DE102012106871B4 - Anordnung für konturbezogenene Temperiersysteme in Werkzeugen für thermische Abformverfahren, insbesondere Druckgussverfahren - Google Patents

Abstract

Anordnung für konturbezogene Temperiersysteme in Werkzeugen für thermische Abformverfahren, insbesondere Duckgussverfahren, wobei bezogen auf die formgebende Funktionsfläche des Werkzeugs oder Formkerns/Formeinsatzes (1, 7) im Werkzeug oder im Formkern/Formeinsatz (1, 7) mindestens zwei Temperierkreise für unterschiedliche, voneinander getrennte Temperiermedien angeordnet sind, welche konturnah verlegt und vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkreise geometriebezogen als miteinander verbundene Doppelröhre (8) ausgebildet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung für konturbezogene Temperiersysteme in Werkzeugen für thermische Abformverfahren, insbesondere Druckgussverfahren, um ein effizientes Erwärmen, Halten der Temperatur und Abkühlen des herzustellenden Fertigungsteiles in Abhängigkeit der verwendeten Verarbeitungsmaterialien und Verarbeitungszyklen zu ermöglichen.
• Auf dem Gebiet der wesentlichsten thermischen Abformverfahren, wie Aluminiumdruckgießen, Magnesiumdruckgießen, aber auch Spritzgießen von Thermoplasten und Duroplasten, Harzinjektionsverfahren (RTM = Resin Transfer Moulding) und ähnliche Verfahren für Kompositmaterialien mit spezifischen Harzen für die Fertigung von CFK-Bauteilen (CFK = kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) und GFK-Bauteile (GFK = glasfaserverstärkter Kunststoff), liegt bereits ein umfangreicher Stand der Technik vor, der allerdings in den meisten Fällen auf die Spezifik des jeweiligen Verfahrens bezogen ist, im Allgemeinen nur ein Temperiermedium nutzt und nicht von der Komplexität der Beherrschung durchgängiger Prozessketten ausgeht.
• Betrachtet man die wesentlichen Prozesszyklen Erwärmen, Halten der Temperatur und Abkühlen differenziert, so lässt sich folgende Unterscheidung nach dem Stand der Technik herausstellen:
  Für das Spritz- und Druckgießen dominiert die Konzentration auf die Abkühlphase, deshalb hat sich im allgemeinen Sprachgebrauch auch der Begriff Conformal Cooling = konturbezogenes Temperieren durchgesetzt. Die permanent erforderlichen Werkzeugtemperaturen werden dabei primär durch das regelmäßig erfolgende Einbringen der Schmelze eingebracht. Die Erwärmungsphase wird dabei mit den gleichen Temperiermedien, zumeist Öl oder Wasser, realisiert. Das ist energetisch uneffektiv und zeitlich ungünstig. Die relativ kurze Haltephase hängt von der Kristallisationsgeschwindigkeit der Schmelze ab und ist insbesondere beim Druckgießen extrem kurz. Generell handelt es sich bei der technologisch bedingten Prozessführung um energetisch aufwendige Prozessphasen, die beachtliche Reserven beinhalten.
• Beispielsweise offenbaren die DE 199 26 322 A1 und DE 101 59 456 A1 Werkzeuge für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik, wobei ein oder mehrere Temperierrohre in konturparallelem Abstand analog zur Kontur der Gravur/Kavität mäanderförmig im Werkzeug angeordnet sind, um die Kühlung der Funktionsfläche auf das Herstellungsverfahren des zu fertigenden Produktes abzustimmen und zu steuern.
• In der DE 20 2009 005 219 U1 wird einleitend ausgeführt, dass zum Temperieren Formwerkzeugen für Spritzgießwerkzeuge für Kunststofferzeugnisse über Temperierkanäle verfügen, durch die zum Halten des Formwerkzeugs auf einer bestimmten Temperatur, zum Erwärmen oder zum Kühlen desselben, entsprechend temperiertes Fluid (zumeist Wasser oder Öl) hindurch geleitet wird. Wenn bestimmte Bereiche eine von der Grundtemperatur abweichende, höhere Temperatur aufweisen sollen, werden zusätzlich Heizpatronen oder im Falle lokaler Temperaturerniedrigung elektrische Kühlelemente in Ausnehmungen des Formwerkzeugs angeordnet. Ebenfalls seien Formwerkzeuge bekannt, bei denen die Kühlelemente für ein definiertes Abkühlen der Kunststoffschmelze sorgen und damit den Abkühlprozess, mithin die Zykluszeit verkürzen.
• Die DE 198 18 132 A1 offenbart eine Regelung für ein modulartiges Temperiersystem für insbesondere Werkzeuge der Spritzgusstechnik mit an Temperierkanäle anschließbaren Temperiergeräten mit Kühlmittelanschluss, Elektroanschluss, Umpumpeinrichtung, Heizung, Kühlung und Regelung für jeden Temperierkreis bzw. -kanal.
• In der DE 100 13 474 A1 ist ein Temperiersystem für thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Bauteile beschrieben, das ein kostengünstiges, konturnahes, gleichmäßiges Kühlen, Erhitzen oder Konstanthalten der Temperatur erlaubt.
