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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug für eine Formgebungsmaschine, mit einem ersten Werkzeugteil, einem zweiten Werkzeugteil, einem zwischen dem ersten Werkzeugteil und dem zweiten Werkzeugteil ausgebildeten bzw. ausbildbaren Kavität zum Einspritzen einer Schmelze, wobei das erste und das zweite Werkzeugteil an die Kavität angrenzende Werkzeugteil-Oberflächen aufweisen, und zumindest einer Haltevorrichtung zum Halten eines flächigen Halbzeugs zumindest am ersten Werkzeugteil, wobei die Haltevorrichtung eine an die Kavität angrenzende Haltevorrichtung-Oberfläche aufweist. Zudem betrifft die Erfindung eine Formgebungsmaschine mit einem solchenFormwerkzeug. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Formgebungsteils in einem Formwerkzeug.
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Eines der bekanntesten Urformverfahren von Kunststoffmaterialien (z. B. von Thermoplasten) in geschlossenen Formwerkzeugen ist das Spritzgießen. Beim Spritzgießen wird in einer Plastifizier- und Spritzeinheit ein meist granulatförmiges Ausgangsmaterial eines Kunststoffs aufgeschmolzen und anschließend in ein geschlossenes Formwerkzeug eingebracht. In diesem meist temperierten Werkzeug erfolgt die Formgebung. Nachdem die Kunststoffmasse (in heißem Zustand auch Schmelze genannt) abgekühlt ist, kann das Formwerkzeug geöffnet werden und das urgeformte Teil entnommen werden.
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Das Spritzgießen ist ein Verfahren, welches sich durch eine sehr hohe Designfreiheit auszeichnet. Es wird somit für sehr viele Bauteile eingesetzt. Je nach Verwendungszweck der Bauteile können die Eigenschaften des Kunststoffs angepasst werden, indem beispielsweise Füllstoffe oder Verstärkungsfasern dem Kunststoff beigemengt werden. Durch die Zugabe von Verstärkungsfasern wie z. B. Flachsfasern, Hanffasern, Glasfasern, Kohlefasern usw. können die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs hinsichtlich der Stabilität teilweise erheblich gesteigert werden. Somit können auch Bauteile hergestellt werden, welche hohen mechanischen Anforderungen standhalten. Generell gilt hierbei, dass sich mit steigender Faserlänge auch die mechanische Stabilität erhöht. Die höchsten mechanischen Festigkeiten werden vor allem durch Endlosfasern erreicht.
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Im klassischen Spritzgießprozess ist es nicht (oder nur schwer) möglich, Endlosfasern zu plastifizieren, denn durch Scherung, Reibung und andere mechanische Prozesse werden die Fasern in der Plastifiziereinheit gebrochen und somit auch gekürzt.
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Um also Bauteile mit Endlosfasern zu verstärken, gibt es die Möglichkeit, dass die Endlosfasern nachträglich mittels eines Fügeverfahrens am Bauteil befestigt werden. Als Endlosfasern können hierbei z. B. trockene Rovings am Bauteil verklebt werden. Es ist aber auch möglich, sogenannte Tapes und/oder Organobleche stoffschlüssig mittels eines Schweißverfahrens am Bauteil zu befestigen. Tapes bzw. Organobleche können auch als endlosfaserverstärkte flächige Halbzeuge bezeichnet werden. Diese Halbzeuge sind bereits mit einer thermoplastischen Matrix imprägniert. Nachteilig beim Verkleben und auch beim Verschweißen sind die zusätzlich nötigen Arbeitsgänge, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses sinkt.
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Dazu passend ist aus der
DE 10 2010 054 195 A1 bereits ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils bzw. eines Verbundbauteils bekannt. Dabei wird ein Halbzeug zuerst umgeformt, dann in ein Spritzgießwerkzeug bewegt und im Spritzgießwerkzeug mit einem Kunststoff versehen. Im Speziellen wird als Halbzeug ein Organoblech verwendet.
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Auf ähnliche Art und Weise geht aus der
DE 10 2012 103 028 A1 ein Werkstück-saughalter hervor, mit welchem ein Werkstück/Bauteil in einem Spritzgießwerkzeug gehalten wird. Auch hierbei wird auf ein Organoblech eingegangen.
