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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Herstellen von Formteilen aus Kunststoff, insbesondere Spritzgieß-Formteilen
und ein Werkzeug hierfür.
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Das Spritzgießen von Formteilen mittels thermoplastischer,
duroplastischer oder elastomerer Werkstoffe wird vielfach eingesetzt.
Beim Spritzgießen
wird der Werkstoff aus einer Zuführeinheit,
in der der Werkstoff meist bis zur Fließfähigkeit erhitzt wird, in ein
auf eine vorgegebene, werkstoffabhängige Temperatur eingestelltes
Werkzeug aus zwei oder mehr Werkzeugteilen, die eine Kavität umschließen, eingebracht.
Dabei sollte der Werkstoff möglichst schnell
und vollständig
die durch das Werkzeug definierte Kavität ausfüllen und die Oberfläche der
Werkzeugteile, die die Kavität
begrenzen, und mit der der Werkstoff in Kontakt kommt (Kontaktfläche), exakt abbilden.
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Das exakte Abbilden der Kontaktfläche ist entscheidend,
denn mindestens Teile des Werkzeugs bilden ein Negativ der späteren Oberfläche des Werkstücks. Fehler
in der Oberfläche
stellen eine erhebliche Qualitätsminderung
dar. Um solche Fehler zu vermeiden, ist eine optimale Fließfähigkeit
des Werkstoffes während
des gesamten Formfüllvorgangs
notwendig.
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Während
des Verteilens im Werkzeug kann der Werkstoff an der Kontaktfläche, die
die Kavität definiert,
abkühlen.
Durch das Abkühlen
steigt die Viskosität
des Werkstoffs und seine Fließfähigkeit wird
u. U. soweit reduziert, dass ein vollständiges Ab- bzw. Ausformen sehr
filigraner Details, wie z. B. sehr dünnwandiger Bereiche oder sehr
feiner Strukturen, nicht möglich
ist.
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Formteile mit Mikrostrukturen können unterschieden
werden in Mikroteile mit einer Masse im Hundertstel- bzw. Tausendstel-Grammbereich
und Makroteile mit mikrostrukturierten Bereichen. Diese Mikrostrukturen
weisen Details im Mikro- bzw. Nanometerbereich auf.
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Die Abformung von Mikrostrukturen,
wie sie z. B. in der Licht-, Automobil-, Kommunikation- und der
Medizintechnik eingesetzt werden, ist bei reduzierter Fließfähigkeit
des Werkstoffs nicht möglich. Die
Fließfähigkeit
sinkt mit sinkender Temperatur des Werkstoffs. Der abkühlende Werkstoff
bildet eine zähflüssige Außenschicht
und dringt nicht mehr in die kleinen Nischen und Hohlräume ein,
die für
Mikrostrukturen typisch sind. Dadurch wird nicht nur die Optik sondern
sogar die Funktionstüchtigkeit
der Werkstücke
beeinträchtigt.
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Die Abformbarkeit von sehr filigranen
Details ist, wie vorstehend beschrieben, in starken Maße von der
Temperatur abhängig,
die sich beim Auftreffen des Werkstoffs auf die Kontaktfläche ergibt
(Kontakttemperatur). Diese Temperatur ist wesentlich von der Temperatur
des Werkzeugs bzw. Kontaktfläche
abhängig.
Der bis zur Fließfähigkeit
erhitzte Werkstoff kühlt
während
und nach dem Verteilen in dem Werkzeug an der Werkzeugwand, also
der Kontaktfläche ab.
Während
des Verteilens wird deshalb versucht, ein unerwünschtes Abkühlen des Werkstoffs durch Temperieren
des Werkzeugs zu verhindern. Erst nach dem Ausfüllen der Kavität wird die
Abkühlung des
Werkzeugs so weit fortgeführt,
bis der Werkstoff ausreichend erstarrt und damit genügend formstabil ist,
um aus der Form gelöst
zu werden.
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Die Werkzeugtemperaturen bei der
Verarbeitung von Thermoplasten reichen von einem (selten nutzbaren)
Minimum von ca. 20°C
bis zu ca. 140°C. Allgemein
können,
je nach Art des verwendeten Kunststoffs die Verarbeitungstemperaturen
des in der Zuführeinheit
erhitzten Kunststoffes auch auf ca. 220°C oder bis ca. 340°C ansteigen.
