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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Spritzgiessen von Mikro-Formteilen mit einer Spritzgiessmaschine gemäß den Oberbegriffen von Anspruch 1 bzw. Anspruch 5.
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Bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist das Spritzgießen von Mikrobauteilen, insbesondere das Mikrospritzgießen und kann prinzipiell anhand der Vorgänge bei der Herstellung von Makroteilen erklärt werden. Die Unterschiede liegen vor allem in der Dimension der Bauteile, die im μm-Bereich zwischen 0,1 μm und 800 μm liegen und dementsprechend wesentlich kleinere Schussgewichte weit unter einem Gramm haben, bevorzugt zwischen 0,0015 g und 0,1 g (s. a. Heneka et al.: LIGA-MOLD INSERTS FOR INDUSTRIAL USE, ICOMM 2012 No. 27). In diesen Größenordnungen entspricht das Anguss- und Bauteilvolumen nur einem Bruchteil des gesamten Werkzeugvolumens. Häufig ist daher eine aufwendige Temperierung notwendig, um ein verfrühtes Erstarren des Werkstoffs, durch die Wärmeabfuhr der Werkzeugwand zu verhindern.
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Das serientaugliche Spritzgießen findet ausreichend bekannt Anwendung bei der Fertigung komplexer Geometrien mit einer Vielzahl von Werkstoffen. Das Spritzgießen zeichnet sich durch die geringe erforderliche Nacharbeit, seine hohe Reproduzierbarkeit und seinen vollautomatischen Ablauf aus. Insbesondere durch kurze Zykluszeiten wird eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht. Verschiedene Werkstoffe wie Kunststoffe, niedrigschmelzende Metalle, Keramiken oder auch sogenannte Feedstocks sind spritzgiessbar.
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Das Thermoplastspritzgießen (TIM) hat sich im Bereich der Fertigung von Mikrobauteilen bereits industriell etabliert (s. a. Michaeli, W.: „Einführung in die Kunststoffverarbeitung”, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1992). Es werden bevorzugt niedrigviskose Thermoplaste in temperierten Spritzaggregaten als Formmasse mittels einer Schnecke oder Zylinder dosiert. Je Abformzyklus erfolgt die Einspritzung der aufbereiteten Formmasse in ein Spritzgießwerkzeug. Die aufbereiteten Formmasse dringt in die Kavität und füllt diese komplett aus. Die Formmasse beginnt im gekühlten Werkzeug zu erstarren. Nach der Kompressionsphase wird vom Plastifizieraggregat über den Anguss der Nachdruck auf die noch plastischen Bereiche in der Kavität aufgebracht, um die volumetrische Schwindung beim Erstarren auszugleichen.
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Um eine hohe Oberflächenqualität, wie zum Beispiel für optische Bauelemente unumgänglich, zu erhalten, sind Angussüberstände oder Angussvertiefungen auf dem Mikro-Formteilen uneingeschränkt zu vermeiden. Allgemein besteht die Gefahr, beim Spritzgießen, dass die Formmasse noch vor Beendigung des Füllvorgangs an bestimmten Stellen, wie zum Beispiel engen Querschnitten oder dünnwandigen Strukturen, erstarrt. Dadurch werden die Bauteile nur teilweise gefüllt oder mit schlechter Oberflächenqualität abgeformt. Abhilfe schafft hier die „variotherme Prozessführung”, bei der das Werkzeug vor dem Einspritzen, speziell im Bereich des Anguss und der Kavität, auf Temperaturen zwischen Glasübergangs- und Schmelztemperatur des einzuspritzenden Materials erhitzt wird. Nach vollständiger Füllung der Kavität muss das Werkzeug wieder auf Erstarrungstemperatur abgekühlt werden um das Bauteil zu entnehmen. Zu diesem Zweck sind in jeder Werkzeugplatte jeweils zwei Temperierkanäle integriert, durch die Wasser zirkuliert. In die Angussplatte sowie die Mikro-Form wurden Heizpatronen mit einem typischen Durchmesser von 1 mm bis 4,5 mm eingesetzt. Es wurde darauf geachtet, dass die Temperiervorrichtungen möglichst nahe an der Kavität liegen. Somit ist gewährleistet, dass die kritischen Bereiche schneller aufgeheizt und später wieder abgekühlt werden. Dadurch sollen kurze Zykluszeiten ermöglicht werden.
