DE202019105454U1

DE202019105454U1 - Kunststoffurformwerkzeug

Info

Publication number: DE202019105454U1
Application number: DE202019105454.9U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2029-10-03

Abstract

Kunststoffurformwerkzeug, etwa ein Spritzgusswerkzeug, mit einem eine Abformoberfläche (6) der Formkavität bereitstellenden, insbesondere durch Induktion erwärmbaren Werkzeugteil (3), mit einem mit Abstand zur Abformoberfläche (6) angeordneten Induktorkanal (7) und mit einem in den Induktorkanal (7) eingesetzten und darin mit Abstand zu der Wand des Induktorkanals (7) angeordneten Induktorrohr (8) zum Erwärmen des die Abformoberfläche (6) aufweisenden Werkzeugteils (3), dadurch gekennzeichnet, dass
- das Induktorrohr (8) in seinem innerhalb des Induktorkanals (7) befindlichen Abschnitt an wenigstens einer Stelle eine Fluidverbindung (12, 12.1) aufweist, durch die in dem Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) befindliches Fluid in den Induktorkanal (7) hindurchtreten kann,
- der Induktorkanal (8) eine Entlüftungswegsamkeit (20) aufweist,
- der Innenkanal (7) des Induktorrohres (8) mit seiner Eingangsöffnung (15) an eine Fluidzuführung zum Zuführen von Fluid (19) in den Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) angeschlossen ist, durch welches zugeführte Fluid (19) in dem Induktorrohr (8) während einer Bestromung desselben befindliches Fluid (G) durch die zumindest eine Fluidverbindung (12, 12.1) in den Induktorkanal (7) hinein verdrängt wird, und
- in Strömungsrichtung des über die Fluidzuführung zugeführten Fluides (19) hinter der Fluidverbindung (12, 12.1) zum Induktorkanal (7) eine Fluidsperre (16) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffurformwerkzeug, etwa ein Spritzgusswerkzeug, mit einem eine Abformoberfläche der Formkavität bereitstellenden, insbesondere durch Induktion erwärmbaren Werkzeugteil, mit einem mit Abstand zur Abformoberfläche angeordneten Induktorkanal und mit einem in den Induktorkanal eingesetzten und darin mit Abstand zu der Wand des Induktorkanals angeordneten Induktorrohr zum Erwärmen des die Abformoberfläche aufweisenden Werkzeugteils.
Kunststoffurformwerkzeuge, wie beispielsweise Spritzgusswerkzeuge, sind temperiert. Um die Zykluszeiten kurz zu halten, sind derartige Werkzeuge temperiert und somit erwärmbar und kühlbar. Bei einer solchen variothermen Werkzeugtemperierung ist aufgrund ihrer raschen Reaktionszeit eine induktive Erwärmung des die Abformoberfläche der Formkavität tragenden Werkzeugteils vorteilhaft. Integriert in das Werkzeug und mit Abstand zu der Abformoberfläche dient ein in das Werkzeug integriertes Induktorrohr, um über Induktion in dem den Abformoberflächenbereich tragenden Werkzeugteil Wärme zu generieren. Zu diesem Zweck ist der die Abformoberfläche der Kavität tragende Werkzeugteil ferromagnetisch, typischerweise insgesamt, zumindest jedoch in seinem induktornahen Bereich. Erzeugt wird die Wärme in einem solchen Werkzeugteil induktornah. Von der Zone der Wärmeerzeugung wird die Wärme durch Wärmeleitung der Abformoberfläche zugeführt. Der Induktor ist in einen Induktorkanal eingesetzt, und zwar mit Abstand zu der Induktorkanalwand des oder der Werkzeugteile. Typischerweise befindet sich der Induktor im Bereich der Trennfläche zwischen einem ersten, die Abformoberfläche tragenden Werkzeugteil und einem zweiten Werkzeugteil. Bei einer solchen Auslegung des Kunststoffurformwerkzeuges bietet es sich an, den Induktorkanal jeweils hälftig in jedes Werkzeugteil einzubringen. Durchaus möglich ist es auch, dass der Induktorkanal mehrheitlich oder ausschließlich nur in eines der beiden Werkzeugteile eingearbeitet ist.
Der Induktorkanal erstreckt sich unterhalb der Abformoberfläche. Ist nicht nur eine lokale Erwärmung erforderlich, ist ein solcher Induktorkanal mäanderförmig ausgelegt, um die gesamte Abformoberfläche erwärmen zu können. Der Induktor ist in den Induktorkanal eingesetzt, darf als solcher jedoch nicht das oder die Werkzeugteile kontaktieren, wenn diese elektrisch leitend sind. Daher befindet sich der Induktor regelmäßig mit Abstand zu der Induktorkanalwand. Dieser verbleibende Hohlraum ist ein Ringspalt zwischen dem Induktor und der Induktorkanalwand. Möglich ist es auch, den Ringspalt mit einer elektrisch nicht leitenden Isoliermasse zu verfüllen.
