DE102009027646A1

DE102009027646A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile mit verringerten Einfallstellen durch Spritzgießen oder -prägen

Info

Publication number: DE102009027646A1
Application number: DE102009027646A
Authority: DE
Inventors: Arne Schmidt; Marc Poth; Christian Eberle; Werner Höss
Original assignee: Evonik Roehm GmbH
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2011-01-20
Also published as: SG177652A1; WO2011006704A1; US20120171452A1; KR20120038964A; RU2012104753A; JP2012532777A; MX2012000633A; BR112012000957A2; TW201127605A; CA2768052A1; EP2454070A1; CN102470575A

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile durch Spritzgießen oder -prägen. Die Vorrichtung umfasst ein Werkzeug zum Spritzgießen oder -prägen mit einer Kavität und zeichnet sich dadurch aus, dass das Werkzeug einen an die Kavität angrenzenden Wandbereich und einen an den kavitätsnahen Wandbereich angrenzenden kavitätsfernen Körper umfasst, wobei der Körper des Werkzeugs auf eine Temperatur Tund der Wandbereich auf eine von der Temperatur Tverschiedene Temperatur Ttemperierbar ausgebildet sind. Gemäß dem Verfahren bringt und hält man die Temperatur Tdes kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs vor und/oder während des Einspritzvorgangs auf einen bzw. einem Wert größer als die Vicattemperatur Tder Kunststoffformmasse, wobei die Temperatur Tgrößer als die Temperatur Tdes Werkzeugkörpers ist; und man bringt die Temperatur Tdes kavitätsnahen Wandbereichs während des Erstarrens der Kunststoffformmasse und vor dem Entformen auf eine Temperatur unterhalb der Vicattemperatur Tder Kunststoffformmasse. Es resultieren dickwandige Kunststoffformkörper, wie optische Linsen und dergleichen, mit verringerten Einfallstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile mittels Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren, wobei die resultierenden Kunststoffformteile verglichen zu herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren über eine reduzierte Zahl und/oder Ausprägung an so genannten Einfallstellen verfügen.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren, zur Herstellung von Kunststoffformteilen mit Wandstärken von mehr als 3 mm, zweckmäßig mehr als 5 mm, besonders zweckmäßig mehr als 8 mm, wobei die Kunststoffformteile aus thermoplastischen Formmassen, vorzugsweise PMMA, im Spritzgussverfahren erhalten oder spritzgeprägt werden.
Derartige dickwandige Kunststoffformteile sind beispielweise Kunststofflinsen für Brillen. Dabei kommen im Allgemeinen duroplastische Gussmassen (CR39) und thermoplastische Formmassen zum Einsatz, wobei je nach Einsatzweck Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polymethylmethacrylimid, Cyclo-Olefin-Copolymere, Polycarbonat oder Copolycarbonat verwendet werden.
Bei bekannten Verfahren werden Linsenrohlinge gleichmäßiger Wandstärke in Zykluszeiten von unter 30 s hergestellt und im Normalfall wird dabei ein Standard-Spritzgießprozess verwendet. Die Formmasse wird in der Füllphase über klein dimensionierte Kanäle in die Kavität des Werkzeugs eingebracht. Weil amorphe Kunststoffe in der Abkühlphase eine hohe Dichtereduktion im Bereich bis zu 10 Volumenprozent oder mehr erfahren, wird diese Materialschwindung in einer folgenden Nachdruckphase durch Nachfüttern von plastsicher Schmelze vom Spritzkolben der Spritzgießvorrichtung ausgeglichen.
Bei einem Standard-Spritzprägeprozess wird im Unterschied zum Standard-Spritzgießverfahren die Kunststoffmasse in einer ersten Füllphase in eine vor-vergrößerte Kavität eingebracht, und diese Kunststoffformmasse wird folgend mittels einer axialen Werkzeugprägung verprägt. Das Massegewicht, das in der ersten Füllphase in die vor-vergrößerte Kavität eingebracht wird, entspricht dabei dem Massegewicht der später entnommenen Teile. Mit der axialen Werkzeugbewegung wird die vor-vergrößerte Kavität verkleinert und die Restfüllung der Kavität wird vorgenommen. Das Standard-Spritzprägeverfahren wird für einfache optische Teile eingesetzt, um Einfallstellen als Folge von Materialschwindung zu vermeiden.
Daneben können sich allerdings auch Oberflächenmarkierungen ergeben, weil die Kunststoffformmasse nicht in einem optimalen Quellfluss in die Kavität einfließen kann. Es können sich kalte Randschichten in der Füllphase verschieben. Durch Erhöhung der Werkzeugtemperatur bis nahe der Glastemperatur wird die Entstehung von kalten Randschichten unterdrückt. Daraus ergibt sich allerdings eine verlängerte Zykluszeit.
