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Die Erfindung betrifft ein Kunststoffurformwerkzeug mit einer durch eine Formkavität bereitgestellten, von einer geschmolzenen, in Form zu bringenden Kunststoffmasse zu kontaktierenden Abformfläche, welche Abformfläche zumindest bereichsweise gegenüber dem darunter befindlichen Werkzeugblock durch einen Isolator beabstandet ist, wobei sich der Isolator unterhalb einer Wärme gut leitenden Temperierschicht geringer Materialstärke befindet, deren von dem Isolator wegweisende Seite eine Abformfläche bildet, und wobei der Isolator als Hohlraum ausgeführt ist.
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Für die Temperaturführung von in die Kavität eines Kunststoffurformwerkzeuges in Form zu bringender, in flüssiger Form eingebrachter erwärmter Kunststoffmasse verfügen Kunststoffurformwerkzeuge über Temperiereinrichtungen. Im Vordergrund der Temperaturführung steht das Abkühlen der heißen, in das Urformwerkzeug eingebrachten Schmelze. Zu diesem Zweck verfügen Kunststoffurformwerkzeuge über unterhalb der Abformfläche befindliche, in den Werkzeugblock integrierte Temperierkanäle, die zum Zwecke einer Abkühlung und damit einer Abfuhr der Wärme von der die Formkavität ausbildenden Abformfläche mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden. Genutzt werden derartige Temperierkanäle auch zum Vorerwärmen des Werkzeuges, bevor die heiße Kunststoffschmelze darin eingebracht wird.
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Mitunter ist es zum Erzielen bestimmter Oberflächeneigenschaften und/oder Oberflächenqualitäten erforderlich, bereichsweise innerhalb des Urformwerkzeuges Maßnahmen für eine verzögerte Abkühlung der eingebrauchten Kunststoffschmelze zu treffen. Dieses kann durch Integrieren von Heizpatronen in die Werkzeugblöcke des Urformwerkzeuges vorgenommen werden. Durch solche, aktiv angesteuerten Heizpatronen erfolgt eine lokale Erwärmung der Abformfläche des Kunststoffurformwerkzeuges. Anstelle derartiger aktiver Maßnahmen zum Erzielen einer verzögerten Abkühlung sind auch passive Maßnahmen entwickelt worden. Auf passive Weise kann eine verzögerte Abkühlung etwa durch Einsetzen von Einsätzen in die Abformfläche des Kunststoffurformwerkzeuges bereitgestellt werden, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Material des Einsatzes deutlich geringer ist als diejenige des Werkzeugstahls, aus dem die Werkzeugblöcke des Kunststoffurformwerkzeug gefertigt sind. Typischerweise handelt es sich bei derartigen Einsätzen um Keramikeinsätze. Mitunter befinden sich diese als Wärmeisolatoren für die verzögerte Abkühlung verantwortlichen Einsätze auch unterhalb der eigentlichen Abformfläche, die ihrerseits als Metalloberfläche ausgeführt ist. Anstelle des Vorsehens von Einsätzen unterhalb der Abformfläche können auch Abformflächennah angeordnete Hohlräume im Kunststoffurformwerkzeug vorgesehen sein. Ein solches Kunststoffurformwerkzeug ist aus
DE 10 2009 053 517 A1 bekannt. Die unterhalb der Abformfläche befindlichen Hohlräume sind als Kanäle mit kreisförmiger Querschnittsgeometrie ausgeführt. Die Hohlräume können mit einem gasförmigen oder flüssigen Isoliermedium gefüllt sein. Bei einer solchen Ausgestaltung sind die Kanäle mit einem Zu- und einem Abfluss für das Isoliermedium verbunden. Alternativ können die Kanäle auch mit einem Vakuum beaufschlagt werden.
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Die aus
DE 10 2009 053 517 A1 bekannt gewordene Geometrie der Hohlräume resultiert aus den statischen Anforderungen, denen ein solches Kunststoffurformwerkzeug standhalten muss. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die in die Kavität eingebrachte heiße Schmelze mit Drücken von weitaus mehr als 500 bar in die Kavität eingebracht wird. Auch Drücke von 1.000 bar und mehr sind nicht unüblich.
