CN102470575A - 通过注塑或注射压制制造具有减少的凹缩部位的厚壁塑料成型件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过注塑或注射压制来制造厚壁塑料成型件的装置和方法。所述装置包括用于注塑或注射压制的具有型腔的模具，其特征在于，所述模具包括邻接于型腔的壁区域和邻接于靠近型腔的壁区域的远离型腔的主体，其中，模具的主体构造成可调温到温度T1，而壁区域构造成可调温到不同于温度T1的温度T2。根据所述方法，在注射过程之前和/或期间，将模具的靠近型腔的壁区域的温度T2调到大于塑料模塑材料的维卡温度TV的一个值上并且保持该值，其中，温度T2大于模具主体的温度T1，并且在塑料模塑材料凝固期间并在脱模之前，将靠近型腔的壁区域的温度T2调到塑料模塑材料的维卡温度TV之下的一个温度。得到具有减少的凹缩部位的厚壁塑料成型主体、如光学透镜和类似物。

Description

通过注塑或注射压制制造具有减少的凹缩部位的厚壁塑料成型件的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助注塑/注射成型或注射压制方法制造厚壁塑料成型件的装置和方法，其中，与传统的装置和方法相比，得到的塑料成型件具有数量和/或明显度降低的所谓的凹缩部位。
本发明尤其是涉及一种用于制造壁厚大于3mm、适宜地大于5mm、特别适宜地大于8mm的塑料成型件的装置和方法，其中，塑料成型件由热塑性模塑材料、优选PMMA以注塑方法获得或注射压制。
背景技术
这类厚壁塑料成型件例如是用于眼镜的塑料透镜。在此通常使用热固性注塑材料(CR39)和热塑性模塑材料，其中，按照使用目的使用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酰甲亚胺、环烯烃共聚物、聚碳酸酯或共聚碳酸酯。
在已知的方法中，壁厚均匀的透镜坯件在低于30秒的周期时间内制出，并且在通常情况下在此采用标准注塑工艺。在填充阶段，模塑材料经由小尺寸的通道被送入模具的型腔内。因为无定形塑料在冷却阶段产生高的在直至10个体积百分比或更大范围内的密度减少，所以在接下来的补充加压阶段中通过由注塑装置的注射活塞补充添加塑料熔体来补偿该材料收缩。
与标准注塑工艺不同，在标准注射压制工艺中，在第一填充阶段中将塑料材料送入预扩大的型腔内，并且接下来借助轴向的模具压制来压制该塑料模塑材料。在第一填充阶段中送进预扩大的型腔内的材料质量在此相当于后来取出的部件的材料质量。借助轴向的模具运动使预扩大的型腔缩小，并且进行型腔的剩余填充。标准注射压制方法用于简单的光学部件，以避免因材料收缩而产生的凹缩部位。
不过，此外还可产生表面标记，因为塑料模塑材料不能以最佳的源流/层流(quellfluss)流入型腔内。在填充阶段中，冷的边缘层可能移动。通过将模具温度升高至接近玻璃化温度，抑制冷的边缘层的产生。由此延长周期时间。
为确保近乎最佳的源流，需要大的部件截面，这些大的部件截面随后必须以无尘方式加以切断并且通常不能再用于制造光学部件。
尽管如此，在借助注塑或注射压制技术、如闭合压制、扩张压制、连续压制来制造厚壁塑料成型件、例如由热塑性模塑材料制成的光学透镜时，对于避免所谓的“凹缩部位”的问题仍具有相当中央的意义。厚壁成型件通常是指这样的、在至少一个部位处具有至少为3毫米的壁厚的成型件。尤其是当成型件厚度为5毫米、8毫米或更厚时，人们在冷却和脱模后看到“凹陷的部位”。在这里通常是指完成的成型主体的这样的部位，在该部位处材料的增大的自由收缩(体积减小)导致材料厚度过小的缺陷。虽然这一现象在理论上可通过提高螺杆补充压力来抵抗，但提高的螺杆补充压力在热塑性材料的附加的应力中得到并且在必要时可导致成型件中的分子定向。但正是在用于光学应用的成型件、如透镜中，这是非常不利的，因为由此恶化了成型件的光学质量。