Um einen nahezu optimalen Quellfluss sicherzustellen werden große Teilanschnitte benötigt, die anschließend staubfrei abgeschnitten werden müssen und in der Regel nicht mehr für die Herstellung von optischen Teilen verwendet werden können.
Nichtsdestotrotz kommt bei der Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile, beispielsweise optischer Linsen aus thermoplastischen Formmassen, mittels Spritzgieß- oder Spritzprägetechniken, wie etwa dem Schließprägen, Expansionsprägen oder dem Sequentiellprägen, dem Problem der Vermeidung so genannter „Einfallstellen” eine ganz zentrale Bedeutung zu. Dickwandige Formteile sind üblicher Weise solche Formteile, die an wenigstens einer Stelle über eine Wandstärke von wenigstens drei Millimetern verfügen. Insbesondere bei Formteildicken von fünf Millimetern, acht Millimetern oder dicker erkennt man nach Abkühlung und Entformen „eingefallene Stellen”. Hierbei handelt es sich generell um solche Stellen des fertigen Formkörpers, an welchen die vermehrte freie Schwindung (Volumenminderung) des Materials zu Fehlern mit zu geringer Materialdicke führt. Diesem Phänomen kann man zwar theoretisch durch eine Erhöhung des Schneckennachdrucks entgegenwirken, ein erhöhter Schneckennachdruck resultiert allerdings in einer zusätzlichen Stressbeanspruchung des thermoplastischen Materials und kann gegebenenfalls zu einer Molekülorientierung im Formteil führen. Gerade bei Formteilen wie Linsen für optische Anwendungen ist dies jedoch sehr nachteilig, da sich hierdurch die optische Qualität des Formteils verschlechtert.
Aus der DE 199 13 525 A1 = Dokument 1 oder D1 ist ein Verfahren zur Formgebung von Kunststoffformteilen mit Ausgleich der Volumenminderung des Werkstoffs bekannt. Gemäß der D1 wird ein Verfahren offenbart, bei dem die aushärtungs- oder abkühlungsbedingte Volumenminderung des unter Druck stehenden Werkstoffs in der Kavität durch eine vom Druck im Innern der Kavität abhängige reversible Erweiterung des Formhohlraums ausgeglichen wird. Dies wird beispielsweise durch Anbringung von Systemen zur Erzeugung einer kompressionsdruckabhängigen Gegenkraft in Form von in die Kavität eingebrachten elastischen Elementen erreicht. Eine solche Vorgehensweise scheint zwar im Einzelfall geeignet, die Schwindung zu verringern, sie ist jedoch komplex und hat sich in der Praxis des Spritzgießens oder -prägens bislang nicht durchgesetzt.
Einen weiteren Vorschlag zum Herstellen dickwandiger Formteile kann man der DE 100 48 861 A1 = Dokument 2 oder D2 entnehmen. Die D2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung dickwandiger Rohlinge für optische Linsen, bei dem man zweistufig vorgeht. In einer ersten Stufe wird zunächst eine dünne Linse durch Spritzgießen hergestellt, die in der zweiten Herstellungsstufe durch Zufuhr von Kunststoffmaterial bis auf ihre Enddicke vergrößert, d. h. „aufgeblasen” wird. Obwohl die Oberflächengüte dickwandiger Formteile auf diese Art und Weise an die Güte dünnwandiger Formteile herangeführt werden kann, wird zur Verringerung der Schwindung und der Reduktion der dadurch bedingten Einfallstellen, nach der ersten Phase oder auch der zweiten Phase gemäß D2 eine zusätzliche Kompressionsphase benötigt. Damit besteht das Problem der Molekülorientierung während der Nachdruckphase weiterhin.
Aus der DE 101 14 228 A1 = Dokument 3 oder D3 ist ein Verfahren zum Vergleichmäßigen des Schwindungsverhaltens eines Spritzteils sowohl zwischen einzelnen Kavitäten eines Mehrfachwerkzeugs als auch von Zyklus zu Zyklus eines Spritzvorgangs bekannt. Dabei werden die Temperatur und/oder ein Innendruck in der Kavität überwacht und durch eine Temperierung des Werkzeugs vom Ende der Füllphase beziehungsweise von einem Druckmaximum in der Kavität bis zum Ende des Spritzzyklus an einen Referenzverlauf angeglichen.
