DE102011012221A1

DE102011012221A1 - Vorrichtung zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen

Info

Publication number: DE102011012221A1
Application number: DE201110012221
Authority: DE
Inventors: Christian Siebenhaar; Dietmar Großer; Gabor Jüttner; Steffen Jacob; Wolfgang Kazmirzak; Thomas Zwicker
Original assignee: INST INNOVATIVE TECHNOLOGIEN TECHNOLOGIETRANSFER; Institut fuer Innovative Technologien Technologietransfer Ausbildung und Berufsbegleitende Weiterbildung ITW eV
Current assignee: INST INNOVATIVE TECHNOLOGIEN TECHNOLOGIETRANSFER; Institut fuer Innovative Technologien Technologietransfer Ausbildung und Berufsbegleitende Weiterbildung ITW eV
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen, insbesondere von mittels Spritzgießen zu erzeugenden Präzisions- und Mikrowerkstücken, wobei das zu formende Material vor dem Füllvorgang und/oder während des Füllvorgangs und/oder nach dem Füllvorgang des Formraums zur Ausgestaltung der Formteile mit Schwingungen beaufschlagt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche Vorrichtung zu schaffen, mit der insbesondere der optische Spannungszustand derartiger Formteile aus Kunststoff verbessert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung eine mit der Spritzgießmaschine adaptierbare Wirkeinheit aufweist, wobei innerhalb der Wirkeinheit eine Kammer (2) zur Aufnahme einer die Schwingungen bewirkenden Baugruppe (3; 10; 11; 12) ausgestaltet ist und wobei ein Endabschnitt dieser Baugruppe (3; 10; 11; 12) mit dem im Formraum (1) befindlichen und zu einem Formteil auszugestaltenden Kunststoff in Wirkverbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen, insbesondere von mittels Spritzgießen zu erzeugenden Präzisions- und Mikrowerkstücken, wobei das zu formende Material vor dem Füllvorgang und/oder während des Füllvorgangs und/oder nach dem Füllvorgang des Formraums zur Ausgestaltung der Formteile mit Schwingungen beaufschlagt wird.
Für die Herstellung von Bauteilen aus Kunststoffen sind zahlreiche fertigungstechnische Lösungen bekannt. Bei Anwendung des Spritzgießens wird zum Beispiel eine fließfähige Kunststoffschmelze in ein Spritzgusswerkzeug gefördert und im Werkzeug geformt sowie abgekühlt, um die erzeugte Gestalt des Spritzgussteils dauerhaft zu stabilisieren. Ein derartiges Spritzgussteil wird auch als Formteil bezeichnet. Während der Verfestigung des Formteils können jedoch Probleme bezüglich der Materialstruktur auftreten, die mit dem Entstehen von Hohlräumen, Nahtlinien und uneinheitlicher Oberflächenbeschaffenheit zusammenhängen. Weiterhin werden Fehler wie auffällige Bindenähte, Einfallstellen und Wölbungen des Formteils durch Zusammentreffen von Schmelzfronten, ungleichmäßigen Materialfluss, ungleiche Kühlung, unterschiedliche innere Spannungen, nichthomogene Kernbildung und eventuelles Wachstum von Kristallen während der Übergangsphase des aufgeschmolzenen Materials in den festen Endzustand verursacht.
Zur Vermeidung diesbezüglicher Nachteile wurden bereits verschiedenartige technische Lösungen vorgeschlagen, mit denen der Verfahrensablauf zwischen dem Einströmen der Kunststoffschmelze in das Spritzgusswerkzeug und dem Ausstoß des fertigen Formteils modifiziert wird. Dabei werden insbesondere eine verbesserte Flussstruktur der Schmelze und/oder gezielte Eingriffe auf die innere Struktur und die Morphologie des zu formenden Kunststoffs angestrebt. Eine diesbezüglich interessante Variante ist die Beaufschlagung der Schmelze mit Schwingungen bzw. Oszillationen.
