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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Formwerkzeuge zum Spritzgießen werden herkömmlich maschinell aus einem metallischen Grundmaterial bearbeitet, wie etwa über CNC-Bearbeitung. In den vergangenen Jahren ist die Verwendung von additiv gefertigten Formwerkzeugen aus Kunststoff zu einem möglichen Ersatz für herkömmlich maschinell bearbeitete Formwerkzeuge aus Metall geworden, insbesondere für Kleinserien-Formteile und Prototypen. Bei additiver Fertigung, zum Beispiel 3D-Druck, werden endkonturgetreue oder endkonturnahe Teile (z. B. Formwerkzeuge) aufgebaut, indem Material in einem Schicht-für-Schicht-Prozess direkt anhand eines 3D-Modells abgelagert wird. Das Verwenden des additiv gefertigten Prozesses kann die Zeit und Kosten, die mit der maschinellen Bearbeitung von herkömmlichen Formelementen aus Metall einhergehen, erheblich reduzieren und die Menge von Materialabfällen reduzieren, wie sie typischerweise während der CNC-Bearbeitung von Formwerkzeugen erzeugt würden.
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Herkömmlich werden additiv gefertigte Werkzeuge aus Kunststoff im Allgemeinen für frühe Entwicklungskonzepte verwendet, bei denen die mechanischen Eigenschaften des spritzgegossenen Teils nicht ausschlaggebend sind. In diesem Zusammenhang hat die jüngste Forschung gezeigt, dass das Verwenden von additiv gefertigten Werkzeugen aus Kunststoff eine erhebliche Änderung bei einigen mechanischen Eigenschaften des Endformteils im Vergleich zu Formteilen, die über herkömmliche Formwerkzeugbearbeitung aus Metall spritzgegossen worden sind, verursachen kann. Bisher hat dies die Wahrscheinlichkeit verhindert oder reduziert, dass additiv gefertigte Werkzeuge aus Kunststoff für funktionelle Entwicklungsteile, Bridge Tooling, Werkzeuge in Kleinserienproduktion usw. verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
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Gemäß einem Aspekt beinhaltet eine wiederverwendbare Form zum Spritzgießen ein wiederverwendbares Formelement, einen Formhohlraum, der in dem Formelement definiert ist, und mindestens eine in dem Formelement definierte Kühlkörperaussparung zum Unterbringen eines Kühlkörpermaterials darin zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum, wenn das Formelement zum Spritzgießen eines Formteils verwendet wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt beinhaltet ein Formverfahren zum Spritzgießen mit einer wiederverwendbaren Form Bereitstellen eines wiederverwendbaren Formelements, das einen darin definierten Formhohlraum und mindestens eine darin definierte Kühlkörperaussparung, die ein Kühlkörpermaterial zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum unterbringt, aufweist. Das Verfahren beinhaltet ferner Spritzgießen eines Formteils mit dem wiederverwendbaren Formelement und schnelles Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum des Formelements über das Kühlkörpermaterial, das in der mindestens einen Kühlkörperaussparung untergebracht ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Formverfahren zum Spritzgießen Hinzugeben einer schmelzbaren Metalllegierung zu einem wiederverwendbaren Formelement, Spritzgießen eines Formteils mit dem wiederverwendbaren Formelement und schnelles Abkühlen des Formteils in dem wiederverwendbaren Formelement durch Übertragen von ausreichender Wärme von dem Formteil an die schmelzbare Metalllegierung, um einen Phasenübergang der schmelzbaren Metalllegierung aus einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand zu bewirken.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Spritzgießanordnung, die eine wiederverwendbare Form zum Spritzgießen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aufweist.
- 2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines ersten und zweiten wiederverwendbaren Formelements der Gießanordnung aus 1.
- 3 ist eine schematische Draufsicht auf eine Rückseite des ersten Formelements aus 2.
- 4 ist eine schematische Draufsicht auf eine Vorderseite des ersten Formelements aus 2.
- 5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Rückseite des zweiten Formelements aus 2.f
- 6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Vorderseite des zweiten Formelements aus 2.
- 7 ist eine schematische perspektivische Querschnittsansicht des ersten und zweiten Formelements aus 3, die aneinander angrenzend gezeigt sind.
- 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Formelements, die eine Vielzahl von Kühlkörperaussparungen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform zeigt.
- 9 ist ein schematisches Schaubild, das die Abkühlzeit über der Temperatur für Formteile veranschaulicht.
- 10 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Formverfahren zum Spritzgießen mit einer wiederverwendbaren Form veranschaulicht.