Die WO 2004/058476 A3 = Dokument 4 oder D4 offenbart ein Verfahren zum Regeln der Herstellung von Spritzteilen. Gemäß dem Vorschlag der D4 wird die Temperatur des Werkzeugs geregelt. Ferner werden die Kavität und/oder der Formkern direkt erwärmt oder gekühlt. Grundgedanke der D4 ist es, die Temperatur einer Kavität oder eines Formkerns (= Prägstempel) nicht ausschließlich über den Kühlkreislauf sondern mit Hilfe von Heizelementen zu regeln. Wird festgestellt, dass Kavität oder Formkern eine zu geringe Temperatur aufweisen, so werden die Heizelemente höher geregelt. Ist die Temperatur in der Kavität oder am Formkern zu hoch, wird die Zirkulation im Kühlkreislauf erhöht. Ziel ist es in jedem Fall, Druck- und Temperaturverhältnisse in der Kavität konstant zu halten.
Dennoch ist auch die gemäß der D3 und der D4 vorgeschlagene Regelung der Werkzeugtemperatur beim Spritzgießvorgang verbesserungsbedürftig. Gemäß der D3 als auch der D4 scheint die Temperaturregelung relativ träge zu sein. Darüber hinaus ist immer die komplette Kavität zu temperieren was neben einer die Zykluszeiten beeinträchtigenden Trägheit auch zu einem erhöhten energetischen Aufwand führt.
Angesichts des hierin genannten und diskutierten Standes der Technik war es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile mittels Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren, bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist.
Weiterhin ist die Schaffung einer Vorrichtung Aufgabe der Erfindung gewesen, die möglichst mit einfachen Mitteln aber dennoch sehr variabel die Herstellung von Kunststoffformteilen, vorzugsweise aus thermoplastischen Kunststoffen, mit relativ hoher optischer Qualität, gestattet.
Noch eine Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine Vorrichtung zur Herstellung von dickwandigen Formteilen anzugeben, welche die Verkürzung der Zykluszeiten beim Spritzgießen oder Spritzprägen ermöglicht.
Weiterhin soll die verkürzte Zykluszeit nicht zu Lasten einer Nachdruckphase oder einer verlängerten Nachdruckphase gehen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, ein Verfahren zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile mittels Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren anzugeben, wobei das Verfahren schnell, sicher und kosteneffektiv die Herstellung von Kunststoff-Körpern, mit einfachen Mitteln ermöglichen soll.
In verfahrensmäßiger Hinsicht bestand ebenfalls die Aufgabe, das Spritzgießen oder Spritzprägen so zu gestalten, dass die resultierenden Kunststoffformteile verglichen zu herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren über eine reduzierte Zahl und/oder Ausprägung an so genannten Einfallsstellen verfügen Gelöst werden diese Aufgaben sowie weitere Aufgaben, die zwar nicht im einzelnen wörtlich genannt werden, die sich jedoch aus der einleitenden Diskussion des Standes der Technik ohne weiteres erschließen oder wie selbstverständlich ableiten lassen, durch eine Vorrichtung mit allen Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der auf den unabhängigen Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Ansprüche.
In verfahrensmäßiger Hinsicht geben die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs eine Lösung des der Erfindung im Hinblick auf die Verfahrensaspekte zugrundeliegenden Problems an. Vorteilhafte Verfahrensvarianten werden in den vom unabhängigen Verfahrensanspruch abhängigen Verfahrensansprüchen unter Schutz gestellt.
Schließlich schützen die Ansprüche der Verwendungskategorie die Verwendung des Verfahrens der Erfindung.
Insbesondere dadurch, dass eine Vorrichtung zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile durch Spritzgießen oder -prägen, umfassend ein Werkzeug zum Spritzgießen oder -prägen mit einer Kavität,
sich dadurch auszeichnet,
dass das Werkzeug einen an die Kavität angrenzenden Wandbereich und einen an den kavitätsnahen Wandbereich angrenzenden kavitätsfernen Körper umfasst,
wobei der Körper des Werkzeugs auf eine Temperatur T₁ und der Wandbereich auf eine von der Temperatur T₁ verschiedene Temperatur T₂ temperierbar ausgebildet sind,
gelingt es die bekannten Vorrichtungen zu verbessern, die Herstellung von dickwandigen Kunststoffformteilen zu rationalisieren und alle von den Norminstituten und den industriellen Verarbeitern bezüglich der physikalischen und chemischen Eigenschaften der resultierenden Formkörper aufgestellten Forderungen in herausragender Weise zu erfüllen. Insbesondere weisen die resultierenden Formkörper im Hinblick auf die Zahl und/oder die Ausprägung von Einfallstellen ein deutlich verringertes Niveau auf verglichen mit Formkörpern, die unter Einsatz bekannter Vorrichtungen erhalten werden können. Zudem ist es erfindungsgemäß möglich, eine große Zahl zusätzlicher Vorteile zu realisieren.
