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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Spritzgussbauteilen, wobei das Spritzgießwerkzeug eine mit einer ersten Werkzeugfläche versehene erste Werkzeughälfte und eine mit einer zweiten Werkzeugfläche versehene zweite Werkzeughälfte aufweist, und wobei die Werkzeugflächen dergestalt sind, dass sie bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug gemeinsam eine Kavität begrenzen, und wobei auf zumindest einer der Werkzeugflächen zumindest ein elektrisch leitfähiges Verstärkungselement angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Schließen der Werkzeughälften;
- b. Einspritzen von Spritzgussmasse in die Kavität;
- c. Öffnen der Werkzeughälften und anschließendes Ausbringen des spritzgegossenen Bauteils;
- d. Abkühlen des Bauteils.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Spritzgussbauteilen mit einem Spritzgießwerkzeug, wobei das Spritzgießwerkzeug eine mit einer ersten Werkzeugfläche versehene erste Werkzeughälfte und eine mit einer zweiten Werkzeugfläche versehene zweite Werkzeughälfte aufweist, und wobei die Werkzeugflächen dergestalt sind, dass sie bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug gemeinsam eine Kavität begrenzen, und wobei auf zumindest einer der Werkzeugflächen zumindest ein elektrisch leitfähiges Verstärkungselement angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Schließen der Werkzeughälften;
- b. Einspritzen von Spritzgussmasse in die Kavität;
- c. Öffnen der Werkzeughälften und anschließendes Ausbringen des spritzgegossenen Bauteils;
- d. Abkühlen des Bauteils.
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Spritzgießwerkzeuge werden als Bestandteil von Spritzgießmaschinen zur Herstellung von spritzgegossenen Bauteilen eingesetzt.
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Beim Spritzgießen wird ein Werkstoff, beispielsweise ein Kunststoff, in einer Spritzgießmaschine verflüssigt, z.B. aufgeschmolzen, und in eine Gießform unter Druck eingespritzt. Auch Mehrkomponentensysteme, beispielsweise Gemische verschiedener Kunststoffe, können mit dem Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Die Gießform bestimmt dabei mit ihrem Innenraum (der sogenannten Kavität) die Form und die Oberflächenstruktur des spritzgegossenen Bauteils. In der Regel setzt sich die Gießform aus zwei Hälften zusammen, den sogenannten Werkzeughälften. Dabei ist eine der Werkzeughälften eine Düsenseite und die ihr gegenüber liegende Werkzeughälfte eine Auswerferseite. In den Werkzeughälften befinden sich weitere Bestandteile des Spritzgießwerkzeugs, nämlich Auswerferkomponenten, Angusssysteme, Kerne sowie Kavitäteneinsätze und eine Kühlung (bzw. Temperierung).
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Die Werkzeughälften können dabei aus mehreren Platten aufgebaut sein. Die der Düsenseite zugeordnete Werkzeughälfte bewegt sich während der Herstellung der Spritzgussbauteile nicht, ist also positionsfest angeordnet. Die der Auswerferseite zugeordnete Werkzeughälfte hingegen ist beweglich angeordnet und kann auf die positionsfeste Werkzeughälfte zu und von dieser weg bewegt werden. Meist sind in die düsenseitige Werkzeughälfte sogenannte Formnester eingearbeitet, die auch als Formeinsätze oder Halbschalen bezeichnet werden. Diese können Bestandteil einer der düsenseitigen Werkzeughälfte zugeordneten Formplatte sein. Die Formnester bilden einen Teil der dem formgebenden Innenraum bzw. der Kavität zugewandten Werkzeugfläche der düsenseitigen Werkzeughälfte aus.