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Aus diesem Grunde können eine Wärmeabfuhr behindernde Hohlräume, vor allem wenn diese, was wiederum für eine verzögerte Abkühlung gewünscht wird, abformflächennah angeordnet sind, nur in beschränktem Maße eingesetzt werden. Bei einer Ausgestaltung, wie aus
DE 10 2009 053 517 A bekannt, kann ohnehin nur eine beschränkte verzögerte Abkühlung bereitgestellt werden, da die zwischen den Kanälen befindlichen Stege wärmeableitend sind, was der gewünschten Verzögerung in der Abkühlung entgegenwirkt.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein eingangs genanntes Kunststoffurformwerkzeug dergestalt weiterzubilden, dass selbst unter Berücksichtigung hoher, in der Formkavität auftretender Drücke die Möglichkeiten in der Auslegung von einer verzögerten Abkühlung dienenden Hohlräumen vergrößert sind.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Kunststoffurformwerkzeug gelöst, bei dem die Querschnittsgeometrie des Hohlraums und die Materialstärke der Temperierschicht derart aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Druckbeaufschlagung der Temperierschicht an ihrer Abformfläche im Zuge eines Urformprozesses diese der Druckbeanspruchung ohne zusätzliche Maßnahmen nicht standhält und bei dem als zusätzliche Maßnahme der Hohlraum mit einem Stützfluid gefüllt ist, das zumindest während der Druckbeaufschlagung der Kavität unter einem Stützdruck steht.
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Bei diesem Kunststoffurformwerkzeug lassen sich bezüglich ihrer Geometrie Hohlräume quasi beliebiger Geometrie als Flächenisolatoren ausbilden, wobei zugleich die Materialstärke der Temperierschicht mit hinreichend dünner Materialstärke ausgelegt werden kann. Die Materialstärke der Temperierschicht wird man dergestalt wählen, dass durch diese in der heißen, in die Kavität eingebrachten Kunststoffschmelze im Kontaktbereich mit der Temperierschicht ein gewisser Wärmestau entsteht. Dies bedeutet, dass die Materialstärke der Temperierschicht derart vorgesehen ist, dass die durch diese ermöglichte Wärmeabfuhr von Wärme aus dem die Temperierschicht an ihrer Abformfläche kontaktierenden Kunststoff in den eigentlichen Werkzeugblock langsamer von statten geht, verglichen mit einer Situation, in der die heiße Kunststoffschmelze einen Bereich der Abformfläche der Formkavität kontaktiert, unter der kein Hohlraum als Wärmeisolator angeordnet ist. Dieses bewirkt, die verzögerte Abkühlung einer die Abformfläche einer solchen Temperierschicht kontaktierenden heißen Kunststoffschmelze. Bei diesem Konzept versteht es sich, dass die Querschittsfläche der Temperierschicht als Maß einer möglichen Wärmeleitkapazität verglichen mit derjenigen aus Bereichen, die keinen Hohlraumisolator aufweisen, nur gering ist. Unter dem in diesen Ausführungen benutzten Begriff der Wärmeleitkapazität ist die Eigenschaft eines Körpers, hier: der Temperierschicht, zu verstehen, eine bestimmte Wärmemenge in einer vorgegebenen Zeiteinheit durch Wärmeleitung zu transportieren. Die Wärmeleitkapazität der Temperierschicht ist somit aufgrund der relativ geringen zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche deutlich geringer als die Wärmeleitkapazität des Werkzeugblockes, wenn durch diesen die Abformfläche ohne zwischengeschalteten Isolator gebildet ist.