Als Induktoren werden Induktorrohre eingesetzt. Der Innenkanal eines solchen Induktorrohres kann ebenso wie der diesen umgebende Ringspalt im Induktorkanal genutzt werden, um durch diesen bei einer gewünschten Kühlung eine Kühlflüssigkeit zu leiten. Auf diese Weise kann ein solches Werkzeug für eine variotherme Temperaturführung genutzt werden, ohne zusätzliche Kühlflüssigkeitskanäle vorzusehen. In vielen Fällen wird jedoch die nutzbare Querschnittsfläche zum Durchleiten von Kühlflüssigkeit zu gering sein, um eine hinreichende Kühlflüssigkeitsmenge hindurchleiten zu können, um eine hinreichende Kühlung in kurzer Zeit zu erzielen. Daher befindet sich bei solchen Werkzeugen typischerweise mit Abstand zu der Ebene des Induktorkanals, und zwar auf der von der Abformoberfläche wegweisenden Seite ein Kühlflüssigkeitskanalsystem, um bei einer gewünschten Werkzeugkühlung diese zum Durchleiten eines Kühlfluides zu nutzen. Ein solches Werkzeug ist beispielsweise aus EP 1 894 442 B1 bekannt. Beschrieben sind derartige Spritzgusswerkzeuge auch in „Temperierung von Spritzgusswerkzeugen durch vollständige integrierte induktive Beheizung“ (Abschlussbericht des DFG-Forschungsvorhaben (SCHI-457/9) - August 2009 oder auch in der Dissertation „Entwicklung und Untersuchung eines schnellen Verfahrens zur variothermen Werkzeugtemperierung mittels Induktion“ (IKFF-Dissertation 97/1236 - Dr. Andreas Tewald).
Auch wenn mit einem solchen Kunststoffurformwerkzeug die Zykluszeiten gegenüber anderen Anlagen reduziert werden konnten, wäre es wünschenswert, diese möglichst noch weiter zu reduzieren. Ferner wäre es wünschenswert, wenn auch eine lokale Temperierung ohne zusätzliche, in das Werkzeug zu integrierende Heiz- oder Kühlpatronen möglich wäre. Somit liegt ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Kunststoffurformwerkzeug, beispielsweise als Spritzgusswerkzeug ausgelegt, dergestalt weiterzubilden, damit diesen Bedürfnissen Rechnung getragen wird.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Kunststoffurformwerkzeug, bei dem

- das Induktorrohr in seinem innerhalb des Induktorkanals befindlichen Abschnitt an wenigstens einer Stelle eine Fluidverbindung aufweist, durch die in dem Innenkanal des Induktorrohres befindliches Fluid in den Induktorkanal hindurchtreten kann, bei dem
- der Induktorkanal eine Entlüftungwegsamkeit aufweist,
- der Innenkanal des Induktorrohres mit seiner Eingangsöffnung an eine Fluidzuführung zum Zuführen von Fluid in den Innenkanal des Induktorrohres angeschlossen ist, durch welches zugeführte Fluid in dem Induktorrohr während einer Bestromung derselben befindliches Fluid durch die zumindest eine Fluidverbindung in den Induktorkanal hinein verdrängt wird, und
- in Strömungsrichtung des über die Fluidzuführung zugeführten Fluides hinter der Fluidverbindung zum Induktorkanal eine Fluidsperre vorhanden ist.

Bei dem im Rahmen dieser Ausführungen benutzten Begriff des Induktorrohres kann es sich letztendlich um ein Rohr beliebiger Querschnittsgeometrie handeln. So kann das Induktorrohr beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt, einen ovalen oder elliptischen Querschnitt oder auch eine Mehrkantform, beispielsweise eine Vierkantform aufweisen. Als Ringspalt ist derjenige Hohlraum zu verstehen, der um das Induktorrohr herum verbleibt, wenn dieses in den Induktorkanal des Werkzeuges montiert ist. Der Ringspalt muss sich notwendigerweise umlaufend um das Induktorrohr dieselbe Spaltweise aufweisen. Ebenfalls ist es nicht erforderlich, dass der Induktorkanal eine der Querschnittsgeometrie des Induktorrohres entsprechende Querschnittsgeometrie aufweist. Diese können voneinander abweichen.