• Aus der DE 10 2010 017 014 A1 ist eine Anordnung zur Herstellung von konturbezogenen Temperierkanälen für ein Temperiermedium (Wasser oder Öl) in Werkzeugen bekannt, bei der die konturbezogenen Temperierelemente oder deren untereinander koppelbaren Einzelelemente in Wärme-/Kühlnester der Werkzeuge bzw. Formeinsätze, Formkerne und Schieber angeordnet sind, die Flächenform der zur Kavität hin angeordneten Seite der Temperierelemente der Flächenform der Kavität an dieser Stelle angenähert oder gleich ist und/oder eine flächenhafte netzartige oder räumlich netzartige Temperierelementeanordnung ausgebildet ist.
• Die Prozessketten zur Herstellung von GFK/CFK-Teilen sind gekennzeichnet durch eine externe Temperierung im Temperofen bzw. Autoklaven. Diese Trennung von Werkzeug und Temperiereinrichtung ist zeitintensiv und schwierig automatisierbar. Das Verkürzen der technologisch bzw. chemisch bestimmten Zyklen ist für höhere Stückzahlbereiche (Automotive) eine dringende Anforderung. Diese Zielstellung ist nur mit geschlossenen Werkzeugen mit interner Temperierung erreichbar. Deshalb gibt es Ansätze und Forschungsvorhaben für eine Verbindung mit der Temperierung innerhalb der Werkzeuge. Diese aktuellen Entwicklungen orientieren auf die Realisierung der Erwärmungs- und Aushärtephase in geschlossenen Werkzeugen.
• In der DE 195 15 493 A1 ist ein beheizbares Formteil für die Formtechnik beschrieben, welchem Heizelemente zugeordnet sind, die in einem direkten Wärme- und Körperkontakt mit dem Formteil stehen und die einen möglichst kleinen Abstand von der Formoberfläche haben. Hierdurch werden die Wärmeverluste verringert, die Zykluszeit verkürzt und eine sehr gleichmäßige Temperatur der Formoberfläche erzielt. Zur Erwärmung dient ausschließlich eine flächig eingebettete elektrische Widerstandsheizung.
• Aus der DE 10 2010 016 501 A1 ist ein homogen beheizbarer Formkörper zur Herstellung von Formteilen aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, bei welchem das Formwerkzeug auf der Rückseite eines Positiv- und oder Negativformwerkzeugs aus Metall mindestens ein zwischen Glasvliesschichten eingebettetes Widerstandsheizgelege/-gewebe nahe der formgebenden Oberfläche des Formwerkzeugs aufweist. Darüber hinaus können zuunterst ein Abstandsgewebe oder eine Rohrleitung und/oder Kanäle zur Unterstützung der Heizwirkung oder zwecks Kühlung des Formkörpers auflaminiert sein. Die mittels spezifischer Heizmatten eingebrachte Energie sichert die optimalen thermischen Reaktionen wie sie von den Anforderungen der jeweils verwendeten Harze abhängig sind. Unter diesen Voraussetzungen ist eine gezielte Abkühlung mit externen Medien nicht gegeben.
• In der EP 1 736 296 A1 ist ein heizbares Werkzeug beschrieben, wo an die Kavitätsoberfläche angepasst großflächig elektrisch leitende und heizbare Keramik angeordnet ist. In der Keramik sind wiederum gesonderte Kühlkanäle angeordnet, durch welche ein Kühlmedium fließen soll. Diese technische Lösung ist konstruktiv aufwändig und durch den Einsatz großflächiger Keramik kostenintensiv.
• Aus der DE 74 17 610 U ist des Weiteren ein Temperaturregelgerät für Gießwerkzeuge bekannt, in dem Heiz- und Kühlkanäle unmittelbar innerhalb eines durchgehenden Metallblocks aneinandergrenzen. Dabei sind diese Heiz und Kühlkanäle geradlinig eingebracht und im Metallblock gleich verteilt angeordnet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Herstellung von konturbezogenen Temperaturkanälen in Werkzeugen für thermische Abformverfahren, insbesondere Druckgussverfahren, zu schaffen, um ein Erwärmen und Abkühlen konturbezogen im technologisch bedingten Wechsel und in Abhängigkeit der Schmelzpunkte der verwendeten Materialien zu ermöglichen. Das Augenmerk liegt dabei darauf eine technologisch abgestimmten Beherrschung der zeitlichen Temperierungsabläufe und der jeweils zugehörigen Temperaturbereiche für unterschiedlichste thermische Abformverfahren erreichen zu können. So ist für den Spritz- und Druckgussprozess die energieeffiziente und möglichst schnelle Aufheizphase der Werkzeuge für die jeweiligen Musterungen, für neue Produkte, den ggf. wöchentlichen oder anderweitigen Produktionsneustart, ein wesentlicher Teilprozess, der in den praktizierten traditionellen Abläufen in Bereichen von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden liegt. Nach Erreichen der jeweils optimalen Betriebstemperatur durch das zum Teil notwendige „Warmschießen“ ist für den permanenten zyklischen Fertigungsprozess eine kontinuierliche impulsförmige Kühlung zum Gewährleisten der optimalen Schmelzekristallisation notwendig. Dagegen ist für Kompositmaterialien (GFK, CFK) sowohl für die Aufwärm- als auch die Aushärtephase eine permanente Wärmezufuhr notwendig. Der Temperaturverlauf wird dabei von den spezifischen Anforderungen der verwendeten Harze bestimmt, weshalb es hier das Ziel ist, mit der Anordnung eine Integration des prozessbedingt zweckmäßigen Kühlungsverlaufes in das gesamte Temperierkonzept für Kompositmaterialien zu ermöglichen.
