DE202016105316U1

DE202016105316U1 - Einsatz aus zwei Teilen, der Texturmuster umfasst, zum Formen von Teilen aus Polymerwerkstoff

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Publication number: DE202016105316U1
Application number: DE202016105316.1U
Authority: DE
Original assignee: Silsef Sas
Current assignee: Silsef Sas
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2026-09-24

Abstract

Einsatz (6) für Spritzgussform, der zum Herstellen von Teilen aus Polymerwerkstoff bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: – einen ersten Teil (9), der aus einem wärmehärtbaren Harz hergestellt ist, wobei der erste Teil eine Formoberfläche (20) umfasst, die mindestens ein Texturierungsmuster (7) umfasst, – einen zweiten Teil (2), der aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist, wobei der zweite Teil (2) des Einsatzes (6) mindestens eine Oberfläche umfasst, die mit dem ersten Teil (9) des Einsatzes (6) in Berührung ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Formeinsätze und Formen, die für Spritzgussverfahren von Teilen aus Polymerwerkstoff bestimmt sind, wie zum Beispiel Thermoplastpolymere und wärmehärtbarem Polymere, die eine strukturierte, vorzugsweise nanostrukturierte Oberfläche aufweisen, sowie ihr Herstellungsverfahren.
Diese Formeinsätze und Formen umfassen eine strukturierte Oberfläche (oder, mit anderen Worten, ein Texturierungsmuster), die vorzugsweise nanostrukturiert ist, das das Negativ der strukturierten Oberfläche des Teils, das durch Injektion erzielt wird, ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man unter „nanostrukturierter Oberfläche”, auch unter der angelsächsischen Bezeichnung „nano-patterned surface” bekannt, eine Oberfläche, die mindestens ein Muster aufweist, das durch Reliefzonen und Vertiefungszonen definiert ist, und dessen Maße dieser Zonen (Breite, Höhe, Schritt) in der nanometrischen Größenordnung liegen, zum Beispiel bis zu einigen Hundert Nanometer.
Auf ähnliche Art bedeutet eine mikrostrukturierte Oberfläche, dass die Oberfläche mindestens ein Muster aufweist, das durch Reliefzonen und Vertiefungszonen definiert ist, und dessen Maße dieser Zonen (Breite, Höhe, Schritt) in der mikrometrischen Größenordnung liegen, zum Beispiel bis zu einigen Hundert Mikrometer.
Die Polymerwerkstoffe werden weitgehend verwendet, um Verbrauchsgüter in sehr unterschiedlichen Bereichen herzustellen, wie zum Beispiel die der Verpackung, des Automobils oder auch der medizinischen Vorrichtungen.
Der Gebrauch von Polymerwerkstoffen bei der Herstellung dieser Verbrauchsgüter weist nämlich die Vorteile auf, sehr großen Mengen zu niedrigen Kosten gemäß herkömmlichen Verfahren der Kunststofftechnik herstellen zu können. Eines dieser Verfahren besteht im Spritzgießen, in dessen Verlauf man das Schmelzen des Polymerwerkstoffs in einer Form umsetzt.
In den vergangenen Jahren war man auch bestrebt, Texturierungsmuster in mikrometrischem Maßstab, ja sogar in nanometrischem Maßstab an der Oberfläche dieser Objekte, die aus Polymerwerkstoff hergestellt werden, einzuarbeiten. Die Bedeutung dieser Texturierung besteht darin, die Oberfläche der Objekte zu funktionalisieren, insbesondere um optische Effekte zu erhalten, wie zum Beispiel die Diffusion, Reflexionsfreiheit, Brechung oder tribologische Wirkungen, wie zum Beispiel Schutz vor Fingerspuren, Schutz vor Haften oder auch Änderung der Oberflächenspannung.
Es existieren Technologien, die es erlauben, die Oberflächen von Teilen aus Polymerwerkstoff mit Texturierungsmustern zu bereichern, und zwar ohne die Herstellungskosten dieser Teile signifikant zu erhöhen. Man kann zum Beispiel eine Gravur des Formwerkzeugs ausführen. Das verursacht zwar Mehrkosten des Formwerkzeugs, wird aber auf großen Produktionsserien dieser Teile getilgt.
Genauer genommen, wenn die Form eine Metallform ist, insbesondere aus Stahl, kennt man mehrere Technologien, die es erlauben, unterschiedliche Feinheitsgrade der Texturierungsmuster zu erhalten, unter welchen man folgende zitieren kann:

1. Die chemische Gravur: das gewünschte Texturierungsmuster wird auf die Formoberfläche der Form aufgebracht. Der Teil der Formoberfläche, der kein Texturierungsmuster umfassen soll, wird geschützt. Die Form wird dann in ein Säurebad getaucht, das mit dem Metall, aus dem sie besteht, vereinbar ist, was die selektive Gravur des Texturierungsmusters auf die Formoberfläche erlaubt. Die chemische Gravur fordert ein umfassendes Know-how mit spezifischen Anlagen aufgrund der Verwendung von Säure, eine Einrichtung des Texturierungsmusters durch einen Bediener auf der Formoberfläche, die Herstellung komplizierter Verbindungen für die Formoberflächen in drei Dimensionen, sowie die Nähte.
2. Das Senkerodieren ist eine Technik, die es erlaubt, in der Negativform Texturierungsmuster zu reproduzieren. Dazu wird eine Elektrode mit einer Form, die zu der Form, die auf die Formoberfläche der Form zu gravieren ist, komplementär ist, in die Form gedrückt, um sie in Negativ wiederzugeben. Diese Technologie ist in der Feinheit des Texturierungsmusters beschränkt und kann mehrere Elektroden erfordern, falls die Form mehrere Hohlräume umfasst.
3. Die Texturierung mit dem Laser ist eine Technologie, die darin besteht, die Formoberfläche der Form mit einem fokussierten Laserstrahl zu bearbeiten, der die Oberfläche an der Aufprallstelle abhebt, indem er ihr dadurch ein Texturierungsmuster verleiht. Die Tiefe und die Größe des Texturierungsmusters hängen von den Einstellungen des Lasers ab (zum Beispiel von seiner Leistung, seiner Frequenz).

