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Die Erfindung betrifft eine Anordnung von konturbezogenen Temperierkanälen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten mit räumlicher Fixierung der Temperierelemente im Rückraum und gegebenenfalls anschließenden Hinterfüllen des Funktionsbereiches, d. h. Anordnung von Verstärkungsteilen zur Verbesserung der Festigkeit der Werkzeugkomponente (Ausgießen des Rückraumes oder Ausfüllen mit Einzelelementen) für thermische Abform- oder Herstellungsverfahren zum Temperieren der herzustellenden Fertigungsteile.
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Zur Herstellung von Formteilen in sehr großen Stückzahlen werden heute wiederverwendbare Formen eingesetzt. Solcherart Werkzeuge oder auch Werkzeugeinsätze sind vor allem aus der Kunststoffverarbeitung, beispielsweise aus dem Spritzgießen von Thermoplasten und Duroplasten oder auch dem Druckgießen bekannt. Dabei sind die Werkzeuge aus mehreren Werkzeugeinzelteilen zusammengesetzt oder sind mit Werkzeugeinsätzen versehen.
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Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik werden vorwiegend aus Vollmaterial (Halbzeug z. B. runder oder rechteckiger Form) hergestellt, wobei dabei die spätere Kontur der Werkzeugteile nur in den Außenabmessungen berücksichtigt wird. Bevorzugte Werkstoffe sind Stahl und Aluminium. Für geometrisch komplizierte Objekte, insbesondere solche mit Freiformflächen, ist ein hoher Bearbeitungsaufwand in der Regel mit spanabhebender bzw. senkerodierender Bearbeitung erforderlich. Zudem sind die Genauigkeitsanforderungen an die Werkzeugeinzelteile z. B. bei Spritzgusswerkzeugen extrem hoch. Sie erfordern oftmals eine Maßgenauigkeit von 0,01 mm. Diese Werkzeuge weisen Kühl- oder Temperierkanäle auf um eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung der mit dem Werkzeug hergestellten Kunststoffteile zu erreichen. Temperierkanäle, die durch nachträgliches Bohren eingebracht werden, sind so nah wie möglich an der Werkzeuginnenkontur (Gravur, Kavität) anzuordnen, um dort einen maximalen Temperiereffekt zu erzielen. Diese Bohrungen werden heute mittels abtragender Fertigungsverfahren hergestellt. Sind sie durch Bohren hergestellt verlaufen sie jeweils nur geradlinig. Damit kann bei nicht ebenen Kunststoffteilen der optimale Abstand zu den Bohrungen zur Formoberfläche, der Kavität nicht erreicht werden. Die Folgen sind längere Fertigungszeiten für die Kunststoffteile und durch die ungleichmäßige Temperierung Qualitätsprobleme, d. h. Abweichungen des gefertigten Kunststoffteiles von der gewünschten Form (thermischer Verzug des Kunststoffteiles).
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Um die Bohrungen zu einem Temperiersystem verbinden zu können, müssen häufig ein Teil der Bohrungen mit speziellen Stopfen später wieder verschlossen werden. Liegen diese Verschlüsse in der formgebenden Oberfläche des Werkzeuges, ergeben sich dadurch später an diesen Stellen auf dem Kunststoffteil qualitätsmindernde Oberflächenmarkierungen. Neben dieser Minderung der Oberflächenqualität verursacht dieses Verschließen einen weiteren nicht unerheblichen Zeit- und Kostenaufwand. Diese Nachteile der Temperierung mit Bohrungen sind bei Werkzeugeinzelteilen für Spritzgusswerkzeuge bekannt. Es werden daher bei solcherart Werkzeugen für nicht ebenflächige Kunststoffteile oft zusätzliche spezielle Temperierelemente wie z. B. Spiralkühlfinger, die jedoch die Werkzeugkosten nochmals erhöhen, eingesetzt. Eine optimale Temperierung kann dadurch jedoch ebenfalls nicht erreicht werden.
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Die Fertigungskosten für die Herstellung dieser Werkzeuge sind entsprechend den Genauigkeitsanforderungen der damit hergestellten Spritzgussteile oder Druckgussteile auf Grund der hohen Drücke während des Abformens von ca. 100 Tonnen und mehr und den Anforderungen an eine hohe Dichtigkeit des Werkzeuges sehr hoch.
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In erster Linie sind diese Anforderungen nur mit Werkzeugen aus Stahl erfüllbar. Probleme treten insbesondere bei der spanabhebenden Bearbeitung der Halbzeuge aus denen die Werkzeuge hergestellt werden, auf. Dabei werden Spannungen aus dem Werkzeug frei, die zur Verformung des Werkzeugteiles oder Werkzeuges führen. Die Folge davon ist eine langwierige zeitaufwendige abgestufte Bearbeitung mittels abtragender Herstellungsverfahren in Verbindung mit langwierigen thermischen Behandlungen um die Spannungen im Werkzeug zu vermindern.