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Aus der
DE 197 17 302 A1 ist bekannt, die Kavität mit einer Vakuumpumpe zulüften, um spätere Lufteinschlüsse und damit ein Auftreten des Dieseleffekts zu verhindern. Ebenso wird, die „variotherme Prozessführung” in Kombination der Evakuierung der Kavität angewandt. Diese thermisch geregelte Prozessführung ist hinreichend bekannt, und definiert sich dadurch dass, das Spritzgiesswerkzeug vor dem Einspritzen, speziell im Bereich des Anguss und der Kavität, zum Beispiel über geschickt angebrachte Temperierbohrungen, mit Hilfe einer Flüssigkeit auf Temperaturen zwischen Glasübergangs- und Schmelztemperatur des einzuspritzenden Materials erhitzt wird. Die Maschine überwacht diesen Aufheizvorgang über Temperaturfühler, wobei der Einspritzvorgang nach Erreichen der benötigten Temperatur startet. Somit wird das frühzeitige Erstarren bis zur vollständigen Füllung der Kavität verhindert, sie führt aber zu einem wirtschaftlich nachteiligen Anstieg der Zykluszeit im Vergleich zum herkömmlichen Spritzgießprozess.
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Üblicherweise wird der Anguss durch Abreißen oder durch Abschneiden vom Bauteil entfernt, hierzu ist auch bereits aus der Auslegeschrift
DE 10 14 316A eine Vorrichtung bekannt die das Formteil von dem Anguss durch Abreißen trennt. Aber gerade bei dünnen, flächigen Formteilen, bei denen teilweise besonders große Anspritzpunkte erforderlich sind, kann es beim Trennen von Formteil und Anguss zu einem Einreißen der Fläche des Formteils kommen, wodurch das Formteil irreparabel verloren ist. Auch soweit dieser schlimmste Fall nicht eintritt, stellt es doch zumindest einen zusätzlichen Arbeitsschritt mit Beschädigungsrisiko dar, den Angussüberstand nach einer Trennung des Angusses von dem Formteil zu entfernen. Durch immer kleiner werdende Bauteile steigen die Herausforderungen an die Werkzeugtechnik. Es ist häufig, wie auch in der vorliegenden Aufgabenstellung, nicht mehr möglich, diese Mikro-Formteile einzeln über makroskopisch übliche Verfahren aus ihrem Mikro-Formeinsatz zu lösen, ohne dabei die Oberflächenqualität zu beeinträchtigen. Bisher wurden Mikro-Formteile auf einer Substratplatte u. a. mittels Spritzgiessen abgeformt und danach über z. B. Fräsen oder Hobeln (fixieren der Bauteile mittels Einfrieren in eine Flüssigkeit) vereinzelt bzw. vom Anguss abgetrennt.
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Auch solche Verfahren sind bereits seit längerem bekannt, wobei zur Vermeidung von sichtbaren Angussüberständen oder Angussvertiefungen die Anspritzrichtung so gewählt wird, dass diese vorzugsweise auf der Formteilinnenseite entstehen und beim Öffnen der Form oder beim Ausstoßen des Teils aus der Kavität vom Anguss abgetrennt werden. Man spricht dabei von einer Unterfluranspritzung, bei der die Sichtseite des Formteils gegen die Formschale anliegt und von der Gegenseite her angespritzt wird. Es wird damit allerdings lediglich die Sichtbarkeit der entstehenden Angussüberstände und Angussvertiefungen vermieden, jedoch letzten Endes nicht deren tatsächliches Entstehen.
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Ein Abdrehendes Anguss ist bereits für Spritzgiessbauteile aus der
DE 10 2006 054 458 B3 bekannt und wird hier als nächstliegender Stand der Technik für die Abdrehfunktion bezeichnet, jedoch wird hierbei die Verteilerdüse gedreht und das auch vor dem Öffnen des Werkzeugs. Nachteilig hierbei ist aber, dass das Bauteil nach dem Abscheren im erstarrten Zustand vollständig in der Form verbleibt und anschliessend mittels Auswerferstiften aus der Form gedrückt werden muss. Im Fall der sehr kleinen Mikro-Formeinsätze (Strukturen im μm Bereich) ist das Anbringen von Auswerferbohrungen in Mikro-Formeinsätze nicht möglich und würden die Mikro-Formeinsätze beschädigen und damit unbrauchbar machen. Des Weiteren nachteilig hierbei ist, dass durch das Abreißen eine hohe Belastung oder Beschädigung am Bauteil entstehen kann.
