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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf das Spritzgießen und im Besonderen auf ein
verbessertes Heizelement mit einer hohen Festigkeit und einer hohen thermischen
Leitfähigkeit
für den
Einsatz in einer Spritzgießvorrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wie
in der Technik gut bekannt, haben Heißläufer-Spritzgießvorrichtungen
einen Verteiler, um die unter Druck stehende Schmelze von dem Einlass an
einer Formmaschine zu einem oder mehreren Auslässen zu fördern, die jeweils zu einer
Düse führen, die
wiederum sich zu einem Anguss in einem Spritzgießhohlraum erstreckt. Verteiler
und Düsen weisen
unterschiedliche Konfigurationen auf, abhängig von der Anzahl und der
Anordnung der Hohlräume.
Es ist bekannt, dass es sinnvoll ist, Mittel zum Beheizen des Verteilers
und/oder der Düsen
bereitzustellen, um eine gewünschte
Temperaturverteilung über
den Verteiler und/oder die Düse
zu halten. Verschiedene Möglichkeiten
zum Beheizen der Verteiler und Düsen
sind bekannt. Zum Beispiel kann ein Verteiler ein elektrisches Heizelement
aufweisen, das integral in den Verteiler eingegossen oder verlötet ist, wie
entsprechend beschrieben in dem
US-Patent
Nr. 4,688,622 von Gellert und dem
US-Patent
Nr. 4,684,546 von Gellert, kann ein Kartuschenheizer in dem
Verteiler eingegossen sein, wie offenbart in dem
US-Patent Nr. 4,439,915 von Gellert,
oder kann ein Plattenheizer angrenzend an den Verteiler positioniert
sein und für
den Verteiler Wärme
bereitstellen, wie beschrieben in der anhängigen US-Anmeldung Seriennummer
09/327,490, eingereicht am 8. Juni 1999 und die sich gleichzeitig
hiermit im Besitz der Anmelderin befindet. In ähnlicher Weise kann eine Düse ein integral
damit verlötetes
Heizelement aufweisen, wie in dem
US-Patent
Nr. 4,557,685 von Gellert gezeigt, kann eine Heizbuchse
um die Düse
herum angeordnet aufweisen, wie in den
US-Patenten Nr. 5,411,392 und
5,360,333 an Von Buren und Schmidt
gezeigt, oder kann einen Filmheizer anwenden, wie in dem
US-Patent Nr. 5,973,296 gezeigt.
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Die
hohen Drücke
und Temperaturen und die zahlreichen Zyklen, die ein Spritzgießsystem
erfährt, erfordert
es, dass Verteiler-, Düsen-
und Heizerbauteile aus einem hochbelastbaren Material, typischerweise
hochfeste Werkzeugstähle,
wie beispielsweise H13, gefertigt sind. Solche Materialien haben
typischerweise auch gute Korrosionswiderstandseigenschaften, was,
wie in der Technik gut bekannt, vorteilhaft ist. Werkzeugstäh le haben
jedoch eine geringe thermische Leitfähigkeit, die eine exakte Steuerung der
Heißläufer- und
Angusstemperaturen schwierig macht. Materialien, wie beispielsweise
Kupfer, haben im Vergleich mit Werkzeugstählen jedoch, obwohl gut thermisch
leitfähig,
typischerweise eine geringe Festigkeit und Härte. Weiter weisen Kupfer und
seine Legierungen auch eine sehr geringe Korrosionswiderstandsfähigkeit
auf. Obwohl andere thermisch leitfähige Materialien bekannt sind,
wie beispielsweise hitzebeständige
Legierungen wie Molybden und Wolfram, können diese Materialien unerschwinglich
teuer sein, nicht zu erwähnen,
schwierig zu verarbeiten.
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Bei
einigen Anwendungen ist es bekannt, dass trotz hoher Festigkeit
hohe thermische Leitfähigkeiten
erreicht werden können,
mittels der Verwendung der sogenannten Metallinfiltrationstechnik, wobei
ein poröses
Skelett, gebildet aus einem hochfesten Metall durch ein thermisch
leitfähiges
Material infiltriert wird, um ein zweiphasiges Verbundteil mit den
guten Eigenschaften beider Metallkomponenten zu erhalten. Das
US-Patent Nr. 4,710,223 von
Matejcezyk offenbart eine Infiltrationsmethode, um in Raketendüsen und
Reaktionsmotoren eine Supererosions- und Hochtemperatur-Widerstandsfähigkeit
zu erreichen, mittels des Infiltrierens eines hitzebeständigen Metalls,
wie beispielsweise Molybden oder Wolfram, mit Kupfer oder einer
Kupferlegierung. Die
US-Patente
Nr. 4,314,399 ,
4,455,353 und
5,507,336 offenbaren das
Verfahren des Herstellens eines aus einem Pulvermaterial ausgebildeten
Formhohlraums, der Kühlleitungen
enthalten kann, gefüllt
mit einem Infiltriermaterial während
eines Infiltrationsschritts. Das
US-Patent
Nr. 5,775,402 von Sachs offenbart ein Verfahren des sogenannten "dreidimensionalen
Druckens", bei dem
eine Metallpulver-Bindemittelmischung durch eine computergesteuerte
Maschine in Schichten aufgetragen wird, um eine komplex geformten
Vorformling Schicht für
Schicht herzustellen. Der Vorformling wird dann gesintert und mittels
den bekannten Techniken infiltriert, um ein Zweiphasenmaterial mit
großer
Festigkeit und Temperaturleitfähigkeit
zu erhalten. Jedoch erfordert Sachs eine komplexe Programmierung
und Maschinenausstattung, um den Vorformling zu erhalten.
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Es
gibt daher einen Bedarf Spritzgießverteiler-, Düsen- und
Heizerbauteile mit einer erhöhten thermischen
Leitfähigkeit
zu erhalten, ohne die Festigkeit zu opfern und, weiter gibt es einen
Bedarf solche Teile durch einfachere Herstellungstechniken zu erhalten.
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Wie
oben erwähnt,
können
Spritzgießkomponenten
durch einen integralen Heizer erwärmt werden, wie beispielsweise
offenbart im
US-Patent Nr. 4,648,546 von
Gellert. Typischerweise wird ein Löt- oder Klebeschritt benötigt, um
das Heizelement mit dem Bau teil zu verbinden, um gute Wärmeübertragungseigenschaften
zwischen dem Element und dem Verteiler, der Düse und/oder dem Heizer zu halten.
Dieser Lötschritt
erfordert jedoch zusätzlichen Aufwand
und Zeit in dem Bearbeitungsprozess.
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Entsprechend
gibt es einen Bedarf, die Anzahl der Herstellungs- und Bearbeitungsschritte
zu reduzieren, die notwendig sind um hochfeste und gut thermisch
leitfähige
Verteiler, Düsen
und Heizer herzustellen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Das
Problem wird durch eine Spritzgießvorrichtung nach Anspruch
1 und ein Verfahren nach Anspruch 17 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind
in den Unteransprüchen
offenbart.