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In jener der Auswerferseite zugeordneten Werkzeughälfte befinden sich Auswerferkomponenten zum Auswerfen des spritzgegossenen Bauteils nach Beeindigung des Spritzgießvorgangs. Ferner weist auch diese Werkzeughälfte auf einer dem Innenraum bzw. der Kavität zugewandten Werkzeugfläche formgebende Komponenten auf, beispielsweise formgebenden Kerne und Einsätze. Die Formnester, Kerne und Einsätze bilden den formgebenden Innenraum bzw. die Kavität aus.
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Die Größenabmessungen des von den Werkzeughälften gebildeten Innenraums und/oder der an den Werkzeugflächen der Werkzeughälften vorgesehenen Oberflächenstrukturen - beispielsweise Vorsprünge oder Ausnehmungen (Formnester oder Kerne) - können die Form und Oberflächenstruktur des spritzgegossenen Bauteils bestimmen. Auch können vor dem eigentlichen Spritzgießen Gegenstände oder Bauteile in der Kavität angeordnet werden. In diesem Fall bestimmen die in der Gießform angeordneten Bauteile die Form der Kavität beim Spritzgießen mit, sind also - wie die Werkzeugflächen selbst - formgebend für das spritzgegossene Bauteil.
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Die geschmolzene Spritzgussmasse wird über ein Verteilersystem bis an den Innenraum bzw. die Kavität des Spritzgießwerkzeugs geleitet. Daraufhin erfolgt der Anguss. Dabei sind verschiedene Angusssysteme bekannt. Die Wahl des Angusssystems hat unmittelbare Auswirkungen auf die Qualität des spritzgegossenen Bauteils. Bei der Wahl des Angusssystems ist insbesondere die Form des herzustellenden Bauteils zu berücksichtigen. Als beispielhafte Angusssysteme seien der Schirmanguss, der Punktanguss, Stangenanguss, Tunnelanguss oder Filmanguss genannt.
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Es ist bekannt die Werkzeughälften von Spritzgießwerkzeugen aus Metall zu fertigen. Solche aus Metall gefertigten Werkzeughälften weisen eine hohe Lebensdauer und eine hohe mechanische Stabilität auf. Gegenüber den beim Spritzgießen auftretenden erhöhten Temperaturen sind Metalle unempfindlich. Nachteilig sind jedoch die relativ hohen Produktionskosten und die relativ lange Fertigungsdauer. In der Regel werden aus Metall gefertigte Werkzeughälften bzw. Werkzeugplatten gegossen oder geschmiedet. Insbesondere aufgrund der an den Werkzeughälften auszubildenden Formnester, Kernelemente bzw. der Kavitäten ist die Herstellung relativ aufwendig. Möchte ein Hersteller von Spritzgussbauteilen die Struktur oder Form seiner Spritzgussbauteile abändern, so ist er darauf angewiesen auf die abgeänderte Form angepasste Werkzeughälften bzw. Formplatten zu bestellen oder fertigen zu lassen. Dies bietet Nachteile in zeitlicher und kostentechnischer Hinsicht. Insbesondere Forschungs- und Entwicklungsabteilungen, die Prototypen von bestimmten Spritzgussbauteilen herstellen, ist eine schnellstmögliche Anpassbarkeit der Gießformen bzw. Werkzeughälften von besonderer Bedeutung.
