DE102012005687A1

DE102012005687A1 - Injection molding tool for manufacturing compact disks, has ceramic inserts adjustably and back-fillably designed, formed from high-friction resistant, mechanically loadable ceramic, and arranged in nozzle-side and ejector-side tool inserts

Info

Publication number: DE102012005687A1
Application number: DE201210005687
Authority: DE
Inventors: Gabor Jüttner; Annerose Stübiger; Peter Bloß
Original assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Current assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: DE102012005687B4

Abstract

The tool has ceramic inserts (7, 8) including a diameter ranging from 0.5 mm to 20 mm, preferably 2 mm to 5 mm. The ceramic inserts are formed from high-friction resistant, mechanically loadable ceramic i.e. yttrium-stabilized zirconium oxide with a thermal conductivity of less than 3 watts per meter Kelvin, a Vickers hardness of 1250 Vickers pyramid number 10, and a sinter density of 6.05 g per cubic cm. The ceramic inserts are adjustably and back-fillably designed, and arranged in a nozzle-side tool insert (5) and an ejector-side tool insert (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug mit Keramikeinsätzen zur Fertigung von Kunststoff-Formteilen, insbesondere von Kunststoff-Formteilen mit extrem unterschiedlich dimensionierten Wanddickenbereichen durch Spritzgießen in einem Verarbeitungsschritt. Bei solchen Formteilgestaltungen folgen auf normal dicke Wandbereiche sehr dünne Wandbereiche, oder dicke Wandbereiche werden über sich anschließende sehr dünne Wandbereiche miteinander verbunden, wobei die dünnen Wandbereiche großflächig ausgebildet sein können und ein großes Fließweg-Wanddickenverhältnis aufweisen.The invention relates to an injection mold with ceramic inserts for the production of plastic moldings, in particular of plastic moldings with extremely different sized wall thickness ranges by injection molding in a processing step. In such shaped part designs very thin wall areas follow on normally thick wall areas, or thick wall areas are connected to each other via adjoining very thin wall areas, wherein the thin wall areas can be formed over a large area and have a large flow path wall thickness ratio.

Das Spritzgießen von Formteilen mit extrem dünnen Wanddicken, z. B. bis 0,1 mm, scheitert bisher in der Praxis an der zu schnellen Erstarrung der Polymerschmelze bei der Formfüllung. Gewöhnlich wird beim Spritzguss mit konturnaher Werkzeugtemperierung weit unterhalb der Schmelzetemperatur gearbeitet. Nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille gilt für viskose Massen, dass bei rechteckigen Querschnitten der Spritzdruck überproportional mit abnehmender Wanddicke zunimmt. Für die Abschätzung der maximalen Fließweglänge bzw. der Füllbarkeit einer Form dient daher das sog. Fließweg-Wanddickenverhältnis. Als Erfahrungswert gilt in der Praxis für leicht fließende Formmassen ein Fließweg-Wanddickenverhältnis von 1:250, für mittel fließende Formmassen 1:150 und für schwer fließende Formmassen 1:100.The injection molding of moldings with extremely thin wall thicknesses, z. B. to 0.1 mm, fails so far in practice to the rapid solidification of the polymer melt in the mold filling. In the case of injection molding with mold-near mold temperature control, the temperature is usually far below the melt temperature. According to the law of Hagen-Poiseuille, for viscous masses, the injection pressure increases disproportionately with decreasing wall thickness for rectangular cross-sections. For the estimation of the maximum flow path length or the fillability of a mold, therefore, the so-called flow path wall thickness ratio is used. Experience in practice for flowable molding compositions is a flow path wall thickness ratio of 1: 250, for medium flowing molding materials 1: 150 and for heavy flowing molding materials 1: 100.

Aus der Praxis ist weiterhin das Dünnwandspritzgießen bekannt. Der Stand der Technik beim Dünnwandspritzguss ist wie folgt zu beschreiben. Mit abnehmender Wanddicke des Formteiles steigt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Je geringer die Wanddicke des Kunststoffformteils, desto höher wird die Abkühlgeschwindigkeit. Da die Abkühlung der Formmasseschmelze mit der Formfüllung beginnt, muss die konturbildende Werkzeugkavität gefüllt sein, bevor eine zu starke Viskositätserhöhung der plastischen Seele durch die Abkühlung statt gefunden hat. Die Füllung extrem dünner Wandbereiche scheitert beim Spritzgießen bisher am Fließ- und Erstarrungsverhalten der Polymerschmelze.From practice, furthermore, thin-wall injection molding is known. The state of the art in thin-wall injection molding is described as follows. As the wall thickness of the molded part decreases, the ratio of surface to volume increases. The smaller the wall thickness of the plastic molding, the higher the cooling rate. Since the cooling of the molding material melt begins with the mold filling, the contour-forming tool cavity must be filled before an excessive increase in viscosity of the plastic soul has taken place by the cooling. The filling of extremely thin wall areas fails in injection molding so far on the flow and solidification behavior of the polymer melt.