• Des Weiteren geht die Zielstellung ganz allgemein dahin, einen energetisch optimalen und dabei möglichst kürzeren Prozessverlauf bei bestmöglicher Gewährleistung höchster Funktionsanforderungen und kostengünstiger Konstruktion des zu temperierenden Formkerns/Formeinsatzes zu gewährleisten.
• Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen geben die begleitenden Unteransprüche an.
• Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Temperierung besteht im Folgenden darin mit der Anordnung zur optimalen Prozessrealisierung eine Kombination von zwei unterschiedlichen, jedoch aufeinander konstruktiv und verfahrenstechnisch exakt abgestimmten Temperierprinzipien vorzusehen. Die Temperierung für die Erwärmungs- und Haltephase (bis ca. 200°C für Spritzguss und GFK/CFK-Materialien, bis ca. 300°C für Druckguss) wird mittels bestgeeigneter Medien erreicht. Für die Abkühlphase primär mit Wasser wird ein separates Rohrsystem vorgesehen, welches jedoch geometriebezogen mit den Erwärmungskomponenten verbunden ist. Mit dieser Kombination wird eine bestmögliche Energie- und Prozesseffizienz erreicht.
• Die erfindungsgemäße Lehre orientiert sich auf eine Anordnung zur Anwendung für alle wesentlichen thermischen Fertigungsverfahren, insbesondere jedoch auf Aluminiumdruckguss und Magnesiumdruckguss, des Weiteren aber auch auf das Spritzgießen von Thermoplasten und Duroplasten; RTM und ähnliche Verfahren für Kompositmaterialien. Das Grundprinzip der gesteuerten bzw. geregelten Temperierung mit Beachtung der verfahrensspezifischen Anforderung, der wechselnden thermischen Abläufe, Aufheizen, Temperatur halten, Abkühlen wird in Abhängigkeit der jeweiligen geometrischen und technologischen Gegebenheiten der Anordnung realisiert.
• Die funktionell zu koordinierenden Abläufe: Aufheizen, Temperatur halten, Abkühlen werden ausschließlich von den technologischen Anforderungen der zu verarbeitenden Materialien, wie Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen, weiterhin jedoch auch Thermoplaste, Duroplaste, Composite mit spezifischen Harzen für GFK/CFK, bestimmt. Aus den geometrischen und technologischen Anforderungen, den jeweiligen Abmessungsbereichen und dem gesamten Werkzeugaufbau resultieren die wesentlichen Ausgestaltungen der Erfindung.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
• 1a eine erste Variante eines hybriden Formkerns mit rückseitig eingelegten Heizelementen und konturbezogenen Temperierkanälen für einen Formeinsatz eines Formwerkzeugs für Druckguss,
• 1b eine zweite Variante eines hybriden Formkerns mit rückseitig eingelegten Heizelementen und konturbezogenen Temperierkanälen für einen Formeinsatz eines Formwerkzeugs für Druckguss,
• 2 eine weitere Variante eines hybriden Formkerns im Rückraum eines Formeinsatzes,
• 3 eine erste Ausgestaltung einer Doppelröhre für die Temperierung eines Formkerns/Formeinsatzes,
• 4 eine weitere Ausgestaltung einer Doppelröhre für die Temperierung eines Formkerns/Formeinsatzes,
• 5 eine Anwendung des Doppelrohrprinzips zu einer Flächenkühlung eines Formkerns/Formeinsatzes,
• 6 eine erste Variante zur Herstellung eines Formkerns/Formeinsatzes mit einem erfindungsgemäßen Temperiersystem,
• 7 eine weitere Variante zur Herstellung eines Formkerns/Formeinsatzes mit einem erfindungsgemäßen Temperiersystem, und