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Eine Möglichkeit Werkzeughälften bzw. zugehörige Formplatten eines Spritzgießwerkzeugs auf schnellem und flexiblen Wege zu fertigen bietet die Herstellung im 3D-Druckverfahren. Im 3D-Druckverfahren können bestimmte Bauteile, hier beispielsweise die Werkzeughälften bzw. den Werkzeughälften zugeordnete Formplatten, computergesteuert durch schichtweise Materialauftragung auf einen Träger, hergestellt werden. Die Materialauftragung orientiert sich an vorgegebenen Maßen und Formen, die beispielsweise im CAD-Format von einem Nutzer vorgegeben werden können. Insbesondere die 3D-Druck-Fertigung von aus Kunststoff gedruckten Werkzeughälften ist für die Verwendung in einem Spritzgießwerkzeug von besonderem Interesse. Denn im Vergleich zum 3D-Druck von Metallen ist der Kunststoff-3D-Druck relativ kostengünstig. Bei der Auswahl des Kunststoffs gilt es jedoch zu beachten, dass dessen Schmelztemperatur oberhalb der Verarbeitungstemperatur des beim Spritzgießen verarbeiteten Kunststoffes liegt. Denn anderenfalls würden die formgebenden Werkzeughälften aufschmelzen. Nachteilig bei der Verwendung von Werkzeughälften aus Kunststoff erscheint - insbesondere beim Vergleich zu jenen aus Metall gefertigten Werkzeughälften - die relativ geringe mechanische Stabilität und Langlebigkeit. Dies gilt insbesondere deshalb, da beim Spritzgießen im Innenraum des Spritzgießwerkzeugs relativ hohe Drücke in Kombination mit erhöhten Temperaturen auftreten können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Spritzgussbauteilen sowie Verfahren zur Herstellung von Spritzgussbauteilen mit einem erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeug bereitzustellen, welches eine flexible Anpassbarkeit des Spritzgießwerkzeugs an unterschiedliche Formen der zu fertigenden Bauteile, eine erhöhte mechanische Stabilität und eine zuverlässige Ausbildung selbst von feinen Strukturen in den spritzgegossenen Bauteilen ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Spritzgussbauteilen vorgeschlagen, bei dem auf zumindest einer der Werkzeugflächen zumindest ein elektrisch leitfähiges Verstärkungselement angeordnet ist, und welches dazu eingerichtet ist, dass zumindest während des Spritzgießens eine elektrische Spannung an diesem anliegt. Weiterhin wird zur Lösung der angegebenen Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung von Spritzgussbauteilen vorgeschlagen, bei dem zumindest während des Einspritzens der Spritzgussmasse eine elektrische Spannung an dem Verstärkungselement anliegt.
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Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Spritzgussbauteilen. Das Spritzgießwerkzeug umfasst eine mit einer ersten Werkzeugfläche versehene erste Werkzeughälfte und eine mit einer zweiten Werkzeugfläche versehene zweite Werkzeughälfte. Die Werkzeugflächen sind dergestalt, dass sie bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug gemeinsam eine Kavität begrenzen. Auf zumindest einer der Werkzeugflächen ist zumindest ein elektrisch leitfähiges Verstärkungselement angeordnet.
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Wie eingangs beschrieben, setzen sich Spritzgießwerkzeuge in der Regel aus zwei Werkzeughälften zusammen, die wiederum aus mehreren Platten zusammengesetzt sein können. Bestandteil der Werkzeughälften kann beispielsweise eine Formplatte sein, die formgebende Strukturen für das Spritzgussbauteil aufweist. Vorteilhaft kann es sein, dass die Werkzeughälften aus Kunststoff gefertigt sind, beispielsweise im Wege eines 3D-Drucks. Auch können lediglich die Formplatten aus Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise im 3D-Druck. Entscheidend ist, dass die Schmelztemperatur des die Werkzeughälften bzw. Formplatten ausbildenden Kunststoffes größer ist als die Verarbeitungstemperatur der in die Kavität eingespritzten Spritzgussmasse. Denn anderenfalls würden die Werkzeughälften bzw. Formplatten selbst beim Spritzgießen aufschmelzen.
