DE112019004238T5

DE112019004238T5 - Formwerkzeug mit hochleistungskühlsystem

Info

Publication number: DE112019004238T5
Application number: DE112019004238.6T
Authority: DE
Inventors: Stephen Fetsko; Erik Leaske
Original assignee: Grouper Casting LLC
Current assignee: Aludyne North America LLC
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US20210245238A1; WO2020041485A1; CN112601623A

Abstract

Ein Kühlsystem (12) für ein Formwerkzeug (10) oder eine Formmaschine weist ein Hochleistungskühlmittel (14), mehrere Kühlkreisläufe (36, 136) mit verschiedenen Kühlmitteln (14, 114) auf, die einen jeweiligen Kühlkreislauf entlangströmen und/oder weist einen geschlossenen Kühlkreislauf (36) auf. Das Hochleistungskühlmittel (14) kann eine metallische Komponente in verschiedenen Formen aufweisen, einschließlich einer Flüssigphasenmetallform. Neu erkannte Kühlmittelcharakteristiken, wie etwa eine volumetrische Wärmekapazität (Cv), können genutzt werden, um geeignete Kühlmittel zu identifizieren. Hochleistungskühlmittel (14) können genutzt werden, um Formvorgangszykluszeiten zu reduzieren, die Kühlrate des Formmaterials unter verschiedenen Abschnitten der Formhöhle (24) räumlich auszugleichen, und/oder dabei zu helfen, andere Teile des Werkzeugs (10) oder der Maschine zu kühlen, wie etwa einen Einguss (32) oder eine Einspritzhülse (30).

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Formwerkzeuge und, insbesondere, Kühlsysteme und Verfahren zum Verfestigen geschmolzener Formmaterialien während Formvorgängen.
Hintergrund
Als ein Herstellungsvorgang bezieht das Formen bzw. Gießen das Füllen einer Formhöhle mit einem geschmolzenen Material und das nachfolgende Verfestigen des Materialien ein, so dass es die Form der Formhöhle annimmt, bevor es von der Form entfernt wird. Die Zeit, die benötigt wird, um das geschmolzene Material in der Formhöhle zu kühlen, kann ein Flaschenhals in dem Herstellungsvorgang sein, da sie üblicherweise größer als die Zeit ist, die benötigt wird, die Form zu öffnen, zu schließen oder zu füllen. In einigen Formvorgängen, wie etwa Metallformgießen, kann das geschmolzene Material bei einer Temperatur sein, die hoch genug ist, dass wasserbasierte Kühlmittel verdampfen. Nicht wässrige Kühlmittel gibt es wenige und sie beinhalten üblicherweise das Opfern von einigen der Charakteristiken, die wasserbasierte Kühlmittel attraktiv machen.
Kurzdarstellung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Formwerkzeug ein Kühlsystem auf, in dem ein Kühlmittel entlang eines Kühlkanals strömt, der innerhalb eines Körpers des Formwerkzeugs ausgebildet ist. Das Kühlmittel weit ein Flüssigphasenmetall auf.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Formwerkzeug einen geschlossenen Kühlkreislauf auf, der eine Pumpe, den Fluidkanal und das Kühlmittel aufweist. Der Kühlkreislauf ist mit dem Körper des Formwerkzeugs integriert, so dass der Kühlkreislauf Teil des Formwerkzeugs bleibt, wenn das Formwerkzeug in einer Formmaschine installiert wird und wenn das Formwerkzeug von der Formmaschine deinstalliert ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Flüssigphasenmetall eine eutektische Legierung auf, die eine Mehrzahl von verschiedenen metallischen Elementen aufweist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Flüssigphasenmetall Gallium auf.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Formwerkzeug einen ersten und einen zweiten Werkzeugabschnitt und einen Einguss auf, der eine Formhöhle mit einer Formmaterialquelle verbindet, wenn das Formwerkzeug in einer Formmaschine installiert ist. Der erste und der zweite Werkzeugabschnitt definieren zumindest teilweise die Formhöhle, wenn das Formwerkzeug in einem geschlossenen Zustand ist. Der Fluidkanal ist einer von einer Mehrzahl von Fluidkanälen, die innerhalb des Körpers des Formwerkzeugs ausgebildet sind und ist derjenige der Kühlkanäle, der am nächsten an dem Einguss ist.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der Fluidkanal ein Teil eines Kühlkreislaufs, den das Kühlmittel durch eine Wärmeextrahierungszone und einen Wärmesenkenbereich entlangströmt. Das Kühlmittel extrahiert Wärme von einem Formmaterial in einer Formhöhle des Formwerkzeugs in der Wärmeextrahierungszone, während Wärme von dem Kühlmittel in dem Wärmesenkenbereich extrahiert wird. Der Wärmesenkenbereich ist innerhalb des Körpers des Formwerkzeugs ausgebildet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ein Formwerkzeug einen geschlossenen Kühlkreislauf auf, der eine Pumpe, einen Fluidkanal und ein Kühlmittel aufweist. Der Kühlkreislauf ist mit einem Körper des Formwerkzeugs integriert, so dass der Kühlkreislauf Teil des Formwerkzeugs bleibt, wenn das Formwerkzeug in einer Formmaschine installiert wird und wenn das Formwerkzeug von der Formmaschine deinstalliert ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Formwerkzeug einen zusätzlichen Kühlkreislauf auf, der verschieden von dem geschlossenen Kühlkreislauf ist. Der zusätzliche Kühlkreislauf enthält ein Kühlmittel, das verschieden von dem Kühlmittel des geschlossenen Kühlkreislaufs ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Kühlmittel des geschlossenen Kühlkreislaufs eine eutektische Legierung auf, die eine Mehrzahl von verschiedenen metallischen Elementen aufweist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Kühlmittel in dem geschlossenen Kühlkreislauf Gallium auf.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Formwerkzeug einen ersten und einen zweiten Werkzeugabschnitt und einen Einguss auf, der eine Formhöhle mit einer Formmaterialquelle verbindet, wenn das Formwerkzeug in der Formmaschine installiert ist. Der erste und der zweite Werkzeugabschnitt definieren zumindest teilweise die Formhöhle, wenn das Formwerkzeug in einem geschlossenen Zustand ist. Der Fluidkanal ist einer von einer Mehrzahl von Fluidkanälen des geschlossenen Kühlkreislaufs und ist derjenige von den Fluidkanälen, der am nächsten an dem Einguss ist.
