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Die Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug mit einer oder mehreren Entlüftungsöffnungen zum Herstellen von Spritzgussbauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Patentanspruch 7.
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Beim Spritzgießen von beispielsweise Kunststoffmassen, Polymerkeramiken und Keramiken in eine formgebende Kavität ist die Verdrängung der in der Hohlform vorhandenen Luft und evtl. verdampfter Spritzgussmasse notwendig. Insbesondere bei komplexen und fein strukturierten Spritzgussteilen muss ein vollständiges Entweichen des eingeschlossenen Gases durch die Trennebene oder die Bewegungselemente gewährleistet sein. Anderenfalls kann es zu einer unvollständigen Füllung der Spritzgussform am Fließwegende, Lunkern innerhalb des Spritzgussteils und Brennern am Spritzgussteil aufgrund der hohen Temperatur des komprimierten Gases kommen.
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Um dies zu verhindern, werden Entlüftungshilfen oder Entlüftungseinrichtungen in das Spritzgusswerkzeug eingebracht. Es handelt sich hierbei in der Regel um Entlüftungskanäle oder poröse Sintermaterialien, die ein Entweichen des Gases ermöglichen.
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Ein Nachteil dieser Entlüftungstechniken ist eine durch diese verursachte Abprägung auf dem Spritzgussteil. Diese Abprägung ergibt sich bei Sintermaterialien durch die poröse Oberfläche und bei Entlüftungskanälen durch ein Eindringen der Spritzgussmasse in die Kanalöffnung.
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Die
DE 100 44 075 A1 lehrt eine Entlüftung für eine Gussform und ein zugehöriges Verfahren. Vorgesehen ist dort eine so genannte Stiftentlüftung mit einem zum Formhohlraum zeigenden Entlüftungsgitter aus schlitzförmigen Entlüftungskanälen. Diese werden durch einen Zusammenbau aus einzelnen fingerförmig ineinander greifenden Gitterteilen ausgebildet. Die so gebildeten Entlüftungskanäle schließen ohne Ausformungen zum Formhohlraum an.
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Die
DE 10 2009 031 453 A1 offenbart eine Gussform mit Entlüfter. Als Entlüfter ist dort eine Scheibe mit einer Vielzahl von Luftlöchern vorgesehen. Die Mündung der Entlüftungskanäle in Richtung des Formhohlraums ist plan ausgelegt.
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Aus der europäischen Patentschrift
EP 1 590 156 B1 ist eine Entlüftungseinrichtung bekannt, bei der Mikrobohrungen mit Durchmessern kleiner oder gleich 0,06 mm als Entlüftungskanäle eingesetzt werden. In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass es auch bei solchen Mikrobohrungen zu einem Eindringen der Spritzgussmasse in die Bohrungsöffnung kommt und sich diese somit im Werkstück positiv abprägt, das heißt zu einer zusätzlichen erhabenen Struktur auf dem eigentlichen Spritzgussteil führt. Dies ist ein erheblicher Nachteil, der insbesondere die Qualität für Sicht- und Funktionsflächen des Spritzgussteils nachhaltig beeinträchtigt. Außerdem kann es sehr leicht zu einer Verstopfung der Entlüftungskanäle durch die eingedrungene und sich dort festsetzende Spritzgussmasse kommen.
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Es besteht somit die Aufgabe, ein Spritzgusswerkzeug anzugeben, das über Entlüftungseinrichtungen verfügt, die zu einem eine zuverlässige Entlüftung des Formhohlraumes gewährleisten und die zum anderen nicht zu einer Abprägung auf dem Spritzgussteil führen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Spritzgusswerkzeug, umfassend einen Formhohlraum mit einer Entlüftungseinrichtung in Form mindestens eines Abschnittes mit mindestens je einem Entlüftungskanal im Wandbereich des Formhohlraumes gelöst, wobei das Spritzgusswerkzeug einen Entlüftungskanal an einer einem Spritzling zugewandten Innenseite des Formhohlraumes einen Öffnungsdurchmesser D mit D = 0,02 bis 0,03 mm aufweist, wobei die dem Spritzling zugewandte Öffnung des Entlüftungskanals mit einer Aufwerfung mit einer Höhe H von 0,03 mm als Obergrenze umgeben ist.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Entlüftungseinrichtung vorgeschlagen, die zum einen Entlüftungsöffnungen mit einem beträchtlich verkleinerten Öffnungsdurchmesser aufweist und bei denen zum anderen ein derartig verkleinerter Öffnungsdurchmesser mit der Aufwerfung kombiniert ist. Sowohl der Öffnungsdurchmesser als auch die Aufwerfung verhindern ein Eindringen der Spritzgussmasse in die Entlüftungsöffnung. Da die Aufwerfung in der Werkzeugkavität erhaben ist, wird diese im gespritzten Werkstück leicht vertieft abgeformt. Sie ist an der Oberfläche des Spritzgussteiles nicht spürbar oder beeinflusst die Qualität des Spritzgussteiles nicht nachteilig. Eventuelle positive Abprägungen des Entlüftungskanals werden durch die vertiefte Abformung ausgeglichen und fallen so insgesamt nicht ins Gewicht. Bei erodierten oder genarbten Oberflächen ist die Aufwerfung und die dadurch bewirkte leichte Vertiefung im Spritzgussteil subdominant und durch das Rauheitsprofil getarnt.
