DE4122995A1 - Giessform - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gießform für die Verwen­ dung bei dem Spritzguß, der Preßformung und der Wärmefor­ mung von plastischen Materialien.

Bei dem Spritzguß wird plastisches Material, das erwärmt und erweicht worden ist, in eine Form gepreßt, die eine niedri­ gere Temperatur als das Material hat, und dann durch weite­ res Kühlen der Form verfestigt. In einem Teil niedrigerer Temperatur dieser Spritzgußform nimmt jedoch die Viskosität des geschmolzenen Plastikmaterials bzw. Kunstharzes zu, so daß die Fließfähigkeit geringer wird und es daher erforder­ lich wird, zum Füllen des Hohlraums der Form mit dem ge­ schmolzenen Kunstharz einen hohen Druck von beispielsweise bis zu 162 MPa (1600 atm) anzuwenden und diesen hohen Druck über eine bestimmte Zeitdauer aufrecht zu erhalten.

Der Spritzguß kann auf ideale Weise dann bewerkstelligt werden, wenn die Innenfläche der Form vom Beginn des Ein­ spritzens an bis zum Füllen des Formhohlraums auf der glei­ chen Temperatur wie das Plastikmaterial bzw. Kunstharz gehalten wird und ferner nach diesem Füllen die Form schnell gekühlt wird, um das Material zu verfestigen und zu formen. In der Praxis ist es jedoch wegen der hohen Wärmekapazität der Form unmöglich, allein die Innenfläche der Form schnell zu erwärmen und abzukühlen.

Als Gießform nach dem Stand der Technik wurde in der JP-OS 60-1 74 624 eine Gießform vorgeschlagen, die an einer dem Hohlraum der Form zugewandten Fläche oder nahe dieser Fläche mit einer Heizvorrichtung versehen ist. Die Gießform nach dem Stand der Technik gemäß dieser JP-OS hat die Vorteile, daß die Qualität der Gußprodukte verbessert ist und der Gießzyklus verkürzt ist. Da jedoch die Form eine sog. Zwei­ schichtenstruktur aus einem Kupferfilm als leitender Film für das Zuführen von Strom zum Erwärmen des Plastikmaterials und einer zwischen diesen leitenden Film und die Form einge­ legten keramischen Isolierschicht hat, besteht noch das Problem, daß der leitende Film durch das wiederholte Spritz­ gießen der Abnutzung und anderweitigen Beschädigungen ausge­ setzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einer Heizvorrichtung an einer einem Hohlraum der Form zugewandten Fläche oder nahe dieser Fläche ausgestattete Gießform zu schaffen, bei der die vorstehend angeführten Probleme gelöst sind.

Zur Lösung der Aufgabe hat die erfindungsgemäße Gießform eine sog. Dreischichtenstruktur aus einer Wärmeisolations­ schicht, einer Heizschicht und einer Schutzfilmschicht, so daß die Form hohe Abriebfestigkeit und große Haltbarkeit gegenüber wiederholten Einspritzgießvorgängen hat und ferner mit niedrigem Einspritzdruck von beispielsweise weniger als 20,2 MPa benutzbar ist, während die Verwendbarkeit wie bei dem vorangehend beschriebenen Stand der Technik beibehalten ist.

Zum Lösen der Aufgabe werden erfindungsgemäß die folgenden technischen Mittel angegeben: Die erfindungsgemäße Gießform ist an der einem Hohlraum 3 von Teilformen 1 und 2 aus festem Material zugewandten Innenfläche mit Wärmeisolier­ schichten 4 und 5 aus einem Isoliermaterial, Heizschichten 6 und 7 aus einem leitendem Material auf der Oberfläche der Wärmeisolierschichten 4 und 5 und Schutzfilmschichten 8 und 9 aus einem abriebfesten Material an der Oberfläche der Heizschichten 6 und 7 versehen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine perspektivische Schnittan­ sicht einer Gießform für eine Spritzgußanlage.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts A nach Fig. 1.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Gießform nach Fig. 2 zeigt.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Gießform nach Fig. 1.

