DE102006024307A1

DE102006024307A1 - Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen mit mikrostrukturierter Oberfläche

Info

Publication number: DE102006024307A1
Application number: DE200610024307
Authority: DE
Inventors: Christian Gornik; Christian Kukla
Original assignee: Adcuram Maschinenbau Holding GmbH
Current assignee: Adcuram Maschinenbau Holding GmbH
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-11-29
Also published as: AT503681A3; AT503681A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, bestehend aus einer Plastifiziereinheit (1), mindestens umfassend eine Plastifizierschnecke und einen Plastifizierzylinder, eine Übergabeeinheit (2), bestehend aus einem Kolben (3) und einem Zylinder sowie einem Werkzeug (4) mit einer Kavität (5). Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Kolben (3) der Übergabeeinheit (2) einen Teil der Kavitätswandung bildet und der Kolben (3) eine mikrostrukturierte Stirnseite (6) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bestehend aus einer Plastifiziereinheit, mindestens umfassend eine Plastifizierschnecke und einen Plastifizierzylinder, einer Übergabeeinheit, bestehend aus einem Kolben und einem Zylinder, sowie einem Werkzeug mit einer Kavität.
Für eine Vielzahl von Anwendungen werden Formteile aus Kunststoff verwendet, deren äußere Abmessungen im Bereich von einigen Zentimetern liegen und an deren Oberfläche sich bereichsweise sehr feine Strukturen, so genannte Mikrostrukturen, befinden. Die Mikrostrukturen haben dabei eine definierte geometrische Form und dadurch einen bestimmten Zweck zu erfüllen wie beispielsweise Lichtleitfunktion, Kapillarwirkung oder Entspiegelung.
Eine konstante Werkzeugtemperatur, wie sie beim konventionellen Spritzgießen angewendet wird, ermöglicht keine vollständige Abformung von Mikrostrukturen an der Oberfläche, da durch den Kontakt der heißen Schmelze mit der kalten Werkzeugwand eine Randschichterstarrung des Kunststoffes auftritt. Feine Strukturen an der Oberfläche werden daher nur unvollständig abgeformt. Stand der Technik ist daher eine so genannte variotherme Prozessführung. Bei der Herstellung von Formteilen mit mikrostrukturierten Oberflächen im Spritzgießprozess ist es notwendig, die mikrostrukturierten Bereiche in der Kavität vor dem Einspritzen der Schmelze auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur des verwendeten Kunststoffes zu erwärmen. Um eine ausreichende Entformungssteifigkeit zu erhalten, muss der Formeinsatz nach dem Einspritzen wieder auf eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des Kunststoffs abgekühlt werden.
In der Literatur sind zahlreiche Methoden beschrieben, mit deren Hilfe ein variothermer Spritzgießprozess durchgeführt werden kann. Der Nachteil der beschriebenen Methoden ist jedoch, dass das Aufheizen der Kavität vor dem Einspritzen und das Abkühlen nach dem Abformen der Mikrostruktur Zeit benötigt, die die Zykluszeit verlängert. Des Weiteren sind diverse Heiz- und Kühlelemente im Werkzeug notwendig, die durch eine entsprechende Ablaufsteuerung geregelt werden müssen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzubieten, mit der ein Formteil mit mikrostrukturierter Oberfläche bei geringerer Zykluszeit herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben der Übergabeeinheit einen Teil der Kavitätswandung bildet und der Kolben eine mikrostrukturierte Stirnseite aufweist.
Die Stirnseite des Kolbens wird durch die davor liegende Schmelze erwärmt, so dass die Schmelzeviskosität im Bereich der abzuformenden Mikrostruktur gering ist. Damit wird der gleiche Effekt erreicht wie beim variothermen Prozess, nämlich die vollständige Abformung der Mikrostruktur im Formteil.