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Bei einer ersten Ausführungsform kann die Entlüftungseinrichtung einstückig mit dem Spritzgusswerkzeug verbunden sein. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Entlüftungseinrichtung als ein Entlüftungseinsatz in eine dafür vorgesehene Aussparung in einem Wandbereich des Spritzgusswerkzeuges einsetzbar.
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Der Entlüftungseinsatz ist dabei mittels eines Formschlusses, eines Kraftschlusses oder eines Fügevorgangs im Spritzgusswerkzeug fixierbar. Dadurch lassen sich die Entlüftungseinrichtungen des Spritzgusswerkzeuges an die jeweils zu erwartenden Bedingungen des Spritzgussvorgangs anpassen.
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Bei einer Ausgestaltung besteht der Entlüftungseinsatz aus einem Metallwerkstoff, einem Glas, einer Keramik, einer Glaskeramik, einem Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff. Die Auswahl zwischen den verschiedenen Materialien kann daher je nach Zweckmäßigkeit erfolgen und richtet sich ebenso nach den Spritzgussbedingungen, insbesondere nach dem beim Spritzguss verwendeten Material.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der mindestens eine Entlüftungskanal als eine mittels Laserbohrung herstellbare Mikrobohrung ausgebildet. Derartige Mikrobohrungen zeichnen sich durch eine besonders gute Qualität aus und sind daher für die hier geforderten Einsatzzwecke und Eigenschaften besonders gut geeignet.
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Verfahrensseitig wird zum Herstellen einer Entlüftungseinrichtung für ein Spritzgusswerkzeug in der Entlüftungseinrichtung mittels Laserbohrung mindestens ein Entlüftungskanal in Form mindestens einer Mikrobohrung eingebracht. Derartige Bohrungen können dadurch sehr präzise vorgenommen werden.
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Die mindestens eine Mikrobohrung wird vorteilhafterweise mit einem Öffnungsdurchmesser D = 0,02 bis 0,03 mm im Bereich des Formhohlraums des Spritzgusswerkzeuges erzeugt, wobei dabei ein die Mündung der Mikrobohrung im Formhohlraum umgebender Aufwurf mit einer Aufwurfhöhe H ≤ 0,03 mm erzeugt wird.
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Bei einer vorteilhaften Abwandlung des Verfahrens wird die Laserbohrung fokussiert ausgeführt, wobei die entstehende Mikrobohrung im Bereich der vom Formhohlraum abgewandten Außenseite des Spritzgusswerkzeuges einen äußeren Öffnungsdurchmesser A ≥ 0,05 mm aufweist. Dadurch entsteht ein leicht konischer, in Richtung des Formhohlraumes sich verengender Verlauf der Mikrobohrung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachfolgend anhand von beispielhaften Ausführungsformen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 5. Es werden für gleiche und/oder gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
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1 ein beispielhaftes Spritzgusswerkzeug mit einem Entlüftungskanal in einer Prinzipdarstellung gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein beispielhaftes Spritzgusswerkzeug mit einer Trennebene,
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3 einen beispielhaften Entlüftungskanal in einer Detaildarstellung im Schnitt,
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4 ein beispielhaftes zweiteiliges Spritzgusswerkzeug mit einem Entlüftungseinsatz in einer Prinzipdarstellung,
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5 ein beispielhaftes zweiteiliges Spritzgusswerkzeug mit Entlüftungseinsatz.
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1 zeigt ein beispielhaftes Spritzgusswerkzeug im Schnitt in einer Prinzipdarstellung. Das Spritzgusswerkzeug weist einen Formhohlraum 1 auf, der im Zuge des Spritzgussvorgangs mit einem entsprechenden Material verfüllt wird. Das Spritzgusswerkzeug weist auf seiner Oberseite einen Entlüftungskanal 2 auf, über den die in dem Formhohlraum vorhandene Luft und/oder die beim Spritzguss aus dem Gussmaterial abgegebenen Gase nach außen entweichen können, sodass der Formhohlraum vollständig ausgefüllt werden kann.