Diese unterschiedlichen Technologien weisen jedoch die Nachteile auf, dass sie die Formoberflächen einer Metallform (wie zum Beispiel Stahl) mit einer begrenzten Feinheit in der Mikrometergrößenordnung strukturieren (nämlich mit einer Präzision zwischen etwa 1 und 10 μm), und daher ohne den Nanometermaßstab der Texturierungsmuster erreichen zu können. Mit anderen Worten weisen die oben beschriebenen Technologien den Nachteil auf, dass sie nicht für die Herstellung feinerer Texturierungsmuster geeignet sind, das heißt, die kleiner sind als Mikrometer, ja sogar einige Zehner Nanometer. Diese Technologien sind außerdem für die Herstellung einer dreidimensionalen Geometrie der Muster begrenzt.
Was die Lasertexturierung betrifft, wird der Stahl in der Umgebung des Aufpralls des Lasers außerdem oft durch Wärme beschädigt, und Spritzer können sich auf den Rändern des Texturierungsmusters ablagern.
Außerdem auferlegen diese unterschiedlichen Technologien das Gravieren direkt in dem Metall jeder Formoberfläche der Form gemäß schwer umkehrbaren Verfahren.
Die Texturierungsmuster, die auf den Formoberflächen der Stahlform erhalten werden, erweisen sich außerdem oft als heikel und sehr schwer bei Beeinträchtigung durch ein Werkzeug oder durch die Reste der Gase, die bei dem Injizieren des geschmolzenen Polymerwerkstoffs abgegeben werden, oder auch durch Korrosion der Stelle des Werkzeugs, zu reparieren.
Eine Stahlform weist außerdem den Nachteil auf, dass sie auf den Temperaturanstieg in der Sekunde, in der der geschmolzene Polymerwerkstoff eingespritzt wurde, reagiert. Die Stahlform speichert nämlich sofort die Wärme des geschmolzenen Polymerwerkstoffs, der derart eingespritzt wird, dass eine geringe Schicht dieses Polymerwerkstoffs auf der Oberfläche erstarrt, bevor der Polymerwerkstoff die Hohlräume in dem Maßstab, zum Beispiel im nanometrischen Maßstab, der Stahlform gefüllt hat. Diese Erscheinung des Erstarrens des Polymerwerkstoffs bei seinem Einspritzen ist unter der Bezeichnung „Hauteffekt” (oder gemäß der angelsächsischen Bezeichnung: „Skin Effect”) bekannt.
Die US-Patentanmeldung 2011/0 123 711 A1 hat versucht, diesen „Hauteffekt”-Nachteil zu überkommen, der unweigerlich bei einer Stahlform auftritt, indem sie ein Herstellungsverfahren einer Hybridform vorschlägt, die eine Thermoplastpolymerschicht oder wärmehärtbare Schicht umfasst, die ein Texturierungsmuster aufweist, dessen Maße zwischen 0,01 μm und 100 μm liegen, und dessen Höhe zwischen 0,01 μm und 800 μm liegen, wobei die Polymerschicht mit einer Metallablagerung abgedeckt wird, deren Stärke zwischen 0,5 μm und 500 μm liegt.
Das Herstellungsverfahren, das in der US-Anmeldung 2011/0 123 711 A1 beschrieben ist, weist jedoch die folgenden Nachteile auf:

– Es ist auf die Herstellung von Formoberflächen in zwei Dimensionen beschränkt, nämlich auf den Plattentyp. Es erlaubt daher keine Herstellung von Formoberflächen mit 2,5 Dimensionen (nämlich gerundete Oberflächen) und drei Dimensionen (nämlich Kugeln).
– Es ist in der Umsetzung kompliziert, denn es erfordert insbesondere einen Prägeschritt und einen Schritt zum Ablagern einer Metallschicht.
– Wenn das Polymer, das zur Herstellung dieser Hybridform verwendet wird, eine Thermoplastpolymer ist, das heißt ein isolierender Werkstoff mit einer hohen Wärmekapazität, erlaubt das kein Formen unter industriellen Bedingungen von Teilen aus Polymerwerkstoff mit einer Oberfläche, die fein Texturierungsmuster umfasst. Die Ansammlung von Wärme im Laufe des Einspritzens des geschmolzenen Polymerwerkstoffs kann nämlich zu einem starken „Bimetall”-Effekt führen, wenn der Teil der Form (nämlich die Gegenform), der dem entgegengesetzt ist, der die nanostrukturierten Muster umfasst, aus Stahl hergestellt ist, was im Allgemeinen der Fall bei Spritzgussvorrichtungen ist. Der Vorteil, dass der zweite Teil der Form (mit anderen Worten die „Gegenform”) aus Stahl besteht, ist es, ihr eine bessere Fugenebene zu garantieren, um Graterscheinungen zu vermeiden und seine Nutzungsdauer zu verlängern. Der Bimetall-Effekt hat die schädliche Folge, dass er das aus Polymerwerkstoff geformte Teil verformt.
– Es weist eine beschränkte Lebensdauer von etwa 1000 Einspritzzyklen zum Erhalten von Teilen aus Polymerwerkstoff auf.

