DE20200648U1

DE20200648U1 - Spritzgießwerkzeug

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Publication number: DE20200648U1
Application number: DE20200648U
Authority: DE
Original assignee: VARIOPLAST KONRAD DAEBRITZ GMB
Current assignee: VARIOPLAST KONRAD DAEBRITZ GMB
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2012-01-18

Description

pörtö' Patentanwälte

Dipl.Phys. Ulrich Twelmeier Dr. techn. Waldemar Leifner Dr. phiI. not. Rudolf Bauer-1990 Dipl. Ing. Helmut Hubbuch -1991 European Patent Attorneys

VA01E001DEU/UI01 s40/Dr. L/ul/16.01.2002

Varioplast Konrad Däbritz GmbH, Schlattstraße 3i, D-75443 Ötisheim

Spritzgießwerkzeug Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug, welches mindestens einen Kühlkanal aufweist, durch den ein Kühlmedium leitbar ist.

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

Zerrennerstraße23125. \D-751Z2-Pfan>hekr>·. ."..". ." I .". IPoltbaUKarlsruhe 16852-750(BLZ660&Pgr;0075) Telefon(07231 )39'f4b\*Telefaxi@'7$3\j3L9'84%4\ · · ·'*: ^:··· :": \Spiirk&sePforzheim803812(BLZ66650085) EsgeltenausschließTichunsereAllgememenOeschaHsbed'ngungen ' " fäTRegistrationNo. DE^: 144 180005

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.

Die oft multifunktionaien 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 Formtei!verzug 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.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spritzgießwerkzeug mit einer verbesserten Kühlung und/oder Temperierung zu schaffen.

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.

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.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im folgenden anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem ersten Aus

führungsbeispiel eines Kühlkanals,

Figur 2 einen Querschnitt durch die Figur 1,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem zweiten Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,

-A-Figur 4 einen Querschnitt durch die Figur 3,

Figur 5 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem dritten Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,

Figur 6 einen Querschnitt durch die Figur 5,

Figur 7 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem vierten Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals,

Figur 8 einen Querschnitt durch die Figur 7,

Figur 9 eine schematische Darstellung eines Wandbereichs eines Spritzgießwerkzeuges zusammen mit einem fünften Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals, und

Figur 10 einen Querschnitt durch die Figur 9.

In den Figuren 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 Figur 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.

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 Figur 2 durch die strichlierte Linie B¹ dargestellte Bohrung B₁ 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 deutlieher Vorteil hinsichtlich des zu erzielenden Wärmestroms: Die in Figur 2 durch die strichpunktierte Linie B¹ dargestellte Bohrung B hat einen Querschnitt von 78,74 mm², während der in den Figuren 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.

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.

In den Figuren 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

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jeweils ein schmaler Übergangskanal 6a-6g zwischen dem zentralen Hauptkanal 4 und dem eigentlichen Kanalbereich der Nebenkanäle 5a-5g ausgebildet ist.

Nimmt man nun wiederum an, daß eine den Kühlkanal 3 umschließende Bohrung B, welche in Figur 4 wiederum durch die strichlierte Linie B¹ 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.

Ein weiterer Vorteil des in den Figuren 3 und 4 gezeigten Kühlkanals 3 wird durch die tropfenförmige Ausgestaltung der Nebenkanäle 5a-5g bewirkt.

In den Figuren 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 Figur 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 B¹ der Bohrung von 78,54 mm².

In den Figuren 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 Figuren 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 Hauptkanais 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.

In den Figuren 9 und 10 ist nun ein fünftes Ausführungsbeispiel des Kühlkanals dargestellt, welches eine Weiterbildung der Konstruktionsweise des Kühlkanals 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.

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.

Claims

1. Spritzgießwerkzeug, welches mindestens einen Kühlkanal (3) aufweist, durch den ein Kühlmedium (K) leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der oder mindestens einer der Kühlkanäle (3) einen zentralen Hauptkanal (4) aufweist, an den sich in radialer Richtung mindestens ein mit dem Hauptkanal (4) verbundener Nebenkanal (5a-5e; 5a-5g; 5) anschließt.

2. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nebenkanal (5a-5e; 5a-5g; 5) über einen Übergangskanal (6a-6e; 6a-6g; 6) mit dem Hauptkanal (4) des Kühlkanals (3) verbunden ist.

3. Spritzgießwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal (4) einen kreisförmigen, ovalen oder polygonalen Querschnitt besitzt.

4. Spritzgießwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nebenkanal (5a-5e) an einen kreisförmigen, ovalen oder polygonalen Querschnitt besitzt.

5. Spritzgießwerkzeug nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nebenkanal (5a-5g) einen tropfenförmigen Querschnitt besitzt, wobei jeweils ein schmaler Übergangskanal (6a-6g) zwischen dem zentralen Hauptkanal (4) und dem eigentlichen Kanalbereich des Nebenkanals (5a-5g) ausgebildet ist.

6. Spritzgießwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Nebenkanal (5a-5e; 5a-5g; 5) kühlrippenartig gestaltet ist.

7. Spritzgießwerkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Hauptkanals (4) des Kühlkanals (3) größer als die radiale Erstreckung des oder der Nebenkanäle (5a-5e; 5a-5g; 5) ist.