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Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug, welches mindestens einen
Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmedium leitbar ist.
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Derartige Spritzgießwerkzeuge sind bekannt und werden in der
kunststoffverarbeitenden Industrie zur Herstellung von Kunststoff-Formteilen verwendet, indem
in das Spritzgießwerkzeug unter Druck eine Kunststoffschmelze eingespritzt wird
und danach die Kunststoffschmelze in dem Spritzgießwerkzeug durch
Wärmeentzug abgekühlt wird. Essentiell für einen optimalen
Verarbeitungsprozeß ist hierbei die Kühlung und/oder die Temperierung des
Spritzgießwerkzeuges. Um einen Verzug des durch das Spritzgießwerkzeug
herzustellenden Formteils zu minimieren, ist eine möglichst gleichmäßige
Temperierung der Wand des Spritzgießwerkzeugs erforderlich. Andererseits muß der in
das Spritzgießwerkzeug eingespritzten Kunststoffschmelze möglichst schnell
möglichst viel Wärme entzogen werden, um die Kunststoffschmelze in
geringstmöglicher Zeit abzukühlen und damit kurze Zykluszeiten zu erreichen.
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Die oft multifunktionalen Formteile bringen jedoch Restriktionen hinsichtlich der
Größe, Anzahl und Lage der Kühlkanäle mit sich, die eine optimale Kühlung nicht
zulassen: Aufgrund komplizierter Formteile-Geometrien sind häufig eine Vielzahl
von Formeinsätzen, Auswerfern und Schiebern erforderlich, die das
Spritzgießwerkzeug derart stückeln, daß Kühlkanäle mit wirksamen Durchmessern nicht
mehr optimal plaziert werden können. Dies bringt in nachteiliger Art und Weise
unwirtschaftliche Kühlzeiten und einen Formteilverzug mit sich. Um dennoch
geringe Zykluszeiten zu erreichen, wird vielfach zur Erzielung einer
Kühlzeitreduzierung mit sehr kalten Kühlmedien gekühlt, was aber in nachteiliger Art und
Weise eine ungünstigere Temperaturverteilung in der Werkzeugwand und damit
eine schlechtere Formteilqualität zur Folge hat. Eine derartige schlechtere
Formteilqualität ist aber in wirtschaftlicher Hinsicht äußerst nachteilig, da die
Kundenanforderungen immer mehr in Richtung einer Null-Fehler-Produktion gehen, so
daß oftmals Lieferlose von einigen 10.000 Stück der Formteile bereits bei
Entdecken eines einzigen fehlerhaften Teils vom Kunden zurückgewiesen werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spritzgießwerkzeug mit
einer verbesserten Kühlung und/oder Temperierung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der oder mindestens
einer der Kühlkanäle einen zentralen Hauptkanal aufweist, an den sich in radialer
Richtung mindestens ein mit dem Hauptkanal verbundener Nebenkanal
anschließt.
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Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird in vorteilhafter Art und Weise
ein Spritzgießwerkzeug geschaffen, welches sich nicht nur durch eine
vergrößerte Kanaloberfläche und somit eine erhöhte Berührungsfläche zwischen der
den erfindungsgemäßen Kühlkanal umgebenden Wand des Spritzgießwerkzeugs
und dem im erfindungsgemäßen Kühlkanal strömenden Kühlmedium
auszeichnet.
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Die beschriebenen Maßnahmen führen in vorteilhafter Art und Weise auch zu
einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums im
erfindungsgemäßen Kühlkanal. Dies begünstigt in vorteilhafter Art und Weise das Auftreten
einer turbulenten Strömung des Kühlmediums im Kühlkanal und bewirkt somit, da
die turbulenten Wärmeübergangskoeffizienten in der Regel größer als die
laminaren Wärmeübergangskoeffizienten sind, eine weiter verbesserte Kühlung
und/oder Temperierung des Spritzgießwerkzeugs.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen
zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden. Es
zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines
Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem ersten
Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,
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Fig. 2 einen Querschnitt durch die Fig. 1,
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines
Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem zweiten
Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,
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Fig. 4 einen Querschnitt durch die Fig. 3,
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Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines
Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem dritten
Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,
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Fig. 6 einen Querschnitt durch die Fig. 5,
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Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines
Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem vierten
Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,
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Fig. 8 einen Querschnitt durch die Fig. 7,
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Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines
Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem fünften
Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals, und
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Fig. 10 einen Querschnitt durch die Fig. 9.