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel der Gießform nach Fig. 3 zeigt.

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Schnittansicht einer Gießform für ein Spritzgußgerät. Die Form besteht aus einer ersten Halbform 1 und einer zweiten Halbform 2 für den Spritzguß. Durch diese beiden Halbformen 1 und 2 der Gieß­ form ist ein Hohlraum 3 abgegrenzt.

Als Grundmaterial für die erste und zweite Halbform 1 und 2 wird festes bzw. zähes Material wie Weichstahl, Chrommolyb­ denstahl, oder Werkzeugstahl verwendet. Der Hohlraum 3 steht mit einem nicht dargestellten Eingießkanal in Verbin­ dung, an den eine Einspritzdüse angeschlossen wird.

Die den Hohlraum 3 abgrenzenden Innenflächen der beiden Formhälften 1 und 2 sind mit Wärmeisolierschichten 4 und 5 aus einem Isoliermaterial, Heizschichten 6 und 7 aus einem leitenden Material auf diesen Wärmeisolierschichten 4 und 5 und Schutzfilmschichten 8 und 9 aus einem abriebfesten Material auf den Heizschichten 6 und 7 beschichtet. Die Heizschichten 6 und 7 sind an Steuerschaltungen 10 und 11 für das Anlegen einer bestimmten Spannung angeschlossen.

Für die Wärmeisolierschichten 4 und 5 gemäß Fig. 2 wird keramisches Material wie Glaspulver, Zirkondioxid, Alumi­ niumoxid oder dergleichen in einer Dicke von einigen 100 µm verwendet. Im einzelnen werden Wärmeisolierschichten aus Glaspulver durch Sintern für das Emaillieren des auf das Grundmaterial aufgebrachten Glaspulvers hergestellt. Wärme­ isolierschichten aus Zirkondioxid werden durch Flamm spritzen und isostatisches Warmpressen (HIP-Behandlung) des Zirkondioxids hergestellt. Wenn nur das Flammspritzen vorgenommen wird, hat die auf diese Weise hergestellte Zirkondioxidschicht eine poröse Struktur. Aus Aluminiumoxid werden die Wärmeisolierschichten durch Aufsprühen oder Flammspritzen von Aluminiumoxid hergestellt. Die Zir­ kondioxidschicht kann mit geringer Wärmeleitfähigkeit und mit einer Wärmeausdehnung hergestellt werden, die derjenigen von Stahl nahe kommt. Wenn Aluminiumoxid verwendet wird, kann eine Schicht mit großer Härte gebildet werden.

Für die Heizschichten 6 und 7 wird ein leitendes Material mit geringem elektrischen Widerstand wie NiP, Nickelchrom, TiN, TiC oder dergleichen in einer Dicke von einigen 10 µm bis 100 µm verwendet. Im einzelnen werden NiP-Schichten durch stromloses Plattieren erzeugt, Nickelchromschichten durch isostatisches Warmpressen aufgebracht und TiN- und TiC-Schichten durch physikalisches und chemisches Bedampfen (PVD und CVD) in einer Dicke von 5 bis 20 µm gebildet. Wenn für die Heizschichten ein anderes zähes metallisches Mate­ rial verwendet wird, können aus dem Material dünne Filme oder Blätter in einer bestimmten Dicke durch Explosionsplat­ tieren hergestellt werden.

Die Schutzfilmschichten 8 und 9 werden jeweils in einer Dicke von einigen 10 µm aus einem abriebfesten Material wie Cn, TiN und TiC hergestellt, das eine bessere Wärmeleitfä­ higkeit als die Wärmeisolierschichten 4 und 5 und einen höheren elektrischen Widerstand als die Heizschichten 6 und 7 hat. Im einzelnen werden die Schutzfilmschichten aus Cr durch elektrolytisches Plattieren bzw. Galvanisieren herge­ stellt, während TiN und TiC durch physikalisches und chemisches Bedampfen aufgebracht werden. Wenn für die Schutzfilmschichten 8 und 9 TiN und TiC verwendet wird, wird für die Heizschichten 6 und 7 NiP oder Nickelchrom, jedoch nicht TiN und TiC verwendet.

