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Die Erfindung betrifft einen Heizeinsatz für ein eine Kavität mit einer Abformoberfläche aufweisendes Urformwerkzeug. Die Erfindung betriff des Weiteren ein Urformwerkzeug zum Urformen eines erwärmten Stoffes oder Stoffgemisches durch Abkühlen desselben in einer eine Abformoberfläche aufweisenden Kavität des Urformwerkzeuges mit wenigstens einem mit Abstand zur Abformoberfläche eines Werkzeuges oder Werkzeugsegmentes angeordneten Heizeinsatz. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Urformwerkzeug.
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Beim Spritzgießen von Formteilen aus thermoplastischen, duroplastischen oder elastomeren Werkstoffen wird der zuvor plastifizierte Werkstoff in die Kavität eines Urformwerkzeuges eingebracht. Eine solche Urform ist zum Ausbilden der Kavität aus mehreren Werkzeugsegmenten zusammengesetzt, die zum Entformen des in der Kavität abgekühlten Werkstückes voneinander getrennt werden können. Die in Kontakt mit der plastischen Formmasse tretenden Oberflächen der Formwerkzeuge werden im Rahmen dieser Ausführungen als Abformflächen angesprochen. Das Abbild der Abformflächen definiert die Oberfläche des Werkstückes. Die Abformgenauigkeit an der Oberfläche des Werkstückes kann durch Fehler beeinträchtigt werden, beispielsweise durch Bindenahtkerben, Glanzunterschiede oder Wolken- und Schlierenbildung. Derartige Oberflächenfehler können durch ungleichmäßige Abformflächentemperaturen der Formwerkzeuge entstehen.
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Um die Abformgenauigkeit für die in die Kavität einer Form eingebrachte plastifizierte Masse, beispielsweise einer Kunststoffschmelze, zu verbessern, ist bekannt, die Werkzeugwandtemperatur - also die Temperatur der Abformflächen der Formwerkzeuge - zu erhöhen, wodurch die Fließfähigkeit der in die Kavität eingebrachten Kunststoffschmelze in ihrem äußeren Randbereich verbessert wird.
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Zum Temperieren derartiger Formwerkzeuge verfügen diese über Temperierkanäle, durch die zum Halten des Formwerkzeuges auf einer bestimmten Temperatur bzw. zum Erwärmen desselben auf eine bestimmte Temperatur entsprechend temperierte Fluide, beispielsweise Wasser oder Öl hindurchgeleitet wird. Wenn derartige Formwerkzeuge in bestimmten Bereichen eine von der Grundtemperatur abweichende, höhere Temperatur aufweisen sollen, werden zusätzlich elektrische Heizeinsätze oder im Falle einer lokalen Temperaturerniedrigung elektrische Kühlelemente in Ausnehmungen des Formwerkzeuges angeordnet. Ebenfalls sind Formwerkzeuge bekannt, bei denen die Kühlelemente für ein definiertes Abkühlen der Kunststoffschmelze sorgen und damit den Abkühlprozess, mithin die Zykluszeit verkürzen.
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Aus
DE 199 29 731 A1 ist ein Formwerkzeug bekannt, welches zum Einbringen von zusätzlicher Wärme in die Kavität insgesamt induktiv beheizbar wird und zu diesem Zweck aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. In
US 4,439,492 ist ein Formwerkzeug beschrieben, bei dem zum Erwärmen der Abformflächen induktiv betriebene Heizeinsätze in die Kavität eingelegt werden. Nach Erwärmen der Abformflächen der Formwerkzeuge wird die Form geöffnet, der Heizeinsatz entfernt, bevor die Form anschließend zum Durchführen des eigentlichen Spritzgussvorganges erneut geschlossen wird. Der Konzeption dieses Formwerkzeuges liegt der Gedanke zugrunde, dass durch Einlegen des induktiv betriebenen Heizeinsatzes nicht das gesamte Formwerkzeug, sondern lediglich die Abformflächen und die unmittelbar daran angrenzenden Formwerkzeugbereiche erwärmt werden. Auch hierdurch sollen die Zykluszeiten verkürzt werden. Eine Steuerung der Temperierung während des Spritzgussvorganges ist mit diesem Konzept nicht möglich.
