DE102011078167A1

DE102011078167A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung eines Spritzgießwerkzeugs

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Publication number: DE102011078167A1
Application number: DE102011078167A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: DE102011078167B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs (1) wird bei der Einleitung von flüssigem Thermoplast in eine Kavität (2) des Spritzgießwerkzeugs (1) die Abgabe thermischer Energie aus dem flüssigen Thermoplast an das Spritzgießwerkzeug (1) stark verringert und die Temperatur der Oberfläche der Kavität (2) des Spritzgießwerkzeugs (1) wird ausschließlich über die Abfuhr von Wärme aus dem Spritzgießwerkzeug (1) eingestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art.
Bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast mittels Spritzgießen besteht ein Problem in der Temperierung des Spritzgießwerkzeugs, in welches der flüssige Thermoplast eingespritzt bzw. eingeleitet wird. Je nach Art des verwendeten Thermoplasts weist dieser im flüssigen Zustand eine Temperatur von 180 bis zu 400°C auf. Diese sehr heiße Masse trifft während des Spritzgießvorgangs auf die Oberfläche einer das Werkstück bildenden Kavität des Spritzgießwerkzeugs, welche, wenn sie nicht temperiert wird, eine Temperatur von ca. 20°C aufweist. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Spritzgießwerkzeug und dem in die Kavität desselben eingespritzten Thermoplast, die nicht nur beim Anfahren eines aus dem Lager entnommenen Spritzgießwerkzeugs, sondern auch während der eigentlichen Serienfertigung besteht, bildet sich während des Einspritzvorgangs in dem Bereich des mit der Oberfläche der Kavität in Berührung kommenden Thermoplasts eine erstarrte Randschicht, während in der Mitte des zu bildenden Werkstücks noch flüssiger Werkstoff vorliegt. Dadurch kann es beim späteren Entformen des Werkstücks zu Beschädigungen desselben kommen. Außerdem kann es aufgrund einer Wiedererwärmung von innen zu Verformungen des Werkstücks kommen. Die schnelle Erstarrung der Randschicht hat außerdem einen negativen Einfluss auf die Oberflächenstruktur des Werkstücks, da sehr feine Oberflächen, insbesondere Oberflächen mit genarbten Strukturen, auf diese Weise nicht hergestellt werden können. Des Weiteren hat diese schnelle Abkühlung einen negativen Einfluss auf die Gefügeausbildung und damit auf die mechanischen Kennwerte des Werkstücks. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungsansätze zur Behebung dieser Probleme bekannt.
Die DE 44 36 117 C2 beschreibt ein Verfahren zur Temperierung von Spritzgießmaschineneinheiten und Formwerkzeugeinheiten für die Kunststoffverarbeitung. Das dabei eingesetzte Spritzgießwerkzeug weist mehrere Temperierkreisläufe auf, wobei sowohl im Rücklauf als auch im Vorlauf eines jeden Temperierkreislaufs ein mit einer Steuereinheit gekoppelter Temperaturfühler angeordnet ist, mit dem kontinuierlich über die gesamte Zyklusdauer, also über den gesamten Spritzgießvorgang, Temperaturmessungen durchgeführt werden. Dabei kann bereits vor dem ersten Maschinenzyklus eine Zusatzheizung zugeschaltet werden, die in den für den thermischen Betriebszustand relevanten Temperierkreisen die Zeitdauer der Erwärmung auf das angestrebte thermische Niveau minimiert.
In der EP 0 748 679 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzgießen beschrieben, wobei im Bereich des Spritzgießwerkzeugs eine Temperierung durch Zufuhr eines flüssigen Temperiermediums durch Wärmeübertragungskanäle vorgesehen ist. Ein Formeinsatz des Spritzgießwerkzeugs ist relativ zu einem Werkzeugblock thermisch isoliert, wodurch es gemäß der Erfindung lediglich erforderlich sein soll, ein vorgesehenes Temperaturprofil im Bereich der Formeinsätze zu realisieren, die eine wesentlich geringere Masse als der gesamte Werkzeugblock aufweisen. Dadurch sollen für die Temperierung erheblich geringere Energiemengen benötigt werden.
Die DE 60 2005 003 684 T2 bzw. EP 1 563 975 B1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturregelung eines bei einem Spritzgießverfahren eingesetzten Formwerkzeugs. Zum Erwärmen der Gießform des Formwerkzeugs wird ein Medium mit hoher Temperatur in einen Heizmediumkanal der Gießform eingeleitet. Wenn die von einem Gießform-Temperatursensor erfasste Gießformtemperatur einen bestimmten Wert erreicht, wird die Zufuhr des Mediums gestoppt. Zum Abkühlen der Gießform wird ein Medium mit niedriger Temperatur in den Heizmediumkanal der Gießform eingeleitet. Die Zufuhr des Mediums mit niedriger Temperatur wird gestoppt, wenn eine erfasste Gießformtemperatur einen bestimmten Wert erreicht.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur von Gießformen ist in der US 2009/0174101 A1 beschrieben. Dabei ist eine von einem Servomotor angetriebene Pumpe vorgesehen, welche Kühlflüssigkeit von einer Rückführleitung in eine Vorlaufleitung pumpt. Um die Pumpe steuern zu können, ist dieselbe in ein Steuersystem integriert.