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Es gibt verschiedene Erfindungen mit dem Ziel, die Temperierung darüber hinaus zu verbessern. Derartige Patente gehen nach wie vor, von Temperierkanälen – wenn auch verbesserten – aus und betreffen immer nur ein spezielles Verfahren (z. B. Spritzguss). Solche Lösungen sind aus den Schriften
DE 42 34 961 ,
DE 44 44 796 und
DE 195 21 733 bekannt. Zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen aus Blockmaterial ist ein hoher Bearbeitungsaufwand (Zeit und Kosten) für das Schruppen, Schlichten, eventuell notwendiges Senkerodieren und das Einbringen von Temperierkanälen kennzeichnend. Die eigentliche Temperierung erfolgt in der Regel zumeist mit Öl, Wasser oder andere wasserbasierten Fluiden.
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Bekannt sind auch Werkzeuge bzw. Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen, mit denen nicht ebene Kunststoffteile hergestellt werden sollen, die aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sind. Dabei sind in einzelne Werkzeugteile mäanderförmige Temperierkanäle eingebracht. Diese Einzelteile des Werkzeuges werden dann so dichtend miteinander verbunden, dass keine Temperiermittel austreten können. Solcherart Werkzeuge sind bedingt durch ihre aufwendige Herstellung noch teuerer.
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Bei der Herstellung von Gießharzformen, d. h. bei Gießprozessen mit niedriger Temperatur, ist es bekannt Einzelteile, wie z. B. Rohre in der Gießharzform so anzuordnen, dass sie im Gießprozess mit eingegossen werden. Diese Giesharze besitzen jedoch nur geringe thermische und mechanische Eigenschaften, so dass sie nur zur Herstellung von Prototypen eingesetzt werden können.
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Weiterhin ist es aus der
DE 101 59 456 A1 bekannt Temperierkanäle in Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen in einer neuen Qualität anzuordnen. Dabei ist die innere Wand des Werkzeuges bzw. des Werkzeugeinsatzes analog der Kontur der Gravur/Kavität ausgeformt. Das bedeutet, dass die innere Wand ein Konturnegativ des herzustellenden Erzeugnisses darstellt und in konturparallelem Abstand mit definierter Wandstärke ganz oder teilweise hinterformt ausgebildet ist. Bei nur teilweiser Hinterformung folgen die Kühlkanäle ebenfalls in konturparallelem Abstand der Kontur der inneren Wand des Werkzeuges bzw. des Werkzeugeinsatzes. Das Werkzeug bzw. der Werkzeugeinsatz ist vollständig geschlossen. Es besteht aus einem Stahlgussteil in dessen Inneren mindestens ein Rohr mit mindestens einer Temperiermitteleintrittsöffnung und mindestens einer Temperiermittelaustrittsöffnung angeordnet ist. Das oder die eingegossenen Rohre sollen sich während des Gießens stoffschlüssig mit dem Gussmaterial verbinden, so dass ein sehr guter Wärmeübergang zwischen Werkzeug, bzw. Werkzeugeinsatz und Temperiermedium gewährleistet werden kann. Bei diesem Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen bzw. Werkzeugeinsätzen für abformende Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung und Gießereitechnik werden Rohre im Inneren des Werkzeuges bzw. Werkzeugeinsatzes so eingegossen, dass sie in ihrem Verlauf der Kavität des Werkzeuges angepasst sind, wobei die Rohre mittels Gießen von Stahl nach dem Vollformguss eingegossen werden sollen. Die Ur-, Fertigungs- und Kernmodelle der Werkzeuge bzw. Werkzeugeinsätze sind dabei mittels eines Rapid-Prototyping-Verfahrens oder mittels Hochgeschwindigkeitsfräsen HSC gefertigt. Allerdings ist diese Lösung nur für Rohre mit relativ großen Wandstärken geeignet, da bei geringen Wandstärken das Rohrmaterial in einzelnen Bereichen der Form so weit aufschmilzt, dass sich die geforderte Lage der Rohre verändert, oder die Rohre ganz wegschmelzen. Bei Rohren mit großen Wandstärken besteht des Weiteren das Problem, dass die relativ großen Krümmungsradien der Rohre den oftmals kleineren Krümmungsradien des Oberflächenverlaufs der Funktionsfläche, die ja optimal temperiert werden sollen, nicht folgen können. Diese Lösung ist deshalb nur für einfache, wenig gekrümmte Oberflächen geeignet. Komplizierte Rohrkonstruktionen, vor allem in mehreren Raumachsen lassen sich nur mit erheblichem technologischem Aufwand herstellen.
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In der
DE 20 2009 005 219 U1 wird einleitend ausgeführt, dass zum Temperieren von Formwerkzeugen für Spritzgießwerkzeuge, die 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.
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Die
DE 198 18 132 A1 offenbart ein modulartiges Temperiersystem für insbesondere Werkzeuge der Kunststoffspritzgusstechnik mit an Temperierkanäle anschließbaren Temperiergeräten mit Kühlmittelanschluss, Elektroanschluss, Umpumpeinrichtung, Heizung, Kühlung und Regelung für jeden einzelnen Temperierkreis bzw. Temperierkanal.
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In der
DE 100 13 474 A1 ist dagegen ein anderes Temperiersystem für thermisch und mechanisch hochbeanspruchte Bauteile beschrieben, das ein kostengünstiges, konturnahes, gleichmäßiges Kühlen, Erhitzen oder Konstanthalten der Temperatur erlauben soll.
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Aus der
DE 10 2010 017 014 A1 ist eine Anordnung zur Herstellung von konturbezogenen Temperierkanälen 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.
