DE20121777U1

DE20121777U1 - Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken aus thermoplastischem Kunststoff

Info

Publication number: DE20121777U1
Application number: DE20121777U
Authority: DE
Original assignee: GWK Gesellschaft Waerme Kaeltetechnik mbH
Current assignee: Technotrans Solutions GmbH
Priority date: 2001-09-22
Filing date: 2001-09-22
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2011-09-23

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken aus thermoplastischem Kunststoff

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Formwerkzeug, das Kühlkanäle aufweist, die von einem Kühlmedium, insbesondere Wasser, durchströmt sind, wobei insbesondere schmelzflüssiger Kunststoff diskontinuierlich in eine Kavität einer Spritzform eines Spritzwerkzeuges einspritzbar ist oder schmelzflüssiger Kunststoff kontinuierlich ein Formwerkzeug durchläuft, die Werkzeugwandung, die Wandung der Kavität, die Wandung von Formwalzen oder dergleichen das aus schmelzflüssigem Kunststoff geformte Werkstück an den Außenflächen berührende Wandung gekühlt wird, so dass der Kunststoff erstarrt und die durch das formgebende Werkzeug gegebene Form behält.

Die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen

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erfolgt fast ausnahmslos durch Energiezufuhr in Form von Wärme, um damit den thermoplastischen Kunststoff aufzuschmelzen. In einem zweiten Arbeitsschritt wird dem aufgeschmolzenen Kunststoff durch Kontakt zu dem formgebenden Werkzeug die Wärme wieder entzogen, so dass der Kunststoff erstarrt und die gegebene Form beibehält. Das formgebende Werkzeug hat dabei eine Temperatur, die den Verarbeitungsparametern des Kunststoffes angepasst ist. Im Allgemeinen liegt die Temperatur zwischen 10⁰C und 100 ° C. Es gibt auch wenige hochtemperaturbeständige Kunststoffe, deren Werkzeugtemperatur bis ca. 180⁰C. betragen kann. Das Aufschmelzen des Kunststoffes geschieht in Extrudern, die im Wesentlichen aus einem Zylinder und einer sich darin drehenden Schnecke bestehen. Die Wärmezufuhr kann über Heizelemente erfolgen, die den Zylindermantel erhitzen, und/oder durch Friktionswärme, die durch den Schneckenantrieb eingebracht wird. Der aufgeschmolzene Kunststoff trifft mit einer geregelten Temperatur auf das Werkzeug. Je nach zu fertigendem Produkt kann das Werkzeug vollkommen unterschiedliche Formen haben.

Es kann sich um kontinuierlich hergestellte Produkte

handeln, wie zum Beispiel Folien, Prägefolien, Profile, Rohre, Bänder, Fäden oder ähnliches oder um Kunststoffteile, die diskontinuierlich oder zyklisch in Werkzeugen hergestellt werden, wie beispielsweise Spritzgießteile, Preßteile oder tiefgezogene Teile. Bei allen thermoplastisch hergestellten Teilen, gleichgültig ob kontinuierlich oder diskontinuierlich, haben die Werkzeuge eine ebenfalls geregelte und vorbestimmte Temperatur. Da dem Kunststoff die Wärme entzogen werden muss, erfolgt die Einhaltung der Temperatur durch eine entsprechende Kühlung, die mit flüssigen Medien, vorzugsweise Wasser, erfolgt. Dabei wird das abgekühlte Wasser mittels einer Pumpe durch Kanäle in der Werkzeugwandung gepumpt. Als Regelgröße dient entweder die Werkzeugtemperatur oder die Wassertemperatur. Bei Produktionsbeginn wird das Umlaufmedium Wasser durch eine Heizung auf die gewünschte Temperatur gebracht. Nach Beginn der Produktion findet jedoch ausschließlich eine Kühlung statt. Dabei haben die Werkzeuge stets die gleiche Temperatur und auch die gleiche Oberflächentemperatur an den Stellen, an denen der Kunststoff mit dem Werkzeug in Berührung kommt. Die Werkzeugwand-

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temperatur ist die Temperatur an der Werkzeugoberfläche, die mit dem Kunststoff für dessen Formgebung in Berührung kommt und dem Kunststoff die Wärme entzieht. Je höher die Werkzeugwandtemperatur gewählt wird, um so besser ist die Oberflächenqualität des herzustellenden Kunststoffteils. Eine hohe Werkzeugwandtemperatur hat jedoch gleichzeitig eine Verlangsamung des Produktionsprozesses zur Folge. Insbesondere bei diskontinuierlich hergestellten Produkten (Spritzgussteilen) wird durch eine hohe Wandtemperatur automatisch die Zykluszeit verlängert. Bei einer zu niedrigen Werkzeugwandtemperatur treten im Wesentlichen zwei entscheidende Nachteile auf. Einerseits übernimmt der Kunststoff exakt die Form und damit auch die Rauhigkeit der Werkzeugoberfläche und erhält dadurch selbst eine schlechtere Oberflächenqualität. Andererseits übernimmt der Kunststoff möglicherweise nicht exakt die Form und die Konturen der Werkzeugoberfläche und erhält damit möglicherweise nicht die vorgegebene Form (beispielsweise insbesondere bei Mikrospritzteilen).