- 11 ist ein Blockdiagramm, das schematisch weitere Schritte für das Formverfahren aus 10 veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die Darstellungen dem Zweck der Veranschaulichung einer oder mehrerer beispielhafter Ausführungsformen und nicht dem Zweck der Einschränkung derselben dienen und 1 schematisch eine Formanordnung 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Die Formanordnung 10 der veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet einen ersten Formhalter 12, der eine daran gesicherte erste Formplatte 14 aufweist. Die erste Formplatte 14 sichert ein erstes Formelement 16 abnehmbar, das ein wiederverwendbares Formelement sein kann, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, und in 2 von der ersten Formplatte 14 und dem ersten Formhalter 12 abgenommen gezeigt ist. In einer Ausführungsform ist der erste Halter 12 ein beweglicher Halter, der sich innerhalb einer Formmaschine (nicht gezeigt) bewegt.
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Die Formanordnung 10 beinhaltet ferner einen zweiten Formhalter 18, der eine darin gesicherte zweite Formplatte 20 aufweist. Die zweite Formplatte 20 sichert ein zweites Formelement 22 (in 1 nicht sichtbar) abnehmbar darin. Wie das erste Formelement 16 kann das zweite Formelement 22 ein wiederverwendbares Formelement sein, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, und ist es in 2 von der zweiten Formplatte 20 und dem zweiten Formhalter 18 abgenommen gezeigt. In einer Ausführungsform ist der zweite Halter 18 ein fester Halter an der Formmaschine und deshalb ist der erste Halter 12 in Bezug auf den zweiten Halter 18 beweglich und somit sind die erste Formplatte 14 und das darin aufgenommene erste Formelement 16 in Bezug auf die zweite Formplatte 20 und das darin aufgenommene zweite Formelement 22 beweglich.
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Wie in 1 gezeigt, können Formstifte 24 bereitgestellt sein, um den Schluss der ersten und zweiten Formplatte 14, 20 und somit des ersten und zweiten Formelements 16, 22 in Bezug aufeinander zu erleichtern, wie etwa, wenn das erste und zweite Formelement 16, 22 zusammengebracht werden, um einen Formhohlraum (z.B. den Formhohlraum 30) zum Spritzgießen innerhalb der Formelemente 16, 22 zu schließen. Insbesondere erstrecken sich die Stifte 24 in der veranschaulichten Ausführungsform von der zweiten Formplatte 20 und können einstückig damit ausgebildet sein. Die Stifte 24 können innerhalb von Stiftöffnungen 26 aufgenommen werden, die in der ersten Formplatte 14 definiert sind, wenn der zweite Halter 18 mit der zweiten Formplatte 20 in Richtung der ersten Formplatte 14 mit dem ersten Formelement 16 bewegt wird, wie etwa, wenn das erste und zweite Formelement 16, 22 zum Spritzgießen geschlossen werden.
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3 bzw. 4 zeigen eine erste Seite oder Rückseite 16a (3) und eine zweite Seite oder Vorderseite 16b (4) des ersten Formelements 16, wobei die zweite Seite 16b der ersten Seite 16a gegenüberliegt. Die Vorderseite 16b ist dazu konfiguriert, mit dem zweiten Formelement 22 zusammenzupassen oder in Eingriff zu treten. In einer Ausführungsform, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, handelt es sich bei dem ersten Formelement 16 um ein wiederverwendbares Formelement. 5 bzw. 6 zeigen eine erste Seite oder Rückseite 22a (5) und eine zweite Seite oder Vorderseite (6) des zweiten Formelements 22, wobei die zweite Seite 22b der ersten Seite 22a gegenüberliegt. Die Vorderseite 22b ist dazu konfiguriert, mit dem ersten Formelement 16 zusammenzupassen oder in Eingriff zu treten. Wie bei dem ersten Formelement 16 kann es sich bei dem zweiten Formelement 22 um ein wiederverwendbares Formelement handeln. Wie gezeigt, weist das erste Formelement 16 in der veranschaulichten Ausführungsform einen darin definierten Formhohlraum 30 auf und das zweite Formelement 22 bildet keinerlei Teil des Formhohlraums aus. Selbstverständlich ist dies nicht erforderlich und das zweite Formelement 22 könnte die Form allein oder in Kombination mit dem ersten Formelement 16 definieren.
