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Hintergrund
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mindestens eines zumindest teilweise lichtdurchlässigen Formkörpers, bei dem mindestens ein fließfähiges und selbstständig aushärtendes Material in mindestens eine Kavität eines Werkzeugs eingebracht und während des anschließenden Aushärtens unter Druck geformt wird, wobei der Druck, unter dem der Formkörper geformt wird, dadurch geregelt wird, dass mindestens ein Innendruck innerhalb des Werkzeugs gemessen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines zumindest teilweise lichtdurchlässigen Formkörpers, welche mindestens ein Werkzeug mit einer ersten Hälfte und einer zweiten Hälfte, mindestens eine Kavität zur Aufnahme mindestens eines fließfähigen und selbstständig aushärtenden Materials sowie mindestens eine Messeinrichtung zum Messen mindestens eines Innendrucks innerhalb des Werkzeugs umfasst, wobei die erste Hälfte mindestens eine bewegbare Einrichtung zum Formen des Materials umfasst, deren Bewegung in Richtung des Materials mittels eines gemessenen Innendrucks regelbar ist.
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Stand der Technik
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In vielen optischen Systemen wie unter anderem auch in Head-up-Display(HUD)-Systemen werden transparente Kunststoffflächen (sog. „Combiner“) verwendet, um die Informationen aus dem System für den Fahrzeugbediener anzuzeigen. Die Combiner werden als Freiformflächen in Spritzprägewerkzeugen auf Spritzgießmaschinen mit Prägefunktion gefertigt. Aktuelle Toleranzbereiche für die Form und Dicke der Flächen, die in der Serienfertigung eingehalten werden können, liegen bei 100 µm. Freiform-Flächengeometrien aus Kunststoff mit Toleranzbereichangaben unterhalb dieses Wertes können mit dem Standard-Spritzprägeverfahren weder serientauglich noch prozesssicher umgesetzt werden. Um trotzdem die hohen Anforderungen, wie zum Beispiel die Doppelbildreduzierung, an den Bauteilen realisieren zu können, müssen spezielle Beschichtungen aufgebracht werden. Diese erfordern aber zusätzliche Prozessschritte und einen größeren Zeit- und Kostenaufwand. Dabei steigt gleichzeitig auch das Risiko von Fehlerquellen.
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Aus der
WO 00/15407 A1 sind beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spritzprägen bekannt, bei denen der Prägedruck während des Aushärtens des zu formenden Materials durch die indirekte Bestimmung des Werkzeuginnendrucks geregelt wird. Dabei wird der Gewindeschraubtrieb der Platte, die den Prägedruck auf das Material ausübt, mittels eines Elektromotors druckabhängig in Richtung des Materials bewegt, um einen hohen Werkzeuginnendruck aufrecht zu erhalten und somit durch Schwindung hervorgerufene Abbildungsungenauigkeiten zu vermeiden. Allerdings wird der Werkzeuginnendruck zur Steuerung hier nicht direkt im Werkzeug gemessen, sondern lediglich indirekt über die Stromaufnahme des Elektromotors oder die Kraft des Gewindeschraubtriebs ermittelt. Die Steuerung erfolgt hier also nicht anhand von Parametern, welche die tatsächlichen Verhältnisse im Werkzeug oder unmittelbar am zu formenden Material repräsentieren.
