DE4234961A1 - Temperierbares Werkzeug bzw. temperierbare Form zur Herstellung von Kunststofformteilen und Verfahren zur Herstellung solcher Werkzeuge bzw. Formen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein temperierbares Werkzeug bzw. eine temperierbare Form zur Herstellung von Kunststofformteilen mit wenigstens einem Formnest zur Aufnahme der Form des herzustellenden Kunststofformteils, wenigstens je einer Einlaß- bzw. Auslaßöffnung, wobei Einlaß- und Auslaßöffnung bzw. -öffnungen über Kanäle miteinander in Verbindung stehen und ein Temperiermedium-Kanalsysstem zum Kühlen bzw. Beheizen des Formnestes bilden, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Werkzeuge bzw. Formen.

Beim Spritzgießen von Kunststofformteilen werden temperierbare Werkzeuge oder Formen aus einem oder mehreren Elementen mit jeweils wenigstens einer Ein- und Auslaßöffnung, welche durch wenigstens einen Kanal miteinander verbunden sind, verwendet. Solche Werkzeuge bzw. Formen dienen als "Negativ" der zu produzierenden Kunststoffendprodukts. Dabei wird ein flüssiger Kunststoffstrom, der aus einer Plastifiziereinheit wie beispielsweise einem Extruder über einen Heißkanalkörper (auch als Heißkanalplatte bezeichnet) aus wenigstens einem Spritzgußdüsenkörper gespeist und über Kanäle, in die entsprechenden Formnester (Kavitäten) gepreßt. Die Formnester weisen - je nach der gewünschten Form des Endprodukts - eine unterschiedliche Geometrie bezüglich ihrer Gesamtheit aber auch bezüglich der einzelnen Wandstärken des Kunststofformteils auf.

Der flüssige Kunststoff wird dabei über das in den Formen befindliche Temperiermedium-Kanalsystem entweder mittels Wärmezufuhr ausgehärtet, also chemisch vernetzt, oder mittels Wärmeentzug durch Einfrieren der Kunststoffketten zur Erstarrung gebracht. Nach der Erstarrung wird das Kunststofformteil aus dem Werkzeug oder der Form entfernt.

Die Qualität solcher Kunststofformteile hinsichtlich Verzug, Eigenspannungsanteil, Oberflächenqualität sowie der Zeitpunkt, nachdem die Formteile ausgeformt werden können, hängen entscheidend von der Beherrschbarkeit des Beheizungs- oder Kühlprozesses ab. Der räumliche Verlauf des Temperiermedium-Kanalsystems sowie die Temperatur des Temperiermediums im jeweiligen Werkzeug- bzw. Formbereich sind dabei von erheblicher Bedeutung, so sollen die Kanäle und Kavitäten gleichmäßig erwärmt oder gekühlt werden, um in kürzestmöglicher Zeit ein maßhaltiges, eigenspannungsfreies Kunststofformteil aus dem Werkzeug auszubringen.

Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, über die gesamte Werkzeug- bzw. Formteilfläche die Wärme gleichmäßig ins Formteil einzubringen bzw. sie diesem gleichmäßig zu entziehen. Bei thermoplastischen Kunststofformteilen mit einfachen bis stark unterschiedlichen Wandstärken bedeutet dies, daß beispielsweise in Bereichen mit Materialanhäufungen intensiver gekühlt werden muß als in Bereichen mit weniger Materialaufkommen.

Werkzeuge und Formen bestehen in der Regel aus ein- oder mehrteiligen massiven Stahlteilen, in die von außen her eine Mehrzahl von Bohrungen zielgerichtet eingebracht werden, die sich der Formnestwand bis auf einen bestimmten Abstand nähern. Solche gebohrten Kanäle, durch die ein Medium zirkulieren kann, führen jedoch häufig zu einer sehr ineffezienten Kühlung, da die Herstellung der Kanäle nur durch gerade Bohrungen realisiert werden kann, so daß nur eine begrenzte Einflußnahme auf die tatsächlich Kontur und Distanz zu der Formnestwand des herzustellenden Formteiles erfolgen kann. Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein bekanntes Werkzeug zur Herstellung eines Kunststofformteiles. Das Werkzeug 1 ist in Fig. 4 im Vertikalschnitt dargestellt und besteht im wesentlichen aus einer Bodenform 1A, einer Ringform 1B und einer inneren Kernform 1C. Der von den drei Formen 1A, 1B und 1C umschlossene Hohlraum bildet ein Formnest 2, welches in seiner Form dem herzustellenden Kunststofformteil entspricht.