• 1a zeigt beispielhaft einen halbrunden Formkern für einen Formeinsatz eines Werkzeugs für Druckguss, ausgeführt als hybridischer Kern. Der Hybridkern 1 besteht aus einem Oberteil, dem Grundkörper 2 und einem die Abformkontur bildenden halbrunden Unterteil, dem Aufbaukörper 3. Konturbezogen zur Abformkontur des Aufbaukörpers 3 sind röhrenförmige Temperierkanäle 4 in das Vollmaterial des Hybridkerns 1 parallel zueinander eingelassen, um ein Temperiermedium zum Temperieren eines Formwerkzeugs und damit eines Formlings hindurch zu leiten. Die Ein- und Auslässe der halbrundgebogenen Temperierkanäle 4 führen zur Oberfläche des Grundkörpers 2 und haben entsprechende nicht näher dargestellte Anschlüsse zu einem externen Temperiergerät. Speziell zur Kühlung ist das Temperiermedium vorzugsweise Wasser. Zusätzlich liegen in oben offenen, länglichen, geradlinigen, parallelen, Aussparungen 5 des Grundkörpers 2 längliche, gerade elektrische Heizelemente 6. Die Temperierkanäle 4 und die Aussparungen 5 und somit die Heizelemente 6 sind jeweils sich abwechselnd und längs zueinander ausgerichtet im Hybridkern 1 angeordnet. Als Heizelemente 6 kommen vorzugsweise elektrisch beheizbare vollkeramische Flachheizstäbe oder Heizpatronen zum Einsatz.
• Eine zweite Variante zeigt 1b, bei welcher im Gegensatz zur ersten Variante nach 1a die länglichen, geraden Heizelemente 6 nicht oberflächlich, sondern in Aussparungen/Kanälen 5 am Boden des Grundkörpers 2 und wiederum abwechselnd mit den Temperierkanälen 4 im Hybridkern 1.
• In 2 ist eine weitere Variante eines Hybridkerns 1 im Rückraum eines Formeinsatzes dargestellt. Der Hybridkern 1 ist wiederum aus einem Grundkörper 2 und einem Aufbaukörper 3 zusammengesetzt. Konturbezogen zur Abformkontur des Aufbaukörpers 3 sind ebenso röhrenförmige Temperierkanäle 4 in das Vollmaterial des Hybridkerns 1 parallel zueinander eingelassen. Zusätzlich liegen in geschlossenen Aussparungen 5 des Grundkörpers 2 längliche Heizelemente 6. Die Temperierkanäle 4 und die Aussparungen 5 und somit die Heizelemente 6 sind jeweils wechselweise und längs ausgerichtet im Hybridkern 1 angeordnet. Im Unterschied zu der Variante nach 1 folgen jedoch die Aussparungen 5 und damit die Heizelemente 6 den halbrund gebogenen Temperierkanälen 4 und sind damit besonders konturnahe zur zu temperierenden Außenkontur des Formlings innerhalb des Hybridkerns 1 angeordnet. Als Heizelemente 6 kommen vorzugsweise Widerstandsheizdrähte in Einsatz, die gegenüber der Druckgießform elektrisch isoliert, d. h. bspw. auf kleine keramische Isolierröllchen aufgereiht, sind. Dargestellt ist außerdem, dass der Hybridkern 1 von einem Formeinsatz 7 des Werkzeugs mit rückseitiger Ausfräsung aufgenommen wird.
• In den 1 und 2 sind die Temperierkanäle 4 und die Heizelementkanäle 6 voneinander unabhängige Bauelemente, die erst beim Einbau des Hybridkerns 1 räumlich zueinander fixiert werden. Weiterhin können auch mehrere Hybridkerne als Werkzeugeinsätze Einsätze im Rückraum realisiert werden.
• Im Unterschied hierzu zeigt 3 verschiedene erfindungsgemäße Ausführungen einer Doppelröhre 8, die aus zueinander fest verbundenen Einzelkanälen bestehen, wobei beide Einzelkanäle einer Doppelröhre 8a–8g jedoch getrennte Medien aufnehmen. Eine der Kanäle bildet einen Temperierkanal 4 für insbesondere ein Kühlmedium, wie vorzugsweise Wasser und der andere, kleinere oder gleichgroße Kanal, jeweils einen Kanal 5 für ein Heizmedium, wie warmes Öl, insbesondere jedoch ein elektrisches Heizelement 6.
• Unterschiede zwischen den Einzelröhren bestehen lediglich in deren Größen, Querschnitt und Anbau zur Doppelröhre 8. Während in der Konfiguration 8a beide ovalen Kanäle 4, 5 gleichgroß und übereinander miteinander fest verbunden sind und insbesondere Temperierflüssigkeiten führen, sind die ovalen Kanäle 4, 5 nach der Konfiguration 8b zwar auch gleichgroß, aber nebeneinander miteinander fest verbunden und für unterschiedliche Medien ausgelegt. Die Konfigurationen 8c und 8d zeigen ovale Kanäle 4, 5 unterschiedlicher Größe übereinander und nebeneinander, wobei der Kanal 4 für eine Kühlflüssigkeit jeweils der größere ist gegenüber dem Kanal für elektrische Heizungselemente 6. Nach der Konfiguration 8e ist ein kleiner im Querschnitt kreisrunder Kanal 5 für ein elektrisches Heizelement 6 neben einem größeren ovalen Kanal 4 befestigt. In der Konfiguration 8f sind zwei im Querschnitt gleich große, kreisrunde Kanäle 4, 5 miteinander verbunden und in der Konfiguration 8g zwei im Querschnitt ungleich große, kreisrunde Kanäle 4, 5. Die Auswahl einer geeigneten Konfiguration hängt wesentlich vom Produktionsprozess für die herzustellenden Formlinge ab. Bei einer Doppelröhrenkonfiguration nach 8a kann beispielsweise durch den Kanal 4 Kühlwasser fließen und durch den Kanal 5 auf eine höhere Temperatur beheiztes Öl. Bei einer Doppelröhrenkonfiguration nach 8c hingegen kann beispielsweise durch den Kanal 4 ebenfalls Kühlwasser fließen und durch den Kanal 5 eine Vollkeramikheizung geführt sein. Eine Konfiguration nach 8e eignet sich beispielsweise für eine Paarung eines Kanals 4 für Kühlwasser und eines Kanals 5 für eine flexible elektrische Widerstandsheizung.