DE 199 13 525A1＝文献1或D1公开了一种用于成型塑料成型件的方法，其中补偿材料的体积减小。按照D1公开了一种方法，在该方法中型腔内的处于压力下的材料的由硬化或冷却引起的体积减小通过成型空腔的与型腔内部的压力有关的可逆扩张来补偿。这例如通过安装用于产生与压缩压力有关的反作用力的系统来实现，该系统是放入型腔内的弹性元件的形式。虽然这样的工作方式看起来适合在个别情况下来减少收缩，但却复杂并且迄今在注塑或注射压制的实践中并未获得成功。
用于制造厚壁成型件的另一建议由DE 100 48 861A1＝文献2或D2公开。D2描述了一种用于制造用于光学透镜的厚壁坯件的方法和装置，其中以两个阶段来进行制造。在第一阶段中，通过注塑首先制造薄的透镜，在第二制造阶段中通过供给塑料材料将该薄的透镜扩大、即“膨胀”至其最终厚度。虽然厚壁成型件的表面质量通过这样的方式和方法可以接近薄壁成型件的质量，但为了降低收缩和减少，由此引起的凹缩部位根据D2在第一阶段或也在第二阶段之后需要附加的压缩阶段。由此，在补充加压阶段期间仍存在分子定向的问题。
DE 101 14 228A1＝文献3或D3公开了一种既可在一个复合模具的各个型腔之间又可在一个注塑过程的各周期间用于使注塑件的收缩特性均匀化的方法。在此，监控型腔内的温度和/或内压力并且以下述方式使其适应于参考曲线，即，从填充阶段结束或者说型腔的压力最大值直到注塑周期结束对模具进行调温。
WO 2004/058476A3＝文献4或D4公开了一种用于调节注塑件的制造的方法。根据D4的建议，对模具的温度进行调节。另外，直接加热或冷却型腔和/或型芯。D4的基本构思在于：不是仅仅通过冷却回路、而是借助加热元件来调节型腔或型芯(压制柱塞)的温度。如确认型腔或型芯的温度过低，则将加热元件调节得更高。如果型腔内的或型芯上的温度过高，则增强冷却回路的循环。这在各种情况下的目的在于：保持型腔内的压力情况和温度情况不变。
但根据D3和D4所提出的在注塑过程中对模具温度的调节仍需改进。根据D3以及D4，温度调节看起来相对迟缓。此外，总是必须对整个型腔进行调温，这除了不利地影响周期时间的惯性外也导致能源支出的增加。
发明内容
鉴于在这里提到和讨论的现有技术，本发明的目的在于：提供一种用于借助注塑方法或注射压制方法制造厚壁塑料成型件的装置，该装置构造简单。
此外，本发明的目的是创造一种装置，该装置允许尽可能以简单的手段但极其多变地制造光学质量相对高的、尤其是由热塑性塑料制成的塑料成型件。
本发明的目的还在于，提出一种用于制造厚壁成型件的装置，该装置能实现在注塑或注射压制时缩短周期时间。
此外，缩短的周期时间不应导致补充加压阶段的负荷或延长的补充加压阶段。
本发明的另一目的在于，提出一种用于借助注塑工艺或注射压制工艺制造厚壁塑料成型件的方法，其中，该方法应能利用简单的手段迅速、安全并且节约成本地实现制造塑料主体。
在方法方面同样存在这样的目的，即，这样设计注塑或注射压制，使得所得到的成型件与传统装置和方法相比具有数量和/或明显度降低的所谓的凹缩部位。
所述目的和其余虽未详细地在文字上提到、但可由对现有技术的开头讨论中毫无疑问地推导出的或自然导出的目的通过具有权利要求1的全部特征的装置加以解决。
根据本发明的装置的有利的方案构成引用装置独立权利要求的权利要求的技术方案。
在方法方面，方法独立权利要求的特征给出一种本发明在方法方面所要解决的技术问题的解决方案。有利的方法方案在从属于方法独立权利要求的方法权利要求中受到保护。
最后，应用范畴的权利要求保护本发明方法的应用。
