CN101934577A - 制造厚壁塑料部件特别是光学部件的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造塑料部件、特别是光学透镜或光学光导管的方法，其中塑料熔体经由浇道(3，4，6，8)注射入使所述部件成型的模制工具的腔(1)中，且额外的塑料熔体被后挤压入腔(1)中以补偿由于冷却造成的注射塑料熔体的体积收缩。该方法的特征在于通过在浇道的区域中所引入的能量保持位于浇道(3，4，6，8)中的塑料熔体的流动性，直到在为了补偿由于冷却造成的体积收缩的塑料熔体后挤压的过程中所述塑料部件的熔融芯已经固化。本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备。

Description

制造厚壁塑料部件特别是光学部件的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种制造塑料部件——特别是光学透镜、光学光导管或其他光学部件的方法——其中塑料熔体通过浇道注射到使所述部件成型的模制工具的腔中，并且额外的塑料熔体被压入所述腔中以补偿由于冷却(保压)造成的注射塑料熔体的体积收缩。为此，浇口可被设置在该部件的窄的侧壁上。本发明进一步涉及一种用于所述塑料部件的注射模制或注射-压缩模制的设备，所述设备带有使待被制造的所述塑料部件成型的腔和供给装置，例如注射模制螺杆，用于经由浇道将塑料熔体供给到所述腔中。
背景技术
特别是在厚壁塑料部件、例如光学部件的注射模制的情况下，对这些部件的几何精确度有非常严格的要求，必须对通过保压压紧塑料熔体而在腔中通常发生的模制收缩进行有效地补偿。如果在制造过程中，由于在冷却阶段期间所述部件的体积收缩完全结束之前塑料熔体的固化(密封时间)而引起浇道或所述部件上靠近浇道的区域被密封，则这会产生缩痕、空穴或翘曲。为了防止这种情况，通常使浇道在其横截面上的尺寸尽可能的大。然而，另一方面，在浇道和所述部件分离的情况下相对大或厚的浇道痕迹是不利的，因为在这种情况下令质量降低的材料喷发或分离痕迹可能出现。在这种情况下，也可能出现被灰尘、碎片等的污染，这例如在经常被需求的净化室条件下是不能接受的。通常大的浇口也是根本不可能的，因为部件没有提供用于其的空间。这对于透镜和光学光导管来说尤其如此，因为在这类部件中只有很少的表面不被光学使用。在这些部件中，浇道通常位于侧壁上，其最小的直径相当于该部分的最大壁厚的约2/3。另外，在光学部件的情况下，由于透明材料的原因，出于美学原因，在理论上可用于放置浇口的很多区域通常不予考虑。此外，由于对浇口痕(分离痕迹)再加工，厚浇道通常来说会造成额外的成本。另外，相对大或厚的浇道会引起材料消耗的增加。
对制造塑料物体的注射模制工具施加超声波振荡是已知的。例如，PeterBloss等人在2006年6月Munich(慕尼黑)Carl Hanser Verlag(卡克汉瑟出版社)的Kunststoffe上发表的题名为“Vielseitig anwendbarer Ultraschall”(通用多用途超声波)的文献，描述了针对微观结构的模制和非常小的腔的填充的积极优势。这些观点的基础常常在于塑料熔体流动性的增加。在下面所述的本发明，一方面，并不是基于熔体流动性的增加——即，不是基于粘性的降低——而是基于有意地避免固化。另一方面，超声的引入不仅发生在填充阶段并且发生在保压阶段。
US6464485B1中描述了设置有超声波焊极的注射模制工具，用来制造光盘例如CD-ROM。该注射模制工具包括共同界定使光盘成型的腔的两个工具半模，所述两个工具半模中的一个的底部上设置有用于成型结构元件的压花盘(embossing disc)。在另一个工具半模上，在盘形腔的中心布置有用于塑料熔体的浇口，而通过相对的工具半模基本上以不定向的方式实现超声波振荡的输入耦合。在两个工具半模中，环形槽或在圆环上布置的若干个槽形成在腔的外面，从而使腔的径向上的超声振荡的振幅最小化。
发明内容
