DE112015005075T5

DE112015005075T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs durch Laserstrahl

Info

Publication number: DE112015005075T5
Application number: DE112015005075.2T
Authority: DE
Inventors: Olivier Torres; Stéphane Guillier
Original assignee: Plastic Omnium SE
Current assignee: Plastic Omnium SE
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2017-07-13
Also published as: FR3028203A1; WO2016071653A1; CN107000264A; US20170334097A1; FR3028203B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs (1) für die Herstellung eines Werkstücks (8) aus Kunststoff, die Mittel zum Aufheizen (100) der Formoberfläche umfasst, die mindestens einen Strahlungskopf (112) umfassen. Die Aufheizmittel (100) umfassen eine Wärmeaustauschplatte (120), die aus einem thermisch leitenden Material realisiert ist und eingerichtet ist, um mit einer lokalisierten Zone (130) der Wand (4a, 4b) des Formwerkzeugs (1) in Kontakt zu sein. Der Strahlungskopf (112) ist in der Lage, die Temperatur der Wärmeaustauschplatte (120) durch Aussenden eines Strahlenbündels (114) zu regeln, das zu der Wärmeaustauschplatte (120) hin geleitet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs für die Herstellung eines Werkstücks (8) aus Kunststoff.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs.
Um ein Teil aus Kunststoff oder Verbundmaterial im Bereich der Kraftfahrzeugsbau zu realisieren, werden allgemein Spritzgieß- und Druckgießwerkzeuge aus metallischem Material verwendet, deren Formzonen abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt werden, um den in dem Formwerkzeug enthaltenen Werkstoff in die gewünschte Form umzuformen.
Zu diesem Zweck bestehen herkömmliche Vorrichtungen zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs im Allgemeinen aus Mitteln zum Aufheizen und/oder zum Abkühlen durch Konduktion von heißem Druckwasser, wobei die Aufheizmittel insbesondere durch Induktion, elektrischen Widerstand oder durch Umlauf von Fluiden (Wasser, Öl... usw.) oder von Gas (Dampfdruck) funktionieren.
Derartige Vorrichtungen weisen zahlreiche Nachteile auf. Da es sich um Vorrichtungen mit Aufheizmitteln durch Umlauf von Fluiden handelt, um die Zonen in Kontakt mit dem Werkstück aufzuheizen, müssen die Aufheizmittel andere Zonen des Formwerkzeugs (insbesondere Wände) durchqueren, wodurch sie einen Wärmeverlust und eine hohe Trägheit in den Aufheiz- und Abkühlzyklen bewirken. Die Vorrichtungen mit Mitteln zum Aufheizen durch Induktion oder elektrischen Widerstand gestatten, diese Nachteile zum Teil zu vermeiden, weisen jedoch andere auf, wie einen sehr hohen Energieverbrauch und die Tatsache, dass sie nicht verwendet werden können, um Werkstücke mit kleinen Abmessungen und im Wesentlichen flacher Form zu bilden.
Abgesehen von der geringeren Energieeffizienz derartiger Vorrichtungen verkomplizieren sie die Ausgestaltung und die Realisierung des Formwerkzeugs. Dies ist insbesondere der Fall bei Vorrichtungen mit Mitteln zum Aufheizen durch Umlauf von Fluiden, welche die Installation von mit Löchern versehenen Kreisläufen voraussetzen, die den Formen der Formoberfläche folgen.
Es besteht daher ein Bedarf an der Verfügbarkeit einer Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs, die energieeffizient ist und die Vereinfachung der Ausgestaltung und der Realisierung des Formwerkzeugs gestattet.
In EP 2 647 479 wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks auf der Basis von Schaumkunststoff vorgeschlagen, das Schritte des Einspritzens von Schaumstoff in ein aufgeheiztes Formwerkzeug und des Abkühlens des Formwerkzeugs umfasst. Das Formwerkzeug wird hier in homogener Form mit dem Werkstoff des zu realisierenden Werkstücks an seinen sämtlichen Wänden aufgeheizt, zum Beispiel durch Laser.
Ein derartiges Verfahren weist somit einen großen Teil der oben angeführten Nachteile auf.