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Die
DE 10 2005 031 884 B4 offenbart ein Formwerkzeug für eine Formgebungsmaschine mit einem ersten Werkzeugteil und mit einem zweiten Werkzeugteil. Zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil ist eine Kavität zum Einspritzen einer Schmelze ausgebildet. Das erste und das zweite Werkzeugteil weisen an die Kavität angrenzende Werkzeugteil-Oberflächen auf. Ferner ist eine Haltevorrichtung zum Halten eines flächigen Halbzeugs vorgesehen, wobei die Vorrichtung an dem ersten Werkzeugteil angeordnet ist. Diese Haltevorrichtung weist eine Kavität auf. Die Haltevorrichtung-Oberfläche ist gegenüber der Werkzeugteil-Oberfläche des ersten Werkzeugteils in jenem Bereich vertieft, in welchem ein Randbereich des flächigen Halbzeugs anordenbar ist, sodass das flächige Halbzeug im ersten Werkzeugteil zumindest bereichsweise versenkt anordenbar ist
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Die WO 2011 / 140 666 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzformen mit Einlegeteilen, wobei zwischen der Haltevorrichtung-Oberfläche und der Werkzeugteil-Oberfläche eine Stufe ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2006 043 015 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die ein Folienmodul, bei dem eine Folie aus einem Funktionswerkstoff in einen Isolierstoff eigebettet ist, und einen Polymerträger umfassen, wobei das Folienmodul mit dem Polymerträger verbunden ist und das Folienmodul direkt in den Polymerträger eingebettet ist.
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Die
DE 601 09 084 T2 offenbart ein Formverfahren, bei dem Kunstharz oder Gummi auf einen Einsatz geformt wird, der im Vorhinein in eine Form eingebracht wurde, sowie eine Form zur Verwendung in diesem Verfahren.
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Die
DE 100 59 045 C1 offenbart ein Spritzgieß- oder Presswerkzeug zur Verarbeitung von Kunststoffverbunden.
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Die
DE 10 2012 105 564 A1 offenbart ein Spritzgießverfahren zur Herstellung eines spritzgegossenen Verkleidungselementen für ein Kraftfahrzeug, das eine lokale Beheizung aufweisen kann, sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Verkleidungselement.
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Trotz dieser in diesen beiden Schriften beschriebenen Haltevorrichtungen kann es beim Einspritzen zu Problemen mit der Positionierung des Halbzeugs kommen. Vor allem kann nämlich bei Auftreffen der unter hohem Druck eingespritzten Schmelze ein Verrücken des Halbzeugs stattfinden. Dadurch hat das hergestellte Formteil am Ende nicht mehr die gewünschte Form, da das Halbzeug nicht an der richtigen Stelle positioniert ist. Dies kann negative Folgen für die mechanische Festigkeit des hergestellten Formteils haben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Formwerkzeug zu schaffen. Insbesondere soll das Halbzeug möglichst sicher und positionstreu im Formwerkzeug gehalten werden können.
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Dies wird durch ein Formwerkzeug mit den Merkmalen von Anspruch 1 erreicht. Demnach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Haltevorrichtung-Oberfläche gegenüber der Werkzeugteil-Oberfläche des ersten Werkzeugteils zumindest in jenem Bereich vertieft ist, in welchem ein Randbereich des flächigen Halbzeugs (beim Einspritzen) anordenbar ist, sodass das flächige Halbzeug im ersten Werkzeugteil zumindest bereichsweise versenkt anordenbar ist. Durch diese versenkte Anordnung kann die Schmelzefront nicht vollflächig seitlich auf das Halbzeug auftreffen, wodurch ein ungewünschtes seitliches Verschieben des Halbzeugs vermieden wird. Anders ausgedrückt ist die Haltevorrichtung-Oberfläche zurückversetzt. Durch das Zurücksetzen um einen gewissen Teil der Halbzeugdicke kann sichergestellt werden, dass die Kräfte, welche das Halbzeug in seiner Position verschieben wollen, erheblich kleiner sind, da die Schmelzfront nicht direkt an einer der Seitenflächen angreifen kann.
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Als Halbzeuge werden im Allgemeinen flächige Bauteile bzw. Komponenten verstanden, welche in einem Formwerkzeug einer Formgebungsmaschine von einer Kunststoffschmelze angespritzt bzw. umspritzt werden und nach dem Aushärten einen Teil des entstehenden Formteils bilden. Erfindungsgemäß sind als Halbzeuge Verstärkungselemente, Prepregs, Organobleche oder Tapes eingesetzt. Erfindungsgemäß weisen die Halbzeuge Fasergewebe oder Fasergelege auf. Bevorzugt weisen diese Fasergewebe oder Fasergelege Endlosfasern auf. Flächig bedeutet, dass diese Halbzeuge wesentlich größere Ausdehnungen in der Länge und in der Breite als in der Dicke haben. Beispielsweise beträgt die Dicke maximal 10 %, vorzugsweise maximal 5 %, der Länge und/oder der Breite des Halbzeugs. Solche flächigen Halbzeuge müssen aber nicht durchgehend gleiche Dicke aufweisen. Hier kann es durchaus Schwankungen oder absichtlich dickere oder dünnere oder sogar absichtlich freigelassene Stellen geben.