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Durch Füllen des zumindest einen als Isolator unterhalb der Abformfläche befindlichen Hohlraums mit einem Stützfluid, welches zumindest während der Zeit der Druckbeaufschlagung der Kavität unter einem Stützdruck steht, ist ein wirksames Druckwiderlager gegenüber dem in der Kavität herrschenden Druck beim Einspritzen der heißen Kunststoffmasse ge schaffen. Das Stützfluid selbst weist, um die Eigenschaften eines thermischen Isolators zu erfüllen, eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die Temperierschicht und das Material des Werkzeugblockes. Diese Eigenschaft ist bei gasförmigen Stützfluiden ohne weiteres gegeben. Auch sind flüssige Fluide bekannt, die Wärme weniger gut leiten als das typischerweise für eine solche Temperierschicht und den Werkzeugblock eingesetzte Material, bei dem es sich typischerweise um einen Werkzeugstahl handelt. Einsetzen lassen sich als Stützfluid in flüssiger Form beispielsweise sogenannte Thermoöle.
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Von besonderem Vorteil bei dem beanspruchten Konzept ist, dass der zumindest eine unterhalb der Abformfläche befindliche Hohlraum eine quasi beliebige flächige Erstreckung unterhalb der Abformfläche haben kann und dieser aufgrund der Eigenschaften eines Fluids ohne weiteres vollständig mit Fluid gefüllt werden kann. Ein auf das Stützfluid wirkender Druck herrscht innerhalb des Stützfluid gefüllten Hohlraums überall gleichmäßig. Auf diese Weise ist nicht nur eine über die flächige Erstreckung des Hohlraumes unterhalb der Abformfläche einheitliche statische Abstützung bereitgestellt, sondern es sind zudem Wärme ableitende Brücken, wie diese im Stand der Technik zur Abstützung der Temperierschicht notwendig waren, zwischen der Temperierschicht und dem Werkzeugblock unterbunden. Vorteilhaft ist ferner, dass in der Auslegung der Materialstärke der Temperierschicht keine die Statik beim Einbringen der heißen Kunststoffschmelze in die Formkavität unter Druck berücksichtigende Anforderungen mit einbezogen werden müssen. Es versteht sich, dass allein eine Formstabilität zur Handhabung des Werkzeuges gegeben sein sollte.
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Das Stützfluid kann in dem oder den als Isolator vorgesehenen Hohlräumen in dem Werkzeugblock unter Druck stehend gekapselt sein. Bei einer solchen Ausgestaltung wird der Hohlraum mit dem gewünschten Fluid gefüllt, unter Druck gestellt und anschließend wird der Hohlraum verschossen. Das Stützfluid ist bei dieser Ausgestaltung statisch. Bei einer solchen Ausgestaltung befindet sich innerhalb des Hohlraums ein gleichbleibender Stützdruck. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stützdruck in dem als Isolator dienender Hohlraum erst dann aufgebracht wird, wenn auch in der Formkavität ein Druck aufgebaut wird. Dieses kann dergestalt ausgeführt sein, dass während der Benutzung des Werkzeuges der Stützdruck konstant bleibt oder dass der Stützdruck entsprechend dem in der Kavität herrschenden Druck eingestellt wird. Letzteres lässt sich erreichen, wenn die für die Erzeugung des Fluidstützdruckes vorgesehene Einrichtung an die Einrichtung zum Zuführen von heißer Kunststoffschmelze in die Formkavität gekoppelt ist. Dadurch wird das in einem solchen Isolatorhohlraum befindliche Stützfluid in demjenigen Takt, in dem Kunststoffschmelze in die Kavität eingebracht wird, druckbeaufschlagt. Zweckmäßig ist bei einer solchen Ausgestaltung, dass der Stützfluiddruck dem in der Formkavität herrschenden Druck entspricht. Bei dieser Ausgestaltung unterliegt die Temperierschicht keinerlei, jedenfalls keinen nennenswerten Druckbelastungen, und zwar weder aus der Formkavität noch aus dem Stützfluid gefüllten Hohlraum resultierend. Bei dieser Ausgestaltung wird der Stützdruck in dem oder den als Isolatoren dienenden Hohlräumen dynamisch den Anforderungen entsprechend geändert. Durchaus möglich ist auch eine Ausgestaltung, bei der der in dem Hohlraum eingestellte Stützdruck um ein gewisses Maß geringer ist als der in der Formkavität herrschende Druck. Auch der Aufbau eines Überdruckes in dem Hohlraum gegenüber dem in der Kavität herrschenden Druck ist möglich, ist allerdings weniger bevorzugt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1: eine schematisierte Schnittdarstellung eines Werkzeugteils als Teil eines im Übrigen nicht näher dargestellten Kunststoffurformwerkzeuges und
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2: eine Draufsicht auf das Werkzeugteil der 1.