Reicht die Wärme der vor die Stirnseite des mikrostrukturierten Kolbens gebrachten Formmasse für eine vollständige Abformung der Mikrostruktur nicht aus, ist fortbildungsgemäß vorgesehen, dass an der mikrostrukturierten Stirnseite des Kolbens ein Temperiermittel angeordnet ist. Das Heizelement kann entweder kontinuierlich oder zyklisch betrieben werden.
Alternativ ist vorgesehen, dass das Werkzeug mit mindestens einem Mittel ausgestaltet ist, das die Aufnahme eines vorgefertigten Einlegeteiles ermöglicht. Es wird ein bereits hergestelltes Formteil in die Kavität eingelegt, an dem nur die Mikrostruktur fehlt. Durch das Einspritzen des noch fehlenden Kunststoffvolumens mit dem Kolben, der an seiner Stirnseite mikrostrukturiert ist, wird das Formteil komplettiert. Dabei können das eingelegte Formteil und der mikrostrukturierte Bereich aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargelegt, es zeigt:
1 eine Plastifiziereinheit mit einem angeordneten Werkzeug,
2 einen Kolben mit Heizelement,
3 ein Werkzeug mit Einlegeteil,
4 eine alternative Ausführung des Übergabeteils,
5 eine weitere Ausführungsform und
6 ein Beispiel für ein Mehrkavitätenwerkzeug.
In 1 ist ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, sie zeigt eine Plastifiziereinheit 1, die an einem Übergabeteil 2 anschließt, das wiederum so an einem Werkzeug 4 angeordnet ist, dass das Übergabeteil 2 bis an die Kavität 5 im Werkzeug 4 anschließt. Im Übergabeteil 2 befindet sich ein Kolben 3, dessen Stirnseite 6 mikrostrukturiert ist, wie dies 1a in einer stark vergrößerten Darstellung verdeutlicht.
Der Kunststoff wird entweder durch ein Plastifizieraggregat durch Scherung und/oder Wärmeleitung in eine homogene Schmelze überführt. Als Plastifizieraggregat kann beispielsweise eine Schneckenplastifizierein heit verwendet werden. Danach wird die gesamte oder ein Teil der plastifizierten Schmelze mittels eines Kolbens in die Kavität eingespritzt. Der Kolben trägt dabei an seiner Stirnseite die negative Struktur der herzustellenden Mikrostruktur.
Die Stirnseite des Kolbens wird durch die davor liegende Schmelze erwärmt, so dass die Schmelzeviskosität im Bereich der abzuformenden Mikrostruktur gering ist. Damit wird der gleiche Effekt erreicht wie beim variothermen Prozess, nämlich die vollständige Abformung der Mikrostruktur im Formteil. Das Werkzeug selbst ist konventionell temperiert. Durch die Wärmeleitung kühlt das Formteil ab. Dadurch schrumpft die abgeformte Mikrostruktur von der stirnseitigen Mikrostruktur des Kolbens weg. Nach Unterschreiten der Erstarrungstemperatur kann das Formteil entformt werden. Der Kolben bewegt sich im Zylinder zurück, und es wird neuerlich Schmelze vor die mikrostrukturierte Stirnseite des Kolbens eingebracht.
Reicht die Wärme der vor die Stirnseite des mikrostrukturierten Kolbens gebrachten Formmasse für eine vollständige Abformung der Mikrostruktur nicht aus, so können Heizelemente im Kolben angeordnet werden. Diese Heizelemente können entweder kontinuierlich oder zyklisch betrieben werden. 2 zeigt hier ein Ausführungsbeispiel, wobei nur der Kolben 3 mit der mikrostrukturierten Stirnseite 6 und dem im Kolben 3 integrierten Temperiermittel 7, hier ein Heizelement, dargestellt sind.
Befindet sich die Mikrostruktur in der Werkzeugkavität, so wird sie bei jedem Einspritzvorgang von Schmelze umströmt. Dadurch kommt es insbesondere bei gefüllten Formmassen, wie beispielsweise bei glasfaserverstärkten Kunststoffen oder Metall- oder Keramikfeedstocks, zu Verschleiß an dieser Mikrostruktur. Beim vorgestellten Verfahren wird die Mikrostruktur an der Kolbenstirnseite nicht umströmt, so dass kein bzw. deutlich geringerer Verschleiß auftritt.
