DE202020100513U1

DE202020100513U1 - Heizeinsatz für ein Kunststoffurformwerkzeug sowie Kunststoffurformwerkzeug oder -werkzeugteil mit einem solchen Heizeinsatz

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Publication number: DE202020100513U1
Application number: DE202020100513.8U
Authority: DE
Original assignee: Kunststoff Institut fur Die Mittelstaendische Wirtsch Nrw Kimw Nrw GmbH GmbH; KUNSTSTOFF-INSTITUT fur DIE MITTELSTANDISCHE WIRTSCHAFT NRW (KIMW NRW GMBH) GmbH
Current assignee: Kunststoff Institut fur Die Mittelstaendische Wirtsch Nrw Kimw Nrw GmbH GmbH; KUNSTSTOFF-INSTITUT fur DIE MITTELSTANDISCHE WIRTSCHAFT NRW (KIMW NRW GMBH) GmbH
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2030-01-31

Abstract

Heizeinsatz für ein Kunststoffurformwerkzeug, umfassend ein Heizleitermodul (6) mit einem zumindest in einem Abschnitt (10) mäanderförmig ausgelegten Folienheizleiter (8), der von der Wärmeabgabefläche (12) durch eine elektrische Isolierung (11) getrennt ist und mit elektrischen Anschlusskontakten (14, 15) zum Anschließen des Folienheizleiters (8) an eine Stromversorgung und umfassend ein Andruckstück (7) zum Andrücken des Heizleitermoduls (6) mit seiner Wärmeabgabefläche (12) an eine Wärmekontaktfläche (13) eines zu beheizenden Kunststoffurformwerkzeuges (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizeinsatz für ein Kunststoffurformwerkzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Kunststoffurformwerkzeug oder ein Kunststoffurformwerkzeugteil mit einer die Formkavität begrenzenden Abformfläche und mit zumindest einem Heizeinsatz, angeschlossen an eine Wärmekontaktfläche des Werkzeuges oder des Werkzeugteils.
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 sind 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 sein, beispielsweise durch Bindenahtkerben, Glanzunterschiede oder Wolken- und Schlierenbildung. Derartige Oberflächenfehler können durch ungleichmäßige Abformflächentemperaturen der Formwerkzeuge entstehen.
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.
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 betriebene Heizpatronen als Heizeinsätze in das Formwerkzeug integriert. Ist der durch einen solchen Heizeinsatz zu erwärmende Flächenbereich der Abformfläche dreidimensional strukturiert, werden zum Erzielen einer gleichmäßigen Erwärmung mitunter in das Formwerkzeug Wärmeleiter, typischerweise Kupferleiter integriert, durch die die Wärme an die von der Wärmeabgabefläche des Heizeinsatzes entfernteren Bereiche der Abformfläche transportiert wird.
Die Zykluszeiten zum Urformen einer plastifizierten Kunststoffmasse sollen möglichst kurz gehalten werden. Aus diesem Grunde werden auch variotherme Heizeinsätze verwendet, mithin solche, mit denen ein Werkzeug oder Werkzeugsegment erwärmt und auch gekühlt werden kann, um eine raschere Abkühlung zu bewirken. Kurze Zykluszeiten lassen sich dann realisieren, wenn die Werkzeugerwärmung bzw. die Erwärmung des Bereiches einer Abformfläche, die zusätzlich erwärmt werden soll, in kurzer Zeit erwärmt werden kann. Entsprechend hoch sind die hierfür benötigten elektrischen Leistungen. Aus diesem Grunde werden Widerstandsheizelemente mit entsprechender Querschnittsfläche eingesetzt. Aufgrund ihrer Masse ist es hilfreich, wenn zur rascheren Abkühlung diese zusätzlich gekühlt werden.
Nachteilig bei diesen Heizeinsätzen ist zum Erzielen kurzer Zykluszeiten, jedoch, dass wenn diese als variotherme Heizeinsätze ausgelegt sind, dieses einen aufwendigen Werkzeugaufbau erfordert. Zudem haben derartige Heizeinsätze eine dementsprechend hohe Aufbauhöhe. Zudem wäre es wünschenswert, wenn sich die Temperierung der Abformfläche bzw. des Abformflächensegmentes mit geringerer Energie und einer spontaneren Erwärmungsreaktion verwirklichen ließe.
Vor dem vorstehend skizzierten Hintergrund liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Heizeinsatz für ein Kunststoffurformwerkzeug oder ein -werkzeugteil vorzuschlagen, welches diesen Anforderungen genügt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Heizeinsatz für ein Kunststoffurformwerkzeug oder Kunststoffurformwerkzeugteil, umfassend ein Heizleitermodul mit einem zumindest in einem Abschnitt mäanderförmig ausgelegten Folienheizleiter, der von der Wärmeabgabefläche durch eine elektrische Isolierung getrennt ist und mit elektrischen Anschlusskontakten zum Anschließen des Folienheizleiters an eine Stromversorgung und umfassend ein Andruckstück zum Andrücken des Heizleitermoduls mit seiner Wärmeabgabefläche an eine Wärmekontaktfläche eines zu beheizenden Kunststoffu rformwerkzeu g es.
