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Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug für die Herstellung von Kunststoffformteilen mit zwei Werkzeughälften mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
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Aus der
EP 0 505 738 B1 (
DE 692 22 213 T2 ) ist eine mehrschichtige Form zum Ausformen von thermoplastischem Material zu Fertigteilen bekannt, die ein Formteil mit einer Konturenoberfläche und eine wärmeisolierende Schicht, die an der Konturenoberfläche gebunden ist, umfasst. Die isolierende Schicht weist eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Formteil auf. Die isolierende Schicht umgibt dabei in einer Ausführungsform eine Induktionsspule, die als Heizeinrichtung vorgesehen ist. Je nach Bedarf wird die Induktionsspule an eine Hochfrequenzenergiequelle gelegt, um punktuell einen Bereich der Oberfläche der Kavität, die ausgefüllt werden soll, durch die Induktionsspule zu erwärmen.
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Aus der
DE 201 21 777 U1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Formwerkzeug bekannt, das Kühlkanäle aufweist, die von einem Kühlmedium, insbesondere Wasser, durchströmbar sind. Insbesondere schmelzflüssiger Kunststoff wird dabei diskontinuierlich in eine Kavität der geschlossenen Spritzform eingespritzt. Die Wandung der Kavität, die die Formausprägung des Kunststoffformteiles wiedergibt, wird an der berührenden Wandung gekühlt, so dass der Kunststoff nach dem Abspritzen erstarrt und die durch das formgebende Werkzeug gegebene Form behält. Mindestens die Oberflächenschicht des Formwerkzeuges, auf die der schmelzflüssige Kunststoff trifft, ist aus induktiv erwärmbarem Material gefertigt, und zwar insgesamt oder nur in diskreten Teilbereichen. Es ist ferner ein elektrischer Induktor vorgesehen, mittels dessen die Oberflächenschicht erwärmbar ist. Die dünne Oberflächenschicht der Wandung des Werkzeuges wird unmittelbar vor dem Auftreffen des schmelzflüssigen Kunststoffes induktiv auf eine Temperatur erwärmt, die nahe der Schmelztemperatur des Kunststoffes liegt oder gleich der Schmelztemperatur ist. Nach dem Abspritzen wird in die Kühlkanäle Wasser eingegeben und die Wandung und damit auch das aus Kunststoff bestehende Formteil werden soweit abgekühlt, dass dieses beim Öffnen des Werkzeuges und Auswerfen des Teiles in sich gefestigt ist.
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Die
DE 43 08 008 A1 befasst sich mit der dynamischen Formtemperierung beim Spritzgießen mittels einer Spritzgießform. Die Erwärmung eines geometrisch begrenzten Formbereiches erfolgt dabei bis zu einer geringen Tiefe an der geöffneten Form mittels eines Induktors. Während der Schließphase erfolgt eine Abkühlung des Werkzeugs durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Die Erwärmung erfolgt dabei auf eine so hohe Temperatur, dass erst nach vollständiger Formfüllung in der Werkzeugwand die Erstarrungstemperatur der Kunststoffschmelze unterschritten wird.
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Die Grundlagen der zur Anwendung kommenden Erwärmung durch Induktion innerhalb des Werkzeugs sind z. B. in der
„Veröffentlichung IKFF" der Universität Stuttgart unter der Bezeichnung „Herstellung langer Kunststoffzeiger durch Spritzgießen" von A. Tewald, A. Laage und O. Thissen wiedergegeben. Eine vollständig integrierte induktive Beheizung und Impulskühlung von Spritzgießwerkzeugen ist in einem Beitrag zum
19. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium, 9. bis 10. März 2005, Symposium 3, „Kunststoffaufbereitung und -verarbeitung", Verfasser A. Weber und W. Schinköthe (IKFF) erschienen. Der Beitrag ist veröffentlicht in der „IKFF 2005“. Die induktive Erwärmung erfolgt mittels verlegter Induktoren unterhalb der Kavitätsfläche. Die Induktoren sind in die Kanäle eingelegt und darin mittels einer keramischen Masse eingebettet. Die induktive Wärmeerzeugung beruht auf dem Transformatorprinzip. Ein von hochfrequentem (ca. 10 kHz bis 500 kHz) Wechselstrom hoher Stromstärke durchflossener Leiter, der Induktor, ist von einem elektromagnetischen Wechselfeld gleicher Frequenz umgeben. Da das Material, das die Kavität einschließt, ein leitfähiges Material ist, werden in einer dünnen Oberflächenschicht wiederum kurzgeschlossene elektrische Ströme induziert. Durch die Verlustleistung dieser Ströme am Ohmschen Widerstand des Materials entsteht die gewünschte Wärme, die zusätzlich zum Beheizen des Werkzeuges mit einem Wärmemedium eingebracht wird. Um die Erwärmung des Induktors selbst beherrschbar zu halten, wird dieser meist als Hohlleiter ausgeführt und mit Wasser durchströmt. Der Vorteil gegenüber anderen Methoden, Metalle zu erhitzen, sind vor allem die sehr hohe erzielbare Erwärmungsgeschwindigkeit, die im Material des zu erwärmenden Gegenstandes direkte Wärmebildung und die sehr hohe Leistung, die durch eine gegebene Oberfläche eingebracht werden kann.