Eine weitere Steuerung für die Temperatur eines Gießwerkzeugs ist aus der US 2007/0063061 A1 bekannt. Das von dem Gießwerkzeug zurückgeführte Temperiermedium wird durch einen Aufheiztank geleitet. Gleichzeitig ist ein Abkühltank vorgesehen, um das Temperiermedium zu speichern. Eine Pumpe dient dazu, das in dem Abkühltank gespeicherte Temperiermedium den Aufheiztank zuzuführen.
In der DE 10 2005 019 890 B3 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung von Formwerkzeugen einer Spritzgießmaschine beschrieben. In dem Formwerkzeug sind Temperiermedienkanäle vorgesehen und jeder Temperiermedienkanal ist einer bestimmten Zone des Formwerkzeugs derart zugeordnet, dass die Temperatur einer Zone unabhängig von der Temperatur einer anderen Zone geregelt werden kann. Des Weiteren ist jeder Zone des Formwerkzeugs ein Temperaturfühler zur Bestimmung der Ist-Temperatur der jeweiligen Zone zugeordnet. Während jedes Zyklus zur Fertigung eines Formteils in dem Formwerkzeug werden die Ist-Temperatur, die Temperiermedien-Vorlauftemperatur und der Temperiermedien-Durchfluss kontinuierlich bestimmt, es wird eine Wärmemenge berechnet, die während eines Temperiermedienimpulses von dem Temperiermedium der Zone des Formwerkzeugs zugeführt oder aus dieser abgeführt worden ist, die zugeführte oder abgeführte Wärmemenge wird mittels eines Faktors bewertet und die in einem Zyklus von einem Temperaturmedium der Zone des Formwerkzeugs zugeführte oder aus dieser abgeführte Wärmemenge wird berechnet.
Eine Vorrichtung zum Temperieren von Formwerkzeugen von Spritzgießmaschinen ist in der DE 299 17 075 U1 beschrieben. Zum Takten des Durchflusses von Temperiermedium durch das Formwerkzeug sind in Strömungsrichtung nach in dem Formwerkzeug vorgesehenen Leitungen steuerbare Absperrventile vorgesehen.
Die DE 600 17 309 T2 bzw. EP 1 044 744 B1 betrifft eine Temperaturüberwachungseinheit für Kokillen oder Gießformen zum Druckgießen von Aluminium oder zum Spritzgießen von Kunststoffen. Die Temperaturüberwachungseinheit weist eine Wasser-Speisepumpe auf, die auf einen Druck einstellbar ist, der höher ist als der Verdampfungsdruck des Wassers bei einer vorgewärmten Temperatur des Wassers.
Die DE 10 2005 032 324 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Temperierung einer Spritzgießform, die Kanäle für ein Temperiermedium aufweist. Die Vorrichtung weist ein direkt mit einem Kühl- und einem Heizkreislauf verbundenes Mischventil, ein steuerbares Drosselventil zur Regulierung der Durchflussmenge des Temperiermediums, einen im Rücklauf der Kanäle vorgesehenen Temperaturfühler und einen Durchflussmengenmesser auf. Das Mischventil, der Temperaturfühler und der Durchflussmengenmesser sind mit einer Regeleinheit verbunden.
In der DE 10 2008 062 433 B3 ist ein weiteres Verfahren zur Temperierung eines Spritzgießwerkzeugs beschrieben. Das Spritzgießwerkzeug wird innerhalb eines ersten Zyklenabschnittes aufgeheizt und innerhalb eines zweiten Zyklenabschnittes gekühlt. Als Heiz- und Kühlmedium wird im Nassdampfgebiet gehaltener Flüssigkeitsdampf verwendet, der während des Aufheizens mit hohem und während des Abkühlens mit niedrigem Druck beaufschlagt wird.
Ein Verfahren zum Temperieren des Formnestes einer Gießform ist aus der DE 10 2006 056 025 A1 bekannt. Die Gießform weist Kanäle auf, die wechselweise von einem Heiz- oder einem Kühlfluid durchströmt werden. Um einen optimalen Wärmeübergang zu erreichen, wird bei Beendigung der Kühlphase der Kühlmittelzulauf abgesperrt und Druckluft durch die Kanäle geblasen, um die Kanalwandung vollständig von dem Kühlwasser zu befreien.
Die DE 10 2008 045 006 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur variothermen Temperierung von Spritzgießwerkzeugen. Durch das Spritzgießwerkzeug wird abwechselnd ein heißes und ein kaltes Temperiermedium geleitet, wobei die beiden Temperiermedien in dem Spritzgießwerkzeug bereitgehalten werden und in demselben unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Rückschlagventils aufeinander treffen.