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Generell ist es so, dass mit dem Einspritzen und Aushärten der Schmelze diese Kunststoffmasse stoffschlüssig mit dem vorzugsweise thermoplastischen und faserverstärkten Halbzeug verbunden wird. Die Schmelze kann in Form von Monomeren bzw. Prepolymeren vorliegen. Diese Schmelze polymerisiert bzw. reagiert dann erst in der Kavität. Da eine derartige Schmelze sehr niedrigviskos ist, kann die eingespritzte Masse gut in das Faser-Halbzeug eindringen und dieses durchtränken. Beim Aushärten ergibt sich dann ein inniger Halt. Es entsteht dadurch ein Formgebungsteil in Form eines sehr widerstandsfähigen Faser-Kunststoff-Verbundes.
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Als Randbereich ist jener Bereich des Halbzeugs zu verstehen, welcher zumindest einen Teil der Seite des Halbzeugs mitbildet. Generell kann dieser Randbereich die gesamte umfängliche seitliche Begrenzung des Halbzeugs bilden. Dabei kann die Breite des Randbereichs ca. 15 % der Breite des Halbzeugs, vorzugsweise maximal 10 % der Breite des Halbzeugs, betragen. Es ist aber nicht zwingend erforderlich, dass der Randbereich entlang des gesamten Umfangs vertieft bzw. versetzt im ersten Werkzeugteil angeordnet ist. Wichtig ist hierzu hauptsächlich, dass der Teil des Randbereichs vertieft anordenbar ist, auf welchen die Schmelze beim Einspritzen als erstes auftrifft. Sobald nämlich die Schmelze in einem ersten, relativ kleinen Bereich der Gesamtoberfläche des Halbzeugs (z. B. unter 5 %) seinen Druck auf das Halbzeug ausübt und es dadurch gegen das erste Werkzeugteil drückt bzw. presst, ist bereits ein sehr starker Halt gegeben. Es ist dadurch kein weiteres Verschieben oder Verrücken zu erwarten. Bevorzugt ist also vorgesehen, dass im Formwerkzeug zumindest ein Einspritzkanal zum Einspritzen der Schmelze ausgebildet ist, wobei der vertieft angeordnete Randbereich des flächigen Halbzeugs der vom zumindest einen Einspritzkanal ausströmenden Schmelze zugewandt ist. Der Einspritzkanal kann im selben Werkzeugteil wie die Vertiefung ausgebildet sein. Auch eine Anordnung im gegenüberliegenden Werkzeugteil ist aber möglich. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Haltevorrichtung-Oberfläche gegenüber der Werkzeugteil-Oberfläche des ersten Werkzeugteils vor allem in jenem Bereich vertieft ist, welcher dem Einspritzkanal am nächsten liegt bzw. den geringsten Abstand zum Einspritzkanal aufweist. Die Vertiefung muss also nur bis etwa dorthin ausgebildet sein, wo die Schmelze bereits auf ca. 5 bis 10 % der Oberfläche des Halbzeugs drückt. Dazu können auch Simulationen des Fortschreitens der Schmelzefront herangezogen werden, aus welchen dann berechnet wird, wie weit eine Vertiefung für das Halbzeug überhaupt notwendig ist. Prinzipiell kann aber für einen besonders sicheren Halt das Halbzeug voll umfänglich im ersten Werkzeugteil versenkt angeordnet bzw. anordenbar sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der Haltevorrichtung-Oberfläche und der Werkzeugteil-Oberfläche eine Stufe ausgebildet. Diese Stufe kann dabei wiederum nur in einem Teilbereich vorgesehen sein, welche dem Einspritzkanal zugewandt ist. Sollten mehrere Einspritzkanäle vorhanden sein, sollte diese Stufe an all jenen Bereichen vorhanden sein, die jeweils einem Einspritzkanal zugewandt sind. Bevorzugt ist dabei allerdings vorgesehen, dass die Stufe um die ganze Haltevorrichtung-Oberfläche herum zwischen der Haltevorrichtung-Oberfläche und der Werkzeugteil-Oberfläche angeordnet ist.
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Für das Vermeiden einer Verschiebung des Halbzeugs beim Einspritzen ist es bereits ausreichend, wenn die Höhe der Stufe zumindest 25 % der Dicke des Randbereichs des flächigen Halbzeugs beträgt. Je nach Einspritzdruck, genereller Form des entstehenden Formteils und Haltesicherheit der Haltevorrichtung kann aber auch eine höhere Stufe notwendig sein. Beispielsweise kann die Höhe der Stufe zumindest 50 %, vorzugsweise zumindest 75 %, der Dicke des Randbereichs des flächigen Halbzeugs betragen. Um ein Verschieben noch sicherer zu vermeiden, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Höhe der Stufe zumindest gleich groß wie die Dicke des Randbereichs des flächigen Halbzeugs ist.