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Mit der der
DE 10 2009 003 645 A1 wird eine Abdrehfunktion offenbart, jedoch ohne das, dass spritzgegossenen Bauteil zuvor Teilentformt wurde. Nachteilig hierbei ist, dass ohne den Schritt der Teilentformumg ist Aufgrund des entstandene Unterdrucks während des Spietzgiesvorgangs und der hohenen Adhäsionskräfte, das Spritzgiessbauteil nicht mehr entformbar.
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Aus der
DE 101 27 566 C1 ist eine Spritzgießform zur Herstellung von Kugellagerringen mit Laufrillen bekannt. Mindestens ein Formsegment (
9) weist auf dem Ringsteg einen Nokken (
25) zur Endformung der Laufrille (
2) auf, und der Halter (
11) und die Formsegmente (
8,
9) sind drehbar ausgebildet. Hier weist jedoch nicht die die Drehachse (
11) eines Mikro-Formteils (
2) orthogonal auf die zugehörige Angussfläche (
10) welche zentrisch zum zugehörigen Angusskanal (
12) angeordnet ist.
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Aus der
EP 0 205 152 A2 und der
DE 24 14 741 A1 ist bekannt, zur Entnahme eines spritzgegossenen Bauteils aus einem Spritzgiesswerkzeug einen Greifer vorzusehen, der in das geöffnete Spritzgiesswerkzeug ein- und ausschwenkbar ist und der mit Gummisaugern zur Entnahme der spritzgegossenen Bauteile ausgestattet ist.
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Der Greifer wird an das spritzgegossene Bauteil herangefahren, so dass die Gummisauger in Kontakt mit dem spritzgegossenen Bauteil kommen und es wird ein Unterdruck in den Gummisaugern erzeugt, so dass das Bauteil an den Gummisaugern haften bleibt. Nachteilig hierbei ist, dass die bisher verwendeten Greifer mit Gummisaugern jedoch nicht in der Lage sind, ein Mikrobauteil aus dem Spritzgiesswerkzeug zu entnehmen und herauszuführen. Dies liegt im Wesentlichen daran, dass die erforderlichen Entformungskräfte die sich aus der Losbrechkraft und Ausschubkraft zusammensetzen von den bisher verwendeten Greifer mit Gummisaugern nicht aufgebracht werden können. Die Losbrechkraft muss bei allen Mikro-Formeinsätzen mit Kern aufgebracht werden und entsteht durch das Aufschwinden des Formteils z. B. auf den Kern, aber auch bei dünnen und schlanken Rippen mit geringer Konizität. Es sind die größten vorhandenen Kräfte und müssen daher mindestens zum Ausformen des Bauteils aufgebracht werden.
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Die Ausschubkräfte treten auf, wenn das Formteil sich noch im Reibkontakt mit dem Kern oder einer Formwand befindet. Zusätzlich muss der durch das Vakuum entstandene Unterdruck in dem Mikro-Formeinsatz durch den Unterdruckgreifer überwunden werden. Dies ist aber bei herkömmlichen Gummisaugern, der durch seine Auflagefläche und der Geometrie des Mikro-Formteils beschränkt ist, nicht zuverlässig durchführbar.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikro-Formteilen unter Vermeidung von Angussüberständen oder Angussvertiefungen beim Spritzgiessen zu schaffen, welche eine saubere Trennung von Anguss und Mikro-Formteil ermöglicht und insbesondere nacharbeitsfrei eine möglichst ebene Topografie zurück bleibt. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von Mikro-Formteilen mittels Spritzgiessen gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung gemäß des Anspruchs 5.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Die Erfindung umfasst ein mindestens dreiteiliges Spritzgiesswerkzeug, welches zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet ist. Das Spritzgiesswerkzeug umfasst mindestens eine Formeinsatz-Trägerplatte, mindestens eine Angussplatte und mindestens eine Düsenplatte wobei mindestens ein Mikro-Formeinsatz einzeln und/oder individuell in der Formeinsatz-Trägerplatte mittels Ankopplung an eine Antriebseinrichtung und/oder einem Getriebe über eine Lagereinrichtung drehbar ist. Das Spritzgiesswerkzeug ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Option besteht, die Mikro-Formeinsätze (teilweise mit unterschiedlichen Kavitätsgeometrien) ohne aufwendige Umbauarbeiten zu wechseln. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit und Flexibilität des Systems erhöht.
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Eine weitere Option der Erfindung besteht darin, das durch die im Anspruch 1 beschriebenen Verfahrensschritte ein Mikro-Formteil mittels eines Adhäsionsgreifers, bevorzugt eines Vakuumgreifers mit Gummisaugern, aus einem drehbaren, vorzugsweise zylindrischen, Mikro-Formeinsatz zu entnehmen und zu vereinzeln. Dabei werden die Losbrechkraft, die Ausschubkraft sowie der, durch das Vakuum, entstandene Unterdruck, durch das erste Auseinanderfahren der Formeinsatz-Trägerplatte überwunden und das Mikro-Formteil noch am Anguss hängend, teilweise, aus dem Mikro-Formeinsatz gezogen.
