Die Erfindung betrifft ein Spritzgießverfahren zur Herstellung von Spritzgießteilen aus
Thermoplasten, insbesondere von Formteilen mit ungünstigen Aspektverhältnissen, d. h.
sehr langen Fließwegen bei geringer Querschnittsfläche, von Formteilen mit sehr feiner
Struktur, ungünstigen Verrippungsgeometrien und von Spritzgießteilen aus dem Bereich
der Mikromechanik.The invention relates to an injection molding process for the production of injection molded parts
Thermoplastics, especially of molded parts with unfavorable aspect ratios, d. H.
very long flow paths with a small cross-sectional area, from molded parts with very fine
Structure, unfavorable rib geometry and injection molded parts from the area
micromechanics.
Beim Spritzgießen von Thermoplasten wird das durch das Beheizen des Spritzzylinders
bzw. durch die bei der Rotation der Schnecke entstehende Friktionswärme plastifizierte
Material mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in eine Spritzgießform
gespritzt. Die Wandtemperatur des Werkzeugs liegt im Normalfall unterhalb der Entfor
mungstemperatur des Kunststoffes. Durch den Kontakt der Schmelze mit der kälteren
Werkzeugwand erstarrt das Material bereits beim Einspritzen in den Randbereichen. Die
verbleibende plastische Seele innerhalb des Spritzlings, bei der die Temperatur der Kunst
stoffschmelze noch oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Thermoplastes
liegt, ist dafür verantwortlich, daß in der Nachdruckphase weiteres Material nachströmen
bzw. die materialbedingte Schwindung teilweise ausgeglichen werden kann. Bei dünn
wandigen Querschnitten jedoch kühlt die Masse so schnell ab, daß aufgrund der in den
Randbereichen beginnenden Erstarrung kein plastischer Kern mehr übrigbleibt. Das
Formteil kann deshalb nur unvollständig gefüllt werden. In der EP 0 335 388 A3 wird
bereits der Sachverhalt beschrieben, solche für den Spritzgießprozeß ungünstige Formteile
durch eine Variation der Werkzeugwandtemperatur besser füllbar zu machen. In der Ein
spritzphase wird deshalb die Wandtemperatur auf Werte oberhalb des Erstarrungspunktes
gebracht, und erst nach einer vollständigen Formfüllung wird die Werkzeugtemperatur
abgesenkt. Diese dynamische Temperierung erfolgt mittels eines Wärmeträgers, welcher
in Kanälen in der Spritzgießform geführt wird. Die Wärme muß also bei diesem Ver
fahren erst vom Temperiermedium über die Werkzeugwand an die Oberfläche trans
portiert werden. Weiter ist nachteilig, daß hier große Werkzeugmassen den Temperierzy
klus durchlaufen müssen, was die Zykluszeiten verlängert.When thermoplastic is injection molded, this is done by heating the injection cylinder
or plasticized by the heat of friction generated by the rotation of the screw
Material at high speed and under high pressure in an injection mold
sprayed. The wall temperature of the tool is normally below the entfor
temperature of the plastic. Through the contact of the melt with the colder
The material solidifies in the edge areas when it is injected. The
remaining plastic soul within the molding at which the temperature of the art
molten material still above the softening temperature of the thermoplastic used
is responsible for further material flowing in during the holding pressure phase
or the material-related shrinkage can be partially compensated. At thin
Wall cross sections, however, the mass cools down so quickly that due to the in the
Solidification beginning edge areas no plastic core remains. The
The molded part can therefore only be filled incompletely. In EP 0 335 388 A3
the facts have already been described, such moldings which are unfavorable for the injection molding process
by making the mold wall temperature easier to fill. In the one
The wall temperature is therefore sprayed to values above the solidification point
brought, and only after a complete mold filling is the tool temperature
lowered. This dynamic temperature control takes place by means of a heat transfer medium, which
is guided in channels in the injection mold. The heat must therefore with this Ver
only move from the temperature control medium to the surface via the tool wall
be ported. Another disadvantage is that large mold masses the tempering cycle
have to go through what increases cycle times.
Die hier vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem die Wärme
direkt in die Oberfläche der jeweiligen Formhälften eingebracht wird, also in den Kavi
tätsbereich, der unmittelbaren Kontakt zur Schmelze besitzt.