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Eine der Werkzeughälften bildet dabei eine düsenseitige Werkzeughälfte aus, während die andere Werkzeughälfte eine auswerferseitige Werkzeughälfte bereitstellt. Die düsenseitige Werkzeughälfte ist positionsfest angeordnet, während die auswerferseitige Werkzeughälfte in Richtung der positionsfesten Werkzeughälfte bi-direktional bewegbar ist. Eine der Werkzeughälften kann also auf die andere Werkzeughälfte zu und von dieser weg bewegt werden. Im geschlossenen Zustand des Spritzgießwerkzeugs bilden an den Werkzeughälften vorgesehene Werkzeugflächen einen Innenraum bzw. eine Kavität aus, der für die über ein Anguss- bzw. Düsensystem beim Spritzgießen einströmende Spritzgussmasse formgebend ist. Die Werkzeugflächen können auch an einer Formplatte als Bestandteil der jeweiligen Werkzeughälften ausgebildet sein. Zur Formgebung des Spritzgussbauteils können an den Werkzeugflächen Ausnehmungen oder Vorsprünge vorgesehen sein, im Fachjargon als Formnester und Kerne bezeichnet.
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Das elektrisch leitfähige Verstärkungselement kann während des Spritzgießens elektrisch kontaktiert werden. Mit der elektrischen Kontaktierung geht eine Temperaturerhöhung einher. Die sich dabei entwickelnde Wärme bzw. Hitze erhöht die Temperatur der einströmenden Spritzgussmasse. Handelt es sich bei der Spritzgussmasse um eine Kunststoffmasse, beispielsweise eine Polymerschmelze, kann die Temperaturerhöhung zu einer Reduzierung der Polymerviskosität führen. Dies wiederrum führt zu einer Verringerung des Schmelzdrucks und erleichtert die Formanpassung der Polymerschmelze an fein ausgebildete Strukturen an der ersten oder zweiten Werkzeugfläche. Somit können selbst kleinste Strukturen - beispielsweise enge Formnester oder zwischen Formkernen angeordnete Zwischenräume mit der Polymerschmelze gefüllt werden.
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Weiterhin führt das Verstärkungselement zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität der Werkzeughälften. Insbesondere führt dies zu einer Erhöhung der Widerstandsfähigkeit der Werkzeughälften bzw. Formplatten und den daran ausgebildeten Werkzeugflächen gegenüber beim Spritzgießen auftretenden Spannungen oder Drücken.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen angegeben.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verstärkungselement ein faserverstärktes Band, wobei das Band eine Kunststoffmatrix und darin eingebettete Fasern umfasst. Bei dem genannten Band kann es sich insbesondere um ein UD-Tape handeln. UD-Tapes sind unidirektional (UD) verstärkte Verbundmaterialien aus in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Endlosfasern. Aufgrund der Faserverstärkung weisen UD-Tapes in Faserrichtung sehr hohe Festigkeits- und Steifigkeitswerte auf. Durch Anordnung eines UD-Tapes in hochbelasteten Bereichen der Werkzeughälften oder Werkzeugflächen, können die genannten Bauteile lokal mechanisch verstärkt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Fasern ausgewählt aus der Gruppe: Carbonfasern, Metallfasern, Glasfasern oder Kunststoffasern. Dabei kann es sich auch um recycelte Fasern handeln. Durch die Faserverstärkung wird die Stabilität der Werkzeughälften weiter erhöht. Es ist auch vorstellbar eine Mischung aus unterschiedlichen Fasern in der Kunststoffmatrix vorzusehen. Vorzugsweise handelt es sich bei den Fasern um elektrisch leitfähige Fasern. Gleichermaßen kann das Band elektrisch leitfähige Füllstoffe aufweisen, diese können alternativ oder zusätzlich zu den elektrisch leitfähigen Fasern in dem UD-Tape vorgesehen sein. Die elektrisch leitfähigen Fasern oder Füllstoffe können über mit einer Spannungsquelle verbundene Kontaktmittel kontaktiert werden. Die Kontaktmittel können das auf den Werkzeugflächen angeordnete UD-Tape außerhalb des Spritzgießwerkzeugs kontaktieren, beispielsweise durch Kontaktieren eines von einer der Werkzeugflächen nach außen überstehendes UD-Tape. Ebenso können geeignete Kontaktmittel in die Werkzeughälften oder Formplatten bzw. die in die Werkzeugflächen integriert sein. Beispielsweise können leitfähige Drähte in die Werkzeughälften integriert sein. Sodann können die Drähte die UD-Tapes unmittelbar kontaktieren und zudem aus den Werkzeughälften nach außen geführt sein, um dort mit einer Spannungsquelle verbunden zu sein. Entscheidend ist in diesem Falle eine solide Abdichtung der Kontaktstellen. Alternativ oder zusätzlich kann dazu ein elektrisch leitfähiger Klebstoff vorgesehen sein, vermöge dessen das UD-Tape auf den Werkzeugflächen befestigt wird.