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Mit den vorbekannten Mitteln können Formwerkzeuge erwärmt werden. Die Zykluszeiten beim Kunststoffspritzgießen werden maßgeblich von der zum Erhärten des in plastifiziertem Zustand in die Kavität der Form eingebrachten Materials bestimmt. Um die Zykluszeiten zu verkürzen, sind Formwerkzeuge entwickelt worden, die neben den für die Erwärmung des Formwerkzeuges vorgesehenen Temperierkanälen zusätzlich Temperierkanäle aufweisen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden können. Ein solches Formwerkzeug kann somit erwärmt und abgekühlt werden. Als nachteilig wird bei einem solchermaßen konzipierten Formwerkzeug das relativ träge Temperaturverhalten angesehen. Um diesem Nachteil zu begegnen, wird in
DE 102 57 129 A1 vorgeschlagen, Abformflächen eines Formwerkzeuges induktiv zu erwärmen, und zwar indem der zum Erwärmen einer ersten Abformfläche eingesetzte Induktor in einem ersten Formwerkzeug integriert ist, welches der zu erwärmenden Abformfläche eines zweiten Formwerkzeuges gegenüber liegt. Somit ist der Induktor bei diesem vorbekannten Formwerkzeug durch die Kavität von der zu erwärmenden Abformfläche getrennt. Um die Erwärmung einer Abformfläche auf diesem Wege zu ermöglichen, ist erforderlich, dass die zu erwärmende Abformfläche des Formwerkzeuges aus einem hierfür geeigneten Material besteht. Dieses Material unterscheidet sich in den meisten Fällen von dem Material der übrigen, zum Ausbilden der Kavität dienenden Formwerkzeugen. Um Oberflächenfehler am Übergang des für die Erwärmung notwendigen Materials und dem Abformflächenmaterial weiterer Kavitätsbegrenzungen nicht in Erscheinung treten zu lassen, müssen diese Übergänge sehr sorgfältig gearbeitet sein oder die gesamte die Kavität einfassende Oberfläche ist aus diesem Material hergestellt. Darüber hinaus kann das in diesem Dokument beschriebene Verfahren nur bei bestimmten Werkzeuggeometrien eingesetzt werden.
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Aus
DE 20 2009 901 959 U1 ist ein Formwerkzeug bekannt, bei dem der Induktor ein Kupferhohlleiter ist. Dieser ist Kühlmittel durchströmt. Ein Erwärmen erfolgt über eine Benutzung des Induktors zum Erwärmen des Werkzeugsegmentes, in dem sich der Induktor befindet. Die Kupferhohlleiter sind Kühlmittel durchströmt, damit auf diese Weise der Induktor selbst gekühlt werden kann. Das die Kupferhohlleiter durchströmende Kühlfluid wird allerdings auch zum beschleunigten Abkühlen des Werkzeugsegmentes genutzt, in dem die Kupferhohlleiter als Induktoren aufgenommen sind. Diese befinden sich typischerweise in einem geringeren Abstand zur Abformfläche des Werkzeuges als die üblichen Temperiermittelkanäle.
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Zum Zwecke des lokalen Erwärmens eines Abformoberflächenbereiches werden auch Widerstandsheizelemente eingesetzt. Aufgrund ihrer Dynamik bleiben diese dauerhaft eingeschaltet. Um eine thermische Trennung zwischen dem Widerstandsheizelement und der Werkzeugwand zur Vermeidung eines Überhitzens und zum Unterstützen eines Kühlvorganges werden diese entlang einer linearen Hubbewegung von der Werkzeugwand nach Erreichen der benötigen Werkzeugwandtemperatur um eine gewisse Strecke zurückgefahren. Um die gewünschte Werkzeugwandtemperatur im nächsten Zyklus wieder bereitzustellen, werden diese anschließend wieder an die Werkzeugwand herangefahren. Nachteilig hieran ist die notwendige Aktorik, um ein solches Widerstandsheizelement zum Bewirken der thermischen Trennung zu bewegen. Zudem erfordert dies einen entsprechenden Bauraum. Daher ist der Einsatz eines solchen Konzeptes nur begrenzt einsetzbar.