Bei diesem Heizeinsatz wird im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Heizeinsätzen ein Folienheizleiter verwendet. Ein solcher Folienheizleiter weist nur eine sehr geringe Materialstärke auf, typischerweise weniger als ein Zehntel Millimeter typischerweise nur einige Hunderstel Millimeter, sodass bereits aus diesem Grunde der Aufbau eines solchen Heizeinsatzes in seiner Höhe extrem klein gehalten werden kann. Der Folienheizleiter ist gegenüber seiner Wärmeabgabefläche elektrisch isoliert. Eine Isolierung an der anderen Seite des Folienheizleiters ist erforderlich, wenn das Heizleitermodul in einem Gehäuse aus elektrisch leitfähigem Material eingehaust oder das Andruckstück aus elektrisch leitendem Material hergestellt ist. Dann ist eine elektrische Isolierung an beiden Flachseiten des Folienheizleiters vorgesehen. Die elektrische Isolierung braucht nur eine sehr geringe Materialstärke aufzuweisen. Gemäß einer Ausgestaltung wird als elektrische Isolierung ein mineralisches Material eingesetzt, in das der Folienheizleiter eingebettet ist. Die Schichtdicke dieser elektrischen Isolierung an einer Flachseite des Folienheizleiters braucht nur etwa 0,1 mm betragen. Als elektrische Isolierung kann ebenfalls eine auf den Folienheizleiter aufgebrachte Dünnschicht aus nicht-leitendem Material vorgesehen sein. Derartige Dünnschichten können beispielsweise durch Dampfabscheidung, Plasmaprozesse, Flammspritzen oder dergleichen erzeugt werden. Dann ist die Schichtdicke der elektrischen Isolierung noch geringer. Diese liegt im µm-Bereich.
Wird als elektrische Isolierung eine mineralische Isolierung eingesetzt, handelt es sich hierbei typischerweise um ein glimmerbasiertes Isolationsmaterial. Je nach der erforderlichen Temperaturbelastbarkeit wird als Hauptkomponente Muskovit verwendet (Temperaturen bis etwa 500°C) oder bei höheren Temperaturen Phlogopit (bis Temperaturen von etwa 700°C) eingesetzt. Aufgrund der Kristallstruktur der mineralischen Bestandteile einer solchen elektrischen Isolierung ist hierdurch zugleich eine thermische Entkopplung zwischen der thermischen Längenausdehnung des Folienheizleiters und der elektrischen Isolierung bereitgestellt. Entsprechend geringeren mechanischen Spannungen ist der Folienheizleiter ausgesetzt, was vor allem bei einem Einsatz in Kunststoffurformwerkzeugen vor dem Hintergrund der sehr kurzen Zykluszeiten und rasch wechselnden Temperaturen günstig ist.
Der Folienheizleiter verfügt über zumindest einen mäanderförmig ausgeführten Abschnitt. Dieser stellt den eigentlichen Heizabschnitt des Folienheizleiters dar, mithin denjenigen Abschnitt dar, der bei einer Bestromung die meiste Wärme generiert. Die mäanderförmige Ausführung dieses Abschnittes des Folienheizleiters gewährleistet eine flächige Wärmeauskoppelung aus dem Heizleitermodul in das Kunststoffurformwerkzeug oder das Kunststoffurformwerkzeugteil, wobei sich die Fläche durch die Länge des mäanderförmig ausgeführten Abschnittes und der Amplitude der Mäanderbögen ergibt.
Ein Folienheizleiter zeichnet sich dadurch aus, dass seine Breite um ein Vielfaches größer ist als seine Materialdicke. Typischerweise ist die Breite des Folienheizleiters in seinem durch die mäanderförmige Auslegung charakterisierten Heizabschnitt, mehr als 25 oder auch mehr als 35 mal so breit ist wie dieser dick ist. Die Wärmeabgabe erfolgt somit flächig über die Flachseite des Folienheizleiters. Dieser befindet sich in seiner flächigen Erstreckung in einer Ebene, die parallel zur Wärmekontaktfläche des durch den Heizeinsatz zu erwärmenden Werkzeuges oder Werkzeugteils angeordnet ist. Bei einem Folienheizleiter ist im Unterschied zu Runddrahtwiderstandsleitern der Abstand der Wärmeabgabefläche des Heizleitermoduls bzw. der Wärmekontaktfläche des Werkzeuges oder Werkzeugteils über die flächige Erstreckung des Folienheizkörpers gleich, sodass die flächig abgegebene Wärme durch eine über diese flächige Erstreckung typischerweise homogene Schichtdicke der Isolierung in die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges oder Werkzeugteils eingekoppelt wird. Bei einem solchen Folienheizelement ist eine elektrische Isolierung mit einer nur geringen Stärke bereits ausreichend, wenn als elektrischer Isolator mineralisches Material verwendet wird. Dann lässt sich eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen dem Folienheizleiter und der Wärmekontaktfläche des Werkzeuges oder Werkzeugteils oder einem das Heizleitermodul einfassenden Gehäuse bereits mit weniger als 0,2 mm erzielen. Untersuchungen haben gezeigt, bereits eine Schichtdicke von 0,1 mm für die gewünschte elektrische Isolierung ausreichen ist, wenn als Isolator ein glimmerbasiertes elektrisches Isolationsmaterial verwendet wird.