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In
einer ersten Ausführungsform
ist eine Baueinheit zum Beheizen einer Spritzgießkomponente vorgesehen, umfassend
einen Körper
und ein den Körper
erwärmendes
gesteuertes Heizelement, das Heizelement ist an dem Körper befestigt,
wobei der Körper
aus einem Grundmetall hergestellt ist, das Grundmetall zumindest
teilweise mit einem Zweitmetall infiltriert ist, und das zweite
Metall eine höherer thermische
Leitfähigkeit
aufweist als das Grundmetall.
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In
einer zweiten Ausführungsform
ist eine Heißläufer-Spritzgießvorrichtung
vorgesehen, umfassend ein Schmelzübertragungssystem, das System
weist einen Schmelzeverteiler auf mit mindestens einem Schmelzedurchgang
zum Übertragen
der Schmelze von einer Quelle von unter Druck stehender Schmelze,
und mindestens einer Einspritzdüse mit
einer dort hindurch gehenden Schmelzebohrung, die Schmelzebohrung
steht in Fluidverbindung mit mindestens einem Verteilerschmelzedurchgang, mindestens
einem Formhohlraum in der Nähe
der mindestens einen Düse,
der Formhohlraum steht in Fluidverbindung mit der Schmelzebohrung
der mindestens einen Düse,
und einen Körper
zum Heizen mindestens eines Teils des Schmelzübertragungssystems, der Körper weist
ein daran befestigtes Heizelement auf, das Heizelement ist geeignet,
mindestens einen Teil des Körpers
zu erwärmen,
wobei mindestens ein Teil des Körpers
aus einem Grundmetall hergestellt ist und das Grundmetall zumindest
teilweise mit einem zweiten Metall mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit
als das Grundmetall infiltriert wird.
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In
einer dritten Ausführungsform
ist ein Prozess zum Herstellen der Spritzgießkomponente mit einem daran
befestigten elektrischen Heizelement vorgesehen, der Prozess umfasst
die Schritte: Kontaktieren des elektrischen Heizelements mit einem Metallpulver-Vorformling mit einer
zumindest teilweise offener Porosität, der Metallpulver-Vorformling
ist aus einem ersten Metall gebildet; Kontaktieren des Vorformlings
in der Nähe
einer Region der offenen Porosität
mit einer Masse eines zweiten Metalls, das zweite Metall weist eine
höhere
thermische Leitfähigkeit
als das erste Metall auf; Aufheizen des Vorformlings, des Heizelements
und der Masse, um so zu bewirken, dass das zweite Metall zumindest
teilweise die offene Porosität
des Vorformlings infiltriert und, wenn abgekühlt, zumindest teilweise das
Heizelement mit dem Vorformling verbindet.
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In
einer vierten Ausführungsform
ist normalerweise ein Prozess zum Herstellen eines Metallteils mit
mindestens zwei Komponenten vorgesehen, der Prozess umfasst die
Schritte: Herstellen eines Pulver-Vorformlings aus einer ersten
Komponente, der Vorformling weist eine zumindest teilweise offene
Porosität
auf, Berühren
einer zweiten Komponente mit dem Vorformling aus der ersten Komponente;
und Infiltrieren der offenen Porosität des Vorformlings mit einem
zweiten Metall, wobei die zweite Komponente im Wesentlichen gleichzeitig
mit dem Infiltrationsschritt durch das zweite Metall mit der ersten
Komponente verlötet
wird.
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In
einer fünften
Ausführungsform
ist ein Prozess zum Herstellen eines Metallteils mit zumindestens
zwei Komponenten vorgesehen, der Prozess umfasst die Schritte: Herstellen
eines Pulver-Vorformlings aus einer ersten Komponente, der Vorformling
weist eine zumindest teilweise offene Porosität auf; Kontaktieren einer zweiten
Komponente mit dem Vorformling der ersten Komponente, um daraus
eine Baueinheit zu bilden, Kontaktieren des Vorformlings aus der
ersten Komponente mit einer Masse eines Metallinfiltrats; gesteuertes
Aufheizen der Baugruppe und des Metallinfiltrats, um das Metallinfiltrat
zu schmelzen, Halten der Baugruppe und des Metallinfiltrats auf
einer Temperatur bis die offene Porosität des Vorformlings der ersten
Komponente zumindest teilweise durch das Metallinfiltrat infiltriert
ist und die zweite Komponente zumindest teilweise durch das Metallinfiltrat
mit der ersten Komponente verlötet
ist; und gesteuertes Abkühlen
der Baueinheit, um das Metallinfiltrat erstarren zu lassen.
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In
einer sechsten Ausführungsform
ist ein Verfahren zum Herstellen einer Spritzgießkomponente vorgesehen, der
Prozess umfasst die Schritte: Mixen eines Werkzeugstahl-Pulvers mit einem
Bindemittel, um eine Mischung zu bilden; Einspritzen der Mischung
in eine Vorform; Entziehen des Bindemittels aus dem Vorformling;
teilweises Sintern des Vorformlings um darin ein Volumen von 40%
bis 10% einer offenen Porosität
zu erhal ten; Kontaktieren des Vorformlings mit einem Metallinfiltrat,
das Metallinfiltrat weist eine hohe thermische Leitfähigkeit
auf; gesteuertes Aufheizen des Vorformlings und des Metallinfiltrats
auf zumindest die Schmelztemperatur des Metallinfiltrats; Halten
des Vorformlings und des Metallinfiltrats auf der Temperatur, bis
die Porosität der
ersten Komponente zumindest teilweise mit dem Metallinfiltrat infiltriert
ist; und Abkühlen
des Vorformlings um das Metallinfiltrat erstarren zu lassen und die
Spritzgießkomponente
zu erhalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und um deutlicher zu zeigen, wie sie
in Form von Beispielen umgesetzt werden kann, wird nunmehr anhand
von Beispielen auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen. Die Zeichnungen zeigen Artikel, die entsprechend
den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hergestellt sind in denen:
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1 eine
Seitenschnittansicht eines Teils eines typischen Spritzgießsystems
ist, das einen infiltrierten beheizten Verteiler in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung berücksichtigt;
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2 eine
isometrische Explosionsansicht von der Unterseite der beheizten
Verteileranordnung aus 1 ist;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in 2 ist;
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4 eine
Seitenschnittansicht der beheizten Düse aus 1 ist;
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5 eine
Seitenschnittansicht der Düse aus 4 ist,
dargestellt vor der Installation des Düsenheizelements;
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6 eine
Darstellung einer Mikrofotografie des infiltrierten beheizten Verteilers
der Vorrichtung aus 1 ist;
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7 eine
Seitenschnittansicht eines Teils eines typischen Spritzgießsystems
ist, das eine infiltrierte Verteilerheizplattenbaugruppe in Übereinstimmung
mit einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung berücksichtigt;
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8 eine
isometrische Explosionsansicht der Heizplattenbaugruppe aus 7 ist;
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9 eine
isometrische Ansicht der zusammengebauten Heizplattenbaugruppe aus 7 ist;
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10 eine
isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der Heizplattenbaugruppe aus 7 ist;
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11 eine
Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in 10 ist;
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12 eine
Seitenschnittansicht eines typischen Spritzgießsystems ist, eine infiltrierte
Düsenbandheizerbaugruppe
berücksichtigt;
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13 eine
Explosionsansicht eines Bandheizers und einer Federklemme nach einem
Aspekt der Ausführungsform
aus 12 ist;
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14 eine
Seitenschnittansicht eines Bimetallbandheizers nach einem zweiten
Aspekt der Ausführungsform
aus 12 ist;
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15 eine
isometrische Ansicht einer ungebundenen Vorformling-Baugruppe der
Heizplatte aus 7 ist;
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16 eine
Seitenschnittansicht eines Verteilerheizers ist, wobei eine Platte
infiltriert ist und eine Platte uninfiltriert ist;
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17 eine
Seitenschnittansicht eines Teils eines typischen Spritzgießsystems
ist, das ein Filmheizelement und infiltrierte Bauteile berücksichtigt;
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18 eine
vergrößerte Teilansicht
der Filmheizplatte aus der Ausführungsform
aus 17 ist;
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19 eine
Draufsicht auf den Filmheizer aus 17 ist;
und
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20 eine
vergrößerte Schnittansicht
des Bandheizers aus 12 ist, das ein Filmheizelement verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Figuren wird ein in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung ausgebildetes Spritzgießsystem
im Allgemeinen mit M bezeichnet. Bezug wird zunächst auf 1 genommen,
die ein Teil des Spritzgießsystems
zeigt mit einer oder mehreren Düsen 10 aus
Stahl (in 1 ist nur eine gezeigt), um eine
unter Druck stehende Kunststoff schmelze durch einen Schmelzedurchgang 12 zu
einer Angussöffnung 14,
die in einen Formhohlraum 16 in einer Form 18 führt, zu
transportieren. In dieser besonderen Ausführungsform umfasst die Form 18 eine
Hohlraumplatte 20 und eine Rückenplatte 22, die
entfernbar miteinander durch Bolzen 24 verbunden sind.
