可加热的工具的制作方法

专利名称：可加热的工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的可加热工具。
在塑料和金属加工工业中用于熔液成型或导流的工具是已经熟知的。塑料熔液不仅包括纯塑料熔液，而且也包括具有特定填充物成份一如玻璃纤维、陶瓷粉末、金属粉末或其它已知的填充物—的熔液。其中这些填充物成份可能占到90％甚至更多。
例如，成型工具被应用在挤压机、PUR起渣机、硬塑料和热塑料喷铸机中，或者被应用在压铸机中用于产品的外形成型。
通常为了形成成型腔，一个成型工具由两个工具半部或成型部件组成，它们被如此设计，使得在它们对缝结合时形成一个对应于加工成品的空腔，在其中可注入—例如灌铸—要加工的材料，如塑料熔液。
然而这里所用的工具概念不仅涉及用于喷铸和挤压的成型工具，还包括加热管道和导热喷嘴以及其它装置，它们用于熔液在形成之后的加温和导流，以及用于缩短或省去冷却管道。
作为可加热工具的应用实例，提到了一种用于喷铸机的工具。在加工注入腔内的熔液或被注入其中的产品材料时，重要的是腔表面能够被设置到特定的、与材料相协调的温度上。通常在制造过程的一个周期内需要改变腔表面的温度。例如可能要求在注入过程中保持相对高的温度，此后温度明显下降，以保证熔液快速凝固。通常，腔内和腔表面的温度对制造出的产品(光学产品，如光学数据载体或透镜)的质量和品质也有大的影响。
为了在这种条件下保证快速的周期时间和高的产品质量，需要成型工具的迅速加热。
然而也可设想需要对熔液进行升温或加热的其它应用领域。即在冷却管道的情况下以不降低质量的方式改变熔液的状态。若由于冷却改变了粘度，则可能在处理熔液时会有困难。
但在成型喷嘴工具中，例如在挤压机的输出端上，通常也需要、甚至必须有最佳的温度。
对于工具加热和成型，至今已知的方法是例如基于一个电阻丝的电阻加热。电阻加热可以借助电能完成，并且加热件也可适配于腔或腔表面的几何形状。此外能够很容易地提供不同的加热功率。
加热成型工具的其它可能性由所谓的紧密层加热件给出，它主要用在加热管道技术领域中。
利用加热套筒的问题在于对被加热表面的外形缺乏适匹性。此外在改变温度水平时响应时间很长也是其缺点。这种加热件通常也不能加有机械负载，从而需要一个至少与表面之间的微小间隔，此间隔导致热功率的下降。功率容量也受到限制。因此在紧密层加热中与表面相关的热功率在约5.5W/cm2范围内，对于加热套筒则在约10W/cm2范围内。现有加热件的有限使用寿命也是其缺点。
还已知了其它可能的加热方法。DE 3712128描述了一种用于铸造和喷铸工具的由工程陶瓷构成的成型注入件，它由氮化物和/或碳化物基础上的导电陶瓷或金属陶瓷构成。这种成型注入件特别适用于制造具有光学表面质量的塑料零件。
DE 19942364给出了一种在压印成型过程中用于热变形的工具，其中直接在成型工具下面以与其有导热接触的方式安装一个由导电的、并通过它直接可加热的陶瓷构成的成型头。此成型头通过一个隔离板相对于变形机械隔热和电绝缘。
WO 00/54949描述了一种可加热工具，其中加热通过置于陶瓷中的碳纤维实现。
本发明的目的在于进一步优化DE 3712128所给出的可加热工具。
上述任务由权利要求1，2，3和5所述的特征完成。
在所有这些可选方案中，基本的想法是利用导电陶瓷代替通常使用的电阻丝或紧密层加热件作为加热元件。导电陶瓷可以具有优点地施加低电压和相对大的电流，从而可以在最短时间内达到高的温度。由于电压低，不需要考虑特殊的安全措施。此外这种陶瓷也可用一个简单的调节件来控制。
硅—氮化物陶瓷适合于作为基于陶瓷的化合物，它不导电，但是很适合作为基底。这种基于陶瓷的化合物然后可以混合一种添加物，它形成导电能力。例如，所述添加物可以是钛—氮化物化合物，它相对较昂贵。混合量在10％至50％的范围内，尤其是在20％至40％的范围内选择。在特殊情况下混合量也可以非常高，例如高至100％。
按照本发明的第一个可选方案，在导电陶瓷中设置冷却管道，用于流过冷却介质。这对于保证以特别好的方式调节温度是很有帮助的，尤其是不仅保证了成型工具的快速加热，而且也保证了其快速冷却。这种冷却管道例如可以通过腐蚀形成。在流过(气体的或液体的)冷却介质时，陶瓷中的温度以及成型工具中的温度以要求的方式被调节。这样加热和冷却可以通过同样的方式一起被给出。