Bei dem Spritzguß unter Verwendung der auf die vorstehend beschriebene Weise gestalteten Halbformen 1 und 2 wird über die Steuerschaltungen 10 und 11 eine bestimmte Spannung angelegt, wodurch die Heizschichten 6 und 7 aus dem leiten­ den Material auf nahezu die gleiche Temperatur wie die Wärmeumwandlungstemperatur des zu gießenden Materials ge­ bracht werden. Auf das Anlegen der Spannung hin steigt die Temperatur der Heizschichten 6 und 7 schnell an, so daß daher diese Gießform eine wirkungsvolle Verkürzung des Gießzyklus bzw. Gießtaktes ergibt. Da ferner zwischen den Heizschichten 6 und 7 und den Hälften 1 und 2 der Gießform die Wärmeisolierschichten 4 und 5 angebracht sind, ist kaum ein Leckstrom zu befürchten und es können darüberhinaus die Heizschichten 6 und 7 auf einer gleichförmigen Temperatur gehalten werden, ohne daß durch die Formhälften bzw. Halb­ formen 1 und 2 Wärme abgeleitet wird. Ferner sind die Heiz­ schichten 6 und 7 durch die Schutzfilmschichten 8 und 9 aus dem abriebfesten bzw. abnutzungsfesten Material an den Oberflächen gegen Abnutzung bzw. Abrieb sowie Absplittern geschützt, das bei dem wiederholten Spritzguß auftreten könnte.

Als nächstes wird ein Spritzgußzyklus erläutert. Bei dem Spritzguß umfaßt ein Zyklus des Gießvorgangs eine Ein­ spritzanfangszeit t1, einen Einspritzendzeitpunkt t2, einen Kühlanfangszeitpunkt t3, einen Kühlendzeitpunkt t4 und einen Gußstückausstoßzeitpunkt t5. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird ein thermoplastisches Material aus einer Einspritz­ düse durch den Eingußkanal hindurch in den Hohlraum 3 einge­ spritzt. Während dieser Zeit wird das zu formende Material durch die Oberfläche des Hohlraums 3, nämlich durch die heissen Heizschichten 6 und 7 erwärmt und erweicht und in den Hohlraum 3 eingefüllt, ohne daß durch die Halbformen 1 und 2 Wärme entzogen wird. Es können daher Gußprodukte guter Qualität dadurch erhalten werden, daß die Halbformen 1 und 2 auf niedriger Temperatur gehalten werden und nur die Ober­ fläche des Hohlraums 3 auf eine hohe Temperatur gebracht wird, bei der gut ausgeglichene Gußartikel ohne Formschrump­ fung erzielt werden können. Zum Zeitpunkt t2 wird durch die Steuerschaltungen 10 und 11 die an die Heizschichten 6 und 7 angelegte Spannung abgeschaltet. Daher werden die Heiz­ schichten 6 und 7, die im Vergleich zu den ganzen Halbformen 1 und 2 geringe Wärmekapazität haben, sofort auf eine Tempe­ ratur abgekühlt, die nahezu gleich der Temperatur der Halb­ formen bzw. Hälften 1 und 2 ist, welche im voraus auf eine Verfestigungstemperatur des Plastikmaterials eingestellt ist.

Während des Zeitabschnitts zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird das in den durch die Halbformen 1 und 2 der Gießform gebildeten Hohlraum 3 eingespritzte thermoplastische Mate­ rial gekühlt und darin in Form eines Gußartikels verfestigt bzw. gehärtet.