Es ist selbstverständlich,
dass die Form 18 eine größere Anzahl von Platten aufweisen
kann, abhängig
von der Anwendung, zur Erleichterung der Darstellung sind hier nur
die Platten 20, 22 gezeigt und beschrieben.
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Die
Form 18 wird gekühlt,
indem Kühlwasser durch
Kühlleitungen 26 gepumpt
wird, die sich durch die Formplatte 20 und die Rückenplatte 22 erstrecken.
Ein elektrisch beheizter, infiltrierter Schmelzverteiler 28 (bevorzugt
kupferinfiltrierter Stahl) ist zwischen der Hohlraumplatte 20 und
der Rückenplatte 22 durch
einen mittigen Positionsring montiert, der in ein passendes Loch 30a im
Verteiler 28 angeordnet ist, sowie durch isolierende und
elastische Abstandsglieder 32. Der Schmelzverteiler 28 weist
einen zylindrischen Einlassabschnitt 34 auf und wird durch
ein integrales elektrisches Heizelement (36) erwärmt. Ein
isolierender Luftspalt 38 ist zwischen dem beheizten Verteiler 28 und
der umgebenden gekühlten Hohlraumplatte 20 und
Rückenplatte 22 vorgesehen. Der
Schmelzdurchgang 12 erstreckt sich von einem gemeinsamen
Einlass 40 im Einlassbereich 34 des Verteilers 28 und
verzweigt sich nach außen
im Verteiler 28 in jede Düse 10, wo er sich
durch eine zentrale Schmelzebohrung 42 und dann durch eine fluchtende
zentrale Öffnung 44 in
einem Torpedo 46 zu einer der Angussöffnungen 14 erstreckt.
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Jede
Düse 10 weist
eine äußere Oberfläche 48,
ein hinteres Ende 50 und ein vorderes Ende 52 auf.
Die Düse 10 wird
auch in dieser besonderen Anordnung durch ein integrales elektrisches
Heizelement 54 erwärmt,
das einen spiralen Abschnitt 56, der sich um die Schmelzebohrung 42 herum
erstreckt, und externe Anschlüsse 58 aufweist,
die an elektrische Leitungen 60 von einer Stromquelle angeschlossen
sind. In anderen Anwendungen können das
Heizelement 36 und die Schmelze selbst ausreichend Wärme bereitstellen,
so dass ein Heizelement in der Düse 10 nicht
erforderlich ist. Die Düse 10 sitzt in
einer Bohrung 62 in der Hohlraumplatte 20 mit
einem zylindrischen Positionierflansch 64, der sich vorwärts zu einer
kreisförmigen
Positionierschulter 66 in der Bohrung 62 erstreckt.
Daher wird zwischen der inneren Oberfläche 70 der Bohrung 62 und
der äußeren Oberfläche 48 der
Düse 10 ein
isolierender Luftspalt 68 bereitgestellt, um eine thermische
Trennung zwischen der beheizten Düse 10 und den umgebenden
gekühlten
Formhohlraum 16 bereitzustellen. In dieser Ausführungsform
weist die Schmelzebohrung 42 einen vergrößerten Abschnitt
mit einer Innengewindeoberfläche 72 auf, um
an seinem vorderen Ende 52 ein Gewindesitz 74 zu
bilden. In dieser besonderen Konfiguration hat die Bohrung 62 einen schmalen
zentralen Bereich 76 der sich hinter dem Luftspalt 68 nach
vorne erstreckt und sich nach innen zur Angussöffnung 14 verjüngt. Ein
schmaler kreisförmiger
Sitz 78 erstreckt sich um einen zentralen Bereich 76 der
Bohrung 62 in dem Formraum 16. Es ist selbstverständlich,
dass die Düse 10 für unterschiedliche
Angussanordnungen andere Konfigurationen aufweisen kann, abhängig von
der gewünschten
Angussanordnung für
eine besondere Anwendung.
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Bezug
nehmend auf die
2 und
3 umfasst
der Verteiler
28 einen im Wesentlichen ebenen Körper
80 mit
einer Nut
82 in einer Fläche
84 des Körpers
80 zum
Aufnehmen eines elektrischen Heizelementes
36. Die Anordnung
der Nut
82 in der Fläche
84 ist
so gestaltet, um den Verteiler
82 abhängig von der Anwendung mit
einer gewünschten
Temperaturverteilung zu versorgen. Das Element
36 wird
in die Nut
82 der Fläche
84 eingelötet (bezeichnet
durch die Bezugsziffer
86). Ein solches Einlöten kann
ausgeführt
werden entsprechend dem
US-Patent
Nr. 4,648,546 von Gellert oder durch andere bekannte Löttechniken,
d. h. als unabhängige
und unterschiedliche Arbeitsschritte, nachdem die Infiltration des
Verteilers
28 abgeschlossen wurde, jedoch ist nach einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ein solches Löten bevorzugt, das simultan
mit der Infiltration des Verteilers erreicht wird, wie weiter unten
vollständiger beschrieben
werden wird. Auch kann das Element
36 anstatt durch Löten in gleicher
Weise durch andere Mittel mit dem Verteiler
28 verbunden
werden, wie beispielsweise andere mechanische Befestigungsmittel,
wie sie in der Technik bekannt sind, so wie durch das Einpressen
des Elements
36 in den Verteiler
28, um eine Eingriff-,
Reibungs- oder Deformationspassung auszubilden. In ähnlicher
Weise können thermische
Sprühtechniken
eingesetzt werden, um das Element mit dem Verteiler
28 zu
verbinden. Die Anordnung des Heizelements
26 kann auch
so variiert werden, um es anstatt auf der Fläche
84 an einer gegenüberliegenden
Seite
88 des Körpers
80 anzuordnen.