此外导电陶瓷也可设计成插件插入到工具的基础结构中。为了实现与其它构件和/或与熔液的电绝缘，导电陶瓷可至少部分地被氧化。如此敷设的氧化层在此用于绝缘。
另一个可选方案是在导电陶瓷表面上形成一个结构布图，特别是一个微结构布图，尤其是当它在成型工具中与塑料熔液接触时。在这种情况下，在产品制造时微结构布图被传递并形成在产品的表面上。这种方法例如可以用来形成如光学数据载体(CD，DVD等)上的信息；或者用于在产品上实现特定的(例如物理的)效果，如透镜的去反光或在光学产品中改变光的传输。当然，所有类型的表面结构布图可通过导电陶瓷的相应表面构造来实现。表面结构布图的形成例如可以通过材料沉积工艺来实现。
导电陶瓷可以通过三明治方式被置于成型工具中，例如在工具的两个部件之间。这里有意义的是导电陶瓷尽可能紧挨着安装在腔表面下面，从而可以在所希望的地点上产生热量。
由于对于这种导电陶瓷也可选择一种具有良好机械性能(例如高耐压性)的材料，陶瓷不仅可以直接安装在一个与熔液接触的表面(例如腔表面或熔液管道)下面，而且导电陶瓷也可自身构成这种表面。然而为此应选择高耐磨材料用作导电陶瓷。
在本发明的一个特别具有优点的实施方式中，导电陶瓷与工具或与工具的其它元件在材料上紧密关联地连接。这例如可以通过扩散熔焊实现。在这种情况下，导电陶瓷不仅集成在工具中，而且构成了工具的一部分。
在本发明的一个特别具有优点的实施方式中，导电陶瓷被实现为工具装配件，它可被置于一个工具载体的安放空间中或工具载体上。如果这里应用具有相应安放空间的标准尺寸的工具载体和/或支架，则各个导电的、并且可电加热的陶瓷成形部件可简单地彼此互换，从而可以构成不同的腔。如果馈电导线也相应连接到导电陶瓷上，则单个的陶瓷件可以在一个连接单元打开后简单地被取出，并且用另一陶瓷件更换。当然这里决定性的是，陶瓷件的尺寸不超过或达到腔的尺寸。这种可互换的陶瓷件例如可用于制造如CD或DVD等光学数据载体，对于它们的制造，信息替代了至今所用的印戳被置于或敷设在导电陶瓷的腔表面上。
为保证陶瓷足够稳定，它也可以安装在一个承载件上，例如标准的工具钢件上。
具有优点的是，导电陶瓷的形状或表面匹配于与熔液接触的表面(例如腔表面或加热管道)的几何形状。用导电陶瓷可以在要加热表面上实现均匀的温度分布。这例如在腔表面的情况下是必要的，因为腔表面温度对所生产的产品的质量有影响。
导电陶瓷的电源供给可以通过普通的接触方式、或者通过在一个或多个导电表面上覆盖陶瓷而实现。通过在一个或多个导电表面上覆盖陶瓷，不需要自己单独的电源输入和输出导线。在这种情况下可以省去导电陶瓷在接触区的绝缘。
按照本发明的另一个替代方案，可以应用由一种导电的和一种不导电的陶瓷组成的陶瓷组合系统。在这种情况下，此陶瓷整体组合可由一种较为廉价的陶瓷(例如硅一氮化物化合物)和一种价格较贵的导电陶瓷(例如添加钛—氮化物的硅—氮化物化合物)组成。导电陶瓷在某些情况下应当不超过规定的强度/厚度。例如希望或要求厚度在1至4mm的范围内。厚度也可部分地依赖于所要求的电阻。在这种厚度下导电陶瓷本身可能没有用作工具的成型表面所希望的稳定性。为了保证足够的稳定性，可以应用组合陶瓷，其中所希望的稳定性由不导电的陶瓷保证，不导电陶瓷对总体强度做出贡献。同时不导电陶瓷可用于绝缘目的，其中导电陶瓷置入到不导电陶瓷中。陶瓷组合的优点在于，在其中有相同的物理量值，如热膨胀、耐压等。组合系统的不导电陶瓷也可以用于构成具有冷却管道的冷却层。在这种陶瓷组合系统中，具有优点地使这些陶瓷之间的材料紧密关联。
下面借助附图详细说明本发明不同的实施例。附图中

图1是本发明成型工具的第一实施方式的简示部分剖面图，图2是本发明成型工具的第二实施方式的简示部分剖面图，图3是本发明成型工具的第三实施方式的简示部分剖面图，图4是本发明导热喷嘴的一个实施方式的简示剖面图，图5是本发明导热喷嘴的第二实施方式的简示剖面图，以及图6是本发明导热喷嘴的第三实施方式的简示部分剖面衅。
在图1至3中以简示剖面图形式分别示出一个成型工具的一部分。然而这些图足以借助用于喷铸机的成型工具来说明本发明。但对于一个能工作的成型工具，需要至少两个这样的成型工具件组合构成一个可填充塑料或金属熔液的腔。如本说明书开始处所述，塑料熔液的概念这里也包括具有添加材料的混合熔液。然而这些是现有技术中所熟知的，这里不必详细说明。