Hierzu gehören unter anderem:

– Verkürzte Zykluszeiten durch optimale Prozesstemperaturen beim Spritzgießen oder Spritzprägen.
– Optimale Prozesstemperaturen im Bezug auf die Schwindungsverhältnisse im Formteil.
– Bei Formteilen mit Wanddickenunterschieden zeigt sich die vorteilhafte Wirkung des Verfahrens auf insbesondere die dickeren Wandbereiche des Formteils.
– Gleich wirkende Druckverteilung oder Prägedruckverteilung und dadurch Vermeidung oder Reduktion von Einfallstellen am Formteil.
– Geringere oder keine Molekülorientierung, wodurch die optische Qualität von beispielsweise Linsen verbessert wird.
– Hervorragende Maßhaltigkeit der Formteile.
– Längere und effektivere Kompressionsphase, da keine vorzeitig eingefrorenen Randschichten entstehen.

Die Vorrichtung der Erfindung zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile durch Spritzgießen oder -prägen umfasst ein Werkzeug zum Spritzgießen oder -prägen mit einer Kavität.
Der Begriff „Werkzeug zum Spritzgießen oder Spritzprägen” ist synonym zu den Ausdrücken „Spritzgießwerkzeug” beziehungsweise „Spritzprägewerkzeug” zu verstehen. Sofern nicht besonders gekennzeichnet wird nachfolgend unter dem Begriff „Werkzeug” immer kumulativ ein Spritzgießwerkzeug und ein Spritzprägewerkzeug verstanden. Diese Begriffe sind dem Fachmann weithin bekannt.
Das Werkzeug der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist eine Kavität auf. Hierunter wird im Rahmen der Erfindung ein Hohlraum verstanden, der beim Spritzgieß- oder Spritzprägeprozess mit thermoplastischem Kunststoff aufgefüllt wird. Es ist klar, dass die Erfindung nicht auf Werkzeuge mit einer einzigen Kavität beschränkt ist. Genauso gehören zur Erfindung Vorrichtungen mit Werkzeugen, die über mehr als eine Kavität verfügen, sei es in einer oder mehreren Trennebenen.
Im Sinne der Erfindung zeichnet sich ein Werkzeug unter anderem dadurch aus, dass es einen an die Kavität angrenzenden Wandbereich und einen an den kavitätsnahen Wandbereich angrenzenden kavitätsfernen Körper umfasst. Dabei umschließt das Werkzeug ein oder mehrere Kavitäten und betrachtet von einer Kavität aus wird der Bereich des Werkzeugs als kavitätsnaher Bereich des Werkzeugs bezeichnet, welcher sich an die Kavität anschließt und diese begrenzt. Weiters ist der aus Richtung der Kavität betrachtet sich an den kavitätsnahen Wandbereich des Werkzeugs anschließende kavitätsfernere Bereich des Werkzeugs der so genannte Körper oder kavitätsferne Körper des Werkzeugs. Die Stärke oder Dicke des kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs kann über einen weiten Bereich variieren. Ebenso kann die Dicke oder Stärke des kavitätsfernen Körpers des Werkzeugs über einen weiten Bereich variieren. Im allgemeinen liegt das Verhältnis der Dicke des kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs zur Dicke des kavitätsfernen Bereichs des Werkzeugs im Bereich von 1:100 bis 2:1. Hierbei kann das Verhältnis für ein Werkzeug konstant sein. Es kann jedoch für ein Werkzeug betrachtet an mehreren Stellen zu abweichenden Dickenverhältnissen kommen, je nach speziellem Aufbau des Werkzeugs sowie den besonderen Prozess-Anforderungen an das Werkzeug.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke des kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs gleich der oder kleiner als die Dicke des kavitätsfernen Körpers des Werkzeugs ist. Von besonderem Vorteil ist es, wenn man die Dicke des kavitätsnahen Wandbereichs verglichen mit dem kavitätsfernen Körper möglichst gering gestaltet. So haben sich für das Verhältnis der Dicke des kavitätsnahen Wandbereichs zum kavitätsfernen Körper des Werkzeugs Werte im Bereich von nicht größer als 1:2, noch zweckmäßiger nicht größer als 1:5 und besonders zweckmäßig nicht größer als 1:10 besonders bewährt. Bei besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtungen liegt das genannte Verhältnis im Bereich von 1:8 bis 1:2, noch mehr bevorzugt im Bereich von 1:10 bis 1:5 und noch zweckmäßiger im Bereich von 1:20 bis 1:10.