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Bei diesem vorbekannten Urformwerkzeug sind der oder die Induktoren in das Werkzeug beziehungsweise ein oder mehrere seiner Werkzeugsegmente integriert. Überdies wäre es wünschenswert, wenn die Zykluszeiten weiter reduziert werden könnten.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen Heizeinsatz für ein Urformwerkzeug sowie ein mit zumindest einem Heizeinsatz ausgerüstetes Urformwerkzeug vorzuschlagen, bei dem eine insbesondere lokale bzw. bereichsweise Temperierung der Abformoberfläche bei gleichzeitiger Verkürzung der Zykluszeiten möglich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Heizeinsatz der eingangs genannten Art, bei dem der Heizeinsatz eine Induktorbaugruppe und einen durch die Induktorbaugruppe erwärmbaren Induktionskörper sowie einen an den Induktionskörper in wärmeleitender Verbindung angeschlossenen Temperierkörper, hergestellt aus einem Material mit einer gegenüber der Leitfähigkeit des Induktionskörper höheren Wärmeleitfähigkeit, mit wenigstens einer Wärmekoppelfläche, mit der der Temperierkörper in wärmeleitender Verbindung an das die Abformfläche aufweisende Werkzeug oder Werkzeugsegment anschließbar ist, aufweist.
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Gelöst wird diese Aufgabe auch durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Urformwerkzeug, welches wenigstens einen solchen Heizeinsatz aufweist.
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Das Besondere bei diesem Heizeinsatz ist, dass es sich hierbei um einen Heizeinsatz in Hybridbauweise handelt. Dieser Heizeinsatz umfasst einen Induktionskörper, der durch ein oder mehrere Induktorbaugruppen erwärmt werden kann. In wärmeleitender Verbindung an den Induktionskörper ist ein Temperierkörper angeschlossen, der die in dem Induktionskörper generierte Wärme dem Werkzeug oder Werkzeugsegment zuführt. Der Temperierkörper ist aus einem Material mit einer gegenüber der Wärmeleitfähigkeit des Induktionskörpers deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Insofern ist bei diesem Heizeinsatz eine funktionale Trennung zwischen dem Induktionskörper und dem für die Zuführung und der Wärme an das Werkzeug oder Werkzeugsegment mit der zu erwärmenden Abformfläche dienenden Temperierkörper gegeben. Der Induktionskörper ist notwendiger Weise aus einem Material mit ferromagnetischen Eigenschaften hergestellt, typischerweise einem Stahlwerkstoff. Der Temperierkörper braucht hingegen keine ferromagnetischen Eigenschaften aufzuweisen. Mithin kann dieser aus einem Wärme besonders gut leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung, auch Messing hergestellt sein. Der durch einen solchen Heizeinsatz bewirkte Effekt ist, dass der Wärmetransport von dem Induktionskörper zu dem zu erwärmenden Abformoberflächenbereich aufgrund der Zwischenschaltung des den empfangenden Wärmestrom besonders gut weiterleitenden Temperierkörpers rascher erfolgt, verglichen mit einer Ausgestaltung, bei der der Induktionskörper auch für den Wärmetransport an die gewünschte Stelle des Werkzeuges oder Werkzeugsegmentes verantwortlich ist. Aufgrund des Einsatzes eines Temperierkörpers und seiner Wärme gut leitende Materialeigenschaft kann die von dem Induktionskörper in diesen eingekoppelte Wärme auch in Werkzeugbereiche gebracht werden, in oder an denen ein Induktor beispielsweise mangels ausreichendem Bauraum nicht angeordnet werden kann und daher diese Bereiche nicht zusätzlich erwärmt werden können. Ein solches Wärme gut leitendes Material, beispielsweise ein Kupfermaterial ist verglichen mit den Materialen, aus denen Werkzeugsegmente für ein Urformwerkzeug hergestellt werden, typischerweise Werkzeugstahl, deutlich weicher. Diese Eigenschaft kann man sich bei dem Anschluss des Temperierkörpers mit seiner Wärmekoppelfläche an das Werkzeug oder Werkzeugsegment zu nutze machen, wenn der Temperierkörper an die komplementäre Fläche des Werkzeuges oder Werkzeugsegmentes angepresst wird. Oberflächenunebenheiten an dem Werkzeug oder Werkzeugsegment stören dann die Ausbildung einer besonders großflächigen Wärmekontaktfläche nicht. Oberflächenunebenheiten drücken sich in die relativ weichere Oberfläche der Wärmekoppelfläche des Temperierkörpers ein. Gleiches gilt für den Anschluss des Induktionskörpers an den Temperierkörper. Insofern können zum Bereitstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Induktionskörper und dem Temperierkörper sowie von dem Temperierkörper in das Werkzeug die weicheren Materialeigenschaften des Temperierkörpers geschickter Weise genutzt werden. Die Anbindung des Temperierkörpers an den Induktionskörper - einerseits - und an das Werkzeug oder Werkzeugsegment - andererseits - kann auch durch andere Verbindungstechnologien erfolgen, beispielsweise auch durch ein Fügeprozess, wie beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen, Löten oder ein generatives Verfahren.