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In den Fig. 1 und 2 ist nun schematisch ein Wandbereich 2 eines
Spritzgießwerkzeugs 1 dargestellt, in dem ein Kühlkanal 3 angeordnet ist. Der
Kühlkanal 3 gliedert sich in einen zentralen Hauptkanal 4, von dem - im hier
gezeigten Fall - fünf Nebenkanäle 5a-5e ausgehen. Die Nebenkanäle 5a-5e
stehen mit dem Hauptkanal 4 des Kühlkanals 3 in Verbindung, so daß das in Fig. 2
durch die von links oben nach rechts unten verlaufende Schraffur angedeutete
Kühlmedium K vom Hauptkanal 4 in die Nebenkanäle 5a-5e und umgekehrt
übertreten kann. Dies bewirkt in vorteilhafter Art und Weise einen guten
Wärmeaustausch zwischen dem Hauptkanal 4 und den Nebenkanälen 5a-5e, welcher eine
vergleichmäßigte Temperatur des Kühlmediums K im Kühlkanal 3 bewirkt.
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Im hier gezeigten Fall sind der Hauptkanal 4 und die Nebenkanäle 5a-5e des
Kühlkanals 3 jeweils mit einem im wesentlichen kreisrunden Querschnitt
ausgebildet. Diese Gestalt des zentralen Hauptkanals 4 und/oder der Nebenkanäle
5a-5e ist nicht zwingend. Vielmehr ist es bei dem hier beschriebenen ersten
Ausführungsbeispiel sowie auch bei den nachfolgend noch erläuterten weiteren
Ausführungsbeispielen auch möglich, dem jeweiligen Einsatzzweck angepaßt den
Hauptkanal 4 und/oder mindestens einen der Nebenkanäle 5a-5d z. B. mit einem
ovalen oder polygonalen Querschnitt auszubilden.
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Die beschriebene Ausgestaltung des Kühlkanals 3 mit einem zentralen
Hauptkanal 4 und daran anschließenden Nebenkanälen 5a-5e besitzt nun den Vorteil,
daß ein derartig gestalteter Kühlkanal 3 eine große Oberfläche und somit eine
große Wärmeaustauschfläche besitzt, so daß ein guter Wärmeübergang vom
Wandbereich 2 des Spritzgießwerkzeugs 1 auf das Kühlmedium K ermöglicht
wird. Geht man nun - lediglich exemplarisch und nur zu Zwecken einer einfachen
Erläuterung - davon aus, daß eine in Fig. 2 durch die strichlierte Linie B'
dargestellte Bohrung B, welche etwa den gleichen Platzbedarf in der Wand 2 des
Spritzgießwerkzeugs 1 wie der Kühlkanal 3 besitzt, einen Durchmesser von 10
mm besitzt, so ist der Umfang dieser Bohrung B 31,42 mm. Im Gegensatz hierzu
weist aber ein Umfangsprofil P des durch den Hauptkanal 4 und die Nebenkanäle
5a-5e ausgebildeten Kühlkanals 3 einen Umfang von ca. 53 mm auf, d. h., der
Umfang des beschriebenen Kühlkanals 3 ist um ungefähr 73% größer als
derjenige der den gleichen Bauraum in der Wand 2 des Spritzgießwerkzeugs 1
einnehmenden Bohrung B. Da der Wärmestrom von der wärmeren Wand 2 des
Spritzgießwerkzeugs 1 zum kühleren Kühlmedium K im Kühlkanal 3 direkt
proportional zu der durch die Umfangslänge des Profils P des Kühlkanals 3 festgelegten
Wärmeaustauschfläche des Kühlkanals 3 ist, ist also beim beschriebenen
Kühlkanal 3 - einen gleichen Kühlmitteldurchsatz durch die Bohrung B und den
Kühlkanal 3 vorausgesetzt - ein um 73% höherer Wärmestrom als bei der Bohrung B
möglich.