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Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, und unter besonderer Bezugnahme auf 3, kann das erste Formelement 16 mindestens eine darin definierte Kühlkörperaussparung (z. B. die Kühlkörperaussparungen 32, die in der veranschaulichten Ausführungsform gezeigt sind) beinhalten, um ein Kühlkörpermaterial HS (heat sink; z. B. ein Kühlkörpermaterial mit niedrigem Schmelzpunkt und hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel eine schmelzbare Legierung) zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum 30, wenn das Formelement 16 zum Spritzgießen eines Formteils MP (molded part; 2) verwendet wird, darin unterzubringen. Gleichermaßen kann unter besonderer Bezugnahme auf 5 das zweite Formelement 22 mindestens eine darin definierte Kühlkörperaussparung (z. B. die Kühlkörperaussparungen 34, die in der veranschaulichten Ausführungsform gezeigt sind) beinhalten, um ein Kühlkörpermaterial (z. B. das gleiche Material HS, wie in dem ersten Formelement 16 untergebracht ist) zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum 30 des ersten Formelements 16, wenn die Formelemente 16 und 22 zum Spritzgießen des Formteils MP verwendet werden, darin unterzubringen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann jedes der wiederverwendbaren Formelemente einschließlich des ersten Formelements 16 und des zweiten Formelements 22 aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial ein duroplastisches Material und das erste und zweite Formelement 16, 22 sind jeweils durch additive Fertigung ausgebildet, wie zum Beispiel 3D-Druck. In einer alternativen Ausführungsform ist das Kunststoffmaterial ein thermoplastisches Material mit einer ausreichend hohen Glasübergangs- oder Formbeständigkeitstemperatur.
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Bisher ist festgestellt worden, dass Formteile, die durch Formelemente aus Kunststoff ausgebildet sind, von einer Beeinträchtigung von mechanischen Eigenschaften aufgrund eines eingeschränkten Wärmeübertragungsprozesses betroffen sein können. Dieses Problem liegt besonders bei Formelementen aus Kunststoff vor, insbesondere wenn sie metallische Werkzeuge oder Formelemente ersetzen, die dazu neigen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufzuweisen. Im Gegensatz dazu neigen Formelemente aus Kunststoff dazu, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufzuweisen und als Isolatoren zu fungieren. Um diese Nachteile bei Formelementen aus Kunststoff nach dem Stand der Technik zu beheben, sind das erste und zweite Formelement 16, 22 jeweils mit der mindestens einen jeweils darin definierten Kühlkörperaussparung ausgebildet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist gezeigt, dass beide Formelemente 16, 22 Kühlkörperaussparungen aufweisen; es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Formelemente 16, 22 so ausgebildet sein könnten, dass in alternativen Ausführungsformen nur das eine oder das andere Kühlkörperaussparungen aufweist.
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Wie in 3 und 4 gezeigt, kann in dem ersten Formelement 16 der Formhohlraum 30 in der zweiten Seite 16b definiert sein und die mindestens eine darin ausgebildete Kühlkörperaussparung (z. B. die Kühlkörperaussparungen 32) in der zweiten Seite 16b ausgebildet sein. In der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich bei der mindestens einen in der ersten Seite 16a des ersten Formelements 16 definierten Kühlkörperaussparung um eine Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 32, die um die erste Seite 16a des Formelements 16 verteilt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 32 ungefähr gleichmäßig um im Wesentlichen die gesamte erste Seite 16a des ersten Formelements 16 verteilt. Zum Beispiel sind die Kühlkörperaussparungen 32 wie gezeigt so verteilt, dass sie sich von einem Längsende 16c des ersten Formelements zu einem gegenüberliegenden Längsende 16d erstrecken und von einer lateralen Seite 16e zu einer gegenüberliegenden lateralen Seite 16f erstrecken. Darüber hinaus weist in der veranschaulichten Ausführungsform jede der Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 32 eine Parallelogrammkonfiguration und insbesondere eine rautenförmige Konfiguration auf, die in einem Winkel, wie etwa ungefähr 45°, in Bezug auf die Kanten und Seiten 16c-16f des ersten Formelements 16 ausgerichtet ist. Es sollte ersichtlich sein, dass andere Konfigurationen für die Kühlkörperaussparungen verwendet werden können und/oder andere Muster, Anzahlen usw. der Kühlkörperaussparungen für das erste Formelement 16 verwendet werden könnten.