Durch die Ausgestaltung des Heizleiters als Folienheizleiter kann dieser auch eine 3D-Strukur aufweisen, ebenso wie seine elektrische Isolierung. Die Wärmeabgabefläche eines solchen Heizleitermoduls kann sodann dreidimensional strukturiert sein. Eine solche Strukturierung kann vorgesehen sein, wenn der zu erwärmende Abformflächenbereich des Werkzeuges ebenfalls dreidimensional strukturiert, um auf diese Weise den Wärmetransportweg von der Wärmeabgabefläche des Heizeinsatzes zu der Abformfläche zumindest weitestgehend gleich zu haben. Die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges weist dann eine komplementäre Strukturierung auf. Gemäß einer anderen Ausgestaltung eines solchen dreidimensional strukturierten Folienheizleiters ist vorgesehen, dass auch bei einer solchen Ausgestaltung das Heizleitermodul - mit oder ohne Gehäuse - eine ebene Wärmeabgabefläche aufweist. Bei einem solchen Heizelement ist der Abstand des Folienheizleiters zu der Wärmeabgabefläche des Heizeinsatzes entsprechend oder angenähert an die Höhenstrukturierung der Abformfläche angepasst. Bei einer solchen Ausgestaltung kann die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges ebenfalls unstrukturiert ausgeführt sein. Es versteht sich, dass unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Heizeinsatzes seine Wärmeabgabefläche und dementsprechend komplementär auch die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges gekrümmt sein können.
Die dünne und homogene Schichtdicke der elektrischen Isolierung gegenüber der Wärmekontaktfläche gewährleistet einen quasi spontanen Wärmeübergang von dem Folienheizleiter in das Werkzeug oder Werkzeugteil oder, wenn sich das Heizleitermodul in einem Gehäuse befindet, in dieses typischerweise aus Metall bestehende. Diese spontane Wärmeabfuhr ist dafür verantwortlich, dass der Folienheizleiter auch bei einer höher Bestromung mit 100 bis 150 W nicht übermäßig erwärmt wird, sodass dieser durchbrennen würde. Abhängig ist dieses auch von der Stromstärke, mit der bei einem Betrieb des Kunststoffurformwerkzeuges der Heizeinsatz betrieben wird. Die spontane Wärmeabfuhr bzw. der spontane Wärmeübergang von dem Folienheizleiter in das Metall des Kunststoffurformwerkzeuges oder -werkzeugteils erlaubt somit auch einen Betrieb des Folienheizleiters mit für Folienheizleiter bislang nicht für möglich gehaltenen Leistungen. Diese können mehr als zehn Mal so hoch sein, wie diese für herkömmliche Folienheizleiter mit 1 bis 4 W/cm² verwendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Heizeinsatz lassen sich Leistungen von mehr als 50 W/cm² erzielen. Ein Betrieb mit 100 bis 150 Watt, welches sogar noch eine höhere Leistung pro Quadratzentimeter zur Folge hat, ist möglich. In geschickter Weise nutzt man bei einem solchen Heizeinsatz auch den Umstand des zyklischen Betriebs eines Kunststoffurformwerkzeuges aus, und zwar dahingehend, dass ein solcher Heizeinsatz regelmäßig nur für wenige Sekunden zum Bereitstellen der gewünschten Wärme bestromt wird. Auch dieses sorgt dafür, dass eine Überhitzung des Folienheizleiters nicht erfolgt.
Bei einem solchen Heizeinsatz ist ein Kühlen nicht erforderlich. Grund hierfür ist die geringe Masse des Folienheizleiters und die zu seinem Betrieb erforderliche nur sehr dünne elektrische Isolierung. Werden Heizeinsätze, wie vorbeschrieben, in einem Kunststoffurformwerkzeug verwendet, reicht die dem Kunststoffurformwerkzeug eigene Kühlung aus den genannten Gründen auch zum Kühlen des Heizeinsatzes aus, damit der Abformflächenbereich, auf den der Heizeinsatz thermisch Einfluss hat, auf dieselbe Abkühltemperatur gebracht werden kann, wie die benachbarten Abformflächenbereiche.