Aufgabe der Erfindung ist, dem abzuhelfen, indem eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs für die Herstellung eines Werkstücks aus Kunststoff bereitgestellt wird, die Mittel zum Aufheizen der Formoberfläche umfasst, die mindestens einen Strahlungskopf umfassen.
Die Erfindung unterscheidet sich durch die Tatsache, dass die Aufheizmittel eine Wärmeaustauschplatte umfassen, die aus einem thermisch leitenden Material realisiert ist und eingerichtet ist, um mit einer lokalisierten Zone einer Wand des Formwerkzeugs in Kontakt zu sein, wobei der Strahlungskopf in der Lage ist, die Temperatur der Wärmeaustauschplatte durch Aussenden eines Strahlenbündels zu regeln, das zu der Wärmeaustauschplatte hin geleitet wird.
Eine derartige Vorrichtung gestattet aufgrund seiner lokalisierten Temperaturregelung, die hohe Trägheit in den Aufheiz- und Abkühlzyklen und die Wärmeverluste, die durch eine Aufheizung insgesamt bewirkt werden, zu verhindern, wobei sie jedoch gleichzeitig energieeffizient ist.
Die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verhindert auch, dass ein komplexes Verrohrungsnetz zur Abkühlung des gesamten Formwerkzeugs vorgesehen werden muss. Die Tatsache, dass dieses Netz vereinfacht wird oder ein derartiges Netz erst gar nicht verwendet wird, gestattet eine Verringerung der Investitionskosten und der Montage- und Demontagezeiten, gestattet jedoch auch die Reduzierung der Größe der Blöcke, aus denen das Formwerkzeug besteht.
Die Tatsache, dass die Größe des Netzes und somit potentielle Leckagen reduziert werden, führt auch zu einer weniger häufigen Wartung des Abkühlsystems.
Die Verwendung von Strahlungsköpfen erweist sich auch als besonders vorteilhaft, da sie ein sehr schnelles Ansteigen der Temperatur gestatten, was die Formungszyklen zuweilen noch weiter beschleunigen kann.
Da sie besonders zuverlässig sind, reduziert ihre Verwendung ferner die Ausfallrisiken und reduziert folglich die Wartungszeit und die damit verbundenen Kosten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die Aufheizmittel eine thermisch isolierende Platte, die zwischen dem Strahlungskopf und der Wärmeaustauschplatte angeordnet ist, wobei die thermisch isolierende Platte mit einer Öffnung versehen ist, die für den Durchtritt des Strahlenbündels eingerichtet ist.
Dies ist besonders von Nutzen, um die Aufheizmittel im Rahmen einer Herstellung von Werkstücken durch ein Druck- oder Spritzgießverfahren zu schützen.
Dadurch lässt sich insbesondere vermeiden, dass der Strahlungskopf durch die Erhöhung der Temperatur der Platte aus leitendem Material beschädigt wird.
In einer besonderen Ausführungsform, die den Vorteil aufweist, einfach durchführbar zu sein, ist der Strahlungskopf eine Laserquelle, die einen optischen Kopf umfasst, der mit einer Versorgungsquelle durch einen Lichtwellenleiter verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Regelungsvorrichtung ferner Mittel zum Modulieren der Leistung der Strahlung in der Form, dass die Temperatur der Wärmeaustauschplatte verändert werden kann.
Dies ermöglicht, die Temperatur der lokalisierten Zone der Wand und damit des zur Bildung des Werkstücks zu formenden Materials zu steuern.
Insbesondere ermöglicht dies, Herstellungsverfahren mit Temperaturstufen zu verwenden, wie die Gießverfahren durch Niederdruck-Injektion von flüssigem Harz (Resin Transfer Molding im angelsächsischen Sprachgebrauch).
Gemäß einer besonderen Ausführungsform sind die Aufheizmittel in einem metallischen Körper angeordnet, der zum Platzieren in einer Kernform, die in der Wand des Formwerkzeugs realisiert ist, bestimmt ist.
Dies weist den Vorteil auf, dass der Vorrichtung eine größere Modularität verliehen wird und dass insbesondere die Aufheizmittel in dem Formwerkzeug mühelos ausgetauscht und/oder bewegt werden können.
