DE3632640A1 - Verfahren zur herstellung eines spritzgiesswerkzeugs - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines spritzgiesswerkzeugsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel
lung eines Spritzgießwerkzeuges mit einem verbesserten
Temperierkanalsystem.
Spritzgießwerkzeuge, beispielsweise für die serienmäßige
Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe bestehen im
allgemeinen nach Fig. 1 aus einer (nicht gezeichneten) Spritz
düse sowie einen aus zwei Hälften (10, 11) bestehenden
Werkzeugeinsatz, in dessen zwischen den zwei Hälften be
findliche Kavität (15) mittels der Spritzdüse der flüssige
Kunststoff unter hohem Druck eingespritzt wird und sich
dort verteilt. Das Spritzgießwerkzeug enthält ein Tempe
rierkanalsystem (12) in Form von Bohrungen, durch die ein
Temperiermedium strömt und so eine möglichst rasche
gleichmäßige Abkühlung des Formteils besorgt. Nach dem
Erstarren der Formmasse öffnet sich das Werkzeug, das ge
formte Kunststoffteil wird ausgestoßen oder mittels eines
Greifers abgenommen, anschließend wird das Werkzeug wieder
geschlossen und der geschilderte Vorgang wiederholt sich.
Wie in dem Buch "Spritzgießwerkzeugbau in Beispielen" (Han
ser Verlag, München 1975) auf den Seiten 21 bis 26 ausge
führt, treffen in den meisten praktischen Fällen zwei For
derungen zusammen, die in der Regel Kompromisse verlangen:
- 1. Technische Qualität der Spritzgußteile als Funktion der Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung im Werk zeug und der Höhe der Werkzeugtemperatur.
- 2. Wirtschaftliche Zykluszeiten durch schnelle Wärmeabfuhr aus der mit Formmasse gefüllten Kavität.
Welche Forderung bei der Anlage des Werkzeugtemperiersystems
überwiegt, hängt vom Werkstoff und von den verlangten Fer
tigteileigenschaften ab. Werkzeugplatten, die zum Zweck
des Einarbeitens von Temperierkanälen geteilt werden, wie
aus Fig. 2 ersichtlich, sind weniger biegesteif als eintei
lige Platten. Dadurch können unter Einwirkung des Spritz
druckes örtliche Formänderungen entstehen, so daß Maßtole
ranzen nicht erreicht werden, das Entformen erschwert wird,
oder Undichtigkeiten der Kühlkanäle entstehen. Die Durch
messer der Temperierkanäle bewegen sich im allgemeinen
im Bereich von 8 bis 15 mm. Je kleiner der Abstand der
Temperierkanäle zueinander ist, um so gleichmäßiger ist
die Werkzeugtemperatur. Treten jedoch konstruktionsbedingt
große Abstände der Temperierkanäle zueinander auf, so müssen
der Abstand zur Kavität und der Kanaldurchmesser ebenfalls
größer werden, um die gewünschte Gleichmäßigkeit der Tempe
raturverteilung zu erreichen. Außerdem muß mit zunehmender
Wanddicke mehr Wärme abgeführt werden, folglich müssen
die Kanaldurchmesser größer werden.
Müssen kompliziert aufgebaute Formteile gefertigt werden,
so ist zusätzlich das Problem zu lösen, die Temperierkanäle
in das Werkzeug durch Bohrungen mit dem gewünschten Quer
schnitt einzubringen und dabei die oben genannten Bedin
gungen zu berücksichtigen. Infolgedessen ist die Herstellung
der Temperierkanäle in einem Spritzgießwerkzeug normalerweise
umständlich und teuer zu bewerkstelligen.
Tritt beispielsweise beim Spritzgießen von Wickelnaben
für Video-Cassetten die oben erwähnte ungleichmäßige Tempe
raturverteilung des Spritzgießwerkzeuges auf, so erhalten
die Wickelnaben einen Schlagfehler und laufen in der Cassette
unrund.
In der DE-OS 24 12 223 wird zur Vermeidung der Formänderun
gen der zu fertigenden Gegenstände vorgeschlagen, im Spritz
gießwerkzeug Abschnitte unterschiedlicher thermischer Leit
fähigkeit oder unterschiedlicher Temperatur, etwa durch
isolierende Einlagen, vorzusehen. Dadurch wird aber das
Werkzeug noch komplizierter aufgebaut.
Daher bestand die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung
eines Spritzgießwerkzeuges mit einem Temperierkanalsystem
zu finden, das die oben angegebenen Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfah
ren mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genann
ten Merkmalen.
Nähere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Unteran
sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert und zwar zeigen:
Fig. 1 und 2 Querschnitte durch Werkzeugeinsätze gemäß
dem Stand der Technik.
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren hergestellte Ausführungsform
einer Spritzgießwerkzeugs-Einrichtung.
Fig. 4 eine Ansicht der Trennebene des düsenseitigen
Werkzeugeinsatzes.
Fig. 5 die Temperaturverteilung an der Werkzeuginnenwand
eines Spritzgießwerkzeuges nach dem Stand der
Technik.