Fig. 4 ist ferner eine Einlaßöffnung 3 und eine konzentrisch dazu angeordnete Auslaßöffnung 4 zu entnehmen. Sie sind mit einem Kanal 5 verbunden, der zum Durchfließen des Werkzeugs 1 mit Temperiermedium dient. Fig. 5 zeigt nun einen Horizontalschnitt durch die Bodenform 1A entlang der Linie V-V in Fig. 4. Es ist schnell ersichtlich, daß der Verlauf der Kanäle 5 in der Bodenform 1A nicht der runden Form des Formnestes 2 angepaßt ist. Fig. 6 zeigt schließlich einen weiteren Horizontalschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4. Auch hier ist wiederum eine Einlaßöffnung 3 und eine Auslaßöffnung 4 dargestellt, die durch einen Kanal 5 verbunden sind. Der Kanal 5 besteht dabei aus einer Mehrzahl von Sackbohrungen 6, welche durch entsprechende Stopfen 7 verschlossen sind.

Schließlich ist Fig. 4 noch zu entnehmen, daß auch die Kernform 1C mehrteilig ausgeführt sein kann. Hierbei werden die einzelnen Teile durch nicht näher bezeichnete Verschraubungen miteinander befestigt. Zur Abdichtung der einzelnen Kanäle dienen O-Ring-Dichtungen 8.

Obwohl im dargestellten Beispiel das Kunststofformteil eine gleichbleibende Wandstärke aufweist, wird doch schnell ersichtlich, daß mit den bekannten Temperierkanälen nicht möglich ist, eine gleichmäßige Wärmezufuhr bzw. -abfuhr zu erreichen. Es ist klar, daß ein solch asymmetrisches Temperaturprofil mit erheblichen Nachteilen bezüglich der Qualität des Formteiles und der Zeit seiner Herstellung verbunden ist.

Je nach Ausgestaltung des herzustellenden Formteiles lassen sich derzeit überhaupt keine Bohrungen positionieren, beispielsweise in engen Bereichen von Kernen oder in Bereichen, in denen funktionsbedingte Elemente wie Auswerfer oder ähnliches angebracht werden müssen. Dies führt ebenfalls zu den bereits erwähnten Unregelmäßigkeiten.

Es ist weiter bekannt, daß neben den beschriebenen gebohrten Kanälen mit unterschiedlicher Lage der Ein- und Auslaßöffnungen auch Sacklochbohrungen mit zusätzlichen Kühlrohren in einer Öffnung verwendet werden. Aber auch hierbei bestehen die oben aufgeführten Probleme, so entstehen durch die hohen Einspritzdrücke und -geschwindigkeiten beim Einsatz von Kühlwendeln oft instabile Formenkerne, welche sich auf die Maßhaltigkeit der Werkstücke auswirken. Miteinander verschraubte Formteile sind häufig durch O-Ring-Dichtungen im Bereich der Temperiermedium-Kanäle vor Leckage geschützt. Die Verwendung solcher O-Ring-Dichtungen hat sich immer wieder als problematisch erwiesen, insbesondere wegen der auftretenden Spaltkorrosion.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte und zuvor näher beschriebene Werkzeug bzw. die Form so auszugestalten und weiter zu bilden, daß die vorerwähnten Nachteile vermieden werden und insbesondere eine Verkürzung der Schußzeit (Zykluszeit) und Verbesserung der Wartungsfreudigkeit erreicht werden, so daß die Qualität der gespritzten Formteile erhöht werden kann. Darüber hinaus soll auch die früher unvermeidbare Spaltkorrosion zuverlässig vermieden werden und ist eine Verbesserung der bekannten Temperatursteuerung in ihrer Gesamtheit erwünscht.

Vorrichtungsmäßig besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß der Verlauf der Kanäle der äußeren Form des Formnestes angepaßt ist und daß die Geometrie der Kanäle auf das Temperaturprofil im Kunststofformteil abgestimmt ist.