Die DE 10 2007 019 389 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Temperieren eines Formwerkzeugs mit zwei Wärmemedienkreisläufen, die mittels einer Umschaltstation miteinander gekoppelt sind, wodurch zwei unterschiedliche Temperaturen für das Formwerkzeug eingestellt werden können.
Ein weiteres Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Temperieren von Gießformen ist aus der DE 10 2007 013 202 A1 bekannt. Dabei werden Temperatur- und Durchflussdaten in Teilkreisen einer Formhälfte der Gießform erfasst.
In der DE 10 2005 036 437 B3 ist ein Verfahren zum Temperieren von Spritzgießwerkzeugen beschrieben, bei der in jeder Formhälfte wenigstens ein Temperiermediumkanal und wenigstens zwei temperaturregelbare Temperiermedienkreise mit unterschiedlichem Temperaturniveau vorgesehen sind. Um die Produktionsqualität der mit diesen Spritzgießwerkzeugen hergestellten Bauteile hinsichtlich der Fertigungskriterien Abformtiefe sowie radiale und tangentiale Verformung steuern zu können, sind die beiden Temperiermittelkreise der beiden Formhälften synchron zum Spritzzyklus verbindbar.
Nachteilig bei sämtlichen dieser Lösungen ist jedoch der sehr hohe Energieaufwand, um das Spritzgießwerkzeug während des Einspritzvorgangs auf eine hohe Temperatur zu bringen, dasselbe während der Nachdruckphase abzukühlen, um es in der sich anschließenden, sogenannten Restkühlphase noch stärker zu kühlen. Diese hohen elektrischen Leistungen und der damit verbundene Stromverbrauch sind nicht nur sehr umweltschädlich, sondern macht sich auch negativ in den Kosten für ein mit einem solchen Verfahren hergestellten Werkstück bemerkbar. Problematisch ist in diesem Zusammenhang auch die sehr aufwändige Steuerung der Oberflächentemperatur der Kavität.
Ein weiteres Problem tritt beim Anfahren eines aus dem Lager entnommenen Werkzeugs auf, da dieses insbesondere aufgrund seiner hohen zu temperierenden Masse zunächst aufwändig in ein thermisches Gleichgewicht gebracht werden muss, wozu sehr viel Zeit und Energie aufgewendet werden muss.
Bei einigen der oben angegebenen Lösungen wird die Kavität induktiv erwärmt, was zwar zu kürzeren Aufheizzeiten führen kann, jedoch einen noch höheren Aufwand erfordert, da das spätere Abkühlen des Spritzgießwerkzeugs nicht induktiv durchgeführt werden kann, so dass eine zusätzliche Kühleinrichtung in das Spritzgießwerkzeug integriert werden muss, um das Werkstück auf Entformungstemperatur zu bringen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs zu schaffen, mit welchen es bei geringem Energieeinsatz möglich ist, hochwertige Werkstücke aus thermoplastischen Materialien mittels Spritzgießen herzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass bei der Einleitung des flüssigen Thermoplasts in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs die Abgabe thermischer Energie aus dem flüssigen Thermoplast an das Spritzgießwerkzeug stark verringert wird, wodurch der flüssige Thermoplast im Wesentlichen nur die Oberfläche der Kavität erwärmt. Dadurch erreicht dieselbe sehr schnell eine hohe Temperatur, die jedoch nicht an die restliche Masse des Spritzgießwerkzeugs abgegeben wird, so dass die für die Qualität der hergestellten Werkstücke entscheidende hohe Temperatur der Oberfläche der Kavität, die teilweise die Temperatur der Thermoplastschmelze erreichen kann, erhalten bleibt. Dadurch wird verhindert, dass sich der flüssige Thermoplast bereits während des Einspritzens unmittelbar an der Oberfläche der Kavität verfestigt, was im weiteren Verfahren zu einer gleichmäßigen Aushärtung des Thermoplasts und damit zu einer besseren Qualität des Werkstücks führt. Insbesondere Werkstücke mit filigranen Oberflächen können auf diese Weise zuverlässig hergestellt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, dass allein der flüssige Thermoplast die thermische Energie zum Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur der Werkzeugoberfläche liefert, wodurch auf ein Aufheizen des Werkzeugs mittels eines Temperiermediums oder dergleichen verzichtet werden kann. Vielmehr wird die Temperatur der Werkzeugoberfläche ausschließlich über die Abfuhr der Wärmemenge von derselben gesteuert. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, dass die zur Verflüssigung des Thermoplasts aufgewendete Energie zum Aufheizen der Oberfläche der Kavität eingesetzt wird, was zu einer besonders effektiven Ausnutzung der eingesetzten Energie führt und damit auch zu einer Kosteneinsparung beiträgt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche der Kavität so schnell erwärmt, dass ein bislang erforderlicher Anfahrvorgang, um das Spritzgießwerkzeug in einen Zustand zu bringen, in dem es für eine Serienfertigung eingesetzt werden kann, nicht mehr durchgeführt werden muss, was zusätzlich Energie einspart und eine kürzere Fertigungszeit ermöglicht.