Bei der Fertigung von Formteilen mit längeren, dünnwandigen Formteilbereichen verschiebt sich das Verarbeitungsfensters daher zu höheren Werten bei Einspritzgeschwindigkeiten, Drücken und Massetemperaturen. Dies erfordert häufig den Einsatz anderer, teurerer und aufwändigerer Maschinentechnik. Es werden z. B. Spritzgießmaschinen mit steiferen Maschinenkonstruktionen, Maschinen, die kürzere Zykluszeiten, höhere Plastifizierleistungen (z. B. Hochgeschwindigkeitsantriebe für die Schnecken), höhere Einspritzleistungen und Spritzdrücke sowie den Simultanbetrieb von Schließ- und Einspritzeinheit ermöglichen, benötigt. Wenn die Grenze des Verarbeitungsfensters überschritten wird, wird häufig die Investition in eine Maschine mit höherer Schließkraft nötig. Sehr dünne Wanddickenbereiche können zusätzlich Auswirkungen auf die Werkzeugtechnik wie eine steifere Werkzeugkonstruktion, engere Toleranzen bei der Plattenparallelität und Plattendurchbiegung, variotherme Werkzeugtemperierung, Segmentierung der Werkzeugtemperierung und evtl. Werkzeugbeschichtungen, haben. Um diese erhöhten Kosten zu umgehen, wird in den meisten Fällen schon bei der Konstruktion des Formteils eine Kombination von normal dicken und sehr dünnen Wanddickenbereichen vermieden. Dies entspricht auch der in der Praxis üblichen Konstruktionsregel für Spritzgießformteile, nach der eine möglichst einheitliche Wanddicke anzustreben ist. Beim Dünnwandspritzguss verschiebt sich das Verarbeitungsfenster und führt zu größerer Beanspruchung der Spritzgießmaschine, des Spritzgießwerkzeuges und der Formmasseschmelze mit negativen Auswirkungen auf Energieverbrauch und Verschleiß. Häufig wird in diesem Fall die Investition in geeignete Maschinen- bzw. Werkzeugtechnik notwendig. Nach dem Dünnwandspritzguss-Verfahren werden daher in der Regel nur Formteile mit einheitlich, gleichmäßig dünnen Wandbereichen gespritzt. Für Formteile mit extrem unterschiedlichen Wanddickenbereichen bedeutet dies, dass sie nicht einstückig und kostengünstig nach dem Spritzgießverfahren herstellbar sind, sondern dass die Formteilsegmente unterschiedlicher Wanddicke einzeln gefertigt werden und anschließend durch ein geeignetes Fügeverfahren wie Schweißen, Kleben o. ä. miteinander verbunden werden müssen.In the production of molded parts with longer, thin-walled molding sections, the processing window therefore shifts to higher values at injection speeds, pressures and melt temperatures. This often requires the use of other, more expensive and more complex machine technology. There are z. As injection molding machines with stiffer machine designs, machines that allow shorter cycle times, higher plasticizing performance (eg, high-speed screw drives), higher injection and injection pressures and the simultaneous operation of closing and injection unit required. If the limit of the processing window is exceeded, the investment in a machine with higher clamping force is often necessary. Very thin wall thickness ranges can also have an impact on tool technology, such as a stiffer tool design, tighter plate parallelism and plate deflection tolerances, variotherm tool tempering, tool temper segmentation, and possibly tool coatings. To avoid these increased costs, a combination of normally thick and very thin wall thickness ranges is avoided in most cases already during the construction of the molded part. This also corresponds to the usual in practice design rule for injection moldings, according to which a uniform wall thickness is desirable. In thin-wall injection molding, the processing window shifts and leads to greater stress on the injection molding machine, the injection mold and the molten mass with negative effects on energy consumption and wear. Often, investment in suitable machine or tool technology is necessary in this case. After the thin-wall injection molding process, therefore, only molded parts with uniform, uniformly thin wall regions are usually sprayed. For molded parts with extremely different wall thickness ranges, this means that they are not produced in one piece and inexpensively by injection molding, but that the molding segments of different wall thickness are manufactured individually and then by a suitable joining method such as welding, gluing o.