Es ist nachvollziehbar, dass das Aufheizen vor dem Einleiten des Werkstoffs
und das Abkühlen
bis hin zum Erstarren des Werkstoffs im Werkzeug wesentliche Parameter des
Herstellungsverfahrens sind.
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Der vorbeschriebene Temperaturzyklus
bestimmt wesentlich die Taktzeit der Fertigung und hat auf die Produktionsdauer,
also auch auf die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Spritzguß-Teilen entscheidenden
Einfluss. Verfahren, die darauf setzen, die Wand des Werkzeugs zyklisch
zu erhitzen, um ein vollständiges
Abformen der Kontaktfläche durch
den Werkstoff – und
damit eine exakt vorgegebene Ober- bzw. Grenzfläche des Werkstücks zu gewährleisten
(Variotherm-Verfahren), führen
zu sehr langen Taktzei ten, insbesondere wegen des spät einsetzenden
Abkühlens,
und verringern somit die Wirtschaftlichkeit. So verlängert die
Erhöhung
der Wandtemperatur des Werkzeugs um ca. 30°C die Kühlzeit um ca. 60% und damit
die gesamte Taktzeit um ca. 30%.
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Auch eine auf der Oberfläche des
Werkstücks
erkennbare Bindenahtkerbe stellt eine unzureichende Abformung der
Kontaktfläche
dar. Eine Bindenahtkerbe kann entstehen, wenn der Werkstoff in das
Werkzeug eingebracht wird und sich dort unter deutlicher Abkühlung ausbreitet.
Die zur Bildung von Bindenahtkerben führenden Teilströme ergeben
sich entweder, wenn in der Kavität
Hindernisse zu umfließen
sind oder wenn der Werkstoff z. B. aus mehreren Düsen eingespritzt
wird. Es treffen also beim Verteilen des Werkstoffs im Werkzeug
bzw. in der Kavität des
Werkzeugs dann diese Teilströme
wieder aufeinander. Die Teilströme
des an der Oberfläche
abgekühlten
Werkstoffs verschmelzen nicht nahtlos miteinander, vielmehr bleiben
unerwünschte,
an der Oberfläche
sichtbare Nahtstellen, zurück
(primäre Bindenähte).
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Außerdem legen sich die Grenzflächen dieser
Teilströme
nicht vollständig
an die Kontaktfläche des
Werkzeugs zum Werkstoff an, es verbleiben im Bereich der Bindenähte also
Bindenahtkerben. Insbesondere diese Bindenahtkerben sind unerwünscht. Im
Bereich der Bindenaht kann eine Kerbe und/oder eine Farbveränderung
bzw. ein Glanzunterschied sichtbar werden. Die Kerbe ist besonders
bei dunklen oder transparenten Formkörpern mit glatten, hochglanzpolierten
Formteiloberflächen
sehr deutlich sichtbar.
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Daneben kommt es vor, dass, bedingt
durch die Form der Kavität
(z. B. Wanddickenunterschiede des Werkstücks), sich der Werkstoff unterschiedlich schnell
in der Form ausbreitet. Wenn durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit
in geräumigen
und in engen Abschnitten der Kavität ein bestimmter Fließwinkel überschritten
wird, entstehen dann ebenfalls Bindenähte (sekundäre Bindenähte).
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Allgemein läßt sich feststellen, dass Bindenähte aus
nicht homogen miteinander verschmolzenen Teilströmen des Werkstoffs bestehen.
Bindenähte
verbleiben oft als erkennbare, also mit bloßem Auge sichtbare Grenzflächen auf
der Oberfläche
des Formteils.
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Die Stelle bzw. die Stellen, an denen
das Entstehen von Bindenähten
zu erwarten ist, lässt
sich bei der Herstellung von Formen für neu herzustellende Formteile
entweder, sofern es sich um eine geometrisch einfache Form handelt,
im Voraus aus der Erfahrung heraus abschätzen. Alternativ sind Simulationsprogramme
bekannt, mit denen nach Eingabe der Parameter auch für komplexere
Formteile, z. B. die Abdeckung von Tastaturen, berechnet werden kann,
wo Bindenähte
und somit Bindenahtkerben zu erwarten sind. Das Entstehen von Bindenähten bzw. Bindenahtkerben
ist also in starken Maße
von der Form der Kavität
bzw. des Werkzeugs, von der Temperatur des Werkstoffs sowie insbesondere
von der Kontakttemperatur während
des Einfüllens
und des Verteilens des Werkstoffs in der Kavität abhängig.