图1示出成型工具10的一部分的剖面图，其中成型工具可安装在图中未详细示出的喷铸机的连接单元的夹紧板上。
图1所示成型工具10包括一个基础和承载件14，它由常规工具钢件构成。此第一部件具有冷却流孔，通过这些孔在需要时可流过冷却介质。腔表面由另一个工具件12构成，其上形成图上方所示的腔表面18。在工具件12与基础和承载件14之间设置了一种导电陶瓷16。导电陶瓷16由一种耐压材料构成，它在施加一个低电压时流过一个大电流。这使得可以在最短的时间内在陶瓷中形成非常高的温度。由于机械耐压性，陶瓷16可直接紧挨着腔表面18设置。从而保证由陶瓷16产生的温度迅速抵达腔表面18。图中腔表面18平行于陶瓷16。如果腔表面18具有其它形状，则陶瓷16也可相应匹配于其几何形状。
导电陶瓷16以图中未详细示出的方式具有电连接，以产生通过陶瓷的电流。在图1至3中只能见到馈电导线。导电陶瓷与调节电源的连接在图中也未示出。此调节电源可简单地设计并单独放置，但也可集成在电喷铸机的控制部分中。
图2所示实施方式与图1所示实施方式的区别在于，图1中形成腔表面并由工具钢件构成的部件12被省去了，并且现在陶瓷116自身构成腔表面118。在此实施方式中，导电陶瓷116也设置在基础和承载件114上，其中基础和承载件114也被冷却孔穿过。由于在陶瓷上直接形成腔表面，温度可以正好在所需地点和位置被产生。这导致腔表面特别迅速地升温。与通过冷却管道120的冷却介质流相结合，也可实现相对迅速的冷却，并从而实现所希望的温度调节。同时导电陶瓷116也保证了非常高的面传导热功率。在导电陶瓷的表面118上可以设置一种结构图样。
如果陶瓷116自身作为腔表面，则应用高耐磨的陶瓷材料是有意义的。此外陶瓷表面118应例如借助一个氧化层而被电绝缘。通过利用低电压来使导电陶瓷工作，对其工作安全性只有相对低的要求。
图3示出本发明的一个实施方式。在此，图2中所示的陶瓷116现在更厚了(图3中为216)。此外在此实施方式中冷却管道220以特别具有优点和创新的方式集成到陶瓷216中。冷却管道可以例如由腐蚀方法形成。成型工具可以通过相应构造具有腔表面218和流通管道220的导电陶瓷216而批量生产。陶瓷216然后只需被置于相应的保持和承载件214上。用于给陶瓷供电的相应输入和输出导线也可置于保持和承载件214中。在此结构中热量和冷气可以非常靠近表面产生。这导致不仅在加热时而且在冷却时都有特别短的响应时间和良好的效率。图中没有详细示出导电陶瓷216可以设计成可更换的插件，它可以固定地置于保持和承载件214上。这时在接触位置上的电绝缘可被省去，使得在插入导电陶瓷216的情况下形成与馈电导线的直接电接触。此外在整个冷却系统上需要可拆卸地连接一个流通管道。在这种情况下，尺寸相同的插件可迅速而不费动地被更换。在各个导电陶瓷中加热和冷却功率可根据需要被选择和产生。
图4至6示出利用本发明的其它实施方式。在这些图中以同样大小示出一个导热喷嘴。所示的所有导热喷嘴50，150和250都具有一个导热管道52，152和252，通过所述管道可流通熔液。这里熔液从图中右侧区域进入，在图的左侧区域离开导热喷嘴。为了加热导热喷嘴52，152和252，同样利用已详细说明的导电陶瓷，然而采取不同的方案。
按照图4，导热喷嘴包括一个外壳56，在其中嵌入导电陶瓷54。这里陶瓷可以管形设置并且与导热管道52同轴。陶瓷基本上在导热喷嘴50的整个长度上延伸，并且通过一个薄的外壳部分与导热管道52隔离。与导热管道52的间距越小，热量越直接地产生在所需地点上。
图5示出另一方案。这里导热管道152的至少一段由导电陶瓷154中的穿孔构成。这样相对于图4外壳内部的薄区域被省去。在这种结构中热量精确地产生在所需地点上。此外，外部的外壳用于支持陶瓷。不仅在这种情况下，而且在图4所示实施方式中，陶瓷也可以例如通过扩散熔焊方法在材料上紧密地与外壳相联联。
图6示出导热喷嘴的第三个方案。这里完全没有外壳，导热喷嘴250完全由导电陶瓷254形成，在其中也形成了导热管道252。在这种实施方式中触点必须分开设置。此外选用的陶瓷必须有足够的稳定性和耐磨性能。尤其是在这种情况下导电陶瓷也应是—至少对外部—电绝缘。
