DE102013018976A1

DE102013018976A1 - Temperable device

Info

Publication number: DE102013018976A1
Application number: DE102013018976.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Häußler
Original assignee: Idea GmbH
Current assignee: Idea GmbH
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-05-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine temperierbare Vorrichtung (1), insbesondere als Teil eines Werkzeugs zum Spritzgießen, mit einem elektrischen Leiter (5) zum Heizen und mit einer Fluidmittelleitung (10) zum Kühlen. Um einen möglichst einfachen Aufbau zu erreichen, schlägt die Erfindung vor, dass der elektrische Leiter (5) die Fluidmittelleitung (10) bildet, dass der elektrische Leiter (5) eine Beschichtung (6) aufweist, die elektrisch isoliert und thermisch leitet, und dass der elektrische Leiter (5) zumindest teilweise in einem durch Metallpulver-Auftragsverfahren gebildeten Körper (8) eingebettet ist.The invention relates to a temperature-controllable device (1), in particular as part of a mold for injection molding, with an electrical conductor (5) for heating and with a fluid supply line (10) for cooling. In order to achieve the simplest possible structure, the invention proposes that the electrical conductor (5) forms the fluid-medium line (10), that the electrical conductor (5) has a coating (6) which electrically insulated and thermally conducts, and the electrical conductor (5) is at least partially embedded in a body (8) formed by metal powder application processes.

Description

Die Erfindung betrifft eine temperierbare Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a temperature-controllable device having the features of the preamble of claim 1.

Insbesondere aus dem Bereich der Kunststoffspritzgusstechnik sind Vorrichtungen in Form von Spritzgussformen bekannt, die gekühlt werden. Hierzu weisen die Vorrichtungen Fluidmittelleitungen in Form von Kanälen auf, durch die Wasser oder Öl geleitet wird. Beispielsweise wenn besonders hohe Anforderungen an die Oberfläche des zu spritzenden Teils gestellt sind, werden außerdem Heizvorrichtungen vorgesehen, die das Fließverhalten des Kunststoffs positiv beeinflussen. So können in zusätzlichen Kanälen elektrische Leiter innerhalb der Spritzgussform angeordnet sein, die hochfrequent durchflossen sind und hierdurch einen Wirbelstrom innerhalb der Vorrichtung erzeugen. Der innere Widerstand der Vorrichtung sorgt für eine Erwärmung, die Vorrichtung wird also induktiv beheizt. Die elektrischen Leiter können als Rohre ausgeführt sein, um eine Kühlung zu ermöglichen. Diese Kühlung betrifft aber im Wesentlichen nur den elektrischen Leiter selbst, der sich aufgrund seines Widerstands erwärmt, und allenfalls in geringen Maß den umgebenden Teil der Vorrichtung. Insofern ist selbst bei einem gekühlten elektrischen Leiter zusätzlich eine Fluidmittelleitung zum Kühlen erforderlich. Die Konstruktion und die Herstellung derartiger Vorrichtung sind somit sehr aufwendig.In particular, in the field of plastic injection molding technology devices in the form of injection molds are known, which are cooled. For this purpose, the devices on fluid medium lines in the form of channels through which water or oil is passed. For example, if particularly high demands are placed on the surface of the part to be sprayed, heaters are also provided which positively influence the flow behavior of the plastic. Thus, in additional channels electrical conductors can be arranged within the injection mold, which are traversed at high frequency and thereby produce an eddy current within the device. The internal resistance of the device provides heating, so the device is heated inductively. The electrical conductors may be designed as tubes to allow cooling. However, this cooling essentially relates only to the electrical conductor itself, which heats up due to its resistance, and at most to a small extent the surrounding part of the device. In this respect, even with a cooled electrical conductor additionally a fluid supply line for cooling is required. The design and manufacture of such device are thus very expensive.