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Die Prozessketten zur Herstellung von GFK/CFK-Teilen sind gekennzeichnet durch aufwändige 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 offenen und in geschlossenen Werkzeugen.
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In der
DE 195 15 493 A1 ist ein weiteres beheizbares Formteil für die Formtechnik beschrieben, welchem Heizelemente zugeordnet sind, die in einem direkten Wärme- und Körperkontakt mit dem eigentlichen 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.
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Aus der
DE 10 2010 016 501 A1 ist des Weiteren 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 mittels nur eines Mediums vorgesehen 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. Zudem ist diese technische Lösung nur für relativ niedrige Temperaturbereiche geeignet, da die jeweils maximal einbringbare Heizleistung schnell an ihre Grenzen stößt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Anordnung von konturbezogenen Temperierkanälen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten zu schaffen, bei der sowohl räumlich kleine Temperierstrukturen als auch räumlich großflächige Temperierungen ausgebildet werden können, wobei erheblich höhere Temperierungen als bisher möglich sind, innerhalb sehr kurzer Zeit eine sehr hohe Heizenergie eingebracht werden kann, eine möglichst genaue Temperiersteuerung erfolgen kann und darüber hinaus eine neuartige Anordnung von Elementen erfolgt, die mehrfach wiederverwendet werden können und die in die Nähe der aktiven Oberflächen im Inneren der Werkzeuge bei 3D-Freiformflächen oder Werkzeugkomponenten bzw. Hybridkernen angeordnet werden können und die zudem auch weitgehend dem Verlauf der Kavität folgen können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des 1 Patentanspruches gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren rückbezüglichen Unteransprüche. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung von konturbezogenen Temperierkanälen 2 für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 oder Hybridkernen mit räumlicher Fixierung der Temperierelemente im Rückraum und gegebenenfalls anschließender Versteifung des Funktionsbereiches (20) durch Anordnen von Verstärkungselementen oder Einzelelementen (dies bedeutet, dass der Rückraum ausgegossen oder mit einzelnen Teilelementen verstärkt wird) entsteht ein neuartiges hocheffizientes Temperiersystem 2. Dieses konturbezogene Temperiersystem 2 für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 ist ebenfalls, wie an sich bekannt, nach dem Prinzip der räumlichen Fixierung der Temperierelemente im Rückraum 20 und gegebenenfalls einer Versteifung des Funktionsbereiches (20) oder auch Hintergießen oder Hinterfüllen des Funktionsbereiches 20 aufgebaut. Hier sind im kavitätsnahen Werkzeugkörper 18 oder im Rückraumwerkzeugkörper 19 konturnahe Einzelrohre 3, Doppelrohre 4, Mehrfachrohre 5 oder Temperiernester 6 oder die Kombination von diesen angeordnet. Erfindungsgemäß sind in den konturnahen Temperierkanälen 3, Einzelrohren 3a, Doppelrohren 4, Mehrfachrohren 5 oder Temperiernestern 6 oder auch direkt im Inneren eines konturbezogenen Temperiersystems 2 Einzelkeramikheizelemente 9, wie beispielsweise bevorzugt Keramikheizelementstäbe 10, Keramikheizelementkugeln 11, Keramikheizelementplatten 12 oder Keramikheizelementketten 13 oder Keramikheizelementnetze 14 oder Keramikheizelementscheiben 15 oder Keramikheizelementkreisringscheiben 16 oder Kombinationen daraus angeordnet und elektrisch untereinander verbunden. Die einzelnen elektrischen Verbindungsleitungen sind vorzugsweise untereinander isoliert, so dass jeglicher elektrisch leitfähiger Kontakt zu den umgebenden Rohren oder leitfähigen Materialien ausgeschlossen wird. Diese Verbindungs- und Anschlussleitungen 21 sind elektrisch mit einer außerhalb des Temperiersystems angeordneten Energie-, Steuer- und Schalteinheit 22 verschaltet. Bei Anordnung mehrerer verschiedener Heizstränge können diese voneinander getrennt einzeln angesteuert und geschalten werden. Dabei ist mindestens eine Fläche der Einzelkeramikheizelemente 9 der Kontur der konturnahen Temperierkanäle 3 oder Einzelrohre 3a, Doppelrohre 4, Mehrfachrohre 5 oder Temperiernestern 6 analog ausgebildet ist. Anschließend ist es von Vorteil wenn im Rückraum 20 zur mechanischen Verfestigung Versteifungselemente oder Versteifungsmaterialien angeordnet sind. Je enger der Kontakt der Einzelkeramikheizelemente 9 mit den umgebenden Rohren oder Materialien ist, umso effektiver und schneller erfolgt die Wärmeübertragung von den Einzelkeramikheizelementen 9 in das Werkzeug 1. Sind die Einzelkeramikheizelemente 9 flächig ausgebildet ist es vorteilhaft, wenn diese Flächen mit den umgebenden Rohren oder Materialien möglichst vollflächig Kontakt haben. Insofern sind die Rohre dann abgeflacht ausgebildet. Zum Beispiel werden die Rohre nach dem Einfädeln der flächigen Einzelkeramikheizelemente 9 zusammengedrückt um den direkten flächigen Kontakt zwischen der Oberfläche des Einzelkeramikheizelementes 9 und der Rohrwand herzustellen.