In verschiedenen Ausführungsformen strömt das Kühlmittel den geschlossenen Kühlkreislauf entlang durch eine Wärmeextrahierungszone und einen Wärmesenkenbereich. Das Kühlmittel extrahiert Wärme von einem Formmaterial in einer Formhöhle in dem Formwerkzeug in der Wärmeextrahierungszone, während Wärme von dem Kühlmittel in dem Wärmesenkenbereich extrahiert wird. Der Wärmesenkenbereich ist innerhalb des Körpers des Formwerkzeugs ausgebildet.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen weist ein Formwerkzeug ein Kühlsystem auf, das einen ersten Kühlkreislauf und einen zweiten Kühlkreislauf aufweist, der verschieden von dem ersten Kühlkreislauf ist. Jeder Kühlkreislauf enthält ein unterschiedliches Kühlmittel und zumindest eines der Kühlmittel weist eine thermische Leitfähigkeit von 1,0 W/m-K oder größer auf.
In verschiedenen Ausführungsformen ist zumindest einer der Kühlkreisläufe ein geschlossener Kühlkreislauf, der eine Pumpe, einen Fluidkanal und ein Flüssigphasenmetallkühlmittel aufweist. Der geschlossene Kühlkreislauf ist mit einem Körper des Formwerkzeugs integriert und bleibt Teil des Formwerkzeugs, wenn das Formwerkzeug in einer Formmaschine installiert ist und wenn das Formwerkzeug von der Formmaschine deinstalliert ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist zumindest eines der verschiedenen Kühlmittel eine eutektische Legierung auf, die eine Mehrzahl von verschiedenen metallischen Elementen aufweist.
In verschiedenen Ausführungsformen wiest zumindest eines der verschiedenen Kühlmittel Gallium auf.
In verschiedenen Ausführungsformen weist das Formwerkzeug einen ersten und einen zweiten Werkzeugabschnitt und einen Einguss auf, der eine Formhöhle mit einer Formmaterialquelle verbindet, wenn das Formwerkzeug in einer Formmaschine installiert ist. Der erste und der zweite Werkzeugabschnitt definieren zumindest teilweise die Formhöhle, wenn das Formwerkzeug in einem geschlossenen Zustand ist. Das Kühlmittel, das von dem Kühlkreislauf enthalten ist, der am nächsten an dem Einguss ist, weist die höchste thermische Leitfähigkeit der verschiedenen Kühlmittel auf.
In verschiedenen Ausführungsformen strömt ein erstes Kühlmittel den ersten Kühlkreislauf entlang und ein zweites Kühlmittel strömt den zweiten Kühlkreislauf entlang. Das erste Kühlmittel extrahiert Wärme von einem Formmaterial in einer Formhöhle des Formwerkzeugs an einem ersten Abschnitt des ersten Kühlkreislaufs und das zweite Kühlmittel extrahiert Wärme von dem ersten Kühlmittel an einem zweiten Abschnitt des ersten Kühlkreislaufs, der innerhalb eines Körpers des Formwerkzeugs ausgebildet ist.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen ist eine Formmaschine dazu konfiguriert, ein Formwerkzeug zu installieren und zu entfernen. Die Formmaschine weist einen geschlossenen Kühlkreislauf auf, der eine Pumpe, einen Fluidkanal und ein Hochleistungskühlmittel aufweist. Der Kühlkreislauf ist mit der Formmaschine integriert, so dass der Kühlkreislauf Teil der Formmaschine bleibt, wenn das Formwerkzeug von der Formmaschine entfernt wird.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der Fluidkanal entlang einer Einspritzsystemhülse angeordnet, aus dem geschmolzenes Formmaterial in eine Höhle des Formwerkzeugs eingespritzt wird, wenn in der Formmaschine installiert.
Es ist angedacht, dass jegliche der voranstehenden Merkmale mit jeglichem anderen oder mehreren der voranstehenden Merkmale oder mit jeglichen der nachstehenden oder in den Zeichnungen dargestellten Merkmale kombiniert werden können, außer wo eine Inkompatibilität der Merkmale besteht.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Formwerkzeugs, das mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, das einen Kühlkreislauf aufweist, der ein Kühlmittel enthält, das ein Metall aufweist;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Formwerkzeugs in 1, das mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, das einen ersten und einen zweiten Kühlkreislauf aufweist, die jeweils ein unterschiedliches Kühlmittel enthalten;
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Formwerkzeugs in den 1 und 2, das mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, das einen geschlossenen Kühlkreislauf aufweist; und
4 zeigt schematische Querschnittsansicht des Formwerkzeugs in den 1-3, das mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, das einen ersten und einen zweiten Kühlkreislauf aufweist, die jeweils ein verschiedenes Kühlmittel enthalten und von denen einer geschlossen ist.

Beschreibung
Mit Bezug auf 1 kann ein Formwerkzeug 10 mit einem Hochleistungskühlsystem 12 ausgestattet sein, in dem ein Kühlmittel 14 entlang einem oder mehrerer Kühlkanäle 16 strömt, die innerhalb eines Körpers 18 des Formwerkzeugs ausgebildet sind. Das Kühlmittel 14 kann ein Hochleistungskühlmittel sein, was bedeutet, dass es ein oder mehrere Charakteristiken aufweist, die eines herkömmlichen Kühlmittels überlegen ist. Zum Beispiel kann das Kühlmittel 14 eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, volumetrische Wärmekapazität oder Siedepunkt und/oder eine relativ geringe Viskosität aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen, die nachstehend diskutiert werden, weist das Kühlmittel 14 ein Metall auf, um seine Leistung als ein Kühlmittel zu verbessern.
Das Formwerkzeug 10 der 1 ist ein Formgusswerkzeug und in einem geschlossenen Zustand dargestellt, in dem ein erster und ein zweiter Formabschnitt 20, 22 gegeneinander gepresst werden in der horizontalen Richtung, um eine Formhöhle 24 zwischen sich zu definieren. Geschmolzenes Formmaterial wird in die Höhle 24 durch ein Einspritzsystem 26 eingeführt, das einen Kolben 28 und eine Hülse 30 aufweist. Geschmolzenes Material wird zuerst zu der Hülse 30 von einer externen Quelle überführt und der Kolben 28 drängt das Material dann entlang eines Eingusses 32 in die Höhle 24 durch ein Tor 34. Das Tor 34 ist an einer Kante oder einer anderen Grenze der Höhle 24, die die Form des gegossenen Teils definiert. Der Einguss 32 ist ein hohler Abschnitt des geschlossenen Formwerkzeugs 10, der sich zwischen der Einspritzhülse 30 und dem Tor 34 erstreckt. Der Einguss 32 stellt einen Strömungspfad für das geschmolzene Material von dem Einspritzsystem zu der Formhöhle 24 bereit sowie ein Puffervolumen, um sicherzustellen, dass die Höhle gefüllt wird. Mit der Formhöhle 24 als Referenzrahmen können die Hülse 30 oder das Einspritzsystem 26 als die Quelle der geschmolzenen Materialien in diesem Beispiel aufgefasst werden.