Fig. 6 die Temperaturverteilung der Werkzeuginnenwand
in einem Werkzeug, das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wurde.
Fig. 7 einen Vergleich von Schlagfehlern von VHS-Naben,
gefertigt in Spritzgießwerkzeugen gemäß dem Stand
der Technik beziehungsweise nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren.
Fig. 3 zeigt im Querschnitt schematisch eine Einrichtung
zum Spritzgießen. Sie besteht aus einer Heißkanaldüse (1),
bekannt beispielsweise aus den Veröffentlichungen DE-OS
23 47 987, 31 27 938, 32 45 571, 32 49 486 und 33 24 901
sowie den Werkzeugeinsätzen (10, 11), welche je nach der
zu spritzenden Form unterschiedlich aufgebaut sein können.
Zur Heißkanaldüse führt ein Kanalverteiler (3), durch den
der flüssige Kunststoff unter Druck einströmt. Ein Heiz
system (4), beispielsweise bestehend aus Heizwendeln, ist
in der Heißkanaldüse vorhanden, die ein Stahlmantel (6)
umkleidet. Am unteren Ende der Heißkanaldüse befindet sich
ein Nadelventil (7), bekannt beispielsweise aus den schon
genannten Veröffentlichungen DE 32 45 571 und 32 49 486,
das durch einen Kolben (8) gesteuert wird und die Öffnung
(9) taktweise öffnet und schließt. Der Werkzeugeinsatz
besteht im allgemeinen aus Werkzeugstahl und setzt sich
in der vorliegenden Ausführungsform aus zwei Teilen (10,
11) mit der Trennebene (Tr), die zum Entformen des Kunst
stoffteils auseinandergeklappt werden kann, zusammen. Der
obere düsenseitige Werkzeugeinsatz (10) ist über Befesti
gungsschrauben mit dem übrigen Maschinenteil verbunden.
In die Kavität (15) zwischen oberem und unterem Werkzeug
einsatz wird der Kunststoff eingespritzt. Beide Werkzeug
einsätze (10, 11) besitzen ein Temperierkanalsystem (12,
12′, 12′′) in verschiedenen Ebenen mit einem Zulauf- und
Ablaufsystem durch das die Temperierflüssigkeit, welche
Wasser oder ein Öl sein kann, gepumpt wird. Die verschiedenen
Temperierebenen können unterschiedliche Durchflußmengen
haben und können miteinander verbunden sein, der Querschnitt
der Kanalwände kann rund sein, kann aber auch beliebig
andere Querschnittsformen aufweisen.
Fig. 4 zeigt die Verbindung des Kanalsystems in dem oberen
Werkzeugeinsatz (10), wobei der Stutzen (14) die Kühlung
des mittleren Teiles der Kavität (15) besorgt.
Nach dem Stand der Technik wird, wie bereits geschildert,
das Temperierkanalsystem durch verschiedene von der Außen
fläche eingebrachte Bohrungen hergestellt. Anschließend
müssen die Bohrungen nach außen durch Stopfen verschlossen
werden. Demgegenüber besteht das Wesen der vorliegenden
Erfindung darin, daß sowohl der obere wie der untere Werk
zeugeinsatz (10, 11) aus zwei oder mehr Einzelplatten zu
sammengesetzt ist, in die von den Trennflächen (F 1, F 2, F 3)
aus die Temperierkanäle durch Fräsen und Bohren eingear
beitet werden. Auf diese Weise wird in jede Einzelplatte
lediglich ein Teil des Kanalquerschnitts, beispielsweise
die Hälfte, eingearbeitet. Es leuchtet ein, daß auf diese
Weise erheblich einfacher die Anzahl, die Verteilung und
die Querschnittsform der Temperierkanäle gestaltet werden
kann, ohne daß Bohrungen nach außen entstehen. Nach geeig
neter Vorbehandlung der Trennflächen, wie weiter unten
geschildert, werden die einzelnen Platten durch Diffusions
schweißen zusammengefügt.
Das Diffusionsschweißen ist ein für verschiedene Zwecke
angewendetes Verfahren, bei dem, wie aus dem Welding Hand
book, 7. Edition, Volume 111, Seiten 312 ff. bekannt, die
Berührungsflächen ineinander diffundieren. Das heißt, es
erfolgt ein Wachsen der Korngrenzen über die Trennflächen
hinweg. Die Nahtstelle heilt durch Rekristallisation aus,
so daß die 100%ige Festigkeit des Grundwerkstoffs, bei
spielsweise Werkzeugstahl, erhalten wird. Wie außerdem
aus den Patentschriften DE-AS 16 52 878, DE-OS 23 72 774,
33 40 235, 34 01 670, AT 2 45 895 sowie den EP 00 91 371
und 01 67 492 bekannt, können gleiche oder auch verschie
dene Werkstoffe auf diese Weise miteinander verbunden werden,
wie beispielsweise Stahl-Kupfer, Keramik-Niob oder andere.