Bezogen auf die gesamte Dicke oder Stärke des Werkzeugs kann sich die Dicke des kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs ebenfalls über einen weiten bereich erstrecken.
In einer bevorzugten Ausführungsform kennzeichnet sich die Vorrichtung der Erfindung dadurch, dass die Dicke des Wandbereichs zwischen etwa 1/20 bis 1/4 der gesamten Dicke des Werkzeugs aus kavitätsfernem Körper und kavitätsnahem Wandbereich ausmacht.
Noch mehr bevorzugt für die Vorrichtung ist es, wenn die Dicke des Wandbereichs etwa 1/10 bis 1/5 der gesamten Dicke des Werkzeugs aus kavitätsfernem Körper und kavitätsnahem Wandbereich beträgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Werkzeugs auf eine Temperatur T₁ und der Wandbereich auf eine von der Temperatur T₁ verschiedene Temperatur T₂ temperierbar ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft die unterschiedliche Temperierung des Wandbereichs und des Körpers des Werkzeugs und zwar in sehr kurzer Zeit. Die bislang in der Praxis zu beobachtende relativ hohe Trägheit des Temperaturverhaltens des gesamten Werkzeugkörpers lässt sich durch eine im Hinblick auf die separate Temperierbarkeit durchführte Entkopplung der kavitätsnahen Wandbereiche des Werkzeugs vom restlichen Körper des Werkzeugs deutlich reduzieren. Hieraus resultiert insbesondere vorteilhaft die Möglichkeit der Einstellung höherer Temperaturen im kavitätsnahen Bereich des Werkzeugs mit der Folge, dass die letztlich auf das in die Kavität eingebrachte Kunststoffmaterial eine höhere Temperatur wirkt. Ebenso besteht durch die hinsichtlich Temperierbarkeit Entkopplung von Wandbereich und Restkörper des Werkzeugs die Möglichkeit, dass die kavitätsnahen Randbereiche des Werkzeugs für eine längere Zeitspanne temperiert werden, als dies bei herkömmlichen Vorrichtungen der Fall ist, mit dem Ergebnis, dass die Zahl der Einfallstellen oder die Ausprägung, dass heißt die Intensität der Einfallstellen, verringert wird, verglichen mit herkömmlichen Vorrichtungen.
Der kavitätsnahe Wandbereich des Werkzeugs sowie der restliche Körper lassen sich im Hinblick auf die Temperierbarkeit auf verschiedene Weise voneinander entkoppeln. So kann es möglich sein, die kavitätsnahen Bereiche des Werkzeugs mit einer speziellen Beschichtung zu versehen, die beispielsweise über Widerstandsheizungen oder induktiv angesteuert werden kann. Hierbei können dem Fachmann an sich bekannte Beschichtungsmaterialien zum Einsatz gelangen, wie etwa thermokeramische Beschichtungen. Allerdings kann das nachträgliche Beschichten vorhandener Werkzeuge etwas aufwändig sein.
Es ist daher im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass der kavitätsnahe Wandbereich des Werkzeugs und der kavitätsferne Körper des Werkzeugs voneinander getrennte Temperierkreisläufe aufweisen. Auf diese Art und Weise lassen sich die Temperaturunterschiede zwischen Wandbereich des Werkzeugs sowie restlichem Körper des Werkzeugs auf schnelle, einfache und zweckmäßige Art und Weise realisieren.
Die Ansteuerung der beiden Temperierkreisläufe kann auf verschiedene Weise erfolgen. Neben der bereits genannten Ansteuerung über Widerstandsheizungen oder einer induktiven Ansteuerung ist es möglich, die Temperatur mittels flüssiger Medien, wie beispielsweise Wasser, Öl oder Dampf zu regeln.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich insofern als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der kavitätsnahe Wandbereich des Werkzeugs auswechselbar ist. Eine zweckmäßige Vorrichtung gemäß der Erfindung verfügt daher über einen auswechselbaren Kavitätsrahmen, der bevorzugt aus Stahl ist. Hierbei handelt es sich um eine Innenauskleidung des Werkzeughohlraums, die auswechselbar gestaltet und den Werkzeugkörper und die Kavität voneinander separiert. Die Vorteile eines auswechselbaren Kavitätsrahmens bestehen vor allem in der schnellen und individuellen Anpassbarkeit des Rahmens an neue Kavitätsformen sowie in der Möglichkeit der schnellen Austauschbarkeit. Zudem ist es möglich, den Kavitätsrahmen aus solchen Materialien zu fertigen, die eine äußerst geringe Trägheit im Hinblick auf das Temperaturverhalten aufweisen. Der Einsatz solcher vergleichsweise teurer Materialien bleibt dann auf einen im Vergleich zum gesamten Körper relativ geringen Masse- oder Volumenanteil beschränkt.
