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Die Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug mit mindestens einem ersten und einem zweiten Werkzeugteil, innerhalb derer mindestens eine Spritzgusskavität gebildet ist, und mit mindestens einer Kühlstruktur.
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Es ist allgemein bekannt, dass mit einer Kühlstruktur in der Form von Kühlkanälen in einem Spritzgusswerkzeug beeinflusst werden kann, in welcher Reihenfolge die unterschiedlichen Bereiche des spritzgegossenen Werkstücks und/oder mit welcher Rate das eingespritzte Material abgekühlt werden kann. Hierdurch lassen sich die Materialeigenschaften, Eigenspannungen, die Schrumpfung und auch die Taktzeiten beeinflussen.
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Durch den Kühlkanal kann ein Kühlmittel geleitet werden, bei dem es sich im Hinblick auf die Wärmekapazität meist um eine Flüssigkeit handelt. Grundsätzlich können aber auch gasförmige Kühlmittel verwendet werden.
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Wenn Strukturen des Spritzgusswerkzeugs gekühlt werden sollen, mit denen Bauteile mit kleinen Abmessungen abgeformt werden sollen (beispielsweise Buchsen oder Hülsen mit einem geringen Innerdurchmesser), müssen die Kühlkanäle mit einem Querschnitt ausgeführt werden, der geringer ist als ein Querschnitt, der im Hinblick auf die gewünschte Wärmeabfuhr notwendig wäre. Dies liegt insbesondere daran, dass in engen Strukturen das Kühlmittel in die Struktur hinein- und auch wieder aus dieser herausgeführt werden muss.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Spritzgusswerkzeug zu schaffen, bei dem auch Strukturen mit kleineren Abmessungen wirksam gekühlt werden können, insbesondere tiefe Strukturen mit größeren Materialanhäufungen, die über einen langen Kern mit kleinem Durchmesser geformt werden und an keiner anderen Stelle mit der Werkzeugwand in Kontakt treten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Spritzgusswerkzeug der eingangs genannten Art vorgesehen, dass sich eine Kühlstruktur von einem Werkzeugteil über die Trennebene hinweg in das andere Werkzeugteil erstreckt. Die Erfindung beruht auf den Grundgedanken, den Kühlkanal für Strukturen mit geringen Abmessungen nicht, wie bisher im Stand der Technik, an ein- und demselben Werkzeugteil beginnen und enden zu lassen, sondern in eine Kühlstruktur zu verwenden, die in einem Werkzeugteil beginnt und im anderen Werkzeugteil endet. Damit müssen innerhalb einer zu kühlenden Struktur nicht der „Hinlauf“ und „Rücklauf“ des Kühlkanals untergebracht werden, sondern es kann ein einziger Kanal bzw. ein einziges Kühlelement mit großem Querschnitt in der zu kühlenden Struktur untergebracht werden. Aufgrund des größeren Querschnitts kann eine größere Wärmemenge abtransportiert werden.
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Die Kühlstruktur kann ein Einsatz aus einem Material sein, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat als das Grundmaterial des Spritzgusswerkzeugs. Unter „höhere Wärmeleitfähigkeit“ wird hier eine Wärmeleitfähigkeit verstanden, die mindestens das Doppelte der Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials des Spritzgusswerkzeugs beträgt. Ein Beispiel ist ein massiver Block aus Kupfer, der an der entsprechenden Stelle in das Spritzgusswerkzeug eingesetzt wird. Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit, die mindestens das fünffache der Wärmeleitfähigkeit von Stahl beträgt.
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Die Kühlstruktur kann auch ein Kühlkanal ist, durch den ein Kühlmittel strömt, das auch zum Kühlen von anderen Bereichen des Spritzgusswerkzeugs verwendet wird. Somit sind keine zusätzlichen Anschlüsse erforderlich. Das Kühlmittel kann fest, flüssig, gasförmig oder superkritisch sein.
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Das Spritzgusswerkzeug kann auch mit einem Schieber versehen sein, wobei in dem Schieber ein Kühlkanal gebildet ist, der, wenn sich der Schieber in einer eingefahrenen Position befindet, an einen Kühlkanal in mindestens einem der Werkzeugteile angeschlossen ist. Dies ermöglicht, auch im Schieber einen Kühlkanal mit großem Querschnitt zu verwenden, durch den das Kühlmittel in einer Richtung hindurchgeleitet wird.