可加热工具的一个类似结构对于挤压机输出端的挤压工具(例如管道头)也是可行的。
总之，无论在哪个方案中利用所建议的导电陶瓷都可实现工具与熔液接触表面的快速加热，同时工具具有较长的使用寿命和较高的工作安全性。此外还提供了较高的表面传导热功率和较高的耐磨性，从而陶瓷不仅可直接置于表面下，也可以直接形成表面本身。结合直接集成的冷却管道，在直接接触熔液的导电陶瓷表面上形成结构布图，采用一个陶瓷组合或者将陶瓷设计为可更换的陶瓷件，可以得到特别具有优点的结构形式。
附图标记列表10，110，210 工具的一半12工具的成型壁14，114，214 基础和承载件16导电陶瓷116，216 具有腔表面的导电陶瓷18，118，218 腔表面20，210，220 冷却管道50，150，250 导热喷嘴52，152，252 熔液管道54，154，254 导电陶瓷56，156 外壳
权利要求
1.用于加工塑料熔液或金属熔液的装置的可加热工具，它包括一个与熔液接触的表面，其中一个用于加热的导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)至少在表面区域内设置在工具中或者与工具集成在一起，其特征在于，在导电陶瓷(216)中形成用于流过冷却介质的冷却管道(220)。
2.用于加工塑料熔液或金属熔液的装置的可加热工具，它包括一个与熔液接触的表面，其中一个用于加热的导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)至少在表面区域内设置在工具中或者与工具集成在一起，其特征在于，导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)被构造成插件，用于插入到工具基础结构中，其中尤其是通过氧化，插件至少部分地具有电绝缘，以将它与可加热工具的其它构件和/或与熔液电隔离。
3.用于加工塑料熔液或金属熔液的装置的可加热工具，它包括一个与熔液接触的表面，其中一个用于加热的导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)至少在表面区域内设置在工具中或者与工具集成在一起，其特征在于，在导电陶瓷上形成一个结构布图，尤其是一个微结构布图。
4.如权利要求3所述的可加热工具，其特征在于，所述微结构布图通过多层沉积而形成。
5.用于加工塑料熔液或金属熔液的装置的可加热工具，它包括一个与熔液接触的表面，其中一个用于加热的导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)至少在表面区域内设置在工具中或者与工具集成在一起，其特征在于，可加热工具具有由一种导电陶瓷的和一种不导电的陶瓷构成的陶瓷组合系统，在其中形成加热区和冷却区。
6.如权利要求1至5中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷基于硅-氮化物化合物形成，其中添加了产生导电性的材料。
7.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电性通过添加钛-氮化物组合到基础化合物中得到。
8.如权利要求7所述的可加热工具，其特征在于，添加量在0至50％的体积或重量范围内。
9.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷具有0.5mm至4mm的厚度，尤其是1mm至3mm的厚度。
10.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，在应用由一种导电的陶瓷和一种不导电的陶瓷构成的陶瓷组合系统时，导电陶瓷和不导电陶瓷在相同的基础化合物上形成。
11.如权利要求10所述的可加热工具，其特征在于，所述两种陶瓷相互在材料上紧密地相关联。
12.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，可加热工具，尤其是陶瓷组合系统被构造成可更换的工具插件。
13.如权利要求1至12中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷(16，116，216)可用低电压和大电流工作，以取得高的加热功率。