So beschreibt DD 152 307 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Kunststoffschmelzen auf Spritzgießmaschinen, die eine drehbare und axial verlagerbare Schnecke aufweisen. Hierbei wird eine zusätzliche, mit der Drehbewegung der Schnecke synchronisierte und pulsierende Axialbewegung der Schnecke realisiert. Dadurch werden auf das Kunststoffmaterial während des Einspritzens in das Werkzeug und während des Abkühlens periodische Impulse ausgeübt.
Aus DE 100 52 841 A1 ist eine technische Lösung zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe mittels Spritzgießen bekannt, wobei Schmelzabschnitte in Schwingung oder Pulsierung versetzt werden, um dadurch eine Verzahnung bzw. Durchdringung der Bindenähte zwischen mindestens zwei Spritzsträngen zu erzielen. Aufgrund der durch die Schwingung oder Pulsierung entstehenden Relativbewegung von zwei aneinander liegenden Schmelzsträngen zueinander wird ein tieferes Durchdringen der Schmelze an den Bindenähten bewirkt. Folglich sind diese Bindenähte weniger oder gar nicht sichtbar. Gleichzeitig wird im Bindenahtbereich eine verbesserte Festigkeit erreicht. Durch das in Schwingung versetzte Material greifen die Moleküle der Schmelze der einander zugeordneten Abschnitte ineinander, wodurch eine stabile Verbindung gebildet wird.
Gemäß DE 196 53 316 A1 wird eine oszillierende Kraft auf eine Kunststoffschmelze im Formraum eines Spritzgießsystems aufgebracht. Nachdem eine bestimmte Menge an plastifiziertem Material in den Formraum eingebracht ist, erfolgt durch eine oszillierende Bewegung der Förderschnecke eine Beaufschlagung des im Formraum und in den vorgestalteten Kanälen befindlichen Materials, wobei sich die Schnecke während ihrer oszillierenden Bewegungen zunehmend dem Formraum nähert. Nach vollständiger Füllung des Formraums wird das Material verfestigt. Durch Aufbringen der oszillierenden Kraft werden die physikalischen Eigenschaften der Formteile vorteilhaft beeinflusst, indem Lufteinschlüsse und sonstige Fehlstellen verringert und eine verbesserte Orientierung der Makromoleküle erreicht wird.
Eine technische Lösung zur Verbesserung des Spritzgießens bei einem vergrößerten Fließweg-Wanddicken-Verhältnis unter Nutzung von Ultraschall wird in CH 672 092 A5 beschrieben. Dabei wird der in das Werkzeug eingespritzten Kunststoffschmelze im Bereich des kritischen Fließweg-Wanddicken-Verhältnisses, in dem sie nicht mehr fließt, Ultraschallenergie zugeführt. Diese Energiezufuhr erfolgt solange, bis der Einspritzvorgang beendet ist. Hierfür ist am Spritzgießwerkzeug eine mit der Spritzgießmaschinensteuerung verbundene Ultraschalleinrichtung angeordnet, die aus einem Ultraschallgenerator und einem Konverter mit Sonotrode besteht. Die Sonotrode wird berührungslos durch eine Ausnehmung im Werkzeug bis in die Kavität geführt, wobei die Stirnfläche der Sonotrode einen Teil der Werkzeugkavität bildet.
Eine weitere Vorrichtung zum Einkoppeln von Ultraschall in ein Spritzgießwerkzeug ist aus DE 101 53 706 B4 bekannt. Dabei soll eine direkte lokale Einkopplung von Ultraschall in die Kavität des Spritzgießwerkzeuges durch eine kurzzeitige partielle Aufheizung der Kunststoffschmelze eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Formteile, insbesondere im Bindenahtbereich bewirken und das Fließverhalten der Schmelze im Formgebungsprozess verbessern. Eine Sonotrode ist in eine Werkzeugplatte des Spritzgießwerkzeuges integriert und an ihrem umlaufenden Befestigungsring im Schwingungsknoten zwischen zwei Distanzringen gehalten und mit einem Klemmring fest gespannt. Diese Sonotrode reicht unmittelbar bis an die Kavität, wobei die Stirnfläche einen Teil der Kavitätswandung bildet.