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Aus der
WO 98/25751 A1 ist ferner ein Spritzprägeverfahren bekannt, bei dem der Nachdruck während der Abkühlphase des zu formenden Materials druckabhängig geregelt wird. Zu diesem Zweck wird u.a. der Werkzeuginnendruck mittels eines Drucksensors bestimmt, der den Druck misst, der auf dem Werkzeug lastet und der Zuhaltekraft der Schließeinheit des Werkzeugs entspricht. Die Steuerung des Prägedrucks erfolgt folglich bei diesem bekannten Verfahren ebenfalls nicht anhand von Parametern, welche die tatsächlichen Druckverhältnisse unmittelbar am Formling repräsentieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung mindestens eines zumindest teilweise lichtdurchlässigen Formkörpers bereitzustellen, welche die serientaugliche Fertigung von verzugs- und schwindungsfreien transparenten Formkörpern ohne innere Orientierungen und mit geringen Form- und Dickentoleranzbereichen ermöglichen, so dass die Formkörper ohne zusätzliche Beschichtungen die hohen Anforderungen für optische Systeme erfüllen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Innendruck direkt innerhalb mindestens einer Kavität des Werkzeugs gemessen wird. Mit dem druckgeregelten erfindungsgemäßen Verfahren, das vorzugsweise ein Spritzprägeverfahren ist, können verzugs- und schwindungsfreie Freiformflächen ohne innere Orientierungen, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, serientauglich und prozesssicher mit einem Form- und Dickentoleranzbereich kleiner 50 µm hergestellt werden. Dabei erfolgt die Messung des Innendrucks direkt in der Kavität des Werkzeugs, so dass die Steuerung des Drucks, unter dem der Formkörper geformt bzw. geprägt wird, anhand der Druckverhältnisse erfolgt, die tatsächlich unmittelbar im oder am zu formenden Material herrschen. Hierdurch kann der für ein optimales Ergebnis erforderliche Druck während der Herstellung der Formkörper wesentlich präziser als bei den bisher bekannten Verfahren eingestellt werden, so dass die Herstellung mit hoher Qualität und geringen Toleranzbereichen gewährleistet werden kann. Durch diese präzise Fertigung können die Formkörper darüber hinaus mit speziellen Winkeln zueinander so ausgelegt werden, dass spätere Beschichtungen, zum Beispiel zur Doppelbildreduzierung, weggelassen und somit zusätzliche Beschichtungsprozesse eingespart werden können. Hierdurch werden der Zeit- und Kostenaufwand sowie zusätzliche Fehlerquellen in der Serienfertigung signifikant reduziert.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Einbringen des Materials außerhalb der Mitte der Kavität erfolgt und/oder das Material vor dem Einbringen umgeleitet wird. Durch diese besonders vorteilhafte Maßnahme(n) kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch mit einem Einkavitäten-Spritzprägewerkzeug durchgeführt werden, da der Anguss außermittig ausgeführt wird und somit die zur Innendruck-Messung erforderlichen Sensoren beispielsweise auf dem Formkörperanguss, nicht sichtbaren Halterungen des Formkörpers und/oder dem Überlaufbereich positioniert werden können. Auf diese vorteilhafte Weise wird sichergestellt, dass die unweigerlich auftretenden Abdrücke der Drucksensoren sich nur auf später nicht sichtbaren Bereichen der hergestellten Formkörper befinden, während die sichtbaren bzw. für die optische Funktion notwendigen Bereiche der Formkörper makellos sind.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass der Innendruck zumindest im Bereich des Einbringens, im Bereich von angeformten Halterungen oder Ähnlichem und/oder im Bereich des Austritts aus der Kavität gemessen wird. Dabei ermöglicht die direkte Druckmessung innerhalb der Kavität des Werkzeugs, d. h. unmittelbar im zu formenden Material, eine präzise Regelung der Prägeantriebe in der Spritzgießmaschine, während die unweigerlich auftretenden Abdrücke der Drucksensoren sich ausschließlich auf später nicht sichtbaren Bereichen der hergestellten Formkörper befinden, so dass die sichtbaren bzw. für die optische Funktion notwendigen Bereiche der Formkörper unversehrt bleiben.
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In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Material zumindest in eine erste und eine zweite Kavität eingebracht wird, wobei das Material in beiden Kavitäten unter dem gleichen Druck geformt und der Innendruck nur in der zweiten Kavität gemessen wird. Diese alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass das zur Herstellung der Formkörper verwendet Werkzeug mindestens zwei Kavitäten aufweist, wobei beide Kavitäten symmetrisch gefüllt und das Material in beiden Kavitäten unter dem gleichen Druck geformt wird. Hierdurch wird die Schließeinheit des Werkzeugs gleichmäßig belastet und es herrschen in beiden Kavitäten die gleichen Druckverhältnisse. Somit kann in der ersten Kavität der Formkörper hergestellt werden, während die zweite Kavität ausschließlich dazu dient, den Innendruck im Werkzeug zu messen. Da in beiden Kavitäten die gleichen Bedingungen herrschen, kann durch die Innendruckmessung in der zweiten Kavität, der Prägedruck in der ersten Kavität optimal geregelt werden, ohne dass Drucksensoren in der ersten Kavität vorhanden sein müssen. In der zweiten Kavität, die man auch als „Dummykavität“ bezeichnen kann, können Messeinrichtungen, z. B. Drucksensoren, auch in der Funktionsfläche, d. h. mitten im Material, angeordnet sein, sodass die optimalen Signale an die Maschinenregelung weitergegeben werden können. Die in der ersten Kavität hergestellten Formkörper bleiben bei dieser Ausführungsform völlig unversehrt, da hier keine Messeinrichtungen erforderlich sind.