Der Vorteil, den die Spritzgießtechnik in Bezug auf rationelle und preisgünstige Serienproduktion eines vollständigen Formteils in einem Schuss bietet, kann damit nicht genutzt werden. Die Verwendung von Keramik und Keramikbauteilen in Spritzgießwerkzeugen, ist an sich bekannt, wobei hier die guten Isoliereigenschaften der Keramik beim Wärmetransport und zur Vermeidung von Temperaturverlusten im Spritzgießwerkzeug genutzt werden. So werden nach der DE 20 2004 009 742 U1 Heizelemente aus elektrisch leitfähiger Keramik in Spritzgießwerkzeugen für die konturnahe Temperierung eingesetzt. Aus der DE 102 61 498 B4 ist bekannt, dass die Kavität und/oder die Formkerne von Werkzeugen zur Verbesserung der Temperierung mit einer keramischen Beschichtung versehen sind. Zur Unterstützung des Wärmetransportes in Mikrospritzgießwerkzeugen werden integrierte Halbleiterelemente verwendet, die nach dem Anlegen einer Spannung einen Wärmetransfer im Spritzgießwerkzeug durch den Peltier-Effekt bewerkstelligen. Teile des Werkzeuges bestehen zur Optimierung der thermischen Verhältnisse aus Keramik, DE 376 297 07 U1 . Weiter wird in der DE 602 09 080 T2 ein Heißpresswerkzeug zur Verarbeitung von harzgetränkten Faserverbundwerkstoffen (Prepregs) beschrieben. Das Presswerkzeug besitzt eine Induktionsheizung und ist zur Erhöhung der Standzeit und Verschleißfestigkeit mit einer Keramikbeschichtung ausgestattet. Aus der DE 694 12 654 T2 ist ein Spritzgießwerkzeug zur Fertigung dünner, großflächiger Formteile, wie z. B. CD-Scheiben, bekannt, die mit hoher Abformgenauigkeit und Oberflächenflächenqualität auf einer Standardmaschine spritzgegossen werden sollen. Zur Erreichung dieser Eigenschaften ist die Werkzeugkavität mit einer Isolierschicht aus Keramikmaterialien, Porzellanemaille oder Glasmaterialien beschichtet während der Werkzeugkern mit einer Isolierschicht mit Trennfunktion ausgestattet ist. Diese Beschichtung wirkt wärmeisolierend und erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Trennmittels und besteht aus einem Fluorkohlenstoffharz- oder Silikonharzverbundwerkstoff. Verfahrenstechnisch wird so erreicht, dass sich das Formteil beim Abkühlen schneller und zuerst vom Werkzeugkern löst während die konturtragende Seite des Formteiles noch in der Werkzeugkavität verbleibt, dort gleichmäßig abkühlt, und mit einer hochglänzenden Oberfläche ohne Einfallstellen aus der Kavität entnommen werden kann.The advantage that the injection molding technology offers in terms of efficient and cost-effective mass production of a complete molded part in one shot can not be used with it. The use of ceramic and ceramic components in injection molds, is known per se, in which case the good insulating properties of the ceramic during heat transfer and to avoid temperature losses in the injection mold can be used. So be after the DE 20 2004 009 742 U1 Heating elements made of electrically conductive ceramic used in injection molds for contour near temperature control. From the DE 102 61 498 B4 It is known that the cavity and / or the mandrels of tools to improve the temperature control are provided with a ceramic coating. In order to support the heat transfer in micro injection molding tools integrated semiconductor elements are used, which effect a heat transfer in the injection mold by the Peltier effect after the application of a voltage. Parts of the tool are made of ceramic to optimize the thermal conditions, DE 376 297 07 U1 , Next will be in the DE 602 09 080 T2 one Hot press tool for processing resin-impregnated fiber composites (prepregs) described. The press tool has induction heating and is equipped with a ceramic coating to increase its service life and wear resistance. From the DE 694 12 654 T2 is an injection mold for the production of thin, large-area moldings, such. As CD discs, known to be injection molded with high accuracy and surface surface quality on a standard machine. To achieve these properties, the tool cavity is coated with an insulating layer of ceramic materials, porcelain enamel or glass materials while the tool core is provided with an insulating layer with a separating function. This coating has a heat-insulating effect and simultaneously fulfills the function of a release agent and consists of a fluorocarbon resin or silicone resin composite material. Process engineering is achieved so that the molding on cooling faster and first dissolves the tool core while the contour-bearing side of the molding still remains in the mold cavity, where it cools evenly, and can be removed with a high-gloss surface without sink marks from the cavity.