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In einer anderen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung von konturbezogenen Temperiersystemen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 sind im Rückraum der Werkzeugkomponente 1 ebene oder gewölbte Einfräsungen, die der Form der Einzelkeramikheizelemente 9 analog entsprechen angeordnet. Das heißt die Form der Einfräsungen entsprechen genau den Formen der Keramikheizelementstäbe 10, oder den der Keramikheizelementkugeln 11, oder den der Keramikheizelementplatten 12, oder den der Keramikheizelementketten 13, oder den der Keramikheizelementnetze 14, oder den der Keramikheizelementscheiben 15 oder den der Keramikheizelementkreisringscheiben 16 oder den Formen einer der möglichen denkbaren Kombinationen. Die Einzelkeramikheizelemente 9 können dann flächig anliegend an der bzw. den Fläche(n) der Einfräsungen angeordnet werden.
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Ebenfalls möglich ist es, wenn bei der Anordnung von konturbezogenen Temperiersystemen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 die Einzelkeramikheizelemente (9) mit metallischen Formstücken umgeben sind. Diese metallischen Formstücke können je nach Bedarf an eine, an zwei- oder an mehrere Seiten der Einzelkeramikheizelemente 9 angepasst werden. Dadurch kann eine optimale Flächenanpassung an die Geometrie der Werkzeugkomponente 1 oder an die darin angeordneten Einfräsungen ermöglicht werden. Diese metallischen Formstücke bestehen bevorzugt aus Aluminium oder Kupferlegierungen und umhüllen die Einzelkeramikheizelemente 9 bevorzugt an drei Seiten, so dass ein optimaler Wärmetransport vom Einzelkeramikheizelement 9 über das Formstück in das umgebende flächig anliegende Material der Werkzeugkomponente 1 möglich ist. Dies ermöglicht auch einen besonders guten Flächenkontakt bei stärkeren Flächenkrümmungen der Temperierkanäle 3, was insbesondere den Einsatz von billigen quaderförmigen Einzelkeramikheizelementen 9 ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Anordnung von konturbezogenen Temperiersystemen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 die Einzelkeramikheizelemente 9, d. h. die Keramikheizelementstäbe 10, Keramikheizelementkugeln 11, Keramikheizelementplatten 12, Keramikheizelementketten 13, Keramikheizelementnetze 14, Keramikheizelementscheiben 15 oder Keramikheizelementkreisringscheiben 16 oder Kombinationen daraus und ihre Verbindungs- und Anschlussleitungen 21 untereinander vollflächig oder teilweise zwischen den Heizelementen mit einer wasserdichten Isolation umgeben sind. Diese ist nicht notwendig wenn die Einzelkeramikheizelemente 9 bereits selbst wasserdicht ausgebildet sind.
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Bevorzugt kann die Wasserdichtheit der Isolation erreicht werden, wenn die Isolation aus schrumpfbaren und/oder aushärtbaren oder imprägnierten Glasseiden oder Glasgeweben insbesondere in Kombination mit Silikonwerkstoffen oder bestimmten auf Polyesterbasis hergestellten Materialien besteht. Es kann ebenfalls Teflon-Schrumpf-Folie eingesetzt werden. Dabei ist die Isolation an mindestens einer Fläche zum direkten Flächenkontakt zwischen Einzelkeramikheizelementen 9 oder deren umhüllenden metallischen Formstücken und der Auflagefläche auf oder der Einfräsung in der Werkzeugkomponente 1 freigeschnitten ausgebildet. Dadurch wird ein direkter Wärmeübergang zwischen Einzelkeramikheizelementen 9 und dem umgebenden Material der Werkzeugkomponente 1 ermöglicht, wodurch der Wärmeeintrag in die Werkzeugkomponente 1 schneller als bisher erfolgen kann. Mit einer solcherart ausgeführten Isolation lassen sich zum Beispiel neuartige Anordnungen von konturbezogenen Temperiersystemen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 realisieren, wo dann nach dem Heizen die Heizelemente, wenn diese elektrisch abgeschaltet sind, direkt von einem geeigneten Kühlmedium, wie zum Beispiel Wasser oder Öl umspült und damit auch sehr schnell gekühlt werden können. In dieser Ausführung ist sowohl ein sehr schnelles Aufheizen als auch ein sehr schnelles Herunterkühlen der gesamten Werkzeugkomponente 1 möglich. Dies führt zu einer erheblichen Zeiteinsparung des gesamten Fertigungsprozesses, da es nun möglich ist, sowohl das Werkzeug sehr schnell aufzuheizen als auch die im hergestellten Werkstück vorhandene Wärmeenergie in kürzester Zeit wieder nach außen abführen zu können. Damit lassen sich pro Zeiteinheit mit dem gleichen Werkzeug erheblich mehr Fertigteile herstellen als bisher üblich und bekannt.
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Von weiterem Vorteil bei der erfindungsgemäßen Anordnung von konturbezogenen Temperiersystemen 2 für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 ist es, wenn im kavitätsnahen Werkzeugkörper 18, im Rückraumkörper 19 oder im Vergussmaterial im Rückraum 20 der Werkkomponente 1 Sensoren 23 eingebracht und angeordnet sind. Mittels dieser Sensoren können die Temperierverläufe, d. h. die Erwärmungs- und Abkühlkurven auch an einzelnen Punkten im Werkzeug 1 oder die punktuellen Temperaturen vor allem in der Nähe von Wärmenestern überwacht werden. Deshalb werden die Sensoren 23 vorrangig als Temperatursensoren ausgebildet und eingebracht.