Wie bereits ausgeführt eignet sich die Vorrichtung der Erfindung bevorzugt zum Spritzgießen.
Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch das Spritzprägen. Im Unterschied zum Spritzguss weist die Vorrichtung beim Spritzprägen zusätzlich einen beweglichen Formkern oder Prägestempel auf. Hierbei ist es im Rahmen der Erfindung von besonderem Interesse und bevorzugt, dass der Formkern oder Prägestempel separat auf eine Temperatur T₃ temperierbar ausgebildet ist. Diese Variante kann insbesondere dazu genutzt werden, über den Prägestempel zusätzlich Energie in das in der Kavität befindliche Material einzubringen, mit der Folge, dass die Qualität des resultierenden Formteils weiter gesteigert werden kann. in zweckmäßiger Ausführungsform wird dieser Gedanke so verwirklicht, dass der Formkern oder Prägestempel eine Beschichtung aus Thermokeramik aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Kunststoffformteilen mit im Hinblick auf Zahl und/oder Ausprägung verringerten Einfallstellen durch Spritzgießen oder -prägen, bei welchem man

– eine Vorrichtung wie hierin oben bereitstellt;
– eine thermoplastische Kunststoffformmasse im fließfähigen Zustand in das Werkzeug der Vorrichtung einspritzt;
– die eingespritzte Kunststoffformmasse erstarren lässt; und
– die erstarrte Kunststoffformasse entformt; wobei man
– die Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs vor und/oder während des Einspritzvorgangs auf einen Wert größer als die Vicattemperatur T_v der Kunststoffformmasse bringt und hält, wobei die Temperatur T₂ größer als die Temperatur T₁ des Werkzeugkörpers ist; und
– die Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs während des Erstarrens der Kunststoffformasse und vor dem Entformen auf eine Temperatur unterhalb der Vicattemperatur T_v der Kunststoffformasse bringt.

Gemäß dieser Verfahrensweise kann man den Randbereich des Formteils höher und gegebenenfalls länger temperieren, mit der Folge, dass eine Nachdruckwirkung oder Prägekraft länger aufrecht erhalten werden kann.
Unter Vicattemperatur T_v wird dabei die Vicat-Erweichungstemperatur (VST = Vicat softening temperature) nach DIN EN ISO 306 (Vorläufer: DIN 53460) verstanden. Die Vicattemperatur wird mit einer Nadel (mit kreisrunder Fläche von 1 mm²) gemessen. Diese ist mit einer Prüfkraft von 10 N (Prüfkraft A) oder 50 N (Prüfkraft B) belastet. Der Probekörper mit einer zulässigen Dicke von 3 bis 6,4 mm wird einer definierten Heizrate von 50 bzw. 120 K/h ausgesetzt. Die VST ist erreicht, wenn der Eindringkörper eine Eindringtiefe von 1 mm erreicht. Durch Variation der Randbedingungen ergeben sich vier Parameterkombinationen, nämlich VST/A50, VST/A120, VST/650 und VST/6120, wobei für die Zwecke der Erfindung, wenn nicht anders angegeben, die Methode VST/650 angewendet wird.
Grundsätzlich wird beim Verfahren der Erfindung der kavitätsnahe Wandbereich, besonders zweckmäßig der oben beschriebene Kavitätsrahmen, des Werkzeugs vor und/oder während des Einspritzvorgangs mittels geeigneter Heizung auf ein höheres Temperaturniveau temperiert, verglichen mit dem Temperaturniveau des restlichen Körper des Werkzeugs. Die Temperaturführung des kavitätsnahen Randbereichs, vorzugsweise des Kavitätsrahmens, erfolgt dabei zweckmäßig zyklisch zum Spritzguss- oder Spritzprägezyklus. Während der Einspritzphase ist es außerdem zweckmäßig, den kavitätsnahen Randbereich, bevorzugt in Form des auswechselbaren Kavitätsrahmens, auf ein hohes Temperaturniveau oberhalb der Vicattemperatur des eingespritzten Kunststoffmaterials zu bringen, um einen langen Nachdruck oder Prägedruck aufrechtzuerhalten. Nach dem gleichmäßigen Erstarren der Kunststoffschmelze bringt man den kavitätsnahen Werkzeugwandbereich mittels geeigneter Kühlung wieder auf eine Temperatur unterhalb der Vicattemperatur des Kunststoffmaterials, nämlich die Entformungstemperatur.