Die Keramikbeschichtungen und -bauteile in den Spritzgießwerkzeugen nach diesem Stand der Technik dienen einer verbesserten Werkzeugtemperierung, der Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Werkzeugkonturen oder der Verbesserung der Abformgenauigkeit und Oberflächenqualität beim Spritzgießen von Formteilen mit Mikrostrukturen. Diese Werkzeuge sind aber nicht geeignet diverse Formteile, die aufeinanderfolgende Formteilbereiche mit extrem unterschiedlich dimensionierten Wanddicken aufweisen, einstückig durch Spritzgießen herzustellen. Weiterhin sind aus den DE 37 03 490 A1 und DE 36 13 334 C2 Spritzgießwerkzeuge zur Herstellung von CD-Scheiben bekannt, bei denen zur Verbesserung der Formteilqualität Keramikwerkstoffe wie Siliziumcarbid, Aluminiumnitrid, Titancarbid oder Zirkonoxid oder Werkzeugeinsätze aus diesen Werkstoffen im Bereich der Werkzeugkavität eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der Werkzeuge zur CD-Scheibenherstellung. Durch einen Werkzeugeinsatz aus Keramik werden die Möglichkeit der Beschädigung der Werkzeuge oder der Ansatz von Formmassezersetzungsprodukten auf den Werkzeugkonturen vermieden. Weiterhin kann die Kondensation von Feuchtigkeit ausgeschlossen werden und die Werkzeugeinsätze bleiben korrosionsfrei. Mit diesen Werkzeugen lassen sich aber ebenfalls keine Formteile mit extrem unterschiedlichen Wanddicken spritzgießen. Darüber hinaus sind auch Versuchswerkzeuge mit Kavitäten aus Keramik und Polyetheretherketon (PEEK) für Mikrobauteile bekannt, an denen Struktur- und Eigenschaftsuntersuchungen und den daraus resultierenden Veränderungen im Gebrauch anhand von Zugprobekörper vorgenommen werden. Die Gebrauchsbedingungen werden nach Temperaturlagerung unter Luftatmosphäre sowie unter Feuchteeinfluss analysiert. Durch die Verwendung dieser, gegenüber Stahl gering wärmeleitenden Werkzeugwerkstoffe verlangsamt sich die Abkühlung der Schmelze und verändert so die Ausbildung der morphologischen Strukturen und verbessert das resultierende Dauergebrauchsverhalten von Mikrobauteilen, Fachaufsatz von DRUMMER, D.; MEISTER, S.: Einfluss von Herstell- und Umgebungsbedingungen auf die Eigenschaften spritzgegossener Mikrobauteile aus Polyamid 66. In: Industriekolloquium 702, 2010, S. 36–42 . Diese Versuchwerkzeuge sind aber zur Serienfertigung von flächigen Spritzgießformteilen mit Formteilbereichen stark unterschiedlicher Wanddicke nicht vorgesehen.The ceramic coatings and components in the injection molds according to this prior art serve for improved tool temperature control, the increase of the wear resistance of the tool contours or the improvement of the molding accuracy and surface quality in the injection molding of moldings with microstructures. However, these tools are not suitable diverse moldings, which have successive molding sections with extremely different sized wall thicknesses, integrally by injection molding. Furthermore, from the DE 37 03 490 A1 and DE 36 13 334 C2 Injection molding tools for the production of CD discs known in which ceramic materials such as silicon carbide, aluminum nitride, titanium carbide or zirconium oxide or tool inserts made of these materials in the tool cavity are used to improve the quality of the molded part. These are constructive measures to improve the tools for CD disc production. A tool insert made of ceramic avoids the possibility of damage to the tools or the application of molding compound decomposition products to the tool contours. Furthermore, the condensation of moisture can be excluded and the tool inserts remain corrosion-free. With these tools, however, also can not injection molded parts with extremely different wall thicknesses. In addition, experimental tools with cavities made of ceramic and polyetheretherketone (PEEK) for microcomponents are known, where structure and property investigations and the resulting changes in the use of tensile specimens are made. The conditions of use are analyzed after temperature storage under air atmosphere and under the influence of moisture. By using this, compared to steel low thermal conductivity tool materials slows down the cooling of the melt and thus changes the formation of morphological structures and improves the resulting long-term performance of microcomponents, technical essay of DRUMMER, D .; MEISTER, S .: Influence of manufacturing and environmental conditions on the properties of injection-molded microcomponents made of polyamide 66. In: Industriekolloquium 702, 2010, pp. 36-42 , However, these experimental tools are not intended for series production of flat injection molded parts with molding areas of very different wall thickness.

