DE10048861A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von dickwandigen Formteilen - Google Patents

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen dickwandiger Kunststoffteile, insbesondere Rohlinge für optische Linsen. Um dickwandige Linsen mit hoher optischer Güte und homogenen Materialeigenschaften herzustellen, wird erfindungsgemäß ein zweistufiger Herstellungsvorgang vorgeschlagen, bei dem in einer ersten Stufe zunächst eine dünne Linse durch Spritzgießen hergestellt wird, die in der zweiten Herstellungstufe durch Zufuhr von Kunststoffmaterial bis auf ihre Enddicke vergrößert, das heißt "aufgeblasen" wird.

Description

Derartige "dickwandige Formteile" sind beispielsweise Bril­ lengläser, die zum einen aus Glas, andererseits zunehmend auch aus Kunststoff gefertigt werden. Dabei kommen beispielsweise duroplastische Gußmassen (CR39) und Thermoplaste zur Anwendung, wobei je nach Einsatz Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) verwendet werden; aufgrund der hohen Schlagfähigkeit wird verstärkt PC eingesetzt.

Bei bekannten Verfahren werden Linsenrohlinge gleichmäßiger Wandstärke (1,5-3 mm) in Zykluszeiten von unter 30 s herge­ stellt, und im Normalfall wird dabei der Standard-Spritzgieß­ prozeß verwendet. Die Kunststoffmasse wird in der Füllphase über kleindimensionierte Kanäle in die Linsenkavität einge­ bracht. Weil amorphe Kunststoffe in der Abkühlphase eine hohe Dichtereduktion (10-20%) erfahren, wird diese Material­ schwindung in einer folgenden Nachdruckphase durch Nachfüttern von plastischer Schmelze vom Spritzkolben der Spritzgießmaschi­ ne ausgeglichen.

Bei einem Standard-Spritzprägeprozeß wird im Unterschied zum Standard-Spritzgießprozeß die Kunststoffmasse in einer ersten Füllphase in eine vorvergrößerte Kavität eingebracht, und diese Kunststoffmasse wird folgend mittels einer axialen Werkzeugprä­ gung verprägt. Das Massegewicht, das in der ersten Füllphase in die vorvergrößerte Kavität eingebracht wird, entspricht dabei dem Massegewicht der später entnommenen Teile. Mit der axialen Werkzeugbewegung, diese kann sowohl durch Werkzeugtechnik als auch mit Maschinentechnik eingeleitet werden, wird die vorver­ größerte Kavität verkleinert und die Restfüllung der Kavität wird vorgenommen. Das Standard-Spritzprägeverfahren wird einge­ setzt für einfache optische Teile wie Linsen, um Einfallstellen als Folge von Materialschwindung zu vermeiden.

Um bei Linsen mit negativem Brechungsindex (innen dünn, außen dick) Bindenähte zu vermeiden, wird gemäß der EP 0 144 622 und der US 4,540,534 in einer ersten Füllphase die Kunststoffmasse in eine vorvergrößerte Kavitiät eingebracht, bis diese voll­ ständig gefüllt ist. Dann wird folgend eine axiale Werkzeugbe­ wegung eingeleitet, und die vorvergrößerte Kavität wird ver­ kleinert. Eine definierbare Menge Kunststoffmasse wird dabei aus der Kavität verdrängt. Ansonsten entspricht die Vorgehens­ weise dem Standard-Spritzprägeverfahren.

Eine entsprechende Vorgehensweise wird durch die US-A-4,828,769 vorgeschlagen, wobei hier die Prägephase beginnt, bevor die er­ ste Einspritzphase abgeschlossen wurde. Auch dieses Verfahren kann für optische Teile verwendet werden; eine bekannte Anwen­ dung ist die Herstellung von DVD.

Obwohl die oben erwähnten Verfahren befriedigende Ergebnisse bei der Herstellung dünnwandinger Kunststoff-Formteile, bei­ spielsweise dünner Linsen, liefern, ergeben sich erhebliche Probleme bei der Ausbildung von dickwandingen Formteilungen bzw. Linsen.

