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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Formstift. Als Formstift wird nachfolgend
allgemein ein schlankes, in den Innenraum einer Gussform vorspringendes
Teil bezeichnet, wie es zur Formung einer filigranen Vertiefung
oder Hohlform, insbesondere eines Durchgangslochs, Sackloches oder
eines Schraubdoms in einem Formteil herangezogen wird. Bei dem Formstift
kann es sich hierbei wahlweise um einen integralen Bestandteil der
Gussform oder um ein in die Gussform einsetzbares Einzelteil, d.
h. einen sogenannten Formeinsatz, handeln.
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In
der Gusstechnik, insbesondere der Kunststoff-Spritzgusstechnik,
stellt die Wärmeabfuhr aus filigranen Vertiefungen der
oben genannten Art ein Problem dar. Bei Gussformen, die zur Formung
solcher Vertiefungen ausgebildet sind und entsprechend die diesen
Vertiefungen entsprechenden Formstifte beinhalten, können
herkömmlicherweise nur vergleichsweise geringe Taktzeiten
gefahren werden. Wird nämlich die Gussform geöffnet,
bevor das Formteil im Bereich der Vertiefung hinreichend abgekühlt
ist, kann beim Entformen des Formteils Gussmasse aus dem Bereich
der Vertiefung an der Gussform hängen bleiben oder es kann
zu einer Verformung im Bereich der Vertiefung kommen.
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Herkömmlicherweise
werden Gussformen mit Wasser gekühlt. Eine Wasserkühlung
ist aber im Bereich filigraner Ausformungen der Gussform wegen der
Gefahr einer Verstopfung nicht einsetzbar.
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Aus
DE 199 18 428 C1 ist
alternativ hierzu bekannt, zur Kühlung eines Formstifts
Kohlendioxid einzusetzen. Das Kohlendioxid wird hierzu über
kleine Röhrchen oder flexible Schläuche unter
hohem Druck in einen in den Formstift eingearbeiteten Expansionsraum
eingeleitet. Beim Austritt aus diesen Zuleitungen findet eine Druckentlastung
statt, durch die dem Formstift in diesem Bereich Wärme
entzogen wird. Das expandierte Kohlendioxid wird über einen
Freiraum zwischen der Zuleitung und der Wandung des Expansionsraumes
aus dem Werkzeug transportiert und als gasförmiges Kohlendioxid
an die Umgebung abgegeben oder über ein spezielles System
aufgefangen und anschließend wieder aufbereitet.
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Die
Verwendung von Kohlendioxid zur Kühlung eines Spritzgusswerkzeuges
ist weiterhin aus
DE
102 56 036 A1 bekannt. Die Gussform weist hierzu eine Vielzahl
von Bohrungen mit jeweils einer Kapillare und einem mit jeder Bohrung
verbundenen Sammelkanal für die Kühlgasabführung
sowie ein mit jeder Kapillare verbundenes Sammelrohr für
die Kühlgaszuführung auf. Das Kohlendioxid wird
hierbei unter einem Druck von 50 bis 80 bar durch die Kapillaren
in die jeweilige Bohrung eingeleitet, wobei das Kohlendioxid beim
Ausströmen aus einer Öffnung jeder Kapillare in
einen zwischen der Kapillare und der Innenwand der Bohrung ausgebildeten
Zwischenraum entspannt wird und hierbei wiederum das Werkzeug auf
die erforderliche Kühltemperatur abkühlt. Das
entspannte Kohlendioxid strömt durch den Zwischenraum der
Bohrung und den Sammelkanal aus der Kühleinrichtung ab.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gekühlten Formstift
anzugeben, der einfach herstellbar und stabil ist und hierbei insbesondere
eine effektive Kühlung filigraner Hohlformen bzw. Vertiefungen
eines Formteils ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst der Formstift einen
Zuführkanal zur Zuführung des flüssigen
Kältemittels, insbesondere Kohlendioxid, in einen Kopfbereich
des Formstiftes. Bevorzugt ist hierbei ein einziger Zuführkanal
vorgesehen, wenngleich abweichend davon auch eine Mehrzahl von Zuführkanälen
vorhanden sein kann. Der Zuführkanal bzw. die Zuführkanäle
ist/sind hierbei zentral im Inneren des Formstifts angeordnet und
münden in einen in dem Kopfbereich der Stiftspitze angeordneten Expansionsraum.