Im weiteren werden während der Zeitspanne vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 die Halbformen 1 und 2 der Gießform geöffnet und der geformte Artikel wird ausgestoßen. Danach werden die Steuerschaltungen 10 und 11 zum erneuten Anlegen der Spannung an die Heizschichten 6 und 7 betätigt, um die Oberflächentemperatur des Hohlraums 3 anzuheben, so daß der vorangehend beschriebene Betriebsvorgang wiederholt wird.

Durch das vorstehend beschriebene schnelle Anheben und Senken der Oberflächentemperatur des Hohlraums 3 kann der Gießzyklus bzw. Gießtakt verkürzt werden. Während des Zeit­ abschnitts von dem Einspritzanfangszeitpunkt bis zu dem Einspritzendzeitpunkt wird die Oberflächentemperatur im Hohlraum 3 auf der Schmelztemperatur des Materials gehalten, wodurch eine ausgeglichene Formschrumpfung des thermoplasti­ schen Materials erreicht wird, um Gußprodukte guter Qualität zu erhalten.

In der Fig. 3 ist eine Maßnahme zum Verhindern des Ablösens und Reißens bei einer Differenz hinsichtlich der Wärmeaus­ dehnung der Gußartikel durch Verwendung von Komponentengra­ dient-Materialien über die ganzen Schichten oder einen Teil der Schichten an einer Grenzfläche zwischen dem Grundmateri­ al der Halbformen 1 und 2 und den Wärmeisolierschichten 4 und 5, an einer Grenzfläche zwischen den Wärmeisolierschich­ ten 4 und 5 und den Heizschichten 6 und 7 und an einer Grenzfläche zwischen den Heizschichten 6 und 7 und den Schutzfilmschichten 8 und 9 veranschaulicht.

Die Fig. 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Einrichtung bzw. Steuerschaltung für das Zuführen des Stroms zu den Heizschichten. In dieser Fig. 4 ist die obere Hälfte bzw. Halbform 1 mit der Wärmeisolierschicht 4, der Heiz­ schicht 6 und der Schutzschicht 8 dargestellt. Die in Fig. 4 gezeigte Steuerschaltung 10 ist zum Steuern der Zufuhr von Heizstrom aus einem Thyristor 10C über Elektroden 10A und 10B zu der Heizschicht 6 als Heizelement ausgelegt, welches vorzugsweise unabhängig in der Richtung der Hohlraumoberflä­ che in zwei bis drei Systeme unterteilt ist. In diesem Fall wird vorzugsweise eine Temperaturregeleinheit 10D für das Messen der Temperatur an bestimmten Punkten der Halbform 1 mittels eines Thermoelements 10E an dem jeweiligen Abschnitt verwendet, um dadurch eine örtliche Temperaturregelung an der Gießform zu ermöglichen.

Außerdem können zum Prüfen der gleichförmigen Erwärmung der Forminnenfläche und zum Verbessern der Heizleistung die Elektroden 10A und 10B unter überwachung der Temperaturver­ teilung an der Innenfläche der Gießform mit einem Abta­ stungs-Infrarot-Temperaturmesser und unter Zuführen des Stroms über den Thyristor 10C bei geöffneten Hälften 1 und 2 der Gießform an den optimalen Stellen angebracht werden.

Die Fig. 5 veranschaulicht ein noch vorteilhafteres Ausfüh­ rungsbeispiel für Komponentengradient-Material.