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Gleichermaßen kann in dem zweiten Formelement 22 die mindestens eine darin ausgebildete Kühlkörperaussparung (z. B. die Kühlkörperaussparungen 34) in der ersten Seite 22a definiert sein. Im Gegensatz zu dem ersten Formelement 16 kann die zweite Seite 22b jedoch im Wesentlichen planar sein, da sie in der veranschaulichten Ausführungsform nicht den Formhohlraum 30 definiert. Wie bei dem ersten Formelement 16 handelt es sich in der veranschaulichten Ausführungsform bei der mindestens einen in der ersten Seite 22a des zweiten Formelements 22 definierten Kühlkörperaussparung um eine Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 34, die um die erste Seite 22a des Formelements 22 verteilt ist. Zum Beispiel sind die Kühlkörperaussparungen 34 wie gezeigt so verteilt, dass sie sich von einem Längsende 22c des ersten Formelements zu einem gegenüberliegenden Längsende 22d erstrecken und von einer lateralen Seite 22e zu einer gegenüberliegenden lateralen Seite 22f erstrecken. Darüber hinaus weist in der veranschaulichten Ausführungsform jede der Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 34 eine Parallelogrammkonfiguration und insbesondere eine rautenförmige Konfiguration auf, die in einem Winkel, wie etwa ungefähr 45°, in Bezug auf die Kanten und Seiten 22c-22f des ersten Formelements 22 ausgerichtet ist. Es sollte ersichtlich sein, dass andere Konfigurationen für die Kühlkörperaussparungen verwendet werden können und/oder andere Muster, Anzahlen usw. der Kühlkörperaussparungen für das zweite Formelement 22 verwendet werden könnten.
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Wie gezeigt, können das erste und zweite Formelement 16, 22 Durchgangslöcher 36 beinhalten, um die Herausnahme des Formteils MP nach dem Spritzgießen zu erleichtern. Zudem können das erste und zweite Formelement 16, 22 Befestigungsöffnungen 38 beinhalten, um Befestigungsvorrichtungen (nicht gezeigt) aufzunehmen, die die Formelemente 16, 22 fest an ihren jeweiligen Formplatten 14, 20 sichern. Zudem kann unter zusätzlicher Bezugnahme auf 7 das zweite Formelement 22 eine mittige Einspritzdüsenöffnung 40 zum Aufnehmen einer Angussbuchse (nicht gezeigt) zum Spritzgießen während des Spritzgießprozesses beinhalten, um Füllmaterial aus Kunststoff in den Formhohlraum 30 einzuspritzen (z. B. über den Angusskanal 30a des Formhohlraums).
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Neben den vorstehend erwähnten Nachteilen bei Formelementen aus Kunststoff nach dem Stand der Technik ist bestimmt worden, dass die Beeinträchtigung von mechanischen Eigenschaften von Formteilen bei additiv gefertigten Formelementen aus Kunststoff durch die niedrige Wärmeleifähigkeit des Kunststoffformmaterials verursacht werden kann. Im Gegensatz dazu erstarrt beim Verwenden von metallischen Formwerkzeugen das eingespritzte geschmolzene Material aufgrund der hohen Wärmeübertragungsrate von dem geschmolzenen Material zu der metallischen Formoberfläche nahezu unverzüglich, sobald es auf die Werkzeugoberfläche auftrifft. Es ist ferner festgestellt worden, dass das geschmolzene Material eine feste Hautschicht an der Formoberfläche von metallischen Formen ausbildet, wenn während des Einspritzzyklus mehr Material in die Form gedrückt wird. Es ist festgestellt worden, dass dies ein bedeutender Faktor ist, der sich auf die mechanischen Eigenschaften des Formteils auswirkt. Wenn ein herkömmliches additiv gefertigtes Formelement auf Kunststoff nach dem Stand der Technik verwendet wird, ist festgestellt worden, dass keine Gelegenheit zum Ausbilden dieser Hautschicht besteht, bevor mehr Material eingespritzt wird, und es wird davon ausgegangen, dass dies die Beeinträchtigung von mechanischen Eigenschaften verursacht. Ein anderer Nachteil beim Verwenden von Werkzeugen aus Kunststoff besteht in der längeren Zeit, die das eingespritzte Material in einem geschmolzenen Zustand verbleibt, im Vergleich dazu, wenn es in ein metallisches Formelement eingespritzt wird. Insbesondere verändert die Zeit, die ein eingespritztes Material in seinem geschmolzenen Zustand verbleibt, zudem die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften des Formteils.
