DE102009047735A1

DE102009047735A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente

Info

Publication number: DE102009047735A1
Application number: DE200910047735
Authority: DE
Inventors: Philipp Helbig; Peter Helbig
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-06-16
Also published as: WO2011069792A1

Abstract

Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt und dann in einem Prägewerkzeug fertig geprägt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Stand der Technik
Bereits seit einiger Zeit werden optische Bauelemente, an die hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden, aus Kosten- und Gewichtsgründen aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt. In den Druckschriften DE 10 2006 056 150 A1 , DE 10 2006 048 230 A1 und DE 11 2006 001 683 T5 wird beispielsweise beschrieben, Bauelemente, an die hohe optische Anforderungen oder hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit gestellt werden, beispielsweise Lichtleiter, Optikelement-Arrays, Leuchtdiodengehäuse oder dergleichen durch Spritzprägen herzustellen. Dieses Verfahren wird auch zur Herstellung von Linsen, Katzenaugen, etc. verwendet.
Beim Spritzprägen wird die thermoplastische oder duroplastische Formmasse in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingebracht, das bei einer Variante des Verfahrens während des Erstarrungs- oder Aushärtevorgangs zunächst nicht komplett geschlossen ist, wobei der Schließdruck für die endgültige Ausformung des Formteils gleichmäßig aufgebaut wird, so dass sich zum einen relativ großflächige Werkstücke mit geringer Schließkraft oder Werkstücke mit sehr feinen Strukturen mit hoher Genauigkeit ausbilden lassen. Bei einer anderen Variante des Spritzprägens wird die Werkzeugkavität komplett gefüllt, wobei die Schließkraft zunächst relativ gering gehalten ist, so dass der beim Füllen ansteigende Werkzeuginnendruck das Werkzeug leicht öffnet. In der Folge wird dann durch kontinuierliches Erhöhen der Schließkraft das Werkzeug geschlossen und ein relativ spannungsfreies Formteil geprägt. Diese Spritzgießvariante wird beispielsweise bei der Herstellung von Datenträgern (DVD, CD) verwendet.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass aufgrund des mit dem eigentlichen Spritzgießvorgang einhergehenden Prägevorgangs die Zykluszeit gegenüber einer reinen Spritzgießfertigung verlängert ist, wobei insbesondere zu berücksichtigen ist, dass während des Spritzprägens die Formmassetemperatur in etwa der Glasübergangstemperatur (Erweichungstemperatur) T_G gehalten werden sollte, um die Ausprägung mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen zu können, d. h, die Formmasse muss im Spritzgießwerkzeug von der Schmelztemperatur auf die Glasüberweichungstemperatur gekühlt werden.
Darstellung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente zu schaffen, durch das bei hinreichender Bauteilqualität eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 9 gelöst. Besondere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente zunächst ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Formmasse durch Spritzgießen hergestellt. Dieser Vorformling wird dann durch einen Prägevorgang in das optische Bauelement umgeformt, wobei erfindungsgemäß der Vorformling aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen, abgekühlt und anschließend in ein gesondertes Prägewerkzeug zum Fertigprägen eingelegt wird. Das Kühlen kann dabei in einer eigenen Kühlstation oder im Prägewerkzeug erfolgen.
Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Verfahrens in das Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug und das Fertigprägen in einem Fertigprägewerkzeug kann im Spritzgießwerkzeug die herkömmliche, für den Spritzgießvorgang optimale Zykluszeit eingehalten werden, wobei parallel das Fertigprägen in dem Prägewerkzeug erfolgt, so dass trotz höherer Investitionskosten aufgrund der wesentlich geringeren Zykluszeiten eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht ist.
Die effektive Zykluszeit zur Herstellung des optischen Bauelementes ist besonders kurz, wenn das Prägewerkzeug in etwa bei konstanter Temperatur, vorzugsweise bei Glasübergangstemperatur, betrieben wird, so dass keine Zeit zum Kühlen und Erwärmen dieses Prägewerkzeugs verloren geht.
Das Prägewerkzeug hat dabei die den Fertigmaßen des optischen Bauelementes entsprechenden Abmessungen. D. h. es sind keine Schwindmaße berücksichtigt, so dass das Bauteil unabhängig von der Schwindung mit exzellenter Qualität gefertigt werden kann.