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Bezug
nehmend auf die
4 und
5 weist
die äußere Oberfläche
48 der
Düse
10 einen
im Allgemeinen spiralförmigen
Kanal
56 auf, der sich um die Oberfläche
48 herum und entlang
der Oberfläche
48 der
Düse
10 erstreckt.
Ein im Allgemeinen schraubenförmiges
Heizelement
54 ist in dem Kanal
56 aufgenommen
und darin durch Verlöten
mit einem hochleitfähigen
Material eingebettet, wie beispielsweise Nickel oder Kupfer, wie
es vollständiger
beschrieben ist in dem
US-Patent
Nr. 4,557,685 von Gellert. Wie in dem Patent '685 beschrieben und
wie es in den Figuren gesehen werden kann, ist der Ab stand des spiralförmigen Kanals
56 nicht
notwendigerweise einheitlich und ist im Allgemeinen enger in der
Umgebung der Gebiete, in denen mehr Wärme erforderlich ist.
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Bezug
nehmend auf 6 umfasst der Verteiler 28 ein
Metallskelett 90, infiltriert durch ein Metall 92 der
zweiten Infiltrationsphase, das Zweitphasenmetall 92 weist
eine höhere
thermische Leitfähigkeit als
das Metallskelett 90 auf. Das Metallskelett 90 ist bevorzugt
ein Werkzeugstahl und bevorzugter entweder H13, M2 oder D2, und
am bevorzugtesten H13. Das Zweitphasenmetall 92 kann jedes
hochthermisch leitfähige
Metall sein und bevorzugt Kupfer, eine Kupferlegierung, Silber oder
eine Silberlegierung, am bevorzugtesten Kupfer. In dieser Anmeldung,
einschließlich
der hier anhängigen
Ansprüche, ist
es selbstverständlich,
dass der Begriff "Metall" verwendet wird,
um sich im Allgemeinen auf sowohl reine Metalle als auch Legierungen
von Metallen zu beziehen. Der Prozess, durch den Infiltration erreicht wird,
ist weiter unten detaillierter beschrieben
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In
einer zweiten Ausführungsform
sind die Düse(n) 10 in
dem Spritzgießsystem
M auch durch ein Zweitphasenmetall infiltriert, in einer Weise,
wie gerade für
den Verteiler 28 beschrieben, und das Heizelement 54 ist,
wie unten beschrieben, gleichzeitig auch mittels der Infiltration
durch das Zweitphasenmetall in der Nut 56 verlötet. In
einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Düse 10 infiltriert
jedoch der Verteiler 28 nicht.
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In
einer dritten Ausführungsform
wird der Schmelzeverteiler extern erwärmt, wie beispielsweise durch
eine an den Verteiler angrenzende elektrische Heizerplatte, wie
beschrieben in der anhängigen
US-Anmeldung mit der Seriennummer 09/397,490, eingereicht am 8.
Juni 1999, die gleichzeitig hiermit im Besitz ist. Bezug nehmend
auf 7 ist in einem Spritzgießsystem M' ein Verteiler 100 zwischen
der Hohlraumplatte 20' und
der Rückenplatte 22' durch einen
mittigen Positionsring 30' montiert
und eine Vielzahl von isolierenden Abstandshaltern 32' sind vorgesehen,
um die Aufrechterhaltung eines Temperaturunterschieds zwischen dem Schmelzverteiler 100 und
der Form 18' zu
erleichtern. Eine in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ausgebildete infiltrierte Heizerplatte 106 (bevorzugt
Kupfer infiltrierter Stahl) ist entfernbar zwischen den Düsen 10' und dem Schmelzeverteiler 100 montiert,
indem sich Schrauben 108 durch die Heizerplatte 106 und
durch Löcher 106a in
den Verteiler 100 erstrecken. Eine Vielzahl von Positionierungsstiften 110 erstrecken
sich von der Heizerplatte 106 in den Schmelzeverteiler 100.
Ein elektrisches Heizelement 36' ist in der Heizerplatte 106 angeordnet.
Die Düse 10' ist mittels
Bolzen (nicht gezeigt), die sich durch den Schmelzeverteiler 28' und die Heizerplatte 106 erstrecken,
an der Heizerplatte 106 und dem Schmelzeverteiler 28' befestigt.
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Bezug
nehmend auf die 8 und 9, in der
eine Heizerplatte 106 einen ebenen Körper aufweist mit einer Frontplatte 114,
mit einer Nut 114a in einer Innenfläche 114b, und mit
einer Rückenplatte 116 mit
einer Nut 116a in einer Innenfläche 116b. Ein Heizelement 36' ist in der
Mitte zwischen den Platten 114 und 116 in einem
Kanal 118, der durch die Nuten 114a und 116a geformt
ist, positioniert. Eine mittige Bohrung 120 ist in den
Platten 114 und 116 vorgesehen, um den Durchgang
von unter Druck stehenden Schmelze von dem Verteiler 100 zu
der Düse 10' zu erlauben.
In anderen Ausführungsformen
kann die Heizerplatte 106 eine Vielzahl von Schmelzebohrungen 120 aufweisen,
die sich dort hindurch erstrecken, um zu erlauben, dass die Heizerplatte 106 angrenzend
an eine Vielzahl von Düsen 10' montiert wird. Das
Heizelement 36' weist
Anschlussteile 36a auf, die abstehend von der Heizerplatte 106 angeordnet sind,
zum Anschluss an die Leitungen (nicht gezeigt) einer gesteuerten
Stromversorgung (auch nicht gezeigt). Die Anordnung des Kanals 118 in
der Heizerplatte 106 ist derart ausgebildet, um die gewünschte Temperaturverteilung über der
Heizerplatte 106, und dadurch, bei einer vorgegebenen Anwendung
auch über
den Verteiler 100 durch die Wärmeleitung von der Platte 106 bereitzustellen
und zu halten. Obwohl der Kanal 118 aus den zusammenwirkenden
Nuten 114a und 116a in den Platten 114 und 116 besteht,
ist es für
einen Fachmann selbstverständlich,
dass ein solches Zusammenwirken nicht notwendig ist und dass der
Kanal 118 falls gewünscht
in gleicher Weise vollständig
in der Platte 114 oder 116 vorgesehen sein kann.
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Das
Heizelement 36' ist
bevorzugt in dem Kanal 118 eingelötet und die Platten 114 und 116 sind bevorzugt
an den Flächen 114b und 116b zusammengelötet. Ein
solches Löten
kann entsprechend dem Stand der Technik ausgeführt werden, d. h. als unabhängige und
unterschiedliche Arbeitsschritte nachdem die Infiltration der Platten 114 und 116 beendet
ist, jedoch kann nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein
solches Löten
bevorzugt gleichzeitig mit der Infiltration der Platten 114 und 116 erreicht
werden, wie weiter unten vollständiger
beschrieben. Alternativ zum Löten
können
die Platten 114 und 116 und daran das Element 36' durch die Verwendung
jedes anderen mechanischen oder metallurgischen Mittels, die in
der Technik als geeignet bekannt sind, wie beispielsweise eine Reibpassung oder
thermische Spitzen, etc., verbunden werden.