Dasselbe, was Vorstehend durch einen zyklischen Betrieb des Heizeinsatzes mit hoher elektrischer Leistung beschädigungsfrei für den Folienheizleiter möglich ist, lässt sich auch erreichen, wenn der Folienheizleiter und damit der Heizeinsatz dauerhaft bestromt sind, dieser Heizeinsatz jedoch zyklisch gekühlt wird. Die zyklische Kühlung findet dann in denjenigen Phasen eines Werkzeugtaktes statt, in dem die Abformoberfläche nicht erwärmt werden soll. Eine solche Kühlung ist auf Grund der geringen zu kühlenden Masse ohne Weiteres in kurzer Zeit möglich. Dieses kann beispielsweise über in das Andruckstück eingebrachte Kapillarkanäle, durch die als Kühlfluid beispielsweise CO₂ geleitet wird, vorgenommen werden.
Eine Kühlung des Heizeinsatzes, beispielsweise durch in das Andruckstück eingebrachte, insbesondere als Kapillarbohrungen ausgelegte Wegsamkeiten kann auch bei einem zyklisch bestromten Heizeinsatz sinnvoll sein, wenn die Abformfläche des Werkzeuges, auf die der Heizeinsatz thermisch Einfluss hat, in besonderer Weise gekühlt werden soll.
Bei einer Ausgestaltung des Andruckstückes mit derartigen Fluidwegsamkeiten, kann dieses mit einem generativen Herstellungsverfahren hergestellt werden, bei dem sich ohne Weiteres auch ein komplexer Fluidkanalverlauf realisieren lässt.
Herkömmliche Flächenheizelemente sind auf Silikonmatten oder auch Kunststofffolien, typischerweise aus Polyamid hergestellt, aufgeklebt. Für derartige Folienheizleiter werden maximale Oberflächenbelastungen von 1 - 4 W/cm² angegeben. Vorbekannt sind auch Flächenheizelemente, bei denen um einen Wickelkern Draht gewickelt ist und bei denen der mit Draht gewickelte Wickelkern in eine elektrische Isolierung eingebettet ist. Hierbei handelt es sich um sogenannte Mikanit-Flächenheizelemente. Auch für diese wird eine maximale Oberflächenbelastung von nur 4 W/cm² angegeben. Mithin liegen die für herkömmliche Flächenheizelemente angegebenen Leistungen signifikant unter denjenigen, die für den Betrieb eines Heizelementes zum Beheizen eines Kunststoffurformwerkzeuges benötigt werden, insbesondere wenn die Taktzeiten kurz gehalten werden sollen. Die Belastung herkömmlicher Flächenheizelemente mit höheren Leistungen führt zu einer Zerstörung derselben. Insofern hat man sich bei der Konzeption des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes zunächst über die herrschende Lehre, ein Folienheizleiter sei für die Zwecke eines Heizeinsatzes zur Verwendung in Kunststoffurformwerkzeugen aufgrund der nur geringen darin einzubringenden Leistung nicht geeignet, überwinden müssen.
Verbessert werden kann die Leistungsaufnahme eines solchen Heizeinsatzes, wenn der mäandrierend ausgelegte Abschnitt des Folienheizleiters - typischerweise der eigentliche Heizabschnitt - bezüglich seiner Bögen derart ausgeführt ist, dass diese sich über mehr als 180 Grad erstrecken, typischerweise zwischen 200 und 230 Grad. Wie weit sich die Bögen über eine Winkelerstreckung von 180 Grad hinaus erstrecken ist auch abhängig von der Breite des Folienheizleiters im Bereich seiner Bögen sowie dem Bogenradius. Erreicht wird durch diese Maßnahme, dass der Abstand der Scheitellinien der wechselweise angeordneten Bögen voneinander kleiner ist als die äußere Spannweite eines Bogens. Entsprechend wird mehr Wärme pro Flächeneinheit durch den Folienheizleiter in seinem mäanderförmig ausgelegten Abschnitt bereitgestellt, sodass eine entsprechend raschere Erwärmung des Werkzeuges oder Werkzeugteils, an das der Heizeinsatz angeschlossen ist, möglichst ist. Hierdurch können die Zykluszeiten verkürzt und damit die erforderliche Bestromung des Folienheizleiters reduziert werden. In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich die Bögen über etwa 220 Grad erstrecken. Bei der Auslegung der Winkelerstreckung der Bögen wird Sorge dafür getragen, dass zwischen den Mäandern bzw. zwischen nebeneinander liegenden, gleichsinnig orientierten Bögen jeweils ein hinreichender Abstand für die erforderliche elektrische Isolierung vorhanden ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist der mäanderförmig ausgelegte Abschnitt des Folienheizleiters der eigentliche Heizabschnitt. Dann sind an diesen Anschlussabschnitte angeformt, durch die auch Kontaktflächen bereitgestellt sind, an denen der Folienheizleiter elektrisch kontaktiert werden kann. Als Anschlusskontakte können federnde Kontakte vorgesehen sein, die ihrerseits an eine Stromversorgung angeschlossen sind. Eine Kontaktierung der Anschlusskontakte ist auch dauerhaft möglich, beispielsweise durch Herstellen einer stoffschlüssigen Fügeverbindung eines Anschlusskabels mit einem solchen Anschlusskontakt. Typischerweise ist die Querschnittsfläche des Folienheizleiters im Bereich seiner Anschlussabschnitte größer als in seinem mäanderförmig ausgeführten Abschnitt. Dieses gewährleistet, dass die Anschlussabschnitte entsprechend weniger erwärmt werden.