一种用于通过注塑或注射压制来制造厚壁塑料成型件的装置，该装置包括用于注塑或注射压制的带有型腔的模具，
其特征在于：所述模具具有邻接于型腔的壁区域和邻接于靠近型腔的壁区域的远离型腔的主体，其中，模具的主体构造成可调温到温度T1，而壁区域构造成可调温到不同于温度T1的温度T2，
尤其是通过这种方式实现改进已知的装置、使厚壁塑料成型件的制造合理化并且出色地满足所有由标准研究院和工业加工者关于得到的成型主体的物理和化学特性提出的要求。尤其是所得到的成型主体在凹缩部位的数量和/或明显度方面与可使用已知装置获得的成型主体相比具有明显降低的水平。另外，根据本发明可以实现大量的附加优点。
这些优点还包括：
→通过注塑或注射压制时最佳的过程温度而缩短的周期时间；
→关于成型件中的收缩情况最佳的过程温度；
→在具有壁厚差别的成型件中，显示出本方法尤其对成型件的较厚的壁区域产生的有利影响；
→相同作用的压力分布或压制压力分布且由此避免或减少成型件上的凹缩部位；
→分子定向更小或没有，由此改善例如透镜的光学质量；
→成型件的出色的尺寸稳定性；
→更长且更为有效的压缩阶段，因为不产生过早冻结的边缘层。
本发明的用于通过注塑或注射压制来制造厚壁塑料成型件的装置包括用于注塑或注射压制的具有型腔的模具。
概念“用于注塑或注射压制的模具”与表述“注塑模具”或“注射压制模具”同义。只要无特别说明，则在下文概念“模具”总是累积地指注塑模具和注射压制模具。这些概念对于技术人员来说也是公知的。
根据本发明的装置的模具具有型腔。在本发明的范畴中，型腔是指这样的空腔，该空腔在注塑过程或注射压制过程时被填满热塑性塑料。清楚的是，本发明不局限于具有唯一一个型腔的模具。包括具有多于一个型腔的模具的装置同样属于本发明，其在一个或多个分模面中。
在本发明的意义中，模具的特征还在于：所述模具具有邻接于型腔的壁区域和邻接于靠近型腔的壁区域的远离型腔的主体。在此，模具包围一个或多个型腔，并且从一个型腔出发观察，模具的连接在该型腔上并且界定该型腔的区域称为模具的靠近型腔的区域。另外，模具的从型腔的方向观察连接在模具的靠近型腔的壁区域上的远离型腔的区域是模具的所谓的主体或远离型腔的主体。模具的靠近型腔的壁区域的厚度可在宽的范围上变化。同样，模具的远离型腔的主体的厚度可在宽的范围上变化。通常，模具的靠近型腔的壁区域的厚度与模具的远离型腔的区域的厚度之比值在1∶100至2∶1的范围中。在此，对于一个模具的比值可以是恒定的。但根据模具的特殊结构以及对模具的特殊工艺要求，对于一个模具考虑也可在多个部位处存在不同的厚度比例。
在本发明的范畴中，证明有利的是：模具的靠近型腔的壁区域的厚度等于或小于模具的远离型腔的主体的厚度。特别有利的是，靠近型腔的壁区域的厚度与远离型腔的主体相比设计成尽可能小。因此已证明对于模具的靠近型腔的壁区域的厚度与远离型腔的主体的厚度之比值在不大于1∶2、更适宜地不大于1∶5、特别适宜地不大于1∶10的范围内是特别有利的。在特别优选的根据本发明的装置中，所述比值在1∶8至1∶2的范围中、更优选在1∶10至1∶5的范围中、进一步适宜地在1∶20至1∶10的范围中。
相对于模具的整个厚度，模具的靠近型腔的壁区域的厚度同样可在宽的范围上延伸。
在一种优选的实施方式中，本发明的装置的特征在于：壁区域的厚度占由远离型腔的主体和靠近型腔的壁区域构成的模具总厚度的约1/20至1/4之间。
对于本装置更优选的是：壁区域的厚度占由远离型腔的主体和靠近型腔的壁区域构成的模具总厚度的约1/10至1/5。