Wie aus dem Handbuch Spritzgießen zu entnehmen ist, werden in der Spritzgießtechnik nahezu ausschließlich hochfeste Werkzeuge aus Metallen, in erster Linie Stählen eingesetzt. Dabei werden häufig einzelne Kavitäten aus besonders hochwertigen Stählen hergestellt. Einsätze aus anderen Werkstoffen benutzt man insbesondere für schwierig zu entformende Kavitäten. Solche Einsätze werden z. B. aus galvanisch abgeschiedenen Metallen aufgebaut. Nicht durchgesetzt haben sich Kunststoffe und Keramik, obwohl sie Vorzüge in preislicher und zeitlicher Hinsicht bieten. Ihre Zuverlässigkeit ist zu niedrig, JOHANNABER, F.; MICHAELI, W.; Handbuch Spritzgießen, Carl Hanser Verlag, 2001, S. 1113–1116 . Werkzeugeinsätze aus Keramik sind bisher in der Spritzgießtechnik für die laufende Serienfertigung im Spritzgießbetrieb nicht bekannt wegen des Risikos bei Dauerbelastung und zu geringer Haltbarkeit. Der Einsatz als Werkzeugmaterial für Spritzgießwerkzeuge ist somit vorurteilsbehaftet und wird in der Regel ausgeschlossen.As can be seen from the Handbook of Injection Molding, almost exclusively high-strength tools made of metals, primarily steels, are used in injection molding technology. In this case, individual cavities are often produced from particularly high-quality steels. Inserts made of other materials are used in particular for cavities that are difficult to demould. Such inserts are z. B. composed of electrodeposited metals. Plastics and ceramics have not been enforced, although they offer advantages in terms of price and time. Your reliability is too low JOHANNABER, F .; MICHAELI, W .; Manual Injection Molding, Carl Hanser Verlag, 2001, pp. 1113-1116 , Ceramic insert bits have hitherto not been known in injection molding for continuous series production in injection molding because of the risk of continuous loading and insufficient durability. The use as a tool material for injection molds is thus prejudiced and is excluded as a rule.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, entgegen dem Vorurteil, ein robustes, produktionstaugliches preisgünstiges Spritzgießwerkzeug mit Keramikeinsätzen zu schaffen, mit dem Kunststoffformteile mit extrem unterschiedlich dimensionierten Wanddickenbereichen im Urformprozeß durch Spritzgießen in einem Verarbeitungsschritt einstückig kostengünstig spritzgegossen werden können, mit dem Fließweg-Wanddickenverhältnisse von > 1:400 erreicht werden können und das auf konventionellen Spritzgießmaschinen eingesetzt werden kann und nach konventioneller Spritzgieß-Verfahrenstechnik arbeitet.The object of the invention is therefore, contrary to the prejudice, to create a robust, production-priced low-priced injection mold with ceramic inserts, with the plastic moldings with extremely different sized wall thickness ranges in the primary molding process by injection molding in one processing step integrally inexpensively injection molded, with the flow path wall thickness ratios of> 1: 400 can be achieved and that can be used on conventional injection molding machines and works according to conventional injection molding process technology.

Im erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeug wird eine an sich bekannte Eigenschaft der technischen Keramiken, nämlich die geringe Wärmeleitfähigkeit, genutzt, um eine isolierende Wirkung zu erreichen und Temperaturverluste zu vermeiden oder stark zu minimieren. Das Werkzeug ist als Spritzgießstammwerkzeug aufgebaut. In der düsenseitigen und auswerferseitigen Werkzeugplatte sind jeweils auswechselbare Werkzeugeinsätze angeordnet, in die die Kavität zur Formteilbildung eingearbeitet ist. Die Werkzeugeinsätze sind aus Werkzeugstahl gefertigt, wobei in dem oder den Bereichen der Kavität, die den oder die extrem dünnwandigen Wandbereiche des Formteiles ausformen müssen, Einsätze aus einer hochabriebfesten, mechanisch belastbaren technischen Keramik angeordnet sind und in diesen Bereichen die Kavitätswandung bilden. Als Werkstoff für den oder die Einsätze wird die Keramik Yttrium(Y₂O₃)-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit einer Wärmeleiffähigkeit von < 3 W·m^–1K^–1 eingesetzt. Die Dicke der Keramikeinsätze wird nach den technischen und technologischen Anforderungen bestimmt und betragt 0,5 mm bis 20 mm, vorzugsweise 2 mm bis 5 mm. Sie haben eine Vickershärte von mindestens 1250 HV 10 und eine Sinterdichte von mindestens 6,05 g/cm³ (gemessen bei Raumtemperatur). Die Keramikeinsätze sind verstellbar ausgelegt, so dass Formteilwanddicken im dünnwandigen Bereich von 0,3 bis 0,1 mm erreicht werden können. Die Keramikeinsätze sind präzise in die Werkzeugeinsätze eingepasst und können zur Kompensation von Spannungen oder zur Justage hinterfüttert sein. Entsprechend der Formteilgestaltung und der Lage und Form der dünnwandigen Formteilbereiche sind die Keramikeinsätze im Werkzeugeinsatz der düsenseitigen Werkzeugplatte und/oder der auswerferseitigen Werkzeugplatte angeordnet.In the injection molding tool according to the invention, a known property of the technical ceramics, namely the low thermal conductivity, is used in order to achieve an insulating effect and to avoid or greatly minimize temperature losses. The tool is as Injection molding master tool set up. In the nozzle-side and ejector-side tool plate interchangeable tool inserts are arranged, in which the cavity is incorporated for molding. The tool inserts are made of tool steel, wherein in the one or more areas of the cavity, which must form the or the extremely thin-walled portions of the molding, inserts made of a highly abrasion-resistant, mechanically strong technical ceramics are arranged and form the Kavitätswandung in these areas. The material used for the insert or inserts is the ceramic yttrium (Y ₂ O ₃ ) -stabilized zirconium dioxide (ZrO ₂ ) having a thermal conductivity of <3 W · m ^-1 K ^-1 . The thickness of the ceramic inserts is determined according to the technical and technological requirements and amounts to 0.5 mm to 20 mm, preferably 2 mm to 5 mm. They have a Vickers hardness of at least 1250 HV 10 and a sintered density of at least 6.05 g / cm ³ (measured at room temperature). The ceramic inserts are designed adjustable, so that molding wall thicknesses can be achieved in the thin-walled range of 0.3 to 0.1 mm. The ceramic inserts are precisely fitted into the tool inserts and can be backfilled to compensate for stresses or for adjustment. According to the molding design and the position and shape of the thin-walled molding portions, the ceramic inserts are arranged in the tool insert of the nozzle-side tool plate and / or the ejector-side tool plate.