Weiterhin sind temperierbaren Vorrichtungen in Form von Heizplatten oder dergleichen bekannt, bei denen ein elektrischer Leiter innerhalb eines Kanals in einem Körper, beispielsweise einer Heizplatte, angeordnet ist. Durch eine Isoliermasse ist der Leiter innerhalb des Kanals gegenüber dem Körper elektrisch isoliert. Die Erwärmung erfolgt aufgrund des elektrischen Widerstands des elektrischen Leiters. Der Leiter erhitzt sich also selbst. Die Wärme wird über die Isoliermasse übertragen. Soll die Form der Vorrichtung nicht flach sein und/oder zusätzlich Fluidmittelleitungen, insbesondere zur Kühlung, eingebracht werden, wird der Aufbau sehr komplex.Furthermore, heatable devices in the form of hot plates or the like are known in which an electrical conductor within a channel in a body, such as a hot plate, is arranged. An insulating material electrically insulates the conductor within the channel from the body. The heating takes place due to the electrical resistance of the electrical conductor. The conductor heats up itself. The heat is transferred via the insulating compound. If the shape of the device is not flat and / or additional fluid supply lines, in particular for cooling, introduced, the structure is very complex.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vereinfachten Aufbau für eine temperierbare Vorrichtung zu schaffen.The invention has for its object to provide a simplified structure for a temperature-controlled device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung schlägt eine temperierbare Vorrichtung, insbesondere als Teil eines Werkzeugs zum Spritzgießen, vor. Die Vorrichtung weist einen elektrischen Leiter zum Heizen auf, wobei dieses Heizen insbesondere induktiv und/oder aufgrund des elektrischen Widerstands des Leiters erfolgen kann. Der Leiter kann aus Kupfer sein, er ist jedoch insbesondere aus Stahl und vorzugsweise aus Edelstahl. Erfindungsgemäß weist der Leiter eine Beschichtung auf, die einerseits elektrisch isoliert und andererseits thermisch leitet, und er ist zumindest teilweise in einem durch Metallpulver-Auftragsverfahren gebildeten Körper eingebettet.This object is achieved by the device with the features of claim 1. The invention proposes a temperature-controllable device, in particular as part of a mold for injection molding. The device has an electrical conductor for heating, wherein this heating can be done in particular inductively and / or due to the electrical resistance of the conductor. The conductor can be made of copper, but it is in particular made of steel and preferably made of stainless steel. According to the invention, the conductor has a coating which, on the one hand, is electrically insulated and, on the other hand, thermally conducts, and is embedded at least partially in a body formed by metal powder application processes.

Die Beschichtung ist insbesondere weniger als 1 mm dick, kann aber auch dicker sein und kann insbesondere auch ungleichmäßig geformt sein. Die Beschichtung dient dazu, dass keine elektrische Kontaktierung zwischen Leiter und dem umgebenden Körper entsteht. Außerdem soll aber ein guter Wärmefluss zwischen Leiter und dem umgebenden Körper gewährleistet sein. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt insbesondere mindestens 10 W·m^–1·K^–1, vorzugsweise mindestens 30 W·m^–1·K^–1. Darüber hinaus ist die Beschichtung insbesondere wärmebeständig bis 200°C, vorzugsweise bis mindestens 400°C. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumoxid, Siliziumcarbid oder Mischungen hieraus gebildet.The coating is in particular less than 1 mm thick, but may also be thicker and, in particular, may be unevenly shaped. The coating serves to ensure that there is no electrical contact between the conductor and the surrounding body. In addition, however, a good heat flow between the conductor and the surrounding body should be ensured. The thermal conductivity is in particular at least 10 W · m ^-1 · K ^-1 , preferably at least 30 W · m ^-1 · K ^-1 . In addition, the coating is particularly heat resistant up to 200 ° C, preferably up to at least 400 ° C. In a preferred embodiment, the coating is formed of aluminum oxide, aluminum nitride, zirconium oxide, silicon oxide, silicon carbide or mixtures thereof.

Als Metallpulver-Auftragsverfahren wird hier ein sogenanntes „Kaltgasspritzverfahren” verstanden, das nach DIN EN 657 zu den thermischen Spritzverfahren gehört und bei dem Metallpulver mit Korngrößen von 25 bis 75 μm über ein Trägergas auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und über eine Düse auf ein Substrat aufgebracht wird. Durch schichtweises Auftragen, also in einem generativen Verfahren, können massive Körper in diesem Verfahren erzeugt werden. Die Druckschrift WO 2011/042090 A1 stellt beispielshaft mögliche Prozessparameter dar.As a metal powder coating method is here a so-called "cold gas spraying" understood, after DIN EN 657 belongs to the thermal spraying method and accelerated in the metal powder with particle sizes of 25 to 75 microns via a carrier gas to high speeds and is applied via a nozzle to a substrate. By layer-wise application, ie in a generative process, massive bodies can be generated in this process. The publication WO 2011/042090 A1 exemplifies possible process parameters.