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Um diese Bedenken bei additiv gefertigten Werkzeugen aus Kunststoff nach dem Stand der Technik zu beheben, beinhalten das erste und zweite Formelement 16, 22 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform die jeweilige Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 32, 34 darin zum Unterbringen des Kühlkörpermaterials HS zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum 30, wenn die Formelemente 16, 22 zum Spritzgießen eines Formteils verwendet werden. Zu diesem Zweck kann das Kühlkörpermaterial HS ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt sein und/oder ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit sein. In einer Ausführungsform ist das Kühlkörpermaterial HS ein Metall oder eine Metalllegierung, das bzw. die einen niedrigen Schmelzpunkt und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist (z. B. kann das Kühlkörpermaterial HS eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die zwei Größenordnungen größer als die der Formelemente 16, 22 ist und/oder gleich oder größer als die von Werkzeugstahl ist). In einer besonderen Ausführungsform ist das Kühlkörpermaterial HS eine schmelzbare Legierung, die innerhalb der Vielzahl von Kühlkörperaussparungen 32, 34 aufgenommen wird. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann das Kühlkörpermaterial HS so ausgewählt und angeordnet sein, dass mindestens ein Teil des Kühlkörpermaterials HS innerhalb der Kühlkörperaussparungen 32, 34 während des Spritzgießens eines Formteils einem Phasenübergang aus einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand unterzogen wird, um Wärme aus dem Formhohlraum abzuleiten.
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Vorteilhaft ermöglicht dies, dass die Formelemente 16, 22 mindestens einige der Kühleffekte bereitstellen, die bei herkömmlichen metallischen Formelementen festzustellen sind, während es zulässt, dass weniger kostspielige Formelemente 16, 22 aus Kunststoff verwendet werden. Insbesondere stellt die Hinzugabe eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger Schmelztemperatur (z. B. schmelzbare Legierung), das in den Kühlkörperaussparungen 32, 34 der Formelemente 16, 22 aus Kunststoff untergebracht wird, ein Mittel zur schnellen Wärmeabführung während des Spritzgießzyklus bereit. Die höhere Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials HS (z. B. einer schmelzbaren Legierung) reduziert die Fähigkeit der Formelemente 16, 22 aus Kunststoff, Wärme zurückzuhalten und als Wärmeisolatoren zu fungieren, was die mechanischen Eigenschaften eines Formteils zum Negativen verändern kann. Die niedrige Schmelztemperatur der schmelzbaren Legierung lässt zu, dass die schmelzbare Legierung ihren Zustand von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit ändert, wenn die Formelemente 16, 22 heißem Material (z. B. dem geschmolzenen Kunststoffmaterial, das in die Formelemente 16, 22 eingespritzt wird, vor dem Abkühlen zu dem Formteil MP) ausgesetzt werden. Dieser Phasenübergang kann einen erheblichen Betrag der Wärmeenergie in dem Wärmeübertragungsprozess aufbrauchen, was ein schnelleres Abkühlen des Formteils erzeugt, ohne dass die Temperaturen der Formelemente 16, 22 erhöht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dies zudem die Taktzeit des Formprozesses reduzieren kann und die Werkzeugmaterialabfälle reduzieren kann, da das Kühlkörpermaterial HS (z. B. die schmelzbare Legierung) bei künftigen Formelementen 16, 22 wiederverwendet werden kann, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
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Beispiele für Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt, die in den Kühlkörperaussparungen 32, 34 der Formelemente 16, 22 verwendet werden können, beinhalten verschiedene schmelzbare Legierungen und Elemente mit niedrigem Schmelzpunkt. In einer Ausführungsform handelt es sich bei der schmelzbaren Legierung um Fieldsches Metall (eine Legierung aus Bismut, Zinn und Indium) oder andere Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, die zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In der gleichen oder anderen Ausführungsformen wird eine schmelzbare Legierung wie etwa Gallium verwendet, die einen Schmelzpunkt unter 30 °C und eine Leitfähigkeit von etwa 40,6 W/m K aufweist. Andere beispielhafte Metalle oder Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt, die als das Kühlkörpermaterial HS in den Formelementen 16, 22 verwendet werden könnten, können Legierungen, die Quecksilber, Gallium, Bismut, Blei, Zinn, Cadmium, Zink, Indium, Thallium und/oder nur Alkalimetalle enthalten, sowie Reinelemente einschließlich Gallium, Bismut, Indium und Zinn beinhalten. In der gleichen oder anderen Ausführungsformen können geeignete schmelzbare Legierungen für die Formelemente 16, 22 Woodsches Metall, Roses Metall, Galinstan und NaK beinhalten. Lediglich als Beispiel können mindestens einige dieser anderen beispielhaften Metalle oder Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt Schmelztemperaturen aufweisen, die zum Beispiel in den Bereich von etwa 47 °C bis etwa 60 °C fallen. In diesen oder einem weiteren Beispiel kann das Kühlkörpermaterial HS so ausgewählt sein, dass es eine Schmelztemperatur aufweist, die nahe oder unter der Erstarrungstemperatur des Formteils MP liegt.