• In 4 ist ein Teil einer solchen Doppelröhre 8 gemäß der Konfiguration 8e in einer räumlichen Anordnung gezeigt. Die Doppelröhre 8 kann dadurch konturnahe innerhalb eines Formkerns/Hybridkerns 1 eines thermischen Abformwerkzeugs mit geringstem Aufwand verlegt werden.
• Dabei lassen sich auch kompliziertere Strukturen nach dem dargelegten Doppelröhrenprinzip herstellen, beispielsweise für eine Flächenkühlung nach 5 mittels einer Doppelröhre 8 in der Konfiguration nach 8a. Einzelheiten zu einer komplexen, räumlichen, netzartigen Ausbildung als Flächenkühlung als solche für eine Einfach-Röhrenanordnung sind in der Patentanmeldung DE 10 2010 017 014 A1 beschrieben. Die Struktur besteht im Wesentlichen aus Temperierelementen 81, Verbindungsstücken 82, Verteilerstücken 83, Stützelementen 84, End-Zusammenführungen 85, Wärme/Kühlnestern 86, Drosseln, Umlenkungen oder Absperrungen 87, einem Zuführstück 88 und einem Abführstück 89.
• In 6 ist beispielhaft die Möglichkeit ersichtlich, eine der Doppelrohranordnungen 8a–8g aus 3 mit einem Metallguss 9 zu umgießen. Alle parallelen Kühlkanäle der Doppelrohre 8 sind an Zuführ- bzw. Abführrohrleitungen 10 angeschlossen.
• Aus 7 ist noch die Möglichkeit eines Hintergießens ein ausgefräster Formeinsatz 11 eines Werkzeugs für eine Doppelrohranordnung mit einer Hintergussmasse 12 dargestellt. Alle parallelen Kühlkanäle der Doppelrohre 8 sind wiederum an eine Zuführ- und eine Abführrohrleitung 10 über ein Zu- und ein Abführstück 10a angeschlossen.
• Daraus resultierend wird zur optimalen Prozessrealisierung mittels der erfindungsgemäßen Anordnung eine Kombination von zwei unterschiedlichen Temperierprinzipien realisierbar. Die Temperierung für die Erwärmungs- und Haltephase bis ca. 200°C (Spritzguss, GFK/CFK-Materialien), bis ca. 300°C (Druckguss) wird mittels geeigneter Medien erreicht. Für die Abkühlphase primär mit Wasser wird ein separates Rohrsystem vorgesehen, welches jedoch geometriebezogen mit den Erwärmungskomponenten verbunden ist. Mit dieser Kombination wird eine bestmögliche Energieeffizienz erreicht.
• Die Anordnung kann für alle wesentlichen thermischen Fertigungsverfahren, z.B.: Aluminium-; Magnesiumdruckguss, Spritzgießen von Thermoplasten und Duroplasten; RTM und ähnliche Verfahren für Kompositmaterialien angewendet werden. Das Grundprinzip der gesteuerten bzw. geregelten Temperierung mit Beachtung der verfahrensspezifischen Anforderung, der wechselnden thermischen Abläufe, Aufheizen, Temperatur halten, Abkühlen wird in Abhängigkeit der jeweiligen geometrischen und technologischen Gegebenheiten realisierbar.
• Die funktionell zu koordinierenden Abläufe (Aufheizen, Temperatur halten, Abkühlen) werden ausschließlich von den technologischen Anforderungen der zu verarbeitenden Materialien (z.B.: Al-Legierungen, Magnesiumlegierungen, Thermoplaste, Duroplaste, Composite mit spezifischen Harzen für GFK/CFK) bestimmt. Aus den geometrischen und technologischen Anforderungen, den jeweiligen Abmessungsbereichen und dem gesamten Werkzeugaufbau resultieren die wesentlichen Realisierungsvarianten für folgende Anwendung der Anordnung in einem Verfahren:
  Dabei wird eine Volumenheizung für die jeweiligen Werkzeugeinsätze mit einer Impuls-Flächenkühlung der jeweiligen Funktionsflächen (i. A. im Rückraum der Kavitäten) realisiert, siehe 1 und 2. Dieses Prinzip kommt insbesondere für die thermischen Abformverfahren in Betracht, bei denen sehr kurze Reaktionszeiten für das Kristallisieren der Schmelze vorliegen (Al-Druckguss, Millisekundenbereich) und Spritzguss von Thermoplasten in Sekundenbereichen.
• Erfindungsgemäß wird mit dem Prinzip einer Doppelröhre (Twin Tube) eine energieeffiziente Anordnung zur jeweils wechselseitigen Temperierung, d.h. Erwärmen (Twin Heat) und Abkühlung (Twin Cool) ermöglicht, siehe 3 und 4. Das Temperiersystem wird zur bestmöglichen Wärmeübertragung im Rückraum der jeweiligen Werkzeugkavitäten mit Aluminium bzw. einer niedrig schmelzenden Legierung (z.B.: Zamak) umgossen, bzw. thermisch und elektrisch isoliert im jeweiligen Werkzeugrückraum mit geeigneten Isoliermatten befestigt, siehe 6. Darüber hinaus kann mittels Aluminiumumguss eine komplette Werkzeughälfte hergestellt werden, siehe 7. In jedem Fall sind zum Gewährleisten bestimmter Funktionsanforderungen spezielle technologische Abläufe zu beachten. Anstelle der thermisch optimalen Kombination „Doppelröhre“ kommt in Abhängigkeit vom gesamten Werkzeugaufbau auch die Kombination Heizelemente und Kühlrohre in Betracht, siehe 1 und 2.