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Die durch den Temperierkörper bewirkte verbesserte Wärmeleitfähigkeit von dem Induktionskörper zu dem Werkzeug in und beim Kühlvorgang von dem Werkzeug über den Temperierkörper in den Induktionskörper und von diesem in die typischerweise Kühlmittel durchströmten Kupferhohlleiter der Induktorbaugruppe sind für ein Urformen mit kürzen Zykluszeiten verantwortlich. Noch weiter reduziert werden können die Zykluszeiten, wenn der Temperierkörper selbst gekühlt ist. Dieses ist in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen. Der Temperierkörper weist Kühlmittelkanäle auf, die beispielsweise als Kapillarkanäle ausgebildet sein können. Diese sind an einen Kühlmittelkreislauf einer dem Urformwerkzeug zugeordneten Kühlmittelanlage angeschlossen. Auf diese Weise kann der Kühlvorgang nach Einbringen der zuformenden erwärmten Masse in die Kavität des Urformwerkzeuges in dem Abformoberflächenbereich, auf den der Heizeinsatz einwirkt, besonders rasch gekühlt werden. Die Effektivität einer solchen Kühlung kann zusätzlich dadurch verbessert werden, wenn innerhalb des Temperierkörpers in einem Abschnitt, der mit geringen Abschnitt zu der Wärmekoppelfläche angeordnet ist, ein Hohlraum vorgesehen ist, in den zumindest zwei Kühlmittelkanäle münden. Von diesen stellt einer einen Zulauf und der andere einen Rücklauf eines Kühlmittelkreislaufes dar. Eine besonders effektive Kühlung bei einem nur geringen Durchmesser der Kühlmittelkanäle, beispielsweise wenn als Kapillarkanäle ausgelegt, ist mit gasförmigem Stickstoff möglich. Neben den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Kühlmittelkanäle des Temperierkörpers an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind, kann zur Kühlung des Temperierkörpers ebenfalls mit verlorengehendem Kühlmittel gearbeitet werden. Dann ist zumindest ein Kühlmittelkanal des Temperierkörpers an eine Kühlmittelzufuhr angeschlossen. Der Rücklauf wird in die Umgebung abgeführt. Auch wenn Stickstoff als beispielhaftes Kühlmittel angesprochen ist, welches sich vor allem für die Kühlung des Temperierkörpers eignet, wenn in diesen Kapillarkanäle eingebracht sind, können auch andere Kühlmittel verwendet werden.
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Mit einem solchen Heizeinsatz kann der davon beeinflusste Abformoberflächenbereich in kurzer Zeit auf eine gegenüber den übrigen Bereichen der Abformoberfläche höhere Temperatur gebracht werden. Aufgrund der vorbeschriebenen Möglichkeiten einer besonders effektiven Kühlung kann der auf eine höhere Temperatur gebrachte Abformoberflächenbereich ebenso schnell oder bei gekühltem Temperierkörper sogar schneller abgekühlt werden, als dieser erwärmt worden ist, sodass die Zykluszeiten nicht durch das ansonsten notwendige längere Abwarten eines Abkühlens der zusätzlichen erwärmten Oberflächenbereiche, bis die Kavität zum Auswerfen des geformten Produktes geöffnet werden kann, verzögert sind.