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Hinsichtlich der Leitfähigkeit kann das Kühlkörpermaterial HS so ausgewählt sein, dass es eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die der eines typischen Metalls (z. B. Werkzeugstahl, der eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 27 W/m. K aufweist) ähnlich oder größer als diese ist. In der gleichen oder einer anderen Ausführungsform kann das Kühlkörpermaterial HS so ausgewählt sein, dass es eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die in etwa zwei Größenordnungen größer als die des zum Ausbilden der Formelemente 16, 22 verwendeten Materials ist.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 8 kann der Formhohlraum 30 von den Kühlkörperaussparungen 32 des ersten Formelements 16 beabstandet sein und damit nicht in Fluidkommunikation stehen. Das bedeutet, ein trennender Teil 16g des ersten Formelements 16 kann den Formhohlraum 30 von jeder der Kühlkörperaussparungen 32 trennen, wodurch Fluidkommunikation blockiert wird. Zusätzlich kann in einer Ausführungsform die Dicke des trennenden Teils 16g derart ausgewählt werden, dass er das Formteil MP, während das Formteil MP abkühlt, nicht übermäßig von dem Kühlkörpermaterial HS isoliert, während er gleichzeitig eine ausreichende Struktur aufweist, um eine genaue Fertigung des Formhohlraums 30 zuzulassen, insbesondere der Geometrie des Formhohlraums 30. Als nicht einschränkendes Beispiel und in Abhängigkeit des Moduls und der Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs, der für die Formkomponente 16 verwendet wird, und des Schmelzpunkts des Polymers, das für das Formteil MP verwendet wird, könnte eine beispielhafte Dicke in dem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5 mm in einer Ausführungsform, etwa 0,5 bis etwa 3 mm in einer anderen Ausführungsform und etwa 1,0 bis etwa 2,0 mm in noch einer anderen Ausführungsform liegen. Wie es für den Fachmann ersichtlich ist, zeigt die schematisch veranschaulichte Ausführungsform aus 8 selbstverständlich die Form der Kühlkörperaussparung 32, insbesondere des Teils davon, der dem Formhohlraum 30 am nächsten ist, als flach, doch die Form könnte anderweitig bereitgestellt sein (z. B. halbkugelförmig, kegelförmig usw.), um die Wärmeleitfähigkeit zu maximieren, während Durchbiegungstoleranzen für den Formhohlraumbereich beibehalten werden, der die Kühlkörperaussparung 32 überspannt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann jede der Kühlkörperaussparungen 32, 34 einen ineinandergreifenden Abschnitt oder Teil 42 beinhalten, der die Herausnahme des Kühlkörpermaterials HS (z. B. einer schmelzbaren Legierung) aus den Kühlkörperaussparungen 32, 34 in einem festen oder halbfesten Zustand unterbindet. Insbesondere verhindert ein Teil (z. B. der Teil 44) des Kühlkörpermaterials HS, der in dem ineinandergreifenden Abschnitt 42 aufgenommen ist, dass das Kühlkörpermaterial HS aus dem Formelement 16 oder 22 herausfällt oder sich anderweitig aus diesem herausbewegt, wenn sich mindestens der in dem ineinandergreifenden Abschnitt 42 aufgenommene Teil 44 in einem festen Zustand befindet.
