DE3808363A1 - Kern fuer spritzgiesswerkzeug und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kern für ein Spritzgießwerkzeug mit einer Kühleinrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kerns.

Derartige Kerne bilden Teile von Spritzgießwerkzeugen. Die Bezeichnung "Kern" wird insbesondere für diejenigen Teile der Spritzgießwerkzeuge, die überwiegend von dem Formhohlraum umschlossen werden, in die das auszuformende Material, insbesondere Kunststoff, eingespritzt wird. Diese Kerne formen vor allem die Hohlräume von meist dünnwandigen Kunststoff-Spritzgußteilen.

Die mit verhältnismäßig hoher Temperatur in die Spritzgießwerkzeuge eingespritzten Formmassen geben eine erhebliche Wärmemenge an das Spritzgießwerkzeug ab, das deshalb in den meisten Fällen gekühlt werden muß. Hierzu ist es bekannt, im Spritzgießwerkzeug beispielsweise Kühlkanäle vorzusehen, durch die eine Kühlflüssigkeit geleitet wird. In den oftmals schmalen und/oder kompliziert geformten Kernen steht in den meisten Fällen kein ausreichender Platz für derartige Kühlkanäle zur Verfügung. Außerdem ist die Herstellung der Kühlkanäle aufwendig und schwierig.

Es ist deshalb bekannt, in derartige Kerne Bohrungen vorzusehen, in die Kupferstifte eingesetzt werden, die aus dem Kern bis in gekühlte Bereiche des Spritzgießwerkzeugs führen und die Wärme aus dem Kern abführen sollen. Ebenso wie bei Kühlkanälen bestehen auch hier die Schwierigkeiten, daß die Bohrungen für die Kupferstifte in schmaler und/oder kompliziert gestaltete Kerne nicht oder nicht ausreichend tief eingebracht werden können. Außerdem besteht zwischen dem aus Stahl gefertigten Kern und dem eingesetzten Kupferstift ein mehr oder minder breiter, bei der Fertigung kaum zu kontrollierender Luftspalt, der den Wärmeübergang wesentlich beeinträchtigt. Wenn diese beschriebenen, direkt oder indirekt wirkenden Kühleinrichtungen nicht vorgesehen werden können oder nur unzureichend arbeiten, dann besteht die Gefahr, daß der Kern bei rasch aufeinanderfolgenden Spritzgießvorgängen eine zu hohe Temperatur erreicht. Dadurch wird das Aushärten des gespritzten Werkstücks beeinträchtigt oder verhindert, beispielsweise wenn ein temperaturabhängig vernetzender Kunststoff verarbeitet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kern der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der auch bei schmaler und/oder komplizierter Gestaltung ausreichend gekühlt werden kann, ohne daß dadurch seine mechanische Festigkeit wesentlich beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern ein tragendes Stahlskelett mit Aussparungen aufweist, die mit Kupfer ausgegossen sind.

Das Stahlskelett gibt dem Kern die nötige mechanische Festigkeit und Formhaltigkeit. Das die Ausnehmungen des Stahlskeletts ausfüllende Kupfer, das eingegossen und deshalb innig mit dem Stahlskelett verbunden ist, so daß eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen dem Stahl und dem Kupfer sichergestellt ist, bewirkt eine gute Wärmeableitung aus dem Kern, zumindest bis in diejenigen Bereiche der Flächen des Kerns hinein, die mit einer gekühlten Formplatte des Spritzgießwerkzeugs in Verbindung stehen.

Da die Aussparungen des Stahlskeletts vollständig mit Kupfer ausgegossen sind, bestehen keine Luftspalte, die die Wärmeübertragung beeinträchtigen könnten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Stahlskelett eine geschlossene Kernhülse bildet, deren innerer Hohlraum die mit Kupfer ausgegossene Aussparung bildet. Diese Kernhülse kann verhältnismäßig dünnwandig ausgeführt werden, so daß ein möglichst großer Querschnitt für die Wärmeableitung durch das Kupfer zur Verfügung steht.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Stahlskelett aus miteinander verbundenen Wänden, Lamellen od. dgl. besteht und daß die dazwischen bestehenden, mit Kupfer ausgegossenen Aussparungen bis zur Außenfläche des Kerns reichen. Damit lassen sich auch sehr kompliziert gestaltete Kerne so herstellen, daß eine optimale Wärmeableitung sichergestellt ist.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kerns, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Aussparungen eines tragenden Stahlskeletts in Vakuum oder unter Schutzgas mit Kupfer ausgegossen werden. Unter diesen Gießbedingungen wird eine sehr innige, diffundierende Verbindung des tragenden Stahlskeletts, beispielsweise einer Kernhülse, mit dem Kupferkörper erreicht, der lunkerfrei hergestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung von "Kupfer" als Material zum Ausgießen der Aussparungen gesprochen wird, so sind darunter selbstverständlich auch Kupferlegierungen zu verstehen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 in einem senkrechten Teilschnitt ein Spritzgießwerkzeug mit einem mit Kupfer ausgegossenen Kern,