Bei diesem Kunststoffurformwerkzeug ist das Innere des Induktorrohres - sein Innenkanal - mit einem Fluid beaufschlagbar. Von Besonderheit bei diesem Induktorrohr ist, dass das Induktorrohr zumindest eine Fluidverbindung zwischen seinem Innenkanal und seiner Außenseite aufweist, mithin eine Fluidwegsamkeit zwischen dem Innenkanal des Induktorrohres und dem Induktorkanal des Werkzeugs, in das das Induktorrohr eingesetzt ist. Das Induktorrohr ist mit seiner Eingangsöffnung an eine Fluidzuführung angeschlossen, mit der Fluid in den Innenkanal des Induktorrohrs zuführbar ist. In Strömungsrichtung eines in den Induktorkanal über seine Eingangsöffnung zugeführten Fluides hinter der zumindest einen Fluidverbindung befindet sich eine Fluidsperre. Diese befindet sich bei Vorsehen von mehreren Fluidverbindungen hinter der am weitesten von der Eingangsöffnung des Innenkanals entfernten. Wird Fluid in den Innenkanal des Induktorrohres zugeführt, wird hierdurch das zuvor darin befindliche Fluid verdrängt, und zwar indem dieses durch die zumindest eine Fluidverbindung aus dem Innenkanal des Induktorrohres heraus und in den Induktorkanal hinein verdrängt wird. Der Induktorkanal verfügt über eine Entlüftungswegsamkeit, damit das verdrängte Fluid durch den Induktorkanal und aus diesem heraus strömen kann. Hierbei kann es sich um eine Öffnung des Induktorkanals, beispielsweise im Bereich seiner Mündung an der Werkzeugseite handeln. Typischerweise wird in einem solchen Fall diese Entlüftungsöffnung die Mündung des verbleibenden Ringspaltes zwischen dem Induktorrohr und der Induktorrohrwandung sein. Als Entlüftungswegsamkeit kann auch durch die Werkzeugtrennung, und zwar die Trennung zwischen der ersten Werkzeughälfte und der zweiten Werkzeughälfte dienen. Dann ist die Entlüftungswegsamkeit als Entlüftungsspalt ausgebildet. Diese beiden Entlüftungswegsamkeitsausbildungen sind beispielhaft zu verstehen und nicht als abschließende Aufzählung. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind vielfältig. Zum einen wird das in dem Innenkanal des Induktorrohres befindliche Fluid als Wärmeträger genutzt. Dieses in dem Innenkanal des Induktorrohres befindliche Fluid wird durch die von dem Induktor während seiner Bestromung abgegebene Wärme erwärmt. Ein solcher Induktor erreicht in einem Zyklus durchaus Temperaturen von 300 bis 400 °C. Eine entsprechende Wärme hat auch das in dem Innenkanal des Induktorrohres befindliche Fluid. Wird beispielsweise am Ende in einer Heizperiode die Bestromung des Induktors unterbrochen und wird über die Fluidzufuhr in den Innenkanal des Induktorrohres ein Fluid eingebracht, wird durch dieses das zuvor durch die Bestromung des Induktorrohres erwärmte Fluid aus der zumindest einen Fluidverbindung aus dem Innenkanal heraus und in den das Induktorrohr umgebenden Induktorkanal eingedrückt. Dieses heiße Fluid gelangt dann in Kontakt mit der Induktorkanalwandung, typischerweise desjenigen Werkzeugteils, welches die Abformoberfläche trägt. Je nach Auslegung der Fluidwegsamkeit, d. h.: an welcher Stelle der Induktorkanalwand dieses heiße Fluid gelangt, wird in dem heißen Fluid enthaltene Wärme in das Werkzeugteil eingekoppelt. Dieser Effekt kann genutzt werden, um lokale Bereiche der Abformoberfläche auf eine höhere Temperatur zu erwärmen, und zwar ohne dass hierfür ein weiterer Energieeinsatz oder zusätzliche Wärmegeneratoren, wie beispielsweise Heizpatronen, benötigt werden würden. Die lokale Begrenzung des heißen Fluidaustrittes erfolgt über die eine oder die mehreren Stellen, an denen eine Fluidverbindung zwischen dem Innenkanal des Induktorrohres und dem Induktorkanal vorhanden ist.
Das die Abformoberfläche tragende Werkzeugteil weist in aller Regel eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, was auch erforderlich ist, wenn dieses Werkzeugteil durch das Induktorrohr induktiv erwärmt werden soll. Der vorbeschriebene Effekt einer Nutzung des im Induktorkanal befindlichen heißen Fluids als Wärmeträger kann auch eingesetzt werden, um den eigentlichen Erwärmungsvorgang durch Bestromung des Induktorrohres zu verkürzen, und zwar vor dem Hintergrund, dass ein letzter Temperaturhub (Temperaturboost) durch das in dem Innenkanal des Induktorrohres befindliche Fluid erfolgen kann. Ist dieses vorgesehen, wird man die eine oder die mehreren Fluidverbindungen des Induktorrohres an Positionen anordnen, damit das aus diesen herausgedrückte heiße Fluid an mehreren Stellen und somit verteilt an die der Abformoberfläche abgewandte Seite dieses Werkzeugteils gelangt. Aufgrund der Höhe der Temperatur des austretenden Fluides kann die Taktzeit verringert werden, auch deshalb, da mit zunehmender Erwärmung des Werkzeugteils, die zum Erwärmen desselben über einen bestimmten Temperaturhub zunehmend mehr Zeit benötigt. Die Menge bzw. das Volumen des aus dem Innenkanal des Induktors zu verdrängenden Fluides kann über die Auslegung des Induktorrohres beeinflusst werden. Erwärmt wird beim Betrieb des Induktorrohres das in seinem Innenkanal befindliche Fluid und auch diejenigen Leitungsabschnitte, die in Fluidkommunikation mit dem Innenkanal ohne Zwischenschaltung eines Ventiles stehen. Wird eine größere heiße Fluidmenge benötigt, wird man den Innenkanal mit einem entsprechend größeren Durchmesser und/oder mit einer entsprechenden Länge ausführen. Dabei können auch solche Innenkanalabschnitte des Induktorrohres genutzt werden, die nicht innerhalb des Induktorkanals sind. Das in diesen Abschnitten im Innenkanal befindliche Fluid wird durch die sehr gute Wärmeleitfähigkeit des Induktorrohres miterwärmt.