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Teilweise bedeutet hier dass die erste Öffnung des Spritzgusswerkzeugs mit dem das Mikro-Formteil am Anguss hängend herausgezogen wird, kleiner als die Bauteilhöhe h ist. Dabei wird die Formeinsatz-Trägerplatte von der Angussplatte um 20% bis 70%, bevorzugt um 50% der Bauteilhöhe h des Mikro-Formteils auseinandergefahren bzw. geöffnet, dabei werden die Losbrechkraft, und die Ausschubkraft überwunden. Hierdurch wird auch die Möglichkeit geschaffen das Luft in das Mikro-Formnest einfließen kann und das noch vorhandene Vakuum auflöst. Um noch ein ausreichende Torsionsmoment zum Abdrehen des Mikro-Formteils zu gewährleisten wird die erste Öffnung soweit eingeschränkt, dass ein ausreichender Reibschluss in Umfangsrichtung bzw. Formschluss vorhanden ist. Diese Einstellungen der Spritzgiessmaschine werden in der Vorarbeit zu Einrichtung des Werkzeugs berechnet/simuliert bzw. iterativ ermittelt. Somit kann das Verfahren sehr kostengünstig weil nacharbeitsfrei durchgeführt werden. Zudem werden die Mikrobauteile anschließend systematisch vereinzelt. Dabei wird die hohe Oberflächenqualität der Mikro-Formteile für mechanische Mikrobauteile erhalten.
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Das Abtrennen bzw. Abdrehen des Mikro-Formteils vom Anguss, wird bevorzugt, in der um die zentrisch zum Anguss liegende Angussdrehachse, durchgeführt.
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Die zur Drehung des Mikro-Formeinsatz erforderliche Kraft wird in bevorzugter Ausgestaltung von einem Elektromotor oder einem Hydraulikzylinder oder einem Pneumatikzylinder geliefert und direkt oder mittels einem Getriebe oder einer Zahnstange oder eines Drehgelenks auf den Mikro-Formeinsatz und somit auf das Mikro-Formteil übertragen. Durch ein weiteres Auseinanderfahren (Öffnen) der Formeinsatz-Trägerplatte und der Angussplatte wird ausreichend Raum geschaffen um mit einer Entnahmevorrichtung, mit Sauggummigreiffern mindestens ein Mikro-Formteil aus mindestens einem Mikro-Formeinsatz zu entnehmen. Die Formeinsatz-Trägerplatte ist im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform als Revolverplatte ausgeführt, damit der Spritzgiessprozess zeitgleich zur Vereinzelung der Mikroformteile durchführbar ist. Durch das Vereinzeln der Mikro-Formteile mittels Abdrehen vom Anguss wird eine wesentlich bessere Trennflächenqualität/Oberflächenqualität (mittlere Rauheit nach DIN 4760, vorzugsweise Ra < 10 nm für ein ungefülltes Thermoplast) an der Anspritzfläche erzeugt als durch Abreißen, Abschneiden, Fräsen oder Hobeln. Des Weiteren verhindert eine gleichmäßige Abdrehbewegung eine zu hohe Belastung oder Beschädigung am Bauteil.