Der Folienheizleiter ist aus einem geeigneten, an sich bekannten Widerstandsheizmaterial hergestellt.
Vorzugsweise wird ein solcher Folienheizleiter hergestellt, da sich dann keine Randgrate oder dergleichen ausbilden, da diese die Temperaturbelastbarkeit des Folienheizleiters beeinträchtigen könnten.
Der Heizeinsatz verfügt neben seinem Heizleitermodul, welches vorstehend beschrieben ist, über ein Andruckstück, mit dem das Heizleitermodul gegen die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges oder Werkzeugteils, wenn daran angeschlossen, gedrückt wird. Ein gewisser Anpressdruck der Wärmeabgabefläche des Heizleitermoduls an die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges oder Werkzeugteils ist für einen guten Wärmeübergang förderlich. Dieses gilt gleichermaßen unabhängig davon, ob das Heizleitermodul in einem eigenen Gehäuse eingefasst ist oder nicht. Der gute Wärmeübergang in das Werkzeug oder Werkzeugteil ist für einen bestimmungsgemäßen Heizbetrieb erforderlich. Je besser der Wärmeübergang ist, desto kürzer können die Zykluszeiten gewählt werden und entsprechend sicherer ist auch der Betrieb des Heizeinsatzes, ohne dass eine Beschädigung oder Zerstörung des Folienheizleiters aufgrund zu hoher Folienheizleitertemperaturen zu befürchten wäre.
Ein Kunststoffurformwerkzeug, bei dem es sich um ein Spritzgusswerkzeug, ein Spritzpresswerkzeug oder dergleichen handeln kann, verfügt typischerweise über eine Heizeinsatztasche, in die ein solcher Heizeinsatz integriert werden kann. Die Sohle einer solchen Heizeinsatztasche stellt dann typischerweise die Wärmekontaktfläche des Werkzeuges bzw. des Werkzeugteils dar.
Der Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1: Einen schematisierten Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Kunststoffurformwerkzeuges mit einem daran anzuschließenden Heizeinsatz vor der Montage des Heizeinsatzes in einer Heizeinsatztasche des Werkzeuges,
2: eine Draufsicht auf den Heizeinsatz der 1 zum Darstellen des darin enthaltenen Heizleiters,
3: das Kunststoffurformwerkzeug der 1 mit dem daran angeschlossenen Heizeinsatz,
4: eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes des Heizleiters des Heizeinsatzes, wenn bestromt und in die Heizeinsatztasche des Werkzeuges eingesetzt, und
5: ein Kunststoffurformwerkzeug mit einem Heizeinsatz gemäß dem Stand der Technik.

In 1 ist ein Ausschnitt eines im Übrigen nicht näher dargestellten Kunststoffurformwerkzeuges 1 bzw. eines Werkzeugteils in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Werkzeug 1 begrenzt mit seiner Abformfläche 2 eine Formkavität 3. Zum Urformen einer Kunststoffmasse wird diese in die Formkavität 3 eingespritzt. Bei dem Kunststoffurformwerkzeug 3 handelt es sich um ein Kunststoffspritzgusswerkzeug. In die der Abformfläche 2 gegenüberliegende Oberfläche des Werkzeuges 1 ist eine Heizeinsatztasche 4 eingebracht. Diese dient zur Aufnahme eines Heizeinsatzes 5, um die der Sohle bzw. dem Boden der Heizeinsatztasche 4 gegenüberliegende Fläche der Abformfläche 2 zusätzlich zu erwärmen. Nicht dargestellt in der Figur sind der Einfachheit halber in das Werkzeug 1 eingebrachte Temperierkanäle, mit denen durch hindurch geleitetes Fluid das Werkzeug 1 erwärmt und auch gekühlt werden kann. Der Heizeinsatz 5 dient zum Erwärmen eines Teils der Abformfläche 2 auf ein höheres Temperaturniveau als durch die für das Gesamtwerkzeug 1 eingerichtete Fluiderwärmung vorgesehen. Es versteht sich, dass anstelle einer Fluiderwärmung des Werkzeuges 1 auch andere Erwärmungstechniken eingesetzt werden können, insbesondere auch eine induktive Erwärmung.