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Mit der neuartigen Anordnung von konturbezogenen Temperierkanälen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 können sowohl räumlich kleine Temperierstrukturen als auch räumlich großflächige Temperierungen erzielt werden. Mit diesem Temperiersystem 2 können erheblich höhere Temperierungen als bisher möglich erreicht werden. Zudem erfolgt die Temperierung innerhalb sehr kurzer Zeit, da mittels der Einzelkeramikheizelemente 9 eine sehr hohe Heizenergie in kurzen Zeiträumen eingebracht werden kann. Da die Erwärmung über einzelne oder miteinander verschaltete elektrische Keramikheizelemente funktioniert, kann eine möglichst genaue Temperiersteuerung erfolgen, indem die Einzelkeramikheizelemente 9 einzeln geschaltet werden. Mit dieser neuartigen Anordnung von Einzelkeramikheizelementen 9 wird es im Prinzip auch möglich, diese im Nachhinein wieder zu demontieren und für andere Werkzeuge erneut einzusetzen zu können. Sie können universell in der Nähe der aktiven Oberflächen im Inneren der später aufgebauten aktiven 3D-Freiformflächen und anderen Werkzeugkomponenten genau positioniert und angeordnet werden und zudem auch weitgehend dem Verlauf der jeweiligen Kavität 17 folgen. Die Vorteile liegen vor allem darin, dass die Fertigungszeiten, der mit solch einem Werkzeug, solch einer Werkzeugkomponente 1 oder solch einem Hybridkern hergestellten Teile, z. B. insbesondere bei Kunststoffteilen erheblich verringert werden können. Diesen kürzeren Taktzeiten ermöglichen erheblich höhere Stückzahlen pro Zeiteinheit in der Fertigung. Der zweite wesentliche Vorteil ist die Möglichkeit ungleichmäßige Abkühlungen beim Erstarrungsprozess weitgehend zu vermeiden bzw. ganz auszuschließen, was zu sehr geringen Abweichungen des gefertigten Kunststoffteiles von der gewünschten Form wie insbesondre die Vermeidung des thermischen Verzuges des jeweils gefertigten Kunststoffteiles führt. Dadurch lässt sich die Qualität und Maßhaltigkeit der hergestellten Erzeugnisse weiter steigern.
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Insbesondere bestehen bei der neuartigen Anordnung von konturbezogenen Temperiersystemen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten die Keramikheizelemente, die Einzelkeramikheizelemente 9, d. h. Keramikheizelementstäbe 10, Keramikheizelementkugeln 11, Keramikheizelementplatten 12, Keramikheizelementketten 13, Keramikheizelementnetze 14, Keramikheizelementscheiben 15 oder Keramikheizelementkreisringscheiben 16 oder Kombinationen daraus aus Siliziumnitrid-Heizelementmaterialien. Dies hat den Vorteil, dass solcherart Materialien vollkommen inert ausgebildet sind und keinerlei Feuchtigkeit aufnehmen. Dies führt dazu, dass keinerlei Kriechströme auch nach längerer Feuchtigkeitseinwirkung auftreten. Damit ist es möglich, die Rohre in denen Keramikheizelemente aus solcherart Siliziumnitrid Heizelementmaterialien angeordnet sind, nach dem Ausschalten des Stromes direkt mit geeigneten Fluiden kühlen zu können und an den gleichen optimierten Stellen an denen vorher die erforderliche Wärmeenergie für den Fertigungsprozess eingebracht wurde, auch wieder die Wärmeenergie schnellstmöglich nach außerhalb abzuführen. Nachdem die 3D-Freiformfläche oder die Werkzeugkomponente 1 oder das gesamte Werkzeug entformt wurde, kann sofort durch Anlegen einer Spannung wieder aufgeheizt werden. Vorhandene zum Beispiel an der Oberfläche der Keramikheizelemente oder an den Verbindungsleitungen oder an den Rohrinnenwänden anhaftende oder adsorbierte Feuchtigkeit dampft in den ersten Sekunden bzw. Millisekunden nach dem Wiedererwärmen ab. Auf Grund der geringen thermischen Masse der Siliziumnitrid-Keramikheizelemente lassen sich diese auch sehr gut direkt Steuern und Regeln ohne bei Einstellen der gewünschten Endtemperatur zum Überschwingen zu neigen. Die bei anderen Heizelementen auftretende Regelträgheit lässt sich hierbei weitgehend vermeiden. Diese neuartige Anordnung zur Herstellung von konturbezogenen Temperierkanälen ist vor allem für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten 1 bei der Herstellung von Formteilen aus GFK Materialien geeignet. Durch die Kombination von ebenen oder gewölbten Einfräsungen in Verbindung mit den neuartigen angepassten metallischen Formstücken kann ein nahezu 100%iger Flächenschluss zwischen Einzelkeramikheizelementen 9 und Oberfläche bzw. Umgebungsfläche der 3D Freiformfläche, Werkzeugkomponente, oder Hybridkern 1 erreicht werden. Dis ist insbesondere deshalb von Vorteil, da Schleifbearbeitungen von keramischen Heizkörpern einen hohen Aufwand erfordern und schnell zu Beschädigungen der Heizelemente führen können.