Durch die Ausbildung des umgebenden Körpers im Metallpulver-Auftragsverfahren schmiegt sich dieser zum einen unmittelbar an den elektrischen Leiter an, was einen sehr guten Wärmefluss führt. Zum anderen kann der Körper hochfest ausgebildet werden, so dass die Vorrichtung beispielsweise als Werkzeug zum Spritzgießen genutzt werden kann, indem in den Körper die Geometrie der Spritzgusskavität eingebracht wird. Vorzugsweise wird als Metallpulver ein Eisenwerkstoff verwendet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sehr komplexe Formen hergestellt werden können. So können nahezu beliebige Verläufe des Leiters und Geometrien des Körpers erzeugt werden.Due to the formation of the surrounding body in the metal powder application process, this nestles on the one hand directly to the electrical conductor, resulting in a very good heat flow. On the other hand, the body can be made high strength, so that the device can be used, for example, as a tool for injection molding, by introducing into the body the geometry of the injection molding cavity. Preferably, a ferrous material is used as metal powder. Another advantage is that very complex shapes can be made. Thus, almost any course of the conductor and geometries of the body can be generated.

Vorzugsweise bildet der Leiter eine Fluidmitteleitung zum Kühlen der Vorrichtung, wozu der Leiter insbesondere rohrförmig ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass neben dem Leiter keine zusätzlichen Kanäle zum Kühlen ausgebildet werden müssen, wodurch sich der Aufbau gegenüber bekannten Spritzgussformen mit elektrischem Leiter und Kühlmittelbohrungen erheblich vereinfacht. Aufgrund der Beschichtung des Leiters findet auch beim Kühlen ein sehr guter Wärmefluss statt.Preferably, the conductor forms a fluid conduit for cooling the device, to which the conductor is particularly tubular. This has the advantage that in addition to the conductor no additional channels have to be formed for cooling, whereby the construction considerably simpler than known injection molds with electrical conductor and coolant holes. Due to the Coating of the conductor is also a very good heat flow when cooling.

Außer dem als Fluidmittelleitung ausgebildeten Leiter kann die Vorrichtung einen oder mehrere zusätzliche elektrische Leiter zum Heizen und/oder eine oder mehrere zusätzliche Fluidmittelleitungen zum Kühlen aufweisen. Zusätzliche Fluidmittelleitungen können insbesondere derart in dem durch Metallpulver-Auftragsverfahren erstellten Körper ausgebildet werden, dass ein wasserlöslicher Füllköper mittels des Auftragsverfahrens umspritzt und anschließend ausgewaschen wird. Die Geometrie des Füllkörpers entspricht also der späteren Geometrie der Fluidmittelleitung.In addition to the conductor formed as a fluid conduit, the apparatus may include one or more additional electrical conductors for heating and / or one or more additional fluid conduits for cooling. Additional fluid conduits may in particular be formed in the body produced by metal powder application method such that a water-soluble filler is encapsulated by means of the application method and subsequently washed out. The geometry of the packing thus corresponds to the later geometry of the fluid supply line.

Erfindungsgemäß kann die gesamte Vorrichtung neben dem elektrischen Leiter ausschließlich aus dem durch Metallpulver-Auftragsverfahren gebildeten Körper bestehen. Vorzugsweise weist die Vorrichtung jedoch eine Trägerplatte, insbesondere aus Stahl, auf, die nicht durch Metallpulver-Auftragsverfahren gebildet ist. So kann die Trägerplatte einerseits als Substrat für das Metallpulver-Auftragsverfahren und andererseits zur Positionierung des Leiters dienen. Auch braucht insgesamt weniger Volumen der Vorrichtung durch Metallpulver-Auftragsverfahren hergestellt werden, wodurch sich die Herstellzeit verkürzen lässt.According to the invention, the entire device may consist, in addition to the electrical conductor, exclusively of the body formed by metal powder application. However, the device preferably has a carrier plate, in particular made of steel, which is not formed by metal powder application method. Thus, the carrier plate on the one hand serve as a substrate for the metal powder application process and on the other hand for positioning of the conductor. Also, less total volume of the device needs to be made by metal powder coating methods, which can reduce the manufacturing time.