Nachdem sich das geschmolzene Material in der Formhöhle 24 verfestigt hat, werden die Formabschnitte 20, 22 voneinander weg bewegt und das gegossene Teil kann von dem Werkzeug 10 entfernt werden. In diesem Beispiel ist der erste Formabschnitt 20 die sich bewegende oder Höhlenhälfte des Werkzeugs und der zweite Formabschnitt 22 ist die stationäre oder Kernhälfte des Werkzeugs. Die sich bewegende Hälfte 20 kann eine Ausdrückplatte und Ausdrückstifte aufweisen, um dabei zu helfen, das verfestigte Formmaterial aus dem Werkzeug 10 herauszudrücken. Das verfestigte Material von dem Einguss 32 kann dann von dem vergossenen Teil entfernt werden. Der dickste Teil des Eingusses, der an dem Ende der Hülse 30 ausgebildet ist, kann dann als ein „Puck“ in dem Formgussvorgang bezeichnet werden aufgrund seiner typischerweise runden und dicken Form. Das dargestellte Formwerkzeug 10 ist dazu konfiguriert, in Kaltkammer-Hochdruck-Formgießen genutzt zu werden, aber das offenbarte Kühlsystem 12 ist auf Heißkammer-Formgießen, Niederdruckgießen, Druckgießen und andere Metallgusstechniken anwendbar. Beispielhafte Formmaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Zink, Aluminium, Magnesium, Messing und Metalllegierungen einschließlich dieser und/oder anderer Materialien. Das Kühlsystem 12 kann auch in Formvorgängen für polymerbasierte Materialien (z.B. Spritzgießen), Keramiken oder Verbundwerkstoffe angewendet werden.
Das Formwerkzeug 10 ist zum Installieren und Entfernen von einer Formmaschine konfiguriert, die andere nicht dargestellte Komponenten wie etwa eine Hydraulikpresse, Einspritzsystemkomponenten, Platten zum entfernbaren Befestigen der Formabschnitte 20, 22 in der Maschine, ein Materialzufuhrsystem und/oder elektronische Steuerungssysteme aufweisen kann. Jeder Formabschnitt 20, 22 weist einen Formkörper 18, welches der feste Teil der Form ist, auf, und die Fluidkanäle 16 sind in dem Formkörper ausgebildet. Der Formkörper 18 ist aus einem Material wie etwa einem Werkzeugstahl, der dazu in der Lage ist, seine Form zu halten und die Temperatur des geschmolzenen Formmaterials und den damit zusammenhängenden Klemm- und Formdrücken zu widerstehen. Andere Kanäle oder hohle Bereiche können in jedem Formkörper 18 ausgebildet sein, Gasleitungen, Ausdrückstifte, Sensoren oder Verkabelung, zum Beispiel, aufzunehmen.
Das Kühlsystem 12 weist einen oder mehrere Kühlkreisläufe 36 auf. Jeder Kühlkreislauf 36 ist ein geschlossener Fluidströmungspfad, der einen oder mehrere miteinander verbundene Kühlkanäle 16 aufweist, entlang derer das Kühlmittel 14 in einer Strömungsrichtung unter der Leistung einer Fluidpumpe 38 strömt. Der Kühlkreislauf 36 der 1 weist auch einen Wärmetauscher 40 auf, der dazu konfiguriert ist, Wärme von dem Kühlmittel 14 entlang dem Kreislauf zu extrahieren und/oder die Temperatur des Kühlmittels 14 entlang des Kreislaufs zu steuern. In einigen Fällen kann ein Heizer oder Wärmetauscher vorgesehen sein, das Kühlmittel, das in dem Kreislauf enthalten ist zu erwärmen, insbesondere bei Kühlmitteln, die bei einer Temperatur über Umgebungstemperatur gehalten werden müssen, während die Formmaschine im Leerlauf ist zum Beispiel.
In den beiliegenden Figuren sind Querschnittsansichten entlang einer Ebene senkrecht zu den Strömungskanälen 16 genommen und alle Strömungskanäle desselben Kühlkreislaufs 36 sind mit demselben Schraffierungsmuster abgebildet. In 1 sind alle der schraffierten oder ausgedunkelten Fluidkanäle 16 als Teil des dargestellten Kühlkreislaufs 36 miteinander verbunden, so dass, wenn das Kühlmittel 14 entlang irgendeinem der Fluidkanäle 16 strömt, es entlang aller von diesen strömt. Es soll verstanden werden, dass zusätzliche Kühlkanäle, die die dargestellten Kühlkanäle miteinander verbinden, in dem Formkörper 18 als Teil desselben Kühlkreislaufs 36 ausgebildet sind, aber nicht in den Figuren sichtbar sind. Die Fluidkanäle 16 können in Reihe miteinander verbunden sein, so dass das Kühlmittel 14 zurück und vor durch den Formabschnitt 20 strömt, parallel, so dass das Kühlmittel 14 in dieselbe Richtung same durch jeden der individuellen Kühlkanäle strömt oder in irgendeiner Kombination von Reihe und parallel.
Fluidkanäle 16' sind in dem Körper des zweiten Formabschnitts 22 ebenfalls ausgebildet. Während diese Fluidkanäle 16' als Teil desselben Kühlsystems 12 des Formwerkzeugs 10 angesehen werden können, sind sie Teil eines separaten und getrennten Kühlkreislaufs, wie in den Figuren durch die nicht schraffierten oder ausgelassenen Querschnittsmuster angegeben. Die nachstehende Diskussion ist auf den Abschnitt des Kühlsystems 12 bezogen, der mit dem ersten Formabschnitt 20 verknüpft ist, der in den Figuren abgebildet ist, ist aber genauso anwendbar auf den zweiten Formabschnitt 22 oder andere zusätzliche Formabschnitte.
Die dargestellte Höhle 24 ist dazu konfiguriert, ein im Wesentlichen tellerförmiges Teil zu formen, und die Fluidkanäle 16 sind in einem Muster angeordnet, dass der Form folgt - d.h. jeder Fluidkanal 16 ist ungefähr dieselbe Entfernung von der Höhle beabstandet und von benachbarten Fluidkanälen. Die primäre Funktion des Kühlsystems 12 ist, Wärme von dem in die Höhle 24 eingespritzten Material zu extrahieren, um das geschmolzene Material zu verfestigen und dann das verfestigte Material weiter zu kühlen bis es von dem Werkzeug 10 entfernt werden kann. Obwohl es einige Ausnahmen gibt, ist schnelleres Kühlen im Allgemeinen gegenüber langsamerem Kühlen bevorzugt, insbesondere bei Herstellungsvorgängen, wo die Zykluszeit die Teilekosten beeinflusst. Soweit andere Probleme nicht erzeugt werden, können die Fluidkanäle 16 daher so nah wie möglich an der Höhle 24 und beieinander ausgebildet werden. Andere Maßnahmen, die angewendet werden können, um die Rate des Kühlens des geformten Materials zu erhöhen, sind ein Absenken der Temperatur des Kühlmittels und/oder ein Erhöhen der Flussrate des Kühlmittels durch den Kühlkreislauf. Aber es gibt Beschränkungen für jede dieser Maßnahmen.