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Somit eignet sich ein solcher Heizeinsatz für Urformwerkzeuge, wie beispielsweise Spritzgusswerkzeuge, verwendet in der herstellenden Kunststoffindustrie, wenn eine variotherme Temperaturführung vorgesehen ist.
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Durchaus möglich ist auch die Verwendung eines solchen Heizeinsatzes, bei der die Wärmekoppelfläche seines Temperierkörpers direkt eine Abformfläche oder ein Abformflächenteil einer Kavität bildet. Dieses ist bei kleinen urzuformenden Kunststoffteilen sinnvoll, da dann ein zusätzlicher Wärmeübergang vermieden werden kann. Gerade bei kleinen urzuformenden Kunststoffteilen wird zum Teil mit erheblichen Innendrücken gearbeitet, sodass durch diese Maßnahme auch Bewegungen eines Werkzeugsegmentes gegenüber dem Heizeinsatz vermieden werden. Mitunter weisen derartige urgeformte Kunststoffteile sehr klein dimensionierte Konturen auf. Dieses ist beispielsweise bei optischen Körpern wie Linsen, etwa Fresnellinsen der Fall. Bei einer solchen Ausgestaltung des Heizeinsatzes bildet sein Temperierkörper mit seiner Wärmekoppelfläche ein Werkzeugsegment, welches zusammen mit zumindest einem zweiten Werkzeugsegment die Kavität einfasst. Die Werkzeugsegmente sind zum Öffnen und Schließen der Kavität gegeneinander verstellbar. Das oder die weiteren Werkzeugsegmente können unbeheizt sein. Bei einer solchen Verwendung des Heizeinsatzes kann die Oberfläche des Temperierkörpers selbst die Abformfläche darstellen. Durchaus möglich ist es auch, dass die Wärmekoppelfläche des Temperierkörpers mit einer verschleißresitenten Hartschicht beschichtet ist. Dann stellt die Außenseite dieser Beschichtung die Wärmekoppelfläche dar. Bildet die Wärmekoppelfläche des Heizeinsatzes selbst eine Abformfläche, wird die Wärme unmittelbar von dem Heizeinsatz in die in die Kavität eingebrachte Kunststoffmasse eingekoppelt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine schematisierte Schnittdarstellung eines Werkzeugsegmentes als Teil eines Urformwerkzeuges mit einer Heizeinsatzaufnahme und einem darin einzusetzenden Heizeinsatz,
- 2: der an das Werkzeugsegment angeschlossene Heizeinsatz,
- 3: einen Heizeinsatz einer alternativen Ausgestaltung des Induktors, angeschlossen an ein Werkzeugsegment entsprechend der Darstellung der 2,
- 4: einen Heizeinsatz gemäß einer weiteren Ausgestaltung und Anwendung und
- 5: einen Heizeinsatz entsprechend demjenigen der 4 in einer weiteren Ausgestaltung.
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Ein im Übrigen nicht näher dargestelltes Urformwerkzeug verfügt über mehrere, zumindest jedoch zwei Werkzeugsegmente. Ein solches Werkzeugsegment 1 ist in 1 in einem Ausschnitt gezeigt. Das Werkzeugsegment 1 ist aus einem Werkzeugstahl hergestellt. Seine in die Kavität 2 weisende Abformoberfläche ist mit dem Bezugszeichen 3 kenntlich gemacht. In die der Abformoberfläche 3 gegenüberliegenden Seite des Werkzeugsegmentes 1 - in der Figur ist dieses die Unterseite des Werkzeugsegmentes 1 - ist eine Heizelementaufnahme 4 eingebracht. Die Heizelementaufnahme 4 des dargestellten Ausführungsbeispiels weist eine kreisrunde Querschnittsgeometrie auf.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichneter Heizeinsatz dient zum Erwärmen des der Heizeinsatzaufnahme 4 gegenüberliegenden Bereiches der Abformoberfläche. Dieser und die angrenzenden Bereiche sollen, wenn in die Kavität die warme Kunststoffmasse eingebraucht wird, auf eine höhere Temperatur als die übrigen Bereiche der Abformoberfläche gebracht sein. Auch kann der Heizeinsatz 5 benutzt werden, um die Abformfläche länger auf der Temperatur der Kunststoffmasse zu halten oder auch um nachzuheizen.