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Ein Verfahren, bei dem lediglich
Abschnitte des Werkzeugs zyklisch erwärmt werden, um Bindenähte und
Bindenahtkerben zu vermeiden, ist bekannt. Im Rahmen dieses Verfahrens
werden neben den in der Wand des Werkzeugs angeordneten Kühlkanälen, die
von einem Kühlmittel
durchströmt
werden, Temperierkanäle
angeordnet, die von einem Heizmedium (unter Druck stehendes Wasser
oder Öl)
zyklisch durchströmt
werden. Dieses Verfahren kann als erster Schritt angesehen werden,
der in die richtige Richtung geht. Es stellt jedoch noch keine vollständige oder
zufriedenstellende Lösung
des Problems dar, denn zum einen kann das Anbringen der zusätzlichen
Temperierkanäle
sehr aufwendig und manchmal schwierig zu realisieren sein, weil
der erforderliche Platz in der Wand der Form nicht verfügbar ist.
Ein weiterer gravierender Nachteil ist die verhältnismäßig unspezifische Erwärmung des
Werkzeugs in der gesamten Umgebung der zusätzlichen Temperierkanäle bis an
den äußeren Rand
des Werkzeugs, der der Kavität
abgewandt ist. Hierdurch ist die zyklische Erwärmung des Werkzeugs träge.
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Ein anderes, ebenfalls unspezifisches
Verfahren wird in der Weise durchgeführt, dass eine mittels Hochfrequenz
erhitzte Sonde zwischen die geöffneten
Werkzeugteile geführt
wird und dadurch die gesamte Kontaktfläche der Kavität erwärmt wird.
Die Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch auf Mikrostrukturen beschränkt (Schinköthe und
Walther in KU, 2000, S. 62 ff). Das Anpassen bzw. Einpassen von
Induktoren in größere Werkzeuge
zum direkten Erwärmen
von Kontaktflächen
wird als problematisch beurteilt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zum Herstellen von Formteilen, insbesondere Spritzgieß-Formteilen
und ein Werkzeug vorzuschlagen, mit dem die Abbildegenauigkeit wesentlich
erhöht
werden kann, ohne die Taktzeit signifikant zu verlängern.
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Die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Werkzeug nach Anspruch
11.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Herstellen von Formteilen, insbesondere Spritzgieß-Formteilen,
wird in ein Formwerkzeug aus zwei oder mehr Werkzeugteilen, die
eine vorgegebene Kavität
zum Formen des Formteils bilden, wobei die Kavität durch die Oberfläche der
Werkzeugteile, die Kontaktfläche,
begrenzt ist, mittels einer Zuführeinheit
ein plastisch verformbarer, in der Regel fließfähiger Werkstoff eingebracht,
der in der Kavität
verteilt wird und an der Kontaktfläche anliegt, und der nach dem
Verteilen zum Erstarren gebracht wird, wonach der erstarrte, in
die vorgegebene Form gebrachte Werkstoff aus dem Werkzeug entfernt
wird, wobei vor, während
oder nach dem Verteilen des Werkstoffs mindestens ein erstes Werkzeugteil
mindestens abschnittsweise mit Mitteln zum Erzeugen von Wärme durch
gerichtete Hochfrequenz-Technik erwärmt wird.
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Die Anwendung der gerichteten Hochfrequenz-Technik
für das
erfindungsgemäße Verfahren hat
sich aus der Überlegung
ergeben, dass in der Regel nur eine Oberfläche des Werkstücks, in
der Regel die spätere
Außenfläche, besonderen
Anforderungen an die Genauigkeit des Abformens bzw. der Oberflächengüte genügen muss,
so dass für
viele Anwendungsfälle
die Erwärmung
der Kontaktfläche bei
nur einem Werkzeugteil ausreicht.
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In den meisten Fällen genügt es, nur Teilbereiche der
gesamten Oberfläche
der Kontaktfläche zu
erwärmen,
um die Abformung von filigranen Details, wie sehr dünnwandige
Bereiche, Mikrostrukturen oder auch Bereiche in denen sich eine
Bindenahtkerbe ausbilden wird zu vermeiden. Selbstverständlich kann
aber das Verfahren auch so durchgeführt werden, daß die gesamte
Kontaktfläche
des Werkzeugs erwärmt
wird.
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Auch hier ist ein wesentlicher Vorteil
der Erfindung zu erkennen. Insbesondere bei komplex geformten Werkzeugen
bzw. Kavitäten
kann die präzise Erwärmung durch
gerichtete induktive Erwärmung besser
gewährleistet
werden als bei Verfahren nach dem Stand der Technik.