本发明的目的在于详细描述一种方法和一种设备，通过所述方法和设备，相对厚壁的塑料部件，特别是光学透镜和光学光导管，能够通过注射模制或注射-压缩模制廉价地来制造，并具有非常高的几何精确度。
该目的通过具有权利要求1的特征的本发明的方法和具有权利要求8的特征的本发明的设备来实现。
在本发明的方法中，塑料熔体被注入到使所述部件成型的注射模制工具或注射-压缩模制工具的腔中。所述方法的特征在于：通过在浇道区域引入的能量，特别是通过朝浇道方向定向发射超声波的方式，来保持位于浇道内的塑料熔体的流动性，直到塑料部件的熔融芯已经固化。
通过上下文中的术语“浇道”，在流道或冷流道和使塑料部件成型的腔之间的所谓浇口以及所述部件本身上的缩颈在适当情况下也得到理解。
使用本发明的方法，特别是包含塑料的光学部件可以以非常高的几何精确度廉价地来制造。对于使用根据本发明的方法，在浇道横截面积相对小的情况下，在腔中时常发生的模制收缩也能够通过塑料熔体的后挤压进行有效地补偿，从而得到非常高质量的塑料部件。通过浇道或浇口的直径或更确切地说横截面积的减小，可以明显地减少使质量降低的材料喷发或分离痕迹。于是，通常不再需要对浇口痕的再加工。另外，浇道或浇口的减小，使得在待被制造的部件的由于空间原因至今不能用来设置浇道或浇口的区域上放置浇道或浇口成为可能。因此，现在可将浇道或浇口设置在例如所述部件的窄侧或缩颈上。
浇道直径或横截面积的最小化，一般的确增加在待被制造部件固化之前浇道凝结的趋势，使得，由于收缩引起的尤其是空穴和缩痕可能发生；然而，根据本发明，依靠引入到浇道的能量，例如通过将定向超声波发射到浇道上，可以在足够长的时间保持浇道内塑料熔体的流动性，使得尽管使用了优选的相对小或薄的浇道，但尽可能长地保证了用于补偿因冷却引起的体积收缩的塑料熔体的补充，这种体积收缩对于合成材料来说是典型的。此外，浇道直径或横截面积的减少降低了合成材料的消耗。
作为借助超声焊极引入的备选方案，将能量到浇道的引入还可以通过借助加热装置的热引入和/或通过超声和热的引入的结合来实现。
根据本发明的方法可有利地应用于厚壁部件、例如应用于壁厚在10mm至20mm范围内以及具有其他壁厚的光学部件的注射模制或注射-压缩模制。用于此的塑料熔体由透明或半透明塑料形成。原则上，在根据本发明的方法中，能用来制造光学部件的所有合成材料可用来形成所述塑料熔体。所使用的塑料熔体优选包含聚碳酸酯、共聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚酰胺、苯乙烯-丙烯腈塑料、聚苯乙烯、聚-N-甲基甲基丙烯酰亚胺、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲基酰亚胺、或聚丙烯酸酯、特别是聚甲基丙烯酸甲酯、和/或这些合成材料的混合物。特别优选聚碳酸酯、共聚碳酸酯、热塑性聚氨酯和包含这些合成材料的混合物。
根据本发明的方法的有利配置的特征在于：在为制造另一个塑料部件注射塑料熔体之前，已经将由于制造塑料部件而位于浇道中的塑料从浇道移除。因此，在先前的注射过程中经受超声和/或热的塑料熔体已经从浇道脱模，使得其在接下来的注射过程中不被注入腔中。通过这一方式，可以保证制造的塑料部件具有特别高的质量；超声和/或热对熔体的作用不会对所述部件的质量产生不利的影响。特别是与设计有热流道的工具相比，这是一个优势，因为在那种情况下，特别是由于长的循环时间，熔体有分解的趋势。此外，在热流道系统中，经常有材料会聚集的死角的风险和黑斑等会形成的风险。
依据本发明的用于塑料部件特别是光学透镜或光学光导管的注射模制或注射-压缩模制的设备，包括用于使待被制造的塑料部件成型的腔和用于通过浇道向该腔供给塑料熔体的供给装置，例如注射模制螺杆。所述设备的特征在于：定向朝浇道发射超声波或热能的至少一个超声焊极和/至少一个加热装置被分配到浇道，使得位于浇道中的塑料熔体能够保持流动性，直到在为了补偿位于腔内的塑料熔体因冷却引起的体积收缩的塑料熔体后挤压过程中塑料部件的熔融芯已经固化。
在一个具体实施方式中，所述设备包括激励控制器，所述激励控制器通过传感器记录熔体的流动性，和/或所述激励控制器包括可调节定时构件，通过所述可调节定时构件，超声焊极或加热装置的激励时间段能够被预置。