• Darüber hinaus ist für diese beiden Varianten (Punkt 1 und 2) anstelle des Hintergießens des jeweiligen Werkzeugrückraumes der Aufbau von Werkzeugkomponenten aus Stahl nach dem Hybridprinzip möglich. Das heißt, der jeweilige Werkzeuggrundkörper wird mit geradlinigen Anschlussbohrungen traditionell hergestellt und nur die formgebenden Bereiche werden mit konturbezogenen Temperierkanälen mittels generativer Verfahren (SLM) aufgebaut, siehe 1. Eine weitergehende differenzierte Darstellung der Lösungsmerkmale erfolgt mit Bezug zu den unterschiedlichen Anwendungsgebieten, wobei grundsätzlich als ein neues Prinzip auf die Verwendung von zwei getrennten Temperierkreisläufen orientiert wird.
• Grundsätzlich ist die Anwendung des Doppelrohrprinzips für alle wesentlichen thermischen Abformverfahren möglich. Die jeweils konkreten Verfahrensspezifikationen werden im Folgenden dargestellt. Dabei ist in Abhängigkeit von spezifischen Verfahren eine Kombination Rohrsystem (z.B.: auch mit LaserCUSING) und Heizelemente (Keramik) möglich. Eine solche Variante kommt für Werkzeugeinsätze für den Spritz- und Druckguss mit neuartiger Werkzeugkonstruktion in Betracht.
• Spritzgießen
• Im gegenwärtigen industriellen Einsatz dominieren Werkzeuge, die ausschließlich im Blockmaterial hergestellt werden. Die formgebenden Funktionsbereiche werden durch Fräsen und die geradlinigen Temperierbohrungen mittels Tieflochbohrungen hergestellt. Die damit verbundenen Nachteile sind bekannt. Bezüglich der Möglichkeiten des konturbezogenen Temperierens insbesondere mittels SLM-Verfahren (Selective Laser Melting= selektives Laserschmelzen) werden wesentliche technische Entwicklungen vorangetrieben. Aus technischen Gründen sind die Abmessungsbereiche in den Bauräumen der SLM-Anlagen auf 250 mm × 250 mm beschränkt. In Verbindung mit den hohen Pulvermaterialpreisen und Anlagenkosten sind gegenwärtig nur kleinvolumige Spritzgussteile mit Nutzung der Vorteile der konturbezogenen Temperierung (Produktivität, Qualität, u. a.) herstellbar. Für größere Spritzgussbauteile ca. kleiner 200 mm × 200 mm projizierte Grundfläche bietet sich deshalb das Doppelröhrenprinzip an, siehe 3 bis 5.
• Aluminium-Werkzeuge
• Für kleine und mittlere Stückzahlbereiche (bis ca. 10.000–20.000 Stück) werden Aluminium-Werkzeuge industriell eingesetzt. Dafür kann die Anwendungslösung kompletter Umguss für das Doppelröhrenprinzip genutzt werden, siehe 1 und 6.
• Spritzgießwerkzeuge aus Werkzeugstahl
• Für größere Stückzahlbereiche (größer 20.000 Stück) sind für die Formhälften und Schieber Werkzeuge aus Warmarbeitsstahl (typischerweise 1.2343) erforderlich. Wenn die Grundgeometrie und die Abmessungsbereiche einen ausreichenden Rückraum für das Hintergießen ermöglichen, dann ist das Prinzip der Schalenkonstruktion im Werkzeugaufbau anwendbar. Mittels FEM (FEM = Finite Elemente Methode) wir der festigkeitsbedingt notwendige Werkzeugaufbau ermittelt. Mit Bezug zu diesen Geometriedaten wird der Rückraum hinter der jeweils formgebenden Kavität aus dem Materialblock ausgefräst oder die Werkzeugschale mittels Gießen hergestellt. Stichwort: Near-Net-Shape (endkonturennahe Fertigung). Damit ist ein solcher Grundaufbau der Werkzeugschale gegeben, damit ein Hintergießen mit Integration des Doppelröhrentemperiersystems erfolgen kann, siehe 7.
• Druckgießen
• Für das Druckgießen kann von einem prinzipiell analogen Werkzeugaufbau, wie für das Spritzgießen ausgegangen werden. Für die mechanische und thermische Auslegung der Werkzeugschalen ist jedoch von gravierend höheren Druck- und Temperaturbereichen auszugehen. Für die Anwendung der neuartigen Temperierprinzipien wird insbesondere auf 1 und 2 verwiesen.
• Werkzeuge für GFK-Materialien