Die Fertigungsqualität kann weiter verbessert werden, wenn auch im Spritzgießwerkzeug ein Vorprägen durchgeführt wird, wobei dieses Vorprägen wesentlich weniger Zeit als beim herkömmlichen Spritzprägen benötigt, so dass die Zykluszeit nur unwesentlich verlängert ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine quasi kontinuierliche Fertigung vor, wobei zunächst im Spritzgießwerkzeug ein erster Vorformling ausgebildet wird und parallel dazu im Prägewerkzeug ein zweiter, zuvor gefertigter Vorformling fertig geprägt wird. Der im Spritzgießwerkzeug ausgebildete erste Vorformling wird dann aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen und in das Presswerkzeug eingelegt. Dabei wird die Zykluszeit im Wesentlichen durch das Spritzgießwerkzeug bestimmt, da der Spritzgießzyklus etwas länger als der Prägezyklus sein wird.
Bei einer Variante der Erfindung erfolgt das Entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und das Einlegen in das Prägewerkzeug mittels eines Handlingsgerätes, so dass kein manueller Zugriff erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das Verfahren zur Herstellung von Linsen, beispielsweise aus PC, PMMA, PMMI, COC oder anderen geeigneten Kunststoffen verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Zeichnung zeigt ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Herstellung einer Linse einer optischen Baugruppe erläutert.
Die Linse ist in an sich bekannter Weise aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PC, PMMA, PMMI, COC hergestellt. Bei herkömmlichen Lösungen erfolgt diese Herstellung im Spritzprägeverfahren in einem einzigen Werkzeug mit den eingangs geschilderten Nachteilen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das vorbestimmte Material bzw. die Materialmischung in einer Spritzgießmaschine zunächst aufgeschmolzen (plastifiziert) und dann über die Einspritzeinheit in die Kavität eines Spritzgießwerkzeugs eingespritzt. Diese Kavität des Spritzgießwerkzeugs ist mit einem gewissen Übermaß ausgeführt, so dass die Schwindung des Spritzgießteils beim Abkühlen und Erstarren der Kunststoffschmelze berücksichtigt ist. Um eine Maßhaltigkeit des Spritzgießteils zu gewährleisten, wird die Schmelze über die Einspritzeinheit mit einem Nachdruck beaufschlagt, so dass eine vollständige Füllung der Kavität gewährleistet ist. Im Unterschied zum herkömmlichen Spritzgießverfahren wird das Spritzgießwerkzeug so temperiert, dass die Temperatur der Kunststoffmasse in der Kavität deutlich über der Glasübergangstemperatur T_G bleibt. Diese Glasübergangstemperatur ist diejenige Temperatur, bei der die Kunststoffmasse die größte Änderung der Verformungsfähigkeit aufweist. D. h. dieser Glasübergang trennt den spröden, energieelastischen Bereich von einem weichen, entropieelastischen (gummielastischen) Bereich.
Bei einer Variation der Erfindung wird dieser Vorformling in der eingangs beschriebenen Weise vorgeprägt, wobei – wie bereits erläutert – entweder das Spritzgießwerkzeug während des Einspritzens der Kunststoffmasse nicht vollständig geschlossen gehalten wird oder aber nach dem Füllen der Kavität geöffnet wird, so dass durch das nachfolgende Erhöhen der Schließkraft der Druck auf die Formmasse entsprechend erhöht wird. Dieses Vorprägen erfolgt jedoch in wesentlich geringerem Umfang als bei den herkömmlichen Lösungen. Prinzipiell kann auch, wie in dem anliegenden Verfahrensschema gestrichelt angedeutet, auf den Vorprägeschritt verzichtet werden.
Dieser durch Spritzgießen oder Spritzprägen ausgebildete Vorformling wird dann mit vergleichsweise hoher Temperatur deutlich oberhalb der Glasübergangstemperatur entnommen und dann in vergleichsweise kurzer Zeit auf die Glasübergangstemperatur T_G abgekühlt. Dieses Abkühlen kann entweder in einer eigenen Kühlstation (siehe durchgezogene Linie im Verfahrensschema) oder durch direktes Einlegen dieses Vorformlings in ein Presswerkzeug erfolgen. Die Werkzeugtemperatur dieses Presswerkzeugs ist so eingestellt, dass der Vorformling auf eine Temperatur im Bereich der genannten Glasübergangstemperatur gebracht oder gehalten wird.
Die Kavität dieses Presswerkzeugs hält keine Schwindmaße vor sondern ist entsprechend der Geometrie des herzustellenden optischen Bauelementes ausgeführt. D. h. die Nachschwindung des Vorformlings, der bereits das Teilegewicht des Fertigteils aufweist, wird in diesem Prägewerkzeug gezielt auf die geforderte Teilegeometrie „verteilt”. Durch dieses Fertigprägen im Prägewerkzeug lassen sich Mikrostrukturen, kleine Facetten oder auch Mattierungen erzeugen. Des Weiteren ist es möglich, Prozessschwankungen beim Spritzgießen, die sich eventuell auch auf unterschiedliche Schwindmaße auswirken können, mit dem externen Prägen auszugleichen.
Nach diesem Fertigprägen bei Glasübergangstemperatur wird das Werkstück dann innerhalb des Prägewerkzeugs oder extern abgekühlt, so dass die Formmasse vollständig aushärtet bzw. erstarrt.
