DE202016006356U1

DE202016006356U1 - Bewegbares Werkzeugelement

Info

Publication number: DE202016006356U1
Application number: DE202016006356.2U
Authority: DE
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2026-10-13

Abstract

Bewegbares Werkzeugelement (1) für ein Formwerkzeug (2) einer Formgebungsmaschine, mit: – einem metallischen Grundkörper (3) – wenigstens einem am Grundkörper (3) angeordneten Dichtelement (4) zum Abdichten eines Spaltraumes, welcher zwischen dem bewegbaren Werkzeugelement (1) und einer Wandung einer Bohrung, in welcher das bewegbare Werkzeugelement (1) bewegbar zu lagern ist, ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement (4) aus einem polymeren Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient größer ist, als jener des metallischen Grundkörpers (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein bewegbares Werkzeugelement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Formwerkzeug mit einem solchen bewegbaren Werkzeugelement.
Die Verarbeitung reaktiver Polyurethan- oder Epoxidharzsysteme mittels Hochdruck-Harz-Injektionsverfahren oder vergleichbaren Technologien wie der in-situ-Polymerisation von Caprolactam stellen hocheffiziente Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Leichtbauteile dar.
Weiters kann davon ausgegangen werden, dass bei der Reaktivverarbeitung für die Plastifizierung bzw. Bereitstellung der flüssigen, temperierten Ausgangskomponenten, die Förderung ebendieser mittels Pumpen- oder Kolbensystemen, den Vermischungs- und Injektionsprozess sowie den anschließenden Aushärtungsprozess serienreife Lösungen für große Stückzahlen existieren. Somit wurde für einen Großteil der notwendigen Prozessschritte ein beachtlicher technologischer Reifegrad erreicht.
Eine besondere Herausforderung bleibt jedoch noch immer die Abdichtung der Formwerkzeuge, um Leckagen der flüssigen Reaktivmedien zu unterbinden.
Hinsichtlich der Abdichtung der Kavität konnten dabei große Fortschritte erzielt werden. So sind dem Fachmann sowohl spezielle, an die Anwendung angepasste Dichtungsgeometrien (wie etwa in DE 10 2013 215 113 A1 ) als auch die Ausführung des Formwerkzeugs als Tauchkantenwerkzeug (nach DE 20 2012 104 148 U1 oder WO 2014/067682 A1 ) bekannt. Weiters ist es im Faserverbundbereich bekannt, die Dichtränder in einem vorgelagerten Prozess zu schäumen ( DE 10 2012 110 353 ) oder mittels Spritzgussverfahren herzustellen. Diese verbleiben dann jedoch im Bauteil und müssen bei Bedarf durch entsprechende Nachbearbeitung der Bauteile entfernt werden.
Neben der Abdichtung des Formbilds sind jedoch in einem jeden Formwerkzeug auch bewegbare Werkzeugelemente verbaut, die mit den reaktiven Medien in Kontakt treten. Hierbei kann es sich etwa um Auswerferstifte, Ausräumschieber, Vakuumbausteine, Einsätze, Kernzüge oder Nachdruckbausteine handeln.
Die DE 10 2013 207 668 A1 schlägt hierzu zunächst vor, verschiedene funktionelle bzw. bewegbare Werkzeugelemente, bevorzugt Vakuumbaustein und Auswerfer, zu kombinieren und somit das Leckagerisiko durch Reduktion der Anzahl der bewegbaren Werkzeugelemente zu verringern.
Um eine Abdichtung gegen reaktive Medien aber auch gegen Polymerschmelzen zu erreichen, sind Auswerfer bzw. andere bewegbare Werkzeugelemente zumeist konisch ausgeführt, weiters können diese, wie ebenfalls in DE 10 2013 207 668 A1 angeführt, in zugehörigen Hülsen eingebaut werden.
Sowohl konische Auswerfer als auch Lösungen mit Hülsen haben sich zwar im Spritzgussbereich bewährt, bei einer Viskosität unter 1 Pa·s wie im Reaktivbereich üblich leidet jedoch die Standzeit und Zuverlässigkeit entsprechender Dichtlösungen, es kommt zunächst zu Gratbildung durch die aushärtenden Polymere und in weiterer Folge zu Leckagen.
In Ermangelung passender Nachdruckbausteine wurde für die effiziente Nachdruckaufbringung in DE 10 2012 023 608 vorgeschlagen, Formwerkzeuge mit flexiblen Werkzeugelementen auszurüsten und so das Kavitätsvolumen temporär während der Injektion zu erhöhen, um durch anschließende Reduktion desselben die Schwindung des Reaktivmaterials auszugleichen.
Eine befriedigende Abdichtung bewegbarer Werkzeugelemente, insbesondere bei Verwendung niederviskoser reaktiver Medien, konnte bislang für den Serieneinsatz nicht erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines gattungsgemäßen bewegbaren Werkzeugelements und eines Formwerkzeugs, bei welchen die oben diskutierten Probleme vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein bewegbares Werkzeugelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Formwerkzeug mit einem solchen bewegbaren Werkzeugelementen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Als Lösung zur Abdichtung bewegbarer Werkzeugelemente, insbesondere gegen reaktive Medien, wird daher vorgeschlagen, die in der Reaktiv- und Spritzgusstechnik üblichen rein metallischen Dichtelemente durch wenigstens ein Dichtelement aus einem polymeren Material zu ersetzen, wobei zusätzlich auch andere Dichtelemente vorgesehen sein können. Entscheidend für die Dichtwirkung ist hierbei, dass die Temperaturausdehnung des polymeren Materials (Temperaturausdehnungskoeffizient) höher ist, als jene des metallischen Materials, aus welchem der Grundkörper des bewegbaren Werkzeugelements gefertigt ist.
Als Beispiele für bewegbare Werkzeugelemente sind unter anderem zu nennen:

– Vakuumbausteine zum Evakuieren des Formwerkzeugs vor bzw. während des Injektionsprozess
– Nachdruckbausteine zur Druckerhöhung bzw. Volumensreduktion der Kavität, um die entsprechende Schwindung während der Aushärtung zu reduzieren
– Auswerferstifte zum Entformen des fertigen Bauteils aus der Form nach der Bauteilherstellung
– Ausräumschieber zum Ausräumen einer Mischkammer, in welche ein Kanal für eine erste reaktive Komponente und ein Kanal für eine zweite reaktive Komponente einmünden

Insbesondere bei Vakuumbausteinen besteht die zusätzliche Anforderung, dass die Systeme gasdicht sein müssen, um eine Evakuierbarkeit der Kavität zu gewährleisten.
In Bezug auf Ausräumschieber ist dabei nicht entscheidend, ob der Ausräumvorgang der Mischkammer vor, während oder nach dem Injektionszyklus geschieht, bzw. ob die reaktive Mischung in flüssiger Form, oder erst das feste polymere Endprodukt aus der Mischkammmer ausgeräumt wird.
Das polymere Material des Dichtelements besteht bevorzugt aus einem Polyamid, besonders bevorzugt aus PA6, oder einem fluorierten Kunststoff, bevorzugt aus Viton oder Teflon oder aus einem nachträglich vernetztem fluorierten Kunststoff. Weitere Ausprägungsformen können auch Polyolefinen, PEEK, PAEK oder PPS beinhalten oder aus diesen bestehen.
Dem polymeren Material können geeignete Füllstoffe bzw. Additive beigemengt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 8 diskutiert.
Die Figuren zeigen einen Schnitt durch ein Formwerkzeug 2 im Bereich einer Kavität 6. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die den Schnitt symbolisierende Schraffur nur in 1 eingezeichnet. Das Dichtelement 4 dichtet den Spaltraum ab, welcher zwischen dem bewegbaren Werkzeugelement 1 und einer Wandung einer Bohrung 5 im Formwerkzeug 2 ausgebildet ist, in welcher das bewegbare Werkzeugelement 1 bewegbar gelagert ist.
1 zeigt ein bewegbares Werkzeugelement 1 in Form eines Auswerferstiftes zum Entformen eines fertigen Bauteils aus polymerem oder reaktivem Material aus der Kavität 6 des Formwerkzeugs 2 nach der Bauteilherstellung. Das Dichtelement 4 ist hier als umlaufendes Element (Ring) ausgeführt und in einer umlaufenden Nut des metallischen Grundkörpers 3 angeordnet, z. B. in die Nut eingelegt oder eingegossen. In 1a ist der Auswerferstift in seiner zurückgezogenen Stellung gezeigt, in der 1b in der Auswerfstellung (die Auswerfrichtung ist durch einen Pfeil angezeigt).
Alternativ kann, wie in 2 gezeigt, der komplette Auswerferkopf als Dichtelement 4 aus dem polymeren Material gefertigt sein, in dem dieser beispielsweise auf den metallischen Grundkörper 3 aufgesteckt, aufgegossen oder, wie in 3 illustriert, aufgeschraubt wird. In einer weiteren Ausführungsform des Auswerferstiftes, welche in 4 illustriert ist, wird eine vollständige Schicht des Dichtelements 4 zwischen zwei Bereichen des metallischen Grundkörpers 3 befestigt, z. B. eingeklebt oder verschraubt.