Eine weitere Kühlungsratenbeschränkung sind die intrinsischen Eigenschaften des Kühlmittels 14. Wasser war lange ein Kühlmittel der Wahl in der großen Mehrheit der Kühlungsanwendungen, einschließlich Formgießen und andere Formvorgänge, hauptsächlich aufgrund seiner einzigartigen Kombination von sehr geringen Kosten und sehr hoher spezifischer Wärmekapazität. Die spezifische Wärmekapazität von Wasser ist unter den höchsten der bekannten Substanzen, was bedeutet, dass es relativ große Mengen von thermischer Energie absorbieren kann, während seine eigene Temperatur sich relativ wenig erhöht. Zusätzlich ist Wasser in einem nützlichen Temperaturbereich flüssig, nicht giftig und relativ einfach zu pumpen. Aber Wasser hat seine eigenen praktischen Beschränkungen. Zum Beispiel fängt Wasser bei 100°C an zu kochen, wobei an diesem Punkt eine Kühlkapazität verringert ist und Druckgrenzen des Kühlkreislaufs überschritten werden können. Dies ist insbesondere problematisch mit Hochtemperaturgussmaterialien, von denen größere Mengen an thermischer Energie in dem Gießvorgang extrahiert werden müssen. Auch muss in vielen Gießvorgängen die Formoberfläche über 100°C erhalten werden, um zu vermeiden, dass sich das geschmolzene Material zu schnell verfestigt bevor die Höhle gefüllt ist.
Verschiedene Öle wurden als das Kühlmittel in Formgießvorgängen genutzt, um die mit Wasser verbundenen Probleme zu vermeiden, wie etwa hohe Prozesstemperaturen. Aber Öle weisen nur ungefähr die Hälfte der spezifischen Wärmekapazität von Wasser auf und haben eine Viskosität irgendwo von 50 bis 1000 Mal höher als Wasser, was es schwierig macht, sie zu pumpen und viel größere Pumpen erfordert, die mehr Energie benutzen, um das Fluid durch einen Kühlkreislauf zu bewegen. Zwei zusätzliche und häufig übersehene Eigenschaften, die volumetrische Wärmekapazität (C_v) und die thermische Leitfähigkeit (k) sind auch für Öl niedriger als Wasser. Das C_v von Öl ist ungefähr 40% das von Wasser und die thermische Leitfähigkeit von Öl ist nur ungefähr ein Viertel der von Wasser.
Die volumetrische Wärmekapazität und die thermische Leitfähigkeit wurden nun als Fluidcharakteristiken identifiziert, die nützliche dabei sind, geeignete Kühlmittel zur Nutzung in dem Formwerkzeug 10 zu identifizieren, insbesondere in Anwendungen in den Werkzeugoberflächen entlang der Formhöhle 24 auf Temperaturen oberhalb von 100°C gehalten werden müssen. Die häufiger genutzte spezifische Wärmekapazität eines Materials ist die Menge von Energie die pro Masseneinheit benötigt wird, um die Temperatur des Materials um ein Grad zu ändern und wird in den SI-Einheiten von J/kg-K ausgedrückt. Die volumetrische Wärmekapazität ist die Menge von Energie, die pro Volumeneinheit benötigt wird, um die Temperatur des Materials um dieselbe Menge zu ändern und wird in den SI-Einheiten von J/m³-K ausgedrückt. Die volumetrische Wärmekapazität nimmt die Dichte des Materials in Berücksichtigung - d.h. falls zwei Materialien dieselbe spezifische Wärmekapazität aufweisen, weist das Material mit höherer Dichte die höhere volumetrische Wärmekapazität auf. Für ein gegebenes Formwerkzeug mit Fluidkanälen, die in dem Formkörper ausgebildet sind, ist C_v eine geeignetere Materialeigenschaft zum Berücksichtigen, da es die Größe des Fluidkanals ist, die eine feste Größe ist - nicht die Masse des Kühlmittels, die in dem Fluidkanal vorhanden ist. In dem Fall von Öl als eine Alternative zu Wasser, ist nicht nur eine spezifische Wärmekapazität von Öl um ungefähr 50% geringer als die von Wasser, die Dichte von Öl ist auch geringer, was weiter die relative Kühlkapazität des Öls begrenzt, wenn es durch ähnlich dimensionierte Fluidkanäle strömt.
Die thermische Leitfähigkeit (k) ist in SI-Einheiten von W/m-K ausgedrückt und gibt die Rate von thermischem Energietransfer durch ein Material bei einem gegebenen Temperaturdifferential über das Material an. Diese Materialeigenschaft sammelt herkömmlicherweise nicht viel Aufmerksamkeit von Fachleuten in fluiderzwungenen Kühlungsanwendungen, weil solche Anwendungen im Allgemeinen als Konvektionskühlen (d.h. erzwungene Konvektion) kategorisiert sind. Unter bekannten Flüssigkeiten, weist Wasser eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit auf - ungefähr das Vierfache der von Öl beispielsweise. Jedoch ist die thermische Leitfähigkeit von Wasser ungefähr 1% der von manchen Stahlarten, von denen der Formkörper 18 des Formwerkzeugs 10 hergestellt werden kann. Als solche können herkömmliche Kühlmittel als eine Art von thermischem Flaschenhals betrachtet werden, der die Rate des Kühlens von dem Formwerkzeug 10 und des zu gießenden Teils beschränkt. Mit anderen Worten, während Wasser oder andere Flüssigkeiten eine sehr große Kapazität zum Absorbieren von Wärme aufweisen, bedeutet diese Kapazität sehr wenig, falls die Energie in die Flüssigkeit nur mit einer niedrigen Rate geleitet werden kann.