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Es
ist für
den Fachmann selbstverständlich, dass
die Heizerplatte irgendwo anders in Bezug auf den Verteiler positioniert
werden kann, wie beispielsweise in Bezug auf die in der Ausführungsform
der 17 gezeigte Position, die weiter unten beschrieben
ist.
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Bezug
nehmend auf die
10 und
11 ist
es selbstverständlich,
dass andere Mittel des Beheizens des Verteilers und der Heizerplatte
verfügbar sind.
Die Heizelemente
36 und
36' können durch einen Heizkanal
130 ersetzt
werden, durch das ein Wärmefluid
132,
wie beispielsweise Öl,
zirkuliert. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt)
kann das Heizelement als ein oder mehrere konventionelle kartuschenartige
Widerstandsheizer oder Heizrohre ausgebildet sein, die sich in eine
oder mehrere Bohrungen in dem Verteiler
28 oder der Heizplatte
106 erstrecken,
wie beispielsweise beschrieben in dem
US-Patent
Nr. 4,500,279 von Devellian.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform weist
die Düse
10,
anstatt ein integrales Heizelement aufzuweisen, einen externen Bandheizer
auf, von der Art die in dem
US-Patent
Nr. 5,411,392 von Von Buren und dem
US-Patent Nr.5,360,333 von Schmidt
offenbart sind. Die Konstruktion solcher Bandheizer wird hier nur
kurz beschrieben, da es für
einen Fachmann in dieser Technik offensichtlich ist, dass die Patente '392 und '333 vollständig die
Konstruktion und den Betrieb solcher Heizer beschreiben.
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Bezug
nehmend auf 12 ist ein gegenüber dem
Spritzgießsystem
M im Wesentlichen identisches Spritzgießsystem M'',
das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, gezeigt, mit Ausnahme
von dem was nun beschrieben wird. Die Düse 10'' umfasst
eine einfache Spritzgießdüse mit einer
glatten äußeren Oberfläche 48''. Ein Bandheizer 200 ist
ortsfest um die Düse 10'' herum angeordnet. Im Betrieb wird
der Bandheizer 200 mit elektrischen Leitungen 60'' verbunden und stellt für die Düse 10 Wärme mittels
Wärmeleitung
bereit.
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In
einem Aspekt der Ausführungsform
aus
12 kann der Bandheizer
200 einen Heizer
der Art aufweisen, die im
US-Patent
Nr. 5,411,392 offenbart ist. Bezug nehmend auf
13 umfasst
der Heizer
200 in diesem Aspekt einen ringförmigen Heizer
202 und
eine ringförmige
Feder
204. Die Feder
204 ist federartig ausgebildet
und übt
einen kontinuierlichen Druck auf den Heizer
202 aus, um
den Heizer
202 in Richtung der Düse
10'' zu
drängen.
Die Feder
204 ist bevorzugt mit einem Durchmesser ausgebildet,
der kleiner als der des Heizers
202 ist, um so eine kontinuierliche
Spannung dort herum auszuüben
und um so für
eine sichere Anordnung eine Vorspannung auf den Heizer
202 aufzubringen.
Die Feder
204 übt
entlang der gesamten Länge
des Heizers bevorzugt einen kontinuierlichen Druck auf und Kontakt
mit den Heizer (
202) aus, jedoch können für eine vor gegebene Spritzgießanwendung
andere Aufbauten bevorzugt sein. Die Enden
206 und
208 der
Feder
204 sind voneinander beabstandet, um einen Spalt
210 dazwischen übrig zu
lassen, der es erlaubt, die Leitung
60'' von
dem Heizer
202 einem Ausgang zuzuordnen, jedoch können auch
andere Anordnungen verwendet werden und die Feder
204 kann
den Heizer
202 vollständig
umgeben und sich selbst überlappen.
Einer von beiden, entweder der Heizer
202 oder die Feder
204,
kann, wie in
6 gezeigt und weiter unten mit weiteren
Details beschrieben, aus einem infiltrierten Metall bestehen, um
die Festigkeit und die thermische Leitfähigkeit des Heizers
200 zu
verbessern.
-
In
einem zweiten Aspekt dieser Ausführungsform
kann der Bandhalter
200 ein bimetallisches Klemmsystem
umfassen von der im
US-Patent Nr.
5,360,333 beschriebenen Art. Ein solches System erlaubt
eine Konstruktion, die den Heizer
200 fest auf und um die
Düse
10'' herum halt, ohne die Notwendigkeit
zusätzlicher
Klemmmittel. Bezug nehmend auf
14 in
der der Heizer
200 aus einem Bimetall besteht, geformt
durch einen zylindrischen Körper
oder Heizhülse
220 umfassend
eine koaxiale Röhrenbaugruppe
einer zylindrischen inneren Hülse
222,
einer zylindrischen Außenhülse
224 und
einer Heizspirale
226, die dazwischen angeordnet ist. Die Heizspirale
ist elektrisch mit Anschlussdrähten
60'' (nicht gezeigt) verbunden. Wie
in dem Patent '333 beschrieben
ist die innere Hülse
222 aus
einem Material gebildet, das eine höhere thermische Ausdehnung
als die äußere Hülse
224 aufweist.
Es ist für den
Fachmann in der Technik verständlich,
dass eine oder beide Hülsen
222 und
224 aus
einem infiltriertem Zweitphasen-Material hergestellt werden kann und
dadurch die darin offenbarten Vorteile erreichen kann mit der einzigen
Anforderung, dass die Innenhülse
222 eine
insgesamt resultierende thermische Leitfähigkeit aufweist, die höher ist
als die der äußeren Hülse
224.
-
Bezug
nehmend auf die
17 bis
19, in
denen ein Filmheizelement verwendet wird, um eine Verteilerheizerplatte
zu erwärmen.
Filmheizer sind bekannt und werden in vielen Anwendungen außerhalb
der Spritzgießprozesse
verwendet. Filmheizer wurden vor kurzem in Verbindung mit Heißläufer-Einspritzdüsen und
Heißläufer-Verteilern
eingeführt.
In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf die europäische Patentanmeldung
Nr.
EP 0963829 von Husky
Injection Molding Systems Ltd. und
US-Patent
Nr. 5,973,296 von Juliano et al..
17 zeigt
einen Teil eines Spritzgießsystems
M''' mit einem infiltrierten Verteiler
28''',
der auf einer Seite durch ein Element
36''' und auf der
anderen Seite durch einen infiltrierten Verteilerheizer
50''' erwärmt wird.
Ein Schmelzekanal
12''' durch den Verteiler
28''' überträgt eine
unter Druck stehende Schmelze von der Spritzgießmaschine an eine infiltrierte
Düse
10'''.
Bezug nehmend auf
18 weist der Verteilerheizer
50''' eine
daran befestigte Heizeinrichtung
300 auf, die Heizeinheit
300 umfasst
ein Filmheizelement
302, das zwischen einer dielektrischen
Schicht
304 (die ebenfalls eine Filmschicht sein kann)
und einer Isolierschicht
306 angeordnet ist. Bezug nehmend auf
19 ist
das Filmheizelement
302 flächig ausgebildet mit einem
darin aufgenommenen Heizelement
308 und einem Thermoelement
310.