14.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，设置有一个调节电源，用于控制导电陶瓷(16，116，216)。
15.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷(16)以三明治方式嵌入在工具件(12，14)中。
16.如权利要求15所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷(16)设置在靠近与熔液接触的表面(18)处或直接设置在此表面下面。
17.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷借助于在材料上紧密的关联与工具件的其它构件相连接。
18.如权利要求11所述的可加热工具，其特征在于，一个外壳或一个承载件作为其它构件。
19.如权利要求17或18所述的可加热工具，其特征在于，在材料上紧密的关联通过扩散熔焊形成。
20.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷(116，216)至少部分由当装置工作时直接与熔液接触的表面形成。
21.如权利要求20所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷构成腔表面(118，218)或加热管道段(152，252)。
22.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，一种高耐磨的材料被用作陶瓷材料。
23.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，冷却管道(220)通过腐蚀形成在导电陶瓷(216)中。
24.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷(16，116，216)被设置在作为承载件的工具钢件(14，114，214)上。
25.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，导电陶瓷(16，116，216)的形状和/或表面匹配于腔表面(18，118，218)的几何形状。
26.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，为了提供电能，导电陶瓷(16，116，216)被安装在或可置于一个或多个导电表面上。
27.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，形成具有腔表面的工具件，此腔表面至少限定了腔体的一部分。
28.如上述权利要求中任一项所述的可加热工具，其特征在于，工具件被构造成导热喷嘴。
29.如权利要求1至27中任一项所述的可加热工具，其特征在于，工具件具有一个加热管道装置。
30.如权利要求1至27中任一项所述的可加热工具，其特征在于，工具件被构造成用于挤压装置的工具。
全文摘要
本发明涉及用于加工塑料熔液或金属熔液的装置的可加热工具，它包括一个与熔液接触的表面，其中一个用于加热的导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)至少在表面区域内设置在工具中或者与工具集成在一起。为了改进可加热工具，本发明建议在导电陶瓷(216)中形成用于流过冷却介质的冷却管道(220)。此外还建议导电陶瓷(16，54，116，154，216，254)被构造成插件，用于插入工具基础结构中，其中尤其是通过氧化，插件至少部分地具有电绝缘。最后，本发明建议在导电陶瓷上形成一个微结构布图，或者作为替代，提供由一种导电的和一种不导电的陶瓷构成的陶瓷组合系统。
文档编号B29C45/27GK1835835SQ200480023278
公开日2006年9月20日 申请日期2004年8月13日 优先权日2003年8月16日
发明者奥古斯特·伯尔, 安德列斯·穆勒尔, 马丁·赫特斯彻尔, 俄文·比尔克勒 申请人:卡劳斯-马菲塑料工业股份公司