• Die vorwiegend in der Fahrzeugtechnik zur Anwendung kommenden GFK-Bauteile werden traditionell mittels Laminiertechniken handwerklich hergestellt. Diese Prozesse sind dadurch charakterisiert, dass die Teileherstellung und das nachträgliche Aushärten getrennt in Temperöfen erfolgt. Der Übergang zu industriell produktiveren Fertigungsverfahren und insbesondere der Zwang zu gravierenden Verbesserungen der Energieeffizienz führen zu neuen Prozessrealisierungen. Dabei wird das Erwärmen und Aushärten innerhalb des Werkzeuges mittels Heizmatten realisiert. Da der Abkühlvorgang bisher nicht geregelt werden kann, ist insbesondere beim zunehmenden Arbeiten in höheren Temperaturbereichen mit unkontrollierbaren Prozesszeiten zu rechnen. Diese unproduktiven Verlängerungen sind bestmöglich zu verkürzen. Hinzu kommt der Fakt, dass damit bisher keine Möglichkeit der Rückgewinnung der Prozessenergie gegeben ist. Für den Anwendungsfall GFK-Werkzeuge wird dabei ein komplettes Aluminium-Werkzeug mit Nutzung eines spezifischen technologischen Ablaufes hergestellt. Für den gesamten neuartigen Werkzeugaufbau werden in Abhängigkeit von den 3D-CAD Daten des herzustellenden Teiles drei Komponenten aufgebaut. Ein Formteil aus Sphäroguss Bezugsteil in der Gießeinrichtung und Kühlkomponente für den Aluminiumumguss. Ein der Werkzeuggeometrie angepasstes Rohrsystem, ein Rohrsystem für Abkühlphase mit einem geeignetem Medium (vorrangig Wasser) eine zweite Temperiereinrichtung, die aus einem elektrisch isoliertem CFK-Gebilde und elektrischen Heizpatronen. Das gesamte Temperiersystem wird in den jeweiligen Werkzeugformhälften in einem definiertem Abstand zur Funktionsfläche positioniert, befestigt und für das Umgießen stabilisiert.
• Das Prinzip der permanenten Umschaltungen der Doppelröhren (Twin Tube) auf Heiz-(Twin Heat) und Kühlbetrieb (Twin Cool) wird elektronisch gesteuert bzw. unterstützend mit Sensoren geregelt. Für die sehr schnell ablaufenden Prozesse (Druckguss, Spritzguss) empfiehlt sich in jedem Fall eine unterstützende Regelung mit Sensoren. Für die Doppelröhre sind bezogen auf die Teile bzw. Werkzeuggeometrien unterschiedliche Anordnungen möglich (siehe die Beispiele nach den 3 bis 7).
• Aluminium-Schalenwerkzeuge gegossen
• Bei dieser Werkzeugvariante wird das gesamte Werkzeug nach Near-Net-Shape Prinzip gießtechnisch hergestellt. Das Doppelrohrtemperiersystem wird dabei gleichzeitig mit eingegossen. Das Umgießen mit Aluminium bzw. Zamak erfordert ein Rohrsystem für die innovativen Keramik-Heizelemente. (siehe 6)
• Aluminium-Schalenwerkzeug aus Vollmaterial
• Um die Effekte des Doppelrohrprinzips auch unter dem Aspekt erhöhter Material- und Oberflächenanforderungen zur Wirkung zu bringen kann die Realisierung auch mit Al-Blockmaterial erfolgen. In diesem Fall werden die Kavität und der dazu gehörige Rückraum ausgefräst und das Doppelrohrtemperiersystem im Rückraum eingebracht. Das Umgießen kann mit niedrig schmelzenden Legierungen (ZAMAK) oder unter bestimmten Voraussetzungen (Temperierbereiche) unter 150°C mittels Mineralguss erfolgen.
• Werkzeuge für CFK-Materialien
• Wegen der jeweils gleichen Wärmedehnung von CFK-Materialien und deren funktionell extrem hohen Anforderungen ist der Werkstoff Invar (FeNi36) das einzig in Betracht kommende Material. Grundsätzlich sind auch hierbei zwei Realisierungsvarianten möglich.
• Invar Vollmaterial
• Die Zielkavität wird aus Invar-Vollmaterial gefräst. Ebenso wird der Rückraum nach entsprechender FEM-Berechnung ausgefräst. Das Doppelrohrtemperiersystem wird konturnah in den Rückraum eingebracht und vergossen. Anstelle Umgießen kommt in auch die Befestigung des Temperiersystems mit Glasfasermatten im Rückraum der Funktionsflächen in Betracht. In diesem Fall werden die keramischen Heizelemente als Kette parallel zu dem Rohrsystem für die Kühlung im Werkzeug ausgeführt.
• Invar Gussvariante
• Wegen der extrem hohen Preise für Invar Materialien kommt aus ökonomischer Sicht das Near-Net-Shape Prinzip ebenfalls zwingend in Betracht.
• Die materialökonomisch Near-Net-Shape Gussvariante für Invar Werkzeugschalen stellt insbesondere für den formgebenden Funktionsbereich erhöhte Anforderungen an die Oberflächenqualität. Bei Gewährleistung dieser Voraussetzung wird der Werkzeugaufbau nach der Schlicht- und ggf. Polierbearbeitung im Funktionsbereich und der Schlichtbearbeitung im Rückraum durch das Einbringen des Doppelrohrtemperiersystems komplettiert. Das Ausgießen erfolgt unter Beachtung der funktionell bedingten Temperaturbereiche mit einem geeigneten Füllmaterial.
• Sonstiges
• Die Anordnung ist als mögliche Anwendung des vorbeschriebenen High Speed Temperierprinzips für die dargestellten industriell bedeutenden thermischen Abformverfahren für weitere Anwendungsbereiche geeignet. Das trifft auf alle solche Anwendungsbereiche zu bei denen der typische Ablauf
  Halten
  Erwärmen
  Abkühlen
  funktionell in definierten Temperaturzyklen beherrscht werden muss. Das bezieht sich zum Beispiel auf Werkzeuge für Glasflaschen, PET-Blasformen, Schäumformen u. ä.
• Bezugszeichenliste