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Selbst wenn man berücksichtigt, daß durch die Bohrung B aufgrund ihrer
größeren Querschnittsfläche bei gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit
mehr Kühlmedium K als durch den Kühlkanal 3 leitbar ist, so ergibt sich bei
gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums K immer noch ein
deutlicher Vorteil hinsichtlich des zu erzielenden Wärmestroms: Die in Fig. 2 durch
die strichpunktierte Linie B' dargestellte Bohrung B hat einen Querschnitt von
78,74 mm2, während der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kühlkanal 3 eine
Querschnittsfläche von 51,15 mm2 aufweist, d. h., daß die Querschnittsfläche der
Bohrung B lediglich um 54% größer ist als die Querschnittsfläche des
beschriebenen Kühlkanals 3. Beachtet man nun, daß die Querschnittsfläche
einerseits und die durch den Umfang des jeweiligen Kühlkanals 3 festgelegte
Austauschfläche andererseits jeweils nur linear in den Wärmestrom eingehen, so
ergibt sich bei dem beschriebenen Kühlkanal 3 ein immer noch um 12% höherer
Wärmestrom als bei der den gleichen Bauraum einnehmenden, gedachten
Bohrung B.
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Die beschriebene Ausgestaltung des Kühlkanals 3 besitzt aber desweiteren den
Vorteil, daß seine Querschnittsgeometrie in vorteilhafter Art und Weise das
Auftreten von höheren Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmediums K begünstigt,
so daß das den Kühlkanal 3 durchströmende Kühlmedium K in der Regel
turbulent und nicht laminar strömt. Dies bewirkt in vorteilhafter Art und Weise eine
weitere Erhöhung des Wärmestroms von der Wand 2 des Spritzgießwerkzeugs 1
zu den im Kühlkanal 3 strömenden Kühlmedium K, da der turbulente
Wärmeaustauschkoeffizient des Kühlmediums K in der Regel (viel) größer als der laminare
ist.
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In den Fig. 3 und 4 ist nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals
3 dargestellt, wobei der Kühlkanal 3 wiederum den zentralen Hauptkanal 4 und
nun nicht mehr fünf, sondern sieben Nebenkanäle 5a-5g besitzt. In Abweichung
zu den im wesentlichen kreisrunden Nebenkanälen 5a-5e des ersten
Ausführungsbeispiels sind die Nebenkanäle 5a-5g tropfenförmig gestaltet, wobei
jeweils ein schmaler Übergangskanal 6a-6g zwischen dem zentralen Hauptkanal
4 und dem eigentlichen Kanalbereich der Nebenkanäle 5a-5g ausgebildet ist.
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Nimmt man nun wiederum an, daß eine den Kühlkanal 3 umschließende Bohrung
B, welche in Fig. 4 wiederum durch die strichlierte Linie B' dargestellt ist, bei
einem angenommenen Durchmesser von 10 mm einen Umfang von 31,42 mm
aufweist, ergibt sich, daß aufgrund des Umfangs des hier gezeigten Kühlkanals 3
von ungefähr 59 mm die Wärmeaustauschfläche des beschriebenen Kühlkanals
3 um 86% größer ist, so daß sich - jeweils den gleichen Kühlmitteldurchsatz
vorausgesetzt - eine um 86% höhere Kühlleistung möglich ist.
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Ein weiterer Vorteil des in den Fig. 3 und 4 gezeigten Kühlkanals 3 wird durch
die tropfenförmige Ausgestaltung der Nebenkanäle 5a-5g bewirkt.