Außerdem kennt man die Anmeldung EP 2 181 824 A1 , die ein Herstellungsverfahren einer Form für Teile aus Polymerwerkstoff beschreibt, die einen Metallträger umfasst, auf dem eine dünne Schicht aus Quasi-Diamant-Kohlenstoff aufgebracht wurde. Das Nanotexturmuster wird direkt auf die Quasi-Diamant-Kohlenstoffschicht durch selektive chemische Gravur in der Trockenphase aufgebracht.
Außerdem beschreibt die Patentanmeldung FR 2 991 312 A1 ein Herstellungsverfahren eines Formeinsatzes, der aus einem metallischen, elektrogeformten Träger besteht, der die sogenannte „LIGA”-Technologie (nämlich das deutsche Akronym für „Lithografie, Galvanoformung, Abformung”, im Französischen „lithografie, électroformage et moulage”) und einen Elektroformvorgang zum Erhalten eines Formeinsatzes umsetzt. Dieser Metallträger kann zum Beispiel aus Gold, Kupfer, Nickel oder einer Nickellegierung hergestellt werden.
Die Form- oder Formeinsatz-Herstellungsverfahren, die in den Anmeldungen EP 2 181 824 A1 und FR 2 991 312 A1 beschrieben sind, weisen die Nachteile auf, dass sie aufgrund der Tatsache kompliziert umzusetzen sind, dass sie zahlreiche sorgfältige auszuführende Schritte, wie zum Beispiel Ablagerungs- und Gravurschritte, umfassen.
Es ist außerdem bekannt, dass die Dauerhaftigkeit, die Instandhaltung, die Wartung und das Altern der verwendeten Formen und insbesondere ihrer Formoberflächen Schlüsselfaktoren zur Sicherstellung einer dauerhaften Qualität der erzeugten Objekte sind. Alle diese Auflagen sind nun aber noch einschränkender, wenn die Formen eine Formoberfläche umfassen, die strukturierte Muster und insbesondere nanostrukturierte Muster aufweisen.
Die Trennphase von Teilen aus Polymerwerkstoff, die durch Einspritzen erhalten werden, ist schließlich ebenfalls einer der entscheidenden Schritte ihres Herstellungsverfahrens, denn diese Phase spielt eine wichtige Rolle in der Produktivität dieser Teile. Diese Phase kann nämlich eine große Anzahl von Ausschussteilen hervorbringen, falls eine schlechte Wiederholbarkeit der Oberfläche der Form oder Kratzer an der Oberfläche der Form bestehen. Sie kann auch das Herstellungsverfahren stören, zum Beispiel im Fall von Verschmutzung aufgrund eines eventuellen Klebens des Polymerwerkstoffs in der Form. Daher ist es wesentlich, dass die Formoberfläche, die Texturierungsmuster aufweist, eine hervorragende Qualität hat, und dass sie sie während ihrer Nutzungsdauer behält, die vorzugsweise möglichst lang sein soll, damit sie ein völlig rentables industrielles Interesse darstellt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben versucht, alle Nachteile, die oben in Zusammenhang mit den Formen und Formeinsätzen, deren Formoberfläche Texturierungsmuster umfasst, und die zum Spritzformen von Teilen aus Polymerwerkstoff bestimmt sind, ausführlich dargelegt sind.
Genauer genommen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung danach gestrebt, Formen und Formeinsätze zu optimieren, deren Verwendung im Laufe eines Spritzformens das Auftreten des oben erwähnten Bimetall-Effekts vermeidet, und dies, ohne zu erfordern, dass die Spritzformtakte mit der Umsetzung von relativ langen und mühsamen Abkühlungsschritten verlangsamt werden.
Die Erfinder haben nämlich einen neuen Einsatz für Spritzgussform optimiert, der zur Herstellung von Teilen aus Polymerwerkstoff bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst:

– einen ersten Teil, der aus einem Harz hergestellt ist, wobei der erste Teil eine Formoberfläche umfasst, die mindestens ein Texturierungsmuster umfasst,
– einen zweiten Teil, der aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist, wobei der zweite Teil des Einsatzes mindestens eine Oberfläche umfasst, die mit dem ersten Teil des Einsatzes in Berührung ist.