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2 zeigt eine Spritzgussform mit einer Trennebene 5 sowie zwei Teilformen 6 und 7, die entlang der Trennebene voneinander abgehoben werden können und dabei das in der Form erzeugte Spritzgussteil freigeben. Wie bei der Prinzipdarstellung aus 1 ist hier ebenfalls der Entlüftungskanal 2 vorgesehen. Dieser weist eine inner, zum Formhohlraum weisende Aufwerfung 3 auf. Nach außen hin schließt sich an den Entlüftungskanal ein Entlüftungshohlraum 8 an, über den die entweichenden Gase nach dem Passieren des Entlüftungskanals abgeleitet werden. Der Entlüftungshohlraum kann hierzu mit Leitungsanschlüssen ausgestattet sein.
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3 zeigt einen beispielhaften Entlüftungskanal im Schnitt. Der Entlüftungskanal weist einen Öffnungsdurchmesser D auf. Dieser beträgt D = 0,02 bis 0,03 mm. Die Größe des Öffnungsdurchmessers richtet sich nach der Beschaffenheit des Gussmaterials, beispielsweise einer Kunststoffschmelze. In der Regel sollte der Öffnungsdurchmesser umso kleiner sein, je geringer die Viskosität des Gussmaterials ist. Kleinere Öffnungsdurchmesser verhindern dabei, dass bei einer gegebenen Viskosität das Gussmaterial in den Entlüftungskanal eindringen kann. Die Anzahl der Entlüftungskanäle ist von der zu evakuierenden Gasmenge aus der Kavität und den Querschnitten der Kanäle abhängig. Je geringer der Kanalquerschnitt gewählt wird, desto größer ist der Strömungswiderstand gegenüber dem zu evakuierenden Medium. Die Anzahl der Bohrungen steigt mit zunehmender Gasmenge und nimmt zu, wenn geringe Kanalquerschnitte gewählt werden.
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Durch die besonders im Durchmesser kleinen Öffnungen der Entlüftungskanäle im Bereich von D = 0,02 bis 0,03 mm, die zusätzlich einen erhabenen Randbereich mit einer Höhe von kleiner oder gleich 0,030 mm aufweisen, wird somit ein Eindringen von Spritzgussmasse bzw. Ablagerungen in die Entlüftungskanäle während des Spritzgussvorgangs praktisch ausgeschlossen. Es erfolgen keine positiven Abprägungen der Entlüftungskanäle auf dem Spritzling und Verstopfungen der Entlüftungskanäle werden vermieden. Die Spritzgusswerkzeuge und die entsprechenden Formen können daher über sehr lange Zeiträume hinweg und fehlerfrei ohne Bildung von Ausschuss betrieben werden.
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Das dem Formhohlraum und damit dem Spritzling zugewandte Ende des Entlüftungskanals ist mit der Aufwerfung 3 umgeben. Diese umgibt die Mündung des Entlüftungskanals zumindest abschnittsweise und weist eine Höhe H auf. Die Höhe der Aufwerfung liegt im Bereich von 0,03 mm und weniger. Als vorteilhaft hat sich hier eine Höhe H von 0,030 mm als Obergrenze erwiesen. Die Aufwerfung verlängert den Entlüftungskanal. Sie drängt dadurch das Gussmaterial in Richtung des Formhohlraumes und erschwert so dessen Eindringen in den Entlüftungskanal. Im Ergebnis entsteht schließlich eine Oberfläche des Spritzlings, die im Bereich des Entlüftungskanals ohne Erhabenheiten ist und nicht nachbearbeitet zu werden braucht.
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Bei dem hier vorliegenden Beispiel weist der Entlüftungskanal auf der Außenseite des Spritzgusswerkzeugs einen größeren äußeren Öffnungsdurchmesser A auf. Dieser beträgt mehr als 0,05 mm. Der Entlüftungskanal verläuft somit konisch von der Außenseite des Spritzgusswerkzeuges in Richtung des inneren Formhohlraumes.
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Der Entlüftungskanal ist Teil einer Entlüftungseinrichtung. Die Entlüftungseinrichtung besteht im Allgemeinen aus mehreren Entlüftungskanälen, die zweckmäßig über das Spritzgusswerkzeug verteilt sind. Maßgeblich sind dabei die Form des Spritzgusswerkzeugs, die innere Kontur des Formhohlraums, besondere Abschnitte des Spritzlings, insbesondere komplizierte Oberflächenformen, die besonders genau ausgeformt werden sollen, und dergleichen Kriterien mehr. Das Spritzgusswerkzeug kann die Entlüftungseinrichtung entweder in einem einstückigen Aufbau oder in einem zweistückigen Aufbau enthalten.