Um eine rasche Abkühlung der Oberfläche der Kavität und damit eine schnelle Erstarrung des flüssigen Thermoplasts zu erreichen, kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass nach der Einleitung des flüssigen Thermoplasts in die Kavität ein Kühlmedium in wenigstens einen unmittelbar benachbart zu der Kavität angeordneten Hohlraum eingeleitet wird.
Die Abkühlung der Thermoplastschmelze und damit die Erstarrung derselben kann beeinflusst werden, wenn die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Turbulenz des Kühlmediums über der Zeit verändert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, dass in wenigstens einen unmittelbar benachbart zu der Kavität angeordneten Hohlraum zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität Luft eingeleitet wird. Durch das Einleiten von Luft in den benachbart zu der Kavität angeordneten Hohlraum wird eine Isolationswirkung erreicht, die die Abgabe von thermischer Energie an das Spritzgießwerkzeug stark verringert und somit die gewünschte hohe Temperatur der Oberfläche der Kavität gewährleistet.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem unmittelbar benachbart zu der Kavität angeordneten Hohlraum zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität ein Unterdruck angelegt wird. Auch durch das Anlegen eines Unterdrucks kann eine Isolierwirkung der Kavitätsoberfläche gegen das restliche Material des Spritzgießwerkzeugs erreicht werden, was ebenfalls das Erreichen einer hohen Temperatur der Oberfläche der Kavität allein aufgrund der thermischen Energie des flüssigen Thermoplasts ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit, die hohe Temperatur der Werkzeugoberfläche beizubehalten, kann darin bestehen, dass in wenigstens einen unmittelbar benachbart zu der Kavität angeordneten Hohlraum zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität ein Wärme abgebendes Medium eingeleitet wird. Der wenigstens eine Hohlraum kann also für unterschiedliche Medien genutzt werden, um eine optimale Temperierung des Spritzgießwerkzeugs zu erreichen.
Eine Möglichkeit zur Steuerung des erfindungsgemäßen Temperierverfahrens kann darin bestehen, dass mittels wenigstens eines an der Oberfläche der Kavität angeordneten Temperaturfühlers die Abfuhr von Wärme aus dem Spritzgießwerkzeug gesteuert wird.
Um das Verfahren an bestimmte Parameter, wie Teilequalität, Fertigungszeit und/oder Energieverbrauch, anpassen zu können, können des Weiteren eine optimale Spitzentemperatur an der Oberfläche der Kavität und/oder eine Abkühlkurve überwacht werden.
Eine Vorrichtung zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 9.
Die erfindungsgemäße Anordnung wenigstens eines Hohlraums unmittelbar benachbart zu der Kavität in welcher das aus dem flüssigen Thermoplast zu bildende Werkzeug hergestellt wird, ermöglicht eine sehr effektive Temperierung der Kavität, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Durch die Hohlräume wird außerdem ein zu starker Wärmeentzug durch das Spritzgießwerkzeug aus dem Thermoplast verhindert.
Wenn in einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist, dass der wenigstens eine Hohlraum der Kontur der Kavität wenigstens annähernd folgt, so können die an den Hohlraum gestellte Anforderungen, nämlich einerseits eine gute Isolationswirkung und andererseits eine gute Wärmeübertragung, besonders effektiv erfüllt werden.
Im Hinblick auf die Isolations- bzw. Wärmeübertragungswirkung von der Kavität zu dem Hohlraum bzw. umgekehrt hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der wenigstens eine Hohlraum einen Abstand von 0,3–5 mm, vorzugsweise 0,5–3 mm, von der Kavität aufweist.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Hohlraum durch Lasersintern oder Lasergenerieren hergestellt ist. Gerade wenn geringe Abstände und damit filigrane Strukturen gefordert sind, lassen sich derartige Strukturen mittels Lasersintern oder Lasergenerieren besonders exakt herstellen.
Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Zufuhr und/oder Abfuhr eines Mediums in und/oder aus dem wenigstens einen Hohlraum ergeben.
Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung bestimmter Verfahrensparameter ergibt sich, wenn an der Oberfläche der Kavität wenigstens ein Temperaturfühler angeordnet ist.
Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn der wenigstens eine Temperaturfühler mit der Steuereinrichtung verbunden ist, da auf diese Weise eine Steuerung durchgeführt werden kann.
Um die Abgabe thermischer Energie an das Spritzgießwerkzeug noch weiter zu verringern, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass ein die Kavität bildender Abschnitt des Spritzgießwerkzeugs von jeweiligen Werkzeugrahmen thermisch entkoppelt ist. Dadurch muss vorteilhafterweise eine sehr viel geringere Masse temperiert werden, was eine noch schnellere Temperierung ermöglicht und den erforderlichen Energieeinsatz verringert.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperierung desselben.