根据本发明的装置的特征尤其在于：模具的主体构造成可调温到温度T1，而壁区域构造成可调温到不同于温度T1的温度T2。该设计方案有利地能实现对模具的壁区域和主体不同地调温，更确切地说是在很短的时间内。迄今在实践中可观察到的、整个模具主体的温度特性方面相对高的惯性可通过在可分开调温性方面实施的、模具的靠近型腔的壁区域与模具的剩余主体的隔离来明显降低。由此尤为有利地可以将在模具的靠近型腔的区域中的温度调节得更高，结果最终作用于被送入到型腔内的塑料材料上的热量引起塑料材料的更高的温度。同样通过模具的壁区域与剩余主体在可调温性方面的隔离存在这样的可能性，即，与在传统装置中的情况相比，在更长的时间上对模具的靠近型腔的边缘区域调温，结果凹缩部位的数量或明显度、即凹缩部位的强度与传统的装置相比降低。
模具的靠近型腔的壁区域以及剩余主体能在可调温性方面以不同的方式彼此隔离。因此有可能的可以是，模具的靠近型腔的区域设有特殊的涂层，该涂层例如可通过电阻加热装置或以感应方式控制。在此可使用对于技术人员公知的涂层材料、例如热陶瓷涂层。不过，事后对现有模具进行涂层会是稍微耗费的。
因此在本发明的意义中优选的是，模具的靠近型腔的壁区域和模具的远离型腔的主体具有彼此分开的调温回路。通过这种方式和方法可以快速、简单且适宜地实现在模具的壁区域以及模具的剩余主体之间的温差。
这两个调温回路的控制可以以不同的方式来实现。除了已经提到的通过电阻加热装置的控制或感应式控制外，还可以借助流态介质、例如水、油或者蒸汽来调节温度。
就这点而言，在本发明的范畴中证明特别有利的是：模具的靠近型腔的壁区域是可更换的。一种根据本发明的适宜的装置因此具有可更换的型腔框架，该型腔框架优选由钢制成。在这里是指模具空腔的内衬，该内衬设计成可更换的并且将模具主体和型腔彼此分开。可更换的型腔框架的优点主要在于框架可快速并且独特地匹配于新的型腔形状以及能快速更换的可能性。另外可能的是，型腔框架由这样的、在温度特性方面具有极小惯性的材料制成。于是，这种比较昂贵的材料的使用限于与整个主体相比相对小的质量份额或体积份额。
如上所述，本发明的装置优选适合用于注塑。
根据本发明的装置的另一优选的应用领域还是注射压制。与注塑不同，在注射压制时装置附加地具有可动的型芯或压制柱塞。在此，在本发明的范畴中尤为重要且优选的是：型芯或压制柱塞构造成可单独调温到温度T3。该方案尤其可用于通过压制柱塞附加地将能量送入到位于型腔内的材料中，结果可进一步提高所得到的成型件的质量。在适宜的实施方式中，该构思如此实现，即，型芯或压制柱塞具有由热陶瓷制成的涂层。
本发明的主题还包括一种用于通过注塑或注射压制来制造具有在数量和/或明显度方面降低的凹缩部位的厚壁塑料成型件的方法，在该方法中：
●提供如上所述的装置；
●将热塑性的塑料模塑材料在可流动的状态中注射到装置的模具中；
●使注入的塑料模塑材料凝固；
●使凝固的塑料模塑材料脱模，
●其中，在注射过程之前和/或期间，将模具的靠近型腔的壁区域的温度T2调到大于塑料模塑材料的维卡温度TV的一个值并且保持该值，其中，温度T2大于模具主体的温度T1，以及
●在塑料模塑材料凝固期间并且在脱模之前，将靠近型腔的壁区域的温度T2调到低于塑料模塑材料的维卡温度TV的一个温度。
根据该工艺方式，可对成型件的边缘区域更高地并且在必要时更长时间地调温，结果能够更长时间地维持补充加压作用或压制力。
维卡温度TV在此是指根据DIN EN ISO 306(前身为DIN 53460)的维卡软化温度(VST＝Vicat softening temperature)。维卡温度借助针(具有为1mm2的圆形面)来测定。该针受到的测试力为10N(测试力A)或50N(测试力B)的负荷。容许厚度为3至6.4mm的试样体遭受限定的为50或120K/h的加热速率。当刺入体达到1mm刺入深度时，达到VST温度。通过边界条件的变化产生四种参数组合、即VST/A50、VST/A120、VST/B50和VST/B120，其中，如未作其它说明，则将方法VST/B50用于本发明的目的。