In den oben erwähnten Schriften wird auch die notwendige
Vorbehandlung der zusammenzufügenden Flächen beschrieben.
Die Oberflächen der an den Fügeflächen F 1, F 2, F 3 zusammen
zufügenden Teile wird bevorzugt auf eine Rauhtiefe R z < 3 µm
abgeschliffen, anschließend werden die Platten mehreren Rei
nigungsprozessen beispielsweise bei Ultraschallbeaufschlagung
unter Anwendung von Reinigungsmitteln wie Kaltron, Aceton
und/oder Ethanol unterzogen. Anschließend werden die Teile
zusammengepaßt und in eine Kammer gebracht, die auf einen
Restdruck von < 40 Torr, vorzugsweise < als 0,01 Torr,
evakuiert
wird. Statt der Evakuierung kann auch, wie in der DE
23 42 774 beschrieben, eine Schutzgasatmosphäre angewandt
werden. Gleichzeitig werden die zu verschweißenden Werk
zeugteile bevorzugt durch induktive Erhitzung gleichmäßig
auf eine Temperatur von 900-1100°C, insbesondere
1050°C, erhitzt. Dabei werden die Werkzeugteile hydraulisch
unter einem Druck von 10-30 N/mm2, vorzugsweise 15 N/mm2,
während einer Zeitdauer von 0,5 bis 4 Stunden, vorzugsweise
2 Stunden zusammengepreßt. Danach wird das Werkzeug langsam
abgekühlt, und wenn es etwa 600 bis 800°C, vorzugsweise
700°C, erreicht hat, wird der Druck weggenommen und an
schließend wird auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die so zusammengeschweißten Werkzeughälften (10, 11) können
anschließend beliebig bearbeitet werden, das heißt, die
Verbindungen für die Temperierkanäle, die Schraubenbefesti
gung der Werkzeugeinsätze am Spritzgießwerkzeug, die Form
und die Oberflächenbearbeitung der zusammenzupressenden
Einsätze (10, 11) sowie der Kavität können jetzt geschaffen
und besorgt werden.
Anschließend wird am Beispiel eines Spritzgießwerkzeuges
zur Herstellung von Spulennaben für VHS-Video-Cassetten
der Vorteil des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge
stellten Werkzeuges demonstriert. Die Spulennabe besteht
aus Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer.
Fig. 5 zeigt die Temperaturverteilung, gemessen an der
Werkzeuginnenwand eines Spritzgießwerkzeuges, hergestellt
gemäß dem Stand der Technik. Die maximale Temperaturdiffe
renz beträgt ca. 28°C.
Fig. 6 zeigt im gleichen Maßstab die Temperaturverteilung
der Werkzeuginnenwand eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Spritzgießwerkzeuges. Hier ist
die Temperaturverteilung wesentlich gleichmäßiger und der
maximale Temperaturunterschied beträgt lediglich ca. 4°C.
Daraus resultiert, wie aus Fig. 7 deutlich ersichtlich,
eine wesentlich geringere Verformung der VHS-Spulennabe,
gemessen als Schlagfehler in Abhängigkeit von der Zyklus
zeit des Spritzvorgangs, wenn die Spulennabe in einem Werk
zeug, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt
wurde, gespritzt wird.
Die Vorteile des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her
gestellten Spritzgießwerkzeugs lassen sich wie folgt zusam
menfassen:
- - Das Temperierkanalsystem kann bequem in das Spritzgieß werkzeug eingearbeitet werden, es können die für eine optimale Temperierung erforderlichen Kanalquerschnitte eingearbeitet werden
- - nach dem Diffusionsschweißverfahren können die Werkzeug teile beliebig bearbeitet werden
- - die Zykluszeit im Spritzgießverfahren kann wesentlich verkürzt werden.
Diese Vorteile, die bei der Herstellung von Massenprodukten
wie Cassettenteile voll zum Tragen kommen, wiegen den Nach
teil der Werkstoffvorbereitung für das Diffusionsschweiß
verfahren und die Kosten für eine Diffusionsschweißappara
tur bei weitem auf.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines Spritzgießwerkzeuges,
welches ein Temperierkanalsystem sowie Kavitäten enthält,
in die aus einer Düse ein thermoplastischer Kunststoff
eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die das
Temperierkanalsystem (12, 12′, 12′′) enthaltenden Werk
zeugeinsätze (10, 11) jeweils aus zwei oder mehr Platten
zusammengesetzt sind, in deren zu verbindende Flächen
die Kanäle vorzugsweise durch Fräsen und Bohren eingear
beitet werden, worauf die zu verbindenden Flächen (F 1,
F 2, F 3) von Verunreinigungen befreit werden und anschlie
ßend die Platten durch Diffusionsschweißen zusammengefügt
werden.
2. Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von aus thermoplasti
schen Kunststoffen bestehenden Formteilen, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Spritzgießwerkzeug nach dem Ver
fahren gemäß dem Anspruch 1 hergestellt wurde.
3. Spritzgießwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß das Spritzgußwerkzeug ganz oder teilweise aus
Werkzeugstahl besteht.
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