Zudem sind die Fließeigenschaften auf der Oberfläche

sichtbar, vor allen Dingen an den Stellen, an denen zwei Fließströme zusammentreffen (Bindenaht).

Um diese Nachteile zu kompensieren, sind Verfahren bekannt, bei denen zuerst wärmeres Wasser durch das Werkzeug gepumpt wird, so dass die Werkzeugwandtemperatur beim Auftreffen des Kunststoffs eine höhere Temperatur besitzt. Dann erfolgt ein Umschalten auf ein kälteres Kühlwasser. Die Kühlung setzt ein und die Werkzeugwandtemperatur wird abgesenkt. Bei diesen Verfahren muss ein großer Teil der Werkzeugmasse mit jedem Produktionszyklus aufgewärmt und wieder abgekühlt werden. Das erfordert erhebliche Energiemengen bei gleichzeitig sehr langsamen Produktionszyklen. Hierdurch wird die Verfahrensweise relativ unwirtschaftlich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine energiesparende Vorrichtung zu schaffen, mit der eine hohe Qualität des aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Werkstückes erzielt wird, bei insbesondere vorzüglicher Oberflächenqualität, wobei kurze Zykluszeiten realisierbar sein sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass mindestens die Oberflächenschicht des Formwerkzeuges, auf die der schmelzflüssige Kunststoff trifft, aus induktiv erwärmbarem Material besteht, und zwar insgesamt oder nur in diskreten Teilbereichen, und dass ein elektrischer Induktor vorgesehen ist, mittels dessen die Oberflächenschicht erwärmbar ist, so dass eine dünne Oberflächenschicht der Wandung des Werkzeuges oder dergleichen Formgebungsteil unmittelbar vor dem Auftreffen des schmelzflüssigen Kunststoffes induktiv auf eine Temperatur erwärmbar ist, die nahe der Schmelztemperatur des Kunststoffes liegt oder gleich der Schmelztemperatur ist.

Hierdurch ist es möglich, einerseits eine hohe Werkzeugwandtemperatur einzustellen, bevor der schmelzflüssige Kunststoff auf die Werkzeugwand trifft, wobei andererseits eine schnelle Abkühlung und damit eine hohe Zykluszeit realisierbar ist, weil nicht die Masse des gesamten Werkzeugs, sondern nur eine dünne Oberflächenschicht aufgewärmt wird. Es ist damit eine schnelle Abkühlung sowohl der Werkzeugwandung als auch des Kunststoffes selbst zu erreichen. Gemäß der

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Erfindung wird nicht die gesamte Masse des Werkzeuges hinsichtlich ihrer Temperatur verändert, sondern der größte Teil des Werkzeuges behält die einmal eingestellte Basistemperatur, die zur Kühlung erforderlich ist. Diese Temperatur wird durch das Kühlmedium vorgegeben, welches das Werkzeug in einem bestimmten Abstand von der Werkzeugwand durchströmt. Diese Temperatur wird so niedrig gewählt, dass der schnellste Abkühlungsprozess und damit die kürzeste Zykluszeit erreicht wird. Sie liegt üblicherweise in der Größenordnung zwischen 10 und 20⁰C.

Die zyklische Erwärmung der Werkzeugwand, die aus induktiv erwärmbarem Werkstoff besteht, erfolgt induktiv, beispielsweise durch eine Spule, die bei einem kontinuierlichen Formgebungsprozess unmittelbar vor dem Auftreffen des Kunststoffes nur eine dünne Oberflächenschicht erwärmt, so dass der Kunststoff auf eine heiße Oberfläche beispielsweise mit einer Temperatur von 100 bis 250 ° C auftreffen kann. Da die aufgewärmte Masse sehr klein ist, erfolgt unmittelbar nach dem Auftreffen des Kunststoffes die Abkühlung, die ebenfalls sehr schnell vollzogen wird, und zwar

insbesondere durch die hohen Wärmefließeigenschaften des Metalls, aus welchem das Werkzeug besteht. Beim diskontinuierlichen Verfahren erfolgt eine punktuelle Erwärmung der Oberfläche ebenfalls, beispielsweise durch eine Spule, die beispielsweise beim Öffnen des Werkzeuges über eine Zuführeinrichtung nahe an die zu erwärmende Werkzeugwand gebracht wird. Nach der induktivem Erwärmung kann die Spule von der Werkzeugwand entfernt werden, das Werkzeug geschlossen werden und der Kunststoff in die Kavität des Werkzeuges eingebracht werden. Die Relation zwischen Zykluszeit und Werkzeugwandtemperatur wird bei dem Verfahren vorbestimmt und ist einstellbar. Hierdurch wird stets die optimale Werkzeugwandtemperatur für den Prozess erreicht.

Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass beim kontinuierlichen Formgebungsprozeß nur die dünne Oberflächenschicht der Wandung des Werkzeugs oder dergleichen Formgebungsteil induktiv erwärmt wird, auf die der schmelzflüssige Kunststoff auftrifft, und zwar unmittelbar bevor der Kunststoff auftrifft.

Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass beim kontinuierlichen Formgebungsprozeß nur die dünne Oberflächenschicht der Wandung des Werkzeugs oder dergleichen Formgebungsteil induktiv erwärmt wird, auf die der schmelzflüssige Kunststoff auftrifft, und zwar unmittelbar bevor der Kunststoff auftrifft.

Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass bei diskontinuierlichen Formgebungsprozeß ein Teil oder die Gesamtheit einer dünnen Oberflächenschicht der Werkzeugwand, die die Kavität des Werkzeuges umgibt oder bildet, induktiv erwärmt wird, indem das Werkzeug geöffnet wird, im geöffneten Zustand die Oberflächenschicht induktiv mittels eines der Oberflächenschicht angenäherten, in das geöffnete Werkzeug eingebrachten Induktors erwärmt wird, der Induktor aus dem geöffneten Werkzeug entfernt wird, das Werkzeug geschlossen wird und die schmelzflüssige Kunststoffmasse in das Werkzeug eingebracht wird.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Induktor in der in das geöffnete Werkzeug eingebrachten Lage entlang der zu erwärmenden Oberflächenschicht bewegt wird, so dass

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eine gleichmäßige Werkzeugwandtemperatur eingestellt wird.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das Form- oder Spritzwerkzeug durch Kühlmedium, insbesondere Wasser, auf einer vorbestimmbaren Temperatur, insbesondere nahe Raumtemperatur, gehalten wird, und dass lediglich die formgebende Oberfläche der Wandung des Formwerkzeuges kontinuierlich oder diskontinuierlich induktiv aufgeheizt wird, insbesondere bis auf die Schmelztemperatur des Kunststoffes.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Oberflächenschicht der Wandung des Werkzeuges, auf welche der schmelzflüssige Kunststoff auftrifft, vor dem Auftreffen des Kunststoffes auf eine solche Temperatur und in solcher Aufwärmtiefe erwärmt wird, dass die Oberflächenschicht der Wandung beim Auftreffen des Kunststoffes eine Temperatur hat, die der Schmelztemperatur des Kunststoffes entspricht.

Zudem wird vorgeschlagen, dass mindestens die Oberflächenschicht des Formwerkzeuges, auf die der

schmelzflüssige Kunststoff trifft, aus induktiv erwärmbarem Material besteht, und zwar insgesamt oder nur in diskreten Teilbereichen, und dass ein elektrischer Induktor vorgesehen ist, mittels dessen die Oberflächenschicht erwärmbar ist.

Des Weiteren ist hierbei bevorzugt vorgesehen, dass der Induktor eine wechselstromdurchflossene Spule ist.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die Spule mäanderförmig, kreisförmig oder spiralförmig ausgebildet ist.

Durch entsprechende Formgebung und Bewegung der Spule ist eine gleichmäßige Erwärmung der Werkzeugwandung in ausreichender Schichttiefe erreichbar.

Vorzugsweise ist zudem vorgesehen, dass bei Formwerkzeugen zur kontinuierlichen Herstellung von thermoplastischen Werkstücken der Induktor nahe der Wandung des Formwerkzeuges installiert ist, auf die der schmelzflüssige Kunststoff trifft, wobei der Induktor während des Formvorganges kontinuierlich betrieben ist.

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Zudera kann vorgesehen sein, dass das Formwerkzeug aus einem Walzenpaar besteht, in dessen Walzspalt die Kunststoffmasse eingezogen wird, und dass jeweils ein Induktor ortsfest in der Nähe des Einzugsspaltes installiert und jeder Walze zugeordnet ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass bei mehrteiligen Formwerkzeugen zur diskontinuierlichen Herstellung von thermoplastischen Werkstücken der Induktor an einer Halterung installiert ist, wobei der Induktor bei geöffnetem Werkzeug zwischen die Werkzeugteile, die die Kavität bilden, verstellbar ist, so dass er in der Nähe der induktiv erwärmbaren Oberflächenschicht der Wandung anzuordnen ist.

Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Induktor mittels einer Vorrichtung verstellbar ist, die taktweise im Arbeitstakt des Formwerkzeuges betätigt ist, so dass der Induktor nach dem Öffnen des Werkzeuges in dessen Kavität verstellbar und ggf. entlang des Wandungsverlaufs der Kavität verfahrbar ist und der Induktor nach der induktiven Erwärmung der Oberflächenschicht der Wandung aus der Kavität heraus

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verstellbar ist, bevor das Werkzeug in die geschlossene Spritzlage verstellt ist.

Wegen der induktiven Erwärmung kann das Werkzeug insgesamt oder vorzugsweise nur in den zu erwärmenden Bereichen, insbesondere in dünner Schicht, aus einem induktiv erwärmbaren Material, beispielweise magnetisierbarem Stahl bestehen, während die Flächenbereiche und der im wesentlichen massive Teil des Werkzeuges, der nicht induktiv erwärmt werden soll, aus nicht magnetiersierbarem Material bestehen.

Die induktive Erwärmung kann in ähnlicher Weise erfolgen, wie dies beim Induktionshärten von Stahl üblich ist, indem nämlich in der gewünschten Oberflächenzone des Werkzeuges kurzzeitig mit Hilfe einer hochfrequenzdurchflossenen Spule (Induktor) ein Wirbelstrom induziert wird. Dieser erwärmt das Werkzeug an der entsprechenden Oberfläche schnellstens infolge des Jouleschen Widerstandes auf die gewünschte Temperatur. Anschließend erfolgt die Kühlung über das Kühlmittel, welches das Werkzeug durchströmt. Die Erwärmungstiefe ist einstellbar und liegt

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beispielsweise in einem Bereich von 0,01 mm bei Hochfrequenzinduktoren und bei bis zu 6 mm bei Mittelfrequenzinduktoren.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Formwerkzeug, das Kühlkanäle aufweist, die von einem Kühlmedium, insbesondere Wasser, durchströmt sind, wobei insbesondere schmelzflüssiger Kunststoff diskontinuierlich in eine Kavität einer Spritzform eines Spritzwerkzeuges einspritzbar ist oder schmelzflüssiger Kunststoff kontinuierlich ein Formwerkzeug durchläuft, die Werkzeugwandung, die Wandung der Kavität, die Wandung von Formwalzen oder dergleichen das aus schmelzflüssigem Kunststoff geformte Werkstück an den Außenflächen berührende Wandung gekühlt wird, so dass der Kunststoff erstarrt und die durch das formgebende Werkzeug gegebene Form behält, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Oberflächenschicht des Formwerkzeuges, auf die der schmelzflüssige Kunststoff trifft, aus induktiv erwärmbarem Material besteht, und zwar insgesamt oder nur in diskreten Teilbereichen, und dass ein elektrischer Induktor vorgesehen ist, mittels dessen die Oberflächenschicht erwärmbar ist, so dass eine dünne Oberflächenschicht der Wandung des Werkzeuges oder dergleichen Formgebungsteil unmittelbar vor dem Auftreffen des schmelzflüssigen Kunststoffes induktiv auf eine Temperatur erwärmbar ist, die nahe der Schmelztemperatur des Kunststoffes liegt oder gleich der Schmelztemperatur ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor eine wechselstromdurchflossene Spule ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule mäanderförmig, kreisförmig oder spiralförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Formwerkzeugen zur kontinuierlichen Herstellung von thermoplastischen Werkstücken der Induktor nahe der Wandung des Formwerkzeuges installiert ist, auf die der schmelzflüssige Kunststoff trifft, wobei der Induktor während des Formvorganges kontinuierlich betrieben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug aus einem Walzenpaar besteht, in dessen Walzspalt die Kunststoffmasse eingezogen wird, und dass jeweils ein Induktor ortsfest in der Nähe des Einzugsspaltes installiert und jeder Walze zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrteiligen Formwerkzeugen zur diskontinuierlichen Herstellung von thermoplastischen Werkstücken der Induktor an einer Halterung installiert ist, wobei der Induktor bei geöffnetem Werkzeug zwischen die Werkzeugteile, die die Kavität bilden, verstellbar ist, so dass er in der Nähe der induktiv erwärmbaren Oberflächenschicht der Wandung anzuordnen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor mittels einer Vorrichtung verstellbar ist, die taktweise im Arbeitstakt des Formwerkzeuges betätigt ist, so dass der Induktor nach dem Öffnen des Werkzeuges in dessen Kavität verstellbar und gegebenenfalls entlang des Wandungsverlaufs der Kavität verfahrbar ist und der Induktor nach der induktiven Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Formwerkzeug, das Kühlkanäle aufweist, die von einem Kühlmedium, insbesondere Wasser, durchströmt sind Erwärmung der Oberflächenschicht der Wandung aus der Kavität heraus verstellbar ist, bevor das Werkzeug in die geschlossene Spritzlage verstellt ist.