Besonders vorteilhaft ist eine Verfahrensführung zum Betreiben eines solchen Kunststoffurformwerkzeuges, bei der dasjenige Fluid, welches über die Fluidversorgung in den Innenkanal des Induktorrohres eingebracht wird, ein Kühlfluid ist, mithin eine zum Kühlen des die Abformoberfläche tragenden Werkzeugteils relativ geringere Temperatur aufweist. Dieses hat zum Vorteil, dass ein und dieselbe Fluidwegsamkeit genutzt werden kann, um den auf das Werkzeugteil einwirkenden Temperaturboost über das daran vorbeigeleitete heiße, zuvor im Innenkanal des Induktorrohres befindliche Fluid zu bewirken, ebenso wie bei einem weiteren Zuführen von Fluid zum Verdrängen des in dem Innenkanal zuvor befindlichen Fluides zum Durchleiten eines Kühlfluides. Gekühlt wird in einem solchen Fall vornehmlich das die Abformoberfläche tragende Werkzeugteil. Dessen Temperaturführung ist relevant. Eine Kühlung des typischerweise zweiten Werkzeugteils kann ebenfalls erfolgen, wird jedoch nicht immer im Vordergrund stehen. Ein Erwärmen und entsprechendes Kühlen kann je nach Auslegung der Position der Fluidverbindung lokal oder über einen größeren Wandbereich als Kontaktfläche zwischen dem aus der zumindest einen Fluidverbindung austretenden Fluid und der Induktorkanalwandung desjenigen Werkzeugteils, welches die Abformoberfläche trägt, bestimmt werden.
Als Fluid wird man typischerweise ein Gas einsetzen, beispielsweise CO₂, Stickstoff oder Umgebungsluft. Selbstverständlich ist nicht ausgeschlossen, als Fluid auch eine Flüssigkeit zu verwenden. Wird eine Flüssigkeit als Fluid verwendet, ist die Wärmemenge, die in dem im Innenkanal des Induktorrohres befindlichen Fluid bei einer Bestromung des Induktorrohres gespeichert wird, naturgemäß größer als bei einem Einsatz eines gasförmigen Fluides. Das zugeführte Fluid wird typischerweise unter Druck stehend zugeführt. Zugeführt werden kann auch verflüssigtes Gas. Zum Zuführen des Fluides dient gemäß einer Auslegung ein als Auf-Zu-Ventil konzipiertes Magnetventil. Dieses wird geöffnet, nachdem die Heizphase abgeschlossen ist.
Eine solche Fluidverbindung kann durch eine oder mehrere Durchbrechungen im Induktorrohr bereitgestellt sein. Möglich ist es auch, das Induktorrohr wenigstens bereichsweise mit einem porösen, offenporigen Wandabschnitt auszulegen, durch welchen Wandabschnitt das im Innenkanal des Induktorrohres befindliche Fluid bei Beaufschlagung des Innenkanals mit aus der Fluidzuführung zugeführten Fluid hindurchgedrückt wird.
Der Induktorkanal verfügt über zumindest eine Entlüftungsöffnung, aus der das durch den Ringspalt zwischen dem Induktor und der Induktorkanalwandung bewegte Fluid austreten kann.
Das Kunststoffurformwerkzeug kann über eine Rückführungsleitung verfügen, die an die wenigstens eine Entlüftungsöffnung des Induktorkanals angeschlossen ist und über die das aus der zumindest einen Entlüftungsöffnung austretende Fluid in einen Fluidvorrat zurückgeführt wird. Dann ist bezüglich des in den Innenkanal des Induktorrohres zuzuführende Fluid und die Abfuhr desselben über die zumindest eine Entlüftungsöffnung ein geschlossener Fluidkreislauf bereitgestellt.
In die Fluidzuführung kann ein Temperiergerät zum Temperieren des zuzuführenden Fluides eingeschaltet sein, beispielsweise ein Vorheizgerät. Möglich ist auch, dass das Fluid vor seiner Beaufschlagung des Innenkanals des Induktorrohres gekühlt wird.