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Insbesondere weist das Band unidirektional ausgerichtete Endlosfasern auf. Unidirektional bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Fasern entlang einer bestimmten Vorzugsrichtung des Bandes bzw. Tapes verlaufen. Dazu können die Fasern statistisch oder homogen in der Kunststoffmatrix verteilt sein. Die Kunststoffmatrix kann prinzipiell durch jedweden geeigneten Kunststoff ausgebildet sein, insbesondere jedoch durch thermoplastische Kunststoffe. Diese können mit einem Klebeharz vorimprägniert und vor der Ablage auf einer Rolle aufgewickelt sein.
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Wie bereits angedeutet, kann das Band nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung über eine Klebeverbindung mit der ersten und/oder zweiten Werkzeugfläche verbunden sein. Der dazu verwendete Klebstoff kann zusätzlich elektrisch leitfähig sein. Die Verwendung eines Klebstoffs ermöglicht eine flexible sowie manuelle Anordnung der UD-Tapes auf den Werkzeugflächen. Zudem sind Klebeverbindungen relativ einfach lösbar, wodurch eine reversible Anordnung der UD-Tapes ermöglicht wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es sich bei dem auf der ersten und/oder zweiten Werkzeugfläche angeordneten Band um ein im Wege eines laserunterstützten Bandablageprozesses abgelegtes Band handeln. Zum Ablegen der Bänder auf den Werkzeugflächen, können die Bänder automatisch von einer Rolle abgezogen werden und an eine gewünschte Position gebracht. Sofern das Tape mit einem Klebeharz vorimprägniert ist, wird es vor Ort mit einem Laserstrahl erhitzt. In Folge dessen schmilzt das Klebeharz auf und ermöglicht eine feinverteilte Verbindung des Tapes mit den Werkzeugflächen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Band über Kontaktmittel mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sein, vermöge dessen eine elektrische Spannung in das Band einbringbar ist. Als Kontaktmittel kommen in die Werkzeughälften integrierte Kontaktdrähte, leitfähige Klebstoffe oder externe Kontaktmittel in Betracht. Zur Kontaktierung mit externen Kontaktmitteln muss in der Verschlussposition des Spritzgießwerkzeugs eine Kontaktverbindung zu dem Band ermöglicht sein. Durch die elektrische Kontaktierung kann das Verstärkungselement bzw. UD-Tape mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, insbesondere während des Einspritzens der Spritzgussmasse in die Kavität. In Folge der anliegenden elektrischen Spannung heizt sich das UD-Tape auf. Die sich dabei entwickelnde Wärme bzw. Hitze erhöht die Temperatur der einströmenden Spritzgussmasse während des Spritzgießvorgangs. Handelt es sich bei der Spritzgussmasse um eine Kunststoffmasse, beispielsweise eine Polymerschmelze, kann die Temperaturerhöhung zu einer Reduzierung der Polymerviskosität führen. Dies wiederrum führt zu einer Verringerung des Schmelzdrucks und erleichtert die Formanpassung der Polymerschmelze selbst an fein ausgebildete Strukturen an der ersten oder zweiten Werkzeugfläche. Somit können selbst kleinste Strukturen - beispielsweise Formnester oder zwischen Formkernen angeordnete Zwischenräume mit der Polymerschmelze gefüllt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und zweite Werkzeughälfte Druckerzeugnisse eines 3D-Druckers. Gleichermaßen können den Werkzeughälften zugeordnete Formplatten 3D-Druckerzeugnisse sein.