Neben den oben benannten Fundstellen zum Stand der Technik sind zahlreiche weitere Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die beim Spritzgießen durch eine Beaufschlagung mit Schwingungen verbesserte Flussstrukturen der Schmelze und gezielte Eingriffe auf die innere Struktur des zu formenden Kunststoffs ermöglichen. Somit ist an sich eine große Vielzahl technischer Lösungen verfügbar, um den Verfahrensablauf zwischen Einströmen der Kunststoffschmelze in das Spritzgusswerkzeug und Ausstoß des fertigen Formteils weitgehend optimal auf die jeweils konkreten Anforderungsprofile anpassen zu können. Allerdings sind diese bekannten technischen Lösungen primär für größer dimensionierte Bauteile geeignet, während eine Anwendung für Bauteile mit geringeren Abmessungen oftmals problematisch ist.
Ein diesbezüglich typisches Beispiel sind Formteile im Milligramm-Bereich (mg) mit engen Toleranzen, die mit Spritzgießverfahren hergestellt werden. Diese Anwendung wird auch als Mikrospritzguss bezeichnet. Hierfür werden vorzugsweise modifizierte Ausführungen bekannter Spritzgießmaschinen und Spritzgießwerkzeuge eingesetzt, bei denen lediglich die Funktionselemente verkleinert sind.
Sofern man für den Mikrospritzguss die bekannten Vorrichtungen zur Beaufschlagung mit Schwingungen einsetzt, werden durch den im Verhältnis zum Kunststoffformteil sehr hohen Krafteintrag die Form- und Oberflächenqualitäten der Formteile beeinträchtigt. Außerdem können sich Nachteile bezüglich der Spannungsarmut ergeben. Dies ist jedoch insbesondere für mikrooptische Bauteile nicht akzeptabel, weil durch die Einleitung großer Kräfte in das Formteil die mechanische bzw. optische Funktionsfähigkeit des Formteils beeinträchtigt wird. Für Optiken hoher Abbildungsgüte und Polarisationserhalt aus Kunststoff in anspruchsvollen Applikationen, beispielsweise für Messtechnik oder Medizintechnik, sind Bauteilspannungen häufig schwer zu beherrschen. Innere Spannungen in spritzgegossenen Kunststoffoptiken verursachen Doppelbrechungseffekte, die zu unerwünschten Polarisations- und folglich Transmissionseffekten führen und die nicht immer mit Deformationen der Formteile einhergehen müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen zu schaffen, die an bekannte Spritzgießmaschinen adaptiert werden kann und die eine Schwingungsbeaufschlagung auf das zu formende Material vor dem und/oder während des und/oder nach dem Füllvorgang des Formraums zur Ausgestaltung der vorzugsweise als Präzisions- und Mikrowerkstück ausgeführten Formteile ermöglicht. Somit soll insbesondere der optische Spannungszustand derartiger Formteile aus Kunststoff verbessert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Vorrichtung eine mit der Spritzgießmaschine adaptierbare Wirkeinheit aufweist, wobei innerhalb der Wirkeinheit eine Kammer zur Aufnahme einer die Schwingungen bewirkenden Baugruppe ausgestaltet ist und wobei ein Endabschnitt dieser Baugruppe mit dem im Formraum befindlichen und zu einem Formteil auszugestaltenden Kunststoff in Wirkverbindung steht. Dabei kann der Kammer alternativ ein quasistatisches oder ein ultraschallbasiertes Schwingsystem zugeordnet werden. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Merkmale im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Wirkeinheit ist eine Bearbeitung von funktionell anspruchsvollen und/oder gering dimensionierten Werkstücken aus Kunststoff möglich, die mittels Spritzgießen hergestellt worden sind. Die Wirkeinheit ist für unterschiedliche Klein- und Kleinstbauteile aus Kunststoff geeignet, wobei als eine bevorzugte Anwendung beispielsweise der Einsatz in der Herstellung von optischen Linsen oder ähnlichen Präzisions- und Mikrowerkstücken im Milligramm-Bereich für optische Anwendungen zu nennen ist. Hierbei wird durch die Einleitung von Schwingungen in den Spritzgießprozess der optische Spannungszustand der erzeugten Mikroformteile verbessert.