Bei einem Einsatz von gasförmigen Fluiden, wie beispielsweise CO₂, kann dieses in seinem flüssigen Aggregatzustand in den Innenkanal des Induktorrohres zugeführt werden. Aufgrund der darin herrschenden geringeren Druckesentspannt sich das flüssig zugeführte Gas und tritt in seine gasförmige Phase über. Beispielsweise herrscht in dem Induktorkanal bzw. den das Induktorrohr umgebenden Ringkanal Umgebungsdruck. Dieses entzieht dem Werkzeug zusätzliche Wärme, sodass dann eine Kühlung noch effektiver ist. Durchaus möglich ist es auch, dass in dem Induktorkanal beispielsweise durch Verwenden eines gefederten Kugelventils ein höherer Druck aufrechterhalten wird, beispielsweise ein Gegendruck von 5 bar.
Für die Temperierung der Abformoberfläche bzw. des die Abformoberfläche tragenden Werkzeugteils kann vorgesehen sein, dass ein Teil oder seine gesamte Induktorkanalwandung offenporig porös ausgeführt ist. Das aus der zumindest einen Fluidverbindung in einer ersten Phase austretende heiße Fluid gelangt dann mit einem sehr viel größeren Oberflächenbereich des Werkzeugteils in Kontakt, sodass ein Wärmeübergang in kürzerer Zeit möglich ist. Auch kann in einem solchen Fall aufgrund der größeren Oberfläche in kurzer Zeit mehr Wärme aus dem aus dem Innenkanal ausgetretenen Fluid an das Werkzeugteil übertragen werden. Dasselbe gilt für das anschließend aus der zumindest einen Fluidverbindung austretende zum Kühlen vorgesehene Fluid. Auch für eine Erwärmung der Abformoberfläche ist das Vorsehen einer Porosität in dem induktornahen Bereich des Werkzeugteils sinnvoll. Dieses kann aufgrund der geringeren Masse in kürzerer Zeit auf eine höhere Temperatur bei einer Bestromung des Induktorrohres gebracht werden. Die Tiefe einer solchen Porosität der Induktorkanalwandung des die Abformoberfläche tragenden Werkzeugteils ist begrenzt, um die Tragfähigkeit der Abformoberfläche nicht zu beeinträchtigen. Eine Porositätstiefe von 1 bis 3 mm wird als ausreichend angesehen.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1: eine schematisierte Schnittdarstellung durch eine Spritzgusswerkzeughälfte während seiner induktiven Erwärmung,
2: die Darstellung der Spritzgusswerkzeughälfte der 1 nach Abschluss seiner induktiven Erwärmung und
3: ein Temperatur-Zeit-Diagramm zum Darstellen des Temperaturverlaufes in einem Bereich der Abformoberfläche der Spritzgusswerkzeughälfte der 1 in einem Heiz-Kühl-Zyklus (durchgezogene Linie) in einer Gegenüberstellung mit einer Kurve bei einem herkömmlichen Betrieb der Spritzgusswerkzeughälfte (gestrichelte Linie).

1 zeigt eine Spritzgusswerkzeughälfte 1, welches zusammen mit einer zweiten Spritzgusswerkzeughälfte eine Formkavität 2 einfasst. Die Spritzgusswerkzeughälfte 1 des dargestellten Ausführungsbeispieles umfasst zwei Werkzeugteile 3, 4. Die Werkzeugteile 3, 4 sind miteinander verbunden. Die Kontaktfläche der beiden Werkzeugteile 3, 4 ist in 1 mit dem Bezugszeichen 5 kenntlich gemacht. Das Werkzeugteil 1 ist dasjenige Werkzeugteil, durch welches an seiner einen Seite eine Abformoberfläche 6 bereitgestellt ist. Dieses Werkzeugteil 3 besteht aus einem Werkzeugstahl mit ferromagnetischen Eigenschaften, sodass dieses Werkzeugteil 3 induktiv erwärmt werden kann. Das zweite Werkzeugteil 4 kann aus demselben Material bestehen oder auch aus einem Werkzeugstahl, der sich nur schlecht oder gar nicht induktiv erwärmen lässt. In die Spritzgusswerkzeughälfte 1 ist ein Induktorkanal 7 eingebracht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser hälftig in die von der Abformoberfläche 6 wegweisende Seite des Werkzeugteils 3 und zur anderen Hälfte in die zu dem Werkzeugteil 3 weisende Seite des Werkzeugteils 4 eingebracht. Der Induktorkanal 7 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel gerade ausgeführt. Diese Konfigurierung ist beispielhaft zu verstehen. Die Auslegung des Induktorkanals 7 kann beliebige Formen, beispielsweise Mäanderformen oder dergleichen aufweisen. In den Induktorkanal 7 ist ein Induktorrohr 8 eingesetzt. Das Induktorrohr 8 verfügt über einen ersten Stromanschluss 9 und einen zweiten, in den Figuren nicht dargestellten Stromanschluss. Die Stromanschlüsse 9 befinden sich außerhalb des Induktorkanals 7. Innerhalb des Induktorkanals 7 ist das Induktorrohr 8 angeordnet und gehalten, damit dieses mit seiner äußeren Mantelfläche nicht die Induktorkanalwand 10 des ersten Werkzeugteils 3 und auch nicht die Induktorkanalwand 11 des zweiten Werkzeugteils 4 kontaktiert. Zum Halten des Induktorrohres 8 in dieser Anordnung können Stege dienen, an denen das Induktorrohr 8 abgestützt ist. Diese in den Figuren nicht dargestellten Stege sind aus einem elektrisch nicht leitenden Material. Diese Stege können der Längserstreckung des Induktorrohres 8 folgen.