1 zeigt ein Spritzgießwerkzeug 1, welches einen Formhohlraum bzw. eine Kavität 2 zur Aufnahme von flüssigem Thermoplast aufweist. Die Kavität 2 wird durch zwei im geschlossenen Zustand des Spritzgießwerkzeugs 1 miteinander in Verbindung stehende bzw. aneinander anliegende Werkzeughälften 3a und 3b gebildet. Die beiden Werkzeughälften 3a und 3b, die den die Kavität 2 bildenden Abschnitt des Spritzgießwerkzeugs 1 darstellen und vorzugsweise aus einem metallischen Material bestehen, sind an jeweiligen Werkzeugrahmen 4a und 4b angebracht und mittels derselben verfahrbar, um die Kavität 2 zu öffnen oder zu verschließen. Von den Werkzeugrahmen 4a, 4b sind die Werkzeughälften 3a, 3b mittels jeweiliger Isolierplatten 5a, 5b thermisch entkoppelt. Die zum Bewegen der Werkzeugrahmen 4a, 4b notwendigen Einrichtungen sind in 1 nicht dargestellt, können jedoch von an sich bekannter Bauart sein.
Aus der Schnittdarstellung von 1 geht des Weiteren hervor, dass sich in einer der Werkzeughälften 3a, 3b, im vorliegenden Fall in der Werkzeughälfte 3b, ein Zulauf 6 befindet, über den der flüssige Thermoplast mittels eines nicht dargestellten Spritzaggregats in die Kavität 2 eingeleitet bzw. eingespritzt wird. Die Werkzeughälfte 3a, in der der Zulauf 6 nicht vorgesehen ist, kann einen nicht dargestellten Auswerfer zum Auswerfen eines in der Kavität 2 hergestellten, ebenfalls nicht dargestellten Werkstücks aufweisen. Die zum Verflüssigen des Thermoplasts und zum Einspritzen desselben in die Kavität 2 erforderlichen Einrichtungen sind in 1 nicht dargestellt. Je nach Art des verwendeten Thermoplasts kann dieser im flüssigen Zustand eine Temperatur von 180 bis zu 400°C aufweisen.
Des Weiteren ist unmittelbar benachbart zu der Kavität 2 wenigstens ein Hohlraum 7 angeordnet. Im vorliegenden Fall sind entlang der gesamten Oberfläche der Kavität 2 eine Vielzahl von Hohlräumen 7 vorgesehen, die in der Art eines Kanalsystems bzw. eines Kanalnetzes ausgeführt sein können. Vorzugsweise folgen die Hohlräume 7 der Kontur der Kavität 2 wenigstens annähernd. Der Abstand der Hohlräume 7 von der Oberfläche der Kavität 2 beträgt im vorliegenden Fall 0,3 bis 5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 3 mm. Durch diesen geringen Abstand der Hohlräume 7 von der Oberfläche der Kavität 2 ergibt sich ein sehr schmaler Bereich entlang der gesamten Oberfläche der Kavität 2, der einen Wärmeabfluss von der Oberfläche der Kavität 2 weg in den restlichen Bereich des Spritzgießwerkzeugs 1 verhindert und somit für eine hohe Temperatur der Oberfläche der Kavität 2 sorgt. Der minimal mögliche Abstand der Hohlräume 7 von der Oberfläche der Kavität 2 hängt unter anderem von der auf die Werkzeughälften 3a und 3b durch den flüssigen Thermoplast aufgebrachten Druck und von dem Material des Spritzgießwerkzeugs 1 ab. In jedem Fall sollten die Werkzeughälften 3a und 3b so konstruiert sein, dass sie eine ausreichende Steifigkeit aufweisen. Die Abgabe von thermischer Energie aus dem flüssigen Thermoplast an das Spritzgießwerkzeug 1 kann unter anderem auch durch eine geeignete Wahl des Materials des Spritzgießwerkzeugs 1, insbesondere was dessen Wärmeleitfähigkeit anbelangt, verringert werden. Beispielsweise könnte ein Material mit einer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit für das Spritzgießwerkzeug 1 eingesetzt werden. Auch der Einsatz eines Mehrkomponentenwerkstoffs für das Spritzgießwerkzeug 1 ist denkbar, wobei ein Material mit einer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit die Oberfläche der Kavität 2 bildet.
Um diesen geringen Abstand mit einer hohen Genauigkeit einhalten zu können, werden die Hohlräume 7 vorzugsweise durch Lasersintern oder Lasergenerieren hergestellt. Hierzu wird ein Metallpulver mit einem Laserstrahl beaufschlagt und geschmolzen, um die jeweilige Werkzeughälfte 3a oder 3b zu bilden. An denjenigen Stellen, an denen die Hohlräume 7 entstehen sollen, findet keine Beaufschlagung des Metallpulvers durch die Laserstrahlung statt, so dass an diesen Stellen auch kein festes Material gebildet wird. Stattdessen wird nach dem Lasersintern bzw. Lasergenerieren das nicht geschmolzene Pulver aus dem restlichen Material entfernt, wodurch die Hohlräume 7 entstehen. Auf diese Weise lassen sich sehr feine und auch geometrisch aufwändige Hohlräume 7 herstellen.