The invention proposed here relates to a method in which the heat
directly into the surface of the respective mold halves, i.e. into the cavi
area that has direct contact with the melt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mittels der Erwärmung eines
geometrisch definierten Bereichs um das Formnest herum bzw. des Formnests selbst auf
Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts der Kunststoffmasse die Erstarrung des Materi
als unterbunden wird, bis eine vollständige Formfüllung erreicht ist. Im Unterschied zu
dem vorgenannten Verfahren und weiteren bekannten Verfahren wird die Wärme direkt
in dem interessierenden Kavitätsbereich generiert, also nicht durch Wärmeleitung an die
entsprechende Stelle transportiert. Als Verfahren mit einer hohen Leistungsübertragung
ist z. B. die HF-Erwärmung vorgesehen. Alternativ kann auch ein Laserstrahl zur Erwär
mung der Form eingesetzt werden. Denkbar ist auch die Erwärmung mit einem Infrarot
strahler. Bei der HF-Erwärmung wird die Wärme durch Wirbelstromeffekte unmittelbar
in einer dünnen Schicht an der Oberfläche der Metallform generiert. Deshalb ist die Auf
heizzeit sehr kurz. Die Erwärmung wird aus energetischen Gründen durch einen auf das
Formteil bzgl. seiner Größe angepaßten Induktor an der geöffneten Form erfolgen, da nur
so der notwendige Bereich erreicht werden kann. Bei geöffnetem Werkzeug wird der
HF-Induktor in einem definierten Abstand zur Oberfläche zwischen die beiden Formhälften
des Werkzeugs gebracht. Durch die HF-Energie wird die Oberfläche auf eine Temperatur
deutlich oberhalb der Erstarrungstemperatur erwärmt. Die Eindringtiefe ist abhängig vom
Werkstoff der Spritzgießform sowie von der verwendeten HF-Frequenz. Die erzielbare
Oberflächentemperatur der geöffneten Spritzgießform darf die Gefügeumwandlungs
temperatur des Werkzeugstahls nicht überschreiten, da sonst das Werkzeug beschädigt
bzw. unbrauchbar würde. Bei einer Erwärmung mit einem Laserstrahl muß bei geöff
netem Werkzeug ein Linsensystem, bestehend aus Umlenkspiegeln und Fokussierlinsen,
zwischen die Formhälften gebracht werden, damit der Strahl auf die jeweilige Oberfläche
fokussiert werden kann. Durch eine intelligente Ablenkeinheit kann mit dem Laserstrahl
auch eine größere Fläche erwärmt werden. Der Strahl muß hierbei die entsprechende
Fläche auf der Werkzeughälfte überstreichen. Dadurch läßt sich bei schwierigen Form
konturen eine bessere Anpassung als mit einem Induktor erzielen. Beim Zufahren des
Werkzeugs kühlt die Oberfläche bzw. der erwärmte Bereich um den Formhohlraum
herum durch Wärmeleitung innerhalb der Formhälfte und durch Konvektions- bzw. Strah
lungsverluste aufgrund des Übergangs Stahl-Luft ab. Die Abkühlkurven des Werkzeug
bereichs um die Kavität müssen so ausgelegt werden, daß erst nach vollständiger Formfül
lung die Erstarrungstemperatur des Materials unterschritten wird. Erfindungsgemäß kann
auch durch einen mehrschichtigen Aufbau der Form aus Materialien mit einem unter
schiedlichen Wert für die Wärmeleitfähigkeit der Abkühlverlauf verändert werden. Ein
wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist der, daß durch die beim Aufheizen verwendete
hohe Wärmestromdichte nur der eigentliche Kavitätsbereich auf eine höhere Temperatur
gebracht wird. Die Wärme wandert anschließend durch das vorhandene Temperaturgefälle
in das Werkzeug ab. Durch die unterstützende Wirkung eines Kühlmediums, welches in
Kanälen das Werkzeug durchströmt, wird dafür gesorgt, daß der Abkühlprozeß beschleu
nigt wird bzw. daß der übrige Werkzeugbereich auf einer möglichst konstanten Tempera
tur gehalten wird. Durch das Zuführen von Energie in der Aufheizphase und durch das
Kühlen in der Abkühlphase stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der unterhalb der
Entformungstemperatur liegen muß. Ohne eine zusätzliche Kühlung würde sich das
Werkzeug durch die ständige Energiezufuhr übermäßig aufheizen, was natürlich ebenfalls
zu einem Gleichgewichtszustand führen würde, der jedoch auf einem Temperaturniveau
oberhalb der Erweichungstemperatur des Kunststoffes liegen würde. Die Kühlkanäle
müssen deshalb möglichst innerhalb oder in unmittelbarer Nähe des erwärmten Formbe
reichs angeordnet sein, damit die Kühlung in erster Linie die in der Aufheizphase
zusätzlich eingebrachte Wärme schnell und gezielt abführen kann. Die gezielte unter
stützende Kühlung kann zyklisch oder kontinuierlich betrieben werden. Dies ist auch im
Sinne kurzer Zykluszeiten, was für die Wirtschaftlichkeit des Spritzgießverfahrens von
großer Bedeutung ist. Zusätzlich kann der übrige Werkzeugbereich durch eine Temperier
einrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Entformungstemperatur erwärmt werden.