1

Formkern, Hybridkern

2

Grundkörper

3

Aufbaukörper

4

Temperierkanäle/Kühlkanäle

6

Heizelemente

7

Formeinsatz

8

Doppelröhre

8a–8g

Varianten von Doppelröhren

81

Temperierelement

82

Verbindungsstück

83

Verteilerstück

84

Stützelement

85

End-Zusammenführung

86

Wärme/Kühlnest

87

Drossel, Umlenkung oder Absperrung

88

Zuführstück

89

Abführstück

9

Metallguss

10

Zuführ- bzw. Abführrohrstück

10a

Zu- bzw. Abführstutzen

11

ausgefräster Formeinsatz

12

Hintergussmasse

Claims (7)

1. Anordnung für konturbezogene Temperiersysteme in Werkzeugen für thermische Abformverfahren, insbesondere Duckgussverfahren, wobei bezogen auf die formgebende Funktionsfläche des Werkzeugs oder Formkerns/Formeinsatzes (1, 7) im Werkzeug oder im Formkern/Formeinsatz (1, 7) mindestens zwei Temperierkreise für unterschiedliche, voneinander getrennte Temperiermedien angeordnet sind, welche konturnah verlegt und vergossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkreise geometriebezogen als miteinander verbundene Doppelröhre (8) ausgebildet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Temperierkreise aus Röhren (4, 5) aufgebaut sind, die miteinander stoffschlüssig zu einer Doppelröhre (8, 8a–8g) verbunden sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Röhre (5) der Doppelröhre (8, 8a–8g) von einer Wärmequelle und die andere Röhre (4) der Doppelröhre (8, 8a–8g) vorrangig von einer Kühlquelle gesteuert temperierbar sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Röhre (5) der Doppelröhre (8, 8a–8g) eine elektrische Widerstandsheizung aufnimmt und die andere Röhre (4) der Doppelröhre (8, 8a–8g) ein durchströmendes Kühlfluid.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Widerstandsheizung aus vollkeramischen Heizelementen (6), Heizpatronen oder aus mit Keramikelementen (6) isolierten Widerstandsheizdrähten besteht.
6. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Röhren (4, 5) einer der Doppelröhren (8, 8a–8g) aus gleich- oder verschiedengroßen Einzelröhren ovalen oder kreisrunden Querschnitts bestehen und über- oder nebeneinander miteinander stofflich verbunden sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Temperierkreise für unterschiedliche, voneinander getrennte Temperiermedien selbständige Bauteile (4, 5) sind, die erst im Werkzeug oder Formkern/Formeinsatz (1, 7) geeignet vergossen oder geometriebezogen miteinander verbunden sind.

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