在加热装置的情况下，考虑例如电加热器，例如感应加热器和/或陶瓷加热器，和/或激光加热器和/或电阻加热器。
特别地，经由根据本发明的方法，可制造带有恒定壁厚或区域不同的壁厚的厚壁塑料部件，例如光学透镜。
依靠本发明的方法，可实现浇道的直径小于50％，特别地小于35％，在特别典型的实施方式中甚至小于20％。因此，在这样的部件中常见的且由现有技术预定的为最大壁厚的约2/3的浇道直径能够得到明显减小。
根据本发明的方法和设备的优选和有利的配置在从属权利要求中详细说明。
附图说明
下面依据代表典型实施方式的附图更加详细地阐述本发明。图示为：
图1在闭合状态下，带有流道的注射-模制工具的一部分的剖面图；以及
图2附图1中所示的注射-模制工具的开放腔的立体顶部视图。
具体实施方式
附图中所述的注射-模制工具用于从合成材料制造透明部件特别是光学透镜。该注射-模制工具由限定使待被制造部件成型的腔1的若干部件组成。
在所示的示例性的实施方式中，注射-模制工具包括浇道衬套2，其带有圆锥形的通道3。该通道3通向同样圆锥形的另一通道部分4，通道部分4穿过板形工具部件5并通向流道6。经流道6，从带有注射-模制螺杆或其他供给装置的注射-模制机的喷嘴7传出到浇道衬套的塑料熔体被导入腔1。对于流道6，优选考虑冷流道。
用于熔体的浇口8设置在腔1的边缘处，使得浇口8位于圆盘形塑料部件的周边，从而在窄侧9上。依靠浇口8在腔1上的边缘布置，确保了透镜的光学功能不被浇口损害。注射-模制工具尺寸设定为使得：浇口8的直径(横截面)为小于塑料部件的最大壁厚的50％，特别地小于35％。在所示的典型实施方式中，浇口8的直径使得其为塑料部件的壁9的厚度的大约20％，即五分之一。
尽管浇口8的直径相对小，但为了确保塑料熔体长时间跟进至腔1，通过有意引入超声和/或热能来保持塑料熔体的流动性。
在应用超声的情况下，一个或多个超声焊极被以将定向超声波发射到位于浇道(3，4，6，8)中的塑料熔体的方式集成到工具上。例如，为了这个目的，流道(冷流道)6和/或板形工具部件5和额外优选的浇道衬套2被构成为(多个)超声焊极。
可选择地，超声被引入流道(冷流道)6的熔体传导区域和优选地额外进入浇道衬套2的熔体传导区域。另外，可以引入到部件本身的浇道附近的区域。
定向的超声波被位于浇道(3，4，6，8)中的塑料熔体吸收，因此降低了其凝结趋势。位于浇口8上的塑料熔体以这种方法被保持流动性直到在部件中不存在熔融芯。相应地，封闭时间不再像常规方法那样依赖所述浇道，而是由部件本身决定。
在其他实施方式中，(多个)超声焊极被加热装置或超声焊极和加热装置的组合所取代。
根据本发明的设备带有激励超声焊极和/或加热装置的控制器，其特别地可包括记录熔体的流动性的传感器。这种情况下，以依靠传感器信号的方式，使超声焊极和/或加热装置激励或去激励。作为该传感器的替代方式或额外于该传感器，该控制器可以包括可调节定时构件，通过该可调节定时构件，超声焊极和/或加热装置的激励时间段能够被预置。
使用根据本发明的方法不会延长制造塑料部件的总循环时间，因为浇道在剩余冷却时间里——也就是说，在保压阶段结束之后——冷却到适合的脱模温度。由于浇道的小的厚度(横截面积)，在保压阶段结束之后并且因此在超声和/或热量引入结束之后，浇道相对快地冷却下来。
根据本发明的方法和根据本发明的设备能够被特别有利地用于由聚碳酸酯、其混合物和热塑性聚氨酯构成的透明光学部件的注射模制或注射-压缩模制。同样，用根据本发明的方式和根据本发明的设备，由PMMA、COC、COP、PA、PMMI、SAN和/或PS构成的相应部件可以高几何精确度廉价地制造出。根据本发明的方法的实施并不受前面提及的典型实施方式的限制；同样，它不被限定到前面提及的合成材料；而是，所有热塑性塑料，特别是透明或半透明的合成材料，和可以用来制造光学部件的所有合成材料，能够依照根据本发明的方法和在根据本发明的设备中来制造。

Claims (15)