Der Heizeinsatz 5 umfasst bei dem darstellten Ausführungsbeispiel ein Heizleitermodul 6 und ein Andruckstück 7. Das Heizleitermodul 6 ist in den Figuren nicht maßstäblich in Bezug auf seine Höhe dargestellt. Das Heizleitermodul 6 verfügt über einen Folienheizleiter 8 (siehe auch 2), von dem in 1 ein Anschlussabschnitt 9 mit einer etwas größeren Querschnittsfläche und der Heizabschnitt 10 mit einer etwas geringeren Querschnittsfläche erkennbar sind. Der Folienheizleiter 8 des dargestellten Ausführungsbeispiels hat eine Materialstärke von etwa 0,03 mm. Eingebettet ist der Folienheizleiter 8 in einer elektrischen Isolierung 11, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel glimmerbasiert ist. Die Dichtdicke der Isolierung 11 zu beiden Flachseiten des Folienheizleiters 8 beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 0,1 mm. Die Isolierung 11 ist bei dem dargestellten Ausführungsspiel aus unter dem Handelsnamen Mikanit erhältlichen Material hergestellt. Die in 1 erkennbare Oberseite des Heizleitermoduls 6 ist seine Wärmeabgabefläche 12. An der der Wärmeabgabefläche 12 gegenüber liegenden Seite des Heizleitermoduls 6 befindet sich das Anschlussstück 7, mit dem das Heizleitermodul 6 mit seiner Wärmeabgabefläche 12 gegen die Wärmekontaktfläche 13, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Boden bzw. die Sohle der Heizeinsatztasche 4 des Werkzeuges 1 ist, mit einem gewissen Anpressdruck angedrückt wird. Dieses begünstigt den Wärmeübergang von dem Heizleitermodul 6 in die Wärmekontaktfläche 13 und damit in das Werkzeug 1.
2 zeigt in einer Draufsicht das Heizleitermodul 6 mit seinem Folienheizleiter 8, wobei zum Sichtbarmachen des Folienheizleiters 8 die oberste Schicht der Isolierung 11 entfernt ist. Der Folienheizleiter 8 verfügt über zwei Anschlusskontakte 14, 15, gegen die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel von unten und somit durch das Anschlussstück 7 hindurch federnde elektrische Kontaktstifte wirken (in den Figuren nicht gezeigt). Die Kontaktstifte sind in nicht dargestellter Art und Weise an eine Stromversorgung angeschlossen. Angesteuert wird die Stromversorgung durch eine den Maschinentakt des Kunststoffurformwerkzeuges 1 steuernde Steuereinrichtung. Die Anschlusskontakte 14, 15 sind jeweils über einen Anschlussabschnitt 9, 16 an den eigentlichen Heizabschnitt 10 angeschlossen. Der eigentliche Heizabschnitt ist bei dem Heizleitermodul 6 durch einen mäanderförmig ausgelegten Abschnitt 10 gebildet. Der Folienheizleiter 8 weist über seine gesamte Fläche einheitliche Materialstärke auf. Der mäanderförmig ausgelegte Abschnitt 17 weist, wie aus 1 erkennbar, eine geringere Breite auf als die Anschlussabschnitte 9, 16. Somit stellt der mäanderförmig ausgelegt Abschnitt 10 denjenigen Abschnitt des Folienheizleiters 8 mit der geringsten Querschnittsfläche dar, weshalb dieser der eigentliche Heizabschnitt ist. Die Anschlusskontakte 14, 15 weisen, wie aus 2 deutlich erkennbar, eine gegenüber den Anschlussabschnitten 9, 16 wiederum größere Breite auf.
Der mäanderförmig ausgelegte Abschnitt 10 ist aus einer Wechselfolge unmittelbar ineinander übergehender Bögen 17 des Folienheizleiters 8 gebildet. Die Bögen 17 sind bezüglich der Querschnittsfläche im Folienheizleiter 8 identisch und erstrecken sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über jeweils etwa 220 Grad. Dieser Bogenerstreckungswinkel ist zu einem der Bögen 17 in der 2 mit dem Winkel α eingezeichnet. Die wechselweise zur Ausbildung der Mäanderstruktur angeordneten Bögen 17 gehen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar ineinander über. Dieses bedeutet, dass zwischen zwei Bögen 17 kein gerader Verlauf des Folienheizleiters 8 vorgesehen ist. Dieses ist grundsätzlich allerdings möglich.