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Die konkrete Ausgestaltung der Haltevorrichtung ist an sich beliebig, solang mit dieser Haltevorrichtung ein gewisser Halt für das Halbzeug im Formwerkzeug gewährleistet wird. Beispielsweise kann dieser Halt durch Anlegen einer elektrischen Spannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen einem Werkzeugteil und einem Halbzeug erzeugt werden. Dabei erfolgt das Anhaften infolge des elektrostatischen Feldes und der elektrischen Polarisierung. Als Beispiel kann hierzu auf die
DE 100 12 378 C2 verwiesen werden. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Haltevorrichtung eine Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung aufweist, mit welcher zwischen der Haltevorrichtung-Oberfläche und dem flächigen Halbzeug ein Unterdruck erzeugbar ist. Anders ausgedrückt wird also ein Vakuum zwischen dem Halbzeug und der Haltevorrichtung-Oberfläche erzeugt, wodurch das Halbzeug an die Haltevorrichtung-Oberfläche gepresst wird.
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Prinzipiell kann der Unterdruck über die gesamte Oberfläche des Halbzeugs gleich verteilt sein. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass über die Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung im Randbereich des Halbzeugs ein höherer Unterdruck als in einem zentralen Bereich des Halbzeugs anlegbar ist. Dadurch wird erreicht, dass der Halt vor allem dort am höchsten ist, wo die Gefahr des Verrutschens durch die auftreffende Schmelzefront am größten ist.
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Die Haltevorrichtung kann direkt in das Formwerkzeug integriert sein. Für eine einfache und gezielte Herstellung ist allerdings bevorzugt vorgesehen, dass die Haltevorrichtung als von den Werkzeugteilen separater Einsatz im Formwerkzeug ausgebildet ist. Dieser Einsatz kann auch relativ zum restlichen Werkzeugteil bewegbar sein, sodass ein Anpassen an unterschiedlich dicke Halbzeuge möglich ist.
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Um die Zykluszeit möglichst klein zu halten, ist bevorzugt eine Temperiervorrichtung vorgesehen. Durch diese Temperiervorrichtung können die Werkzeugteile und/oder die Haltevorrichtung beim Einspritzen entsprechend geheizt und/oder beim Aushärten entsprechend gekühlt werden. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass zumindest ein, vorzugsweise von der Werkzeugteiltemperierung separater, Temperierkanal der Temperiervorrichtung in der als Einsatz ausgebildeten Haltevorrichtung ausgebildet ist.
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Um den Temperaturgradienten zwischen der Oberflächentemperatur des Halbzeugs und der Schmelze (Spritzgussmasse) möglichst gering zu halten, wird die Haltevorrichtung vorzugsweise variotherm temperiert. Somit ist es möglich, die Haltevorrichtung vor bzw. während des Einspritzens höher zu temperieren, damit eine Verbindung zwischen den beiden Materialien hergestellt werden kann. Mit dem Ende des Einspritzzyklus wird die Haltevorrichtung wiederum so temperiert, dass die Bauteilkühlung unterstützt wird. Die Beheizung kann dabei vorzugsweise mittels Widerstandsheizung und/oder Induktionsbeheizung erfolgen. Das Abkühlen erfolgt vorzugsweise mit einer Medientemperierung. Durch die variotherme Beheizung ist es möglich, dass das zu verschweißende Halbzeug auf eine Temperatur beheizt wird, welche über der Temperatur des restlichen Werkzeugteils liegt.
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Allgemein ist anzuführen, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen Spritzgussmasse und Halbzeug durch die entsprechende Spritzmassentemperatur erreicht wird. Diese muss ausreichend hoch gewählt sein, sodass die Oberfläche des Halbzeugs zumindest angeschmolzen wird. Sobald die Oberfläche des Halbzeugs durch den auch noch schmelzeflüssig eingespritzten Kunststoff angeschmolzen wird, können sich die beiden Kunststoffe beim Aushärten stoffschlüssig verbinden.
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Für das beschriebene Formwerkzeug gibt es zahlreiche vorteilhafte Ausführungsformen. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung zumindest teilweise aus einem mikroporösen Material bestehen, welches luftdurchlässig gefertigt ist. Diese mikroporösen Materialen haben den Vorteil, dass über die gesamte Einsatzfläche ein sehr gleichmäßiger Unterdruck einstellbar ist. Um eine Medientemperierung in diesen mikroporösen Materialien zu ermöglichen, kann es notwendig sein, dass entsprechende Bohrungen für die Medientemperierung, z. B. mittels Klebstoff, abgedichtet werden. Die Haltevorrichtung kann dazu aber auch aus unterschiedlichen Materialien (dichter Werkstoff und poröser Werkstoff) aufgebaut sein.