Das Hochleistungskühlmittel, das hier offenbart wird, adressiert diesen thermischen Flaschenhals, der durch herkömmliche Kühlmittel bewirkt wird. Wie hier genutzt wird ist ein Hochleistungskühlmittel jegliches Fluid, das eine thermische Leitfähigkeit (k) größer als die von Wasser aufweist und dazu in der Lage ist, entlang der Fluidkanäle des Formwerkzeugs gepumpt zu werden. In einigen Fällen ist die thermische Leitfähigkeit des Hochleistungskühlmittels mindestens zwei die von Wasser oder mindestens eine Größenordnung höher als die von Wasser. Relativ zu einem Öl kann das Hochleistungskühlmittel auch eine niedrigere Viskosität und/oder eine höhere volumetrische Wärmekapazität (C_v) aufweisen. In einigen Fällen ist die Viskosität des Hochleistungskühlmittels mindestens eine Größenordnung niedriger als die von Öl. Das Hochleistungskühlmittel kann auch einen Siedepunkt größer als sowohl Wasser als auch das Öl aufweisen. In einigen Fällen ist der Siedepunkt des Hochleistungskühlmittels größer als 1000°C. Während das Hochleistungskühlmittel eine spezifische Wärmekapazität viel niedriger als die von Wasser (z.B. weniger als 10%) aufweisen kann, kann es auch eine Dichte viel höher als Wasser (z.B. zwei- bis zehnmal so hoch) aufweisen, um einen vorteilhafte volumetrische Wärmekapazität relativ zu anderen nicht wässrigen Kühlmitteln bereitzustellen. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel weist das Hochleistungskühlmittel auf: eine thermische Leitfähigkeit größer als Wasser, eine Viskosität niedriger als ein herkömmliches Ölkühlungsmittel, eine volumetrische Wärmekapazität (C_v) höher als ein herkömmliches Ölkühlungsmittel und einen Siedepunkt, der größer als der von Wasser und einem herkömmlichen Ölkühlungsmittel ist. Wie er hier genutzt wird ist das herkömmliche Ölkühlungsmittel gleich zu einem ISO Grade 32 Mineralöl, das zur Nutzung in Wärmeübertragungsanwendungen entworfen ist.
Verschiedene Ausführungsformen des Kühlmittels 14 weisen eine metallische Komponente auf, die vorteilhaft sowohl in seine thermische Leitfähigkeit als auch seine volumetrische Wärmekapazität beeinflusst. In einer Ausführungsform weist das Kühlmittel ein Flüssigphasenmetall auf oder ist ein Flüssigphasenmetall. Metallische Elemente, die flüssig bei oder nahe normaler Raumtemperaturen sind, weisen Quecksilber (Hg), Gallium (Ga) und Cäsium (Cs) auf. Von diesen kann Gallium bevorzugt sein aufgrund seiner relativ niedrigen Toxizität und/oder niedrigen Reaktivität. Während die spezifische Wärmekapazität von Gallium niedriger als 10% der von Wasser ist, ist die volumetrische Wärmekapazität mehr als 50% von Wasser und höher als die von Öl. Zusätzlich ist die thermische Leitfähigkeit von flüssigem Gallium ungefähr 40-Mal der von Wasser. Als solches mit Flüssigmetallgallium als dem Kühlmittel, sogar obwohl die Kapazität des Kühlmittels, um Wärme zu absorbieren, geringer als die von Wasser ist, ist die Rate der thermischen Leitung in das Kühlmittel 14 von den Wänden der Fluidkanäle 16 um einen viel größeren Faktor höher.
Andere metallische Elemente können zur Nutzung in der flüssigen Phase als ein Kühlmittel in Metallformgussvorgängen geeignet sein. Zum Beispiel sind verschiedene metallische Elemente flüssig bei Temperaturen unter 300°C und daher innerhalb in einem nutzbaren Formtemperaturbereich in Aluminium- oder Magnesiumlegierungsformgussvorgängen. Unter diesen Elementen sind Indium (In) und Zinn (Sn) von beider eine thermische Leitfähigkeit in der flüssigen Phase aufweisen, die sogar höher als die von Gallium ist. Während jenseits dieser Elemente allein mit einem Heizer und einer Temperatursteuerung in einem Kühlkreislauf genutzt werden kann, um das Metall in der flüssigen Phase zu halten, können sie alternativ mit Gallium legiert werden. In bestimmten Verhältnissen formen Ga-In und Ga-In-Sn eutektische Legierungen, die homogene Mischungen sind, die einen Schmelzpunkt unter dem von allen ihrer individuellen Bestandteilelemente aufweisen. Gallium und Indium haben einen eutektischen Punkt bei ungefähr 85% Ga und 15% In, bei welcher Zusammensetzung die Legierung bei ungefähr 15°C schmilzt. Andere Verhältnisse von Ga und In bleiben eutektisch mit bis zu ungefähr 15% Zinn, wo der Schmelzpunkt sogar noch niedriger ist, bei ungefähr 11°C. Ga-In-Sn-Legierungen wurden hergestellt mit anderen Bestandteilen, die den Schmelzpunkt weiter unter 0°C absenken. Die thermische Leitfähigkeit von solchen Legierungen können geringer als die der Bestandteilelemente sein, aber kann immer noch bei ungefähr 25-30-fachem von der von Wasser sein.
Andere Metalllegierungen, die zur Nutzung als Hochleistungskühlmittel geeignet sein können, weisen Legierungen mit zwei oder mehr von Gallium (Ga), Indium (In), Zinn (Sn), Bismuth (Bi), Blei (Pb) und Cadmium (Cd) auf. Beispiele weisen Legierungen auf, in denen Bismuth der Hauptbestandteil ist, wie etwa eine Legierung mit 40-50% Bi, 15-40% Pb, und 10-15% Sn. Bi-basierte Legierungen können optional bis zu 10% Cd und/oder bis zu 20% In aufweisen. Verschiedene Kombinationen dieser metallischen Elemente könne eutektische Legierungen ausbilden und/oder einen Schmelzpunkt von weniger als 100°C aufweisen.
Flüssigphasenmetalle weisen auch eine relativ niedrige Viskosität auf, was sie geeignet zum Pumpen mit herkömmlichen Pumpen und durch Fluidkanäle geeignet macht, die für Wasserströmung dimensioniert sind. Die Viskosität von Gallium und der voranstehend beschriebenen Ga-Legierungen zum Beispiel ist nur ungefähr das zweifache der von Wasser, während die Größenordnungen niedriger als die der meisten Öle ist. Des Weiteren, aufgrund zu ihrer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit, können Flüssigphasenmetalle gepumpt werden unter Nutzung von elektromagnetischen Pumpen, die effizienter als Pumpen sein können, die sich auf das mechanische Versetzen der Flüssigkeit verlassen.
Das Kühlmittel 14 kann etwas anderes als ein Flüssigphasenmetall sein. Zum Beispiel kann das Kühlmittel 14 ein Material von hoher thermischer Leitfähigkeit aufweisen, das in Mikro- oder Nanopartikelform in einer Flüssigkeit wie etwa Wasser oder Öl suspendiert ist, um die thermische Leitfähigkeit der Flüssigkeit zu erhalten, während gewünschte Eigenschaften der Flüssigkeit wie etwa Wärmekapazität erhalten bleiben. Solche Additive können dazu in der Lage sein, das Kühlmittel mit einer thermischen Leitfähigkeit von 1,0 W/m-K oder größer bereitzustellen, sogar falls die flüssige Komponente eine thermische Leitfähigkeit unter 1,0 W/m-K aufweist. Vorzugsweise ist die thermische Leitfähigkeit des flüssigen Kühlmittels größer als 5,0 W/m-K oder größer als 10 W/m-K.