Prinzipiell wäre es auch möglich, die Hohlräume 7 durch eine schwammartige Struktur zu bilden, die beispielsweise in einem physikalischen Prozess durch Einbringen von Gasen in ein Material erzeugt werden kann.
Aus 1 geht des Weiteren hervor, dass die Hohlräume 7 mit einem Zulauf 8 und einem Ablauf 9 verbunden sind, durch welche verschiedene Medien in die Hohlräume 7 ein- und aus denselben abgeführt werden können. Der Zulauf 8 und der Ablauf 9 sind mit einer sehr schematisch dargestellten Steuereinrichtung 10 verbunden, mit welcher die Zufuhr und/oder Abfuhr des Mediums in und/oder aus den Hohlräumen 7 gesteuert werden kann. Vorzugsweise sind an die Hohlräume 7 mehr als ein Zulauf 8 und mehr als ein Ablauf 9 angeschlossen, die allesamt durch die Steuereinrichtung 10 gesteuert werden können. Insbesondere kann jede der Werkzeughälften 3a, 3b einen separaten Zulauf 8 und einen separaten Ablauf 9 aufweisen, sodass für jede der Werkzeughälften 3a, 3b ein separates Temperiersystem vorhanden ist. Des Weiteren ist an der Oberfläche der Kavität 2 ein Temperaturfühler 11 angeordnet, der ebenfalls mit der Steuereinrichtung 10 verbunden ist. Selbstverständlich können an der Oberfläche der Kavität 2 auch mehrere Temperaturfühler 11 angeordnet sein, von denen einige oder alle mit der Steuereinrichtung 10 verbunden sein können.
Die Hohlräume 7 bilden zusammen mit dem Zulauf 8, dem Ablauf 9, der Steuereinrichtung 10 und dem wenigstens einen Temperaturfühler 11 zusammen mit zu einem späteren Zeitpunkt noch erwähnten Elementen eine Vorrichtung zur Temperierung des Spritzgießwerkzeugs 1. Mit dieser Vorrichtung kann ein nachfolgend näher beschriebenes Verfahren zur Temperierung des Spritzgießwerkzeugs 1 durchgeführt werden. Bei dem Verfahren wird, wie nachfolgend beschrieben, mit einem sehr geringen Energieeinsatz eine Temperierung des Spritzgießwerkzeugs 1 erreicht, bei welcher die Abkühlzeit des in der Kavität 2 hergestellten Werkstücks und die Qualität desselben beeinflusst werden kann.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren zur Temperierung des Spritzgießwerkzeugs 1 bzw. zur Herstellung eines Werkstücks aus einem flüssigen Thermoplast weist drei wesentliche Phasen auf, nämlich eine Einspritzphase, in der der flüssige Thermoplast in die Kavität 2 eingespritzt wird, eine Nachdruckphase, in der der Thermoplast verdichtet wird, um die Kavität 2 möglichst vollständig auszufüllen und um eine sich durch die Abkühlung des Thermoplasts ergebende Schwindung auszugleichen, und eine sich daran anschließende Restkühlphase, in der der Thermoplast derart abgekühlt wird, dass das aus dem Thermoplast gebildete Werkstück aus der Kavität 2 entnommen werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Oberflächentemperatur der Kavität 2 den einzelnen Phasen der Herstellung des Werkstücks angepasst werden.
In Abhängigkeit vom herzustellenden Werkstück weisen die einzelnen Phasen unterschiedliche zeitliche Längen auf. Beispielsweise kann bei einer Gesamtdauer des Herstellungsverfahrens von 1 min die Einspritzphase 1 s, die Nachdruckphase 9 s und die Restkühlphase 40 s dauern, wobei weitere 10 s auf das Öffnen und Schließen des Spritzgießwerkzeugs 1 sowie auf das Ausformen verfallen können. Selbstverständlich sind diese Zahlen als rein beispielhaft zu verstehen.
Bei dem Verfahren wird bei der Einleitung des flüssigen Thermoplasts in die Kavität 2 des Spritzgießwerkzeugs 1 die Abgabe der in dem flüssigen Thermoplast enthaltenen thermischen Energie an das Spritzgießwerkzeug 1 stark verringert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass in die Hohlräume 7 zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität 2 Luft eingeleitet wird, oder dass in den Hohlräumen 7 zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität 2 ein Unterdruck angelegt wird. Mit dem Begriff ”Unterdruck” ist dabei jeder Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks bis hin zu einem Vakuum zu verstehen. Hierzu könnten an den Zulauf 8 und an den Ablauf 9 entsprechende Einrichtungen, wie beispielsweise Pumpen, angeschlossen werden, mit denen ein geeigneter Unterdruck erzeugt werden kann. Diese Einrichtungen können ebenfalls mit der Steuereinrichtung 10 in Wirkverbindung stehen, um in geeigneter Weise gesteuert werden zu können.