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Anders als beim Stand der Technik
ist ein Temperieren unter exakt definierten Bedingungen möglich. Insbesondere
das Temperieren bei geschlossenem Werkzeug, also bei definiertem
Abstand des Trafokerns zu der zu erwärmenden Kontaktfläche und
zeitnah zum Einbringen des Werkstoffs kann mit bekannten Vorrichtungen
oder Verfahren nicht realisiert werden. Durch Optimierung der Kontakttemperatur
wird die Abformung verbessert. Ausschuss wird reduziert und die
Bildung von Bindenahtkerben wird vermieden. Entsprechend wird das bzw.
werden die Werkzeugteile in der Regel vor, im Einzelfall aber auch
noch während
oder nach dem Verteilen des Kunststoffs erwärmt, z. B. wenn es sich um
ein verhältnismäßig großes Formteil
handelt, bei dem das Verteilen des Werkstoffs längere Zeit in Anspruch nimmt.
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Schon das partielle Erwärmen eines
Werkzeugteils, vorteilhaft jeweils an Stellen, wo die Abformung
der Kontaktfläche
problematisch ist, verbessert die Abformung von mikrostrukturierten
Bereichen auf Makroteilen und reduziert das Risiko des Ausbildens von
Bindenähten
oder Bindenahtkerben. Insbesondere bei der Herstellung von Mikroteilen
bzw. komplexen Werkstücken
mit dem Risiko der Ausbildung zahlreicher Fehlstellen wie Bindenähten oder
Bindenahtkerben empfiehlt es sich jedoch, ggf. die gesamte Kontaktfläche mindestens
eines Werkzeugteils zu temperieren.
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Die präzise Begrenzung der Erwärmung auf die
gewünschten
Abschnitte der Kontaktfläche
ist ein besonderer Vorteil der gerichteten Hochfrequenz-Technik.
Durch gerichtetes induktives Erwärmen
kann gezielt nur die Kontaktfläche
zwischen Werkzeug und Werkstoff auf einer Tiefe von ca. 0,1 mm bis
ca. 1,0 mm erwärmt
werden, so dass ein Teil der durch gerichtete Hochfrequenztechnik
zugeführten
Energie in Wärme
umgewandelt wird. Damit wird eine frühzeitige Abkühlung des
Werkstoffs verhindert und gleichzeitig das jeweilige Werkzeugteil
wieder gekühlt.
Ein Erwärmen
bis zu einer Tiefe von 1,0 mm ist völlig ausreichend und sollte
aus ökonomischen Gründen nicht überschritten
werden. Ein Erwärmen auf
eine Tiefe von bis zu 0,5 mm ist in der Regel genügend, bevor zugt
wird es, wenn die Kontaktfläche nur
bis auf eine Tiefe von 0,2 mm erwärmt wird. Vorteilhaft ist,
dass nur geringe Energiemengen erforderlich sind, um die Kontakttemperatur
zu optimieren, und dass die Erwärmung
zeitlich exakt erfolgen kann, so dass die Taktzeiten kaum erhöht werden.
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Die Anordnung der Primärspule und
des zugehörigen
Trafokerns an bzw. in einem Werkzeugteil erweist sich in der Regel
als ohne weiteres durchführbar.
Der Hochfrequenzgenerator, die an den Generator angeschlossene Primärspule und
der Trafokern sind nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung einem
zweiten Werkzeugteil zugeordnet. Vorzugsweise sind Hochfrequenzgenerator
und Primärspule
außerhalb
des zweiten Werkzeugteils angeordnet, doch bei entsprechender Isolierung
und geeigneten räumlichen
Bedingungen ist auch ein Einbau der Primärspule möglich.