Mit Bezug auf 2 können Ausführungsformen des Kühlsystems 12 einen ersten Kühlkreislauf 36 und einen separaten und verschiedenen zweiten Kühlkreislauf 136 aufweisen, wobei jeder Kühlkreislauf ein unterschiedliches Kühlungsmittel 14, 114 enthält. Jeder Kühlkreislauf weist eine zugewiesene Pumpe 38, 138 und Wärmetauscher 40, 140 auf. Zumindest eines der Kühlmittel 14, 114 ist ein Hochleistungskühlmittel wie voranstehend beschrieben. Zum Beispiel kann das erste Kühlmittel 14 ein Flüssigphasenmetall aufweisen und/oder eine Leitfähigkeit von 1,0 W/m-K oder höher aufweisen. Das zweite Kühlmittel 114 kann auch ein Hochleistungskühlmittel sein, das eine verschiedene Zusammensetzung aufweist oder es kann Wasser, Öl oder irgendein anderes Kühlmittel sein. Diese Konfiguration stellt bestimmte zusätzliche Vorteile bereit, wie etwa die Möglichkeit spezifische Abschnitte des Werkzeugs für verbesserte Kühlung ins Ziel zu nehmen. In einigen Fällen kann die Leistung des Kühlmittels zu hoch sein, um nützlich in allen Bereichen des Werkzeugs zu sein und kann das Risiko des Verfestigens des geschmolzenen Materials, das in die Form eingespritzt ist aufstellen, bevor die Form vollständig gefüllt ist und/oder bevor die Mikrostruktur des geschmolzenen Materials Zeit gehabt hat, die gewünschte Form anzunehmen (z.B. Kristallinität, Festlösungsphasen, usw.).
In dem dargestellten Beispiel weist der erste Kühlkreislauf 36 die Fluidkanäle 16 auf, die am nächsten an dem Einguss 32 sind und insbesondere am nächsten zu dem dicksten Abschnitt des Eingusses sind, der den voranstehend beschriebenen „Puck“ ausbildet. Der erste Kühlkreislauf 36 weist auch die Fluidkanäle 16 auf, die am nächsten zu einem dicksten Abschnitt (T) der Höhle 24 sind. Der Rest der Fluidkanäle 116 in dem ersten Formabschnitt 20 des Werkzeugs 10 sind Teil des zweiten Kühlkreislaufs 136, der eine konventionellere, weniger aggressive Kühlmittel enthält, die dazu in der Lage ist, die Abschnitte der Höhle 24, die die nominelle Wandstärke des geformten bzw. gegossenen Teils definieren, genügend zu kühlen. Ein Beispiel des dicksten Abschnitts (T) der Höhle 24 ist der Ort eines Ölablassstopfens in einem Fahrzeugdifferentialgehäuse, der dicker als letztendlich notwendig ausgebildet werden muss, so dass der Guss später gebohrt mit einem Gewinde versehen werden kann, um den Ablassstopfen aufzunehmen.
Sogar obwohl die meisten der Fluidkanäle 116 in diesem Beispiel ein herkömmliches Kühlmittel 114 enthalten können, kann die Zykluszeit über ausgewähltes Nutzen des Hochleistungskühlmittels 14 reduziert werden, weil der dickste Abschnitt (T) der Höhle 24 und/oder des Eingusses 32 andernfalls der begrenzende Faktor für die Zykluszeit wäre. Die Nutzung von zwei getrennten Kühlkreisläufen 36, 136 ermöglicht, dass die Kühlzeit unter verschiedenen Abschnitten der Höhle 24 in einer Form ausgeglichen wird und in derselben Zeitdauer gekühlt wird. Diese Konfiguration hält auch die Menge des Hochleistungskühlmittels in dem Kühlkreislauf 36 bei einem Minimum, was dabei hilft, die relativ hohen Kosten des Kühlmittels verglichen zu herkömmlichen Kühlmitteln wie Wasser abzuschwächen. In einem weiteren Beispiel wird eine Ausführungsform des Hochleistungskühlmittels 14 durch Kühlkanäle geführt, die proximal oder am nächsten zu der Hülse 30 und/oder dem Gießkolben 28 des Einspritzsystems angeordnet sind. Diese Kühlkanäle könnten Teil des ersten Kühlkreislaufs 36 oder Teil eines separaten zusätzlichen Kühlkreislaufs sein.
In dem Beispiel der 3 ist der Kühlkreislauf 36 ein geschlossener Kühlkreislauf. Dies bedeutet, dass die Pumpe 38, die Fluidkanäle 16 und das Kühlmittel 14 mit dem Körper 18 von einer der Formabschnitte 20 integriert sind, so dass der Kühlkreislauf 36 Teil des Formwerkzeugs 10 bleibt, wenn das Formwerkzeug in einer Formmaschine installiert ist und wenn das Formwerkzeug von der Formmaschine deinstalliert ist. Der Kühlkreislauf 36 bleibt daher ein geschlossenes System für das Kühlmittel 14 ohne wiederholtes Verbinden oder Trennen von Kühlmittelleitungen, wie es in herkömmlichen Systemen gibt, wenn eine bekannte Formmaschine genutzt wird für mehrere verschiedene Formwerkzeuge. Solch eine Konfiguration kann mit dem voranstehend beschriebenen Hochleistungskühlmittel vorteilhaft sein, das teurer als herkömmliche Kühlmittel sein kann und/oder spezielle Handhabungs- oder Reinigungsprozeduren erfordert, wenn es außerhalb des Werkzeugs ist. Das Hochleistungskühlmittel ist nicht jedoch auf einen geschlossenen Kühlkreislauf beschränkt.
In diesem Beispiel wird das Kühlmittel 14 durch einen Wärmesenkenbereich 42 des Formabschnitts 20 geführt, der von der Formhöhle 24 beabstandet ist und nahe einer Befestigungsseite 44 des Formabschnitts ist. Die einzige andere Funktion des massiven Teils des Formwerkzeugs 10 ist eine flache Befestigungsseite 44 zum Befestigen des Formwerkzeugs in der Formmaschine bereitzustellen, wie etwa zu einer Platte der Formmaschine. Die dargestellte Konfiguration diese andernfalls verschwendete und große Menge von thermischer Masse zum Vorteil, indem es sie nutzt, um Wärme von dem Hochleistungskühlmittel 14 zu extrahieren, nachdem es durch die Fluidkanäle 16, die nahe der Formhöhle 24 in eine Wärmeextrahierungszone 46 angeordnet sind, strömt, die zwischen dem Wärmesenkenbereich 42 und der Oberfläche des Formabschnitts 20 definiert ist, die dem anderen Formabschnitt 22 zugewandt ist. Dies ermöglicht mehr der gesamten Masse des Formkörpers 20 Wärme von der Formhöhle 24 zu absorbieren und zu dissipieren, anstatt nur dem Abschnitt des Werkzeugs in der Wärmeextrahierungszone 46. Optional kann ein zweites Kühlmittel durch den Wärmesenkenbereich 42 geführt werden, um das Formkörpermaterial in dem Bereich zu kühlen, so dass es als ein Wärmetauscher agiert oder ein herkömmlicher Wärmetauscher kann als Teil des geschlossenen Kühlkreislaufs 36 genutzt werden.