So können Einfallstellen aufgrund von Materialschwindung auf­ treten, es können sich Oberflächenmarkierungen ergeben, weil die Kunststoffmasse nicht in einem optimalen Quellfluß in die Kavität einfließen kann. Es können sich kalte Randschichten in der Füllphase verschieben. Durch Erhöhung der Werkzeugtempera­ tur bis nahe der Glastemperatur (TG = ca. 140°C bei PC) wird die Entstehung von kalten Randschichten unterdrückt. Daraus er­ gibt sich eine verlängerte Zykluszeit.

Um einen nahezu optimalen Quellfluß sicherzustellen, werden große Teilanschnitte benötigt, die anschließend staubfrei abge­ schnitten werden müssen und in der Regel nicht mehr für die Herstellung von optischen Teilen verwendet werden können und als Abfall entsorgt werden.

Um eine gute Abformung der Werkzeugkavitätenoberfläche zu er­ zielen, muß eine hohe Werkzeugtemperatur für die Füllphase ge­ wählt werden. Diese liegt nahe der Glastemperatur des Kunst­ stoffes, so daß damit ein hoher Energieverbrauch verbunden ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von dickwandingen Kunststoff-Formteilen, insbe­ sondere optischen Linsen, anzugeben, das sich durch eine wirt­ schaftliche und einfache Verfahrensführung auszeichnet und mit dem Kunststoff-Formteile mit optimaler Oberflächenbeschaffen­ heit herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst; die abhängigen Ansprüche betreffen Weiterentwicklungen der Er­ findung. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Patentanspruch 6 angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Erkenntnis zunut­ ze, daß die Herstellung von relativ dünnwandingen Kunststoff- Formteilen mit guter Oberflächenbeschaffenheit relativ unpro­ blematisch erfolgen kann. Dementsprechend wird diese Erkenntnis auf dickwandige Formteile umgesetzt, und das erfindungsgemäße Verfahren gliedert sich in zwei Phasen. In der ersten Phase wird ein relativ dünnes Teil mit optimaler Oberflächenqualität erzeugt, und in einer zweiten Phase wird das Kunststoff-Form­ teil auf eine Endwandstärke durch Zufuhr von Kunststoffmaterial "aufgeblasen".

Nach der ersten Phase oder auch nach der zweiten Phase kann ei­ ne Kompressionsphase durchgeführt werden, um Materialschwindung und somit Einfallstellen zu vermeiden.

Zum Vergrößern der Kavität in der zweiten Phase wird erfin­ dungsgemäß ein Prägestempel eingesetzt, der linear verschieb­ lich ist und einen Teil der Kavität definiert. Dabei ist vor­ zugsweise der Prägestempel im Bereich seines Formendes, paral­ lel zu seinem Verschiebeweg von der Wandung eines Formwerkzeugs durch eingespritztes Kunststoffmaterial isoliert. Es ist deshalb nicht erforderlich, das Formwerkzeug in dieser Phase auf einer erhöhten Temperatur zu halten.

Andererseits können jedoch Abkühleffekte in der Kavität nicht vollständig vermieden werden, so daß bei Verwendung eines schneckenwegabhängigen oder schließwegabhängigen Schließkraft­ profils der resultierende Innendruck abnehmen würde. Dement­ sprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein innendruckge­ regeltes Schließkraftprofil zu verwenden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest das kavi­ tätseitige Ende des Prägestempels von einem Hohlraum umgeben, der mit der Kavität kommuniziert und in den eingespritztes Kunststoffmaterial eindringt. Dieser Hohlraum erstreckt sich zumindest über den Hub des verschiebbaren Prägestempels, so daß der Prägestempel von dem Werkzeug zumindest in dem Bereich durch eingedrungenes Kunststoffmaterial isoliert wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung im Querschnitt der Formvorrichtung,

Fig. 2A, 2B entsprechende Querschnittsdarstellungen wie die Fig. 1, wobei das Formwerkzeug in zwei verschiede­ nen Positionen ist,

Fig. 3 ein Prozeßablaufdiagramm.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens eine erste Formplatte 1, in die ein Linseneinsatz 5 eingesetzt ist. Die erste Formplatte 1 stützt sich an einer Stützplatte 17 ab. Eine zweite Formplatte 3 wirkt mit der ersten Formplatte 1 zusammen und trägt einen Prägestem­ pel 6, der in Axialrichtung (vertikal Richtung der Fig. 1) über eine Antriebsplatte 15 bewegbar ist. Der Linseneinsatz 5, die zweite Formplatte 3 und der Prägestempel 6 bilden eine Kavität 7, die über einen Anguß 13 mit flüssigem Kunststoffmaterial be­ schickt werden kann. Dabei dringt insbesondere auch Kunststoff­ material in den seitlichen Bereich 11 zwischen der Formplatte 3 und dem Prägestempel 6 ein und isoliert das entsprechende Ende des Prägestempels 6 vom temperierten Werkzeug. Das Material in diesem Bereich bildet also gewissermaßen einen "Isolierrand".