Vorzugsweise hat der Metallwerkstoff eine hohe Wärmeleitfähigkeit, nämlich mindestens 150 W/mK und bevorzugt mindestens 200 W/mK.
Der Metallwerkstoff kann aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold und Beryllium allein oder als Legierung ausgewählt werden. Es kann sich zum Beispiel um eine Kupfer- und Beryllium-Legierung handeln.
Vorteilhaft umfasst die Oberfläche des zweiten Teils des Einsatzes, die mit dem ersten Teil des Einsatzes in Berührung ist, Rillen, die derart konfiguriert sind, dass sie den ersten Teil und den zweiten Teil des Einsatzes durch ein mechanisches Verhaken fest verbinden. Das Harz, aus dem der erste Teil des Einsatzes besteht, füllt die Rillen, was den ersten und den zweiten Teil des Einsatzes fest verbindet.
Der erfindungsgemäße Einsatz kann eine allgemeine Parallelepipedform aufweisen. Seine Stärke kann zum Beispiel zwischen 3 mm und 100 mm liegen, vorzugsweise zwischen 10 und 20 mm, seine Länge und seine Breite können zwischen 10 mm und 500 mm liegen, vorzugsweise zwischen 20 und 80 mm.
Das Texturierungsmuster, das die Formoberfläche des ersten Teils des erfindungsgemäßen Einsatzes umfasst, kann mikrometrische und/oder nanometrische Maße haben. Bei einer Ausführungsform der Erfindung erreicht das Texturierungsmuster einige Zehner Nanometer. Die Höhe des Musters kann zum Beispiel zwischen 0,01 μm und 100 μm liegen, die Breite des Musters kann zwischen 0,01 μm und 100 μm liegen, und der Abstand zwischen jedem Muster kann zwischen 0,01 μm und 100 μm liegen.
Der zweite Teil des Einsatzes aus Metallwerkstoff befindet sich auf der Rückseite des ersten Teils des Einsatzes, der aus Harz hergestellt ist, der die Formoberfläche umfasst, die das Texturierungsmuster umfasst, und auf dem der geschmolzene Polymerwerkstoff bei einem Spritzgussformverfahren eingespritzt wird.
Durch Verwenden eines erfindungsgemäßen Einsatzes, dessen Formoberfläche aus Harz hergestellt ist, entledigt man sich des Bimetall-Effekts, mit dem man rechnen hätte können, wenn die Gegenform aus Stahl besteht.
Der Bimetall-Effekt ist eine Wärmeerscheinung, die auftritt, wenn sich zwei Zungen eines Werkstoffs, zum Beispiel eines Polymerwerkstoffs, die unterschiedliche Dehnungen oder Schrumpfung haben, verfestigen. Das Schrumpfen eines Polymerwerkstoffs hängt mit seiner Abkühlgeschwindigkeit zusammen Je schneller die Verfestigung des Polymerwerkstoffs war, desto weniger Schrumpfung weist er auf.
Ein Polymerwerkstoff, der im Laufe eines Formverfahrens durch Einspritzen eingespritzt wird, verhält sich in seiner Abkühlphase wie ein Bimetall. Es ergibt sich nämlich ein Hauteffekt, wenn der geschmolzene Polymerwerkstoff mit der Form und der Gegenform des Formwerkzeugs in Berührung tritt. Dieser Hauteffekt nimmt während der ganzen Füllungsphase der Form und der Gegenform und beim Abkühlen allmählich zu, und zwar bis zur vollständigen Verfestigung des Polymerwerkstoffs. Der Hauteffekt entspricht der quasi sofortigen Verfestigung der Oberflächen des Polymerwerkstoffs, die jeweils mit der Form und der Gegenform ab dem Einspritzen des geschmolzenen Polymerwerkstoffs in Berührung sind. Daher bilden sich zwei Häute (oder, mit anderen Worten, zwei Zungen). Das Ausmaß dieses Hauteffekts zeichnet sich durch das Ausmaß der Stärken der gebildeten Häute aus.
Während des Abkühlens versteifen die zwei Häute bei der Verfestigung daher die Wand des geschmolzenen Polymerwerkstoffs, der eingespritzt wurde, und ändern das Schrumpfen in der Stärke dieses Polymerwerkstoffs.
Falls die Form und die Gegenform im Laufe eines Formverfahrens durch Einspritzen nicht an derselben Temperatur stabilisiert werden, was bei Formwerkzeugen der Fall ist, bei welchen die Form und die Gegenform nicht aus ein und demselben Werkstoff hergestellt sind, sind die gebildeten Häute nicht identisch. Die Haut ist auf der Oberfläche des Polymerwerkstoffs, der mit dem Teil des Formwerkzeugs (Form oder Gegenform), dessen Stabilisierungstemperatur am höchsten war, in Berührung war, feiner. Da die Haut feiner ist, ist sie weniger starr, und die Stärke des Polymerwerkstoffs, die geschmolzen bleibt, ist stärker, was mehr Zeit zu ihrem Abkühlen erfordert und ein stärkeres Schrumpfen bewirkt. Die Verformung des Teils aus Polymerwerkstoff, das derart erhalten wird, ist jedoch auf der Seite größer, die mit dem Werkzeugteil, dessen Stabilisierungstemperatur am höchsten ist, in Berührung war.
Wenn die Form und die Gegenform daher nicht auf ein und dieselbe Temperatur im Laufe eines Formverfahrens durch Einspritzen stabilisiert werden, sind die Stärken der zwei Häute (mit anderen Worten der zwei Zungen) des eingespritzten Polymerwerkstoffs nicht identisch. Das bewirkt, dass das Schrumpfen in der Stärke des Polymerwerkstoffs nicht symmetrisch ist und daher eine Verformung des Werkstücks aus Polymerwerkstoff, das nach dem Spritzgussformen erhalten wird, bewirkt.
Die Erfinder haben einen Einsatz optimiert, der, obwohl seine Formoberfläche nicht aus Stahl sondern aus einem Harz hergestellt ist, im Laufe eines Formverfahrens durch Einspritzen eine Stabilisierungstemperatur aufweist, die so gut wie identisch ist mit der einer Gegenform, die aus Stahl hergestellt ist, so dass das Schrumpfen des Polymerwerkstoffs auf der Seite der Form und der Gegenform, die aus Stahl hergestellt ist, symmetrisch ist, und dass das erhaltene Teil daher keine Verformung aufweist.
Mit anderen Worten haben die Erfinder einen Einsatz optimiert, der, obwohl er eine Formoberfläche umfasst, die aus einem Harz hergestellt ist, keinen Bimetall-Effekt bewirkt, wenn er in einem Formwerkzeug mit einer Gegenform aus Stahl verwendet wird. Der Experimentalteil, der unten beschrieben ist, bezeugt diese bemerkenswerten Merkmale des erfindungsgemäßen Einsatzes.
Außerdem weist die Tatsache, dass der erfindungsgemäße Einsatz das Vermeiden des Bimetall-Effekts erlaubt, die folgenden Vorteile auf:

– Der erfindungsgemäße Einsatz erlaubt es, zuverlässig und präzis Spritzgussteile zu erhalten, die eine Oberfläche mit Texturierungsmustern mit hervorragender Qualität aufweisen, die durch Formschlüssigkeit der Formoberfläche des Einsatzes perfekt entspricht, und das sogar im nanometrischen Maßstab, aufgrund der Tatsache, dass seine Formoberfläche aus einem Harz hergestellt ist, das vermeidet, dass der Hauteffekt im Laufe des geschmolzenen Einspritzens des Polymerwerkstoffs eintritt.
– Außerdem kann der erfindungsgemäße Einsatz perfekt für das Einspritzen von Serien mit mehr als 10.000 Teilen verwendet werden. Mit anderen Worten wird die Lebensdauer des Einsatzes im Vergleich zu der von Einsätzen, die aus Thermoplastwerkstoffen, die gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, hergestellt sind, verlängert.
– Die Verwendung des erfindungsgemäßen Einsatzes integriert sich perfekt in herkömmliche Kunststofftechnik-Industrieverfahren durch Einspritzen von Polymerwerkstoff, und dies ohne eine Änderung der Industrieanlagen und Vorrichtungen sowie der Parameter der Einspritzschritte des Polymerwerkstoffs zu erfordern. Der erfindungsgemäße Einsatz erfordert nämlich keine Änderung der Spritzgusszyklen von Teilen aus Polymerwerkstoff, die gewöhnlich im Bereich der Kunststofftechnik verwendet werden. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Einsatzes ist aus industrieller Sicht perfekt rentabel.
– Die Verwendung des erfindungsgemäßen Einsatzes bei einem Spritzgussverfahren weist außerdem den Vorteil auf, dass sie sich bestimmter Mittel entledigt, wie zum Beispiel der Vakuumeinspritzung, des Thermozyklierens mit einer mehr oder minder großen Erhöhung der Zyklusdauer, der Heizung durch elektromagnetische Induktion, die umgesetzt werden können, um unterschiedlichen Problemen abzuhelfen, wie zum Beispiel dem Hauteffekt, der bei anderen Formwerkzeugen, die gemäß dem Stand der Technik bekannt sind, auftreten. Dieser letztere Aspekt bezeugt noch einmal die Rentabilität des erfindungsgemäßen Einsatzes im Vergleich zu Formwerkzeugen des Stands der Technik.

Das Harz des ersten Teils des erfindungsgemäßen Einsatzes kann ausgewählt werden aus:

– den wärmehärtbaren Harzen, wie zum Beispiel den Epoxid-, Polyurethan-, Polyester-, Vinylester-, Phenol-, Bismaleimid-Harzen,
– den wärmehärtbaren Harzen, wie zum Beispiel Bisphenol-Polycarbonat A, Polyetherketon, Polyacryletherketon, Bisphenol A-Polyterephthalat, Polysulfon, Polyphenylsulfon, Poly-2,6-Phenylendimethyloxid, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polyamidimid und Polypyromellitimid,
– den organischen-anorganischen Hybridharzen,
– den Sol-Gel-Harzen.

Unter „Sol-Gel-Harz” versteht man ein Harz, das gemäß einem Sol-Gel-Verfahren erhalten wurde, nämlich gemäß einem Verfahren, das ein glasiges anorganisches Polymer durch einfache chemische Reaktionen ausgehend von Zwischenstoffen in Lösung bei einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur (etwa 20°C), und die 150°C nicht überschreitet, erzeugt.
Die Zwischenstoff in Lösung dieser Sol-Gel-Harze können aus Zirkon-Tetra-n-Butanolat, Zirkonbutoxid, Isopropyltitanat, Tri-(3-(trimethoxisilyl)propyl)Isocyanurat, Gamma-Methacryloxipropyltrimethoxisilan, n-Phenyl-Gamma-Aminopropyltrimethoxisilan allein oder in Gemischen ausgewählt werden.
Das Sol-Gel-Harz kann zum Beispiel ein Acrylharz sein, das durch Siliziumdioxid Nanopartikel modifiziert ist, das durch ein Sol-Gel-Verfahren erhalten wurde.
Unter „organischen-anorganischem Hybridharz” versteht man Polymernetzwerke, die aus einer organischen Matrix (zum Beispiel aus einem Methylpolymethacrylat) und einer anorganischen Matrix bestehen, die zum Beispiel Silizium, Titan, Zirkon oder Zink umfasst.
Ein Beispiel für ein organischen-anorganisches Hybridharz ist das Harz, das unter der Handelsbezeichnung ORMOCER^® von der Firma Micro Resist Technology GmbH vermarktet wird. Dieses Harz weist eine gute Wärmebeständigkeit mindestens bis 270°C auf.
Bevorzugt ist das Harz ein wärmehärtbares Harz, das ein Epoxidharz ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Harz außerdem Füllstoffe.
Die Füllstoffe können ausgewählt werden aus:

– Mineralfüllstoffen, wie zum Beispiel Calciumcarbonat und/oder Magnesiumcarbonat, Siliziumdioxiden und Sulfaten,
– metallischen Füllstoffen, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer und Eisen.