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Im Wege eines 3D-Druckverfahrens gefertigte Werkzeughälften bzw. Formplatten können computergesteuert durch schichtweise, additive Materialauftragung hergestellt werden. Die Materialauftragung orientiert sich an vorgegebenen Maßen und Formen, die beispielsweise im CAD-Format von einem Nutzer vorgegeben werden können. Somit können Werkzeughälften und Formplatten in beliebigen Formen hergestellt oder angepasst werden. Bei der Auswahl des zu druckenden Kunststoffs gilt es jedoch zu beachten, dass dessen Schmelztemperatur oberhalb der Verarbeitungstemperatur des beim Spritzgießen verarbeiteten Kunststoffes liegt. Denn anderenfalls würden die formgebenden Werkzeughälften aufschmelzen.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Spritzgussbauteilen mit einem Spritzgießwerkzeug, wobei das Spritzgießwerkzeug eine mit einer ersten Werkzeugfläche versehene erste Werkzeughälfte und eine mit einer zweiten Werkzeugfläche versehene zweite Werkzeughälfte aufweist, wobei die Werkzeugflächen dergestalt sind, dass sie bei geschlossenem Spritzgießwerkzeug gemeinsam eine Kavität begrenzen, und wobei auf zumindest einer der Werkzeugflächen zumindest ein elektrisch leitfähiges Verstärkungselement angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Schließen der Werkzeughälften;
- b. Einspritzen von Spritzgussmasse in die Kavität;
- c. Öffnen der Werkzeughälften und anschließendes Ausbringen des spritzgegossenen Bauteils;
- d. Abkühlen des Bauteils.
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Zumindest während des Einspritzens der Spritzgussmasse liegt eine elektrische Spannung an dem Verstärkungselement an. Wie schon zuvor im Zusammenhang der Ausführungen zu dem der Erfindung ebenfalls zugrunde liegenden Spritzgießwerkzeug ausgeführt, ist auch mit dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren eine relativ kostengünstige und flexible Fertigung von Spritzgussbauteilen ermöglicht. Auch hochkomplexe und mit feinen Strukturen versehene Spritzgussbauteile können dadurch zuverlässig und kostengünstig gefertigt werden. Denn zum einen können die Werkzeughälften im Wege eines 3D-Druckverfahrens flexibel an bestimmte Strukturerfordernisse angepasst werden. Zum anderen lässt sich durch die angelegte elektrische Spannung die Viskosität der Polymerschmelze verringern, wodurch die Fertigung feiner struktureller Elemente ermöglicht wird. Eine Herstellung der Werkzeughälften oder Formplatten über ein 3D-Druckverfahren ist im Vergleich zur Fertigung von Werkzeughälften aus Metall relativ kostengünstig.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Spritzgießwerkzeug wie auch das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren kann mit sämtlichen vorangehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen kombiniert werden, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe, wie „umfassend“ „aufweisen“ oder „mit“ keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe „ein“ oder „das“, die auf einer Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus und umgekehrt.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind anhand der in den Figuren wiedergegebenen Beispielen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zweier Werkzeughälften eines Spritzgießwerkzeugs (auf die Darstellung weiterer Komponenten des Spritzgießwerkzeugs wurde verzichtet);
- 2 eine schematische Darstellung einer bei dem erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeug bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Werkzeughälfte;
- 3 eine schematische Darstellung eines unidirektionalen Bandes, wie es als Verstärkungselement bei dem erfindungsgemäßen Spritzgießwerkzeug bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommt.