Damit wird die Aufheizzeit an der geöffneten Form reduziert, da die Temperaturdifferenz,
die für die Wärmeleitung in der Form verantwortlich ist, kleiner ist. Die eingebrachte
Wärme verbleibt also etwas länger in dem interessierenden Bereich. Selbstverständlich
muß dafür Sorge getragen werden, daß im Angußkanalbereich ebenfalls die Schmelzetem
peratur nicht unterschritten wird, da sonst der Anschnitt einfriert. Dies kann durch die
Verwendung einer Heißkanaldüse erfolgen. Auch ist eine HF-Erwärmung oder Laserstrah
lerwärmung im Angußbereich denkbar.According to the invention the object is achieved in that by heating a
geometrically defined area around the mold cavity or the mold cavity itself
Temperatures above the melting point of the plastic mass solidify the material
is prevented until the mold is completely filled. In contrast to
the aforementioned method and other known methods, the heat is direct
generated in the cavity area of interest, i.e. not by conduction to the
appropriate place transported. As a process with high power transmission
is z. B. HF heating is provided. Alternatively, a laser beam can be used for heating
Formation can be used. Heating with an infrared is also conceivable
spotlights. With HF heating, the heat becomes instantaneous due to eddy current effects
generated in a thin layer on the surface of the metal mold. That's why the up
heating time very short. For energetic reasons, the warming is caused by one on the
Molded part adapted to its size on the open mold, because only
so the necessary area can be reached. When the tool is open, the
HF inductor at a defined distance from the surface between the two mold halves
brought the tool. The surface is heated to a temperature by the RF energy
warmed well above the solidification temperature. The depth of penetration depends on
Material of the injection mold and the RF frequency used. The achievable
Surface temperature of the opened injection mold may change the structure
Do not exceed the temperature of the tool steel, otherwise the tool will be damaged
or would become unusable. When heating with a laser beam must be opened
a tool, a lens system consisting of deflecting mirrors and focusing lenses,
be brought between the mold halves so that the beam onto the respective surface
can be focused. Thanks to an intelligent deflection unit, the laser beam can be used
a larger area can also be heated. The beam must be the corresponding one
Paint the surface on the half of the tool. This allows for difficult shape
contours achieve better adaptation than with an inductor. When closing the
Tool cools the surface or the heated area around the mold cavity
around by conduction within the mold half and by convection or radiation
loss due to the steel-air transition. The cooling curves of the tool
area around the cavity must be designed so that only after complete mold filling
below the solidification temperature of the material. According to the invention
also through a multi-layer structure of the form of materials with a bottom
different value for the thermal conductivity of the cooling process can be changed. A
The main advantage of this method is that it is used during heating
high heat flow density only the actual cavity area to a higher temperature
brought. The heat then migrates through the existing temperature gradient
into the tool. Due to the supportive effect of a cooling medium, which in
Channels flowing through the tool, it is ensured that the cooling process is accelerated
nigt or that the remaining tool area at a constant temperature as possible
is held. By supplying energy in the heating phase and by
Cooling in the cooling phase creates an equilibrium state below the
Demolding temperature must be. Without additional cooling, that would be the case
Heating tools excessively due to the constant supply of energy, which of course also
would lead to an equilibrium state, but at a temperature level
would be above the softening temperature of the plastic. The cooling channels
therefore, if possible, within or in the immediate vicinity of the heated mold
be arranged so that the cooling primarily in the heating phase
can additionally and quickly dissipate any additional heat. The targeted under
supporting cooling can be operated cyclically or continuously. This is also in the
Meaning short cycle times, what the economy of the injection molding process from
is of great importance. In addition, the remaining tool area can be tempered
device to a temperature below the demolding temperature.
This reduces the heating-up time on the open mold because the temperature difference,
which is responsible for heat conduction in the mold is smaller. The brought in
Heat therefore remains in the area of interest for a little longer. Of course
care must be taken to ensure that the melt elements are also in the sprue area
temperature is not fallen below, otherwise the bleed freezes. This can be done through the
Use a hot runner nozzle. Also is RF heating or laser beam
Heating in the gate area is conceivable.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in den beigefügten Zeichnungen näher be
schrieben. Es stellen dar:An embodiment of the invention will be in the accompanying drawings
wrote. They represent:
Fig. 1, ein Schnitt durch ein geöffnetes Spritzgießwerkzeug mit eingefahrenem
Induktor, dargestellt ist jedoch nur die auswerferseitige Formhälfte.
Fig. 1, a section through an open injection mold with a retracted inductor, but only the ejector-side mold half is shown.
Fig. 2, die prinzipielle Gestaltung eines Induktors für ein längliches Formteil, bei
dem der Induktor beide Formhälften gleichzeitig bedienen kann. Fig. 2, the basic design of an inductor for an elongated molded part, in which the inductor can operate both mold halves simultaneously.