Die oben aufgeführten Füllstoffe können allein oder in Gemischen genommen werden.
Das Harz kann zum Beispiel ein Gemisch aus metallischen und mineralischen Füllstoffen umfassen.
Wenn das Harz metallische Füllstoffe umfasst, handelt es sich vorteilhafterweise um Füllstoffe in Pulverform mit einer Korngröße kleiner als 100 μm, bevorzugter etwa zehn Mikrometer.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Harz ein wärmehärtbares Harz, das metallische Füllstoffe umfasst. Es handelt sich zum Beispiel um das System RenCast^® CW 47/Ren^® HY 33, das von der Firma HUNTSMAN vermarktet wird.
Vorteilhafterweise liegt der Gewichtsanteil an Füllstoffen in dem Harz zwischen 30% und 70%.
Die Tatsache, dass das Harzfüllstoffe umfasst, verbessert die mechanische Festigkeit des ersten Teils des erfindungsgemäßen Einsatzes. Unter Verbesserung des mechanischen Haltens versteht man, dass der erste Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes gegenüber Kompression, Stößen und Kriechen widerstandsfähiger ist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist der erste Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes, der aus einem Harz mit Füllstoff hergestellt ist, perfekt zum Spritzgießen von Teilen aus Polymerwerkstoff geeignet.
Vorteilhafterweise weist das Harz des ersten Teils des Einsatzes eine hervorragende Wärmebeständigkeit auf, vorzugsweise über 200°C, noch bevorzugter über 210°C, was die Lastbiegetemperatur gemäß der Norm ISO 75 gemessen betrifft. Unter ausgezeichneter Wärmebeständigkeit des Harzes versteht man, dass das Harz, aus dem der erste Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes besteht, sich bei den Gebrauchstemperaturen des Einsatzes, also im Laufe eines Spritzgussformverfahrens, überhaupt nicht verschlechtert.
Eine hervorragende Wärmebeständigkeit des Harzes erlaubt es, über einen erfindungsgemäßen Einsatz zu verfügen, der perfekt für das Spritzgussformen der meisten Polymerwerkstoffe, die gewöhnlich in der Kunststofftechnik verwendet werden, ja sogar Polycarbonat, das ein heikler einzuspritzendes Material ist, geeignet ist. Wenn man Polycarbonat, das eine Glasübergangstemperatur von etwa 150°C hat, spritzgießt, ist es nämlich erforderlich, dass die Form aus einem Werkstoff hergestellt ist, dessen Glasübergangstemperatur gleich oder größer ist als 150°C, denn anderenfalls verschlechtert sich die Form im Laufe des Einspritzens.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat das Harz eine Glasübergangstemperatur gleich oder größer als 150°C. Der erfindungsgemäße Einsatz weist daher den Vorteil auf, dass er zum Spritzgussformen sehr unterschiedlicher Polymerwerkstoffe bestimmt ist.
Diese Polymerwerkstoffe können zum Beispiel aus den Polycarbonaten, Styrolen, Polyolefinen, Polyamiden, Polyvinylen, Elastomer- und Silikon-Thermoplasten ausgewählt werden.
Das Harz hat vorteilhafterweise Wärmeleitfähigkeit kleiner als 2 W/mK, vorzugsweise von etwa 1 W/mK (zum Beispiel 1,17 W/mK).
Wenn das Harz Füllstoffe umfasst, wobei die Füllstoffe in dem Harz verdünnt sind, modifizieren sie die Leitfähigkeit des Harzes nicht, auch nicht, wenn es sich um metallische Füllstoffe handelt.
Aufgrund der schwachen Wärmeleitfähigkeit des Harzes, aus dem der erste Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes besteht, tritt beim Spritzgussformen von Teilen aus Polymerwerkstoff der oben erwähnte Hauteffekt nicht auf. Der geschmolzene Polymerwerkstoff erstarrt daher nicht frühzeitig, bevor er die Hohlräume des Texturierungsmusters der Formoberfläche des ersten Teils des Einsatzes gefüllt hat. Das garantiert eine hervorragende Vervielfachungsqualität des Texturierungsmusters, und das sogar, wenn das Texturierungsmuster im Nanometermaßstab vorliegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat das Harz eine Härte von etwa 90 Shore D gemäß der Norm ISO 868 gemessen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das Harz einen Kompressionswiderstand gemessen gemäß der Norm ISO 868 auf, der höher ist als 150 MPa.
Die vorliegende Erfindung hat auch eine Form zum Spritzgussformen von Teilen aus Polymerwerkstoff zur Aufgabe, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen erfindungsgemäßen Einsatz, wie er oben beschrieben ist, umfasst.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Form aus dem erfindungsgemäßen Einsatz. Unter „Form aus dem Einsatz” versteht man, dass der erfindungsgemäße Einsatz den Körper der Form bildet, und dass die Form trotzdem andere Elemente umfassen kann, wie zum Beispiel Befestigungsmittel, die perfekt in der Reichweite des Fachmanns liegen, und die für die Verwendung der Form bei einem Spritzgussformverfahren erforderlich sind.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Form einen Hohlraum, der ausgelegt ist, um den erfindungsgemäßen Einsatz aufzunehmen.
Die vorliegende Erfindung hat auch ein Formwerkzeug zur Aufgabe, dass mindestens eine erfindungsgemäße Form, wie sie oben beschrieben ist, sowie eine Gegenform umfasst. Bei einer Ausführungsform ist die Gegenform aus Stahl hergestellt.
Der Einsatz, die Form und das Formwerkzeug gemäß der Erfindung können verwendet werden, um durch Spritzgussformen Teile aus Polymerwerkstoff herzustellen, die auf der Oberfläche mindestens ein Texturierungsmuster aufweisen, vorzugsweise ein Texturierungsmuster im Mikrometer- oder Nanometermaßstab, wobei die Teile für sehr unterschiedliche Anwendungen bestimmt sind, unter welchen man zum Beispiel Folgende zitieren kann:

– die Hologramme im Bereich der Etikettierung zur Verbesserung der Rückverfolgbarkeit und Vermeidung von Fälschung,
– die Teile, die selbst reinigende und superhydrophobe Oberflächen aufweisen,
– die Teile aus Polymerwerkstoff für Gebrauchsartikel, wie zum Beispiel Verpackungsteile, insbesondere Verpackung von Kosmetika, Nahrungsmitteln, Papierwaren oder auch Spielwaren.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Einsatzes, dessen erster Teil aus einem Harz hergestellt ist, das aus den wärmehärtbaren Harzen, den organischen-anorganischen Hybridharzen und den Sol-Gel-Harzen ausgewählt ist, wobei das Herstellungsverfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:

a) Anordnen einer Hauptform, die eine Formoberfläche umfasst, die mindestens ein Texturierungsmuster umfasst,
b) Gießen eines Harzes, das aus den wärmehärtbaren Harzen, den organischen-anorganischen Hybridharzen und den Sol-Gel-Harzen ausgewählt ist, auf der Formoberfläche der Hauptform und auf mindestens einer Oberfläche eines Elements, das aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, so dass das Harz mit dem Element fest verbunden wird, um einen Einsatz, der zwei Teile umfasst, zu erhalten, wobei der erste Teil aus dem Harz hergestellt ist und eine Formoberfläche umfasst, die ein Texturierungsmuster umfasst, das das Negativ des Texturierungsmusters der Formoberfläche der Hauptform ist, und einen zweiten Teil, der aus dem Metallwerkstoff hergestellt ist.