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Vorzugsweise wird dabei der Innendruck zumindest annähernd zentral innerhalb der zweiten Kavität gemessen, um eine optimale Regelung des erforderlichen Prägedrucks zu gewährleisten.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit mehr als zwei Kavitäten im Werkzeug durchgeführt werden, wobei in diesem Fall immer mindestens eine Kavität zur Innendruckmessung (d.h. als Dummykavität) genutzt wird, während die verbleibenden Kavitäten zur Herstellung der Formkörper verwendet werden können.
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Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die vorzugsweise zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens verwendet wird, und bei der die Messeinrichtung direkt innerhalb mindestens einer Kavität des Werkzeugs angeordnet ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die vorzugsweise ein Spritzprägewerkzeug umfasst, können verzugs- und schwindungsfreie Freiformflächen ohne innere Orientierungen, vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff, serientauglich und prozesssicher mit einem Form- und Dickentoleranzbereich kleiner 50 µm hergestellt werden. Dabei erfolgt die Messung des Innendrucks direkt in der Kavität des Werkzeugs, so dass die Steuerung des Drucks, unter dem der Formkörper geformt bzw. geprägt wird, anhand der Druckverhältnisse erfolgt, die tatsächlich unmittelbar im oder am zu formenden Material herrschen. Hierdurch kann der für ein optimales Ergebnis erforderliche Druck während der Herstellung der Formkörper wesentlich präziser als bei den bisher bekannten Vorrichtungen gesteuert werden, so dass die Herstellung mit hoher Qualität und geringen Toleranzbereichen gewährleistet werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass ein Eingangskanal zum Einbringen des Materials vorgesehen ist, welcher in einem Randbereich der Kavität und/oder seitlich von der bewegbaren Einrichtung angeordnet ist. Bei einer solchen Konstruktionsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Kavität auskommen, da der Eingangskanal (Anguss) außermittig angeordnet ist und somit die zur Innendruck-Messung erforderlichen Messeinrichtungen beispielsweise auf dem Formkörperanguss, nicht sichtbaren Halterungen des Formkörpers und/oder dem Überlaufbereich positioniert werden können. Auf diese vorteilhafte Weise wird sichergestellt, dass die unweigerlich auftretenden Abdrücke der Messeinrichtungen sich nur auf später nicht sichtbaren Bereichen der hergestellten Formkörper befinden, während die sichtbaren bzw. für die optische Funktion notwendigen Bereiche der Formkörper makellos bleiben.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung / die Messeinrichtungen in einem Randbereich der Kavität und/oder seitlich von der bewegbaren Einrichtung angeordnet ist / sind. Dabei ermöglichen die in dieser Weise in dem Werkzeug positionierten Messeinrichtungen, bei denen es sich beispielsweise um Drucksensoren handeln kann, eine genaue Regelung der Prägeantriebe in der Vorrichtung mittels direkter Druckmessung unmittelbar in der Kavität, d. h. direkt an dem zu formenden Material.
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In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass zumindest eine erste und eine zweite Kavität vorgesehen sind, wobei nur in der zweiten Kavität mindestens eine Messeinrichtung angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann in der ersten Kavität der Formkörper hergestellt werden, während die zweite Kavität ausschließlich dazu dient, den Innendruck im Werkzeug zu messen. Da in beiden Kavitäten die gleichen Bedingungen herrschen, kann durch die Innendruckmessung in der zweiten Kavität, der Prägedruck in der ersten Kavität optimal geregelt werden, ohne dass Messeinrichtungen in der ersten Kavität vorhanden sein müssen. In der zweiten Kavität, die man auch als „Dummykavität“ bezeichnen kann, können Messeinrichtungen, z. B. Drucksensoren, auch in der Funktionsfläche, d. h. zentral in der zweiten Kavität, angeordnet sein, sodass die optimalen Signale an die Maschinenregelung weitergegeben werden können. Die in der ersten Kavität hergestellten Formkörper bleiben bei dieser Ausführungsform völlig unversehrt, da hier keine Messeinrichtungen angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist dabei die Messeinrichtung zumindest annähernd zentral in der zweiten Kavität angeordnet.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehr als zwei Kavitäten aufweisen, wobei in diesem Fall immer mindestens eine Kavität mit mindestens einer Messeinrichtung zur Innendruckmessung ausgestattet sein muss, während die verbleibenden Kavitäten keine Messeinrichtungen aufweisen und somit zur makellosen Herstellung der Formkörper verwendet werden können.