Während des Füllens der Kavität wird die Formplatte 3 durch ei­ ne Hydraulikvorrichtung 21, 19 an der Formplatte 1 vorgehalten, um während des Befüllens ein Öffnen der Form zu verhindern.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 entsprechenden Darstellung in zwei unterschiedlichen Positionen des Prägestempels. In der Stellung A ist der Prägestempel so eingestellt, daß eine mini­ male Kavität 7a vorhanden ist, und die Stellung B zeigt das Werkzeug mit maximaler Kavität 7b.

Zur Erläuterung des Prozeßablaufs wird auf die Fig. 3 Bezug ge­ nommen. Zunächst wird das Werkzeug vollständig geschlossen, und in die minimale Kavität 7b wird plastisches Kunststoffmaterial durch einen Spritzzylinder oder die Schnecke einer Spritzgieß­ maschine eingebracht, bis die minimale Kavität vollständig ge­ füllt ist. Daran schließt sich eine kurze Kompressionsphase an (optional), um die Oberfläche bei hohem Forminnendruck optimal abzuformen.

Anschließend wird die Kunststoffmasse von Spritzzylinder der Spritzgießmaschine bis zum Erreichen einer definierten Teil­ wandstärke "aufgeblasen", und zwar optional schneckenwegabhän­ gig oder schließenwegabhängig. Daran schließt sich eine Präge­ phase an, in der zur Vermeidung von Einfallstellen infolge von Materialschwindung eine Massenkompression durchgeführt wird. Nach dem Ausformen des Kunststoff-Formteils kann die Form ge­ öffnet und das Kunststoff-Formteil entnommen werden, woran sich ein weiterer Zyklus anschließt.

Durch den erfindungsgemäßen "Isolierrand" wird der Prägestempel vom temperierten Werkzeug isoliert, so daß er lange Zeit axial beweglich sein kann. Die Dicke des Isolierrandes ist abhängig von der Teildicke und der daraus resultierenden Zykluszeit (oft 6 Min. und länger). Ohne Isolierrand oder zu dünnem Isolierrand wird der Prägestempel durch die sich bildende kalte Randschicht am Linsenaußenrand gebremst und wäre dann nicht mehr axial prä­ gefähig. Die Folge wären Einfallstellen infolge Materialschwin­ dung.

Um weiterhin Einfallstellen zu vermeiden, ist es wichtig, daß der Innendruck der Kavität möglichst konstant ist. Aus diesem Grund ist vorzugsweise ein Innendruckgeber 9 vorhanden (vgl. Fig. 1), so daß der Prozeß innendruckabhängig geregelt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich diverse Vor­ teile im Vergleich mit dem Stand der Technik. So gibt es wegen der abschließenden Prägephase im Ablaufschritt (5) keine Mate­ rialschwindung und somit ergeben sich keine Einfallstellen.

Durch die abschließende Prägephase (5) vermeidet der Prägestem­ pel vollflächig die Bildung von Einfallstellen und bringt voll­ flächig Innendruck auf die Linse. Es reicht somit aus, eine Linse mit wenig Innendruck und deshalb mit wenig eingefrorenen Spannungen herzustellen.

Die üblichen Werkzeugtemperaturen bei dünnen Linsen (2-3 mm) in PC liegen bei 80°C. Die bei dicken Linsen (13 mm) liegen bei ca. 120°C. Diese hohe Temperatur wird benötigt, damit die re­ sultierenden Fehler wie "Verschieben von kalten Randschichten" und fehlende Oberflächenbrillanz zu vermeiden. Die Werkzeugtem­ peratur muß deshalb während der Füllphase so nahe wie möglich bei der Glastemperatur liegen. Es ergibt sich eine lange Zy­ kluszeit von oft mehr als 6 Minuten.