Aus Gründen der Robustheit kann es vorteilhaft sein mehrere Dichtelemente 4 in Längserstreckung des metallischen Grundkörpers 3 hintereinander anzuordnen.
In den 5 und 6 sind beispielhafte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen bewegbaren Werkzeugelementen 1 als Vakuumbausteine gezeigt. Das Formwerkzeug 2 weist hier einen Vakuumkanal 8 auf. Beispielhaft sind in 6 hierbei zwei Dichtelemente 4 aus polymerem Material verbaut, wobei ein kavitätsnahes Dichtelement 4 (in seiner Funktion vergleichbar zur Abdichtung von Auswerferstiften) für die Abdichtung der Kavität verwendet wird und somit bei Einsatz reaktiver Medien Dichtheit gegen niederviskose Fluide gewährleisten muss. Das kavitätsferne Dichtelement 4 muss gasdicht sein, hat aber im normalen Betrieb keinen Kontakt zum reaktiven Fluid. Wie in 5 gezeigt, kann daher das kavitätsferne Dichtelement auch als (nicht erfindungsgemäßer) O-Ring ausgebildet sein. Besonders bevorzugt werden jedoch das kavitätsnahe und das kavitätsferne Dichtelement 4 aus polymerem Material verbaut, wie in gezeigt.
In 7 ist ein erfindungsgemäßes bewegbares Werkzeugelement in Form eines Nachdruckbausteins mit entsprechendem Dichtelement 4 aus polymerem Material gezeigt. Während der Injektion der reaktiven Komponenten befindet sich dieser zunächst in einer Grundstellung (7a). Nach Abschluss der Injektion und mit Einsetzen der Schwindung, welche zu einer Druckabnahme in der Kavität 6 führt, wird der Nachdruckbaustein derart in Richtung der Kavität 6 verfahren (7b), dass diese Druckabnahme kompensiert wird, bis der Nachdruckbaustein seine Endlage (7c) erreicht hat. Das Verfahren des Nachdruckbausteins kann zeit-, weg-, oder druckgesteuert durchgeführt werden.
8 zeigt ein erfindungsgemäßes bewegbares Werkzeugelement 1 in Form eines Ausräumschiebers zum Ausräumen einer Mischkammer 11, in welche ein Kanal 9 für eine erste reaktive Komponente A und ein Kanal 10 für eine zweite reaktive Komponente B einmünden. In einem repräsentativen Injektionszyklus werden hierbei (8a) in einer Injektionsstellung des Ausräumschiebers die reaktiven Komponenten A, B in die Mischkammer 11 injiziert, wo sie sich vermischen, und in die Kavität 6 geleitet. Zur Beendigung der Injektion wird der Ausräumschieber in eine vordere Position verfahren (8b) in welcher der Einlass der Kanäle 9, 10 der jeweiligen reaktiven Komponente A, B verlegt wird.
Unabhängig von der Art des verwendeten Dichtelements 4 aus polymerem Material sind die bewegbaren Werkzeugelemente 1 in von den illustrierten Varianten abweichenden Konturen fertig- und einsetzbar. Je nach Anwendungsfall und Formteilgeometrie sind beispielsweise Konturauswerfer, Z-Auswerfer, Varianten mit Hinterschnitt oder auch konische Auswerfer mit entsprechenden Dichtelementen 4 aus polymerem Material realisierbar.
Die in Bezug auf eine Fig. gezeigten Ausbildungen oder in Bezug auf eine Ausführungsform beschriebenen Merkmale können auch bei den jeweils anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, soweit dies sinnvoll ist.
Bezugszeichenliste