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Der in der Primärspule eingesetzte Trafokern ist
so geformt, daß er
ein erstes Ende mit einem ersten Polschuh und ein zweites Ende mit
einem zweiten Polschuh aufweist. Das erste und das zweite Ende des
Trafokerns sind im zweiten Werkzeugteil so angeordnet, daß sie sich
jeweils an den Enden einer Bindenaht oder einer anderen Fehlstelle
befinden, die sich auf dem korrespondierenden Bereich des ersten
Werkzeugteils befindet. Das erste Werkzeugteil ist im Bereich der
Fehlstelle mit einer magnetisierbaren Kontaktfläche ausgebildet. Das erste
und das zweite Werkzeugteil sind auch bei geschlossenem Werkzeug
durch einen Luftspalt, die Kavität,
getrennt. Bei Inbetriebnahme des Hochfrequenzgenerators, an den
die Primärspule
angeschlossen ist, wird ein elektromagnetisches Wechselfeld aufgebaut,
welches durch den Trafokern verstärkt und gerichtet wird und
Wirbeströme
in den ersten Werkzeugteil induziert. Diese Wirbelströme rufen
eine ohmsche Erwärmung
hervor. In der magnetisierbaren Kontaktfläche des ersten Werkzeugteils
zwischen den beiden Polschuhen des Trafokerns werden berührungslos über die
Kavität
hinweg ebenfalls Wirbelströme – und damit
Erwärmung – induziert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
der Trafokern und die korrespondierende Kontaktfläche an die Form
der zu erwartenden Fehlstelle z. B. einer Bindenaht oder Bindenahtkerbe – und damit
des zu erwärmenden
Teils des Werkzeugs bzw. Werkzeugteils – angepasst ist.
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Dabei erweist es sich als vorteilhaft,
wenn das Temperieren bei geschlossenem Werkzeug erfolgt. Die Werkzeugteile
sind dann in definiertem Abstand voneinander angeordnet und die
Bemessung der Wärmemenge,
die zur Optimierung der Kontakttemperatur einzubringen ist, kann
außerordentlich exakt
erfolgen. Damit ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
ein wesentlich präziseres
Temperieren der Kontaktfläche
als dies z. B. mit einer Sonde möglich
ist. Weiterhin kann auf das Ein- und Ausfahren der Sonde verzichtet
werden, wodurch sich die Taktzeit verkürzt.
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Eine unerwünschte unspezifische Erwärmung des
Werkzeugs bzw. der Kontaktfläche
insgesamt, wie es beim Einsatz einer Hochfrequenz-Sonde, bei dem
Variotherm-Verfahren
oder bei der partiellen Erwärmung
des Werkzeuges durch ein Heizmedium der Fall ist, entfällt. Dadurch
wird nicht nur vermieden, dass unnötig Wärmeenergie in das Werkzeug
insgesamt eingebracht wird, die dann wieder durch Kühlen abgebaut
werden muss. Vielmehr kann die teilweise Erwärmung der Kontaktfläche ohne
weiteres auf die schnellen und kurzen Taktzeiten, die sich – je nach
Formteil – im
Bereich von einigen Sekunden bewegen, abgestimmt werden, da sich
die Kontaktflächen
des mindestens einen, ersten Werkzeugteils sehr schnell und mit
geringen Wärmemengen
erwärmen
lassen. Dies wirkt sich sowohl hinsichtlich des Energieverbrauchs,
als auch in Bezug auf die Beibehaltung einer kurzen Taktzeit aus.
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Bei Zeiten für das Einbringen des Werkstoffs in
die Kavität,
die üblicherweise
zwischen einer halben Sekunde für
kleine Formen und bis zu ca. 10 Sekunden für größere oder komplexere Formen
betragen, kann die Zeit, die für
das Erwärmen
erforderlich ist, exakt auf das Einbringen und ggfs. das Erstarren des
Werkstoffs in die Kavität
abgestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter dadurch
optimiert, dass die abschnittsweise Erwärmung des Werkzeugs so ausgelegt
wird, dass gerade nur ein Abkühlen
des Werkstoffs während
des vollständigen
Verteilens in der Kavität
des Werkzeugs vermieden wird. Damit wird das Einbringen von an sich
unerwünschter
Wärme auf
ein Minimum reduziert. Zusätzlich
wird erreicht, daß die
Kontakttemperatur in einem optimalen Bereich gehalten wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
eignen sich thermoplastische, duromere und auch elastomere Werkstoffe.
Besonders bevorzugt werden jedoch Thermoplaste.
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Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird auch durch ein Werkzeug nach Anspruch 11 gelöst. Das
erfindungsgemäße Werkzeug
zur Herstellung von Formteilen, insbesondere Spritzgießteilen,
weist mindestens ein erstes und ein zweites Werkzeugteil auf, die
eine vorgegebene, durch die Oberfläche der Werkzeugteile, die
Kontaktfläche,
begrenzte Kavität
für das
herzustellende Formteil definieren sowie eine Zuführ-Einheit
für einen
plastisch verformbaren, in der Regel fließfähigen Werkstoff und ist erfindungsgemäß mit Mitteln
zum mindestens abschnittsweisen Erwärmen der Kontaktfläche mindestens
eines ersten Werkzeugteils mittels gerichteter Hochfrequenz-Technik
an oder in einem zweiten Werkzeugteil ausgestattet. Diese Ausgestaltung
des Werkzeugs ermöglicht
das Herstellen von Formteilen ohne Fehlstellen wie Bindenahtkerben.