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung der Abgabe thermischer Energie aus dem flüssigen Thermoplast an das Spritzgießwerkzeug 1 kann darin bestehen, dass in die Hohlräume 7 zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität 2 ein wärmeabgebendes Medium eingeleitet wird.
Des Weiteren könnte die Abgabe thermischer Energie aus dem in die Kavität eingespritzten flüssigen Thermoplast an die große Masse des Spritzgießwerkzeugs 1 dadurch verhindert werden, dass die Oberfläche der Kavität 2 so verändert wird, dass zum Zeitpunkt des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität 2 die Oberfläche der Kavität 2 keine Wärme leitet, wohingegen sie nach dem Einspritzen, d. h. in der Nachdruckphase, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dies könnte beispielsweise durch Aufbringen eines elektrischen Impulses auf die Oberfläche der Kavität 2 realisiert werden, um die Wärmeleiteigenschaften derselben zu verändern. Hierzu könnte die Oberfläche der Kavität 2 eine geeignete, vorzugsweise sehr dünne Beschichtung aufweisen, deren wärmeleitenden Eigenschaften durch einen elektrischen Impuls oder gegebenenfalls auch auf andere Weise geändert werden können. Die Beschichtung könnte zum Beispiel aus einem geeigneten Halbleitermaterial bestehen.
Während der Nachdruckphase und insbesondere in der Restkühlphase, also nach der Einleitung des flüssigen Thermoplasts in die Kavität 2, wird in die Hohlräume 7 ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, eingeleitet, um die Temperatur der Oberfläche der Kavität 2 zu verringern und damit das aus dem in die Kavität eingespritzten Thermoplast gebildete Werkstück abzukühlen, sodass dieses schneller aus der Kavität 2 entnommen werden kann. Über der Zeit, d. h. abhängig von der jeweiligen Fertigungsphase, kann die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Turbulenz des Kühlmediums verändert werden, um die Abfuhr von Wärme aus dem Spritzgießwerkzeug und damit die Temperatur der Oberfläche der Kavität 2 zu steuern. Bei einer höheren Turbulenz des Kühlmediums ist eine bessere Wärmeabfuhr möglich, wobei auch gezielt eine Strömungsgeschwindigkeit von 0, d. h. ein Stillstand des Kühlmediums eingestellt werden kann, um die Wärmeabfuhr zu verringern. Für diese Steuerung der Abfuhr von Wärme aus dem Spritzgießwerkzeug 1 während der Nachdruck- und der Restkühlphase kann auch der wenigstens eine, mit der Steuereinrichtung 10 verbundene Temperaturfühler 11 eingesetzt werden. Dabei kann durch eine Variierung der Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Turbulenz des Kühlmediums die Maximaltemperatur an der Oberfläche der Kavität 2 sowie das sich in einer Abkühlkurve widerspiegelnde Abkühlverhalten in der Nachdruckphase und/oder der Restkühlphase beeinflusst werden.
In Abhängigkeit von Parametern wie Teilequalität, Fertigungszeit und/oder Energieverbrauch können des Weiteren die optimale Spitzentemperatur an der Oberfläche der Kavität 2 und/oder die nachfolgende Abkühlkurve überwacht, d. h. gesteuert und/oder geregelt, werden.
Durch den oben beschriebenen geringen Abstand der Hohlräume 7 von der Oberfläche der Kavität 2 kann das Kühlmedium für eine besonders effektive Kühlung des Werkstoffs innerhalb der Kavität 2 sorgen.
Auch zum Ein- und Ausleiten des Kühlmediums sowie zur Steuerung der Menge und/oder der Strömungsgeschwindigkeit desselben können an den Zulauf 8 und an den Ablauf 9 entsprechende Einrichtungen, wie zum Beispiel Pumpen, angeschlossen sein, die wiederum mit der Steuereinrichtung 10 verbunden sein können, um eine Steuerung derselben zu erreichen.
Prinzipiell ist es auch möglich, die Hohlräume 7 in zwei oder mehreren Kanalsystemen vorzusehen, in denen sich unterschiedliche Medien befinden bzw. durch welche unterschiedliche Medien hindurchgeleitet werden. Insbesondere kann es sich dabei um Medien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten handeln. Dadurch kann mittels der Hohlräume 7 je nach Erfordernis eine Abkühlung oder eine Erwärmung der Oberfläche der Kavität 2 erreicht werden. Durch die Einleitung eines wärmeabgebenden Mediums in den wenigstens einen Hohlraum kann in Fällen, in denen die thermische Energie des in die Kavität 2 eingespritzten Thermoplasts nicht für eine ausreichende Erwärmung der Oberfläche der Kavität 2 ausreicht, eine zusätzliche Erwärmung erreicht werden. Möglicherweise kann es sich dabei um ein Medium handeln, das während der Restkühlphase zuvor erwärmt wurde. Vorzugsweise wird also in der Einspritzphase ein isolierendes Medium in den Hohlraum eingeleitet, während in der Nachdruck- und/oder Restkühlphase ein Medium eingebracht wird, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die genaue Zusammensetzung der in den Hohlraum 7 eingeleiteten Medien hängt dabei vom jeweiligen Anforderungsfall ab. Möglicherweise kann es sich auch um ein Medium handeln, welches durch bei einer Änderung seines Aggregatzustands Wärme aufnimmt oder abgibt.