Der Bogenwinkel α und die auf diese Weise angeordneten Bögen 17 sind so ausgelegt, dass der Abstand 18 zwischen zwei nebeneinanderliegenden Bögen 17 hinreichend groß ist, dass diese nebeneinander liegenden Bögen 17 elektrisch voneinander isoliert sind.
Bei einem Betrieb des Heizleitermoduls 6 wird aufgrund der geringeren Querschnittsfläche vornehmlich der mäanderförmig ausgelegte Abschnitt 10 mit seinen ineinander übergehenden Bögen 17 erwärmt. Dieses erfolgt quasi über die gesamte durch diesen Abschnitt bereitgestellte Fläche mit recht einheitlicher Temperatur.
Betrieben wird das Heizleitermodul 6 im Zyklus des Kunststoffurformwerkzeuges 1. Dieses bedeutet, dass der Folienheizleiter 8 des Heizleitermoduls 6 zyklisch bestromt wird, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Bestromungszeit von 5 sec. vorgesehen ist. Dieses ist ausreichend, damit die Abformfläche 2 des Werkzeuges 1 im Bereich der Heizeinsatztasche 4 auf die gewünschte Temperatur gebracht wird.
Im Betrieb findet sich der Heizeinsatz 5, wie in 3 gezeigt, eingesetzt in die Heizeinsatztasche 4, und zwar dergestalt, dass die Wärmeabgabefläche 12 des Heizmoduls 6 unter einer gewissen Vorspannung gegen die Wärmekontaktfläche 13 der Heizeinsatztasche 4 wirkt. Um dieses zu erreichen, ist das Anschlussstück 7 entsprechend an dem Werkzeug 1 verspannt (der Einfachheit halber nicht dargestellt).
Der auf diese Weise bewirkte besonders gute Wärmeübergang von dem Heizleitermodul 6 in das Material des Werkzeuges 1 ist auch Sorge dafür getragen, dass eine Temperaturüberlastung des Folienheizleiters 8 nicht stattfindet. Die von diesem bei einer Bestromung generierte Wärme wird rasch in den Werkzeugstahl des Werkzeuges 1 übertragen. Unterstützt wird dieses durch die nur sehr geringe Dicke der elektrischen Isolierung (0,1 mm) und die flächige Erstreckung des mäanderförmig ausgelegten Abschnittes 10. Aufgrund der flächigen Erstreckung ist der Abstand der zu der Wärmekontaktfläche 13 weisenden Seite über die Flächenerstreckung des Folienheizleiters 8 gleich, sodass eine gleichmäßige Wärmeabfuhr und dem zu Folge auch über eine entsprechend große Fläche diese Wärme in das Werkzeug 1 eingekoppelt wird. Zu dem im Schnitt gezeigten Abschnitt 10 des Folienheizleiters 8 ist gestrichelt die durch die Mäanderform erstellte Breite diese Abschnittes 10 kenntlich gemacht.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes des Folienheizleiters 8 der 3 aus seinem Abschnitt 17 bei seiner Bestromung nach etwa 5 sec. Gerastert dargestellt ist derjenige Oberflächenbereich des Folienheizleiters 8, der eine Temperatur von mehr als von 180°C aufweist. Diese Darstellung macht deutlich, dass in geschickter Weise durch die Auslegung des mäanderförmig ausgelegten Abschnittes 10 die Zonen der höchsten Erwärmung in den Bogeninnenseiten ineinander übergehen, um auf diese Weise eine bezüglich des Folienheizleiters 8 bzw. seines mäanderförmig ausgelegten Abschnittes 10 eine große Fläche einheitlicher Erwärmung bereitstellen zu können. Die Breite des Folienheizleiters 8 in seinem Abschnitt 10 beträgt etwa 1,3 mm. Dieses begründet einen sehr raschen Wärmeübergang von dem Folienheizleiter 8 in den Werkzeugstahl des Werkzeuges 1.
5 zeigt zur Gegenüberstellung einen in eine Heizeinsatztasche eines Werkzeuges eingesetzten Heizeinsatz gemäß dem Stand der Technik. Herkömmlich werden aus Gründen der Belastbarkeit Runddrahtheizelemente eingesetzt. Diese sind in 5 nicht maßstäblich dargestellt. In natura ist die Höhe des Heizleitermoduls, wie in 5 gezeigt, deutlich höher als dargestellt, insbesondere im Vergleich zu der Höhe des Heizleitermoduls 6 des Heizeinsatzes 5. Deutlich wird aus dieser Darstellung auch, dass die Erwärmung der Wärmekontaktfläche der Heizeinsatztasche aufgrund des unterschiedlichen Abstandes der Mantelfläche der Heizleiter ungleichmäßiger erfolgt, mit der Folge, dass zum Erzielen einer gleichmäßigen Erwärmung des Werkzeuges, insbesondere an seiner Abformfläche eine längere Zeit zugewartet werden muss.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben worden. Ohne den Umfang der geltenden Ansprüche zu verlassen, ergeben sich für einen Fachmann zahlreiche weitere Möglichkeiten diese umzusetzen, ohne, dass diese im Rahmen dieser Ausführungen im Einzelnen dargelegt werden müssten.