Fig. 2 einen Teilschnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch ein anderes Spritzgießwerkzeug mit einem mit Kupfer ausgegossenen Kern,

Fig. 4 in einem senkrechten Schnitt einen Kern für ein Spritzgießwerkzeug mit einem darauf angeordneten Spritzgußteil,

Fig. 5 in räumlicher Darstellungsweise den Kern nach Fig. 3,

Fig. 6 in einem senkrechten Schnitt eine weitere Ausführungsform eines mit Kupfer ausgegossenen Kerns für ein Spritzgießwerkzeug mit darauf angeordnetem Spritzgußteil und

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 6 durch den Kern.

Das in den Fig. 1 und 2 in Teilschnitten dargestellte Spritzgießwerkzeug für ein beispielsweise napfförmiges Kunststoff-Spritzgußteil 1 besteht aus mehreren übereinander angebrachten Formplatten 2, die jeweils von einer Kühlflüssigkeit durchflossene Kühlkanäle 3 aufweisen.

Ein die Form des Hohlraums des Spritzgußteils 1 bildender Kern 4 besteht aus einer äußeren Kernhülse 5, die außer einer unteren Öffnung 6 geschlossen ist und ein tragendes Stahlskelett für den Kern 4 bildet. Ein innerer Hohlraum 7 der Kernhülse 5 bildet eine innere Aussparung des Stahlskeletts und ist mit Kupfer 8 ausgegossen.

Wie man aus Fig. 2 erkennt, handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen verhältnismäßig schmalen, kompliziert gestalteten Kern 4, in dem kein Platz für Kühlkanäle vorhanden ist. Das den Hohlraum 7 vollständig ausfüllende Kupfer 8 gewährleistet eine optimale Wärmeübertragung von der Kernhülse 5 in die mit Kühlkanälen 3 versehenen Formplatten.

Zur Herstellung des Kerns 4 wird die Kernhülse 5 im Vakuum oder unter Schutzgas mit Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgegossen. Die Kernhülse 5 wurde hierfür zunächst mit äußerem Übermaß hergestellt. Die Außenkontur des Kerns 4 wurde nach dem Ausgießen auf das Fertigmaß spanend abgearbeitet. Auf diese Weise ist es möglich, den mit dem Kupfer 8 zu füllenden Hohlraum 7 so groß wie möglich auszuführen, so daß ein möglichst großer Querschnitt für die Wärmeableitung zur Verfügung steht. Die verbleibende Wanddicke der Kernhülse nach der spanenden Bearbeitung wird nur so groß gewählt, wie dies für die geforderte mechanische Festigkeit des Kerns 4 notwendig ist.

Zweckmäßigerweise wird der Kern 4 nach dem Ausgießen ausgeglüht, anschließend spanend fertigbearbeitet und dann in der für die gewählte Stahlsorte vorgegebenen Weise gehärtet, vorzugsweise im Vakuum oder unter Schutzgas und angelassen. Das mit der Kernhülse 5 diffus verbundene Kupfer 8 erträgt diese Wärmebehandlungen problemlos, da die Gießtemperaturen des Kupfers wesentlich höher liegen als die Temperaturen dieser Wärmebehandlung.

Auf diese gesonderte Wärmebehandlung kann auch verzichtet werden. Bei geeigneter Auswahl der verwendeten Stahlsorte erfolgt bereits beim Gießverfahren eine Härtung. Der Kern kann dann unmittelbar nach dem Gießen fertigbearbeitet werden; stattdessen kann er auch schon vor dem Gießen mit Fertigmaß ausgeführt sein. In manchen Fällen wird höchstens noch ein Anlassen erforderlich sein.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kerns 9, der aus einer Kernhülse 10 besteht, deren innerer Hohlraum 11 mit Kupfer 12 in der beschriebenen Weise ausgegossen ist. Der Kern 9 bildet die innenliegende Form eines Spritzgießwerkzeugs zur Herstellung eines Kunststoffgehäuses 13, das innere Trennwände 14 aufweist. Die äußere Form 15 des Spritzgießwerkzeugs ist in Fig. 3 nur vereinfacht angedeutet.

Man erkennt am Beispiel der Fig. 3, daß auch ein kompliziert gestalteter, insbesondere zerklüfteter Kern 9 so gestaltet werden kann, daß eine wirksame Wärmeableitung aus allen Teilen des Kerns sichergestellt ist. Die äußere Kernhülse 10 gibt auch in diesem Fall dem Kern 9 die notwendige mechanische Festigkeit. Nach der Kernherstellung können Bohrungen für Auswerferstifte od. dgl. durch das Kupfer 12 und die stählerne Kernhülse 10 gebohrt werden (nicht dargestellt).