Nachfolgend werden beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer ersten Variante der Wirkeinheit
2 ein Detail aus 1 in vergrößerter Darstellung
3 den grundsätzlichen Aufbau einer zweiten Variante der Wirkeinheit
4 ein Detail aus 3 in vergrößerter Darstellung
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen konzipiert, insbesondere für im Spritzgussverfahren hergestellte Präzisions- und Mikrowerkstücke.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Wirkeinheit, die an eine hier nicht näher dargestellte Spritzgießmaschine adaptiert werden kann. Mit dieser Wirkeinheit wird das zu formende Material vor dem Füllvorgang und/oder während des Füllvorgangs und/oder nach dem Füllvorgang des Formraums 1 der Spritzgießmaschine mit Schwingungen beaufschlagt. Hierfür ist innerhalb der Wirkeinheit eine Kammer 2 zur Aufnahme einer die Schwingungen bewirkenden Baugruppe 3 ausgestaltet. Ein Endabschnitt der Baugruppe 3 steht direkt oder indirekt mit dem im Formraum 1 befindlichen und zu einem Formteil zu gestaltenden Kunststoff in Wirkverbindung. Somit ist die Wirkeinheit funktionell in das Werkzeug der Spritzgießmaschine integriert.
1 und 2 zeigen eine Ausführung der Vorrichtung, bei welcher der Kammer 2 ein quasistatisches Schwingsystem zugeordnet ist. Das quasistatische Schwingsystem weist vorzugsweise einen elektromechanischen Schwingungserzeuger 3 (zum Beispiel eine piezoelektrische Baugruppe) auf. Der Schwingungserzeuger 3 ist in der Kammer 2 in mindestens zwei Zentrierplatten 4 abgestützt. Diese Zentrierplatten 4 bewirken eine ausreichende Schwingungsentkopplung zu den benachbarten Werkzeugkomponenten. Gleichzeitig wird eine notwendige thermische Isolierung des Schwingungserzeugers 3 (Piezoaktor) erreicht. Der Schwingungserzeuger 3 steht an seinem zum Formraum 1 entgegengesetzt angeordneten Endabschnitt mit einem Zentrierstück 5 in Wirkverbindung. Das Zentrierstück 5 ist in einer Druckplatte 6 abgestützt und kann mit einer zugeordneten Justierschraube 7 eingestellt werden. Weiterhin steht der Schwingungserzeuger 3 am anderen Endabschnitt über ein Kopfstück 8 mit dem Formraum 1 in Wirkverbindung. Für die Erzeugung von Präzisions- und Mikrowerkstücken ist dieser Formraum 1 gemäß der Zeichnung beispielsweise als ein Formnest mit einer Membran ausgestaltet. Zur Unterdrückung von Querkräften im vorderen Bereich des Schwingungserzeugers 3 besteht keine dauerhafte Ankopplung mit der Membran des Formnestes. Das abgerundete Ende des Schwingungserzeugers 3 drückt spielfrei gegen die Membran, wobei die senkrecht auf die Membran wirkende Andruckkraft über die bereits benannte Justierschraube 7 präzise eingestellt werden kann. Schließlich ist der Wirkeinheit aus thermischen Aspekten eine Isolierplatte 9 zugeordnet.
3 und 4 zeigen eine Ausführung der Vorrichtung, bei welcher der Kammer 2 ein ultraschallbasiertes Schwingsystem zugeordnet ist. Dieses ultraschallbasierte Schwingsystem weist vorzugsweise einen Konverter 10, einen Booster 11 und eine Sonotrode 12 auf. Die Sonotrode 12 ist innerhalb der Kammer 2 in einem Befestigungsring 13 abgestützt. Somit wird gewährleistet, dass die Sonotrode 12 frei schwingen kann und dennoch exakt zentriert und ausreichend gegenüber dem Formraum 1 abgedichtet ist, mit dem sie über einen Werkzeugeinsatz 14 in Wirkverbindung steht. Schließlich ist der Wirkeinheit aus thermischen Aspekten auch bei dieser Ausführung eine Isolierplatte 9 zugeordnet.