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Bevorzugt sind Mittel zum abschnittweisen Erwärmen des
Werkzeugs bzw. des Werkzeugteils dort vorgesehen, wo die Bildung
von Fehlstellen bei der Abformung der Kontaktfläche durch den Werkstoff zu
erwarten sind. Die Mittel zum abschnittsweisen Erwärmen sind
vorzugsweise so ausgestaltet, dass das Werkzeug bzw. das Werkzeugteil
nur an der Kontaktfläche
zum Werkstoff erwärmt
wird. Die vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung tragen vor allem
dazu bei, dass die Taktzeiten bei der Herstellung der Formteile
durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Werkzeugs gegenüber eines
nicht aufgeheizten Werkzeugs unwesentlich verlängert werden.
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Wie bereits im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben, erfolgt die abschnittweise Erwärmung des Werkzeugs bzw. des Werkzeugteils
durch den Einsatz von Mitteln zum mindestens abschnittsweisen Erwärmen der
Kontaktfläche
mindestens eines ersten Werkzeugteils mittels gerichteter Hochfrequenz-Technik.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist vorstehend im Zusammenhang mit dem Ablauf des Verfahrens detailliert
erläutert.
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Eine Minimierung des Wärmeeintrags
des zu erwärmenden
Abschnitts wird erreicht, wenn der Induktor z.B. durch die Anordnung
des ersten und des zweiten Polschuhs so ausgebildet ist, daß lediglich der
Abschnitt des ersten Werkzeugteils erwärmt wird an dem beim Abformen
der Kontaktfläche
Fehlstellen auftreten. So wird unmittelbar der unerwünschten Abkühlung des
Werkstoffs an Stellen, z. B. beim Aufeinandertreffen von Teilströmen, entgegenwirkt,
an denen die Kontaktfläche
nicht vollständig
abgebildet wird.
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Nach einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung sind die Polschuhe des Trafokerns so am zweiten Werkzeugteil
angeordnet, dass sie bei geschlossenem Werkzeug unmittelbar in Anlage
zum ersten Werkzeugteil kommen, das im Bereich der Anlagefläche magnetisierbar
ausgebildet ist. Die Anlagefläche
zwischen Polschuhen und erstem Werkzeugteil ist in der Regel außerhalb
der Kontaktfläche.
Die Anlagefläche
steht jedoch in magnetisch leitender Verbindung mit den magnetisch
leitenden Abschnitten der Kontaktfläche. Durch diese Anordnung
des Trafokerns ist eine besonders präzise, streuungsarme Erwärmung der
Kontaktfläche
insgesamt oder in besonderen Bereichen möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und das Werkzeug
nach der Erfindung werden nachstehend an ausgewählten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Spritzgusserzeugnisses (Abdeckung
für Tastatur)
mit einer Fehlstelle;
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Werkzeugteils mit einer erfindungsgemäßen Anordnung
zum Erwärmen
mittels gerichter Hochfrequenztechnik.
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Erstes Ausführungsbeispiel:
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Eine Vorrichtung zum Erwärmen mittels Hochfrequenztechnik
ist grundsätzlich
bekannt und wie folgt aufgebaut: Eine mehrwindige Spule, die Primärspule ist
an einem Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Sie wird im Betriebszustand
von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen, so daß sich ein
elektromagnetisches Wechselfeld aufbaut. Ist in dem elektromagnetischen
Wechselfeld ein Trafokern angeordnet, ensteht bei der Inbetriebnahme ein
elektromagnetisches Wechselfeld, welches durch den Trafokern verstärkt und
gerichtet wird und Wirbelströme
in den ersten Werkzeug teil induziert. Diese Wirbelströme rufen
eine ohmsche Erwärmung
hervor. Das Ausmaß der
Erwärmung
hängt unter
anderem ab von der Leistung und der Frequenz des Wechselstromgenerators,
sowie der Permeabilität μ und der
elektrischen Leitfähigkeit
der zu erwärmenden
Kontaktflächen.