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Betrachtet man die Scherkräfte, die auf ein Halbzeug wirken, wenn das Halbzeug nicht direkt angespritzt wird, so kann man feststellen, dass an den Randbereichen des Halbzeugs höhere Kräfte wirken als in der Mitte des Halbzeugs. Deshalb kann es sinnvoll sein, dass verschieden hohe Unterdrücke von der Haltevorrichtung auf das Halbzeug wirken und somit auch unterschiedliche Haltekräfte erzeugt werden. Um an den Randbereichen eine höhere Haltekraft zu erreichen, kann die Rückseite der Haltevorrichtung, welche beispielsweise als mikroporöser Vakuumeinsatz ausgebildet ist, mechanisch bearbeitet werden, um die Höhe des Vakuumeinsatzes zu reduzieren. Dadurch ist an diesen Stellen der Druckverbrauch niedriger und es kann ein höherer Unterdruck durch den Vakuumeinsatz hindurch wirken.
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Alternativ kann aber auch ein sogenanntes Spaltvakuum verwendet werden, um an den gewünschten Bereichen eine höhere Haltekraft zu erreichen. Beim Spaltvakuum ist darauf zu achten, dass die Spalten nicht zu groß werden und somit Abzeichnungen des Spaltes nach dem Einspritzen der Kunststoffmasse am Halbzeug sichtbar sind. Die typische Breite des Spaltes liegt zwischen 0,01 und 0,5 mm. Vorzugsweise werden Spaltenbreiten zwischen 0,02 und 0,15 mm verwendet. Vor allem wenn kein mikroporöses Material verwendet wird, wird der Unterdruck an der Haltevorrichtung vorzugsweise mit Spaltvakuum oder sehr kleinen Bohrungen und/oder Durchbrüchen realisiert.
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Vor allem bei Einsatz der mikroporösen Vakuumplatte kann vorgesehen sein, dass nur an den Randbereichen mikroporöse Materialien verwendet werden.
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Die restliche Einsatzfläche kann für die Beheizung und/oder Kühlung bzw. für weitere oder andere Unterdruckhaltesysteme verwendet werden.
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Bevorzugt kann weiter vorgesehen sein, dass die Halteteil-Oberfläche mit einem relativ schlechten Wärmeleiter beschichtet ist. Beispielsweise kann die Oberfläche aus PEEK gebildet sein. Durch diese geringe Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche wird der stoffschlüssige Verbund zwischen Halbzeug und Spritzguss unterstützt, da die eingebrachte Wärmeenergie nur langsam abgeführt werden kann.
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Bezüglich der Anordnung von Heiz- bzw. Kühlelementen kann vorgesehen sein, dass sich in der Haltevorrichtung nur Heizelemente befinden, während sich in zumindest einem der Werkzeugteile die Kühlung befindet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Haltevorrichtung in umgekehrter Form auch als Auswerfervorrichtung betrieben werden kann. D. h., dass nicht nur durch Ansaugen das Halbzeug mitsamt der eingespritzten Rohstoffmasse am Werkzeugteil gehalten wird, sondern durch Aufbringung von zusätzlichem Druck das Formteil aus dem Werkzeugteil bzw. aus dem Formwerkzeug weggedrückt wird. Unter anderem dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Unterdruck zum Halten des Halbzeuges kurz vor dem Einbringen des Halbzeuges erzeugt wird. Das Erzeugen des Unterdrucks endet mit der Beendigung der Einspritzphase.
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Schutz wird auch begehrt für eine Formgebungsmaschine, insbesondere für eine Spritzgießmaschine mit einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug.
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Zudem wird Schutz begehrt für ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11, wobei bevorzugte Ausführungsbeispiele in den davon abhängigen Ansprüchen angegeben sind.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Es wird an dieser Stelle angemerkt, dass die 1 bis 9 und 13 bis 17 nicht erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele zeigen und dienen lediglich zu einem besseren Verständnis des erfindungsgemäßen Gegenstands. Darin zeigen:
- 1 schematisch eine Formgebungsmaschine,
- 2 bis 4 die Schmelze in der Kavität bei unterschiedlich tief versenkten Halbzeugen,
- 5 schematisch ein Werkzeugteil mitsamt Halbzeug,
- 6 einen schematischen Schnitt des Werkzeugteils mit einem Einsatz,
- 7 eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsvariante eines Werkzeugteils mit einer
Haltevorrichtung mit mikroporösem Vakuumeinsatz,
- 8 schematisch ein Werkzeugteil mit ringförmigen Spaltvakua in einer Draufsicht,
- 9 die 8 in einem schematischen Schnitt,
- 10 bis 12 Varianten des Formwerkzeugs mit schräger Stufe,
- 13 einen schematischen Schnitt durch ein Formwerkzeug mit einer Vertiefung nur im Randbereich des Halbzeugs und
- 14 bis 17 Schnitte durch das Formwerkzeug im Bereich der Kavität mit unterschiedlich ausgestalteten Stufen.