Wenn die Heizeinheit
300 in Betrieb genommen wird, stellt
sie Wärme
für die
Heizerplatte
50''' bereit, die wiederum den Verteiler
28''' erwärmt. Die
in
18 und
19 gezeigten
Filmheizer können
unter Verwendung jeder, in der
EP
0963829 oder
US-Patent
Nr. 5,973,296 erwähnten
bekannten Technologie hergestellt werden sowie mit der die in den
beiden Patenten zitierten Referenzen erwähnt sind. Es ist für den Fachmann
in der Technik selbstverständlich,
dass der Heizer
50''' in gleicher Weise zwischen dem
Verteiler
28''' und der Düse
10''' positioniert
sein kann, in einer ähnlichen
Weise wie in der Ausführungsform
aus
7 gezeigt, so dass möglicherweise der Bedarf für das Element
36'' beseitigt ist.
-
Die
Filmheizertechnologie kann in gleicher Weise verwendet werden, um
einen infiltrierten Banddüsenheizer
entsprechend der vorliegenden Erfindung bereitzustellen (d. h. von
der in
12 dargestellten Art). Bezug
nehmend auf
20 ist ein Filmheizer
320 vorgesehen,
der eine Filmheizerschicht
322 zwischen einer dielektrischen
Schicht
324 und einer Isolationsschicht
326 umfasst,
wie im
US-Patent Nr. 5,973,296 beschrieben.
Dieser Heizer stellt Wärme
für den
infiltrierten Bandheizer
50'''' bereit.
-
Abhängig von
der jeweiligen Anwendung kann es wünschenswert sein, einen Verteiler,
eine Verteilerheizerplatte und ein Düsensystem einzusetzen, in denen
einige Komponenten infiltriert sind während andere es nicht sind.
Es ist selbstverständlich,
dass die vorliegende Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, in denen
eine der Komponenten infiltriert ist.
-
Im
Betrieb ist das Spritzgießsystem
M wie in 1 gezeigt, zusammengebaut. Während in 1, um
die Darstellung zu erleichtern, nur ein einzelner Hohlraum 16 gezeigt
wird, ist es selbstverständlich, dass
der Schmelzverteiler 28 abhängig von der Anwendung typischerweise
viele Schmelzedurchgangsverzweigungen, die sie zu einer Vielzahl
von Hohlräumen 16 erstrecken,
aufweisen kann. Eine elektrische Leistung wird dem Heizelement 36 im
Verteiler 28 und dem Heizelement 54 in der Düse 10 zugeführt, um
diese auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu erwärmen. Die
Heizelemente 36 im Verteiler 28 können in
der Reihe oder parallel verschaltet sein. Alternativ kann jedes
Heizelement 36 oder eine oder mehrere der Heizelemente 36 mit
einer separat gesteuerten Spannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden
sein, um individuell deren Temperatur einzustellen. Um den gesamten
Schmelzedurchgang 12 auf einer gleichmäßigen Temperatur zu halten
kann es notwendig sein, einem Verteiler 28 mehr Wärme zuzuführen als
anderen. So wird etwa üblicherweise weniger
Wärme für einen
Verteiler 28 in der Mitte der Form 18 benötigt als
für diejenigen
an der Peripherie. Unter Druck stehende Schmelze wird dann nach
einem vorbestimmten Zyklus in einer konventionellen Weise von einer
Spritzgießmaschine
(nicht gezeigt) durch einen gemeinsamen Einlass 40 in den
Schmelzedurchgang 12 eingespritzt. Die unter Druck stehende
Schmelze strömt
durch die Schmelzebohrung 42 jeder Düse 10 entlang des
Torpedos 46 und durch die Angussöffnung 14, um den
Hohlraum 16 zu füllen.
Nachdem die Hohlräume 16 gefüllt sind,
wird der Einspritzdruck kurzzeitig gehalten, um das Teil zu komprimieren,
und dann entspannt. Nach einer vorbestimmten Kühlperiode wird die Form geöffnet, um das
geformte Produkt zu entnehmen. Nach der Entnahme wird die Form geschlossen
und der Einspritzdruck wieder aufgebaut, um die Hohlräume wieder
zu füllen.
Dieser Zyklus wird kontinuierlich wiederholt mit einer Frequenz,
die abhängig
ist von der Größe und Form
der Hohlräume 16 und
von der Art des eingespritzten Materials.
-
Es
ist für
den Fachmann in der Technik offensichtlich, dass das Spritzgießsystem
M' wie in den 4 und 5 dargestellt,
M'' wie in 12 dargestellt,
und M''' wie in 17 dargestellt,
im Wesentlichen wie gerade beschrieben funktionieren, aber mit den
offensichtlichen Ausnahmen. In dem Fall des Systems M' stellen die Heizelemente 36', wenn in Betrieb,
Wärme für die Heizerplatte 106 bereit,
die wiederum den Verteiler 28' erwärmt. Im Falle des Systems M'' erwärmt
der Heizer 200 die Düse 10''.
-
Durch
die verbesserten thermischen Leitfähigkeitseigenschaften der entsprechend
der vorliegenden Erfindung infiltrierten Komponenten, wird die von
dem Heizelement übertragene
Wärme schneller und
effizienter durch die infiltrierte Komponente übertragen, wegen des verbundenen
Netzwerkes des Zweitphasenmetalls 92 infiltriert in das
Skelett des Basismetalls 90.
-
Daher
wird nach der vorliegenden Erfindung durch das Bereitstellen einer
Spritzgießkomponente wie
beispielsweise einen Verteiler 28, einer Heizplatte 106,
einer Düse 10'' oder einem Bandheizer 200, umfassend
ein hochfestes Grundmetall infiltriert durch ein Zweitphasenmetall
mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, eine Spritzgießkomponente
erlangt mit einer hohen Festigkeit, um den Betriebszyklen und der
Vielzahl von Betriebszyklen zu widerstehen und einer guten thermischen
Leitfähigkeit
um Wärme
effek tiv durch die Struktur zu übertragen.
Das Ergebnis ist eine verbesserte Temperaturregelung der unter Druck
stehenden Schmelze in dem Verteilersystem, was dadurch die Zykluszeit,
die Teilequalität
und die Systemeffizienz positiv beeinflussen kann.
-
Nach
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann der Verteiler 28,
die Frontplatte 114, die Rückplatte 116, die
Filmheizerplatte 50''', die Düse 10'' und/oder
der Bandheizer 200 durch die Verwendung einer Metallinfiltrationstechnik
ausgebildet werden, um ein Zweiphasen-Metallteil mit einer hohen Festigkeit
und verbesserten thermischen Eigenschaften zu erhalten. Die folgende
Beschreibung bezieht sich auf die Praxis des Verfahrens Platten 114 und 116 auszubilden,
aber es ist selbstverständlich, dass
eine solche Beschreibung in gleicher Weise auf die Herstellung von
dem Verteiler 28, dem Heizer 50''', der Düse 10'' und dem Bandheizer 200 anwendbar
ist, die Modifikationen enthalten die für den Fachmann in der Technik
offensichtlich sind.