Anders bei dem neuen Verfahren. Hier bildet sich bereits in der Füllphase ein Innendruck in der Kavität infolge des Füllwider­ standes. Bereits mit Werkzeugtemperaturen von ca. 80°C (bei PC) erfolgt kein Verschieben von kalten Randschichten und es ergibt sich eine optimale Oberflächenausprägung und damit eine hohe Oberflächenbrillanz. Eine Reduktion der Zykluszeit um bis zu 50 % ist erreichbar.

Wegen der dünnen Wandstärken der vorverkleinerten Kavität bil­ det sich auch bei niederviskosen Kunststoffen ein optimaler Quellfluß. Es ist deshalb möglich, kleine Anschnitte (Punktan­ schnitt, Tunnelanschnitt) zu verwenden. Der Kaltkanal kann des­ halb nach der Teilentformung (Punktanschnitt) leicht von der Linse getrennt werden. Am Beispiel Tunnelanschnitt ist auch ei­ ne automatische Trennung des Kaltkanals bei der Werkzeugöffnung möglich.

Weil auf den Schwindungsausgleich durch den Spritzzylinder der Spritzgießmaschine vollständig verzichtet werden kann und weil die Ablaufschritte bis zum abschließenden Prägen innerhalb kur­ zer Zeit (7 Sekunden) abgeschlossen sind, können kleine Kaltka­ nalquerschnitte verwendet werden. Üblich ist eine Kaltkanaldic­ ke, die gleich der Dicke der vorverkleinerten Kavität ist. Die Linsendicke wird im Ablaufschritt (4), d. h. dem Aufblasen der dünnen Linse, hergestellt. Die resultierende Linsendicke ergibt sich durch die Menge des eingespritzten Kunststoffs. Es ist al­ so nicht erforderlich, Einsätze im Werkzeug zu wechseln, um Teilwandstärken zu ändern, so daß in einem Werkzeug eine Viel­ zahl von Linsendicken hergestellt werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen dickwandiger Kunststoff- Formteile, insbesondere dickwandiger optischer Linsen durch Einspritzen von Kunststoffmaterial in eine Form mit veränderbarer Kavität mit den Schritten:

• a) Schließen der Form (1, 3, 6) und Einstellen einer Kavität (7a) geringer Größe entsprechend einem dünnwandigen Formteil,
• b) Einspritzen von Kunststoffmaterial, bis die Kavität (7a) geringer Größe vollständig gefüllt ist,
• c) fortgesetztes Einspritzen von Kunststoffmaterial und gleichzeitiges Vergrößern der Kavität, bis eine Kavität (7b) entsprechend dem gewünschten dickwan­ digen Kunststoff-Formteil erreicht ist,
• d) Ausformen des Kunststoff-Formteils und
• e) Öffnen der Form (3, 1, 6) und Entnahme des Kunst­ stoff-Formteils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen den Schritten b) und c) eine Kompressionsphase durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach dem Schritt d) eine Kompressionsphase durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Größe der Kavität mit einem linear verschiebbaren Prägestempel (6) ändert, wobei ein Ende des Prägestempels (6) die Dicke der Kavität definiert, wobei man mindestens entlang des Hubs des Prägestempels (6) dieses Ende seitlich durch eingespritztes Kunststoffmaterial thermisch gegen eine Formhälfte (3) isoliert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Innendruck in der Kavität ermittelt und ein innendruckgeregeltes Formschließkraftprofil verwendet.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer ersten Formplatte (1) und einer zweiten Formplatte (2) und einem linear in einer der Formplatten über einen einstellbaren Hub ver­ schiebbaren Prägestempel (6), die zusammen eine verän­ derbare Kavität (7) definieren, wobei in einer ersten Stellung des Prägestempels die Kavität (7a) eine Mini­ malgröße aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß in mindestens einer der Formplatten eine Ausnehmung (11) vorhanden ist, die ein Ende des Präge­ stempels (6) umgibt, sich mindestens entlang des Hubes des Prägestempels (6) parallel zu dessen Verschiebeweg erstreckt und in Kommunikation mit der Kavität (7) steht.