Durch die im dünnwandigen Bereich der Kavität angeordneten Keramikeinsätze wird die im Vergleich zu Werkzeugstahl niedrigere Wärmeleiffähigkeit der technischen Keramik genutzt, um die Temperaturverluste der Polymerschmelze durch die Abkühlung an der Werkzeugwand zu reduzieren und so die Viskosität der Schmelze länger auf einem niedrigeren Niveau zu halten. Die Fließfähikeit der Polymerschmelze bleibt somit erhalten, so dass es möglich ist, Formteile mit Wanddickenbereichen von nur 0,1 mm durch Spritzgießen herzustellen. Darüber hinaus ist es auch möglich, Kunststoffformteile mit extrem unterschiedlich dimensionierten, aufeinanderfolgenden Wanddickenbereichen – dick-dünn-dick – herzustellen, weil es gelingt die Abkühlung der Polymerschmelze in den dünnen Wandbereichen zu verhindern und die Fließfähigkeit der Polymerschmelze zu erhalten, so dass die Schmelze nach dem Einspritzen in die Kavität von einem normal dickwandigen Bereich über einen sich anschließenden extrem dünnwandigen Bereich weiter in einen darauffolgenden dickwandigen Bereich der Kavität fließen und diesen vollständig, ohne Fehlstellen, wie Risse, Löcher oder Poren, füllen kann. Mit dieser erfinderischen Lösung ist es möglich, Fließweg-Wanddickenverhältnisse von > 1:400 im dünnwandigen Bereich von Formteilen zu erreichen.Due to the ceramic inserts arranged in the thin-walled region of the cavity, the thermal conductivity of the technical ceramic, which is lower than that of tool steel, is used to reduce the temperature losses of the polymer melt by cooling it on the tool wall and thus to keep the viscosity of the melt at a lower level for longer. The flowability of the polymer melt is thus retained, so that it is possible to produce molded parts with wall thickness ranges of only 0.1 mm by injection molding. In addition, it is also possible to produce plastic molded parts with extremely different sized, successive wall thickness ranges - thick-thin-thick - because it succeeds to prevent the cooling of the polymer melt in the thin wall areas and to maintain the flowability of the polymer melt, so that the melt after Injecting into the cavity from a normal thick-walled area over a subsequent extremely thin-walled area further in a subsequent thick-walled area of the cavity flow and this completely, without flaws, such as cracks, holes or pores fill. With this inventive solution, it is possible to achieve flow path wall thickness ratios of> 1: 400 in the thin-walled region of molded parts.

Es liegt auch im Rahmen des Erfindungsgedanken Keramikeinsätze in Spritzgießwerkzeugen zur Abformung von Mikrostrukturen und oder zum Spritzgießen von Mikroformteilen einzusetzen.It is also within the scope of the inventive idea to use ceramic inserts in injection molding tools for the molding of microstructures and / or for injection molding of microformed parts.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Es zeigen:Show it:

1: Musterformteil im Längsschnitt 1 : Pattern molding in longitudinal section

2: Musterformteil in der Draufsicht 2 Image: Pattern molding in top view

3: Spritzgießwerkzeug im Längsschnitt, konturbildender Bereich 3 : Injection mold in longitudinal section, contour-forming area

Die erfinderische Lösung soll an einem Musterformteil weiter verdeutlicht werden. Das Musterformteil ist ein rotationssymmetrisches, trichterförmiges Kunststoffformteil mit extrem unterschiedlich dimensionierten Wanddickenbereichen. Von einem dickwandigen, im Querschnitt rechteckigen Trichterrand 1 verläuft eine sehr dünnwandige, membranartige Trichterwandung 2 konisch auf einen dickwandigen, im Querschnitt ebenfalls rechteckigen Trichterboden 3 zu, so dass der Trichterrand 1 über die membranartige Trichterwandung 2 mit dem Trichterboden 3 einstückig verbunden ist. Das Formteil ist über einen Stangenanguss 4 am Trichterboden 3 angespritzt, 1 und 2.The inventive solution will be further illustrated on a pattern molding. The pattern molding is a rotationally symmetrical, funnel-shaped plastic molding with extremely different sized wall thickness ranges. From a thick-walled, in cross-section rectangular funnel edge 1 runs a very thin-walled, membranous funnel wall 2 conical on a thick-walled, in cross-section also rectangular funnel floor 3 too, leaving the funnel edge 1 over the membranous funnel wall 2 with the funnel floor 3 is integrally connected. The molding is over a bar gate 4 at the funnel floor 3 molded, 1 and 2 ,