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Wenn sich darüber hinaus ein anderer Teil 46 in einem flüssigen Zustand befindet und ein übriger Teil 48 einschließlich dessen, der in dem ineinandergreifenden Teil 42 aufgenommen ist, in einem festen Zustand befindet, wird unterbunden, dass der flüssige Teil 46 aus den Formelementen 16, 22 herausfällt oder anderweitig aus diesen herausgenommen wird. Insbesondere kann während des Abkühlens und/oder Spritzgießens des Formteils MP eine begrenzte Menge (z. B. der Teil 46) des Kühlkörpermaterials HS einen Phasenübergang zu einer Flüssigkeit durchlaufen, wobei ein übriger Teil 48 in einem festen Zustand bleibt. Wie in 8 gezeigt, kann der ineinandergreifende Abschnitt 42 von der Oberfläche 16b des Formelements 16, in der die Kühlkörperaussparung 32 definiert ist, beabstandet sein und zudem von dem Formhohlraum 30 beabstandet sein, und zwar in einem Abstand, der ausreicht, um das Schmelzen des innerhalb des ineinandergreifenden Teils 42 angeordneten Teils 44 des Kühlkörpermaterials HS zu verhindern, wenn das Formteil MP innerhalb des Formelements 16 abgekühlt wird. Ebenso kann der ineinandergreifende Abschnitt 42 des zweiten Formelements 22 von der Oberfläche 22f des zweiten Formelements 22 beabstandet sein, die selbst den Formhohlraum 30 schließt, wenn die Formelemente 16, 22 zum Spritzgießen zusammengebracht werden.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, dass das Kühlkörpermaterial HS, wie etwa eine schmelzbare Legierung, dazu angeordnet sein kann, das Formelement 16 oder 22 zu verstärken. Insbesondere können die Formelemente 16, 22 von einiger Verstärkung profitieren, wenn die Formelemente 16, 22 aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet sind, und dies kann durch die Aufnahme des Kühlkörpermaterials HS innerhalb der Kühlkörperaussparungen erreicht werden, insbesondere dann, wenn sich das Kühlkörpermaterial HS in seinem festen Zustand befindet (oder mehr als eine Mehrheit des Kühlkörpermaterials in seinem festen Zustand befindet). Zum Beispiel kann das Kühlkörpermaterial HS einen höheren Elastizitätsmodul aufweisen als das Formelement 16, sodass das Kühlkörpermaterial auch in flüssiger Form oder teilweise flüssiger Form den Pressdruck über hydrostatischen Druck unterstützen kann.
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Es wird nun auf 9 Bezug genommen, in der ein Graph schematisch gezeigt ist und das Abkühlen von Formteilen graphisch veranschaulicht. Die erste Linie 50 veranschaulicht das Abkühlen eines Formteils in einem herkömmlich geformten Formelement aus Kunststoff. Im Gegensatz dazu veranschaulicht die Linie 52 das Abkühlen eines Formteils, das in dem ersten und zweiten Formelement 16, 22 geformt wird, die eine in den Kühlkörperaussparungen 32, 34 aufgenommene schmelzbare Legierung aufweisen. Wie aus der 9 ohne Weiteres ersichtlich wird, erfolgt für die Linie 52, die Formelementen 16, 22 aus Kunststoff entspricht, die die darin definierten Kühlkörperaussparungen 32, 34 aufweisen und das Kühlkörpermaterial unterbringen, das Abkühlen viel schneller.
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Es wird nun auf 10 Bezug genommen, in der ein Formverfahren zum Spritzgießen mit einer wiederverwendbaren Form beschrieben wird. Insbesondere wird das Verfahren aus 10 in Verbindung mit den hier vorstehend beschriebenen wiederverwendbaren Formelementen 16, 22 beschrieben, obwohl es sich versteht, dass das Verfahren mit anderen Formelementen verwendet werden könnte. In dem Verfahren werden, wie bei 100 angegeben, wiederverwendbare Formelemente 16, 22 bereitgestellt, die mindestens einen Formhohlraum aufweisen, der in mindestens einem der Formelemente 16, 22 definiert ist (z. B. den Formhohlraum 30, der in dem ersten Formelement 16 definiert ist), und mindestens eine darin definierte Kühlkörperaussparung aufweisen (z. B. die Kühlkörperaussparungen 32 und das erste Formelement 16 und die Kühlkörperaussparungen 34 und das zweite Formelement 22), die ein Kühlkörpermaterial HS zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum 30 unterbringt. Als Nächstes wird bei 102 ein Formteil mit den wiederverwendbaren Formelementen 16, 22 spritzgegossen. Dann wird bei 104 über das Kühlkörpermaterial, das in den Kühlkörperaussparungen 32, 34 der Formelemente 16, 22 untergebracht ist, schnell Wärme aus dem Formhohlraum 30 des Formelements 16 abgeleitet.
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Das Bereitstellen der wiederverwendbaren Formelemente 16, 22 bei 100 kann das Folgende beinhalten: Erwärmen des Kühlkörpermaterials HS über eine Schmelztemperatur davon zum Verflüssigen des Kühlkörpermaterials HS, Gießen des verflüssigten Kühlkörpermaterials HS in die Kühlkörperaussparungen 32, 34 und Abkühlen des Kühlkörpermaterials HS unter die Schmelztemperatur davon zum Erstarren des Kühlkörpermaterials HS vor dem Spritzgießen des Formteils MP mit den wiederverwendbaren Formelementen 16, 22. Wie hier bereits beschrieben, kann das Abkühlen des Kühlkörpermaterials HS unter seine Schmelztemperatur zum Erstarren des Kühlkörpermaterials HS mechanisches Ineinandergreifen des Kühlkörpermaterials HS mit einem Teil 42 der wiederverwendbaren Form 16 oder 22, der die mindestens eine Kühlkörperaussparung 32 oder 34 definiert, zum Unterbinden der Herausnahme des Kühlkörpermaterials HS aus der mindestens einen Kühlkörperaussparung 32 oder 34 beinhalten.