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Die Wärmeabfuhr erfolgt bei Spritzgusswerkzeugen am häufigsten durch eine Flüssigkeitskühlung in Form einer konstanten Durchströmung der Werkzeuggrundplatten mit einem Medium, das dann außerhalb des Werkzeuges wieder abgekühlt wird. Teilweise werden zusätzlich, selten auch ersatzweise, Verfahren mit noch höherem abführbaren Wärmestrom eingesetzt, wie z. B. elektrothermische Verfahren (Peltier-Elemente), Wärmerohre oder die Expansion von flüssigem Kohledioxid. Da der Wärmeeintrag ins Werkzeug nicht kontinuierlich erfolgt, sondern zyklisch zwischen Null und einem Maximalwert pendelt, ist eine Kühlung mit nahezu konstanter Wärmeabfuhr zwar normalerweise ausreichend, aber für problematische Teile nicht optimal. Hier schafft Impulskühlung Abhilfe, bei der die Wärmeabfuhr nur während der Zeiten erfolgt, in denen das durch den Wärmeeintrag erforderlich ist. Dies verhindert insbesondere bei hohen Kühlleistungen die Abkühlung des Werkzeugs auf zu niedrige Temperatur im phasengeringen Wärmeeintrag und die damit verbundene schlechtere Teilequalität. Bei vollständigem variothermen Betrieb – also mit Heizung und Kühlung im Wechsel – entsteht zwangsläufig eine Impulskühlung.
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Dies vorausgeschickt liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spritzgießwerkzeug der gattungsgemäßen Art weiterzubilden und es so zu gestalten, dass ein modularer Aufbau ermöglicht wird, unterschiedliche Stromleiter als Induktoren eingelegt werden können und diese dennoch in den Kanälen gesichert gehalten sind, ohne sie in eine isolierende Verbundmasse einbetten zu müssen. Durch geeignete Maßnahmen soll stets sichergestellt sein, dass auch Stromleiter mit unterschiedlichen Durchmessern in einem definierten Bereich gesichert in den Kanälen gehalten werden und einfach montierbar und auswechselbar sind. Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, die Anordnung der Induktoren so vorzunehmen, dass die Kanäle, in denen sie liegen, auch für die Kühlung mit herangezogen werden können. Die für die Fixierung des Stromleiters benötigten Isolierteile sollen preiswert herstellbar und einsetzbar sein und eine sehr hohe Gebrauchsdauer und keinen Verschleiß aufweisen.
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Die Aufgabe löst die Erfindung durch Ausgestaltung des Spritzgießwerkzeuges nach der Lehre des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des Spritzgießwerkzeuges nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen im Detail angegeben.
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Die Lösung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Induktor in dem Kanal mittels mindestens eines Niederhalters aus einem keramischen Werkstoff fixiert ist und dass die Kanäle einschließlich der Niederhalter mittels einer Verschließplatte oder Aufspannplatte verschließbar sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Induktor in die offenen nutenförmigen Kanäle auf einfache Weise einlegbar ist und dass dann an bestimmten Stellen oder längs des Kanals eine Vielzahl von Niederhaltern eingesetzt werden kann, die beispielsweise durch eine Schraube, insbesondere Madenschraube, die in eine Bohrung der aufgesetzten Verschließplatte oder Aufspannplatte eingeschraubt werden, niedergedrückt wird. Der Niederhalter kann dabei aber auch aus der Schraube selbst gebildet sein, die verlängert ist und beispielsweise aus keramischem Werkstoff besteht und auf den Induktor drückt.
