DE4308008A1 - Dynamische Formtemperierung beim Spritzgießen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren zur Herstellung von Spritzgießteilen aus Thermoplasten, insbesondere von Formteilen mit ungünstigen Aspektverhältnissen, d. h. sehr langen Fließwegen bei geringer Querschnittsfläche, von Formteilen mit sehr feiner Struktur, ungünstigen Verrippungsgeometrien und von Spritzgießteilen aus dem Bereich der Mikromechanik.

Beim Spritzgießen von Thermoplasten wird das durch das Beheizen des Spritzzylinders bzw. durch die bei der Rotation der Schnecke entstehende Friktionswärme plastifizierte Material mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in eine Spritzgießform gespritzt. Die Wandtemperatur des Werkzeugs liegt im Normalfall unterhalb der Entfor­ mungstemperatur des Kunststoffes. Durch den Kontakt der Schmelze mit der kälteren Werkzeugwand erstarrt das Material bereits beim Einspritzen in den Randbereichen. Die verbleibende plastische Seele innerhalb des Spritzlings, bei der die Temperatur der Kunst­ stoffschmelze noch oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Thermoplastes liegt, ist dafür verantwortlich, daß in der Nachdruckphase weiteres Material nachströmen bzw. die materialbedingte Schwindung teilweise ausgeglichen werden kann. Bei dünn­ wandigen Querschnitten jedoch kühlt die Masse so schnell ab, daß aufgrund der in den Randbereichen beginnenden Erstarrung kein plastischer Kern mehr übrigbleibt. Das Formteil kann deshalb nur unvollständig gefüllt werden. In der EP 0 335 388 A3 wird bereits der Sachverhalt beschrieben, solche für den Spritzgießprozeß ungünstige Formteile durch eine Variation der Werkzeugwandtemperatur besser füllbar zu machen. In der Ein­ spritzphase wird deshalb die Wandtemperatur auf Werte oberhalb des Erstarrungspunktes gebracht, und erst nach einer vollständigen Formfüllung wird die Werkzeugtemperatur abgesenkt. Diese dynamische Temperierung erfolgt mittels eines Wärmeträgers, welcher in Kanälen in der Spritzgießform geführt wird. Die Wärme muß also bei diesem Ver­ fahren erst vom Temperiermedium über die Werkzeugwand an die Oberfläche trans­ portiert werden. Weiter ist nachteilig, daß hier große Werkzeugmassen den Temperierzy­ klus durchlaufen müssen, was die Zykluszeiten verlängert.