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In 1 ist in einer Draufsicht schematisch eine Formgebungsmaschine 4 dargestellt. Diese Formgebungsmaschine 4 weist einerseits die Schließeinheit 12 und andererseits die Spritzeinheit 13 auf. In dieser Spritzeinheit 13 wird das über den Einfülltrichter 14 eingebrachte, meist granulatförmige Ausgangsmaterial aufgeschmolzen bzw. plastifiziert. Über die Einspritzdüse 15 wird das aufgeschmolzene Granulat als Schmelze über den Einspritzkanal 6 in die Kavität K eingebracht. Die Kavität K wird dabei durch das erste Werkzeugteil 1 und das zweite Werkzeugteil 2 begrenzt. Diese Werkzeugteile 1 und 2 können auch als Formhälften bezeichnet werden. Im Konkreten wird die Kavität K durch die Werkzeugteil-Oberfläche W1 des ersten Werkzeugteils 1 und durch die Werkzeugteil-Oberfläche W2 des zweiten Werkzeugteils 2 begrenzt. Diese Werkzeugteile 1, 2 bilden zusammen das Formwerkzeug 3 und sind an nicht dargestellten Formaufspannplatten befestigt. Diese Formaufspannplatten werden wiederum über entsprechende Antriebsvorrichtungen, z. B. über einen Kniehebelmechanismus, relativ zueinander bewegt. In bzw. an zumindest einer dieser beiden Werkzeughälften 1 oder 2 ist eine Haltevorrichtung 5 ausgebildet. Diese Haltevorrichtung weist das Halteelement 18, den Unterdruckkanal 17 und die Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung 8 auf. Mit dieser Haltevorrichtung 5 kann an der Haltevorrichtung-Oberfläche A ein Unterdruck erzeugt werden, wodurch ein Halbzeug H in der Kavität K an der Haltevorrichtung-Oberfläche A und somit am ersten Werkzeugteil 1 gehalten wird. Bereits in dieser 1 ist erkennbar, dass das Halbzeug H um die Stufe 7 vertieft im ersten Werkzeugteil 1 angeordnet bzw. anordenbar ist.
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In 2 ist schematisch ein Schnitt durch einen Teil des Formwerkzeugs 3 gezeigt, wobei in die Kavität K zwischen dem ersten Werkzeugteil 1 und dem zweiten Werkzeugteil 2 bereits zum Teil Schmelze M eingespritzt worden ist. Die Schmelzefront der Schmelze M hat dabei das Halbzeug H noch nicht ganz erreicht. Bisher war es durch seitliches Auftreffen der Schmelzefront der Schmelze M auf das Halbzeug H möglich, dass das Halbzeug H zumindest teilweise verschoben worden ist. Dies konnte negative Einflüsse auf das entstehende Formteil z. B. hinsichtlich der Festigkeit haben. Da erfindungsgemäß nun aber die Haltevorrichtung-Oberfläche A gegenüber der Werkzeugteil-Oberfläche W1 des ersten Werkzeugteils 1 zumindest in jenem Bereich vertieft ist, in welchem ein Randbereich R des flächigen Halbzeugs H beim Einspritzen anordenbar ist, ist ein sicherer Halt des Halbzeugs H gegeben. In diesem Fall gemäß 2 ist die Höhe h der Stufe 7 in etwa halb so groß wie die Dicke d des Halbzeugs H. Dadurch wirkt die Kraft der auftreffenden Schmelze M nur auf eine relativ kleine seitliche Fläche des Halbzeugs H, was bereits ausreicht, um ein Verschieben des Halbzeugs H erfolgreich zu verhindern.
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Eine solche Verschiebung wird noch erfolgreicher verhindert, wenn gemäß 3 die Dicke d des Halbzeugs H im Wesentlichen der Höhe h der Stufe 7 zwischen Haltevorrichtung-Oberfläche A und Werkzeugteil-Oberfläche W1 entspricht.
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Gemäß 4 kann aber auch vorgesehen sein, dass die Dicke d des Halbzeugs H kleiner ist als die Höhe h der Stufe 7. Dadurch fällt die Schmelzefront der Schmelze M sozusagen von oben auf das Halbzeug H herab, wodurch ein zusätzliches Anpressen bzw. Einklemmen des Halbzeugs H zwischen Schmelze M und Haltevorrichtung-Oberfläche A gegeben ist.
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In 5 ist schematisch veranschaulicht, dass das Halbzeug H zentral im ersten Werkzeugteil 1 angeordnet ist.