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Der Niederhalter kann aber auch als Block in den Kanal eingesetzt werden oder in eine Aufnahme innerhalb des Kanals und darin dann beispielsweise über eine in eine seitliche, geteilte Gewindebohrung, bei der die erste Hälfte des Gewindes in den Niederhalter und der zweite Teil des Gewindes in der aus Stahl bestehenden Werkzeugplatte eingebracht ist, durch eine eingeschraubte Schraube gesichert werden. Kommt hier beispielsweise eine Madenschraube aus keramischem Werkstoff oder Metall zur Anwendung, so kann diese eingeführt werden und presst dabei gleichzeitig den Niederhalter gegen den Induktor.
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Als Niederhalter kann aber auch ein aus keramischem Werkstoff gefertigter Halter definierter Form, z. B. in H-Form, verwendet werden, so dass der Induktor durch Übergreifen der Schenkel gegenüber den Seitenwänden gleichzeitig seitlich elektrisch isoliert ist. Wenn darüber hinaus die Bodenwand des Kanals mit einer Isolierschicht versehen ist, beispielsweise eine dünne Keramikfolie eingelegt ist, ist eine hermetische elektrische Isolierung gegeben. Die Beschichtung kann selbstverständlich auch an den Seitenwänden des Kanals vorgesehen sein. Auch kann der Niederhalter als Block in Längsrichtung des Kanals Durchbrüche aufweisen.
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Es ist aber auch möglich, den Induktor mit einer Isolierschicht bekannter Art mindestens außen zu versehen, so dass er in dem Kanal elektrisch isoliert gelagert ist. Bei dieser Ausführung können dann die weiteren Mittel zur elektrischen Isolation entfallen und es braucht nur der Niederhalter aus einem solchen Material zu bestehen. Der Kanal ist in die Formplatte eingebracht, die aus magnetisierbarem Material besteht.
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Nach dem Einlegen des Induktors und dem Fixieren desselben mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Niederhaltern kann der Kanal zugleich auch als Kühlkanal verwendet werden, wenn die Niederhalter so platziert sind, dass seitlich an dem Induktor das Kühlmedium entlangströmen kann. Es können in den Niederhalter aber auch Durchströmöffnungen eingebracht sein, durch die das Kühlmedium ungehindert hindurchfließen kann. Der Kanal wird zu diesem Zweck von der Verschließplatte oder Aufspannplatte abdichtend verschlossen. Durch den Niederhalter ist zudem eine Verwirbelung des Kühlmediums an den Strömungskanten gegeben, was der Wärmeabfuhr bei der Impulsabkühlung förderlich ist. Auch können die Lagerkammern, die größer sein können als die Kanalbreite, entsprechend ausgebildet sein, um diesen Kühleffekt an bestimmten Stellen zu beschleunigen. Die Kühlung des Werkzeuges ist nach dem Abspritzen mit der heißen Kunststoffmasse erforderlich, damit vor dem Öffnen des Werkzeuges und dem Ausstoßen des abgespritzten Formteils dieses die Formstabilität behält.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kanal eine Vielzahl von Aufnahmen für Niederhalter aufweist. In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, dass der Induktor in bekannter Weise aus einem röhrenförmigen Hohlleiter besteht und dass dieser zusätzlich mit einem Kühlmittel oder auch für die schnelle Erwärmung des Werkzeuges für den nächsten Spritzvorgang mit einem Erwärmungsmedium durchströmbar ist. Es können also eine Erwärmung und Kühlphase sowohl über den Kanal als auch zusätzlich oder allein über den Hohlleiter erfolgen.
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Um die Effizienz bei der Kühlung der Kavitätsoberfläche und bei der Erwärmung mittels Induktion zu erhöhen, ist es zweckmäßig, in dem Kanal eine Längsvertiefung, z. B. halbschalenförmig, vorzusehen, in die der Induktor mit angepasster Form eingelegt wird. Dadurch liegen größere Oberflächen direkt am Material der Formplatte an. Ein so eingebetteter Induktor wird vom Niederhalter, der auf die Oberseite des Induktors drückt, gegen die Lagerfläche gedrückt.
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Das Werkzeug kann selbstverständlich auch zusätzlich zu den Kanälen, in denen der Induktor verlegt ist, auch weitere Kühlkanäle in mindestens einer Werkzeughälfte aufweisen, um eine schnellere Aushärtung des Kunststoffformteils zu erreichen und damit die Arbeitszyklen des Werkzeuges zu erhöhen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele ergänzend erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Hälfte eines Spritzgießwerkzeuges in schematischer Darstellung mit einer Induktoranordnung und mit Kühlkanälen,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Niederhalters für den Induktor gemäß der Erfindung,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Niederhalters für einen Induktor,
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4 ein weiteres Beispiel eines Niederhalters für einen Induktor in einem Spritzgießwerkzeug und
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5 in H-förmiger Ausbildung einen Niederhalter nach der Erfindung in einer Aufnahme in dem Kanal für die Lagerung des Induktors.