Da die Wärmeisolierschichten 4 und 5 am stärksten dem Ablö­ sen von den Halbformen 1 und 2 aus dem festen bzw. wider­ standsfähigen Material ausgesetzt sind, werden auf der Oberfläche der Hälften 1 und 2 der Gießform, die aus diesem festen Material wie Stahl, CrMo-Stahl oder dergleichen hergestellt sind, die Wärmeisolierschichten 4 und 5 aus Zirkondioxid oder vorzugsweise teilweise stabilisiertem Zirkondioxid gebildet. In diesem Fall bestehen die auf den Innenflächen der Gießform durch Flammspritzen gebildeten Wärmeisolierschichten 4 und 5 aus ersten Schichten 4A und 5A mit 100 Gew.-% Stahlpulver, zweiten Schichten 4B und 5B mit 75 Gew.-% Stahlpulver und 25 Gew.-% Zirkondioxid, dritten Schichten 4C und 5C mit 50 Gew.-% Stahlpulver und 50 Gew.-% Zirkondioxid, vierten Schichten 4D und 5D mit 25 Gew.-% Stahlpulver und 75 Gew.-% Zirkondioxid und fünften Schichten 4E und 5E mit 100 Gew.-% Zirkondioxid, wobei die Dicke der fünften Schichten 4E und 5E 5 bis 20 µm beträgt und die Dicke der anderen Schichten, nämlich der ersten bis vierten Schichten 10 bis 30 µm beträgt, wodurch die Bearbeitbarkeit verbessert ist.

Das anzuwendende Flammspritzen ist vorzugsweise ein Vakuum- Plasma-Spritzprozeß, der eine Beschichtung mit geringerer Porosität ergibt, und es ist ferner vorteilhaft, zum Erzie­ len von dichten Schichten nach dem Flammspritzen das isosta­ tische Warmpressen bzw. die HIP-Behandlung auszuführen.

Ferner kann in einem dem Hohlraum 3 zugewandten Teil der Formhälften bzw. Halbformen 1 und 2 ein Durchlaß für ein Kühlmittel für die Gießform gebildet werden.

Erfindungsgemäß werden somit Gießformen mit höherer Haltbar­ keit geschaffen, die das Herstellen von Gußartikeln höherer Qualität in kurzem Gießtakt ermöglichen, während der Ein­ spritzdruck wirkungsvoll verringert ist.

Es wird eine Gießform beschrieben, die zumindest einen Formkörper, die einen Hohlraum hat und aus einem festen Material besteht, Wärmeisolierschichten aus einem Isolierma­ terial, Heizschichten aus leitendem Material auf der Ober­ fläche der Wärmeisolierschichten und Schutzfilmschichten aus einem abriebfesten Material auf der Oberfläche der Heiz­ schichten aufweist.

Claims (6)

1. Gießform mit einem Formkörper (1, 2), der einen Hohlraum (3) hat und aus einem festen Material besteht, gekennzeich­ net durch auf die Flächen des Hohlraums (3) aufgebrachte Wärmeisolierschichten (4, 5) aus einem Isoliermaterial, auf die Oberfläche der Wärmeisolierschichten aufgebrachte Heiz­ schichten (6, 7) aus einem leitenden Material und auf die Oberflache der Heizschichten aufgebrachte Schutzfilmschich­ ten (8, 9) aus einem abnutzungsfesten Material.

2. Gießform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzfilmschichten (8, 9) aus einem abnutzungsfesten Mate­ rial bestehen, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeisolierschichten (4, 5) und einen größeren elektrischen Widerstand als die Heizschichten (6, 7) hat.

3. Gießform nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolierschichten (4, 5) aus einem Komponenten­ gradient-Material bestehen, in dem der Gehalt an einem he­ stimmten Isoliermaterial von der Innenfläche des Hohlraums(3) zu den Heizschichten (6, 7) hin zunimmt.

4. Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizschichten (6, 7) jeweils mit einer Steuerschaltung (10, 11) ausgestattet sind, welche in Richtung der Innenfläche des Hohlraums (3) in zumindest zwei voneinander unabhängige Systeme für das Zuführen von Heiz­ strom zu den jeweiligen Systemen unterteilt sind.

5. Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schutzfilmschichten (8, 9) aus minde­ stens einem Material bestehen, welches aus Cr, TiN und TiC gewählt ist.

6. Gießform nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Grenzflächen der Wärmeisolierschichten (4, 5), der Heizschichten (6, 7) und der Schutzfilmschichten (8, 9) zumindest über einen Teil der Schichten aus einem Komponentengradient-Material bestehen.