1.用于制造塑料部件、特别是光学透镜或光学光导管的方法，其中塑料熔体经由浇道(3，4，6，8)注射到使所述部件成型的模制工具的腔(1)中，并且额外的塑料熔体被后挤压到所述腔(1)中以补偿因冷却引起的所注射塑料熔体的体积收缩，其特征在于，通过在所述浇道区域中引入的能量使位于所述浇道(3，4，6，8)中的所述塑料熔体保持流动性，直到所述塑料部件的熔融芯已经固化。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述浇道的所述区域中所引入的所述能量是以定向到所述浇道的超声波发射的方式引入。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，在所述浇道的所述区域中所引入的能量通过加热装置来引入。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述能量通过定向到所述浇道的超声波的发射和加热装置的结合的方式来引入。
5.根据权利要求1到4中之一的方法，其特征在于，注射-模制工具或注射-压缩模制工具作为模制工具使用，其中至少一个浇口(8)位于待被制造的塑料部件的侧壁上，并且其中所述浇道(3，4，6)或浇口(8)的直径小于所述塑料部件的最大壁厚(9)的50％、优选小于35％和特别地小于20％。
6.根据权利要求1到4中之一的方法，其特征在于，所述塑料部件从一种或多种合成材料注射-模制或注射-压缩模制，所述一种或多种合成材料选自包括聚碳酸酯、共聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、环烯烃共聚物、环烯烃聚合物、聚酰胺、苯乙烯-丙烯腈塑料、聚苯乙烯、聚-N-甲基甲基丙烯酸酰亚胺、聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲基亚酰胺和聚丙烯酸酯、特别是聚甲基丙烯酸甲酯、或其混合物的组。
7.应用根据权利要求1-6中之一的所述方法以制造透明的光学部件，特别是光学透镜或光学光导管。
8.用于塑料部件、特别是光学透镜或光学光导管的注射模制或注射-压缩模制的设备，包括用于使待被制造的所述塑料部件成型的腔(1)和用于经由浇道(3，4，6，8)向腔(1)中供给塑料熔体的供给装置，其特征在于，向所述浇道(3，4，6，8)定向发射超声波和/或热的至少一个超声焊极和/或至少一个加热装置被分配到所述浇道(3，4，6，8)，以使位于所述浇道(3，4，6，8)中的塑料熔体能够保持流动性直到所述塑料部件的熔融芯已经固化，由此设置激励超声焊极和/或加热装置的控制器，所述控制器通过传感器记录所述熔体的流动性和/或所述控制器包括可调节定时构件，所述可调节定时构件能够预置所述焊极或所述加热装置的激励时间段。
9.根据权利要求8的设备，其特征在于，以如下方式设计所述浇道，即：至少一个浇口(8)位于待被制造的所述塑料部件的窄侧(9)上，其中所述浇道在所述至少一个浇口(8)处通入所述腔(1)，所述浇口(8)的直径小于所述塑料部件的最大壁厚的50％，优选小于35％。
10.根据权利要求8或9的设备，其特征在于，发射定向到所述浇口(8)的超声波的至少一个超声焊极被分配至所述浇口(8)，所述浇道(3，4，6)在所述浇口(8)处通入所述腔(1)。
11.根据权利要求8至10中之一的设备，其还包括浇道衬套(2)，其特征在于，用于引入超声的超声焊极被分配至所述浇道衬套(2)。
12.根据权利要求8至10中之一的设备，还包括浇道衬套(2)，其特征在于，超声焊极集成在所述浇道衬套(2)中。
13.根据权利要求8至12中之一的设备，还包括流道或冷流道(6)，其特征在于，超声焊极集成在所述流道或冷流道(6)内。
14.根据权利要求8至12中之一的设备，还包括流道或冷流道(6)，其特征在于，用于引入超声的超声焊极被分配至所述流道或冷流道(6)。
15.根据权利要求8至14中之一的设备，其特征在于，单独地或额外地通过依靠一个或多个加热装置引入到所述浇道的所述区域中的能量，使位于所述浇道中的塑料熔体保持流动性。
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