Der Formstift umfasst weiterhin mindestens einen Abführkanal
zur Abführung des verdampften Kältemittels aus
dem Expansionsraum. Der Abführkanal bzw. die Abführkanäle
ist/sind hierbei – im Querschnitt durch den Formstift gesehen – um
den Zuführkanal bzw. die Zuführkanäle
herum angeordnet. Erfindungsgemäß ist hierbei
der Formstift als einstückiges Bauteil ausgebildet.
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Infolge
der einstückigen Bauweise wird zum einen eine hohe Eigenstabilität
des Formstifts erreicht, was insbesondere die Realisierung sehr
langer und dünner Formstifte ermöglicht. Zum anderen ist
durch die einstückige Bauweise die relative Lage des Abführkanals
bzw. der Abführkanäle zu dem Zuführkanal
starr vorgegeben. Hierdurch kann das Kühlverhalten des
Formstiftes auch bei einer äußerst filigranen
Ausbildung desselben sehr präzise bestimmt werden. Insbesondere
wird hierdurch sicher verhindert, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen oder
Abnutzung der Formstift unbeabsichtigtermaßen ein inhomogenes
Kühlverhalten aufweist.
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In
einer ersten Ausführung der Erfindung ist ein einziger
Abführkanal vorgesehen, der den Zuführkanal ringförmig
umgibt. In einer ebenfalls bevorzugten alternativen Ausführung
sind mehrere Abführkanäle vorgesehen, die insbesondere
gleichmäßig um den mindestens einen Zuführkanal
herum angeordnet sind.
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Sind
mehrere Abführkanäle vorgesehen, so weist in einer
zweckmäßigen Ausführungsvariante der
Erfindung jeder der Abführkanäle einen ringsegmentartigen
Querschnitt auf. Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante,
die insbesondere im Hinblick auf die Stabilität des Formstifts
vorteilhaft ist, ist jeder der Abführkanäle mit
einem ovalen Querschnitt versehen.
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In
weiteren vorteilhaften Ausführungsvarianten verlaufen die
Abführkanäle entweder parallel zu dem Zuführkanal
entlang einer Längsachse des Formstifts oder gewendelt
um den Zuführkanal herum.
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Um
eine kontrollierte Verdampfung des Kältemittels im Inneren
des Formstiftes zu erreichen, sind der Abführkanal bzw.
die Abführkanäle und der Zuführkanal
bevorzugt derart dimensioniert, dass der freie Gesamtquerschnitt
des Abführkanals bzw. der Abführkanäle
den freien Gesamtquerschnitt des mindestens einen Zu führkanals
an seiner engsten Stelle mindestens um einen Faktor 1,1, bevorzugt
um einen Faktor von 1,5 bis 2 übersteigt.
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Als
vorteilhaft zur einstückigen Herstellung des Formstifts
hat sich insbesondere ein so genanntes Laser-Sinter-Verfahren herausgestellt.
Hierbei wird ein pulverförmiges metallisches Ausgangsmaterial
durch ortsselektive Bestrahlung mit Laserlicht lokal gesintert (d.
h. an der Oberfläche geschmolzen) oder vollständig
aufgeschmolzen. Die dreidimensionale geometrische Form des Formstiftes
wird hierbei durch schichtweise Auftragung des Ausgangsmaterials
und schichtweises Aufschmelzen erzeugt.