Verfahrensmäßig besteht die Lösung der Aufgabe aus einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeugs bzw. einer solchen Form in den Schritten

• - Auftrennen des Werkzeugs bzw. der Form in der Ebene bzw. den Ebenen der herzustellenden Kanäle,
• - Herstellen der Kanäle entsprechend dem gewünschten Verlauf in wenigstens einer Trennfläche des aufgetrennten Werkzeugs bzw. der aufgetrennten Form durch Fräsen, Erodieren od. dgl. und
• - Verbinden der aufgetrennten Teile des Werkzeugs bzw. der Form.

Besonders zweckmäßig erfolgt das Verbinden der aufgeschnittenen Formteile durch Hart- oder Hochtemperaturlöten insbesondere in einem Vakuumofen. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkzeuge bzw. Formen unterliegen keinerlei Beschränkungen bezüglich der Wahl des Verlaufes der Temperiermedium-Kanäle sowie der geometrischen Ausgestaltung der einzelnen Kanäle in jeder aufgetrennten Ebene.

Außerdem ist insbesondere der wahlweise Einsatz unterschiedlicher Temperiermedien (Wasser, Öl, flüssige Gase etc.) möglich. Dabei können die entsprechenden Medienvolumenströme manuell, halbautomatisch oder automatisch geregelt und eingestellt werden. Die entsprechenden Einrichtungen befinden sich zweckmäßigerweise außerhalb des Werkzeugs bzw. der Form. Auch ist durch die erfindungsgemäß möglichen kurzen Kanallängen ein gesteuerter Wechsel der Mediumzufuhr an Einlaß- und Auslaßöffnungen möglich.

Es versteht sich, daß die Erfindung sich nicht auf ein einziges Aufschneiden des Werkzeuges bzw. Formelementes in einer Ebene beschränkt, sondern daß vielmehr mehrere übereinanderliegende Kanalebenen vorhanden sein können. Dabei können die Kanäle in den unterschiedlichen Ebenen innerhalb des Werkzeuges bzw. der Form untereinander in Verbindung bestehen.

Durch die Möglichkeit der Herstellung einer beliebigen Kanalform, lassen sich Geometrien verwirklichen, die dem Medium z. B. einen Drall beim Durchströmen des Kanals ermöglichen. Dies führt zu Turbulenzen im Temperiermedium und damit zu einem beschleunigten optimalen Wärmeaustausch. Diese Turbulenzen können durch das Einbringen von Turbulatoren, wie beispielweise Spiralen, Umlenkblechen od. dgl., in den Kanal noch verstärkt werden. Die Verwendung solcher Turbulatoren ist zwar für sich aus dem Stand der Technik im Bereich des Wärmetauscherbaus bekannt, aber bislang ließen sich solche Turbulatoren nur durch die Teilbarkeit der Werkzeuge bzw. Formen einsetzen.

Durch die Beherrschbarkeit der Kanalausbildung und Kanalform lassen sich bei jedem Werkzeug- oder Formeinzelteil mehrere Kühl- bzw. Wärmekreise ausgestalten, die über wenigstens einen handelsüblichen Temperiermediumverteiler individuell auf das Auswurfergebnis hin mit den geforderten Volumenströmen beaufschlagt werden können. Dies führt zu "getrimmten" Wärmeflüssen, die manuell, halbautomatisch oder automatisch gesteuert werden können und kann beispielsweise mittels visueller Ergebnisbetrachtung des Endproduktes beim Einfahren vor Produktionsaufnahme erfolgen.

Mittels der bevorzugt eingesetzten Vakuum- Hochtemperatur-Löttechnik ist zuverlässig gewährleistet, daß die Formen oder Werkzeuge absolut leckagefrei sind. Auf diese Weise werden innenliegende Spalten der Einzelteile beim Lötprozeß automatisch geschlossen, so daß Spaltkorrosion zuverlässig ausgeschlossen werden kann.

Durch die Erfindung lassen sich konstruktiv bessere Lösungsmöglichkeiten bei Werkzeugen und Formen realisieren. So können beispielsweise Instabilitäten an Formkernen dadurch vermieden werden, daß der eingelötete Kühleinsatz die Spritzdruckkräfte aufnimmt, wodurch die Maßhaltigkeit der Formteile gewährleistet wird.

Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug,

Fig. 2 das erfindungsgemäße Werkzeug im Horizontalschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 das erfindungsgemäße Werkzeug im Horizontalschnitt entlang der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein bekanntes Werkzeug,

Fig. 5 das bekannte Werkzeug im Horizontalschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 das bekannte Werkzeug im Horizontalschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug 11, welches im Prinzip genauso aufgebaut ist wie das bereits vorgestellte bekannte Werkzeug 1 und eine Bodenform 11A, eine Ringform 11B und eine Kernform 1C aufweist. Auch bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug ist eine Einlaßöffnung 13 und eine Auslaßöffnung 14 in jedem einzelnen Formteil vorhanden. Erfindungsgemäß sind nunmehr jedoch die Einlaß- und Auslaßöffnungen 13, 14 durch Kanäle 15 hergestellt, deren Verlauf der äußeren Form des Formnestes 12 angepaßt ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Horizontalschnitte entlang der Linien II-II und III-III. Es wird schnell ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug eine optimale Anpassung des Verlaufs der Kanäle 15 an die Geometrie des Formnestes 12 möglich ist. Ferner lassen die Fig. 2 und 3 erkennen, daß eine ausreichende Stabilität der dem Formnest 12 unmittelbar zugewandten Flächen der Werkzeugformen 11A, 11B und 11C besteht.

Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß die Zeichnung nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt. Zur deutlichen Darstellung weisen die dargestellten Werkzeuge Formnester von Kunststofformteilen mit einfacher geometrischer Struktur auf. Es ist jedoch klar, daß das Bearbeiten der Kanäle entsprechend dem geplanten Volumenstrom des Temperiermediums auch durch Realisation des gewünschten Kanalquerschnittes und/oder der gewünschten Kanalgeometrie entsprechend dem Temperaturprofil im Kunststofformteil erfolgen kann, falls das Kunststofformteil eine kompliziertere geometrische Form und Materialverteilung aufweist. Einem vorhandenen Temperaturprofil kann also erfindungsgemäß ein optimales Kühlprofil entgegengesetzt werden, so daß eine spiegelbildliche Wärmezu- bzw. abfuhr für ein gewünschtes homogenes Temperaturprofil in einem Werkzeug bzw. einer Form erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird also eine erhebliche Verkürzung der Schußzeiten (Zykluszeiten) bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung der gespritzten Formteile erreicht und darüber hinaus die Wartungsfreundlichkeit solcher Werkzeuge bzw. Formen deutlich verbessert.

Claims (8)

1. Temperierbares Werkzeug bzw. temperierbare Form zur Herstellung von Kunststofformteilen mit wenigstens einem Formnest zur Aufnahme der Form des herzustellenden Kunststofformteils, wenigstens je einer Einlaß- bzw. Auslaßöffnung, wobei Einlaß- und Auslaßöffnung bzw. -öffnungen über Kanäle miteinander in Verbindung stehen und ein Temperiermedium-Kanalsysstem zum Kühlen bzw. Beheizen des Formnestes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Kanäle (15) der äußeren Form des Formnestes (12) angepaßt ist und daß die Geometrie der Kanäle (15) auf das Temperaturprofil im Kunststofformteil abgestimmt ist.

2. Werkzeug bzw. Form nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen Turbulatoren zur mechanischen Verwirbelung des Temperiermediums vorhanden sind.

3. Werkzeug bzw. Form nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulatoren durch geeignete Konturen der Kanäle bzw. Kanaloberflächen gebildet sind.

4. Werkzeug bzw. Form nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Turbulatoren mechanische Verwirbelungselemente in die Kanäle eingebracht werden.

5. Verfahren zur Herstellung eines mit wenigstens je einer Einlaß- und Auslaßöffnung und inneren Kanälen versehenen Werkzeuges bzw. einer entsprechenden Form, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Auftrennen des Werkzeugs bzw. der Form in der Ebene bzw. den Ebenen der herzustellenden Kanäle,
• - Herstellen der Kanäle entsprechend dem gewünschten Verlauf in wenigstens einer Trennfläche des aufgetrennten Werkzeugs bzw. der aufgetrennten Form durch Fräsen, Erodieren od. dgl. und
• - Verbinden der aufgetrennten Teile des Werkzeugs bzw. der Form.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der aufgetrennten Teile durch Hart- oder Hochtemperatur­ löten erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hart- oder Hochtemperaturlöten in einem Vakuumofen erfolgt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, gekennzeichnet durch das Bearbeiten der Kanäle entsprechend dem geplanten Volumenstrom des Temperiermediums durch Realisation des gewünschten Kanalquerschnitts und/oder der gewünschten Kanalgeometrie entsprechend dem Temperaturprofil im Kunststofformteil.