Fig. 3, ein Schnitt durch ein geöffnetes Spritzgießwerkzeug, bei dem die Erwär
mung beider Formhälften mittels Laser durch ein eingefahrenes Linsensy
stem mit Ablenkvorrichtung erfolgt. Fig. 3, a section through an open injection mold, in which the heating of both mold halves by means of a laser through a retracted lens system with deflection device.
Die Spritzgießform (3) mit Kavitätsbereich (2) und Formhohlraum (1) wird im aufgefahre
nen Zustand durch den wassergekühlten Induktor (8) erwärmt. Der Induktor ist so ange
paßt, daß nur der Bereich der Gravur erwärmt werden kann. Er befindet sich in einem
definierten Abstand zur Oberfläche. Vor dem Schließen des Werkzeugs muß der Induktor
aus dem Bereich zwischen den Formhälften gefahren oder geschwenkt werden. Dies
geschieht durch eine Bewegung des Induktors, des Induktors mit Außenschwingkreis vom
HF-Generator (9) bzw. durch eine Bewegung des gesamten Transformators mit Induktor
bei Geräten kleinerer Bauart. Durch die Temperierbohrungen (10) ist es möglich, die
Erwärmung des Werkzeugs um die Entformungstemperatur herum zu regeln. Dies erfolgt
durch eine entsprechende Beeinflussung über zusätzliche Kühlkanäle (11). Durch die
Kühlung kann die überflüssige Wärme abgeführt werden. Mit dem Thermofühler (12)
kann der Temperaturverlauf im Oberflächenbereich beobachtet werden und die Regelung
angesteuert werden. In der Figur sind außerdem noch die Ausstoßeinrichtungen (5, 6, 7)
sowie die Zwischenplatte (4) gezeigt. Durch die Gestaltung des Induktors (13) in der in
Fig. 2 dargestellten Form lassen sich beide Formhälften (14, 15) mit nur einem Induktor
erwärmen. Fig. 3 zeigt die Realisierung für eine Erwärmung mit Laserenergie. Der in
der Laserquelle (28) generierte Strahl wird durch ein Spiegel- und Ablenksystem (27) an
den interessierenden Bereich der geöffneten Form gebracht. Das Spiegelsystem muß durch
eine Verschiebung oder Rotation bzw. eine kombinierte Bewegung in den Raum zwischen
den Formhälften gebracht werden. Alternativ ist auch ein Ablenksystem denkbar, welches
den zu erwärmenden Bereich von außerhalb der Form erreicht. Der Bereich des Form
hohlraums (16) in dem Formeinsatz (17) muß so mit dem Laserstrahl bestrahlt werden
können. Die Formhälften (18) und (19) besitzen die Bohrungen für das Temperier
medium (24) und die Bohrungen für den Kühlkreislauf (25). Dargestellt sind außerdem die
Auswerfereinrichtungen (21, 22, 23) sowie die Zwischenplatte (20). Die Messung der
Formtemperatur erfolgt mittels eines Thermofühlers (19).The injection mold ( 3 ) with cavity area ( 2 ) and mold cavity ( 1 ) is heated in the open state by the water-cooled inductor ( 8 ). The inductor is fitted so that only the area of the engraving can be heated. It is at a defined distance from the surface. Before closing the tool, the inductor must be moved or swiveled out of the area between the mold halves. This is done by moving the inductor, the inductor with an external resonant circuit from the HF generator ( 9 ) or by moving the entire transformer with inductor in the case of devices of a smaller design. The temperature bores ( 10 ) make it possible to regulate the heating of the tool around the demolding temperature. This is done by corresponding influencing via additional cooling channels ( 11 ). The superfluous heat can be dissipated by cooling. The temperature curve in the surface area can be observed with the thermal sensor ( 12 ) and the control can be controlled. The figure also shows the ejection devices ( 5 , 6 , 7 ) and the intermediate plate ( 4 ). By designing the inductor ( 13 ) in the form shown in FIG. 2, both mold halves ( 14 , 15 ) can be heated with only one inductor. Fig. 3 shows the implementation for heating with laser energy. The beam generated in the laser source ( 28 ) is brought to the region of interest of the opened shape by a mirror and deflection system ( 27 ). The mirror system must be brought into the space between the mold halves by displacement or rotation or a combined movement. Alternatively, a deflection system is also conceivable which reaches the area to be heated from outside the mold. The area of the mold cavity ( 16 ) in the mold insert ( 17 ) must be able to be irradiated with the laser beam. The mold halves ( 18 ) and ( 19 ) have the holes for the tempering medium ( 24 ) and the holes for the cooling circuit ( 25 ). The ejector devices ( 21 , 22 , 23 ) and the intermediate plate ( 20 ) are also shown. The mold temperature is measured using a thermal sensor ( 19 ).