原则上，在本发明的方法中将模具的靠近型腔的壁区域、特别适宜地上述型腔框架在注射过程之前和/或期间借助适合的加热装置调温到比模具的剩余主体的温度水平更高的温度水平。在此，靠近型腔的壁区域的、优选型腔框架的温度控制适宜地周期性地相对于注塑周期或注射压制周期进行。此外，在注射阶段期间适宜的是，将优选为可更换的型腔框架形式的靠近型腔的壁区域调到注入的塑料模塑材料的维卡温度之上的高温度水平，以便维持长的补充压力或压制压力。在塑料熔体均匀凝固之后，借助适合的冷却装置将靠近型腔的模具壁区域重新调到塑料模塑材料的维卡温度之下的温度、即脱模温度。
如已经确定地，根据本发明的方法的优点在于，克服了模具在温度变化方面的惯性，并且由此可实现快速的周期时间，尽管成型件上的温度较高并且补充压力作用较长或压制力作用较长。在这种情况下有利的是：靠近型腔的壁区域的温度水平T2和剩余模具主体的温度水平T1之间的差别尽可能大。
据此，根据本发明的方法一种特别适宜的变型方案的特征在于：将靠近型腔的壁区域的温度T2和远离型腔的模具主体的温度T1之间的差ΔT21调节成大于20℃。
一种更加优选的变型方案规定：将靠近型腔的壁区域的温度T2和远离型腔的模具主体的温度T1之间的差ΔT21调节成大于40℃。
这样的温差对于完成的成型主体的凹缩部位的减少产生特别有利的作用。
在本方法的另一种有利的变型方案中规定：借助流态介质、借助电阻加热装置或以感应方式对模具的靠近型腔的壁区域调温，特别适宜地借助液态或气态介质，如油、水或蒸汽。
本发明的原理可应用于已知的注塑方法和注射压制方法中。但其特别有益的效果却在由塑料制造厚壁成型主体时得以体现。
本发明的方法适宜地用于制造壁厚大于5mm的厚壁注塑件或注射压制件。
另一种有利的应用包括制造壁厚大于8mm的厚壁注塑件或注射压制件。
本发明的方法适合用于由热塑性塑料，如聚苯乙烯、聚碳酸酯、共聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚甲基丙烯酰甲亚胺、聚丙烯酸酯和聚丙烯酸甲酯制造成型件。一种特别适宜的应用涉及制造PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)成型件、尤其优选是用于光学目的的透镜。
附图说明
接下来参考附图借助实施例和对比例进一步解释本发明。
附图示出：
图1为具有型腔框架的模具的理想化和简化的横剖面图；
图2为根据本发明的装置的一种实施方式的局部横剖面图；
图3为关于冷框架的结构厚度分布的曲线图；以及
图4为关于热框架的结构厚度分布的曲线图。
具体实施方式
图1和2的附图标记列表
1    型腔框架
2    型腔
3    模具
3a   可动的模具侧
3b   固定的模具侧
4    压制柱塞
5    模具板
在图1中示出模具的原理图的横截面视图。附图标记3表示用于注塑的模具。模具3在其内部具有空腔2。空腔2也称为型腔2。另外，可看到模具的靠近型腔的壁区域1以及远离型腔的主体5。壁区域1邻接于空腔2。从空腔2向外观察，模具3的远离型腔的主体5连接在靠近型腔的壁区域1上。模具的靠近型腔的壁区域1和远离型腔的区域或远离型腔的主体5共同形成模具3的整个主体。
在图2中可看到作为模具组成部分的板3a和3b。在该双板式模具中，型腔2集成到板3a中，而板3b可打开，以便使完成的注塑件脱模。
可很好地看到：型腔2在结构组件3a中被一种框架1包围。该型腔框架1在所示实例中设计成可更换的并且可单独调温。另外，在图2中可看到压制柱塞4，该压制柱塞可用于将型腔内的模塑材料压实。