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Die Erfindung soll nachstehend in einer allgemeinen und sehr speziellen Ausführung an Hand der Figuren eins bis neun in zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
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1 zeigt eine Werkzeugkomponente 1 mit einer Keramikheizelementkreisringscheibe 16
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2 zeigt eine Werkzeugkomponente 1 mit Keramikheizelementstäben 10
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3 zeigt schematisch eine Anordnung in einem kavitätsnahen Werkzeugkörper 18
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4 zeigt unterschiedliche mögliche Formen von einbaubaren Keramikheizelementen
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5 zeigt eine Kette von Keramikheizelementkugeln 11 in einem Einzelrohr 3
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6 zeigt eine Kette von Einzelkeramikheizelementen 9 in einem abgeflachten Einzelrohr
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7 zeigt eine Kombination eines Mehrfachrohres 5 zur optimalen Temperierung (ein Rohr als Heizrohr mit Einzelkeramikheizelementen 9, die anderen Rohre ringsherum als Temperierkanäle 3 hier als Kühlrohre ausgeführt)
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8 zeigt ein mögliches Temperiernest 6 aus einer Vielzahl von Keramikheizelementen
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9 zeigt eine Ausführung eines Temperierkanals 2 mit einem Doppelrohr 4
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1 zeigt eine Werkzeugkomponente 1 mit einer im Inneren eines Hybridkerns 1 eingelegten Keramikheizelementkreisringscheibe 16 als Draufsicht und als Schnittdarstellung. Diese ist in eine ausgesparte Ringnut des Rückraumwerkzeugkörpers 19, d. h. des Grundkörpers eingelegt. Über eine mittig angeordnete Bohrung oder über radial nach außen verlaufende Kanäle werden die Verbindungsleitungen (nicht gezeichnet) zugeführt. Auf den Grundkörper 19 ist der kavitätsnahe Werkzeugkörper 18, d. h. der Aufbaukörper vollflächig so aufgelegt, dass die stirnseitige Oberfläche der Keramikheizelementkreisringscheibe 16 direkt durch die Rückenfläche des Aufbaukörpers berührt wird, so dass ein direkter Wärmeübergang aus der Keramikheizelementkreisringscheibe 16 in das Material des Aufbauköpers erfolgen kann. Im Inneren des Aufbaukörpers 18 ist ein ringartiger Temperierkanal eingearbeitet, der mit axial angeordneten zuführende Temperierkanälen 3 nach außen korrespondiert, so dass von außen über das Einzelrohr 3a Temperiermittel, wie zum Beispiel Wasser, bei Bedarf problemlos zugeführt werden kann. Das Erwärmen des kavitätsnahen Werkzeugkörpers 18 des Hybridkerns 1 erfolgt über die Keramikheizelementkreisringscheibe 16. Nach dem Fertigungsprozess wird der Aufbaukörper 18 über die Temperierkanäle 3, hier als ein Einzelrohr 3a ausgeführt, gekühlt und auch die Wärme aus dem sich vor der Kavität befindlichen hergestellten Werkstück sehr konturnah und sehr schnell entzogen.
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In 2 ist ein anders geformterer Hybridkern 1 mit einer gewölbten Kavität 17 abgebildet. Das konturnahe Temperiersystem 2 wird hier durch eine Kombination von drei der Kavität konturnah angeordneten Einzelrohren 3a (Temperierkanälen 3), welche im Aufbaukörper 18 mittels geeigneter 3D erzeugender Formbautechnologien, wie zum Beispiel mittels Selective Laser Melting erzeugt wurden, und drei im Grundkörper 19 in Nuten eingelegte flachstabförmige Keramikheizelementstäbe 10 gebildet. Die flachstabförmigen Keramikheizelementstäbe 10 sind jeder für sich einzeln mit einer zugehörigen Energie-, Steuer- und Schalteinheit 22 über Verbindungs- und Anschlussleitungen 21 zur Energieeinspeisung und Steuerung verbunden. Der Rückraum 20 in diesem Beispiel ist hier frei gelassen, kann aber zur Verstärkung bei Bedarf mit einer weiteren Rückraumabdeckung oder einer Rückraumplatte, d. h. einem weiteren der mechanischen Versteifung dienenden Versteifungselement geschlossen werden. Des weiteren ist im Hybridkern 1 zentral eine Bohrung bis nahe der Kavität angeordnet, in welche ein Sensor 23 installiert werden kann, der wiederum mit der Energie-, Steuer- und Schalteinheit 22 verbunden ist und dessen Messdaten dort angezeigt oder ausgewertet werden können, bzw. zur Steuerung und Regelung benutzt werden können.
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Die 3 zeigt schematisch eine Anordnung eines Hybridkerns 1 und die mögliche räumliche konturnahe, d. h. kavitätsnahe Verteilung einer Kombination von Keramikheizelementsplatten 12 oder Keramikheizelementstäben 10 und Keramikheizelementketten 13 aus stabförmigen oder anders geformten Keramikheizelementketten 13 in einem kavitätsnahen Werkzeugkörper 18. Der Werkzeugkörper 18 kann wiederum auch als Aufbaukörper für eine noch herzustellende Kavität 17 dienen, welche mit geeigneten formgebenden Fertigungsverfahren darauf aufgebaut oder hergestellt werden kann. Durch diese Anordnung der Kombination der einzelnen Keramikheizelemente ist ein sehr schneller Aufheizprozess der konturnahen Form und damit auch der Oberfläche der Kavität 17 erreichbar, wodurch sich der nachfolgende Fertigungsprozess eines herzustellenden Werkstückes schneller einleiten lässt.