Die Ausführungsform von 4 kombiniert gewisse Vorteile der 2 und 3 mit einem ersten Kühlkreislauf 36, der geschlossenen ist und einem verschiedenen zweiten Kühlkreislauf 136. In diesem Fall sind eine erste Pumpe 38 und ein Wärmetauscher 40 mit dem ersten Formabschnitt 20 integriert, der mit dem Formwerkzeug 10 bleibt, wenn er installiert wird und wenn er von der Formmaschine deinstalliert ist, wobei der geschlossene Kreislauf des Hochleistungskühlmittels 14 geschlossen verbleibt. Die Fluidkanäle 16 die am nächsten an dem Einguss 32 und an dem dicksten Abschnitt (T) der Höhle 24 sind, sind Teil des geschlossenen Kühlkreislaufs 36. Diese verbleibenden Kühlkanäle 116 in dem ersten Formabschnitt 20 sind Teil des zweiten Kühlkreislaufs 136, entlang dem ein verschiedenes zweites Kühlmittel 114 unter dem Einfluss der zweiten Pumpe 138 und durch den externen Wärmetauscher 140 strömt. Es soll verstanden werden, dass während die externe Pumpe 138 und der Wärmetauscher 140 schematisch dargestellt sind als dem Formwerkzeug 10 zugewiesen, sie auch durch ein zentrales Kühlsystem und/oder Wasserturm oder andere Kühlquelle bereitgestellt sein können, die mit anderen Formmaschinen und Formwerkzeugen geteilt wird.
Ein zusätzliches Merkmal der Konfiguration der 4 ist dass, das zweite Kühlmittel 114 dazu genutzt wird als ein Wärmeaustauschmedium in dem ersten Wärmetauscher 40. Beginnend bei der zweiten Pumpe 138 strömt das zweite Kühlmittel 114 durch den zweiten Wärmetauscher 140, wo thermische Energie von dem Kühlmittel entfernt wird. Das Kühlmittel 114 strömt dann entlang der Mehrzahl von Kühlkanälen 116 in der Wärmeextrahierungszone 46 des Formabschnitts 20, der benachbart zu der Formhöhle 24 angeordnet ist. Nach dem Extrahieren von Wärme von der Formhöhle 24 strömt das zweite Kühlmittel 114 durch den ersten Wärmetauscher 40, wo es zusätzliche Wärme von dem ersten Kühlmittel 14 extrahieren kann, das bei einer höheren Temperatur als das zweite Kühlmittel sein kann, nachdem jedes Kühlmittel entlang der Wärmeextrahierungszone 46 geströmt ist. Alternativ, oder zusätzlich, kann das erste Kühlmittel 14 durch den Wärmesenkenbereich 42 des ersten Formabschnitts 20 wie in 3 geführt werden, oder der erste Kühlkreislauf 36 kann einen weiteren Wärmetauscher mit einem kühleren Wärmeaustauschmedium aufweisen, das dadurch strömt. Der Gesamteffekt von jeder Konfiguration ist, Wärme schneller weg von der Formhöhle 24 zu ziehen und sie zu einem kühleren Teil des Formwerkzeugs 10 zu überführen, um mehr Zeit bereitzustellen, das Formwerkzeug 10 von überschüssiger Wärme zu lösen, während Zykluszeiten niedrig gehalten werden.
Wie voranstehend angemerkt ist die Hülse 30 des Einspritzsystems ein weiterer Bereich entlang dem ein zugewiesener Hochleistungskühlkreislauf nützlich ist. Dieser Abschnitt des Werkzeugs 10 enthält das geschmolzene Formmaterial während es bei seiner höchsten Temperatur ist und ein beschleunigtes Kühlen der Hülse 30, insbesondere an dem Ende am nächsten an dem Einguss 32 ist nützlich dabei bei dem Verfestigen des Pucks zu helfen, was der letzte Abschnitt des eingespritzten Materials sei kann, der aushärtet. Die Hülse 30 kann angeordnet sein oder konfiguriert sein anders als in den Figuren und einige oder alle der Hülsen können außerhalb des Formkörpers angeordnet sein. In einer Ausführungsform ist ein Kühlkreislauf, der Kühlkanäle aufweist, entlang deren das Hochleistungskühlmittel strömt, ein geschlossener Teil der Formmaschine in dem das Formwerkzeug zur Nutzung installiert ist, so dass die Pumpe, Fluidkanäle und Kühlmittel mit der Formmaschine integriert sind und mit der Formmaschine verbleiben, wenn das Formwerkzeug von der Formmaschine deinstalliert ist.
Es ist zu verstehen, dass die voranstehende Beschreibung nicht eine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung von einer oder mehrerer beispielhafter Darstellungen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die besonderen Beispiel(e) beschränkt, die hier offenbart sind, sondern ist lediglich durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Des Weiteren beziehen sich die in der voranstehenden Beschreibung enthaltenen Feststellungen auf besondere beispielhafte Darstellungen und sind nicht dazu als Beschränkungen des Geltungsbereichs der Erfindung oder der Definition von Begriffen auszulegen, die in den Ansprüchen verwendet werden, außer wenn ein Begriff oder eine Phrase voranstehend ausdrücklich definiert wird. Verschiedene andere Beispiele und verschiedene Änderungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsform(en) werden dem Fachmann offensichtlich. Alle solche anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sind dazu vorgesehen, in den Geltungsbereich der anliegenden Ansprüche zu fallen.