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Ein Kunststoffurformwerkzeug besteht aus mehreren Werkzeugteilen. 1 zeigt ein solches Werkzeugteil 1, das zusammen mit einem oder mit mehreren, in der Figur nicht dargestellten weiteren Werkzeugteilen eine Formkavität 2 einschließt. Die zur Formkavität 2 weisenden Oberflächenabschnitte des Werkzeugteils 1 bilden die Kontakt- bzw. Abformflächen, an denen in die Formkavität 2 eingebrachte plastifizierte Kunststoffmasse – die Kunststoffschmelze – abgeformt wird. Die Abformoberfächen des Werkzeugteils 1 sind in der Figur mit den Bezugszeichen 3, 3.1 gekennzeichnet. In den aus einem Werkzeugstahl hergestellten Werkzeugblock 4 des Werkzeugteils 1 sind Temperiermittelkanäle 5 eingebracht. Die Temperiermittelkanäle 5 sind Teil eines im Übrigen nicht näher dargestellten Temperiermittelkreislaufes, an den das Werkzeugteil 1 zusammen mit dem oder den weiteren, die Formkavität einfassenden Werkzeugteilen, wenn in Betrieb, angeschlossen ist. Die Temperiermittelkanäle 5 befinden sich mit Abstand zur Abformfläche 3, 3.1. Das Werkzeugteil 1 des dargestellten Ausführungsbeispiels ist aus einem typischen Werkzeugstahl hergestellt. Die Abformfläche 3 ist beispielsweise zur Ausbildung einer hochglänzenden Kunststofffläche eines an dieser abzuformenden Kunststoffkörpers ausgebildet.
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Ein Teil der Abformfläche der Formkavität 2 wird bei dem Werkzeugteil 1 durch eine einen Hohlraum 6 überspannende Temperierschicht 7 gebildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Temperierschicht 7 aus demselben Material wie der Werkzeugblock 4. Die in die Kavität 2 weisende Seite der Temperierschicht 7 bildet ebenfalls einen Teil der Abformfläche 3.1 der Kavität 2. Die in die Kavität 2 weisende Seite der Temperierschicht 7 kann ebenso wie die übrigen Abformflächen des Werkzeugteils 1 mit einem die eigentliche Kontaktoberfläche bildenden Überzug beschichtet sein.
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Der Hohlraum 6 hat, wie aus 2 ersichtlich, eine flächige Erstreckung unterhalb der durch die Temperierschicht 7 gebildeten Abformfläche 3.1. Die Darstellung des Hohlraums 6 aus den 1 und 2 macht deutlich, dass die Temperierschicht 7 den üblichen, bei einem Urformprozess in der Kavität zeitweise herrschenden Drücken ohne weitere Maßnahmen nicht standhalten würde.
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Der Hohlraum 6 ist über eine Leitung 8 an ein Kupplungsglied 9 angeschlossen. Das Kupplungsglied 9 ist von der Außenseite des Werkzeugteils 1 zugänglich. Angeschlossen an das Kupplungsglied 9 ist eine Druckleitung 10, die wiederum an eine Druckerzeugungseinrichtung 11 angeschlossen ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Druckerzeugungseinrichtung 11 um eine Kolben Zylinder-Anordnung.