1: bewegbares Werkzeugelement
2: Formwerkzeug
3: Grundkörper des bewegbaren Werkzeugelements
4: Dichtelement des bewegbaren Werkzeugelement
5: Bohrung im Formwerkzeug
6: Kavität
7: O-Ring
8: Vakuumkanal
9: Kanal für reaktive Komponente A
10: Kanal für reaktive Komponente B
11: Mischkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013215113 A1 [0005]
DE 202012104148 U1 [0005]
WO 2014/067682 A1 [0005]
DE 102012110353 [0005]
DE 102013207668 A1 [0007, 0008]
DE 102012023608 [0010]

Claims

Bewegbares Werkzeugelement (1) für ein Formwerkzeug (2) einer Formgebungsmaschine, mit: – einem metallischen Grundkörper (3) – wenigstens einem am Grundkörper (3) angeordneten Dichtelement (4) zum Abdichten eines Spaltraumes, welcher zwischen dem bewegbaren Werkzeugelement (1) und einer Wandung einer Bohrung, in welcher das bewegbare Werkzeugelement (1) bewegbar zu lagern ist, ausgebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement (4) aus einem polymeren Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient größer ist, als jener des metallischen Grundkörpers (3).
Bewegbares Werkzeugelement nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das wenigstens eine Dichtelement (4) aus einem polymeren Material ringförmig ausgebildet ist und wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass das wenigstens eine Dichtelement (4) aus einem polymeren Material in eine am metallischen Grundkörper (3) angeordnete Nut eingelegt oder eingegossen ist.
Bewegbares Werkzeugelement nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Dichtelement (4) aus einem polymeren Material als Kopfteil am metallischen Grundkörper (3) angeordnet ist.
Bewegbares Werkzeugelement nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das bewegbare Werkzeugelement (1) als Auswerferstift oder als Nachdruckbaustein ausgebildet ist.
Bewegbares Werkzeugelement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das bewegbare Werkzeugelement (1) als Vakuumbaustein oder als Ausräumschieber ausgebildet ist.
Bewegbares Werkzeugelement nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der metallische Grundkörper (3) längserstreckt ausgebildet ist.
Bewegbares Werkzeugelement nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei am metallischen Grundkörper (3) wenigstens zwei Dichtelemente (4) aus einem polymeren Material angeordnet sind.
Bewegbares Werkzeugelement nach den beiden vorangehenden Ansprüchen, wobei die wenigstens zwei Dichtelemente (4) aus einem polymeren Material entlang der Längserstreckung des metallischen Grundkörpers (3) hintereinander angeordnet sind.
Bewegbares Werkzeugelement nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Dichtelement (4) aus polymerem Material zwischen zwei Bereichen des metallischen Grundkörpers (3) befestigt, vorzugsweise eingeklebt oder verschraubt, ist.
Bewegbares Werkzeugelement nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das polymere Material des wenigstens einen Dichtelements (4) – ein Polyamid, besonders bevorzugt PA6, oder – ein fluorierter Kunststoff, bevorzugt Viton oder Teflon, oder – ein nachträglich vernetzter fluorierten Kunststoff oder – ein Polyolefin oder – PEEK, PAEK oder PPS beinhaltet oder aus diesem besteht.
Formwerkzeug (2) für eine Formgebungsmaschine mit einer Bohrung (5), in welcher ein bewegbares Werkzeugelement (1) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche bewegbar angeordnet ist.