Wie bereits festgestellt, besteht ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass man die Trägheit des Werkzeugs im Hinblick auf Temperaturänderungen überwindet und somit trotz höherer Temperaturen am Formteil und trotz längerer Nachdruckwirkung oder trotz längerer Wirkung der Prägekraft schnelle Zykluszeiten realisierbar macht. In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn auch die Unterschiede zwischen dem Temperaturniveau T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs und dem Temperaturniveau T₁ des restlichen Werkzeugkörpers möglichst groß sind.
Demnach zeichnet sich eine besonders zweckmäßige Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch aus, dass man eine Differenz Δ_T21 zwischen der Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs und der Temperatur T₁ des kavitätsfernen Werkzeugkörpers von mehr als 20°C einstellt.
Eine noch mehr bevorzugte Variante sieht vor, dass man eine Differenz Δ_T21 zwischen der Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs und der Temperatur T₁ des kavitätsfernen Werkzeugkörpers von mehr als 40°C einstellt.
Eine solche Temperaturdifferenz wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Reduktion der Einfallstellen der fertigen Formkörper aus.
In einer weiteren günstigen Abwandlung des Verfahrens ist vorgesehen, dass man den kavitätsnahen Wandbereich des Werkzeugs mittels flüssiger Medien, mittels Widerstandsheizung oder induktiv temperiert, besonders zweckmäßig mittels flüssiger oder gasförmiger Medien, wie Öl, Wasser oder beziehungsweise Dampf.
Das Prinzip der Erfindung lässt sich auf die bekannten Spritzgieß- und Spritzprägeverfahren übertragen. Seine besonders vorteilhaften Effekte treten jedoch bei der Herstellung von dickwandigen Formkörpern aus Kunststoff zu Tage.
Zweckmäßig wird das Verfahren der Erfindung zur Herstellung von dickwandigen Spritzgieß- oder Spritzprägeteilen mit Wandstärken von mehr als 5 mm verwendet.
Eine weitere vorteilhafte Verwendung umfasst die Herstellung von dickwandigen Spritzgieß- oder Spritzprägeteilen mit Wandstärken von mehr als 8 mm.
Das Verfahren der Erfindung eignet sich zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischen Kunststoffen, wie Polystyrol, Polycarbonat, Copolycarbonat, Cyclo-Olefin-Copolymere, Polymethylmethacrylimid oder Polyacrylaten und -methacrylaten. Eine besonders zweckmäßige Verwendung betrifft die Herstellung von PMMA-Formteilen, ganz besonders bevorzugt sind Linsen für optische Zwecke.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Vergleichsbeispielen unter Verweis auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine idealisierte und vereinfachte Darstellung eines Werkzeugs mit einem Kavitätsrahmen;
2 einen Querschnitt durch eine Teilansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 ein Diagramm der Baudickenverteilung im Bezug auf einen kalten Rahmen; und
4 ein Diagramm der Baudickenverteilung im Bezug auf einen heißen Rahmen.
Bezugszeichenliste für die 1 und 2:
Bezugszeichenliste

1: Kavitätsrahmen
2: Kavität
3: Werkzeug
3a: Bewegliche Werkzeugseite
3b: Feste Werkzeugseite
4: Prägestempel
5: Werkzeugplatte

In der 1 erkennt man eine Querschnittsdarstellung einer Prinzipskizze eines Werkzeugs. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Werkzeug zum Spritzgießen. Das Werkzeug 3 verfügt in seinem Inneren über einen Hohlraum 2. Der Hohlraum 2 wird auch als Kavität 2 bezeichnet. Man erkennt ferner einen kavitätsnahen Wandbereich 1 sowie einen kavitätsfernen Körper 5 des Werkzeugs. Der Randbereich 1 grenzt an den Holraum 2. Vom Hohlraum 2 nach außen betrachtet schließt sich an den kavitätsnahen Wandbereich 1 der kavitätsferne Körper 5 des Werkzeugs 3 an. Kavitätsnaher Wandbreich 1 und kavitätsfernen Bereich oder kavitätsferner Körper 5 des Werkzeugs bilden zusammen den gesamten Körper des Werkzeugs 3.
In der Figur zwei erkennt man als Werkzeugbestandteile die Platten 3a und 3b. Bei diesem Zweiplattenwerkzeug ist die Kavität 2 in die Platte 3a integriert, während die Platte 3b zur Entformung eines fertigen Spritzgießteils geöffnet werden kann.
Man erkennt sehr gut, dass die Kavität 2 in der Baugruppe 3a von einer Art Rahmen 1 umgeben ist. Dieser Kavitätsrahmen 1 ist im gezeigten Beispiel auswechselbar gestaltet und separat temperierbar. Ferner erkennt man in 2, den Prägestempel 4, welcher zur Kompaktierung der Formmasse in der Kavität genutzt werden kann.