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Der Hohlraum 6 des Werkzeugteils 1 ist mit einem flüssigen Stützfluid gefüllt, ebenso wie die Leitungen 8 und 10. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Thermoöl als Stützfluid eingesetzt. Das Stützfluid befindet sich auch in demjenigen Abschnitt des Zylinders 12, in den die Druckleitung 10 mündet. Somit kann durch die Fluidstützdruckerzeugungseinrichtung 11 der in dem Hohlraum 6 herrschende Stützfluiddruck eingestellt werden. Der Kolben 13 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an die Einrichtung zum Zuführen von fließfähiger, heißer Kunststoffschmelze in die Formkavität 2 des Kunststoffurformwerkzeuges gekoppelt, und zwar dergestalt, dass bei dem Vorgang des Einspritzens von Kunststoffmasse in die Formkavität 2 ebenfalls der Kolben 13 zur Druckbeaufschlagung des in dem Hohlraum 6 befindlichen Stützfluids betätigt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass innerhalb des Hohlraums 6 ein dem Innendruck in der Kavität 2 entsprechender Gegendruck aufgebaut wird, und zwar zeitgleich mit dem Druckaufbau innerhalb der Kavität 2. Diese Kopplung kann auf mechanische Weise ausgeführt sein. Aufgrund der vorbeschriebenen Kopplung wird der Kolben 13 zur Druckentlastung des Hohlraumes 6 entlastet, sobald der Einspritzvorgang der Kunststoffmasse in die Formkavität abgeschlossen ist. Bei einem solchermaßen konzipierten Werkzeug ist die Temperierschicht 7 keiner Druckbeanspruchung ausgesetzt. Dieses macht deutlich, weshalb die Temperierschicht auch mit einer relativ geringen Materialstärke und ohne Abstützungen ausgelegt werden kann.
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Die Temperierschicht 7 weist typischerweise eine Materialstärke auf, die weniger als 1 mm beträgt. Für die Zwecke einer verzögerten Abkühlung von heißer, in die Formkavität 2 eingebrachter Kunststoffmasse an der Abformfläche 3.1 der Temperierschicht 7 wird es als zweckmäßig angesehen, wenn die Materialstärke der Temperierschicht 7 zwischen 0,5 und 0,8 mm beträgt. Zugleich weist dann die Temperierschicht 7 die notwendige Eigenstabilität auf, die für eine Handhabung des Werkzeugteils 1, wenn nicht in das Spritzgusswerkzeug eingebaut, notwendig ist.
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Bei einer Verwendung eines Stützfluids in flüssiger Form ist die Reaktionszeit zum Anlegen eines Stützfluiddruckes in dem einen oder den mehreren, für eine verzögerte Abkühlung vorgesehenen Hohlräumen in dem oder den Werkzeugteilen aufgrund der quasi nicht komprimierbaren Eigenschaften von Flüssigkeit besonders rasch. Gleiches gilt auch umge kehrt bei einem Druckabbau. Somit kann bei Einsatz eines Stützfluids in flüssiger Form eine dynamische Stützfluiddruckbeaufschlagung des Hohlraumes 6 auch bei kurzen Taktzeiten vorgenommen werden. Gleichwohl eigenen sich auch Stützfluide in Gasform für die vorbeschriebenen Zwecke. Bei Einsatz eines gasförmigen Stützfluides entsteht bei der Kompression desselben Wärme. Somit kann auf diese Weise in dem einen oder den mehreren einer verzögerten Abkühlung dienenden Hohlräumen nicht nur ein Stützdruck als Gegendruck für den in der Formkavität herrschenden Druck bereitgestellt werden, sondern zudem Wärme über den Hohlraum in die Temperierschicht und damit in die die Temperierschicht an ihrer Abformfläche kontaktierende Kunststoffschmelze eingebracht werden. Es versteht sich, dass dieses eine Wärmeableitung von Wärme aus der die Temperierschicht kontaktierenden Kunststoffschmelze in den Werkzeugblock behindert ist, was wiederum den Vorgang der im Rahmen dieser Ausführungen angesprochenen verzögerten Abkühlung unterstützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugteil
- 2
- Formkavität
- 3, 3.1
- Abformfläche
- 4
- Werkzeugblock
- 5
- Temperierkanal
- 6
- Hohlraum
- 7
- Temperierschicht
- 8
- Leitung
- 9
- Kupplungsglied
- 10
- Druckleitung
- 11
- Druckerzeugungseinrichtung
- 12
- Zylinderabschnitt
- 13
- Kolben
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009053517 A1 [0003, 0004]
- DE 102009053517 A [0005]