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Die Erfindung, insbesondere das Sprizgiesswerkzeug sowie das Verfahren für die Herstellung von Mikro-Formteilen wird im Folgenden anhand vom Ausführungsbeispielen mit den folgenden Figuren näher beschrieben. Es ist beispielhaft und damit allgemein und nicht auf die Ausführungsformen einschränkend zu betrachten. Es zeigen:
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1 einen Schnitt von oben durch das schematisch dargestellte zusammengefahrene (geschlossene) Spritzgiesswerkzeug
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2 einen Schnitt von oben durch das schematisch dargestellte Spritzgiesswerkzeug mit Details
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3a einen Schnitt von oben durch das schematisch dargestellte Spritzgiesswerkzeug bei teilentformten Mikro-Formteil
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3b eine Vergrösserte Ansicht des Spritzgiesswerkzeugs gemäß 3a sowie
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4 einen Schnitt von oben durch das vollständig geöffnete schematisch dargestellte Spritzgiesswerkzeug bei teilentformten Mikro-Formteil und ausgeworfenem Anguss
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Mit 1 ist das Spritzgiesswerkzeug im Ganzen bezeichnet, welches im Schnitt gemäß 1 von oben und im zusammengefahrenen (geschlossenen) Zustand schematisch dargestellt ist. Die konstruktiven Details sind aus 2 bis 4 ersichtlich. Das Spritzgiesswerkzeug 1 ist hier dreiteilig ausgeführt, wie auch in 2 dargestellt und umfasst eine Formeinsatz-Trägerplatte 5, eine Angussplatte 6 und eine Düsenplatte 7, in der Formeinsatz-Trägerplatte 5 ist ein Mikro-Formeinsatz 4 eingesetzt, welcher in der Formeinsatz-Trägerplatte 5 drehbar ist. Die Düsenplatte 7 besteht aus einer Stahlplatte, die auf der Einspritzseite der Spritzgiessmaschine verschraubt wird. Die Düsenplatten 7 ist im Ausführungsbeispiel die einzige nicht bewegliche Platte des Spritzgiesswerkzeugs 1. Die Kavität 3 des Spritzgiesswerkzeugs 1 erstreckt sich über die Formeinsatz-Trägerplatte 5, die Angussplatte 6 und die Düsenplatte 7, wobei der volumetrisch kleinste Teil, das Mikro-Formnest 15, durch das Mikro-Formteil 2 im Mikro-Formeinsatz 4, zur Aufnahme der Formmasse vorbehalten ist. Im Bereich der Düsenplatte 7 und der Angussplatte 6 wird die Kavität durch den Anguss 14 gefüllt. Der Angusskanal 12 endet mit der Angussplatte 6 an der Kontaktfläche zur Formeinsatz-Trägerplatte 5. Der Austritt des Angusskanals 12 zum Mikro-Formteil 2 bildet dementsprechend die Angussfläche 10.
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Um eine Evakuierung des Spritzgiesswerkzeugs 1 zu ermöglichen, müssen die einzelnen Platten gegeneinander abgedichtet sein. Dies erreicht man im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispiels mit einer handelsüblichen O-Ringdichtung zwischen jeder Platte.
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In der 3a wie in der 3b in vergrößerter Ansicht, wird das Spritzgiesswerkzeug 1 bei teilentformtem Mikro-Formteil 2 dargestellt. Dabei werden die Losbrechkraft, die Ausschubkraft sowie der durch das Vakuum entstandene Unterdruck, durch das erste Auseinanderfahren einer Strecke s der Formeinsatz-Trägerplatte 4 und der Angussplatte 6 überwunden und das Mikro-Formteil 2 noch am Anguss 14 hängend, teilweise, aus dem Mikro-Formeinsatz 4 gezogen. Anschließend wird durch die Antriebsvorrichtung 9 eine Drehbewegung ausgeführt welche durch das Getriebe 8 auf die als Drehmittel ausgeführte Mikro-Formeinsätze 4 und somit auf die Mikro-Formteile 2 übertragen werden. Durch das daraus resultierende Torsionsmoment wird das Mikro-Formteil 2 am Anguss 14 abgedreht. Dabei dreht sich der Mikro-Formeinsatz 2 stets um die Angussdrehachse 11 welche orthogonal auf die zugehörige Angussfläche 10 weist und zentrisch zum Anguss 14 ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird jeder Mikro-Formeinsatz 2 um 360° bis in die Ausgangslage gedreht.
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4 zeigt das Spritzgiesswerkzeug 1 in vollständig auseinandergefahrenen Zustand zwischen der Formeinsatz-Trägerplatte 5 und der Angussplatte 6 entsteht ein Zwischenraum, der eine Entnahme der Mikro-Formteile 2 durch einen nicht weiter dargestellten Greifer ermöglicht.
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Des Weiteren wird durch das Auseinanderfahren der Angussplatte und der Düsenplatte der Anguss freigelegt, so dass dieser ebenfalls entnommen oder ausgeworfen werden kann. Nach erneutem Schließen des Spritzgiesswerkzeugs kann der nächste Spritzgießzyklus eingeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgiesswerkzeug
- 2
- Mikro-Formteil
- 3
- Kavität
- 4
- Mikro-Formeinsatz
- 5
- Formeinsatz-Trägerplatte
- 6
- Angussplatte
- 7
- Düsenplatte
- 8
- Getriebe
- 9
- Antriebseinrichtung
- 10
- Angussfläche
- 11
- Drehachse
- 12
- Angusskanal
- 13
- Einspritzdüse
- 14
- Anguss
- 15
- Mikro-Formnest