-
Ein
Grundmetall, typischerweise ein Werkzeugstahl wie H13 wird in Pulverform
mit einem Kunststoffbindemittel gemischt und vorbereitet für ein Metallspritzgießen in eine
Vorform mit einer netzartigen Form einer Heizerplatte 114 oder 116.
Es ist selbstverständlich
für den
Fachmann in der Technik dass die Pulverbeladung der Metall- und
Bindemittelbeimischung so sein muss, dass die ungesinterten Teile
ihre Form beibehalten, wenn das Teil das Bindemittel abgegeben hat.
Die Mischung wird dann unter Verwendung der in der Technik bekannten
Weise eingespritzt, um ein ungesintertes Teil mit einem gewünschten
Netz oder einer netzartigen Form zu erhalten.
-
Das
ungesinterte Teil wird dann als Nächstes in einer Vakuum oder
Inertgas-Umgebung erwärmt auf
eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Basismetalls aber
oberhalb des Schmelzpunktes des Bindemittels, um das Bindemittel
aus dem Vorformling zu lösen
und ein ungesinterten Vorformling umfassend ein Skelett mit einer
untereinander verbundenen offenen Porösität übrig zu lassen. Der poröse Vorformling
wird dann teilweise gesintert, um die Porösität des Teils zu reduzieren und
einen gesinterten porösen
Vorformling zu erzeugen. Wie es für den erfahrenen Handwerker
verständlich
ist, kann ein Anstieg der Sintertemperatur entsprechend den Anteil der
Porösität in dem
Vorformling reduzieren. Daher, weil die Erhaltung der untereinander
verbundenen Porösität über den
gesinterten Vorformling gewünscht
ist, sollte die Sintertemperatur nicht die Temperatur überschreiten,
bei der ein Schließen
der Poren bewirkt wird. Bevorzugt weist der gesinterte Vorformling
eines Porösität zwischen
40% und 10% des Volumens auf und bevorzugt zwischen 30% und 15%.
-
Bezugnehmend
auf 15 werden die porösen Vorformlinge 114'' und 116'' einer
Frontheizerplatte 114 bzw. einer Rückenheizerplatte 116 dann ausgerichtet
und mit den zusammen passenden inneren Oberflächen 114b und 116b aneinander
anliegend positioniert und mit einem elektrischen Heizelement 36' in dem Kanal 118 dazwischen
angeordnet, um eine Vorformling-Baugruppe 140 zu bilden.
Die Anschlüsse 36a des
Elements 36 werden entsprechend von den Vorformlingen 114'' und 116'' freiliegend
gelassen für
eine äußere Verbindung
zu einer gesteuerten Spannungsquelle (nicht gezeigt). Die Vorformlingbaugruppe 140 wird
dann einer Infiltration eines Metalls der zweiten Phase ausgesetzt,
um im Wesentlichen die Porösität des Grundmetalls
der Heizerplattenvorformlinge 114'' und 116'' zu füllen, wie es nun beschrieben
wird. Eine Masse (nicht gezeigt) eines thermisch leitfähigen Metalls
wird dann beispielsweise als Platte, Blatt oder Barren in Kontakt mit
den Vorformlingen 114'' oder 116'', oder mit beiden der Vorformling-Baugruppe 140 platziert
und dann in einem Vakuum- oder Inertgasofen platziert und auf eine
Infiltrationstemperatur erwärmt.
Die Infiltratmasse muss nicht beide Vorformlinge 114'' und 116'' berühren, sondern
muss nur einen berühren.
In einer besonderen Anwendung kann jedoch eine Vielzahl von Infiltratmassen
wünschenswert
sein. Die Infiltrationstemperatur des Ofens braucht nur leicht höher als
die Schmelztemperatur des Metallinfiltrats zu sein, und die Temperatur
und Zeit der Infiltration sollten im Allgemeinen so gering wie möglich gehalten werden,
um jede Interaktion oder Löslichkeit
zwischen dem Grundmetall und dem Infiltratmetall zu minimieren.
Bei der Infiltrationstemperatur schmilzt das Metallinfiltrat über die
Zeit und wird durch eine Kapillarwirkung in dem porösen Vorformling
absorbiert, um den leeren Raum der darin untereinander verbundenen
Porösität zu füllen. Wie
es für
den Fachmann der Technik offensichtlich ist, sollte ausreichend
Infiltratmetall bereitgestellt werden, um die untereinander verbundene
Porösität des Grundmetall-Vorformlings
im Wesentlichen zu füllen.
-
Als
vorteilhaft wurde herausgefunden, dass wenn das Zweitphasenmetall
in die miteinander verbundene Porösität der Grundmetallvorformlinge
infiltriert, das Infiltrat auch bewirkt, dass die Flächen 114b und 116b miteinander
verlöten.
Das Infiltrat kann auch gleichzeitig das elektrische Heizelement 36' mit dem Kanal 82 verlöten. Daher
wird gleichzeitig mit der Infiltration eine integrale und metallurgisch verbundene
Heizerbaugruppe 106 erreicht und die dabei gute Festigkeit
und thermische Eigenschaften hervorbringen. Bevorzugt ist das elektrische
Heizelement 36' nicht
infiltriert und der Infiltrationsprozess wirkt auch nicht in anderer
Weise auf die Funktionalität
des Heizelements 36.
-
Sobald
die Infiltration beendet ist füllt
das thermische leitfähige
Metallinfiltrat die vorher miteinander verbundene Porösität des Basismetalls
(siehe 6). Als eine Folge weist der Verteiler 28 und/oder die
Heizerplatte 106 eine hohe Härte auf, um den hohen Betriebsdrücken einer
Vielzahl von Betriebszyklen zu widerstehen, und eine gute thermische
Leitfähigkeit,
um effektiv Wärme
durch die Struktur hindurch zu übertragen.
Die vorliegende Erfindung bewirkt auch, dass sich das thermisch
leitfähige
Metallinfiltrat um das elektrische Heizelement 36' herum festsetzt,
um dadurch das Element in die Heizerplatte 106 zu integrieren
und dadurch die Wärmetransfereffizienz
der Heizerplatte 106 zu erhöhen. Die gleichzeitige Art
und Weise eines solchen Lötschritts
reduziert in nützlicher
Weise die Anzahl der Arbeitsschritte, die beim Fertigen des Spritzgießsystems
nötig sind.
-
Die
vorliegende Erfindung kann bevorzugt mit jedem Grundmetall genutzt
werden, das gute Festigkeitseigenschaften aufweist, wie beispielsweise
Werkzeugstahl wie H13, M2, D2 oder Kohlenstoffstähle. Unabhängig von dem gewählten Grundmetall
werden die Sinterbedingungen genutzt, um die Stärke der Porösität im ungesinterten Teil zu
steuern, wie es für
den Fachmann in der Technik selbstverständlich ist, dass die gesamte
Porösität abnimmt wenn
die Sintertemperatur und/oder die Zeit ansteigt. Nachdem der ungesinterte
Vorformling aus dem Grundmetall eine verbundene offene Porösität aufweisen
muss, muss das Sintern vorsichtig gesteuert werden, um sicher zu
stellen, dass ein Porenverschließen verhindert wird, und dass
das ungesinterte Teil durchlässig
ist für
das flüssige
Metallinfiltrat.
-
Jedes
geeignete Metallinfiltrat mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit
kann erfolgreich in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Dabei sind jedoch Kupfer und Kupferlegierungen bevorzugt.