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Der
vorstehend beschriebene Formstift ist besonders vorteilhaft mit
Kohlendioxid als Kältemittel betreibbar. Zum einen birgt
die Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel im Gegensatz
zu einer Wasserkühlung keine Verstopfungsgefahr und ermöglicht somit
eine sehr filigrane Ausbildung der Zuführ- bzw. Abführkanäle
und somit auch die Realisierung äußerst schlanker
Formstifte. Zum anderen kann bei Verwendung von Kohlendioxid als
Kältemittel durch geeignete Wahl des Eingangsdruck am Eingang
des Zuführkanals sowie des Ausgangsdrucks am Ausgang des
oder jeden Abführkanals die Kühlleistung und die
Außentemperatur des Formstifts in einem weiten Bereich
präzise gesteuert werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigen:
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1 in
einem schematischen Querschnitt einen gekühlten Formstift,
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2 in
einem Querschnitt den Formstift gemäß 1 in
einer ersten Ausführungsvariante,
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3 in
Darstellung gemäß 2 den Formstift
gemäß 1 in einer zweiten Ausführungsvariante,
und
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4 in
Darstellung gemäß 1 eine alternative
Ausführungsform des Formstifts.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Der
in 1 dargestellte Formstift 1 umfasst allgemein
einen Sockel 2 und einen von diesem abragenden Stiftkörper 3.
Der Sockel 2 dient zur Befestigung des Formstiftes 1 in
einer (nicht dargestellten) Gussform.
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Der
Stiftkörper 3 umfasst eine geschlossene Außenwand 4.
Im Inneren des Stiftkörpers 3 ist ein Zuführkanal 5 gebildet,
der koaxial mit einer Längsachse 6 es Formstifts 1 verläuft.
Der Zuführkanal 5 ist zur Einleitung eines flüssigen
Kältemittels, insbesondere Kohlendioxid, mit einem in den
Sockel 2 eingebrachten Anschlussstutzen 7 verbunden.
Zu der von dem Sockel 2 abgewandten Seite hin mündet
der Zuführkanal 5 in einen Expansionsraum 8,
der in einem dem Sockel 2 entgegengesetzten Kopfbereich 9 des Stiftkörpers 3 angeordnet
ist. Von diesem Expansionsraum 8 gehen ein oder mehrere
Abführkanäle 10 ab. Der Abführkanal 10 bzw.
die Abführkanäle 10 erstrecken sich hierbei
in der Ausführung gemäß 1 parallel
zu dem Zuführkanal 5 in Richtung der Längsachse 6 und
münden in einen wiederum in dem Sockel 2 eingebrachten
Anschlussstutzen 11 In einer ersten Ausführung
des Formstifts 1 ist ein einziger Abführkanal 10 vorgesehen,
der den Zuführkanal 5 ringförmig und
konzentrisch umgibt. In einer alternativen Ausführung sind
mehrere, insbesondere vier, Abführkanäle 10 vorgesehen,
die in einer den Zuführkanal 5 ringförmig
und konzentrisch umgebenden Struktur angeordnet sind. In beiden
Ausführungen entspricht der resultierende Formstift 1 der
Längsschnittdarstellung gemäß 1.
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Im
Falle der zweiten Ausführung des Formstifts 1 weist
jeder der Abführkanäle 10 – wie
in 2 dargestellt – einen kreissegmentförmigen
Querschnitt auf. Die Abführkanäle 10 werden
hierbei nach außen hin durch die Außenwand 4 begrenzt.
Die innere Begrenzung der Abführkanäle 10 wird
durch eine im Querschnitt kreisförmige Zwischenwand 12 gebildet,
die den Abführkanälen 10 und dem Zuführkanal 5 zwischengelagert
ist. Seitlich, d. h. in Umfangsrichtung, werden die Abführ kanäle 10 durch Radialwände 13 begrenzt,
die sich speichenartig zwischen der Außenwand 4 und
der Zwischenwand 12 erstrecken. Die Zwischenwände 12 dienen
hierbei auch zur mechanischen Stabilisierung des Stiftkörpers 3,
insbesondere zur Lagefixierung der Zwischenwand 12 relativ
zu der Außenwand.
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Bei
der lediglich einen ringförmigen Abführkanal 10 aufweisenden
ersten Ausführung des Formstifts 1 sind zur mechanischen
Stabilisierung des Stiftkörpers 3 anstelle durchgehender
Radialwände 13 innerhalb des Abführkanals 10 (nicht
näher dargestellte) Radialstreben vorgesehen, die im Querschnitt im
Wesentlichen den in 2 dargestellten Radialwänden 13 entsprechen,
sich aber nicht über die gesamte axiale Länge
des Stiftkörpers 3 erstrecken.