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In der zu 5 passenden schematischen Schnittansicht gemäß 6 wird das Halbzeug H über einen vom ersten Werkzeugteil 1 separaten Einsatz 9 gehalten. Dieser separate Einsatz 9 weist die Haltevorrichtung 5 sowie einen Träger 16 auf. Hierin ist schematisch angedeutet, dass in diesem Träger 16 bzw. in der Haltevorrichtung 5 ein Temperierbereich 11hot ausgebildet ist und zusätzlich ein Temperierkanal 11cold zum Kühlen des Einsatzes 9 ausgebildet ist. Natürlich können diese Kanäle bzw. Bereiche auch schlangenlinienförmig oder anderweitig angeordnet sein, sodass jedenfalls eine gewünschte Temperierung des Halbzeugs H bzw. des entstehenden Formteils erreicht wird.
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Gemäß 7 weist die Haltevorrichtung 5 ein Halteelement 18 in Form eines mikroporösen Vakuumeinsatzes auf. Dieser Vakuumeinsatz ist dabei nur in den Randbereichen R des Halbzeugs H angeordnet. Zu diesen mikroporösen Vakuumeinsätzen des Halteelements 18 führt der Unterdruckkanal 17 von der hier nicht dargestellten Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung8. Über diese Halteelemente 18 wird nur in den Randbereichen R über die Haltevorrichtung-Oberfläche A Unterdruck auf das Halbzeug H aufgebracht. Somit ist nur in diesen Randbereichen R ein Halt durch die Haltevorrichtung 5 gegeben. Im schematisch dargestellten und vom ersten Werkzeugteil 1 separaten Träger 16 sind auch in diesem Fall Temperierkanäle 11cold zur Kühlung und 11hot zur Beheizung vorhanden.
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8 zeigt in einer schematischen Draufsicht, dass über ringförmige Halteelemente 18 Unterdruck auf ein im ersten Werkzeugteil 1 angeordnetes Halbzeug H ausgeübt werden kann. Dieses Halteelement 18 ist dabei in Form eines Spaltvakuums ausgebildet.
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In der zu 8 passenden Schnittdarstellung gemäß 9 ist ersichtlich, dass im ersten Werkzeugteil 1 die relativ schmalen Unterdruckkanäle 17 des Spaltvakuums ausgebildet sind. Diese münden in Öffnungen an der Haltevorrichtung-Oberfläche A. Diese Öffnungen bilden dabei die Halteelemente 18. Über diese wird das Halbzeug H am ersten Werkzeugteil 1 gehalten bzw. angesaugt.
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Gegenüber 9 ist in 10 die Stufe 7 nicht normal zum flächigen Halbzeug H ausgerichtet, sondern als Schräge. Durch diese schräge Stufe 7 wird erreicht, dass die Schmelzefront der Schmelze M praktisch gleichzeitig seitlich und von oben auf das flächige Halbzeug H auftrifft. Dadurch wird das Halbzeug H gegen das erste Werkzeugteil 1 bzw. gegen die Haltevorrichtung 5 gedrückt, wodurch ein Verschieben verhindert wird. Dadurch wird eine möglichst gute Krafteinleitung zwischen der Schmelze M und dem Halbzeug H erreicht. Wie in den 11 und 12 veranschaulicht, kann dazu bevorzugt vorgesehen sein, dass diese schräge Stufe 7 eine Art Krafteinleitungselement bildet. Bei diesem Krafteinleitungselement liegt das Verhältnis von Basislänge x der Stufe 7 zur Dicke d des Halbzeugs H (welche in diesem Fall auch der Höhe h der Stufe 7 entspricht) bei mindestens 1,5 zu 1, vorzugweise bei mindestens 3:1. Durch die Basislänge x wird auch das mögliche Spiel zwischen dem Halbzeug H und dem ersten Werkzeugteil 1 definiert. Dadurch wird das Einbringen des Halbzeugs H erleichtert. Schwankungen in der Kontur des Halbzeugs H können dadurch toleriert werden. Zudem bildet die schräge Stufe 7 eine Art Gleitführung für das Halbzeug H, sodass das Halbzeug H satt an der Haltevorrichtung-Oberfläche A anliegt. Diese Stufe 7 muss nicht um die gesamte Haltevorrichtung-Oberfläche A herum ausgebildet sein, sondern kann auch nur in jenem Bereich (bzw. jenen Bereichen) des ersten Werkzeugteils 1 vorgesehen sein, der (die) der vom zumindest einen Einspritzkanal 6 ausströmenden Schmelze zugewandt ist (sind). Die Schräge der Stufe 7 muss dabei nicht konstant sein, sondern kann auch andere Formen, wie beispielsweise Kurven, aufweisen, welche die Krafteinleitung begünstigen (siehe 14 bis 17). Wie in 12 gezeigt, kann die Höhe h der Stufe 7 auch größer sein als die Dicke d des Halbzeugs H. Somit wird das Halbzeug H auch ansatzweise von unten von der Schmelze M angeströmt bzw. die Schmelze M trifft seitlich auf die hier nicht dargestellte Haltevorrichtung 5 auf. Generell ist es auch hier so, dass das Halbzeug H und vor allem die Haltevorrichtung-Oberfläche A gegenüber der Werkzeugteil-Oberfläche W1 des ersten Werkzeugteils 1 vertieft ist.