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Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung einer ersten Werkzeughälfte 1 und einer zweiten Werkzeughälfte 2 eines Spritzgießwerkzeugs. Die erste Werkzeughälfte weist eine erste Werkzeugfläche 3 auf, während der zweiten Werkzeughälfte 2 eine zweite Werkzeugfläche 4 zugeordnet ist. Die Werkzeugflächen 3, 4 bilden die Kavität 5 bzw. den Innenraum des Spritgießwerkzeugs aus. In die Kavität 5 wird eine erweichte Spritzgussmasse, beispielsweise eine Kunststoffmasse eingespritzt. Durch formgebende Elemente bzw. die Form der Werkzeugflächen 3, 4 wird die Form des spritzgegossenen Bauteils festgelegt. Formgebende Elemente können beispielsweise als Formnester 6 oder Kerne 7 ausgebildet sein.
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Die Spritzgussmasse gelangt durch ein nicht dargestelltes Angusssystem in den Innenraum bzw. die Kavität 5 des Spritzgießwerkzeugs. Wie bereits einleitend ausgeführt, ist eine der Werkzeughälften 1, 2 positionsfest angeordnet - insbesondere eine düsenseitige Werkzeughälfte. Die andere der Werkzeughälften 1, 2 - insbesondere die einer Auswerferseite zugeordnete Werkzeughälfte 1, 2 - ist beweglich zu der düsenseitigen Werkzeughälfte 1, 2 angeordnet. Vor dem eigentlichen Spritzgießen werden die Werkzeughälften 1, 2 auf einander zu bewegt, um die Kavität 5 bzw. den Innenraum der Gießform zu schließen. Sodann gelangt die Spritzgussmasse, beispielsweise eine Kunststoffmasse, durch das Angusssystem und eine düsenseitige Werkzeughälfte 1, 2 in die Kavität bzw. den Innenraum. Nach Beendigung des Spritzgießprozesses wird die auswerferseitige Werkzeughälfte 1, 2 von der düsenseitigen Werkzeughälfte 1, 2 wegbewegt und das spritzgegossene Bauteil durch an der düsenseitigen Werkzeughälfte 1, 2 vorgesehene Auswertferelemente, beispielsweise eine Auswerferplatte oder Auswerferbolzen entfernt, d.h. ausgeworfen.
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Wie in der 2 dargestellt, können die Werkzeugflächen 3, 4 der jeweiligen Werkzeughälften 1, 2 erfindungsgemäß mit einem Verstärkungselement 8 versehen sein. Bei dem Verstärkungselement 8 handelt es sich insbesondere um ein UD-Tape, also einem sich aus einer Kunststoffmatrix 9 und darin eingebetteten elektrisch leitfähigen Fasern 10 zusammensetzenden Band. Das Verstärkungselement 8 bzw. UD-Tape kann vollflächig auf einer der Werkzeugflächen 3, 4 oder auf beiden Werkzeugflächen 3, 4 vorgesehen sein. Wie dargestellt, können aber auch nur bestimmte Bereiche der Werkzeugflächen 3, 4 mit dem UD-Tape belegt sein, beispielsweise die die Kerne 7 der Werkzeughälften 1, 2 definierenden Abschnitte. Das UD-Tape kann mit einem geeigneten Adhäsiv bzw. Klebstoff auf den Werkzeugflächen 3, 4 aufgeklebt sein. Auch kann das UD-Tape selbstklebend ausgebildet sein. Alternativ kann das UD-Tape im Wege eines laserunterstützten Bandablageprozesses auf den Werkzeugflächen 3, 4 angeordnet werden. Die Anordnung von UD-Tapes oder UD-Tape-Abschnitten führt zu einer strukturellen Verstärkung der damit bedeckten Abschnitte der Werkzeughälften 1, 2. Verstärkung meint in diesem Kontext insbesondere eine Erhöhung der mechanischen Stabilität bzw. der Steifigkeit. Die Anordnung des UD-Tapes führt zu einer strukturellen Stabilisierung der damit beaufschlagten Bauteile im Sinne eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes.