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Das Abkühlen des Kühlkörpermaterials HS unter seine Schmelztemperatur zum Erstarren des Kühlkörpermaterials HS kann ferner Verstärken der wiederverwendbaren Formelemente 16, 22 mit dem Kühlkörpermaterial HS beinhalten. Mit anderen Worten verstärkt das Kühlkörpermaterial HS vorteilhaft die Formelemente 16, 22, wenn das Kühlkörpermaterial HS erstarrt ist, insbesondere dann, wenn derartige Formelemente aus dem Kunststoffmaterial ausgebildet sind.
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Wie hier bereits vorstehend erörtert, kann das Bereitstellen des wiederverwendbaren Formelements 16, 22 Ausbilden des wiederverwendbaren Formelements 16, 22 aus einem Kunststoffmaterial wie etwa einem duroplastischen oder thermoplastischen Material (z. B. ABS oder Acryl) über additive Fertigung beinhalten. Additive Fertigung kann zum Beispiel 3D-Druck und dergleichen beinhalten. Bei 104 kann das schnelle Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum 30 des ersten Formelements 16 über das Kühlkörpermaterial HS in der Vielzahl von Kühlkörperaussparungen Bewirken eines Phasenübergangs von mindestens einem Teil des Kühlkörpermaterials HS von fest zu flüssig beinhalten.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 11 kann das Verfahren aus 10 ferner die Schritte 106, 108, 110 und 112 beinhalten. Insbesondere kann es sich, wie bei 106 angegeben, bei dem wiederverwendbaren Formelement 16 um ein erstes wiederverwendbares Formelement handeln. Bei 106 wird das Formteil aus dem Formhohlraum 30 des ersten wiederverwendbaren Formelements 16 herausgenommen. Als Nächstes kann das Kühlkörpermaterial HS bei 108 über eine Schmelztemperatur des Kühlkörpermaterials HS erwärmt werden, um das Kühlkörpermaterial HS zu verflüssigen. Dann kann das Kühlkörpermaterial HS bei 110 aus dem ersten wiederverwendbaren Formelement 16 herausgenommen werden (d. h. nach dem Verflüssigen des Kühlkörpermaterials HS bei 108). Anschließend kann das Kühlkörpermaterial HS bei 112 einem zweiten wiederverwendbaren Formelement (das nicht gezeigt ist und sich von den Formelementen 16, 22 unterscheidet) hinzugegeben werden, das einen darin definierten Formhohlraum des zweiten Formelements und mindestens eine darin definierte Kühlkörperaussparung des zweiten Formelements aufweist. Insbesondere kann das Hinzugeben des Kühlkörpermaterials HS zu dem zweiten wiederverwendbaren Formelement bei 112 Unterbringen des Kühlkörpermaterials innerhalb der mindestens einen Kühlkörperaussparung des zweiten Formelements beinhalten. Auf diese Art und Weise ist das Kühlkörpermaterial HS in unterschiedlichen Formelementen aus Kunststoff wiederverwendbar.
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Es ist ersichtlich, dass verschiedene der vorstehend offenbarten und andere Merkmale und Funktionen oder Alternativen oder Varianten davon wünschenswert zu vielen anderen unterschiedlichen Systemen oder Anwendungen kombiniert werden können. Zudem können anschließend verschiedene derzeit unvorhergesehene oder nicht vorweggenommene Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen daran durch den Fachmann hergestellt werden, die auch in die folgenden Patentansprüche eingeschlossen sein sollen.
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Eine wiederverwendbare Form zum Spritzgießen und ein Formverfahren beinhaltet ein wiederverwendbares Formelement, einen Formhohlraum, der in dem Formelement definiert ist, und mindestens eine in dem Formelement definierte Kühlkörperaussparung zum Unterbringen eines Kühlkörpermaterials darin zum schnellen Ableiten von Wärme aus dem Formhohlraum, wenn das Formelement zum Spritzgießen eines Formteils verwendet wird. Die wiederverwendbare Form spritzgießt ein Formteil und leitet Wärme über ein Kühlkörpermaterial, das in der mindestens einen Kühlkörperaussparung untergebracht ist, schnell aus dem Formhohlraum ab.