Das Induktorrohr 8 des dargestellten Ausführungsbeispiels verfügt über zwei Durchbrechungen 12, 12.1, die jeweils eine Fluidverbindung von dem Innenkanal 13 des Induktorrohres 8 zu dem das Induktorrohr 8 umgebenden Ringkanal 14 als Teil des Induktorkanals 7 bereitstellen. Das Induktorrohr 8 weist eine Eingangsöffnung 15 auf. In das Induktorrohr 8 ist zum Bereitstellen einer Fluidsperre ein Boden 16 eingesetzt. In die Eingangsöffnung 15 des Induktorrohres 8 ist ein Rohrstück 17 als Teil einer Fluidzuführung eingesetzt. In das Rohrstück 17 ist ein Magnetventil 18 eingeschaltet. Das Rohrstück 17 ist insgesamt an eine nicht näher dargestellte Fluidzuführung mit einem Fluidvorrat angeschlossen. An der Eingangsseite des Magnetventils 18 steht Fluid 19 unter Druck stehend an. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt sich hierbei um Flüssig-CO₂. Anstelle von CO₂ kann auch jedes andere Fluid eingesetzt werden, sodass diese Angabe nur beispielhaft zu verstehen ist.
Der Induktorkanal 7 verfügt über eine Entlüftungsöffnung 20, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Mündung des Induktorkanals 7 ist, in die das Induktorrohr 8 eingeschoben ist.
Eine mit dem Spritzgusswerkzeug der 1 ausgerüstete Kunststoffurformanlage kann wie folgt betrieben werden:

Ein Zyklus beginnt mit dem Aufwärmen des Werkzeugteils 3 und damit seiner Abformoberfläche 6. Zu diesem Zweck wird das Induktorrohr 8 bestromt, und zwar so lange, bis eine vorgegebene Temperatur erreicht ist. Dann wird die Bestromung unterbrochen. Noch bevor die zu formende Kunststoffmasse in die Formkavität 2 eingespritzt wird, wird das Magnetventil 18 geöffnet. Das am Eingang des Magnetventils 18 anstehende Fluid 19 tritt über das Rohrstück 17 in den Innenkanal 13 des Induktorrohres 8 ein. Das darin befindliche Gas G, welches infolge der Bestromung des Induktorrohres 8 auf eine relativ hohe Temperatur erwärmt worden ist, wird über die beiden Durchbrechungen 12, 12.1 aus dem Innenkanal 13 heraus gedrängt und strömt in den Ringkanal 14 als Teil des Induktorkanals 7 ein. Die Temperatur des aus den Durchbrechungen 12, 12.1 austretenden Fluides ist typischerweise um 150 bis 250 °C wärmer als die Temperatur des Werkzeugteils 3 an seiner Induktorkanalwand 10. Aufgrund dieses Temperaturunterschiedes nimmt das Werkzeugteil 3 zusätzliche Wärme auf, wodurch die Abformoberfläche 6 nochmals weiter erwärmt wird. Diese weitere Erwärmung erfolgt ohne eine erforderliche Bestromung des Induktorrohres 8. Zugeführt wird in das Kanalinnere 13 des Induktorrohres 8 eine solche Fluidmenge, dass das gesamte, zuvor erwärmte Fluid aus den Durchbrechungen 12, 12.1 im Wesentlichen hinaus verdrängt worden ist. Hat dann durch diesen zusätzlichen Temperaturhub die Abformoberfläche 6 des Werkzeugteils 3 seine bestimmungsgemäße Temperatur erreicht, wird die zu formende Kunststoffmasse in die Formkavität 2 eingespritzt. Unmittelbar danach wird das Magnetventil 18 wieder geöffnet, um weiteres Fluid 19 in den Innenkanal 13 des Induktorrohres 8, durch die Durchbrechungen 12, 12.1 hindurch in den Kanal 14 des Induktorkanals 7 einzubringen. Da es sich bei dem zugeführten Fluid 19 um flüssiges CO₂ handelt, entspannt dieses bei Eintritt in das warme Induktorrohr 8 und vor allem auch im Kontakt mit der Induktorkanalwand 10 des Werkzeugteils 3. Nicht nur dass das zugeführte CO₂ eine signifikant kühlere Temperatur aufweist als das Werkzeugteil 3, sondern auch infolge des Entspannungsvorganges - Übergang in seine Dampfphase - wird das Werkzeugteil 3 an seiner Induktorkanalwand 10 gekühlt. Nach hinreichender Kühlung, d. h., dass die Werkzeugtemperatur beispielsweise von etwa 100 °C auf etwa 70 bis 75 °C abgekühlt worden ist, wird das Magnetventil 18 geschlossen und die weitere Fluidzufuhr somit unterbrochen. Das in der Formkavität 2 geformte und abgekühlte Kunststoffteil kann anschließend ausgeworfen werden. Je nach Auslegung des Induktorrohres 8 mit seiner zumindest einen Fluidverbindung in den Induktorkanal 7 des Werkzeuges 3 kann der zusätzliche Temperaturhub für die gesamte oder im Wesentlichen gesamte Abformoberfläche genutzt werden oder auch nur für einen Teil derselben. Gleiches gilt für das anschließende Kühlen.