Es versteht sich, dass die Rückwand der Kavität, das ist die durch die Baugruppe 3b des Werkzeugs gebildete Begrenzung der Kavität ebenfalls separat temperierbar ausgebildet sein kann. Dies ist jedoch nicht erforderlich, um die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung zu erzielen.
In 3 wird die Bauteildickenverteilung im Bezug auf den Kalten Rahmen dargestellt. In 4 wird die Bauteildickenverteilung im Bezug auf den Heißen Rahmen dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19913525 A1 [0009]
- DE 10048861 A1 [0010]
- DE 10114228 A1 [0011]
- WO 2004/058476 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Standard-Spritzgießprozess [0004]
- Standard-Spritzprägeprozess [0005]
- Standard-Spritzgießverfahren [0005]
- Standard-Spritzprägeverfahren [0005]
- DIN EN ISO 306 [0042]
- DIN 53460 [0042]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung dickwandiger Kunststoffformteile durch Spritzgießen oder -prägen, wobei die resultierenden Kunststoffformteile im Hinblick auf Zahl und/oder Ausprägung verringerte Einfallstellen aufweisen, umfassend ein Werkzeug zum Spritzgießen oder -prägen mit einer Kavität, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug einen an die Kavität angrenzenden Wandbereich und einen an den kavitätsnahen Wandbereich angrenzenden kavitätsfernen Körper umfasst, wobei der Körper des Werkzeugs auf eine Temperatur T₁ und der Wandbereich auf eine von der Temperatur T₁ verschiedene Temperatur T₂ temperierbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, der kavitätsnahe Wandbereich des Werkzeugs ein auswechselbarer Kavitätsrahmen aus Stahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, der kavitätsnahe Wandbereich des Werkzeugs und der kavitätsferne Körper des Werkzeugs voneinander getrennte Temperierkreisläufe aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die Dicke des Wandbereichs zwischen etwa 1/20 bis 1/4 der gesamten Dicke des Werkzeugs aus kavitätsfernem Körper und kavitätsnahem Wandbereich ausmacht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die Dicke des Wandbereichs etwa 1/10 bis 1/5 der gesamten Dicke des Werkzeugs aus kavitätsfernem Körper und kavitätsnahem Wandbereich beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zum Spritzgießen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zum Spritzprägen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 aufweisend einen beweglichen Formkern oder Prägestempel, dadurch gekennzeichnet dass, der Formkern oder Prägestempel separat auf eine Temperatur T₃ temperierbar ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung von dickwandigen Kunststoffformteilen mit im Hinblick auf Zahl und/oder Ausprägung verringerten Einfallstellen durch Spritzgießen oder -prägen, bei welchem man – eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 8 bereitstellt; – eine thermoplastische Kunststoffformmasse im fließfähigen Zustand in das Werkzeug der Vorrichtung einspritzt; – die eingespritzte Kunststoffformmasse erstarren lässt; und – die erstarrte Kunststoffformasse entformt; wobei man – die Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs des Werkzeugs vor und/oder während des Einspritzvorgangs auf einen Wert größer als die Vicattemperatur T_v der Kunststoffformmasse bringt und hält, wobei die Temperatur T₂ größer als die Temperatur T₁ des Werkzeugkörpers ist; und – die Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs während des Erstarrens der Kunststoffformasse und vor dem Entformen auf eine Temperatur unterhalb der Vicattemperatur T_v der Kunststoffformasse bringt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Differenz Δ_T21 zwischen der Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs und der Temperatur T₁ des kavitätsfernen Werkzeugkörpers von mehr als 20°C einstellt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Differenz Δ_T21 zwischen der Temperatur T₂ des kavitätsnahen Wandbereichs und der Temperatur T₁ des kavitätsfernen Werkzeugkörpers von mehr als 40°C einstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass man den kavitätsnahen Wandbereich des Werkzeugs mittels flüssiger Medien, mittels Widerstandsheizung oder induktiv temperiert.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9–12 zur Herstellung von dickwandigen Spritzgieß- oder Spritzprägeteilen mit Wandstärken von mehr als 5 mm.
Verwendung nach Anspruch 13 zur Herstellung von dickwandigen Spritzgieß- oder Spritzprägeteilen mit Wandstärken von mehr als 8 mm.
Verwendung nach Anspruch 13 oder 14 zur Herstellung von PMMA-Formteilen.
Verwendung nach Anspruch 15 zur Herstellung von optischen Linsen.