Die hier vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem die Wärme direkt in die Oberfläche der jeweiligen Formhälften eingebracht wird, also in den Kavi­ tätsbereich, der unmittelbaren Kontakt zur Schmelze besitzt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels der Erwärmung eines geometrisch definierten Bereichs um das Formnest herum bzw. des Formnests selbst auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts der Kunststoffmasse die Erstarrung des Materi­ als unterbunden wird, bis eine vollständige Formfüllung erreicht ist. Im Unterschied zu dem vorgenannten Verfahren und weiteren bekannten Verfahren wird die Wärme direkt in dem interessierenden Kavitätsbereich generiert, also nicht durch Wärmeleitung an die entsprechende Stelle transportiert. Als Verfahren mit einer hohen Leistungsübertragung ist z. B. die HF-Erwärmung vorgesehen. Alternativ kann auch ein Laserstrahl zur Erwär­ mung der Form eingesetzt werden. Denkbar ist auch die Erwärmung mit einem Infrarot­ strahler. Bei der HF-Erwärmung wird die Wärme durch Wirbelstromeffekte unmittelbar in einer dünnen Schicht an der Oberfläche der Metallform generiert. Deshalb ist die Auf­ heizzeit sehr kurz. Die Erwärmung wird aus energetischen Gründen durch einen auf das Formteil bzgl. seiner Größe angepaßten Induktor an der geöffneten Form erfolgen, da nur so der notwendige Bereich erreicht werden kann. Bei geöffnetem Werkzeug wird der HF-Induktor in einem definierten Abstand zur Oberfläche zwischen die beiden Formhälften des Werkzeugs gebracht. Durch die HF-Energie wird die Oberfläche auf eine Temperatur deutlich oberhalb der Erstarrungstemperatur erwärmt. Die Eindringtiefe ist abhängig vom Werkstoff der Spritzgießform sowie von der verwendeten HF-Frequenz. Die erzielbare Oberflächentemperatur der geöffneten Spritzgießform darf die Gefügeumwandlungs­ temperatur des Werkzeugstahls nicht überschreiten, da sonst das Werkzeug beschädigt bzw. unbrauchbar würde. Bei einer Erwärmung mit einem Laserstrahl muß bei geöff­ netem Werkzeug ein Linsensystem, bestehend aus Umlenkspiegeln und Fokussierlinsen, zwischen die Formhälften gebracht werden, damit der Strahl auf die jeweilige Oberfläche fokussiert werden kann. Durch eine intelligente Ablenkeinheit kann mit dem Laserstrahl auch eine größere Fläche erwärmt werden. Der Strahl muß hierbei die entsprechende Fläche auf der Werkzeughälfte überstreichen. Dadurch läßt sich bei schwierigen Form­ konturen eine bessere Anpassung als mit einem Induktor erzielen. Beim Zufahren des Werkzeugs kühlt die Oberfläche bzw. der erwärmte Bereich um den Formhohlraum herum durch Wärmeleitung innerhalb der Formhälfte und durch Konvektions- bzw. Strah­ lungsverluste aufgrund des Übergangs Stahl-Luft ab. Die Abkühlkurven des Werkzeug­ bereichs um die Kavität müssen so ausgelegt werden, daß erst nach vollständiger Formfül­ lung die Erstarrungstemperatur des Materials unterschritten wird. Erfindungsgemäß kann auch durch einen mehrschichtigen Aufbau der Form aus Materialien mit einem unter­ schiedlichen Wert für die Wärmeleitfähigkeit der Abkühlverlauf verändert werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist der, daß durch die beim Aufheizen verwendete hohe Wärmestromdichte nur der eigentliche Kavitätsbereich auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Die Wärme wandert anschließend durch das vorhandene Temperaturgefälle in das Werkzeug ab. Durch die unterstützende Wirkung eines Kühlmediums, welches in Kanälen das Werkzeug durchströmt, wird dafür gesorgt, daß der Abkühlprozeß beschleu­ nigt wird bzw. daß der übrige Werkzeugbereich auf einer möglichst konstanten Tempera­ tur gehalten wird. Durch das Zuführen von Energie in der Aufheizphase und durch das Kühlen in der Abkühlphase stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der unterhalb der Entformungstemperatur liegen muß. Ohne eine zusätzliche Kühlung würde sich das Werkzeug durch die ständige Energiezufuhr übermäßig aufheizen, was natürlich ebenfalls zu einem Gleichgewichtszustand führen würde, der jedoch auf einem Temperaturniveau oberhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes liegen würde. Die Kühlkanäle müssen deshalb möglichst innerhalb oder in unmittelbarer Nähe des erwärmten Formbe­ reichs angeordnet sein, damit die Kühlung in erster Linie die in der Aufheizphase zusätzlich eingebrachte Wärme schnell und gezielt abführen kann. Die gezielte unter­ stützende Kühlung kann zyklisch oder kontinuierlich betrieben werden. Dies ist auch im Sinne kurzer Zykluszeiten, was für die Wirtschaftlichkeit des Spritzgießverfahrens von großer Bedeutung ist. Zusätzlich kann der übrige Werkzeugbereich durch eine Temperier­ einrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Entformungstemperatur erwärmt werden. Damit wird die Aufheizzeit an der geöffneten Form reduziert, da die Temperaturdifferenz, die für die Wärmeleitung in der Form verantwortlich ist, kleiner ist. Die eingebrachte Wärme verbleibt also etwas länger in dem interessierenden Bereich. Selbstverständlich muß dafür Sorge getragen werden, daß im Angußkanalbereich ebenfalls die Schmelzetem­ peratur nicht unterschritten wird, da sonst der Anschnitt einfriert. Dies kann durch die Verwendung einer Heißkanaldüse erfolgen. Auch ist eine HF-Erwärmung oder Laserstrah­ lerwärmung im Angußbereich denkbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen näher be­ schrieben. Es stellen dar:

Fig. 1, ein Schnitt durch ein geöffnetes Spritzgießwerkzeug mit eingefahrenem Induktor, dargestellt ist jedoch nur die auswerferseitige Formhälfte.

Fig. 2, die prinzipielle Gestaltung eines Induktors für ein längliches Formteil, bei dem der Induktor beide Formhälften gleichzeitig bedienen kann.

Fig. 3, ein Schnitt durch ein geöffnetes Spritzgießwerkzeug, bei dem die Erwär­ mung beider Formhälften mittels Laser durch ein eingefahrenes Linsensy­ stem mit Ablenkvorrichtung erfolgt.