Das Werkzeug ist ein an sich bekanntes und nicht weiter dargestelltes Spritzgießstammwerkzeug mit jeweils in der düsenseitigen und auswerferseitigen Werkzeugplatte angeordneten, auswechselbaren Werkzeugeinsätzen 5 und 6 aus Werkzeugstahl in die die Kavität zur Formteilbildung eingearbeitet ist, 3. Dem Angusstunnel 9 folgt die Teilkavität 10 mit einem normal dicken Wandbereich mit einer Dicke von 2,5 mm zur Ausbildung des Trichterbodens 3. Daran schließt sich, zwischen dem angussnahen und angussfernen Bereich, die Teilkavität 11 zur Bildung des membranartigen Dünnwandbereiches mit einer Wanddicke von 0,1 mm an. Die Kavität 12 zur Ausbildung des Trichterrandes 1 mit dem normal dicken Wandbereich von 2,5 mm schließt sich an die Teilkavität 11 an. Die Teilkavität 11 wird erfindungsgemäß dabei von den Keramikeinsätzen 7 und 8 gebildet, die jeweils in die Werkzeugeinsätze 5 und 6 eingepasst sind.The tool is a per se known and not further shown injection mold with each arranged in the nozzle side and ejector side tool plate, interchangeable tool inserts 5 and 6 made of tool steel into which the cavity for molding is incorporated 3 , The Anguish tunnel 9 follows the subcavity 10 with a normal thick wall area with a thickness of 2.5 mm to form the hopper floor 3 , This is followed, between the area near the sprue and the area close to the sprue, the partial cavity 11 to form the membranous thin wall region with a wall thickness of 0.1 mm. The cavity 12 for the formation of the funnel edge 1 with the normally thick wall area of 2.5 mm closes to the Teilkavität 11 at. The partial cavity 11 is inventively thereby of the ceramic inserts 7 and 8th formed, each in the tool inserts 5 and 6 are fitted.