Die vorbeschriebene Verfahrensführung ist beispielhaft zu verstehen. Vorteilhaft ist die beschriebene Erwärmung auch für solche Verfahrensführungen, bei denen lokal an der Abformoberfläche eine höhere Temperatur vorherrschen soll, wenn die Kunststoffmasse eingespritzt wird. Dann wird zeitgleich oder etwa zeitgleich mit dem Erreichen der gewünschten Temperatur durch Bestromung des Induktorrohrs 8 Fluid zum Verdrängen des Innenkanal des Induktorrohrs 8 befindlichen Fluides zu bewirken und die Kunststoffmasse in die Formkavität 2 eingebracht.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Induktorrohr Durchbrechungen aufweist, die öffenbar und verschließbar sind. Mit einem solchen Induktorrohr kann beispielsweise eine lokale Erwärmung von Bereichen der Abformoberfläche und dennoch eine Werkzeugkühlung insgesamt durchgeführt werden, je nachdem, welche Induktorrohrdurchbrechungen geöffnet bzw. geschlossen sind.
Die Fluidzuführung ist an die Steuereinrichtung der Kunststoffurformanlage angeschlossen, damit eine Steuerung der Fluidzuführung über die Ansteuerung des Magnetventils 18 zu dem jeweils vorbestimmten Zeitpunkt innerhalb eines Zyklus vorgenommen werden kann.
Die 3 zeigt in einem Temperatur-Zeit-Diagramm die Temperaturkurve der Abformoberfläche 6 der Spritzgusswerkzeughälfte 1, wenn diese konventionell induktiv erwärmt wird (Kurve mit gestrichelter Linie). Nach etwa vier Sekunden ist die gewünschte Temperatur von 95 °C an der Abformoberfläche 6 erreicht. Das Werkzeug 1 wird dann in herkömmlicher Weise über in den Figuren nicht dargestellte, jedoch vorhandene Kühlkanäle, durch die Kühlflüssigkeit durchgeleitet wird, gekühlt. Eine Abkühlung auf 75 °C ist nach etwa elf Sekunden erreicht. Dieser Temperaturkurve gegenübergestellt ist ein Betrieb der Kunststoffurformanlage mit der Spritzgusswerkzeughälfte 1 bei einem Betrieb, wie in der vorstehenden Beschreibung ausgeführt. Diese Temperaturkurve ist in 3 mit durchgezogener Linie gezeigt. Nach vier Sekunden wird die Bestromung des Induktors 8 unterbrochen und Fluid 19 in das Kanalinnere zum Verdrängen des aufgeheizten Fluides eingeleitet. Hierdurch wird die Temperatur an der Abformoberfläche 6 des Werkzeugteils 3 nochmals um etwa 12 °C angehoben. Das weiterhin zugeführte Fluid 19 bewirkt sodann eine extrem rasche Kühlung der Abformoberfläche 6 des Werkzeugteils 3, sodass eine Temperatur von 75 °C bereits nach etwa sieben Sekunden erreicht ist. Diese Gegenüberstellung verdeutlicht, dass die Zykluszeiten mit einer Spritzgusswerkzeughälfte, wie vorbeschrieben, sogar trotz Erwärmen der Abformoberfläche auf eine um 12 °C höhere Temperatur deutlich reduziert werden können.
Der durch die Wärmenutzung des heißen, im Innenkanal des Induktorrohres 8 befindlichen Fluides bewirkte Temperaturhub kann genutzt werden, um die Bestromung des Induktorrohres 8 bereits vor der üblichen Vier-Sekunden-Heizperiode zu unterbrechen, und zwar unter Ausnutzung des vorbeschriebenen Temperaturhubes. Dann wäre die Heizphase des Induktorrohres bereits nach etwa drei Sekunden abgeschlossen, was wiederum die Zykluszeit verkürzt.
3 verdeutlicht anhand der die erfindungsgemäße Werkzeugauslegung darstellenden Temperaturkurve, dass eine Abkühlung aufgrund des zugeführten Kühlfluides sehr viel rascher erfolgt als bei einer herkömmlichen Betriebsweise. Mit der in 3 gezeigten Betriebsweise ist eine Abkühlung auf 75 °C bereits nach etwa 5 bis 6 Sekunden nach Zyklusbeginn erreicht. Die Zykluszeit ist sodann um 5 bis 6 Sekunden und damit auf etwa die Hälfte verkürzt.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden. Für einen Fachmann ergeben sich jedoch zahlreiche weitere Ausgestaltungen, den geltenden Anspruch umzusetzen, ohne dass dies im Einzelnen im Rahmen dieser Ausführungen näher erläutert werden müsste.