In dem genannten Fall zweier unabhängiger Hohlraumsysteme mit entsprechenden Hohlräumen 7 kann sich zwischen der Oberfläche der Kavität 2 und den für die Kühlung während der Nachdruck- und/oder Restkühlphase vorgesehenen Hohlräumen, die das eigentliche Kühlsystem bilden, eine weitere, mit Hohlräumen 7 durchzogene Schicht befinden. Die Hohlräume 7 dieser Schicht können, wie bereits erwähnt, mit Medien unterschiedlicher Wärmeleitung gefüllt sein. Statt einer Strömung innerhalb der Hohlräume 7 kann auch, in Abhängigkeit davon, welches Medium in der jeweiligen Phase bzw. zum jeweiligen Zeitpunkt benötigt wird, nur ein reiner Austausch zwischen den einzelnen Medien stattfinden. Durch unterschiedliche Medien mit unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften kann die Wärmeleitung der dünnen, der Oberfläche der Kavität 2 benachbarten Schicht beeinflusst bzw. eingestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4436117 C2 [0003]
EP 0748679 A1 [0004]
DE 602005003684 T2 [0005]
EP 1563975 B1 [0005]
US 2009/0174101 A1 [0006]
US 2007/0063061 A1 [0007]
DE 102005019890 B3 [0008]
DE 29917075 U1 [0009]
DE 60017309 T2 [0010]
EP 1044744 B1 [0010]
DE 102005032324 A1 [0011]
DE 102008062433 B3 [0012]
DE 102006056025 A1 [0013]
DE 102008045006 A1 [0014]
DE 102007019389 A1 [0015]
DE 102007013202 A1 [0016]
DE 102005036437 B3 [0017]

Claims

Verfahren zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Einleitung von flüssigem Thermoplast in eine Kavität (2) des Spritzgießwerkzeugs (1) die Abgabe thermischer Energie aus dem flüssigen Thermoplast an das Spritzgießwerkzeug (1) stark verringert wird, und dass die Temperatur der Oberfläche der Kavität (2) des Spritzgießwerkzeugs (1) ausschließlich über die Abfuhr von Wärme aus dem Spritzgießwerkzeug (1) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Einleitung des flüssigen Thermoplasts in die Kavität (2) ein Kühlmedium in wenigstens einen unmittelbar benachbart zu der Kavität (2) angeordneten Hohlraum (7) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit und/oder die Turbulenz des Kühlmediums über der Zeit verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einen unmittelbar benachbart zu der Kavität (2) angeordneten Hohlraum (7) zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität (2) Luft eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem unmittelbar benachbart zu der Kavität (2) angeordneten Hohlraum (7) zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität (2) ein Unterdruck angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einen unmittelbar benachbart zu der Kavität (2) angeordneten Hohlraum (7) zumindest während des Einspritzens von Thermoplast in die Kavität (2) ein Wärme abgebendes Medium eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens eines an der Oberfläche der Kavität (2) angeordneten Temperaturfühlers (11) die Abfuhr von Wärme aus dem Spritzgießwerkzeug (1) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine optimale Spitzentemperatur an der Oberfläche der Kavität (2) und/oder eine Abkühlkurve überwacht werden.
Vorrichtung zur Temperierung eines bei der Herstellung von Werkstücken aus Thermoplast eingesetzten Spritzgießwerkzeugs, welches eine Kavität zur Aufnahme von flüssigem Thermoplast aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar benachbart zu der Kavität (2) wenigstens ein Hohlraum (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hohlraum (7) der Kontur der Kavität (2) wenigstens annähernd folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hohlraum (7) einen Abstand von 0,3–5 mm, vorzugsweise 0,5–3 mm, von der Kavität (2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hohlraum (7) durch Lasersintern oder Lasergenerieren hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (10) zur Steuerung der Zufuhr und/oder Abfuhr eines Mediums in und/oder aus dem wenigstens einen Hohlraum (7).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche der Kavität (2) wenigstens ein Temperaturfühler (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Temperaturfühler (11) mit der Steuereinrichtung (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Kavität (2) bildender Abschnitt des Spritzgießwerkzeugs (1) von jeweiligen Werkzeugrahmen (4a, 4b) thermisch entkoppelt ist.