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Anstelle
der kreissegmentförmigen Abführkanäle 10 gemäß 2 sind
gemäß einer in 3 dargestellten
Ausführungsvariante vier Abführkanäle 10 mit
jeweils ovalem Querschnitt vorgesehen, die wiederum ringförmig
um den Zuführkanal 5 herum angeordnet sind. In
dieser Ausführungsvariante sind Ecken und Kanten im Inneren
des Stiftkörpers 3 vermieden, wodurch eine vergleichsweise
hohe Stabilität des Stiftkörpers 3 gegenüber
einer Torsion oder einer Biegung erzielt wird.
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In
einer in 4 dargestellten Ausführungsvariante
des Formstifts sind wiederum vier Abführkanäle 10 vorgesehen,
die aber im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wendelförmig
um den Zuführkanal 5 herum verlaufen. Jeder der
Abführkanäle 10 kann wahlweise – analog
zur 2 – einen kreissegmentartigen Querschnitt
oder – analog zu 3 – einen
ovalen Querschnitt aufweisen.
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In
bevorzugter Dimensionierung des Formstifts 1 weist der
Stiftkörper 3 einen Außendurchmesser
in der Größenordnung von 2 mm bis 20 mm, insbesondere
etwa 3 mm, auf. Der Zuführkanal 5 hat hierbei
jeweils eine lichte Weite, die kleiner oder gleich einem Drittel
des Außendurchmessers des Stiftkörpers 3 ist.
Außenseitig des oder jeden Abführkanals 10 beträgt
die Stärke der Außenwand 4 insbesondere
mindestens 0,1 mm, bevorzugt 0,2 bis 0,3 mm.
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Der
Abführkanal 10 bzw. die Abführkanäle 10 in
Summe weisen einen freien Gesamtquerschnitt auf, der den freien
Querschnitt des Zuführkanals 5 um einen Faktor
von etwa 1,5 übersteigt.
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Der
Formstift 1 ist in den in den 1 bis 4 dargestellten
Ausführungsbeispielen jeweils einstückig in einem
selektiven Laser-Sinter-Verfahren aus einem metallischen Grundwerkstoff
hergestellt.
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Zum
Betrieb wird der Formstift 1 in eine Gussform eingesetzt,
so dass der Stiftkörper 3 in das Innere der Gussform
vorsteht. Weiterhin wird an den Anschlussstutzen 7 eine
Kältemittelzuleitung, und an den Anschlussstutzen 11 eine
Kältemittelableitung angeschlossen.
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Als
Kältemittel wird Kohlendioxid verwendet, das in flüssiger
Form unter einem Druck von bis zu 73 bar, bevorzugt 20 bar bis 70
bar eingeführt wird. Beim Austritt aus dem Zuführkanal 5 in
den Expansionsraum 8 verdampft das Kältemittel
und kühlt hierbei stark ab. Das nunmehr gasförmige
Kältemittel wird über den bzw. die Abführkanäle 10 und
den Anschlussstutzen 11 abgeleitet. Über den Enddruck
in dem bzw. den Abführkanälen 10 können
die Kühlleistung und die Außentemperatur des Formstifts 1 eingestellt
werden. Bei Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel
kann hierbei an der Außenseite des Stiftkörpers 3 eine
Temperatur in einem Bereich von ca. 30°C bis maximal –70°C
eingestellt werden.
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- 1
- Formstift
- 2
- Sockel
- 3
- Stiftkörper
- 4
- Außenwand
- 5
- Zuführkanal
- 6
- Längsachse
- 7
- Anschlussstutzen
- 8
- Expansionsraum
- 9
- Kopfbereich
- 10
- Abführkanal
- 11
- Anschlussstutzen
- 12
- Zwischenwand
- 13
- Radialwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19918428
C1 [0004]
- - DE 10256036 A1 [0005]