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In 4 sind mögliche bevorzugte Keramikheizelementketten 13 mit verschiedenen Formen der eigentlichen Siliziumnitrid-Heizelemente dargestellt. Sie zeigen Keramikheizelementketten 13 aus mehreren (hier rundstabförmigen) untereinander verbundenen Einzelkeramikheizelementen 9, aus untereinander verbundenen Keramikheizelementkugeln 11, aus untereinander verbundenen elliptischen Keramikheizelementen 24 und aus untereinander verbundenen Keramikheizelementplatten 12 (die Kanten sind hier abgerundet ausgebildet, es kann aber auch ein rein rechteckiger oder anderer Querschnitt sein). Die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Keramikheizelementen sind bevorzugt mit geeigneten temperaturbeständigen Isolierungen versehen (nicht gezeichnet). In der Werkzeugkomponente 1 sind in Anlehnung an die hier dargestellten Formen der Einzelkeramikheizelemente 9 an den entsprechenden Positionen ebene bzw. gewölbte Ausfräsungen angeordnet, in die die einzelnen Einzelkeramikheizelemente 9 eingelegt werden, so dass ein nahezu hundertprozentiger Flächenkontakt zwischen Oberfläche der Heizelemente und Innenoberfläche der Werkzeugkomponente 1 gewährleistet ist.
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In der 5 ist ein kurzer Abschnitt einer Keramikheizelementkette 13, d. h. eine Kette von Keramikheizelementkugeln 11 in einem Einzelrohr 3a abgebildet. Mit solcherart Ketten aus Keramikheizelementkugeln 6 können auch bereits gebogene oder kurvig verlaufende Einzelrohre 3a im Nachhinein mit Keramikheizelementen bestückt werden.
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6 zeigt eine andere mögliche Form von untereinander zu einer Keramikheizelementkette 13 verbundenen und in ein gebogenes Rohr einbaubaren Einzelkeramikheizelementen 9. Hier sind quaderförmige Keramikheizelementplatten 12 in ein abgeflachtes gebogenes Einzelrohr 3a montiert. Nach der Montage ist es vorteilhaft, wenn das abgeflachte Einzelrohr 3a noch einmal mit einer genau definierten Kraft zusammengedrückt wird. Auf diese Art und Weise werden die einzelnen Keramikheizelementplatten 12 dann zum einem fest in ihrer Position im Einzelrohr fixiert und zum anderen wird ausgeschlossen, dass die einzelnen Verbindungs- und Anschlussleitungen 21 leitfähigen Kontakt zum Einzelrohr 3a haben können. In diesem speziellen Fall kann die Isolation der Verbindungsleitungen sogar ganz entfallen, weswegen solche Anordnungen auch für sehr hohe Temperaturbereiche weit über 500 Grad geeignet sind. Sind dagegen die Verbindungs- und Anschlussleitungen mit geeigneten Kompositmaterialien auf Gewebe- und Silikonharzbasis isoliert, erstreckt sich der momentan erreichbare Temperaturbereich bis knapp 300 Grad Celsius. Hier ist es auch möglich, die quaderförmigen Heizelemente an drei Längsseiten mit zusätzlich angeordneten metallische Formstücke so zu umhüllen, dass auch ein Flächenkontakt zu den Schalseiten des Einzelrohres erfolgt, wodurch ein besserer Wärmeübergang gewährleistet werden kann.
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In 7 ist eine Kombination eines Mehrfachrohres 5 zur optimalen Temperierung in einem Temperiersystem 2 gezeigt. Hier ist ein Vierkantrohr abgebildet auf dessen vier Seitenflächen je ein dreikantiges Rohr als vier direkt anliegende Temperierkanäle 3 bzw. als Kühlrohre angeordnet sind. Im Vierkantrohr ist eine Keramikheizelementkette 13 aus untereinander zu einer Kette verbundenen Keramikheizelementkugeln 11 (könnten bei geringer Biegung auch Keramikheizelementwürfel sein) montiert. In den anderen vier dreikantigen Rohren wird dann nach Beendigung des Heizvorganges ein Temperiermedium zum Kühlen durchgepumpt. Im Prinzip ist es auch möglich, während des Erwärmungsvorganges das Temperiermedium mit aufzuheizen, oder auch vorzuheizen, wodurch ein schnellerer Erwärmungsvorgang des gesamten Werkzeuges erfolgen kann. Nachdem der Fertigungsvorgang, d. h. dem Einbringen einer Schmelze in das Werkzeug abgeschlossen ist, wird dann das heiße Temperiermedium abgepumpt und durch ein kaltes Temperiermedium ersetzt und es kann ab diesem Zeitpunkt intensiv gekühlt werden, da bei dieser Mehrfachrohrausführung eine sehr große Kühlfläche zur Wärmeenergieableitung in Eingriff gebracht werden kann. Es ist auch möglich dieses Mehrfachrohr durch ein entsprechend maschinell hergestelltes Halbzeug zu ersetzen, bei dem innen ein nahezu quadratischer Kanal zur Aufnahme der Einzelkeramikheizelemente 9 bzw. einer Keramikheizelementkette 13 ausgebildet ist und außen vier dreieckige Temperierkanäle 3 angeordnet sind. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn dieses Halbzeug nicht oder nur wenig gebogen ausgeführt ist.