Der Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt darin, dass die Zykluszeit des Spritzgießprozesses im Spritzgießwerkzeug deutlich gegenüber herkömmlichen Lösungen verkürzt werden kann, da keine Abkühlung im Spritzgießwerkzeug auf einen Temperaturbereich unterhalb der Glasübergangstemperatur vorgesehen sein muss. Das Spritzprägewerkzeug wird dabei stets mit konstanter Werkzeugtemperatur im Bereich dieser Glasübergangstemperatur gefahren, so dass der üblicher Weise erforderliche Heizen-Kühlen-Prozess im Werkzeug entfällt und somit die Zykluszeit verringert werden kann. Vorversuche zeigten, dass sich die über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten optischen Bauelemente durch eine äußerst geringe Eigenspannung aufweisen. Dies rührt aus dem Tempern des Bauelementes bei Temperaturen im Bereich oder unterhalb der Glasübergangstemperatur.
Die im Verfahrensschema vorgesehene Vorprägung des Vorformlings im Spritzgießwerkzeug wird besonders bei Formteilen mit extremer Nachschwindung eingesetzt, da durch die zweistufige Prägung eine exzellente Maßhaltigkeit erzielbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise auf einer Kombianlage realisiert, bei der das Spritzgießwerkzeug in einer Spritzgießmaschine aufgespannt ist, wobei das Prägewerkzeug in einer in unmittelbarer Nähe zu dieser Spritzgießmaschine angeordneten Prägemaschine eingespannt ist, so dass die Formteile über eine automatisches Handlinggerät beim Öffnen des Spritzgießwerkzeugs automatisch ausgeformt und in das geöffnete Prägewerkzeug eingelegt werden können. D. h. das Herstellen eines Vorformlings durch Spritzgießen oder Spritzprägen und das Fertigprägen eines zuvor durch Spritzgießen hergestellten Vorformlings verlaufen im Wesentlichen parallel zu einander, wobei die Zykluszeit des Spritzgießens/Spritzprägens etwas größer als die Zykluszeit im Prägewerkzeug ist. Durch die Verringerung der Spritzgießzykluszeit kann jedoch die Gesamtzeit zur Produktion des optischen Bauelementes gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden, wobei die Bauteilqualität erheblich oberhalb derjenigen Qualität liegt, die mit den herkömmlichen Lösungen erzielbar ist.
Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt und dann in einem Prägewerkzeug fertig geprägt wird.
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 102006056150 A1 [0002]
DE 102006048230 A1 [0002]
DE 112006001683 T5 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmasse durch Spritzgießen hergestellt wird und dieser Vorformling dann durch einen Prägevorgang und Abkühlung in das Bauelement umgeformt wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug; – Kühlen des Vorformlings außerhalb des Spritzgießwerkzeugs und – Einlegen des Vorformlings in ein Prägewerkzeug und Fertigprägen zum Bauelement.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Prägewerkzeug in etwa bei konstanter Temperatur betrieben wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Werkzeugtemperatur so eingestellt wird, dass der Vorformling im Bereich einer Glasübergangstemperatur (T_G) gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei eine Kavität des Prägewerkzeugs entsprechend der Fertigmaße des Bauelementes ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei im Spritzgießverfahren ein Vorprägen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Spritzgießen und das Prägen parallel erfolgen, so dass eine quasi kontinuierliche Fertigung ermöglicht wird, bei der während der Ausbildung eines ersten Vorformlings im Spritzgießwerkzeug ein zweiter Vorformling im Prägewerkzeug fertig geprägt und aus diesem entnommen wird und dann der zuvor gefertigte erste Vorformling in das Prägewerkzeug eingelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Entformen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und das Einlegen dieses Vorformlings in das Prägewerkzeug über ein Handlingsgerät erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Bauelemente Linsen sind, die aus PC, PMMA, PMMI, COC hergestellt werden.
Vorrichtung zum Herstellen eines optischen Bauelementes mit einem Spritzgießwerkzeug zum Spritzgießen eines Vorformlings und einem Prägewerkzeug zum Fertigprägen des Vorformlings.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, wobei das Spritzgießwerkzeug mit einem das Schwindmaß des Vorformlings berücksichtigenden Übermaß und das Prägewerkzeug mit dem Fertigmaß des Bauelements ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9 oder 10, mit einem Handlingsgerät zum Entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und zum Einlegen des Vorformlings in das Prägewerkzeug.