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Zusätzlich können die in die Kunststoffmatrix 9 des UD-Tapes eingebetteten Fasern 10 elektrisch leitfähig sein und über geeignete Kontaktmittel 11 elektrisch kontaktiert werden. Die Kontaktmittel 11 können - wie in der 3 schematisch dargestellt - im Sinne einer Klemme ausgebildet sein um das UD-Tape elektrisch zu kontaktieren. Dazu kann ein Teil des Tapes aus der Kavität 5 herausgeführt sein, um außerhalb der Kavität 5 elektrisch kontaktiert zu werden. Gleichsam können Kontaktmittel 11 innerhalb der Kavität 5 vorgesehen sein, bzw. in die Werkzeugflächen 3, 4 integriert sein. Bei Anordnung des UD-Tapes kann dieses über die in die Werkzeugflächen 3, 4 integrierten elektrischen Kontaktmittel 11 kontaktiert werden. Die Kontaktmittel 11 können über ein elektrisch leitfähiges Medium mit dem UD-Tape in Verbindung gebracht werden, beispielsweise über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff oder Kontaktdraht. Die in der 3 beispielhaft dargestellte Kontaktierung des Verstärkungselements 8 über die Kontaktmittel 11 zeigt eine Kontaktierung über zahnförmige Kontaktstifte 13, die ausgehend von einer Basis 14 zahnförmig in Richtung des Verstärkungselements 8 spitz zulaufen. Einzelnen Kontaktstiften 13 werden von Zahngründen 15 getrennt. Die zahnförmigen Kontaktstifte 13 werden durch Zahnflanken 16 begrenzt. Die Kontaktstifte 13 können in die Kunststoffmatrix 9 des Verstärkungselements 8 hineinragen und in der Kunststoffmatrix 9 enthaltene elektrisch leitfähige Füllstoffe kontaktieren. Gleichsam können die Kontaktstifte unmittelbar die elektrisch leitfähigen Fasern 10 kontaktieren.
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Vermöge der elektrischen Kontaktierung kann das Verstärkungselement 8 mit einer elektrischen Spannung U beaufschlagt werden, insbesondere kann dies während des Einspritzens der Spritzgussmasse in die Kavität 5 besondere Vorteile mit sich bringen. Denn in Folge der anliegenden elektrischen Spannung U heizt sich das UD-Tape auf. Die sich dabei entwickelnde Wärme bzw. Hitze erhöht die Temperatur der einströmenden Spritzgussmasse. Handelt es sich bei der Spritzgussmasse um eine Kunststoffmasse, beispielsweise eine Polymerschmelze, kann die Temperaturerhöhung zu einer Reduzierung der Polymerviskosität führen. Dies wiederrum führt zu einer Verringerung des Schmelzdrucks und erleichtert die Formanpassung der Polymerschmelze selbst an fein ausgebildete Strukturen an der ersten oder zweiten Werkzeugfläche 3, 4. Somit können selbst kleinste Strukturen - beispielsweise Formnester 6 oder zwischen Formkernen 7 angeordnete Zwischenräume mit der Polymerschmelze gefüllt werden. Die elektrische Kontaktierung samt damit einhergehender Temperaturerhöhung in der Kavität 5 des Spritzgießwerkzeugs, ermöglicht letztlich die Ausbildung selbst fein strukturierter Spritzgussbauteile.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Werkzeughälfte
- 2
- zweite Werkzeughälfte
- 3
- erste Werkzeugfläche
- 4
- zweite Werkzeugfläche
- 5
- Kavität
- 6
- Formnest
- 7
- Kern
- 8
- Verstärkungselement
- 9
- Kunststoffmatrix
- 10
- Fasern
- 11
- Kontaktmittel
- 12
- Spannungsquelle
- 13
- Kontaktstift
- 14
- Basis
- 15
- Zahngrund
- 16
- Zahnflanke
- U
- Spannung