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Der Heizeinsatz 5 des dargestellten Ausführungsbeispiels umfasst eine Induktorbaugruppe 6. Diese verfügt als Induktor über eine Induktorspule 7, hergestellt aus einem Hohlleiter, der nach Art einer Spule geformt ist. Auch wenn für die Zwecke der Kühlung ein Hohlleiter bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzt ist, kann an dieser Stelle ebenfalls ein Vollleiter (Draht) eingesetzt sein. Dieser Kupferhohlleiter ist in nicht näher dargestellter Art und Weise an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen und ist Kühlmittel durchströmt, wenn mit der Induktorbaugruppe 6 Wärme generiert werden soll. Nicht dargestellt ist ebenfalls die Bestromung der Kupferhohlleiter der Induktorspule 7. Die Induktorbaugruppe 6 ist an einen Induktionskörper 8 in wärmeleitender Verbindung angeschlossen. Dieser ist als Hülse ausgebildet und trägt zum seitlichen Schutz der Induktorbaugruppe 6 unterseitig einen in radialer Richtung nach außen abragenden Flansch 9. Der Induktionskörper 8 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Dessen Wärmeleitfähigkeit kann mit etwa 45 bis 50 W/(m·K) angegeben werden. Bei einem Betrieb der Induktionsbaugruppe 6 wird der Induktionskörper 8 aufgrund seiner ferromagnetischen Eigenschaften erwärmt.
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Der Induktionskörper 8 ist wiederum in wärmeleitender Verbindung an einen Temperierkörper 10 angeschlossen. Dieser ist aus einem Kupferwerkstoff hergestellt und hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 280 bis 300 W/(m·K). Der Induktionskörper 8 fasst den Temperierkörper 10 in einem Abschnitt 11 ein. In diesem Abschnitt 11 ist der Temperierkörper 10 in den hülsenartigen Induktionskörper 8 eingepresst. Dieses gewährleistet einen besonders guten wärmeleitenden Übergang von dem Induktionskörper 8 in den Temperierkörper 10. Der Temperierkörper 10 des dargestellten Ausführungsbeispiels trägt einen Temperierkörperkopf 12, der gegenüber dem von dem Induktionskörper 8 eingefassten Abschnitt 11 einen größeren Durchmesser aufweist und den dem Flansch 9 gegenüberliegenden Abschluss des Induktionskörpers 9 und die Induktorbaugruppe 6 überragt. Der im Durchmesser größere Temperierkörperkopf 12 dient zum Verteilen der in dem Abschnitt 11 über seine zylindrische, an den Induktionskörper 8 grenzende Koppelfläche empfangenen Wärme über eine größere Fläche. Der Temperierkörperkopf 12 weist eine Wärmekoppelfläche 13 auf. Bei der Wärmekoppelfläche 13 handelt es sich um diejenige Fläche, die in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Heizeinsatzaufnahme 4 des Werkzeugsegmentes 1 gelangt. Die Geometrie des Temperierkörperkopfes 12 ist komplementär zur Querschnittsgeometrie der Heizelementaufnahme 4 ausgeführt und daher bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls kreisrund. Es versteht sich, dass der Temperierkörperkopf auch beliebige andere, insbesondere auch nicht rotationssymmetrische Formen ebenso wie Fortsätze aufweisen kann, wenn der zu erwärmende Abformoberflächenbereich des Werkzeugs eine solche differenzierte Ausgestaltung der erwärmten Oberfläche verlangt.
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Der Temperierkörper 10 verfügt im Bereich seines Temperierkörperkopfes 12 über einen Hohlraum 14. Aufgrund der Wärme gut leitenden Eigenschaften des Temperierkörpers 10 beeinträchtigt dieser einen Wärmestrom von seinem Abschnitt 11 zur Wärmekoppelfläche 13 nicht. Der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kugelförmig ausgelegte Hohlraum 14 ist an als Kapillarkanäle ausgeführte Kühlmittelkanäle 15, 16 angeschlossen. Die Kühlmittelkanäle 15, 16 sind in nicht dargestellter Art und Weise an eine mit Stickstoff betriebene Kühlmittelanlage angeschlossen. Dabei dient der Kühlmittelkanal 15 als Zulauf und der Kühlmittelkanal 16 als Rücklauf zu beziehungsweise von dem Hohlraum 14. In den Figuren ist die Fließrichtung in den Kühlmittelkanälen 15, 16 mit Richtungspfeilen angedeutet. Sind die Kühlmittelkanäle 15, 16 und damit der Hohlraum 14 Kühlmittel durchströmt, resultiert dieses in einem besonderes effektiven und damit raschen Wärmeentzug von der Abformoberfläche. In einem in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind in den Temperierkörper Kühlmittelkanäle zudem zuvor geschriebenen Zweck eingebracht, ohne das diese jedoch in einen nach Art eines Sammlers konzipierten Hohlraum münden.
