnis des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands der Heizschicht (Metallschicht) kann aus der Veränderung von angelegter Spannung und fließendem Strom an bzw. durch die Heizschicht die Temperatur der Heizschicht bestimmt werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 schematisch ein geschnitten dargestelltes Spritzgießwerkzeug und
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2 die Einzelheit „Z” gemäß 1.
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In 1 ist ein Spritzgießwerkzeug 1 zu sehen, dass aus den beiden zusammenwirkenden Werkzeughälften 1' und 1'' besteht. Die beiden Werkzeughälften 1', 1'' schließen in bekannter Weise eine Kavität 2 ein, die der Form des zu spritzenden Formteils entspricht.
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Mit dem Spritzgießwerkzeug 1 wird das an sich bekannte Variotherm-Spritzgießverfahren vorgenommen. Dabei wird das Werkzeug während bestimmter Teilphasen des Spritzgießzyklus erwärmt, um es der in die Kavität 2 eingespritzten Kunststoffschmelze zu ermöglichen, sich passgenau an die Kavitätsoberfläche anzulegen, d. h. nicht vor der Zeit auszuhärten bzw. zu stark abzukühlen.
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Vorliegend ist die Kavitätsoberfläche mit einer dünnen Metallschicht versehen, an die über zwei Elektroden 7 eine elektrische Spannung U angelegt wird. Aufgrund des gegebenen Widerstandes fließt demgemäß ein Strom I durch die Metallschicht und erhitzt diese. Bevorzugt liegen die Elektroden außerhalb der Kavität, d. h. die Heizschicht muss zumindest in Teilen über die Kavität hinausgeführt werden.
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Details hierzu sind aus der vergrößerten Darstellung gemäß 2 ersichtlich. Das Material des Spritzgießwerkzeugs 1, hier ist es Stahl, bildet ein Substrat 3, auf dem zunächst eine Isolierschicht 4 mit einer Dicke D aufgebracht ist. Auf die Isolierschicht 4 wiederum ist die Metallschicht 5 aufgebracht, die vom Strom durchflossen wird. Die Metallschicht hat eine Dicke d.
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Um nach dem Erhitzen der Metallschicht 5 und der daraufhin erfolgten optimalen Anlegung des Kunststoffmaterials an die Kavitätsoberfläche eine schnelle Aushärtung des Kunststoffmaterials zu erreichen, sind in das Spritzgießwerkzeug Kühlkanäle 8 eingearbeitet, die von Kühlmedium 7 durchflossen werden können. Der Fluss des Kühlmediums 7 erfolgt dabei derart gesteuert, dass zum richtigen Zeitpunkt die Abkühlung stattfindet.
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Ein bevorzugter und sehr effizient arbeitender Aufbau ist wie folgt gestaltet: Ein Werkzeugeinsatz aus Stahl (Substrat 3) wird mit einer Zirkonoxid-Schicht (ZrO2) 4 mit einer Schichtdicke D zwischen 300 μm und 400 μm durch Flammspritzen beschichtet. Dann wird diese Zirkonoxid-Schicht poliert. Anschließend wird auf die ZrO2-Schicht mittels Gasphasenabscheidung (PVD-Beschichtung) eine dünne metallische Chromschicht mit einer Dicke d von 4,5 μm aufgebracht.
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An diese Chromschicht wird dann eine elektrische Spannung von weniger als 50 V Gleichspannung gelegt. Über den relativ geringen Widerstand ergibt sich ein hoher Strom (mehr als 10 A bis hin zu einigen 100 A). Die Spannung multipliziert mit dem Strom ergibt die hohe Heizleistung von einigen 100 bis einigen 1000 Watt.
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Der Werkzeugeinsatz ist eine Platte, welche in einen größeren Formeinsatz eingebaut ist. Der größere Formeinsatz ist mit Temperierkanälen zur aktiven Kühlung ausgestattet. In einer anderen Ausführung ist der beheizte Werkzeugeinsatz dicker und mit eigenen Temperierkanälen versehen.
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Das vorgeschlagene Verfahren ist in erster Linie für das Spritzgießen von Kunststoffen gedacht. Eine Anwendung des Prinzips ist aber auch anderweitig möglich, z. B. in Kalanderwalzen, in Extrusionswerkzeugen, in Papiertrocknungswalzen, beim Spritzprägen und beim Heißprägen von Kunststoffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgießwerkzeug
- 1'
- Werkzeughälfte
- 1''
- Werkzeughälfte
- 2
- Kavität
- 3
- Substrat
- 4
- Isolierschicht
- 5
- Metallschicht
- 6
- Kühlmedium
- 7
- Elektrode
- 8
- Kühlkanal
- D
- Dicke
- d
- Dicke
- I
- Stromstärke
- U
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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