Die Keramikeinsätze 7 und 8 sind aus Yttrium(Y₂O₃)-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2,7 W·m^–1K^–1 gefertigt und haben eine Dicke von 5 mm, eine Vickershärte von 1250 HV 10 und eine Sinterdichte von 6,05 g/cm³ (gemessen bei Raumtemperatur). Sie sind verstellbar ausgelegt, so dass Formteilwanddicken im dünnwandigen Bereich von 0,3 mm bis 0,1 mm eingestellt werden können. Beim Spritzgießen des Formteiles gelangt die Polymerschmelze durch den Angusstunnel 9 in Werkzeugkavität und füllt problemlos zunächst die Teilkavität 10, den angussnahen dickwandigen Bereich, zur Ausbildung des Trichterbodens 3. Sie muss weiter durch die Teilkavität 11, dem extrem dünnwandigen, angussferneren Bereich fließen, um die membranartige Trichterwandung 2 auszubilden. Aus dem dünnwandigen, angussferneren Bereich der Teilkavität 11 muss die Schmelze weiter in die Teilkavität 12, einem dickwandigen und angussfernen Bereich, zur Ausbildung des Trichterrandes 1, fließen. Hier liegt auch das spritzgießtechnische Problem. Die Polymerschmelze kühlt auf ihrem Fließweg durch die Kavität mehr und mehr ab, was sukzessive zur Viskositätserhöhung und damit zum schlechteren Fließverhalten und im Extremfall zum „Einfrieren” der Schmelze führt, bevor die Kavität gefüllt ist. Darüber hinaus stößt die Formfüllung bei Kavitäten mit einem großen Fließweg-Wanddickenverhältnis wegen der schnellen Abkühlung des relativ geringen Schmelzevolumens und des notwendigen hohen Spritzdruckes auch an technologische Grenzen. Eine weitere Schwierigkeit besteht beim Spritzgießen von Formteilen mit extrem unterschiedlichen Wanddickenbereichen in der Reihenfolge der Formfüllung, so dass es dazu kommen kann, dass die Schmelze aus einem dickwandigen Bereich mit guten Fließbedingungen in einen dünnwandigen Bereich mit ungünstigeren Fließbedingungen fließen, diesen Bereich ausfüllen muss, und aus diesem weiter in einen dickwandigen Bereich fließen muss, um die Formfüllung hier abzuschließen. Das heißt, die Schmelze muss beim Passieren des dünnwandigen Kavitätsbereiches durch die Vermeidung von Temperaturverlusten hinreichend fließfähig gehalten werden. Dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeug, indem im dünnwandigen Bereich der Kavität in den Werkzeugeinsätzen auf der Düsen- wie auch auf der Auswerferseite des Werkzeuges Keramikeinsätze angeordnet sind, die die Schmelze quasi umschließen, diesen Bereich der Kavität isolieren und Temperaturverluste vermeiden. Als Beispiele für die Anwendung von Kombinationen normal dicker und sehr dünner Wanddicken seien genannt: Gehäuse für Telekommunikation, Sensorik, Mikropneumatik oder Mikrofluidik, Membranfiltereinsätze mit Rahmen, Kunststoffformteile mit direkt angespritztem Sichtfenster.The ceramic inserts 7 and 8th are made of yttrium (Y ₂ O ₃ ) stabilized zirconia (ZrO ₂ ) with a thermal conductivity of 2.7 W · m ^-1 K ^-1 and have a thickness of 5 mm, a Vickers hardness of 1250 HV 10 and a sintering density of 6.05 g / cm ³ (measured at room temperature). They are designed adjustable, so that molding wall thicknesses in the thin-walled range of 0.3 mm to 0.1 mm can be adjusted. During injection molding of the molded part, the polymer melt passes through the gate tunnel 9 in Werkzeugkavität and fills easily the Teilkavität first 10 , the thick-walled area near the gutter, to form the funnel floor 3 , She has to continue through the subcavity 11 , the extremely thin-walled, farther-angled area to flow around the membranous funnel wall 2 train. From the thin-walled, farther area of the partial cavity 11 the melt must continue into the subcavity 12 , a thick-walled and anechoic area, for the formation of the funnel edge 1 , flow. This is also the injection molding problem. The polymer melt cools more and more on its flow path through the cavity, which successively leads to an increase in viscosity and thus to poorer flow behavior and in extreme cases to "freezing" the melt before the cavity is filled. In addition, the mold filling in cavities with a large flow path wall thickness ratio also encounters technological limits because of the rapid cooling of the relatively small melt volume and the necessary high injection pressure. Another difficulty is in the injection molding of moldings with extremely different wall thickness ranges in the order of mold filling, so that it may happen that the melt flow from a thick-walled area with good flow conditions in a thin-walled area with unfavorable flow conditions, must fill this area, and from this must flow into a thick-walled area to complete the mold filling here. That is, the melt must be kept sufficiently fluid when passing through the thin-walled Kavitätsbereiches by avoiding temperature losses. This is achieved with the injection molding tool according to the invention by arranging ceramic inserts in the thin-walled region of the cavity in the tool inserts on the nozzle as well as on the ejector side of the tool, which virtually surround the melt, insulate this region of the cavity and avoid temperature losses. As examples of the use of combinations of normal thickness and very thin wall thicknesses may be mentioned: housing for telecommunications, sensors, micro-pneumatics or microfluidics, membrane filter inserts with frame, plastic molded parts with directly sprayed window.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Trichterrandfunnel edge
22: Trichterwandungfunnel wall
33: Trichterbodenhopper bottom
44: Stangenangußsprue
55: Werkzeugeinsatz, düsenseitigTool insert, nozzle side
66: Werkzeugeinsatz, auswerferseitigTool insert, ejector side
77: Keramikeinsatz, düsenseitigCeramic insert, nozzle side
88th: Keramikeinsatz, auswerferseitigCeramic insert, ejector side
99: AngusstunnelAngus tunnel
1010: Teilkavität TrichterbodenTeilkavität funnel floor
1111: Teilkavität DünnwandbereichPart cavity thin wall area
1212: Teilkavität TrichterrandPart cavity funnel edge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 202004009742 U1 [0005]
DE 10261498 B4 [0005]
DE 37629707 U1 [0005]
DE 60209080 T2 [0005]
DE 69412654 T2 [0005]
DE 3703490 A1 [0006]
DE 3613334 C2 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DRUMMER, D .; CHAMPION, S .: Influence of manufacturing and environmental conditions on the properties of injection molded microcomponents of polyamide 66. In: Industrial Colloquium 702, 2010, pp 36-42 [0006]
JOHANNABER, F .; MICHAELI, W .; Manual Injection Molding, Carl Hanser Verlag, 2001, pp. 1113-1116 [0007]

Claims

Injection mold with ceramic inserts for the production of moldings with extremely different sized wall thickness ranges or large Fließweg-wall thickness ratios, which is constructed as a master tool with in the nozzle-side and ejector-side tool plate respectively interchangeable tool inserts and into which the cavity is incorporated for molding, characterized in that in the tool inserts ( 5 ) 6 ) in the region or regions of the cavity which have to form the or the extremely thin-walled wall regions of the molded part, ceramic inserts ( 7 ) 8th ) are arranged with a thickness of 0.5 mm to 20 mm, preferably 2 mm to 5 mm, of a highly abrasion-resistant, mechanically durable technical ceramic, which form the Kavitätswandung in these areas and that the thickness of the ceramic inserts ( 7 ) 8th ) is determined according to the technical and technological requirements that the technical ceramics a yttrium (Y ₂ O ₃ ) -stabilized zirconia (ZrO ₂ ) having a thermal conductivity of <3 W · m ^-1 K ^-1 , a Vickers hardness of at least 1250 HV 10 and a sintered density of at least 6.05 g / cm ³ , is that the ceramic inserts ( 7 ) 8th ) are adjustable and / or backfilled, and in the nozzle-side tool insert ( 5 ) and / or in the ejector-side tool insert ( 6 ) are arranged.