In den Fig. 4 und 5 ist ein Kern 16 in Verbundausführung dargestellt. Sein tragendes Stahlskelett 17 weist mehrere im Abstand zueinander angeordnete Wände 18 auf, in denen Formausnehmungen 19 ausgespart sind.

Der Kern 16 dient zum Spritzgießen eines länglichen, am Boden offenen Kunststoffteiles 20, das nach innen ragende Stifte 21 aufweist, die in den Aussparungen 19 geformt werden.

Zwischen den Wänden 18 sind flache Aussparungen 22 gebildet, die in der schon beschriebenen Weise mit Kupfer 23 ausgegossen sind. Wie man aus Fig. 5 erkennt, reicht bei diesem Ausführungsbeispiel das Kupfer 23 bis zur Außenfläche des Kerns 16. Die aus Kupfer bestehenden Teile der Außenfläche sind in Fig. 5 durch eine Punktierung angedeutet.

In Fig. 5 ist auch gezeigt, daß jeweils unter den Aussparungen 19 Bohrungen 24 für Auswerferstifte vorgesehen werden können, um das kompliziert gestaltete Gießteil 20 auszuwerfen. Bereits diese Bohrungen 24 würden die Anbringung von Kühlkanälen unmöglich machen. Durch die gute Leitfähigkeit des Kupfers 23 ist aber eine ausreichende Wärmeabführung aus dem Kern 16 in die ihn aufnehmende Formplatte 2 gewährleistet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Dort ist gezeigt, daß in einen Kern 25, der ebenfalls aus einer Kernhülse 26 besteht, deren innerer Hohlraum 27 mit Kupfer 28 ausgegossen ist, eine Kühlschlange 29 eingegossen werden kann, die vorzugsweise aus korrosionsfestem Stahl besteht. Obwohl die Kühlschlange 29 - wie in Fig. 7 angedeutet - wegen der Anordnung von Bohrungen 30 für Auswerferstifte od. dgl. nur durch einen Teil des Kerns 25 geführt werden kann, ist eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus allen Bereichen des Kerns 25 wegen der sehr guten Wärmeleitfähigkeit des Kupfers 28 sichergestellt. Der Kern 25 dient zur Herstellung eines beispielsweise napfförmigen, dünnwandigen Kunststoffteils 31. Die Bohrungen 30 für Auswerferstifte od. dgl. sind vorzugsweise durch Hülsen 31 gebildet, die ebenso wie die Kühlschlange 29 in das Kupfer 28 eingegossen sind.

Die wesentlich verbesserte Kühlung der Kerne 4, 9, 16, 25 ermöglicht eine wesentliche Verkürzung der Zykluszeiten, so daß die Produktionsgeschwindigkeit wesentlich gesteigert und damit die Produktionskosten gesenkt werden können. Infolge der festen und luftspaltfreien, diffundierenden Verbindung des Kupfers mit dem Stahlskelett entsteht nicht nur ein optimaler Wärmeableitkontakt, sondern auch eine mechanisch so stabile Verbindung, als sei der gesamte Kern aus einem einzigen Stück hergestellt. An den hochbelasteten Stellen des Kerns übernimmt das tragende Stahlskelett die Beanspruchungen, so daß auch in mechanischer Hinsicht eine hohe Standzeit des Kerns gewährleistet ist.

Anstelle der beschriebenen Kühlschlange 29 ist es auch möglich, am Fuß des Kerns einen von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlboden anzuordnen, der die dorthin übertragene Wärme abführt.

Claims (9)

1. Kern für Spritzgießwerkzeug mit einer Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (4, 9, 16, 25) ein tragendes Stahlskelett (5, 10, 18, 26) mit Aussparungen (7, 11, 22, 27) aufweist, die mit Kupfer (8, 12, 23, 28) ausgegossen sind.

2. Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlskelett eine geschlossene Kernhülse (4, 9, 25) bildet, deren innerer Hohlraum die mit Kupfer (8, 12, 28) ausgegossene Aussparung (7, 11, 27) bildet.

3. Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlskelett aus miteinander verbundenen Wänden (18), Lamellen od. dgl. besteht und daß die dazwischen bestehenden, mit Kupfer (23) ausgegossenen Aussparungen (22), bis zur Außenfläche des Kerns (16) reichen.

4. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die mit Kupfer (28) ausgegossene Aussparung (27) eine Kühlschlange (29) eingelegt ist.

5. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Aussparung enthaltene Kupfer mit einem Kühlboden in Verbindung steht.

6. Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die mit Kupfer (28) ausgegossene Aussparung (27) eine Hülse (31) für einen Auswerferstift od. dgl. eingelegt ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kerns nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Aussparungen eines tragenden Stahlskeletts im Vakuum oder unter Schutzgas mit Kupfer ausgegossen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern zunächst mit Übermaß hergestellt wird und daß die Außenkontur des Kerns nach dem Ausgießen auf das Fertigmaß spanend abgearbeitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern nach dem Ausgießen mit Kupfer geglüht, gehärtet und angelassen wird.