Vorzugsweise ist der elektrische Leiter derart mit einem hochfrequenten Strom beaufschlagbar, dass die Vorrichtung induktiv erwärmt wird. Hierzu muss einerseits der Werkstoff, die Länge und das Profil des Leiters angepasst werden, wie dies an sich von induktiv beheizten Werkzeugen bekannt ist. Andererseits ist der Leiter insbesondere mit einer hochfrequenten Stromquelle und einem Kondensator zu einem elektrischen Schwingkreis verbunden.Preferably, the electrical conductor can be acted upon by a high-frequency current such that the device is heated inductively. For this purpose, on the one hand, the material, the length and the profile of the conductor must be adapted, as is known per se from inductively heated tools. On the other hand, the conductor is in particular connected to a high-frequency current source and a capacitor to form an electrical resonant circuit.

Um thermisch bedingte Spannungen zu vermeiden, weist vorzugsweise die Beschichtung im Wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizient der elektrische Leiter auf. Außerdem weisen vorzugsweise auch der Leiter und der durch Metallpulver-Auftragsverfahren gebildeten Körper im Wesentlichen den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizient auf. Sollte eine Trägerplatte vorgesehen sein, gilt für diese das gleiche.In order to avoid thermally induced stresses, the coating preferably has essentially the same coefficient of thermal expansion of the electrical conductors. In addition, preferably also the conductor and the body formed by metal powder application method have substantially the same temperature expansion coefficient. If a carrier plate is provided, the same applies to this.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die einzige 1 zeigt eine perspektivische, vereinfachte Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.The invention will be explained below with reference to an embodiment. The only 1 shows a perspective, simplified sectional view of the device according to the invention 1 ,

Die Vorrichtung 1 stellt einen Teil eines ansonsten nicht dargestellten Werkzeugs zum Spritzgießen dar. Sie weist eine in etwa quadratische Trägerplatte 2 aus Warmarbeitsstahl auf. Die Trägerplatte 2 weist auf einer Oberseite 3 eine Nut 4 auf, die in etwa M-förmig verläuft und einen kreissegmentförmigen Querschnitt hat. In die Nut eingelassen ist ein elektrischer Leiter 5 mit einer Beschichtung 6 aus Zirkonoxid. Der elektrische Leiter ist als Rohr aus Chromstahl ausgebildet. Zwei Enden 7 ragen über die Trägerplatte 2 hinaus. Diese Enden 7 sind zusammen mit einem Kondensator (nicht dargestellt) an eine hochfrequente Stromquelle (nicht dargestellt) angeschlossen, so dass der Leiter 5 einen Teil eines elektrischen Schwingkreises bildet. Der Leiter 5 ist mit seinem aus der Trägerplatte 2 herausragenden Teil vollständig in einen Körper 8 eingebettet, der die Trägerplatte 2 etwa um das Zweifache deren Dicke überragt. Der Körper 8 ist im Metallpulver-Auftragsverfahren generativ schichtweise aufgetragen worden. Als Material wurde dabei ein Warmarbeitsstahl verwendet. Auf einer der Trägerplatte 2 abgewandten Formseite 9 kann eine Kavität (nicht dargestellt) eingebracht werden, beispielsweise die Hälfte der Negativform eines Gehäuses für einen Tablet-Computer. Die Kavität kann beispielsweise durch Funkenerosion erstellt werden.The device 1 represents a part of an otherwise not shown mold for injection molding. It has an approximately square support plate 2 made of hot-work steel. The carrier plate 2 points to a top 3 a groove 4 on, which runs in approximately M-shaped and has a circular segment-shaped cross-section. Inserted into the groove is an electrical conductor 5 with a coating 6 made of zirconium oxide. The electrical conductor is designed as a tube made of chrome steel. Two ends 7 protrude over the carrier plate 2 out. These ends 7 are connected together with a capacitor (not shown) to a high-frequency power source (not shown), so that the conductor 5 forms part of an electrical resonant circuit. The leader 5 is with his out of the carrier plate 2 outstanding part completely in a body 8th embedded, the support plate 2 about twice their thickness surmounted. The body 8th has been generatively applied layer by layer in the metal powder application process. The material used was a hot-work tool steel. On one of the carrier plate 2 opposite form side 9 For example, a cavity (not shown) may be introduced, for example half of the negative mold of a housing for a tablet computer. The cavity can be created for example by spark erosion.