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4 zeigt einen beispielhaften zweistückigen Aufbau des Spritzgusswerkzeuges. Die Entlüftungseinrichtung ist bei diesem Beispiel als ein Entlüftungseinsatz 4 ausgebildet. Der Entlüftungseinsatz kann auf verschiedene Weise in dem Spritzgusswerkzeug fixiert sein. In Betracht kommen dabei form- oder kraftschlüssige Verbindungen zwischen Entlüftungseinsatz und Spritzgusswerkzeug, wie zum Beispiel Schraubverbindungen, Klemmverbindungen, Konuseinsätze, Spanneinrichtungen, insbesondere umgelegte Spanngurte, und dergleichen Verbindungen.
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Möglich ist aber auch eine Verbindung zwischen Entlüftungseinsatz und Spritzgusswerkzeug mittels eines Fügeverfahrens. Das Fügen kann beispielsweise mittels Kleben, Löten oder Schweißen ausgeführt werden. Möglich ist auch ein Verbinden zwischen Entlüftungseinsatz und Spritzgusswerkzeug mittels eines abbindenden Dicht- und Fügemittels, wie beispielsweise Ton oder einer Dichtmasse. Das jeweils zweckmäßige Fügeverfahren richtet sich nach dem Material des Entlüftungseinsatzes und des Spritzgusswerkzeuges.
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5 zeigt eine Spritzgussform mit einer Trennebene 5 und zwei Teilformen 6 und 7. Die Teilform 6 enthält den Entlüftungseinsatz 4. Wie bei der Ausführungsform aus 2 ist auch hier auf der Seite des Formhohlraums die Aufwerfung 3 an der Mündung des Entlüftungskanals 2 angeordnet. Der durch den Entlüftungseinsatz 4 verlaufende Entlüftungskanal mündet auch bei dieser Ausführungsform in den Entlüftungshohlraum 8 ein, der die Gase aus dem Formhohlraum nach dem Passieren des Entlüftungskanals nach außen ableitet.
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Die Ausführungsform unter Verwendung des Entlüftungseinsatzes ist dabei vorteilhaft, weil sich hier keine Einschränkungen aufgrund der Größe und Ausformung des Spritzgusswerkzeugs ergeben und gleichzeitig ein einfacher Austausch und Wartung des Entlüftungseinsatzes möglich ist.
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Die Fertigung der Entlüftungskanäle unter Verwendung eines Laserbohrverfahrens ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine hohe Wandstärke der Entlüftungshilfe zum Formhohlraum von beispielsweise 2 mm mit Entlüftungskanälen in einer gleichbleibend hohen Qualität versehen werden können. Diese Wandstärken sind dazu geeignet, einer Verformung des Spritzgusswerkzeuges aufgrund der typischen hohen Drücke während des Spritzgussvorgangs zu widerstehen.
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Der Entlüftungshohlraum, durch den die Gase im Weiteren nach dem Passieren der Entlüftungskanäle entweichen, kann sowohl durch mechanische oder funkenerosive Fertigungsverfahren konventionell hergestellt werden, als auch durch additive Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel dem Strahlschmelzen.
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Zur Herstellung einer Entlüftungseinrichtung für das Spritzgusswerkzeug wird auf ein Mikrobohrverfahren zurückgegriffen. Dabei kann in vorteilhafter Weise für die Herstellung der Entlüftungskanäle ein Laserverfahren unter Einsatz eines Ultrakurzpulslasers eingesetzt werden. Der Bohrvorgang wird durch Zugabe von Gas, beispielsweise Druckluft, in das entstehende Bohrloch unterstützt. Hierdurch kommt es beim Durchbruch des Entlüftungskanals an der Innenseite der Entlüftungseinrichtung und zum Austreiben der in den Mikrobohrungen noch vorhandenen Schmelze, so dass diese als erhabener Aufwurf um die Bohrungsöffnung herum erstarrt.
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Mikrobohrungen mit einer Aufwurfhöhe von kleiner oder gleich 0,030 mm können beispielsweise durch Einsatz einer koaxialen Gasströmung erzeugt werden. Derartige Öffnungen entsprechen dem Ausführungsbeispiel aus 2.
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Das erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug und das Verfahren zur Herstellung eines Spritzgusswerkzeugs wurden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich durch die Unteransprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formhohlraum
- 2
- Entlüftungskanal
- 3
- Aufwerfung
- 4
- Entlüftungseinsatz
- 5
- Trennebene
- 6
- erste Teilform
- 7
- zweite Teilform
- 8
- Entlüftungshohlraum
- A
- äußerer Öffnungsdurchmesser
- D
- Öffnungsdurchmesser
- H
- Höhe der Aufwerfung