Der die Primärspule
durchsetzende Trafokern weist ein erstes Ende mit einem ersten Polschuh
und ein zweites Ende mit einem zweiten Polschuh auf. Ist im Bereich
des elektrisch erzeugten Magnetfeldes bzw. der elektrisch erzeugten Wirbelströme weiteres
magnetisierbares Material, auch wenn es räumlich von dem Trafokern getrennt ist,
so wird dieses magnetisierbare Material ebenfalls berührungslos
erwärmt.
Das Induzieren der elektromagnetischen Wechselfelder in einen definieren
Bereich der zu erwärmenden
Kontaktfläche
eines ersten Werkzeugteils erfolgt vom im gegenüberliegenden zweiten Werkzeugteil
angeordneten Induktor, bestehend aus Primärspule und Trafokern, und wird im
Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung als „gerichtete" Induktion bezeichnet.
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Im vorliegenden Anwendungsfall ist
der Induktor an einem zweiten Werkzeugteil eines Spritzguss-Werkzeugs
angebracht. Dieses zweite Werkzeugteil korrespondiert mit einem
ersten Werkzeugteil und bildet mit diesem zusammengefügt eine
Kavität,
die der herzustellenden Tastaturabdeckung entspricht. Da das Werkzeugteil,
das den Trafokern enthält,
aus Stahl gefertigt sein kann, ist der Trafokern gegenüber dem
zweiten Werkzeugteil mittels einer Isolierschicht magnetisch abgeschirmt.
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Bei dem Werkzeug, in dem ein thermoplastischer
Werkstoff zu einer Abdeckung für
eine einfache Tastatur 2, dargestellt in 1, mit einer Ausnehmung 4 geformt
werden soll, ist bekannt, wo nach dem Einspritzen des fließfähigen Werkstoffs
sich Teilströme
zum Umfließen
der Ausnehmungen bilden und wo die Schmelzefronten dieser Teilströme wieder
aufeinandertreffen. Die Lage der Bindenähte, hier einer Bindennhht 6 ist
aus der Herstellung von Vorläufermodellen
bekannt. Das Werkzeug soll verbessert werden, so dass die Bindenahtkerbe 6 nicht mehr
sichtbar ist.
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Dazu wird, wie in 2 dargestellt, an einem zweiten Werkzeugteil 8 ein
Induktor 10 angebracht. Der Induktor 10 ist aus
einem Trafokern 12 mit einem ersten Ende (erster Polschuh) 14 und
einem zweiten Ende (zweiter Polschuh) 16 sowie einer den
Magneten umgreifenden Spule 18 mit mehreren Wicklungen zusammengesetzt.
Die Polschuhe 14,
16 sind jeweils im Bereich der
Enden der Bindenaht 6 angeordnet. Die Spule 18 ist
an einen hier nicht näher
dargestellten Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Zur Vermeidung
von Wirbelströmen
ist der Trafokern vorzugsweise aus einem Blechpaket aufgebaut, die
gegeneinander elektrisch isoliert sind und aus magnetisch weichem
Stahl bestehen. Zur Vermeidung von übermäßig hohen Wirbelstromverlusten
ist die Spule 18 magnetisch durch einen Isolator (Mu-Metall)
und einen großen
Luftspalt gegenüber
dem zweiten Werkzeugteil 8 isoliert.
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Auf die Kontaktfläche kann beim ersten Werkzeugteil
auf die zu erwärmenden
Abschnitte eine magnetische Beschichtung aufgebracht werden. Die
Beschichtung kann durch an sich bekannte thermische, thermochemische,
elektrochemische und/oder PVD-/CVD-Verfahren aufgebracht werden. Wird
nun unmittelbar vor dem Einspritzen des thermoplastischen Werkstoffs
Wechselspannung an den Induktor angelegt, dann schließt diese
Beschichtung den Kreis des magnetisierbaren Materials, der durch die
Lage des ersten und des zweiten Polschuhs vorgegeben ist. Die magnetisch
beschichtete Kontaktfläche
des ersten Werkzeugteils befindet sich damit im elektromagnetischen
Wechselfeld und erwärmt
sich berührungslos über den
Luftspalt der Kavität
hinweg. Die Erwärmung
erfolgt allerdings nur dort, wo der Induktor ein solches Wechselfeld
erzeugt, also dort, wo nach der vorliegenden Erfahrung mit dieser
Form die Bildung einer Bindenaht zu erwarten ist und entsprechend
die Polschuhe des Induktors angeordnet sind.