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In der in isometrischer Darstellung vereinfacht dargestellten Werkzeughälfte eines Spritzgießwerkzeuges gemäß 1 ist eine Aufspannplatte 2 dargestellt, darüber befindet sich eine Formplatte 1. In diese Formplatte 1, die abgestuft ausgebildet ist, ist eine Kavität 3 eingearbeitet, die einen Teil der mit der zweiten Werkzeughälfte gebildeten geschlossenen Kavität bildet, die mit flüssigem Kunststoff durch Einspritzen verfüllbar ist. Die Angießbuchse, der Auswerfer und sonstige Teile, die in dieser Werkzeughälfte oder auch in der anderen Werkzeughälfte vorgesehen sind, sind in der vereinfachten Darstellung nicht eingezeichnet. Ebenso sind die Bohrungen für die Führungssäulen zum Öffnen und Verschließen des Werkzeuges nicht dargestellt bzw. die Führungsbuchsen, die erforderlich sind, um das abgespritzte Formteil dem Werkzeug entnehmen zu können. Diese Bauteile sind allesamt bei einem Werkzeug bekannt. Die hier angegebene Spannplatte 2 kann selbstverständlich auch eine Druckplatte oder eine Schließplatte sein.
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Aus der skizzenhaften Zeichnung sind die Kanäle 4 ersichtlich, die in die Formplatte 1 eingebracht sind und in die ein Induktor 8 entsprechend den gewünschten Heizzonen entsprechend wellenförmig verlegt ist. Die Formplatte 1 besteht aus induktiv erwärmbarem Material, beispielsweise einer Stahlplatte. Die Wand zur Kavität hin ist relativ dünn, damit eine schnelle Aufheizung in gewünschter Weise erreicht wird. Weiterhin befinden sich in der Formplatte Kühlkanäle 5 in Form von Bohrungen, die nach dem Abspritzen eines Kunststoffformteils mit Kühlmittel beaufschlagt werden, damit in möglichst kurzer Zeit das Kunststoffformteil soweit erstarrt, dass es aus der Form herausgenommen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird der Induktor 8 in den Kanälen 4 mittels Niederhaltern aus keramischem Werkstoff fixiert. Den keramischen Stoffen ähnliche Stoffe, wie Metalloxide, Betonide und Siliziumdioxid, können ebenfalls für die Herstellung des Niederhalters verwendet werden. Solche Niederhalter haben den Vorteil, dass sie elektrisch nicht leitend, kostengünstig herstellbar, maßhaltig auch bei unterschiedlichen Werkzeugtemperaturen und säure- und gasunempfindlich sind.
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Das Ausführungsbeispiel in 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Werkzeughälfte gemäß 1, und zwar eine Formplatte 1, in der ein Kanal 4 für die Aufnahme eines Induktors 8 eingebracht ist, der aus einem Hohlleiter aus Kupfer oder einer Litze oder auch aus einem Aluminiumleiter bestehen kann. Innerhalb des Kanals 4 ist eine Kanalvertiefung 7 eingebracht, die im unteren Bereich der Querschnittsform des hier runden Leiters angepasst ist. Selbstverständlich können auch andere Querschnittsformen des Induktors zur Anwendung kommen. Um den Induktor 8 in dieser Lage zu fixieren, ist erfindungsgemäß in der mit der Formplatte 1 verbundenen Aufspannplatte 2, die aus einem nicht magnetisierbarem Material bestehen kann, eine Gewindebohrung 10 eingebracht, und zwar senkrecht oberhalb des Induktors 8. In diese Gewindebohrung wird ein Niederhalter 6 eingeführt, der die Form einer Madenschraube hat und aus keramischem Werkstoff besteht. Diese Keramikschraube wird in die Gewindebohrung 10 eingeschraubt und drückt auf die Oberfläche des Induktors 8 und hält diesen in der Kanalvertiefung 7 fest. Die Erfindung zeigt zugleich, dass der Kanal 4 größer ausgebildet ist, so dass dieser auch als Kühlkanal oder als Kanal zur Beaufschlagung des Werkzeugs mit einem Wärmemedium benutzt werden kann. Zur Kühlung wird in den Kanal nach dem Abspritzen des Kunststoffformteils ein Kühlmedium eingegeben. Um eine schnelle Erwärmung zu ermöglichen, wird die Oberfläche der Kavität 3 rein induktiv erwärmt, kann aber auch durch zusätzliche Einbringung eines Wärmemediums in den Kanal 4 erwärmt werden.