当然，型腔的后壁、即由模具3的结构组件3b形成的对型腔的界定部同样可构造为可单独调温的。但这对于实现本发明的有益效果并非必需的。
在图3中示出关于冷框架的构件厚度分布。在图4中示出关于热框架的构件厚度分布。

Claims (16)

1.用于通过注塑或注射压制来制造厚壁塑料成型件的装置，其中，所得到的塑料成型件具有在数量和/或明显度方面降低的凹缩部位，
所述装置包括用于注塑或注射压制的具有型腔的模具，
其特征在于，所述模具具有邻接于型腔的壁区域和邻接于靠近型腔的壁区域的远离型腔的主体，
其中，模具的主体构造成可调温到温度T1，而壁区域构造成可调温到不同于温度T1的温度T2。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模具的靠近型腔的壁区域是可更换的由钢制成的型腔框架。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述模具的靠近型腔的壁区域和所述模具的远离型腔的主体具有彼此分开的调温回路。
4.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述壁区域的厚度占由远离型腔的主体和靠近型腔的壁区域构成的模具总厚度的约1/20至1/4之间。
5.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述壁区域的厚度占由远离型腔的主体和靠近型腔的壁区域构成的模具总厚度的约1/10至1/5。
6.根据上述权利要求1至5之一所述的装置，该装置用于注塑。
7.根据上述权利要求1至5之一所述的装置，该装置用于注射压制。
8.根据权利要求7所述的装置，具有可动的型芯或压制柱塞，其特征在于，所述型芯或压制柱塞构造成可单独调温到温度T3。
9.用于通过注塑或注射压制来制造厚壁塑料成型件的方法，所述厚壁塑料成型件具有在数量和/或明显度方面降低的凹缩部位，在所述方法中，
提供根据权利要求1至8所述的装置；
将热塑性的塑料模塑材料在可流动的状态中注射到装置的模具中；
使注入的塑料模塑材料凝固；以及
使凝固的塑料模塑材料脱模；
其中，在注射过程之前和/或期间，将模具的靠近型腔的壁区域的温度T2调到大于塑料模塑材料的维卡温度TV的一个值并且保持该值，其中，温度T2大于模具主体的温度T1，以及
在塑料模塑材料凝固期间并且在脱模之前，将靠近型腔的壁区域的温度T2调到塑料模塑材料的维卡温度TV之下的一个温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将靠近型腔的壁区域的温度T2和远离型腔的模具主体的温度T1之间的差ΔT21调节成大于20℃。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将靠近型腔的壁区域的温度T2和远离型腔的模具主体的温度T1之间的差ΔT21调节成大于40℃。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，借助流态介质、借助电阻加热装置或以感应方式对模具的靠近型腔的壁区域调温。
13.根据上述权利要求9至12之一所述的方法的用途，用于制造壁厚大于5mm的厚壁注塑件或注射压制件。
14.根据权利要求13所述的用途，用于制造壁厚大于8mm的厚壁注塑件或注射压制件。
15.根据权利要求13或14所述的用途，用于制造PMMA成型件。
16.根据权利要求15所述的用途，用于制造光学透镜。
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