Durch Beaufschlagung des Leiters 5 mit einem hochfrequenten Strom erzeugt der Leiter in seinem unmittelbaren Umfeld ein wechselndes Magnetfeld, das wiederum Wirbelströme erzeugt. Durch den inneren Widerstand wird so insbesondere im Körper 8 Wärme erzeugt. Diese kann dazu genutzt werden, dass das Fließverhalten eines Kunststoffs, der auf der Formseite 9 beim Einspritzen in das Werkzeug fließt, verbessert wird.By charging the conductor 5 With a high-frequency current, the conductor generates in its immediate environment an alternating magnetic field, which in turn generates eddy currents. By the internal resistance becomes so particularly in the body 8th Generates heat. This can be used to control the flow behavior of a plastic on the mold side 9 when injecting into the tool, is improved.

Der rohrförmige Leiter 5 ist permanent oder nur versetzt zu Heizzeiten des Leiters 5 von Wasser als Kühlmedium durchflossen. Der Leiter 5 bildet damit eine Fluidmittelleitung 10. Das Wasser kühlt einerseits den Leiter 5 selbst, der ansonsten aufgrund seines inneren Widerstands überhitzen könnte. Darüber hinaus wird aber über einen Wärmefluss vom Körper 8 über die Beschichtung 6 und den Leiter 5 auch die Formseite 9 gekühlt. Dies ist wichtig, um einerseits nach dem Befüllen des Werkzeugs mit Kunststoff diesen schnell abzukühlen, damit die Zykluszeiten beim Spritzgießen gering bleiben. Andererseits dient die Kühlung auch dem Schutz gegen Überhitzung des Werkzeugs. Da der Leiter 5 die Kühlfunktion für das Werkzeug übernimmt, kann auf zusätzliche Fluidmittelleitungen verzichtet werden.The tubular conductor 5 is permanent or only offset to heating times of the conductor 5 Water flows through as cooling medium. The leader 5 thus forms a fluid conduit 10 , The water cools the conductor on the one hand 5 itself, which could otherwise overheat due to its internal resistance. In addition, though, there is a heat flow from the body 8th over the coating 6 and the leader 5 also the form side 9 cooled. This is important, on the one hand after filling the tool with plastic to cool this quickly, so that the cycle times remain low during injection molding. On the other hand, the cooling also serves to protect against overheating of the tool. As the leader 5 takes over the cooling function for the tool, can be dispensed with additional fluid supply lines.

Aufgrund der ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Warmarbeitsstahl, Zirkonoxid und Chromstahl, die im Bereich von 10 10^–6 K^–1 bis 14 10^–6 K^–1 liegen, entstehen bei der Erwärmung nur relativ geringe thermische bedingte Spannungen zwischen den einzelnen Bauelementen, wodurch eine lange Standzeit gewährleistet ist.Due to the similar coefficients of thermal expansion of hot working steel, zirconium oxide and chromium steel, which are in the range of 10 10 ^-6 K ^-1 to 14 10 ^-6 K ^-1 , resulting in heating only relatively low thermal stresses between the individual components, creating a long service life is guaranteed.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtungcontraption
22: Trägerplattesupport plate
33: Oberseitetop
44: Nutgroove
55: Leiterladder
66: Beschichtungcoating
77: Enden des LeitersEnds of the conductor
88th: Körperbody
99: FormseiteSeiteneigenes
1010: FluidmittelleitungFluid medium line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2011/042090 A1 [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN 657 [0007]

Claims

Temperable device ( 1 ), in particular part of a mold for injection molding, with an electrical conductor ( 5 ) for heating, characterized in that the electrical conductor ( 5 ) a coating ( 6 ), which electrically insulated and thermally conducts, and that the electrical conductor ( 5 ) at least partially in a body formed by metal powder application method ( 8th ) is embedded.

Device according to claim 1, characterized in that the electrical conductor ( 5 ) a fluid supply line ( 10 ).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 6 ) is formed from alumina, aluminum nitride, zirconia, silica, silicon carbide or mixtures thereof.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical conductor ( 5 ) on a carrier plate ( 2 ), in particular of steel, which is not formed by metal powder application method.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical conductor ( 5 ) is so acted upon by a high-frequency current that the device ( 1 ) is heated inductively.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 6 ) has substantially the same coefficient of thermal expansion as the electrical conductor ( 5 ) having.