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Der Schieber kann sich im Bereich der Trennebene befinden, wobei es grundsätzlich auch möglich ist, dass sich der Schieber vollständig innerhalb eines der Werkzeugteile befindet.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Dichtung vorgesehen, die an der Schnittstelle zwischen den beiden Werkzeugteilen beziehungsweise zwischen dem Schieber und eines der Werkzeugteile angeordnet ist. Die Dichtung verhindert, dass das Kühlmittel in die Spritzgusskavität eintritt.
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Grundsätzlich ist auch denkbar, dass die Abdichtung im Bereich des Kühlkanals allein durch die aneinander anliegenden Flächen der beiden Werkzeugteile beziehungsweise des Schiebers erfolgt. Dies ist bei ausreichend hohen Schließkräften grundsätzlich möglich.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Ventil vorgesehen, das den Kühlkanal verschließt, wenn die Werkzeugteile sich nicht in der geschlossenen Position befinden beziehungsweise sich der Schieber nicht in einer eingefahrenen Position befindet. Das Ventil gewährleistet, dass beim Öffnen des Spritzgusswerkzeugs kein Kühlmittel auf die spitzgegossenen Bauteile gelangt und auch beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs kein Kühlmittel, das sich noch vom vorhergehenden Zyklus in den Kühlkanälen befindet, in die Spritzgusskavität gelangt.
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Der Begriff „Ventil“ bezeichnet hier eine Gestaltung, mit der ein Durchflussquerschnitt geöffnet und geschlossen werden kann, indem ein Ventilelement oder Verschlussstück zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Stellung verstellt werden kann.
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Das Ventil befindet sich vorzugsweise im Werkzeugteil angrenzend an die Trennebene beziehungsweise am vorderen Ende des Schiebers. Hierdurch ist gewährleistet, dass „außerhalb“ des Ventils kein Kühlmittel am entsprechenden Werkzeugteil beziehungsweise am Schieber verbleiben kann.
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Das Ventil kann so ausgestattet sein, dass es sich bei Druckbeaufschlagung öffnet. Dementsprechend schließt sich das Ventil, sobald der entsprechende Kühlmittelkanal nicht mehr mit dem Drückmedium beaufschlagt wird. Dadurch ist verhindert, dass das Kühlmittel beim Öffnen des Spritzgusswerkzeugs beziehungsweise beim Herausziehen des Schiebers aus den Kühlkanälen austritt.
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Das Ventil bzw. das regelbare Verschlussstück kann auch in der Art gestaltet, sein, dass es hydraulisch, mechanisch, magnetisch, elektrisch, elektromagnetisch oder elektromechanisch gesteuert werden kann. Der Kühlmitteldruck zum Ermöglichen eines Flusses kann dauerhaft anliegen oder mit dem Öffnen des Kanals verknüpft sein.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Ventil mechanisch geöffnet wird. Beispielsweise kann das Ventilelement mittels einer Feder in die geschlossene Position beaufschlagt werden, und es ist ein Stößel oder ähnliches vorhanden, der beim Schließen des Spritzgusswerkzeugs dafür sorgt, dass das Ventilelement geöffnet wird. Beispielsweise kann der Stößel, wenn das Ventil in dem einen Werkzeugteil angeordnet ist, an dem anderen Werkzeugteil in Anlage gelangen und dadurch das Ventil öffnen.
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Die Erfindung ist auch für besondere Fertigungsverfahren der Werkzeugteile und der Werkzeugkavität anwendbar. Neben dem klassischen Herstellen durch Bohren, Erodieren, Fräsen oder anderen spanenden Methoden kommen insbesondere der additive Metalldruck in Betracht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch in einem Schnitt ein erfindungsgemäßes Spritzgusswerkzeug;
- - 2 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt II von 1;
- - 3 den oberen Teil des in 1 gezeigten Spritzgusswerkzeugs beim Schließen.
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In 1 ist ein Spritzgusswerkzeug 10 gezeigt, das hier schematisch ein erstes Werkzeugteil 12 und ein zweites Werkzeugteil 14 aufweist. Bei komplexeren Spritzgusswerkzeugen kann das Spritzgusswerkzeug auch aus mehr als zwei Werkzeughälfte gebildet sein.
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Innerhalb des Spritzgusswerkzeugs 10 ist eine Spritzgusskavität 16 vorhanden, die hier gefüllt mit Spritzgussmaterial 18 gezeigt ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das Spritzgussmaterial 18 ein T-förmiges Verteiler- oder Anschlussstück, das hier ein hohles Querteil (in 1 oben waagerecht angeordnet) und ein sich dazu senkrecht erstreckendes Längsteil (in 1 vertikal darunter) aufweist.