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3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Nutzung des Kanals 4 als Kühlkanal nahezu ausgeschlossen ist. Hier wird ein blockartiger Niederhalter 6 in den Kanal 4 oder in eine vergrößerte Aufnahme eingesetzt. Dieser blockförmige Niederhalter 6 besteht ebenfalls aus keramischem Werkstoff oder, wie zuvor schon angegeben, aus einem anderen Isolierstoff, der isolierende Eigenschaften aufweist, so dass das Magnetfeld lediglich dazu verwendet wird, um die Oberfläche der Kavität 3 zu erwärmen. In dem Kanal 4 befindet sich eine Kanalvertiefung 7, in die der Induktor 8 eingelegt ist. Die Kanalvertiefung 7 kann aber auch den Kanal selbst bilden. In Abständen sind Niederhalter 6 vorgesehen und in die querverlaufende Aufnahme eingesetzt. Der Niederhalter 6 ist an der Spannplatte 2 befestigt und fixiert damit den Induktor 8.
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Eine Abwandlung zu 3 ist in 4 dargestellt. Hier wird nämlich der blockartige Niederhalter 6 mittels einer Madenschraube 9 an der Formplatte 1 fixiert. Zu diesem Zweck wird in den Kanal 4 der blockförmige Niederhalter 6 eingesetzt. Dieser weist rechtsseitig in einer schalenförmigen Ausnehmung ein Gewinde auf, das mit dem zugehörigen Gewindeabschnitt in einer Ausnehmung in der Formplatte 1 eine Gewindebohrung 10 bildet. Beim Einschrauben der Madenschraube 9 wird der Niederhalter 6 in der Ausnehmung 11 fixiert und drückt gleichzeitig mit seinem bogenförmigen Abschnitt auf die Oberfläche des Induktors 8.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Niederhalters 6 dargestellt, der eine H-Form aufweist. Die beiden unteren Schenkel übergreifen einen als Hohlleiter ausgebildeten Induktor 8, der in dem Kanal 4 liegt. Der Kanal 4 ist mit Aufnahmen 11 versehen, in denen verdrehsicher der H-förmige Niederhalter 6 eingesetzt ist. Der Niederhalter 6 wird über die Gewindebohrung 10, die hälftig sowohl in die Formplatte 1 als auch in den Schenkel der Halter 6 eingebracht ist, befestigt. Der H-förmige Niederhalter 6 hat den Vorteil, dass er mit seinen Schenkeln isolierend über den Induktor 8 greift. Der Induktor 8 kann außenseitig eine Isolierschicht aufweisen, so dass er elektrisch auch gegenüber der Formplatte 1 an der Bodenseite des Kanals 4 isoliert anliegt. Es kann aber auch in den Kanal 4 eine Isolierfolie eingezogen sein, die hitzebeständig ist und eine wand- und bodenseitige Isolierung bietet.
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Es ist ersichtlich, dass ein Kanal 4, der mit H-förmigen Niederhaltern 6 ausgestattet ist, auch als Kühlkanal verwendbar ist. Durch Verschließen der Oberseite mittels einer Schließplatte oder einer Spannplatte 2 kann der Kanal 4 mit einer Kühlfüssigkeit durchströmt werden. An den Kanten des H-förmigen Niederhalters 6 entstehen dabei Verwirbelungen, die die Abkühlung des Werkzeugs in diesem Bereich fördern. Die Oberfläche der Kavitätenwand 3 wird also schneller abgekühlt. Anstelle einer Madenschraube aus Keramikmasse kann in die Gewindebohrung 10 zur Fixierung des H-förmigen Halters 6 auch eine Stahlschraube eingeschraubt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formplatte
- 2
- Aufspannplatte
- 3
- Kavität/Kavitätenwand
- 4
- Kanal
- 5
- Kühlkanal
- 6
- Niederhalter
- 7
- Kanalvertiefung
- 8
- Induktor
- 9
- Madenschraube
- 10
- Gewindebohrung
- 11
- Aufnahme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0505738 B1 [0002]
- DE 69222213 T2 [0002]
- DE 20121777 U1 [0003]
- DE 4308008 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Veröffentlichung IKFF“ der Universität Stuttgart unter der Bezeichnung „Herstellung langer Kunststoffzeiger durch Spritzgießen“ von A. Tewald, A. Laage und O. Thissen [0005]
- 19. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquium, 9. bis 10. März 2005, Symposium 3, „Kunststoffaufbereitung und -verarbeitung“, Verfasser A. Weber und W. Schinköthe (IKFF) [0005]