In einer von der Effizienz her vorteilhaften Ausführungsform weist die Wärmeaustauschplatte eine identische oder ähnliche Form auf wie die der lokalisierten Zone der Wand des Formwerkzeugs, um an jeder beliebigen Stelle in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von dieser lokalisierten Zone positioniert zu werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist die Wärmeaustauschplatte aus Graphit oder Graphen realisiert.
Graphit ist ein Material, das sich für die Bildung der Wärmeaustauschplatte besonders eignet, da es gleichzeitig besonders wärmleitend und hochtemperaturbeständig ist.
In einer besonderen Ausführungsform ist die thermisch isolierende Platte aus einem Material des mikroporösen Typs realisiert.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass ein mikroporöses Material ein Material mit poröser Struktur ist, mit anderen Worten geschlossene Zellen aufweist, deren Abmessungen kleiner sind als die mittlere freie Weglänge bestimmter Moleküle.
Derartige Materialien eignen sich besonders zur Bildung der thermisch isolierenden Platte, da sie von Natur aus von mit Gas gefüllten Waben gebildet sind und folglich von einer sehr niedrigen spezifischen Wärmeleitfähigkeit profitieren.
Die Erfindung betrifft auch ein Formwerkzeug für die Herstellung eines Werkstücks aus Kunststoff, das eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung der Temperatur umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs für die Herstellung eines Werkstücks aus Kunststoff durch Regelung der Temperatur einer Wärmeaustauschoberfläche durch Aussenden eines Strahlenbündels, das zu einer Wärmeaustauschoberfläche hin geleitet wird, die aus einem thermisch leitenden Material realisiert ist und eingerichtet ist, um mit einer lokalisierten Zone einer Wand des Formwerkzeugs in Kontakt zu sein.
Die Erfindung lässt sich besser beim Lesen der Beschreibung der beigefügten Figuren verstehen, die als Beispiele gebracht sind und keinen einschränkenden Charakter aufweisen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schnitts eines Formwerkzeugs für die Herstellung eines Werkstücks aus Kunststoff, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung der Temperatur versehen ist;
2 eine schematische Darstellung von Mitteln zum Aufheizen einer Vorrichtung zur Regelung der Temperatur aus 1.
In 1 ist ein Formwerkzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Es umfasst einen oberen Block 2a und einen unteren Block 2b, die eine obere Wand 4a bzw. eine untere Wand 4b umfassen, die zwischen einander eine Kammer 6 definieren. In dieser Kammer 6 wird das Material zur Bildung des Werkstücks 8 geformt.
Das Formwerkzeug 1 umfasst eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur 10 auf, die, in der so dargestellten Ausführungsform, eine Vielzahl von Aufheizmitteln in Form von Verstärkern 100 („booster” im angelsächsischen Sprachgebrauch) umfasst.
Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Verstärkern 100 auf beiden Seiten der Kammer 6 angeordnet, mit anderen Worten sind Verstärker 100 in dem oberen Block 2a und in dem unteren Block 2b gleichzeitig angeordnet.
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform können Verstärker 100 nur in dem oberen Block 2a oder nur in dem unteren Block 2b vorhanden sein.
In der bevorzugten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, sind die Verstärker 100 gleichmäßig entlang dem oberen Block 2a und dem unteren Block 2b der Kammer 6 gegenüber verteilt. Es versteht sich von selbst, dass deren Anordnung, ebenso wie deren Anzahl und deren Größe oder Form, je nach der gewünschten Verwendung variieren kann. So können die Verstärker 100 (in der normalen Richtung in der Figur) im Zickzack, mit einem genauen Abstand, verteilt sein, oder nicht.
Einer dieser Verstärker 100 ist in 2 genauer dargestellt.
Jeder Verstärker 100 umfasst einen Körper 102, der vorzugsweise aus metallischem Material realisiert ist und in einer Kernform 104 angeordnet ist, die in dem Formwerkzeug 1 realisiert ist.