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In den Fig. 5 und 6 ist nun ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals 3
dargestellt, dessen Aufbau im wesentlichen demjenigen des zweiten
Ausführungsbeispiels entspricht, mit der Maßgabe, daß hier nicht nur sieben im
wesentlichen tropfenförmige Nebenkanäle 5a-5g vorgesehen sind, sondern daß der
Kühlkanal 3 des dritten Ausführungsbeispiels über vierzehn Nebenkanäle 5
verfügt, die über entsprechende Übergangskanäle 6 mit dem Hauptkanal 4 des
Kühlkanals 3 in Verbindung stehen. Unter den obigen Annahmen eines Durchmessers
von 10 mm der in Fig. 6 eingezeichneten Bohrung B ergibt sich, daß der
Umfang des Kühlkanals 3 im hier beschriebenen Fall ungefähr 109 mm beträgt, also
umfaßt das Dreifache des Umfangs der Bohrung B von 31,42 mm. Die
Querschnittsfläche des Kühlkanals 3 beträgt dann ungefähr 53 mm2, im Vergleich zu
der Querschnittsfläche B' der Bohrung von 78,54 mm2.
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In den Fig. 7 und 8 ist nun ein viertes Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals
3 dargestellt, welcher sich wiederum in einen Hauptkanal 4 und eine Vielzahl von
Nebenkanälen 5 gliedert. Wie leicht aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich ist,
besteht der wesentliche Unterschied zwischen dem vierten Ausführungsbeispiel
des Kühlkanals 3 gemäß der vorgenannten Figuren und denjenigen der
Ausführungsbeispiele 1 bis 3 darin, daß der Hauptkanal 4 einen deutlich größeren
Durchmesser aufweist als die radiale Erstreckung der Nebenkanäle 5, die im hier
gezeigten Ausführungsbeispiel als eine Vielzahl von radialen Vorsprüngen des
Hauptkanals 4 ausgebildet sind. Ein derartiges Profil P des Kühlkanals 3 besitzt
im Vergleich zu einer Bohrung B mit einem Durchmesser von 10 mm eine
Umfangslänge von ungefähr 93 mm, also etwa das Dreifache des Umfangs der
Bohrung B von 31,42 mm. Die Querschnittsfläche des Kühlkanals 3 beträgt unter
den vorstehenden Annahmen ungefähr 67 mm2, während die Bohrung einen
Querschnitt von - wie bereits mehrmals erwähnt - ungefähr 78 mm2 besitzt.
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In den Fig. 9 und 10 ist nun ein fünftes Ausführungsbeispiel des Kühlkanals 3
dargestellt, welches eine Weiterbildung der Konstruktionsweise des Kühlkanals 3
des vierten Ausführungsbeispiels darstellt: Von dem Hauptkanal 4 gehen eine
Vielzahl von in radialer Richtung verlaufende Nebenkanäle 5 aus, die als
"Kühlrippen" ausgebildet sind. Der Umfang des Profils P eines derart gestalteten
Kühlkanals 3 beträgt dann ungefähr 222 mm, also ungefähr das Siebenfache des
Umfangs der wiederum zu Vergleichszwecken eingezeichneten Bohrung B mit
einem Umfang von 31,42 mm. Der Querschnitt eines derart gestalteten
Kühlkanals 3 beträgt dann ungefähr 59 mm2, während der Querschnitt der vollen
Bohrung B wiederum ungefähr 78 mm2 beträgt.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die beschriebenen Maßnahmen in
vorteilhafter Art und Weise ein Spritzgießwerkzeug 1 mit einem Kühlkanal 3
ausgebildet wird, welches sich durch eine verbesserte Temperierung der den
Kühlkanal 3 umgebenden Wand 2 des Spritzgießwerkzeugs 1 und/oder eine
verbesserte Kühlung des Spritzgießwerkzeugs 1 auszeichnet.