Wie in dieser Beschreibung in den Ansprüchen verwendet sind die Begriffe „zum Beispiel,“ „z.B.,“ „bspw.“, „wie etwa,“ und „ähnlich,“ und die Verben „mit,“ „aufweisend,“ „umfassen,“ und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindungmit einer Aufzählung von ein oder mehreren Komponenten oder anderen Dingen genutzt werden jeweils als offen auszulegen, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht als andere, zusätzliche Komponenten oder Dinge ausschließend anzusehen ist. Andere Begriffe sind unter Nutzung ihrer breitesten vernünftigen Bedeutung auszulegen, solange sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Formwerkzeug (10) mit einem Kühlsystem (12), in dem ein Kühlmittel (14) einen Fluidkanal (16) entlang strömt, der innerhalb eines Körpers (18) des Formwerkzeugs (10) ausgebildet ist, wobei das Kühlmittel (14) ein Flüssigphasenmetall aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Flüssigphasenmetall eine eutektische Legierung aufweist, die eine Mehrzahl von verschiedenen metallischen Elementen aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Flüssigphasenmetall Gallium aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, des Weiteren mit: einem ersten und einem zweiten Werkzeugabschnitt (20, 22), die zumindest teilweise Formhöhle (24) definieren, wenn das Formwerkzeug (10) in einem geschlossenen Zustand ist; und einem Einguss (32), der die Formhöhle (24) mit einer Formmaterialquelle verbindet, wenn das Formwerkzeug (10) in einer Formmaschine installiert ist, wobei der Fluidkanal (16) einer von einer Mehrzahl von Fluidkanälen ist, die in dem Körper (18) des Formwerkzeugs (10) ausgebildet sind, und derjenige Fluidkanal ist, der am nächsten zu dem Einguss (32) ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Fluidkanal (16) ein Teil eines Kühlkreislaufs (36) ist, den das Kühlmittel (14) entlang durch eine Wärmeextrahierungszone (46) und einen Wärmesenkenbereich (42) strömt, wobei das Kühlmittel (14) Wärme von einem Formmaterial in einer Formhöhle (24) des Formwerkzeugs (10) in der Wärmeextrahierungszone (46) extrahiert, während Wärme von dem Kühlmittel (14) in den Wärmesenkenbereich (42) extrahiert wird, wobei der Wärmesenkenbereich (42) innerhalb des Körpers (18) des Formwerkzeugs (10) ausgebildet ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 1, des Weiteren mit einem geschlossenen Kühlkreislauf (36), der eine Pumpe (38), den Fluidkanal (16) und das Kühlmittel (14) aufweist, wobei der Kühlkreislauf (36) mit dem Körper (18) des Formwerkzeugs (10) integriert ist, so dass der Kühlkreislauf (36) ein Teil des Formwerkzeugs (10) bleibt, wenn das Formwerkzeug (10) in einer Formmaschine installiert ist und wenn das Formwerkzeug (10) von der Formmaschine deinstalliert ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 6, des Weiteren mit einem zusätzlichen Kühlkreislauf (136), der verschieden von dem geschlossenen Kühlkreislauf (36) ist, wobei der zusätzliche Kühlkreislauf (136) ein Kühlmittel (114) enthält, das verschieden von dem Kühlmittel (14) des geschlossenen Kühlkreislaufs (36) ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 6, des Weiteren mit: einem ersten und einem zweiten Werkzeugabschnitt (20, 22), die zumindest teilweise eine Formhöhle (24) definieren, wenn das Formwerkzeug (10) in einem geschlossenen Zustand ist; und einem Einguss (32), der die Formhöhle (24) mit einer Formmaterialquelle verbindet, wenn das Formwerkzeug (10) in der Formmaschine installiert ist, wobei der Fluidkanal (16) einer von einer Mehrzahl von Fluidkanälen des geschlossenen Kühlkreislaufs (36) ist und derjenige der Fluidkanäle ist, am nächsten an dem Einguss (32) ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 6, wobei das Kühlmittel (14) den geschlossenen Kühlkreislauf (36) entlang durch eine Wärmeextrahierungszone (46) und einen Wärmesenkenbereich (42) strömt, wobei das Kühlmittel (14) Wärme von einem Formmaterial in einer Formhöhle (24) des Formwerkzeugs (10) in der Wärmeextrahierungszone (46) extrahiert, während Wärme von dem Kühlmittel (14) in dem Wärmesenkenbereich (42) extrahiert wird, wobei der Wärmesenkenbereich (42) innerhalb des Körpers (18) des Formwerkzeugs (10) ausgebildet ist.
Formwerkzeug (10) mit einem Kühlsystem (12) mit einem ersten Kühlkreislauf (36) und einem zweiten Kühlkreislauf (136), der von dem ersten Kühlkreislauf (36) verschieden ist, wobei jeder Kühlkreislauf (36, 136) ein anderes Kühlmittel (14, 114) enthält und zumindest eines der Kühlmittel (14, 114) eine thermische Leitfähigkeit (k) von 1,0 W/m-K oder größer aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 10, wobei zumindest eines der verschiedenen Kühlmittel (14, 114) eine eutektische Legierung aufweist, die eine Mehrzahl von verschiedenen metallischen Elementen aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 10, wobei mindestens eines der verschiedenen Kühlmittel (14, 114) Gallium aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 10, des Weiteren mit: einem ersten und einem zweiten Werkzeugabschnitt (20, 22), die zumindest teilweise eine Formhöhle (24) definieren, wenn das Formwerkzeug (10) in einem geschlossenen Zustand ist; und einem Einguss (32), der die Formhöhle (24) mit einer Formmaterialquelle verbindet, wenn das Formwerkzeug (10) in einer Formmaschine installiert ist, wobei das Kühlmittel (14, 114), das von dem Kühlkreislauf (36, 136) enthalten ist, der am nächsten an dem Einguss (32) ist, die höchste thermische Leitfähigkeit (k) der verschieden Kühlmittel (14, 114) aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 10, wobei ein erstes Kühlmittel (14) den ersten Kühlkreislauf (36) entlang strömt und Wärme von einem Formmaterial in einer Formhöhle (24) des Formwerkzeugs an einem ersten Abschnitt des ersten Kühlkreislaufs extrahiert, und ein zweites Kühlmittel (114) den zweiten Kühlkreislauf (136) entlang strömt und Wärme von dem ersten Kühlmittel (14) an einem zweiten Abschnitt des ersten Kühlkreislaufs (36) extrahiert, der innerhalb eines Körpers (18) des Formwerkzeugs ausgebildet ist.
Formwerkzeug nach Anspruch 10, wobei mindestens einer der Kühlkreisläufe (36, 136) ein geschlossener Kühlkreislauf ist, der eine Pumpe (38, 138), einen Fluidkanal (16, 116) und ein Flüssigphasenmetallkühlmittel (14, 114) aufweist, wobei der geschlossene Kühlkreislauf mit einem Körper (18) des Formwerkzeugs (10) integriert ist und Teil des Formwerkzeugs (10) bleibt, wenn das Formwerkzeug (10) in einer Formmaschine installiert ist und wenn das Formwerkzeug (10) von der Formmaschine deinstalliert ist.
Formmaschine nach Anspruch 15, wobei der Kühlkanal (16) entlang einer Einspritzsystemhülse (30) und/oder einem Gießkolben (28) angeordnet ist, von der bzw. von dem geschmolzenes Formmaterial in eine Formhöhle (24) des Formwerkzeugs (10) eingespritzt wird, wenn in der Formmaschine installiert.