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In 8 ist eine weitere mögliche Ausführung eines erfindungsgemäßen Temperiersystems 2 gezeigt, bei der ein Temperiernest 6 aus einer Vielzahl von einzelnen Einzelkeramikheizelementen 9 (hier allerdings nur aus einer Art von Keramikheizelementkugeln 11 zusammengestellt) ausgeführt ist. Hier können aber auch Kombinationen aus verschieden großen oder verschieden geformten Einzelkeramikheizelementen 9 hergestellt werden. Diese einzelnen mit Verbindungs- und Anschlussleitungen 21 jeweils untereinander verbundenen Einzelkeramikheizelemente 9 sind durch die Stützelemente oder Positionierelemente 7 untereinander beabstandet und fixiert. Im Prinzip ist es auch möglich jedes einzelne Einzelkeramikheizelement 9 gesondert anzuschließen und damit auch gesondert einzeln anzusteuern. Eine Isolation ist hier im ganzen sinnvoll, wenn alle Keramikeinzelelemente mit einem Gewebeisolierstoff isoliert und mit geeigneten Harzen imprägniert, ausgehärtet, eingebaut und umgossen werden.
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9 zeigt eine weitere Ausführung eines Temperierkanals 2 mit einem Doppelrohr 4. In einem der beiden Rohre ist eine Keramikheizelementkette 13 eingelegt, während das andere Rohr im gesamten Querschnitt allein zum Durchfließen von Temperiermedien, das bedeutet als reiner Temperierkanal 3 genutzt wird. Sinnvollerweise wird in der Regel der gesamte Wärmeenergieeintrag allein durch die leistungsfähigen Siliziumnitrid-Heizelemente in das Formwerkzeug erfolgen. Bei Erreichen der Arbeitstemperatur wird der Gieß- oder Druckguß- oder Spritzgußvorgang durchgeführt. Danach erfolgt das Herunterkühlen auf eine Temperatur, bei der das gefertigte Produkt entformt werden kann. Vorrangig kann dies allein über den Temperierkanal 3, der in dem Falle allein als Kühlkanal genutzt wird, geschehen. Je nach Abhängigkeit der Werkzeugkomponente 1 können die Querschnitte der beiden Rohre auf den optimalen Fertigungsprozess genau abgestimmt und dimensioniert werden.
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Mit dieser Anordnung von konturbezogenen Temperierkanälen für 3D-Freiformflächen und Werkzeugkomponenten können sowohl räumlich kleine Temperierstrukturen als auch räumlich großflächige Temperierfelder erzeugt werden. Dabei ist es möglich Werkzeuge oder Werkzeugkomponenten innerhalb sehr kurzer Zeit erheblich höher als bisher üblich und bekannt zu erhitzen. Es kann sowohl in einer relativ kurzen Zeitspanne eine sehr hohe Heizenergie eingebracht als auch eine genaue Steuerung der erforderlichen Temperaturverläufe erfolgen. Mit dem hier vorgestellten Temperiersystem ist es nun erstmals möglich direkt in die Nähe der aktiven Oberflächen, der Kavität im Inneren der Werkzeuge mit 3D Freiformflächen oder in Werkzeugkomponenten oder Hybridkernen 1 sehr gezielt, und regelbar Wärmeenergie einzubringen oder abzuführen. Dadurch, dass dies alles weitgehend kavitätsnah erfolgen kann, ist ein erheblich wirtschaftlicherer Fertigungsprozess realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D Freiformfläche, Werkzeugkomponente, Hybridkern
- 2
- Temperiersystem
- 3
- Temperierkanal
- 3a
- Einzelrohr
- 4
- Doppelrohr
- 5
- Mehrfachrohr
- 6
- Temperiernest
- 7
- Stützelement oder Positionierelement
- 9
- Einzelkeramikheizelement
- 10
- Keramikheizelementstab
- 11
- Keramikheizelementkugel,
- 12
- Keramikheizelementplatte
- 13
- Keramikheizelementketten,
- 14
- Keramikheizelementnetze
- 15
- Keramikheizelementscheibe,
- 16
- Keramikheizelementkreisringscheibe
- 17
- Kavität
- 18
- kavitätsnaher Werkzeugkörper, Aufbaukörper
- 19
- Rückraumwerkzeugkörper, Grundkörper
- 20
- Rückraum, Funktionsbereich
- 21
- Verbindungs- und Anschlussleitung
- 22
- Energie-, Steuer- und Schalteinheit
- 23
- Sensor
- 24
- elliptische Keramikheizelemente
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4234961 [0007]
- DE 4444796 [0007]
- DE 19521733 [0007]
- DE 10159456 A1 [0010]
- DE 202009005219 U1 [0011]
- DE 19818132 A1 [0012]
- DE 10013474 A1 [0013]
- DE 102010017014 A1 [0014]
- DE 19515493 A1 [0016]
- DE 102010016501 A1 [0017]