Der Körper 102 nimmt in einem Raum 106 einen Strahlungskopf 112, zum Beispiel Infrarot oder Laser, auf. Letzterer besteht hier aus einem Laserkopf 112, der zum Aussenden eines Laserbündels 114 eingerichtet ist, und aus einer Quelle zur Versorgung 116 mit Hilfe eines Lichtwellenleiters 118.
Es sei angemerkt, dass in 1 die Versorgungsquellen der Laserköpfe nicht eingezeichnet sind und dass die Darstellung der Verstärker aus Gründen der Übersichtlichkeit vereinfacht wurde.
Darüber hinaus kann das Laserbündel 114 in einer nicht dargestellten Variante mit Hilfe von Spiegeln statt mit Hilfe eines Lichtwellenleiters übertragen und/oder geführt werden. Der Körper 102 nimmt auch eine Wärmeaustauschplatte 120 auf, die aus einem thermisch leitenden Material (mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit) wie Graphit realisiert ist und in der Kernform 104 in der Form angeordnet ist, dass sie mit einer lokalisierten Zone 130 der unteren Wand 4b der Kammer 6 des Formwerkzeugs in Kontakt ist.
Die lokalisierte Zone 130 ist selbst mit einer lokalisierten Zone des zu formenden Werkstücks 8 in Kontakt.
Vorzugsweise ist die gesamte Oberfläche der Wärmeaustauschplatte 120 mit einer lokalisierten Zone 130 der zugehörigen unteren Wand 4b in Kontakt.
Noch weiter bevorzugt weist die Wärmeaustauschplatte 120 vorteilhafterweise eine identische oder ähnliche Form auf wie die der lokalisierten Zone 130 der unteren Wand 4b des Formwerkzeugs, um an jeder beliebigen Stelle in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von dieser lokalisierten Zone positioniert zu werden.
Die Wärmeaustauschplatte 120 ist auf der Bahn des Laserbündels 114 in der Form platziert, dass das Laserbündel 114 sie durch Strahlung aufheizen kann.
Da die Wärmeaustauschplatte 120 mit der lokalisierten Zone 130 der unteren Wand 4b des Formwerkzeugs 1 in Kontakt ist, überträgt sie so die von der Strahlung stammende Wärme durch Konduktion an die lokalisierte Zone 130. Hingegen überträgt sie davon nichts oder nur sehr wenig an das übrige Formwerkzeug 1, was eine Aufheizung insgesamt und die damit verbundenen Nachteile verhindert.
Da die lokalisierte Zone 130 der unteren Wand 4b selbst mit einer lokalisierten Zone des herzustellenden Werkstücks 8 in Kontakt ist, überträgt sie ihrerseits diese Wärme durch Konduktion an die lokalisierte Zone des Werkstücks 8. Sie überträgt sie hingegen nicht an das gesamte Werkstück 8, was die Präzision der Formgebung erhöht.
Ebenso heizen die übrigen Verstärker 100 die lokalisierten Zonen der oberen Wände 4a und unteren Wände 4b, denen gegenüber sie sich befinden, und auf diese Weise die zugehörigen lokalisierten Zonen des Werkstücks 8 auf.
Vorzugsweise umfasst die Regelvorrichtung 10 ferner Mittel zum Modulieren der Leistung der Strahlung, zum Beispiel über eine Modulation (von Leistung/Stärke, Brennweite, Wellenlänge, „An/Aus”-Taktung...) des Laserbündels 114, um die Temperatur der Wärmeaustauschplatte 120 verändern zu können. Diese Mittel sind nicht im Detail dargestellt und sind zum Beispiel in die Versorgungsquelle 116 integriert.
Wie in 2 zu sehen ist, nimmt der Körper 102 in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform auch eine thermisch isolierende Platte 142 auf, die zwischen der Wärmeaustauschplatte 120 und dem Strahlungskopf 112 angeordnet ist.
Die thermisch isolierende Platte 142 gestattet, den Strahlungskopf 112 vor der Wärme zu schützen, die durch das Aussenden des Strahlenbündels 114 auf der Wärmeaustauschplatte 120 erzeugt wird. Im vorliegenden Fall soll hier der Laserkopf 112 geschützt werden.
Die thermisch isolierende Platte 142 ist zu diesem Zweck mit einer Öffnung 144 versehen, die den Durchtritt des Laserstrahls 114 gestattet.