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2 zeigt das in die Heizeinsatzaufnahme 4 des Werkzeugsegmentes 1 eingesetzten Heizeinsatz 5. Der Heizeinsatz 5 kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Spannbügels (nicht dargestellt) in dieser Position gehalten sein. Der Anschluss des Heizelementes 5 an Rückseite des Werkzeugsegmentes 1 erfolgt an seiner Wärmekoppelfläche 13 in einer Wärme gut leitenden Verbindung, sodass ein Wärmeübergang von dem Temperierkörper 10 in das Werkzeugsegment 1 und umgekehrt so wenig wie möglich beeinflusst ist. Bevorzugt ist die Wärmekoppelfläche 13 mit einer gewissen Vorspannung an die Rückseite des Werkzeugsegmentes 1 angeschlossen. Dieser Anschluss ist dauerhaft.
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Bei einem Betrieb des Urformwerkzeuges kann mit dem Heizeinsatz 5 der in der Nähe der Wärmekoppelfläche 13 befindliche Bereich der Abformoberfläche 3 vor Einbringen der zu formenden Masse auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden. Ist dies zu formende Masse in die Kavität 2 eingebracht, kann, wenn gewünscht auch ein Nachheizen erfolgen. Unabhängig hiervon wird anschließend das Heizelement 5 als Kühlkörper eingesetzt, indem Wärme von der Abformoberfläche 13 über den Temperierkörper 10 mittels des die Kupferhohlleiter durchströmenden Kühlmittels (zu diesem Zeitpunkt sind diese Leiter unbestromt) und durch die zusätzliche Kühlung des Temperierkörpers 10 über die Kühlmittelkanäle 15, 16 und den Hohlraum, 14 besonders rasch abgeführt werden.
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Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Induktor als Kupferrohr ausgeführt. Durchaus möglich ist auch eine Ausgestaltung des Induktors, bei dem dieses ein Edelstahlröhrchen mit einer außenseitig aufgebrachten Cu-Beschichtung. Diese kann beispielsweise durch ein PVD-Verfahren aufgetragen sein. Vorteilhaft bei einer solchen Ausgestaltung ist, dass sich mit derartigen Röhrchen deutlich kleinere Durchmesser realisieren lassen.
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Möglich ist auch eine Ausgestaltung eines als Rohr ausgelegten Induktors, wenn dieser über den Umfang an seiner in Richtung zu dem Induktionskörper gerichteten Seite gasdurchströmbare kleine Löcher aufweist. Es besteht die Möglichkeit, das Induktionsrohr mit Stickstoff zu spülen, um auf diese Weise eine besonders effektive und damit rasche Kühlung des Induktionskörpers zu erreichen. Bei einer Ausgestaltung, bei der der Induktionskörper Temperierkanäle aufweist, wie dieses zu dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, würde sodann der Induktionskörper von innen und außen gekühlt werden.