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Die Erfindung wird im Weiteren anhand der folgenden Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Kavitäten vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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2 eine schematische Darstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Kavität, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Fertigung der Formkörper, beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff, kann beispielsweise mit einer Spritzgießmaschine mit Prägefunktion und einem Zwei- oder Ein-Kavitäten-Spritzprägewerkzeug durchgeführt werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ein Werkzeug 2 mit zwei Kavitäten 3, 4 umfasst. Die erste Kavität 3 dient der Herstellung der Formkörper, während die zweite Kavität 4 eine „Dummyfunktion“ hat und nicht für die Herstellung der Formkörper ausgelegt ist. Zum Beispiel kann die Kavitätsoberfläche der zweiten Kavität 4 eine weniger aufwendige Politur im Vergleich zur ersten Kavität 3 aufweisen. Die zweite Kavität 4 hat die Aufgabe, die Kräfte in der ersten Hälfte 5 („Schließseite“) des Werkzeugs 2 auszugleichen und spezielle Messeinrichtungen (z.B. Forminnendrucksensoren, die für den Druckbereich von 0 bis 1000 bar ausgelegt sind) aufzunehmen. Als Messeinrichtungen sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Drucksensoren 7, 8, 9 vorgesehen, die jeweils in der zweiten Hälfte 6 („Auswerferseite“) des Werkzeugs 2 angeordnet sind. Die Drucksensoren 7, 8, 9, insbesondere der mittig angeordnete Drucksensor 8, messen den Innendruck in der Kavität 4, der von der bewegbaren Einrichtung in der ersten Hälfte 5 des Werkzeugs 2 auf das zu formende Material ausgeübt wird. Die bewegbare Einrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Prägeblock 10, der beide Kavitäten 3, 4 abdeckt. Vorzugsweise ist, wie in der hier dargestellten Ausführungsform gezeigt, ein Drucksensor 7 im Anschnittbereich in der Nähe des Eingangskanals 11, ein zweiter Drucksensor 8 im Zentrum bzw. in der Mitte der zweiten Kavität 4 und ein dritter Drucksensor 9 im Überlaufbereich 12 am Rand der Kavität 4 bzw. am Fließwegende (Austritt aus der Kavität) angeordnet. Da die Sensoren bei der Abformung Abdrücke auf der Oberfläche der Formkörper hinterlassen, ist der Formkörper aus der zweiten Kavität 4 nicht für die Optikanwendung geeignet. Da die erste Kavität 3 keine Sensoren aufweist, weist der Formkörper aus der ersten Kavität 3 keine Abdrücke auf und ist daher für die Optikanwendung geeignet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 20, vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die ein Werkzeug 21 umfasst, das eine erste Hälfte 22 („Schließseite“) und eine zweite Hälfte 23 („Auswerferseite“) aufweist. Die Vorrichtung 20 kommt mit einer Kavität 24 aus, da der Eingangskanal 25 („Anguss“) zum Einbringen des zu formenden Materials außermittig, d. h. in einem Randbereich der Kavität 24, angeordnet ist. Der Eingangskanal 25 ist außerhalb der Mitte der Kavität 24 angeordnet oder wird mit einem Heißkanalsystem umgeleitet, damit die Schließseite gleichmäßig belastet und somit eine verlässliche Innendruckmessung ermöglicht wird. Als Messeinrichtungen sind in diesem Ausführungsbeispiel drei Drucksensoren 26, 27, 28 vorgesehen, die jeweils in der zweiten Hälfte 23 des Werkzeugs 21 angeordnet sind. Die Drucksensoren 26, 27, 28, insbesondere der mittlere Drucksensor 27, messen den Innendruck in der Kavität 24, der von der bewegbaren Einrichtung in der ersten Hälfte 22 des Werkzeugs 21 auf das zu formende Material ausgeübt wird. Die bewegbare Einrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Prägestempel 29, der derart ausgebildet ist, dass der Bereich, in dem der mittlere Drucksensor 27 angeordnet ist, mitgeprägt wird. Vorzugsweise ist, wie in der hier dargestellten Ausführungsform gezeigt, ein Drucksensor 26 im Anschnittbereich in der Nähe des Eingangskanals 25, ein zweiter Drucksensor 27 im Halterungsbereich des fertigen Formkörpers und ein dritter Drucksensor 28 im Überlaufbereich 30 am Rand der Kavität 24 bzw. am Fließwegende (Austritt aus der Kavität) angeordnet. Der Halterungsbereich ist ein Bereich des fertigen Formkörpers, der später in der Anwendung eingespannt wird, so dass der Abdruck des Drucksensors 27 im Endprodukt nicht zu sehen ist. Die Drucksensoren 26, 27, 28 sind also derart angeordnet, dass ihre Abdrücke auf dem Formkörper nicht auf der sichtbaren, d. h. optisch relevanten, Fläche liegen.