Bezugszeichenliste

1: Kunststoffurformwerkzeug
2: Abformfläche
3: Formkavität
4: Heizeinsatztasche
5: Heizeinsatz
6: Heizleitermodul
7: Anschlussstück
8: Folienheizleiter
9: Anschlussabschnitt
10: Heizabschnitt
11: Isolierung
12: Wärmeabgabefläche
13: Wärmekontaktfläche
14: Anschlusskontakt
15: Anschlusskontakt
16: Anschlussabschnitt
17: Bogen
18: Abstand

Claims

Heizeinsatz für ein Kunststoffurformwerkzeug, umfassend ein Heizleitermodul (6) mit einem zumindest in einem Abschnitt (10) mäanderförmig ausgelegten Folienheizleiter (8), der von der Wärmeabgabefläche (12) durch eine elektrische Isolierung (11) getrennt ist und mit elektrischen Anschlusskontakten (14, 15) zum Anschließen des Folienheizleiters (8) an eine Stromversorgung und umfassend ein Andruckstück (7) zum Andrücken des Heizleitermoduls (6) mit seiner Wärmeabgabefläche (12) an eine Wärmekontaktfläche (13) eines zu beheizenden Kunststoffurformwerkzeuges (1).
Heizeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung durch ein mineralisches Material bereitgestellt ist, welche Isolierung (11) mit einem Bindemittel gebundener Glimmer ist.
Heizeinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke der den Folienheizleiter (8) kontaktierenden Isolierung (11) in Richtung zu seiner Wärmeabgabefläche (12) nicht mehr als 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,2 mm und etwa 0,1 mm beträgt.
Heizeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung zwischen dem Folienheizleiter und der Wärmeabgabefläche des Heizleitermoduls durch eine auf den Folienheizleiter aufgetragene Dünnschicht bereitgestellt ist.
Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienheizleiter (8) beidseitig an eine elektrische Isolierung (11) grenzt.
Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bögen (17) der Mäander in dem mäanderförmig ausgeführten Abschnitt (10) des Folienheizleiters (8) unter Beibehaltung eines für eine elektrische Isolierung zwischen nebeneinander liegenden Bögen (17) hinreichenden Abstandes (18) sich über mehr als 180 Grad, insbesondere über mehr als 200 Grad erstrecken.
Heizeinsatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bögen (17) der Mäander in dem mäanderförmig ausgeführten Abschnitt (10) des Folienheizleiters (8) über etwa 215 Grad - 225 Grad erstrecken.
Heizleiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wechselweise angeordneten Bögen (17) des mäanderförmig ausgeführten Abschnittes (10) des Folienheizleiters (8) unmittelbar ineinander übergehen.
Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Breite zu Dicke des Folienheizleiters (8) größer als 25, insbesondere größer als 35 ist.
Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den mäanderförmig ausgelegten Abschnitt (10) des Folienheizleiters (8) Anschlussabschnitte (9, 16) mit einer gegenüber der Querschnittsfläche des Folienheizleiters (8) in seinem mäanderförmig ausgeführten Abschnitt (10) größeren Querschnittsfläche angeformt sind.
Heizeinsatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussabschnitte (9, 16) eine gegenüber der Breite des Folienheizleiters (8) in dem mäanderförmig ausgeführten Abschnitt (10) größere Breite aufweisen.
Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizeinsatz (5), wenn an eine Wärmekontaktfläche (13) eines Kunststoffurformwerkzeuges (1) angeschlossen, mit Leistungen von mehr als 50 W/cm² betreibbar ist.
Heizeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizleitermodul und das Andruckstück eine bauliche Einheit bilden.
Heizeinsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizleitermodul in einem Heizleitermodulgehäuse aus einem wärmegutleitenden Material eingehaust ist.
Kunststoffurformwerkzeug oder -werkzeugteil mit einer eine Formkavität (3) begrenzenden Abformfläche (2) und mit zumindest einem Heizeinsatz (5), angeschlossen an eine Wärmekontaktfläche (13) des Werkzeuges (1) oder des Werkzeugteils, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Heizeinsatz (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt ist.
Kunststoffurformwerkzeug oder -werkzeugteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Heizeinsatz (5) in einer Heizeinsatztasche (4) der Werkzeug- oder Werkzeugteilrückseite angeordnet und gehalten ist, damit seine Wärmeabgabefläche (12) unter Vorspannung stehend gegen die an der Wärmekontaktfläche (13) des Werkzeuges (1) oder des Werkzeugteils wirkt.