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Um das Längsteil hohl auszuführen, ist hier ein Schieber 20 vorgesehen, der sich entlang der Trennebene T zwischen den beiden Werkzeugteilen 12, 14 erstreckt.
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Das hier gezeigte spritzgegossene Bauteil ist lediglich beispielhaft. In der Praxis kann es jede andere Geometrie haben.
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Das Spritzgusswerkzeug 10 weist mehrere Kühlkanäle auf, die dazu dienen, Wärme abzutransportieren, die mit dem Spritzgussmaterial 18 in das Spritzgusswerkzeug 10 eingebracht wird.
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Um das Spritzgusswerkzeug 10 im Bereich des Querteils des spritzgegossenen Bauteils kühlen zu können, ist ein Kühlkanal 22 vorgesehen, der hier gebildet ist durch einen Abschnitt 22A, der sich innerhalb des Werkzeugteils 12 befindet, und einen Abschnitt 22B, der sich innerhalb des Werkzeugteils 14 befindet. Die beiden Abschnitte treffen sich im Bereich der Trennebene T, sodass sich der Kühlkanal 22 von einem Werkzeugteil zum anderen erstreckt. Diese ist hier symbolisiert durch einen Zulauf für Kühlmittel KM1, der sich am ersten Werkzeugteil 12 befindet, und einen Auslass für Kühlmittel KM1,2, der sich am zweiten Werkzeugteil 14 befindet.
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Diese Ausgestaltung des Kühlkanals 22, der sich von der einen Werkzeughälfte (hier das Werkzeugteil 12) über die Trennebene T hinaus in die andere Werkzeughälfte (hier das Werkzeugteil 14) erstreckt, ermöglicht es, auch durch vergleichsweise kleinen Strukturen hindurch wie innerhalb des Querteils einen vergleichsweise großen Volumenstrom an Kühlmittel zu leiten. Dadurch kann dort die anfallende Wärme gut abgeführt werden.
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Auch der Schieber 20 ist mit einem Kühlkanal (hier versehen mit dem Bezugszeichen 24) versehen. Dieser mündet am vorderen Ende des Schiebers 20 in den Kühlkanal 22, sodass das in dem Schieber eingebrachte Kühlmittel KM2 zusammen mit dem in das erste Werkzeugteil 12 eingebrachten Kühlmittel KM1 das Spritzgusswerkzeug als Kühlmittelstrom KM1,2 auf der Seite des zweiten Werkzeugteils 14 verlässt.
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Die Struktur der Kühlkanäle 22, 24 ist bereits insofern vorteilhaft, als sie gerade durchgehend im entsprechenden Werkzeugteil beziehungsweise Schieber ausgeführt werden können. Im Vergleich mit einem herkömmlichen Kühlkanal, wie er hier als Kühlkanal 26 mit einem Zufluss KM3 und einem Abfluss KM4 am Werkzeugteil 12 dargestellt ist, ist auch ein weiterer Vorteil zu erkennen. Wenn ein solcher Kühlkanal mit Einlass und Auslass an demselben Werkzeugteil verwendet werden soll, um Strukturen mit kleinen Abmessungen zu kühlen, verringert sich der erzielbare Volumenstrom erheblich, wenn Hin-und Rückführung innerhalb der zu kühlenden Struktur angeordnet werden müssen.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Kühlmittelströme auch in anderen Richtungen durch die Kühlkanäle geleitet werden können, als dies im Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
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In 3 ist das Spritzgusswerkzeug 10 in einem Zustand gezeigt, bevor das Spritzgussmaterial 18 eingespritzt wird. Die beiden Werkzeugteile 12, 14 werden in der Richtung der Pfeile P aufeinander zugefahren, und der Schieber 20 wird in der Richtung des Pfeils R eingeschoben.
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Um zu verhindern, dass Kühlmittel KM in die Spritzgusskavität 16 eintritt, kann eine Dichtung 30 verwendet werden. Diese ist hier beilspielhaft am vorderen, freien Ende des Schiebers 20 dargestellt.
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An den Enden der Kühlkanäle 22, 24, die im geöffneten Zustand des Spritzgusswerkzeugs freiliegen, kann jeweils ein Ventil angeordnet sein, mit dem verhindert wird, dass Reste des Kühlmittels KM in die Spritzgusskavität 16 gelangen. Diese Ventile sind hier beispielhaft mit dem Bezugszeichen 32 versehen.
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Die Ventile 32 können beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie sich automatisch öffnen, wenn ein ausreichender Kühlmitteldruck anliegt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ventile automatisch mechanisch dann geöffnet werden, wenn das Spritzgusswerkzeug geschlossen ist.