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Schließlich kann noch auf die 13 verwiesen werden, gemäß welcher nur der Randbereich R des Halbzeugs H versenkt im ersten Werkzeugteil 1 angeordnet ist. der zentrale Bereich des Halbzeugs H ist somit nicht versenkt. Anders ausgedrückt heißt dies, dass die Haltevorrichtung-Oberfläche A nur im Randbereich R gegenüber der Werkzeugteil-Oberfläche W1 vertieft ist. Auch in dieser Ausführungsform ist die Stufe 7 schräggestellt. In diesem Fall weist die Haltevorrichtung 5 eine Vielzahl von Unterdruckkanälen 17 auf, die zur Haltevorrichtung-Oberfläche A führen bzw. über die Öffnungen eine Vielzahl von Halteelementen 18 bilden. Der nicht dargestellte Einspritzkanal 6 ist in diesem Fall rechtsseitig angeordnet, wodurch die vertieft angeordnete Haltevorrichtung-Oberfläche A dem Einspritzkanal 6 zugewandt ist. Anders ausgedrückt ist die vertieft angeordnete Haltevorrichtung-Oberfläche A in einem zum Einspritzkanal 6 nächstliegenden Bereich der Haltevorrichtung-Oberfläche A angeordnet.
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In den 14 bis 17 werden noch diverse Ausgestaltungen der Stufe 7 schematisch dargestellt, wobei in den einzelnen Figuren immer die mit Schmelze M gefüllte Kavität K mitsamt dem Halbzeug H ersichtlich ist. In 14 startet die Stufe 7 mit einem Radius (gebogener Abschnitt) von der Werkzeugteil-Oberfläche W1 des ersten Werkzeugteils 1 und geht in einen rechtwinklig zur Trennebene ausgerichteten Abschnitt über. In 15 startet die Stufe 7 ebenfalls mit einem gebogenen Abschnitt von der Werkzeugteil-Oberfläche W1 und geht in einen schräg ausgerichteten Abschnitt über (Winkel von ca. 80° zur Trennebene). In 16 schließt direkt an die Werkzeugteil-Oberfläche W1 die rechtwinkelig zur Werkzeugteil-Oberfläche W1 ausgerichtete Stufe 7 an. Dagegen weist in 17 die Stufe zwei gebogene Abschnitte auf. Der an die Werkzeugteil-Oberfläche W1 anschließende Abschnitt ist dabei konvex gekrümmt, der anschließende Abschnitt ist konkav gekrümmt. Dadurch ergibt sich eine in etwa S-förmige Stufe 7.
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Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass es vor allem bei seitlichem Anströmen des Halbzeugs H für ein positionsgetreues Halten des Halbzeugs H sinnvoll ist, dass die Halbzeugtiefe in die Haltevorrichtung 5 bzw. in das erste Werkzeugteil 1 eingearbeitet ist, sodass für die Fließfront der Schmelze M eine möglichst ebene Fläche entsteht. Es ist auch möglich, dass der Einsatz bzw. die Haltevorrichtung 5 eine variable Tiefe hat. So ist es z. B. möglich, dass die Haltevorrichtung 5 bzw. die Haltevorrichtung-Oberfläche A an der Position, welche als erstes angeströmt wird, tiefer ist, um der Schmelzefront keinen Angriffspunkt zu geben. Im weiteren Verlauf kann sich dann die Tiefe der Haltevorrichtung-Oberfläche A ändern. Ein weiterer Vorteil der zumindest bereichsweise zurückgesetzten Haltevorrichtung-Oberfläche A ergibt sich beim Einbringen des Halbzeugs H, da dieses durch die Vertiefung besser zentriert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkzeugteil
- 2
- zweites Werkzeugteil
- 3
- Formwerkzeug
- 4
- Formgebungsmaschine
- 5
- Haltevorrichtung
- 6
- Einspritzkanal
- 7
- Stufe
- 8
- Unterdruck-Erzeugungsvorrichtung
- 9
- Einsatz
- 11
- Temperierkanal
- 12
- Schließeinheit
- 13
- Spritzeinheit
- 14
- Einfülltrichter
- 15
- Einspritzdüse
- 16
- Träger
- 17
- Unterdruckkanal
- 18
- Halteelement
- K
- Kavität
- M
- Schmelze
- W1
- Werkzeugteil-Oberfläche des ersten Werkzeugteils
- W2
- Werkzeugteil-Oberfläche des zweiten Werkzeugteils
- H
- Halbzeug
- A
- Haltevorrichtung-Oberfläche
- R
- Randbereich
- h
- Höhe
- d
- Dicke
- x
- Basislänge der Stufe