Bezugszeichenliste

1: Spritzgusswerkzeughälfte
2: Formkavität
3: Werkzeugteil
4: Werkzeugteil
5: Kontaktfläche
6: Abformoberfläche
7: Induktorkanal
8: Induktorrohr
9: Stromanschluss
10: Induktorkanalwand
11: Induktorkanalwand
12, 12.1: Durchbrechung
13: Innenkanal
14: Ringkanal
15: Eingangsöffnung
16: Boden
17: Rohrstück
18: Magnetventil
19: Fluid
20: Entlüftungsöffnung
G: Gas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1894442 B1 [0004]

Claims

Kunststoffurformwerkzeug, etwa ein Spritzgusswerkzeug, mit einem eine Abformoberfläche (6) der Formkavität bereitstellenden, insbesondere durch Induktion erwärmbaren Werkzeugteil (3), mit einem mit Abstand zur Abformoberfläche (6) angeordneten Induktorkanal (7) und mit einem in den Induktorkanal (7) eingesetzten und darin mit Abstand zu der Wand des Induktorkanals (7) angeordneten Induktorrohr (8) zum Erwärmen des die Abformoberfläche (6) aufweisenden Werkzeugteils (3), dadurch gekennzeichnet, dass - das Induktorrohr (8) in seinem innerhalb des Induktorkanals (7) befindlichen Abschnitt an wenigstens einer Stelle eine Fluidverbindung (12, 12.1) aufweist, durch die in dem Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) befindliches Fluid in den Induktorkanal (7) hindurchtreten kann, - der Induktorkanal (8) eine Entlüftungswegsamkeit (20) aufweist, - der Innenkanal (7) des Induktorrohres (8) mit seiner Eingangsöffnung (15) an eine Fluidzuführung zum Zuführen von Fluid (19) in den Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) angeschlossen ist, durch welches zugeführte Fluid (19) in dem Induktorrohr (8) während einer Bestromung desselben befindliches Fluid (G) durch die zumindest eine Fluidverbindung (12, 12.1) in den Induktorkanal (7) hinein verdrängt wird, und - in Strömungsrichtung des über die Fluidzuführung zugeführten Fluides (19) hinter der Fluidverbindung (12, 12.1) zum Induktorkanal (7) eine Fluidsperre (16) vorhanden ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung durch wenigstens eine Durchbrechung (12, 12.1) bereitgestellt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverbindung durch wenigstens einen porösen Wandabschnitt des Induktorrohrs bereitgestellt ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zu der Eingangsöffnung (15) des Innenkanals (13) des Induktorrohrs (8) als Teil der Fluidzuführung ein durch einen ansteuerbaren Aktor betätigbares Ventil (18) zum Steuern der Fluidzuführung in den Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein als Magnetventil (18) ausgeführtes Auf-Zu-Ventil ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung an eine Fluidrückführleitung zum Zurückführen des aus dem Induktorkanal austretenden Fluides zu einem Fluidvorrat angeschlossen ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Fluidzuführung ein Temperiergerät zum Temperieren des zuzuführenden Fluids eingeschaltet ist.
Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiergerät ein Vorheizgerät ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über die Fluidzuführung unter Druck stehendes, insbesondere auch verflüssigtes Gas in den Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) zuführbar ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass über die Fluidzufuhr das zuzuführende Fluid in seinem flüssigen Aggregatzustand zuführbar ist und ein solches Fluid ist, das in seinen gasförmigen Aggregatzustand bei einer Temperatur übergeht, die kleiner ist als die minimale Werkzeugtemperatur in einem Urformzyklus ist.
Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung durch ein gefedertes Kugelventil verflossen ist, welches ab einem bestimmten Innendruck innerhalb des Regenkanales öffnet, beispielsweise bei 5 bar.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgusswerkzeug zwei Spritzwerkzeughälften (1) aufweist, von denen zumindest eines zwei Werkzeugteile (3, 4) umfasst, wobei ein erstes Werkzeugteil (3) die Abformoberfläche (6) trägt und sich der Induktorkanal (7) im Bereich der Trennfläche (5) zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil (3, 4), in beide Werkzeugteile eingreifend, befindet.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dem Austritt der Fluidverbindung des Induktorrohres gegenüberliegender Induktorkanalwandbereich offenporig porös ist.
Werkzeug nach Anspruch 13 in seinem Rückbezug auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte bzw. im Wesentlichen die gesamte, durch das erste Werkzeugteil bereitgestellte Induktorkanalwand offenporig porös ist.
Werkzeug nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Porosität der Induktorkanalwand begrenzt ist.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug Teil einer Kunststoffurformanlage, etwa einer Spritzgussanlage ist, die eine Steuereinrichtung zum Steuern der Anlage umfasst, und dass die Fluidzuführung an die Steuereinrichtung zum Steuern der Fluidzuführung in den Innenkanal (13) des Induktorrohres (8) angeschlossen ist.