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Der erste und der zweite Polschuh
des Induktors sind im zweiten Werkzeugteil jeweils korrespondierend
zu einem ersten und einem zweiten Ende der zu erwartenden Bindenaht
angeordnet. Die Kontaktfläche
besteht im Bereich der zu erwartenden Bindenaht aus magnetisierbarem
Material, so dass sich Wirbelströme
ausbilden können.
Wird nun unmittelbar vor dem Einspritzen des auf 55 °C erhitzten Werkzeuges
hochfrequenter Wechselstrom an den Induktor angelegt, so dient die
gegenüberliegende magnetisierbare
Kontaktfläche
des ersten Werkzeugteils, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten
Polschuh erstreckt, als Magnetjoch. Die durch Einschalten des Induktors
erzeugten Wirbelstromverluste erhitzen zusätzlich die Kontaktfläche des
ersten Werkzeugteils.
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Die Parameter des Generators der
Primärspule
und des Trafokerns sowie des magnetisierbaren Abschnitts der Kontaktfläche sind
so ausgelegt, daß der
zu erwärmende
Abschnitt des ersten Werkzeugteils bis in eine Tiefe von 0,2 mm
auf eine Temperatur von ca. 90 °C
aufgewärmt
wird. Unmittelbar vor dem Einspritzen des thermoplastischen Materials in
die Kavität
wird der Wechselstrom abgeschaltet, eine weitere Erwärmung erfolgt
nicht mehr. Diese in die Kontaktfläche eingebrachte Wärmemenge
genügt,
um ein vollständiges
und homogenes Verschmelzen der Schmelzfronten der Teilströme zu gewährleisten,
wenn diese an dem erwärmten
Abschnitt der Kontaktfläche
des ersten Werkzeugteils aufeinander treffen. Die Kontaktfläche des
ersten Werkzeugteils, also die Oberfläche der herzustellenden Tastaturabdeckung,
wird fehlerfrei abgebildet.
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Durch die Wahl der Anordnung und
Form der Poschuhe wird die Größe und die
Form der aufzuheizenden Oberfläche
bestimmt. Ein unerwünschtes Aufheizen
der Wand des ersten Werkzeugteils wird durch den „Skin-Effekt" vermieden, da die
magnetischen Feldlinien und die induzierten Stromlinien nur in einer
dünnen
Schicht auf der Oberfläche
der Kavität – der Kontaktfläche- verlaufen
und somit die Erwärmung
auf das notwendige und erforderliche Minimum beschränkt.
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Zur Vermeidung von übermäßig hohen
Wirbelstromverlusten ist der Bereich der Wicklung des Induktors
mit bekannten Mitteln magnetisch und elektrisch gegenüber dem
zweiten Werkzeugteil isoliert.
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Zweites Ausführungsbeispiel Herzustellen
ist ein Eiskratzer, der, um dem Bediener besseren Halt zu geben,
eine besonders rauhe, griffige Oberfläche aufweisen soll. Bei der
Abmusterung des Werkzeugs zeigt sich, dass die Oberflächenstruktur
nicht richtig abgeformt wird. Es treten ungenügend geraubte Abschnitte auf,
in denen der Werkstoff nicht in die Vertiefungen der Kontaktfläche eingedrungen
sind.
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Als Induktor wird eine ähnliche
Anordnung wie im ersten Ausführungsbeispiel
gewählt,
jedoch berühren
die Polschuhe des U-förmigen
Magneten des Induktors, die im zweiten Werkzeugteil angeordnet sind,
das erste Werkzeugteil, dessen Kontaktfläche somit insgesamt als magnetisches
Joch dient, direkt. Dadurch werden Streuverluste, die beim ersten Beispiel
im Luftspalt zwischen Polschuh und Joch auftreten, vermieden.
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Nach dem Schließen der Kavität, bis zum Einspritzen
des thermoplastischen Werkstoffs, wird ein hochfrequenter Wechselstrom
an den Induktor angelegt. Die Kontaktfläche der Werkzeugteile wird zwischen
den beiden Polschuhen bis zu einer Tiefe von 0,5 mm erwärmt.
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Das verhindert ein zu schnelles Einfrieren des
Werkstoffes an der Kontaktfläche.
Ein genaueres Abformen der Kontaktfläche ist gewährleistet, der Eiskratzer weist
die gewünschte,
durchgehend rauhe und griffige Oberfläche auf.