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Die Kunststoffe, die für einen transparenten Formkörper verwendet werden können, sind zum Beispiel PC (Polycarbonat), COC (Cyclo-Olefin-Copolymer), COP (Cyclo-Olefin-Polymer) oder PMMA (Polymethylmethacrylat). Bei der Fertigung der Formkörper wird der verwendete Kunststoff mit geringem Druck (je nach Kunststoff und Bauteilgeometrie bis zu 500bar) über die Eingangskanäle 11 bzw. 25 in die Kavitäten 3, 4 oder 24 der Werkzeuge 2 (1) oder 21 (2) eingespritzt. Die Drucksensoren 7 bzw. 26 nehmen jeweils den Einspritzdruck auf und sendet die Druckinformationen an die Antriebsregelung des jeweiligen Spritzaggregats. Anschließend werden die Kavitäten 3, 4 oder 24 bis zu 90% mit Kunststoff gefüllt. Wenn der Prägehub mit der Schließbewegung der Spritzgießmaschine, d. h. der Bewegung der bewegbaren Einrichtungen (Prägeblock 10 und Prägestempel 29) in Richtung des zu formenden Materials, durchgeführt wird, senden die Drucksensoren 8 bzw. 27 im Zentrum oder im Halterungsbereich des jeweiligen Werkzeugs 2, 21 die Informationen der Höhe des Innendrucks an die Schließkraftregelung der Spritzgießmaschine. Wenn der Prägehub mit einer Plattenbewegung im Spritzgießwerkzeug durchgeführt wird, werden die Druckinformationen an die Kernzugregelung der Spritzgießmaschine gesendet. Mit den Informationen kann ein konstanter und reproduzierbarer Prägehub eingestellt werden. Die Drucksensoren 9 bzw. 28 nehmen den Druck im Überlaufbereich 12 bzw. 30 auf, senden die Informationen vom Randbereich und lösen ab einer bestimmten Druckschwelle das Ende des Prägevorgangs aus. Diese Information kann bei beiden Spritzprägewerkzeugen auch ein induktiver Prägespaltsensor übernehmen, der sehr genau den Prägespalt überwacht. Mit dieser präzisen Überwachung und Regelung können die Formkörper sehr reproduzierbar, prozesssicher und mit geringen Toleranzbereichen gefertigt werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 1 werden parallel mit dem Ende des Prägehubs der Anschnitt sowie der Überlauf vom Formkörper abgestanzt. Somit müssen diese Bereiche nach der Entnahme des Formkörpers nicht spanend abgetrennt werden, was ebenfalls eine Belastung für das Bauteil und eine Fehlerquelle für die Serienfertigung darstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können für eine Vielzahl von Kunststoff-Formkörpern und in vielen Variationsmöglichkeiten eingesetzt werden. In optischen Systemen, wie zum Beispiel in Head-up-Display-Systemen, die hohe optische Anforderungen haben, bieten so gefertigte Formkörper eine Reihe von Möglichkeiten bestimmte Effekte zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 00/15407 A1 [0003]
- WO 98/25751 A1 [0004]
