DE19918428C1

DE19918428C1 - Verfahren zur Kühlung von Werkzeugen mit Kohlendioxid (Co¶2¶)

Info

Publication number: DE19918428C1
Application number: DE19918428A
Authority: DE
Inventors: Christian Kuerten; Peter Merhof; Norbert Trautrims
Original assignee: Individual
Current assignee: KUERTEN, CHRISTIAN, 58644 ISERLOHN, DE; Merhof Peter 22529 Hamburg De; Linde GmbH
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2019-04-24

Abstract

Mit diesem Verfahren soll es ermöglicht werden, Werkzeugbereiche mit zu hohen Temperaturen gezielt zu kühlen. Das Verfahren kann bei massiven Werkzeugmaterialien (z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer oder sonstiger Legierungen) zum Einsatz kommen, indem ein Zuführungskanal in die entsprechenden Werkzeugbereiche eingearbeitet wird. In diesen Zuführungskanal wird die Zuleitung eingesetzt, durch die das Kohlendioxid an die Stelle geleitet wird, an der eine Kühlung erfolgen soll. DOLLAR A Mit diesem Verfahren können auch existierende Werkzeuge nachgerüstet werden, bei denen örtlich auftretende Temperaturspitzen vermieden werden sollen. Speziell bei der Verarbeitung von Thermoplasten können deutlich Zykluszeiten reduziert und Formteilfehler (z. B. Glanzstellen) reduziert werden.

Description

Bei der Herstellung von thermoplastischen Kunststoffartikeln werden Werkzeuge benötigt, die den in das Werkzeug geleiteten Kunststoff ausformen (z. B in einer Kavität) und anschließend abkühlen. Der oder die Artikel können bei Erreichen einer dem Kunststoff und der Geometrie zulässigen Temperatur aus dem Werkzeug entformt werden.

Dabei nehmen die Werkzeugtemperatur und die Temperaturverteilung entscheidenen Einfluß auf die Kühlzeit und die Qualität der produzierten Artikel.

Damit der Kunststoff abkühlen und eine bestimmte Werkzeugtemperatur beibehalten werden kann, muß die durch den Kunststoff in das Werkzeug eingebrachte Wärmemenge über ein Temperiersystem aus dem Werkzeug transportiert werden.

Werkzeuge für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffartikeln werden in der Regel mit Wasser oder Öl temperiert. Hierzu ist es notwendig, entsprechende Temperierungskanäle in das Werkzeug einzubringen, um das flüssige Medium durch das Werkzeug zu leiten. Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Werkzeug zu erhalten ist es notwendig, bestimmte Abstände der Temperierkanäle untereinander und zur Kavitätsoberfläche einzuhalten, da ansonsten zu große Temperaturunterschiede im Werkzeug auftreten bzw. einzelne Bereiche im Werkzeug zu hohe Temperaturen aufweisen. Je weiter die Temperierungskanäle von dem qualitätsrelevanten Bereich entfernt sind, desto größer werden die Temperaturunterschiede zwischen Temperiermitteltemperatur und der qualitätsrelevanten Stelle im Werkzeug.

Diese örtlichen Temperaturspitzen können zu erheblichen Kühlzeit- bzw. Zykluszeitverlängerungen im Prozeß oder zu qualitativen Nachteilen (z. B. Glanzstellen) an den Kunststoffartikeln führen.

Besonders kritische Bereiche im Werkzeug sind also solche, in denen keine ausreichende Temperierung eingebracht wird (z. B. aufgrund von Platzproblemen oder fertigungstechnischen Problemen). Diese kritischen Bereiche können z. B. Kerne, Schieber, Heißkanaldüsen oder sonstige beweglichen und kleinvolumigen/dünnwandigen Werkzeugelemente sein, in denen oftmals nur mit sehr hohem technischen Aufwand eine gezielte Temperierung eingebracht werden kann.

Neben der Temperierung von Werkzeugen, bzw. Werkzeugelementen mit Wasser oder Öl sind bereits Anwendungen einer Kühlung mit Kohlendioxid (CO₂) in Kombination mit sinterporösen Metallen aus der WO 96/35563 A1, der WO 92/15439 A1 sowie der DE 33 22 312 C2 bekannt.

Durch die Druckentlastung von Kohlendioxid damit verbundenen Änderung des Aggregatzustandes (Wechsel von einer flüssigen in eine gasförmige Phase) wird dem Bereich, in dem die Druckentlastung stattfindet, Wärme entzogen.

Das Kohlendioxid wird über einen Expansionsraum durch die Poren geleitet, die Temperaturabführung erfolgt über das Porensystem bis nahe unter die Werkzeugoberfläche. Das expandierte Gas wird anschließend über Evakuierungskanäle aus dem Werkzeug geleitet.

Diese Anwendung der Temperierung erfolgt also nur bei gleichzeitiger Nutzung des Kohlendioxids mit dem mikroporösen Stahl.

Hier setzt die erfindungsgemäße Lösung an.

Da diese mikroporösen Stähle nicht in jedem Werkzeug eingesetzt werden, bzw. wurden, sollen auch Bereiche im Werkzeug mit Kohlendioxid gekühlt werden, die nicht aus mikroporösen Stahl, sondern aus "konventionellen", nicht porösen Materialien gefertigt sind. Solche Materialien können massive Werkstoffe wie z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer und sonstige Legierungen sein, die im Werkzeugbau Anwendung finden.