-
Es
ist selbstverständlich,
dass Bindemittel, die für
den Einsatz mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet
sind, diejenigen sind die bei geringeren Temperaturen schmelzen
oder erweichen, so dass die Metall-Bindemittelmischung während des
Spritzformens gute Fließeigenschaften
aufweist. Jedoch muss das Bindemittel auch für den ungesinterten geformten
Artikel eine ausreichende Festigkeit bereitstellen um ein Kollabieren
oder Deformierung während
der Handhabung zu verhindern. Bevorzugt degradiert das ausgewählte Kunststoffbindemittel
bei einer relativ geringen Temperatur um das Herauslösen des
Bindemittels aus dem ungesinterten Teil zu erleichtern.
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Es
ist offensichtlich für
den Fachmann in der Technik, dass das Vorformling-Verfahren nach
der vorliegenden Erfindung durch jedes Pulververarbeitungsverfahren
erreicht werden kann und nicht auf das Metallspritzgießen des
Vorformlings aus dem Grundmetall beschränkt werden muss. Zum Beispiel kann
ein herkömmliches
Pulverpressen genutzt werden, wobei das Grundmetallpulver zunächst mit
einem im Stand der Technik bekannten Schmierstoff gemischt wird
und dann in die Form des Vorformlings gepresst wird. Der ungesinterte
Vorformling wird dann vom Schmierstoff gelöst und der poröse Vorformling
wird dann wie oben beschrieben gesintert. Alternativ können dreidimensionale
Drucktechniken- oder andere im Stand der Technik bekannte Pulverformtechniken
verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein besonderes
Verfahren zum Formen des Vorformlings aus dem Grundmetall beschränkt sondern
jedes Verfahren, das einen Vorformling mit einer untereinander verbundenen
offenen Porösität erzielt,
kann verwendet werden.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden um ähnliche
Grundmetalle zu infiltrieren und verbinden, zum Beispiel wie bei dem
oben beschriebenen Verfahren des Verbindens der Heizerplatte 114 mit
einer Heizerplatte 116, oder zum Verbinden von unähnlichen
Metallen, wie beispielsweise in dem Fall des oben beschriebenen
Verbindens eines Heizelementes 36 mit einer Heizerplatte 114 oder 116,
oder für
beides wie bei den oben beschriebenen Verfahren des Verbindens der
Heizerplatten 114 und 116 mit dem Heizelement 36.
Das Verfahren kann auch eingesetzt werden um infiltrierte Einspritzdüsen mit
integralen Heizelementen zu kreieren, die in ähnlicher Weise während der
Infiltration des Vorformlings der Düse darin eingelötet werden, wie
bereits oben erwähnt.
Gleichfalls können
auch andere integrierte beheizte Komponenten, wie beispielsweise
eine Einspritzbuchse und ähnliches, nach
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Folglich
kann die vorliegende Erfindung mit jeder Anzahl von porösen Vorformlingen und
jeder Anzahl von nicht porösen
Teilen, die darin während
der Infiltration integriert werden sollen, genutzt werden.
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Weiter
ist es für
den Fachmann in der Technik selbstverständlich, dass abhängig von
der jeweiligen Anwendung gewisse Vorteile erreicht werden durch
die Verwendung der hierin gezeigten Leere zur Herstellung einer
Heizplatte 106 nach der vorliegenden Erfindung bei der
nur eine der Platten 114 und 116 nach der vorliegenden
Erfindung infiltriert ist und die andere nicht infiltriert ist (siehe 16,
in der die Platte 114 nicht infiltriert ist). Weiterhin
ist, obwohl vorteilhaft, die simultane Infiltration oder das Löten der
Platten 114 und 116 nicht notwendig, um die Vorteile
der vorliegenden Erfindung zu erlangen. Es kann in einer besonderen
Anwendung auch wünschenswert
sein, die Ausführungsform
aus 7 mit einem infiltrierten Schmelzeverteiler 100 zusätzlich zu
oder anstatt eines infiltrierten Verteilerheizers zu versehen. Es
ist auch selbstverständlich,
dass es nicht notwendig ist, dass die Infiltration in einem bestimmten
Teil gleichförmig über das
Teil verteilt ist, sondern sie kann auch in einem Gebiet des Teils örtlich begrenzt
sein. Gleichfalls ist es selbstverständlich, dass die Platten 114 und 116 weder
notwendigerweise aus dem gleichen Grundmetall bestehen noch mit
dem gleichen Zweitphasenmetall infiltriert sein müssen.
-
Das
folgende Beispiel wird präsentiert
um das Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu fördern
und ist nicht erstellt worden, um den Umfang der Erfindung wie er
durch die beigefügten
Ansprüche definiert
ist, zu beschränken.
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BEISPIEL
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Ein
Pulver eines H13-Werkzeugstahls wird mit einem polymeren Bindemittel
gemischt. Die Mischung wird dann mittels Einspritzens zu einem ungesinterten
Teil mit der Form der Frontheizerplatte 114 geformt. Das
Bindemittel wird dann thermisch in einem Ofen entfernt, bevorzugt
bei einer Temperatur, die 500°C
nicht übersteigt,
um einen ungesinterten Vorformling mit einer offenen und miteinander
verbundenen Porösität zu erhalten.
Der ungesinterten poröse
Vorformling wird dann in dem Bereich zwischen 1150°C und 1260°C teilweise
gesintert bis eine endgültige
Porösität des gesinterten
Teils zwischen 40% und 10% des Volumens erreicht ist. Gleichzeitig oder
anschließend
wird auch ein poröser
H13-Vorformling einer Rückenheizerplatte 116 unter
Verwendung der beschriebenen Technik erzeugt.
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Die
Vorformlinge der Front- und Rückenheizerplatten
sind in den Vertiefungen 114a und 116 mit einem
Heizelement 36' versehen
und die Vorformlinge werden dann zusammengesetzt, um eine ungesinterte
Heizerbaugruppe 140 zu ergeben. Die ungesinterte Baugruppe
wird dann in einem Vakuum- oder Inertgasofen platziert. Ein Kupferstück wird
dann von oben auf die ungesinterte Heizerbaugruppe platziert und
der Ofen wird auf 1120°C
erhitzt, weit oberhalb des Schmelzpunkts von Kupfer. Das infiltrierte
und verlötete
integrale Teil wird dann gekühlt
und, falls erforderlich, wird eine abschließende Bearbeitung durchgeführt.
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Daher
ist es für
den Fachmann in der Technik offensichtlich, dass die vorliegende
Erfindung einen verbesserten Schmelzeverteiler bereitstellt mit
gegenüber
dem Stand der Technik verbesserten Festigkeits- und thermischen
Eigenschaften. Auch stellt das Verfahren der vorliegenden Erfindung
gleichzeitig wirkende Mittel bereit zum Infiltrieren und Verlöten einer
beheizten Verteilereinrichtung mit darin angeordneten Heizelementen.
-
Während die
obige Beschreibung die bevorzugten Ausführungsformen ausbildet, ist
es selbstverständlich,
dass die vorliegende Erfindung offen für Modifikation und Änderungen
ist ohne sich von dem Umfang der beigefügten Ansprüche zu entfernen.