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3 zeigt einen weiteren Heizeinsatz 5.1, angeschlossen an ein Werkzeugsegment 1.1. Der Heizeinsatz 5.1 ist konzipiert, wie der vorbeschriebene Heizeinsatz 5. Daher sind gleiche Teile auch mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der Heizeinsatz 5.1 unterscheidet sich von dem Heizeinsatz 5 allein dadurch, dass der Induktorbaugruppe 6 Magnetfeldkonzentratoren 17 zugeordnet sind. Diese konzentrieren das durch die Induktion bereitgestellte Magnetfeld und verbessern dadurch den Wirkungsgrad. Dieses wirkt sich nicht nur in Bezug auf die eingebrachte Energie, sondern auch auf die Erwärmungsgeschwindigkeit aus. Bezüglich der benötigten Leistung um eine Temperaturerhöhung vorzunehmen, kann durch Einsatz eines oder mehrerer Magnetfeldkonzentratoren, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmig in die Induktorbaugruppe 6 integriert sind, um 50 % bis 70 % reduziert werden. Besonders hohe Aufwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten lassen sich mit einem Heizeinsatz, wie dem Heizeinsatz 5.1 realisieren, dessen Induktorspule Stickstoff durchspült und in Richtung zu dem Induktionskörper gerichtete kleine Austrittsöffnungen aufweist.
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4 zeigt einen weiteren Heizeinsatz 5.2, der prinzipiell aufgebaut ist wie der Heizeinsatz 5.1 der 3. Daher sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen kenntlich gemacht.
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Der Heizeinsatz 5.2 ist Teil eines Urformwerkzeuges 18, bei dem die Wärmekoppelfläche 13.1 des Temperierkörpers 10.1 zugleich eine Abformfläche der Kavität 2.1 bildet. Mit der als Abformfläche dienenden Wärmekoppelfläche 13.1 des Heizeinsatzes 5.2 wirkt zur Ausbildung der Kavität 2.1 ein zweites Werkzeugteil 19 zusammen. Das Werkzeugteil 19 ist zum Öffnen und Schließen der Kavität 2.1 gegenüber dem Heizeinsatz 5.2 als Werkzeugteil verstellbar. Das Urformwerkzeug 18 ist ausgelegt, in der Kavität 2.1 Kunststofflinsen urzuformen. Zu diesem Zweck ist die Wärmekoppelfläche 13.1 des Temperierkörpers 10.1 konkav gewölbt, um an dieser Seite eine konvexe Linsenoberfläche abformen zu können. Die als Abformfläche dienende Wärmekoppelfläche 13.1 kann mikrostrukturiert sein. Gleiches gilt für die die Kavität 2.1 begrenzende Oberfläche des Werkzeugteils 19.
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Noch ein weiterer Heizeinsatz 5.3 ist in 5 gezeigt. Der Heizeinsatz 5.3 entspricht wiederum dem Heizeinsatz 5.2 der 4. Der Heizeinsatz 5.3 unterscheidet sich gegenüber dem Heizeinsatz 5.2 allein durch die Ausbildung seiner Abformoberfläche - der Wärmekoppelfläche 13.2 - . Diese ist bei dem Heizeinsatz 5.3 als die diesbezügliche Oberfläche des Temperierkörpers 10.2 aufgebrachte verschleißresistente Hartschicht 20 ausgeführt. 5 zeigt das Urformwerkzeug 21 mit geöffneter Kavität.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen erläutert worden. Die Ausführungen zu dem Ausführungsbeispiel verdeutlichen, dass insbesondere mit Einsatz einer Kapillarkühlung des Temperierkörpers 10 sich ein solcher Heizeinsatz 5 besonders klein und kompakt bauen lässt. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten, die Erfindung umzusetzen zu können, ohne das dieses im Rahmen dieser Ausführung im Einzelnen erläutert werden müsste.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1.1
- Werkzeugsegment
- 2, 2.1
- Kavität
- 3
- Abformoberfläche
- 4
- Heizeinsatzaufnahme
- 5, 5.1, 5.2, 5.3
- Heizeinsatz
- 6
- Induktorbaugruppe
- 7
- Induktor
- 8
- Induktionskörper
- 9
- Flansch
- 10, 10.1, 10.2
- Temperierkörper
- 11
- Abschnitt
- 12
- Temperierkörperkopf
- 13, 13.1, 13.2
- Wärmekoppelfläche
- 14
- Hohlraum
- 15
- Kühlmittelkanal
- 16
- Kühlmittelkanal
- 17
- Magnetfeldkonzentrator
- 18
- Urformwerkzeug
- 19
- Werkzeugteil
- 20
- Hartschicht
- 21
- Urformwerkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19929731 A1 [0005]
- US 4439492 [0005]
- DE 10257129 A1 [0006]
- DE 202009901959 U1 [0007]