In diese massiven Materialien werden Expansionsräume eingearbeitet (z. B. durch eine Bohrung), in denen das noch unter hohem Druck befindliche Kohlendioxid geleitet wird. Eine Zuleitung kann über kleine Röhrchen oder flexible Schläuche erfolgen. Beim Austritt aus diesen Zuleitungen findet eine Druckentlastung statt, dadurch wird der Umgebung in diesem Bereich sehr stark Wärme entzogen. Durch weiter nachströmendes Kohlendioxid wird das bereits expandierte Kohlendioxid über den Freiraum zwischen Zuleitung und der Wandung des Expansionsraumes (bzw. dem Bereich der Zuleitung) aus dem Werkzeug transportiert. Das nun gasförmige Kohlendioxid kann an die Umgebung abgegeben (bei geringen Konzentrationen) oder über ein spezielles System aufgefangen und anschließend wieder aufbereitet werden.

Der Vorteil dieser Anwendung ist es, daß das Kohlendioxid über das Zuleitungssystem in jedes Werkzeugmaterial eingebracht und somit für eine Kühlung genutzt werden kann. Somit können auch bereits existierende Werkzeuge mit dieser Technologie nachgerüstet werden, bei denen Probleme mit zu hohen Temperaturen auftreten.

Für die Zuleitung, bzw. die Wärmetauscherfläche ("Expansionsraum") und die Abführung des Gases werden z. Zt. Aussparungen mit einem Durchmesser/Höhe von lediglich ca. 2 mm benötigt. Dadurch können nun auch erstmals Bereiche im Werkzeug gekühlt werden, in denen zuvor (aus technischen und wirtschaftlichen Gründen) keine gezielte Temperierung eingebracht werden konnte. Natürlich kann dieses Verfahren auch bei größeren Querschnitten zum Einsatz kommen.

An zwei Beispielen soll das Verfahren verdeutlicht werden:

Beispiel 1

Kerne mit einem Außendurchmesser von ca. 7 mm und größer können nach dem Stand der Technik mit flüssigen Medien gekühlt werden. Hierzu muß in die Kerne eine Zu- und Ableitung für das flüssige Medium eingebracht werden. Bei Kernen mit kleineren Abmessungen wird es allerdings sehr schwierig und oftmals sehr kostenintensiv (Fertigungsaufwand, Temperiergeräte mit hohen Druck- und Temperierleistungen). Als zusätzliches Problem tritt in der Praxis häufig ein Verstopfen (z. B. durch Ablagerungen von Kalk) des Systems auf, wodurch die Wärmeabfuhr deutlich reduziert, bzw. vollständig unterbunden wird.

Bei Einsatz der Kohlendioxid-Temperierung, bei der nur geringe Zuleitungs- und Wärmetauscherquerschnitte benötigt werden, können nun auch Kerne oder sonstige Werkzeugelemente mit einem Außendurchmesser von nur ca. 3 mm oder entsprechender Wanddicke gezielt und dauerhaft temperiert werden, da durch das ausströmende Kohlendioxid keine "Verstopfungen" auftreten.

Beispiel2

In einem bestimmten Bereich von einem Werkzeug treten örtlich hohe Temperaturen auf, die unterbunden werden sollen. Aufgrund von fertigungstechnischen Gründen können aber vorhandene Temperierleitungen nicht nahe genug an diese Problemzone herangearbeitet werden (z. B. sitzen in diesem Bereich andere Funktionselemente wie Auswerfer etc., an denen kein dichtes Temperiersystem vorbeigeführt werden kann).

Durch die geringen Abmessungen des flexiblen Zuleitungssystems kann das Kohlendioxid über entsprechende Aussparungen mit etwas größeren Abmaßen als die Zuleitung gezielt in die kritischen Bereiche geleitet werden und dort aufgrund der Druckentlastung die Wärme abführen.

Claims

1. Verfahren zur Kühlung von Werkzeugen mit Kohlendioxid (CO₂) gekennzeichnet dadurch, daß über ein Zuleitungssystem (5) unter Druck befindliches Kohlendioxid in dafür vorgesehene Werkzeugbereiche geleitet wird, um diese Bereiche durch eine gezielte Expansion des Kohlendioxids zu Kühlen, wobei die Werkzeugbereiche aus massiven Materialien bestehen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kohlendioxid in Bereiche der Werkzeuge geleitet wird, an denen aufgrund zu hoher Werkzeugtemperaturen Glanzstellen oder Glanzunterschiede an den Kunststoffartikeln auftreten.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kohlendioxid in Bereiche der Werkzeuge geleitet wird, an denen aufgrund zu hoher Werkzeugtemperaturen Einfallstellen an den Kunststoffartikeln auftreten.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kohlendioxid in Bereiche der Werkzeuge geleitet wird, an denen aufgrund zu hoher Werkzeugtemperaturen Entformungsprobleme an den Kunststoffartikeln auftreten.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kohlendioxid in Bereiche der Werkzeuge geleitet wird, an denen allgemein zu hohe Temperaturen auftreten.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kohlendioxid in Bereiche der Werkzeuge geleitet wird, an denen Temperaturen auftreten, die zu Schädigungen des Werkzeugmaterials führen können.