Die Spritzgießform (3) mit Kavitätsbereich (2) und Formhohlraum (1) wird im aufgefahre­ nen Zustand durch den wassergekühlten Induktor (8) erwärmt. Der Induktor ist so ange­ paßt, daß nur der Bereich der Gravur erwärmt werden kann. Er befindet sich in einem definierten Abstand zur Oberfläche. Vor dem Schließen des Werkzeugs muß der Induktor aus dem Bereich zwischen den Formhälften gefahren oder geschwenkt werden. Dies geschieht durch eine Bewegung des Induktors, des Induktors mit Außenschwingkreis vom HF-Generator (9) bzw. durch eine Bewegung des gesamten Transformators mit Induktor bei Geräten kleinerer Bauart. Durch die Temperierbohrungen (10) ist es möglich, die Erwärmung des Werkzeugs um die Entformungstemperatur herum zu regeln. Dies erfolgt durch eine entsprechende Beeinflussung über zusätzliche Kühlkanäle (11). Durch die Kühlung kann die überflüssige Wärme abgeführt werden. Mit dem Thermofühler (12) kann der Temperaturverlauf im Oberflächenbereich beobachtet werden und die Regelung angesteuert werden. In der Figur sind außerdem noch die Ausstoßeinrichtungen (5, 6, 7) sowie die Zwischenplatte (4) gezeigt. Durch die Gestaltung des Induktors (13) in der in Fig. 2 dargestellten Form lassen sich beide Formhälften (14, 15) mit nur einem Induktor erwärmen. Fig. 3 zeigt die Realisierung für eine Erwärmung mit Laserenergie. Der in der Laserquelle (28) generierte Strahl wird durch ein Spiegel- und Ablenksystem (27) an den interessierenden Bereich der geöffneten Form gebracht. Das Spiegelsystem muß durch eine Verschiebung oder Rotation bzw. eine kombinierte Bewegung in den Raum zwischen den Formhälften gebracht werden. Alternativ ist auch ein Ablenksystem denkbar, welches den zu erwärmenden Bereich von außerhalb der Form erreicht. Der Bereich des Form­ hohlraums (16) in dem Formeinsatz (17) muß so mit dem Laserstrahl bestrahlt werden können. Die Formhälften (18) und (19) besitzen die Bohrungen für das Temperier­ medium (24) und die Bohrungen für den Kühlkreislauf (25). Dargestellt sind außerdem die Auswerfereinrichtungen (21, 22, 23) sowie die Zwischenplatte (20). Die Messung der Formtemperatur erfolgt mittels eines Thermofühlers (19).

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Spritzgießteilen aus Thermoplasten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Erwärmung wenigstens einer Werkzeughälfte bei geöffnetem Spritz­ gießwerkzeug erfolgt.

2. Spritzgießverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung an der geöffneten Spritzgießform nur in einem definierten Bereich erfolgt.

3. Spritzgießverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwär­ mung nur bis zu einer sehr geringen Tiefe erfolgt.

4. Spritzgießverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung bei geöffneter Spritzgießform mittels HF-Energie durch einen angepaßten Induktor erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung wahlweise durch einen angußseitig wirkenden Induktor, durch einen auswerferseitig wirkenden Induktor, durch gekoppelte Induktoren oder durch einen Induktor, der für beide Werk­ zeughälften geformt ist, erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung an der geöffneten Form durch einen Laserstrahl erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung durch einen Laser mittels eines entsprechenden Ablenk- und Fokussiersystems wahlweise auf die angußseitige, auf die auswerferseitige oder auf beide Formhälften wirkt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung an der geöffneten Form durch einen einseitig oder beidseitig wirkenden Infrarotstrahler erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorher genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erwärmung notwendige Wärmestromdichte so lange einwirkt, daß die ge­ wünschte Starttemperatur für den Abkühlvorgang so hoch ist, damit die Wandtemperatur durch Wärmeleitung erst nach Schließen und vollständiger Formfüllung auf Werte un­ terhalb der Erstarrungstemperatur absinkt.

10. Spritzgießform zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Oberflächen der Formhälften nach dem kurzzeitigen Erwärmen auf eine relativ hohe Temperatur durch Wärmeleitung in tiefere Schichten des Werkzeugs bzw. durch Abstrahlungs- und Konvektionsverluste an dem Übergang Stahl-Luft während der Schließphase erfolgt.

11. Spritzgießform nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Form zusätzlich zur Aufheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eine zusätzliche Temperierung besitzt, mit deren Hilfe die übrigen Formteile auf eine Temperatur unterhalb der Entformungs­ temperatur erwärmt bzw. gehalten werden können.

12. Spritzgießform nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen zusätzlichen Kühlkreislauf die Abkühlung beschleunigt bzw. eine übermäßige Aufheizung des Werkzeugs vermieden werden kann, wobei die auf die Werkzeugtemperatur angepaßte Kühlung kontinuierlich oder zyklisch betrieben werden kann und wobei die Kühlbohrun­ gen innerhalb oder in unmittelbarer Nähe des erwärmten Kavitätsbereichs angebracht sind.

13. Spritzgießform nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen mehrschichtigen Aufbau der Form aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeleitzahlen die Aufheiz- bzw. die Abkühlkurve verändert wird.

14. Spritzgießform nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zusätzliche Heißkanaldüse bzw. durch eine entsprechende Temperierung im Angußkanalbereich ein Einfrieren des Anschnittes verhindert werden kann.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ wirkdauer der HF-Energie, der Laserstrahlenergie bzw. der Infrarotstrahlung in Abhängig­ keit von der übertragbaren Leistung, der vorhandenen Wandtemperatur und der ge­ wünschten Wandtemperatur beim Einspritzbeginn und der Wärmeleitfähigkeit des Materi­ als der Spritzgießform erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch Thermosensoren in der Form die Parameter Einwirkzeit, Strahlenergie, Werkzeugtemperatur und Kühl­ mitteldurchsatz geregelt werden.