Beim Einspritzen mit dem Kolben mit der stirnseitigen Mikrostruktur wird Druck unmittelbar vor der Mikrostruktur aufgrund des Fließwiderstandes der Formmasse aufgebaut. Der Nachdruck, der der Einspritzphase folgt, um die Schwindung des Formteils zu kompensieren, wird auch über den Kolben aufgebracht. Dadurch wird die schmelzflüssige Formmasse in die Mikrostruktur hineingedrückt, wodurch eine gute Abformung erreicht wird.
Es ist keine Einrichtung im Werkzeug für eine variotherme Prozessführung erforderlich und es geht keine Zeit für das Aufheizen der abformenden Mikrostruktur verloren.
Alternativ ist vorgesehen, ein Formteil, welches in einem vorangegangenen Schritt hergestellt wurde, in die Kavität einzulegen, an dem nur die Mikrostruktur fehlt. Durch das Einspritzen des noch fehlenden Kunststoffvolumens mit dem Kolben, der an seiner Stirnseite mikrostrukturiert ist, wird das Formteil komplettiert. Dabei können das eingelegte Formteil und der mikrostrukturierte Bereich aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Ein Beispiel zeigt die 3, bei der das Werkzeug 4 mit in die Kavität 5 eingelegtem Formteil 8 dargestellt ist. Über den Kolben 3 im Übergabeteil 2 wird die restliche Formmasse eingebracht und mittels der mikrostrukturierten Stirnseite 6 das Formteil fertig gestellt.
Eine Alternative zeigt 4, hier wird das Schmelzevolumen für das Formteil mittels einer Kolben- oder Schubschneckeneinheit in die Kavität eingespritzt. Im Kolben bzw. in der Schubschnecke 9 befindet sich ein weiterer Kolben 3, der an seiner Stirnfläche 6 mikrostrukturiert ist. Das Übergabeteil 2 ist also in der Schubschnecke integriert.
5 zeigt eine Lösung, wenn beispielsweise das Schussvolumen bei der reinen Kolbeneinspritzung nicht ausreicht, um die Kavität vollständig zu füllen. Durch das Plastifizieraggregat 1 (Kolben oder Schnecke) wird vor dem axialen Verschieben des Kolbens 3 mit der mikrostrukturierten Stirnseite 6 ein Teil des Schmelzevolumens, das für die Kavitätsfüllung erforderlich ist, durch den Einspritzzylinder eingespritzt.
Für Mehrkavitätenwerkzeuge oder Formteile mit mehreren mikrostrukturierten Bereichen kann die Schmelzeaufbereitung über ein zentrales Plastifizieraggregat erfolgen, welches mehrere Kolbeneinspritzsysteme speist. 6 zeigt hier eine mögliche Ausführungsform. Es ist eine Plastifiziereinheit 1 in Form einer Plastifizier- und Einspritzschnecke dargestellt, die die Kunststoffmasse an zwei Übergabeeinheiten mit je einem Kolben 3 mit mikrostukruierter Stirnseite 6 übergibt.

1: Plastifiziereinheit
2: Übergabeeinheit
3: Kolben
4: Werkzeug
5: Kavität
6: mikrostrukturierte Stirnseite von 3
7: Temperiermittel
8: Einlegeteil
9: Schubschnecke

Claims

Vorrichtung bestehend aus einer Plastifiziereinheit (1), mindestens umfassend eine Plastifizierschnecke und einen Plastifizierzylinder, eine Übergabeeinheit (2), bestehend aus einem Kolben (3) und einem Zylinder, sowie einem Werkzeug (4) mit einer Kavität (5) dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) der Übergabeeinheit (2) einen Teil der Kavitätswandung bildet und der Kolben (3) eine mikrostrukturierte Stirnseite (6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der mikrostrukturierten Stirnseite (6) des Kolbens (3) ein Temperiermittel (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (4) mit mindestens einem Mittel ausgestaltet ist, das die Aufnahme eines vorgefertigten Einlegeteiles (8) ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergabeteil (2) in der Plastifizierschnecke integriert ist.