Die thermisch isolierende Platte 142 ist vorzugsweise aus einem Material des mikroporösen Typs realisiert, das den Vorteil aufweist, von einer sehr niedrigen spezifischen Wärmeleitfähigkeit zu profitieren.
Wie in 1 zu sehen ist, umfasst das Formwerkzeug 1 in der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform thermisch isolierende Mittel 150, die um die Verstärker 100 herum angeordnet sind. Diese thermisch isolierenden Mittel sind angeordnet, um einen geschlossenen Raum um die Kammer 6 herum zu bilden, und bilden so eine isolierende Umhüllung, wie ein Sarkophag, um die Verstärker 100 herum. Diese Mittel gestatten so, die Wärme in der Kammer 6 einzugrenzen. Diese Umhüllung ist sandwichartig zwischen den zwei Blöcken 2a, 2b des Formwerkzeugs 1 in Eingriff genommen und soll so dem Druck im Inneren des Formwerkzeugs 1 standhalten.
Es sei angemerkt, dass je nach Form und Anordnung des oberen Blocks 2a und des unteren Blocks 2b andere Ausgestaltungen der thermisch isolierenden Mittel 150 vorstellbar sind.
Allgemein ist die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, und weitere Ausführungsformen gehen für den Fachmann deutlich hervor.
So kann der Strahlungskopf direkt in dem Formwerkzeug platziert sein: in diesem Fall ist die Aussendung des Strahlenbündels direkt.

Claims

Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs für die Herstellung eines Werkstücks (8) aus Kunststoff, umfassend Mittel zum Aufheizen (100) der Formoberfläche, die mindestens einen Strahlungskopf (112) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizmittel (100) eine Wärmeaustauschplatte (120) umfassen, die aus einem thermisch leitenden Material realisiert ist und eingerichtet ist, um mit einer lokalisierten Zone (130) der Wand (4a, 4b) des Formwerkzeugs (1) in Kontakt zu sein, wobei der Strahlungskopf (112) in der Lage ist, die Temperatur der Wärmeaustauschplatte (120) durch Aussenden eines Strahlenbündels (114) zu regeln, das zu der Wärmeaustauschplatte (120) hin geleitet wird.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizmittel (100) eine thermisch isolierende Platte (142) umfassen, die zwischen dem Strahlungskopf (112) und der Wärmeaustauschplatte (120) angeordnet ist, wobei die thermisch isolierende Platte (142) mit einer Öffnung (144) versehen ist, die den Durchtritt des Laserstrahls (114) gestattet.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskopf (112) eine Laserquelle ist, die einen optischen Kopf umfasst, der mit einer Versorgungsquelle (116) durch einen Lichtwellenleiter (118) verbunden ist.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Modulieren der Leistung der Strahlung in der Form umfasst, dass die Temperatur der Wärmeaustauschplatte (120) verändert werden kann.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizmittel (100) in einem metallischen Körper (102) angeordnet sind, der zum Platzieren in einer Kernform (104), die in der Wand (4a, 4b) des Formwerkzeugs (1) realisiert ist, bestimmt ist.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatte (120) eine identische oder ähnliche Form aufweist wie die der lokalisierten Zone (130) der Wand (4a, 4b) des Formwerkzeugs, um an jeder beliebigen Stelle in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von dieser lokalisierten Zone positioniert (130) zu werden.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatte (120) eine Wärmeaustauschplatte ist, die aus Graphit oder Graphen realisiert ist.
Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch isolierende Platte (142) aus einem Material des mikroporösen Typs realisiert ist.
Formwerkzeug für die Herstellung eines Werkstücks (8) aus Kunststoff, umfassend eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Formwerkzeugs für die Herstellung eines Werkstücks (8) aus Kunststoff durch Regelung der Temperatur einer Wärmeaustauschplatte (120) durch Aussenden eines Strahlenbündels (114), das zu einer Wärmeaustauschplatte (120) hin geleitet wird, die aus einem thermisch leitenden Material realisiert ist und eingerichtet ist, um mit einer lokalisierten Zone der Wand (4a, 4b) des Formwerkzeugs (1) in Kontakt zu sein.