Mit einer piezoelektrischen Wirkeinheit (1, 2) kann eine hohe Flexibilität hinsichtlich Frequenz und Amplitude ohne Resonanz bei einem lediglich moderaten Energieeintrag erreicht werden. Mit einer ultraschallbasierten Wirkeinheit (3, 4) kann prinzipbedingt ein größerer Energieeintrag erreicht werden, der letztlich auch eine intensivere Wirkung auf den Spritzgießprozess bewirkt.
Mit der erfindungsgemäßen Wirkeinheit sind somit neuartige Möglichkeiten zur Einleitung resonanter und quasistatischer Schwingungen in das Formnest einer Spritzgießmaschine verfügbar, mit denen für zahlreiche Anwendungen eine Spannungsreduzierung in Präzisions- und Mikrowerkstücken aus Kunststoff erzielt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Formraum der Spritzgießmaschine/Formnest mit Membran
2: Kammer innerhalb der Wirkeinheit
3: Baugruppe zur Schwingungserzeugung/elektromechanisch
4: Zentrierplatte
5: Zentrierstück
6: Druckplatte
7: Justierschraube
8: Kopfstück
9: Isolierplatte
10: Konverter
11: Booster
12: Sonotrode
13: Befestigungsring
14: Werkzeugeinsatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 152307 [0004]
DE 10052841 A1 [0005]
DE 19653316 A1 [0006]
CH 672092 A5 [0007]
DE 10153706 B4 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Schwingungsbeaufschlagung von Kunststoffformteilen, insbesondere von mittels Spritzgießen zu erzeugenden Präzisions- und Mikrowerkstücken, wobei das zu formende Material vor dem Füllvorgang und/oder während des Füllvorgangs und/oder nach dem Füllvorgang des Formraums zur Ausgestaltung der Formteile mit Schwingungen beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mit der Spritzgießmaschine adaptierbare Wirkeinheit aufweist, wobei innerhalb der Wirkeinheit eine Kammer (2) zur Aufnahme einer die Schwingungen bewirkenden Baugruppe (3; 10; 11; 12) ausgestaltet ist und wobei ein Endabschnitt dieser Baugruppe (3; 10; 11; 12) mit dem im Formraum (1) befindlichen und zu einem Formteil auszugestaltenden Kunststoff in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammer (2) ein quasistatisches Schwingsystem zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das quasistatische Schwingsystem einen elektromechanischen Schwingungserzeuger (3) aufweist, wobei dieser Schwingungserzeuger (3) innerhalb der Kammer (2) in mindestens zwei Zentrierplatten (4) abgestützt ist und an seinem dem Formraum (1) entgegengesetzt angeordneten Endabschnitt mit einem, in einer Druckplatte (6) abgestützten Zentrierstück (5) mit einer zugeordneten Justierschraube (7) sowie an seinem dem Formraum (1) zugeordneten Endabschnitt über ein Kopfstück (8) mit einem als Formnest mit Membran ausgestalteten Formraum (1) in Wirkverbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Schwingungserzeuger (3) als piezoelektrische Baugruppe ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammer (2) ein ultraschallbasiertes Schwingsystem zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ultraschallbasierte Schwingsystem einen Konverter (10) mit Booster (11) und Sonotrode (12) aufweist, wobei die Sonotrode (12) innerhalb der Kammer (2) in mindestens einem Befestigungsring (13) abgestützt ist und an ihrem dem Formraum (1) zugeordneten Endabschnitt über einen Werkzeugeinsatz (14) mit einem als Formnest ausgestalteten Formraum (1) in Wirkverbindung steht.