Das Texturierungsmuster der Formoberfläche der Hauptform kann Maße in der Größenordnung des Mikrometers und/oder des Nanometers aufweisen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung erreicht das Texturierungsmuster einige Zehner Nanometer.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Hauptform eine Form aus Silizium, Quarz, geschmolzenem Silizium, Silikon, einem Halbleiterwerkstoff, einem Metalloxid oder auch einem Metallnitrid.
Bevorzugt ist die Hauptform eine Form aus Silikon, die den Vorteil aufweist, dass sie Texturierungsmuster an der Oberfläche des erfindungsgemäßen Einsatzes in 2, 2,5 und 3 Dimensionen herstellt.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Einsatzes wird daher leicht und zu geringen Kosten umgesetzt.
Der erfindungsgemäße Einsatz kann leicht ersetzt werden, falls er im Laufe seines Gebrauch bei einem Spritzgussformen oder bei irgendeiner unglücklichen Handhabung beschädigt wird (nämlich eine zufällige Beschädigung).
Anders als bekannte Einsätze des Stands der Technik, die oben beschrieben wurden, erfordert er keine Ausführungen sorgfältiger und mühsamer Schritte, wie zum Beispiel das Ablagern einer feinen Metallschicht oder Gravur.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weist folgende andere Vorteile auf:

– man erhält einen Einsatz, dessen Formoberfläche ein Texturierungsmuster umfasst, das aus einem Harz, wie oben beschrieben hergestellt ist und dem Einsatz eine Gebrauchsdauer verleiht, die größer ist als die von Einsätzen, die aus Thermoplastwerkstoffen hergestellt sind. Der erfindungsgemäße Einsatz kann nämlich perfekt während mindestens 10000 Einspritzzyklen verwendet werden,
– ausgehend von einer Hauptform, die zum Beispiel aus einem kostspieligen und fragilen Werkstoff hergestellt ist, wie zum Beispiel aus Silizium, kann man Kopien erzeugen, so dass man erfindungsgemäße Einsätze erhält, die aus einem billigeren Werkstoff hergestellt sind und im Laufe des Formverfahrens von Teilen aus Polymerwerkstoff verwendet werden. Mit anderen Worten stellt man kostengünstige Kopien der Hauptform her, die man für das Spritzgussformverfahren verwendet.
– da die erfindungsgemäßen Einsätze leicht und kostengünstig hergestellt werden können, kann man leicht Einsätze mit sehr unterschiedlichen Texturierungsmustern herstellen, was es erlaubt, Teile aus Polymerwerkstoff zu erhalten, die auf der Oberfläche diverse Texturierungsmuster aufweisen, und dies aufgrund der einfachen Tatsache, dass es leicht ist, einen erfindungsgemäßen Einsatz durch einen anderen beim Spritzgussformen von Serien von Teilen aus Polymerwerkstoff zu ersetzen.

Das Texturierungsmuster, das die Hauptform auf ihrer Formoberfläche aufweist, kann durch unterschiedliche Texturierungstechniken erhalten worden sein, die dem Fachmann perfekt bekannt sind.
In diesem Hinblick kann man die Techniken zitieren, die die Fotolithografie, die optische Lithografie durch Amplituden- oder Phasenmaske, die Elektronenstrahllithografie, die Interferenzlithografie, die Nanosphären-/Mikrosphären-Lithografie, die Nanodruck-Lithografie (auch unter der angelsächsischen Bezeichnung „Nano Imprint Lithography” und ihrem Akronym „NIL” bekannt) sind.
Die Fotolithografie ist zum Beispiel eine perfekt bekannte Technologie, die zum Herstellen von Nanostrukturierungen zwischen 10 nm und einigen Zehnern Mikrometern auf einer Hauptform geeignet ist, insbesondere einer Hauptform aus Silizium.
Die NIL-Technik weist den Vorteil auf, dass sie Muster, die auf komplexe Art durch andere Lithografiemittel erhalten wurden, schneller und in einem sehr feinen Maßstab in der Größenordnung von 10 Nanometer reproduziert.
Mit anderen Worten ist es dem Fachmann perfekt möglich, über eine Hauptform, wie oben beschrieben, zu verfügen, die eine Formoberfläche aufweist, die mindestens ein Texturierungsmuster umfasst. Die Werkstoffe und Herstellungstechniken von Texturierungsmustern, die oben beschrieben sind, sind Beispiele, die zur Veranschaulichung gegeben werden und die den Geltungsbereich der Erfindung nicht einschränken. Andere Werkstoffe und andere Techniken, die es erlauben, eine Hauptform zu erhalten, die eine Formoberfläche aufweist, die mindestens ein Texturierungsmuster aufweist, könnten problemlos in Betracht gezogen werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung hat die Hauptform einen Durchmesser größer als 100 mm, vorzugsweise größer als 200 mm und eine Stärke von einigen Mikrometern bis mehreren Zentimetern, vorzugsweise größer als 500 μm.
Die Hauptform umfasst auf ihrer Formoberfläche ein Texturierungsmuster, dessen Maße einige Nanometer bis einige Zehner Mikrometer betragen. Diese Maße hängen von den Eigenschaften ab, die die gewünschte Textur anstrebt.
Wenn die Hauptform aus Silizium besteht, bedingt das aufgrund der physikalischen Merkmale dieses Werkstoffs, dass die Hauptform flach ist. Sie kann außerdem brüchig sein, wenn sie Drücken unterworfen wird, zum Beispiel beim Gießen des Harzes und/oder beim Trennen. Ihre Kosten sind außerdem aufgrund der Texturierungsverfahren, die zum Strukturieren ihrer Oberfläche verwendet werden, hoch.
Angesichts dieser Nachteile des Siliziums zieht man es daher vor, eine Hauptform aus Silikon zu verwenden. Das Silikon kann Sylgard 184 sein, das von der Firma DOW CORNING vermarktet wird.
Wenn die Hauptform aus Silikon besteht, weist das den Vorteil auf, dass die Formoberfläche Texturierungsmuster in zwei Dimensionen, aber auch in 2,5 und 3 Dimensionen umfassen kann.
Die Hauptform aus Silikon kann ausgehend von einer ersten Form hergestellt worden sein, zum Beispiel aus einer Siliziumform, die eine Formoberfläche aufweist, die mindestens ein Texturierungsmuster umfasst. Bei dieser Ausführungsform weist die Formoberfläche der Hauptform aus Silikon ein Texturierungsmuster auf, das folglich das Negativ des Texturierungsmusters der Formoberfläche dieser ersten Form ist, zum Beispiel der Form aus Silizium, und der erfindungsgemäße Einsatz, der ausgehend von dieser Hauptform aus Silikon erhalten wird, weist auf seiner Formoberfläche ein Texturierungsmuster auf, das mit dem der ersten Form (zum Beispiel der Form aus Silizium) identisch ist, auf.
Das Erhalten einer Hauptform aus Silikon ist dem Fachmann perfekt bekannt. Die Silikongussparameter auf einer Form sind dem Fachmann daher bekannt. Außerdem fällt der Schritt des Härtens des Silikons (durch Wärme) nach dem Gießen außerdem in den Bereich der Kenntnisse des Fachmanns.
Die Auswahl der Texturierungsmuster auf der Hauptform und dem erfindungsgemäßen Einsatz orientiert sich daher in Abhängigkeit vom Texturierungsmuster, das man auf dem Teil aus Polymerwerkstoff, das durch Spritzguss ausgehend von dem erfindungsgemäßen Einsatz geformt wird, wünscht. Der Fachmann beherrscht die Formtechniken perfekt, so dass er Folgendes unschwer optimieren können wird:

– die Herstellung eines erfindungsgemäßen Einsatzes mit gewünschten Texturierungsmustern ausgehend von einer Hauptform,
– den Gebrauch des erfindungsgemäßen Einsatzes zum Spritzgussformen von Teilen aus Polymerwerkstoff.

Vor dem Gießschritt wurde das Harz vorteilhafterweise vorbereitet, indem, vorzugsweise unter Vakuum, seine unterschiedlichen Bestandteile (nämlich das Harz und das Härtemittel) in den vom Hersteller vorgeschriebenen Anteilen gemischt und während einer ausreichenden Dauer entgast wurde, so dass das Gemisch keine Blasen mehr enthält.
Vorzugsweise führt man den Schritt b) des Gießens des Harzes unter Vakuum aus. Das weist den Vorteil auf, dass ein Entgasen des Harzes während des Gießen läuft.
Das Gießen des Harzes kann bei Umgebungstemperatur ausgeführt werden.
Anschließend wird das Harz auf den Luftdruck zurückgebracht und:

– man lässt es bei Umgebungstemperatur während der vom Hersteller vorgeschriebenen Zeit vernetzen, oder
– man erwärmt es auf eine Temperatur, die von dem Hersteller empfohlen wird und während einer vom Hersteller empfohlenen Zeit, um seine Vernetzung zu begünstigen.

Auf die Vernetzung des Harzes kann eine Wärmebehandlung bei höherer Temperatur erfolgen, um ihm eine bessere Wärmebeständigkeit zu erlauben, wobei die Temperatur und die Dauer dieser Wärmebehandlung ebenfalls vom Hersteller des Harzes angegeben werden.
Bei einer Ausführungsform erfolgt das Gießen des Harzes bei einer Temperatur von etwa 120°C, und es wird während etwa 16 Stunden bei 180°C gehärtet.
Natürlich ist die Umsetzung des Schritts b) des Herstellungsverfahrens dem Fachmann perfekt bekannt, der das Gießen eines Harzes auf einer Hauptform beherrscht. Daher schränkt das oben beschriebene Beispiel des Harzgießens den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung auf keinen Fall ein.
Wie oben erwähnt, kann das Element aus einem Metallwerkstoff Rillen aufweisen, die ausgelegt sind, damit sich das gegossene Harz perfekt darin fügt, so dass der erste Teil und der zweite Teil des Einsatzes fest verbunden sind.
Der Gießschritt des Harzes wird in einem Formwerkzeug in perfekter Reichweite des Fachmanns ausgeführt. Außerdem gehören die Gießparameter des Harzes zu den Allgemeinkenntnissen des Fachmanns.
Wenn das erste Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes aus einem Thermoplastharz hergestellt wird, kann der Einsatz wie folgt erhalten worden sein:

– man stanzt ein Texturierungsmuster auf einer Oberfläche eines Elements, das aus einem Thermoplastharz hergestellt ist, derart, dass man einen ersten Teil des Einsatzes erhält, der eine Formoberfläche umfasst, die das Texturierungsmuster umfasst,
– man befestigt diesen ersten Teil auf der Oberfläche eines zweiten Elements, das aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist und einen zweiten Teil des Einsatzes bildet, so dass der erste Teil mit dem zweiten Teil des Einsatzes fest verbunden ist.

Die feste Verbindung des ersten Teils mit dem zweiten Teil des Einsatzes kann mit jedem mechanischen Mittel in der Reichweite des Fachmanns ausgeführt werden. Es kann sich zum Beispiel um ein Kleben handeln.
Andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Einsatzes, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben wird, sowie aus den Experimentalresultaten, die in den anliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in welchen:
1 schematisch und im Schnitt ein Werkzeug für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Einsatzes darstellt, bevor es zusammengefügt wird, sowie einen Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes darstellt.
2 schematisch und im Schnitt das in 1 dargestellte Werkzeug darstellt, nachdem es zusammengefügt wurde, und in dem der Teil des Einsatzes aufgenommen wurde.
3 schematisch und im Schnitt den erfindungsgemäßen Einsatz darstellt, der mit dem Werkzeug, das in den 1 und 2 dargestellt ist, erhalten wurde.
4 schematisch und im Schnitt den Teil des Einsatzes, der auf 3 eingekreist ist, darstellt.
Die 5a bis 5d schematisch und im Schnitt Einsätze darstellen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
6 eine Grafik des Temperaturanstiegs auf einem Einspritzzyklus in Abhängigkeit von der Zeit der Einsätze, die in den 5a bis 5d dargestellt sind, ist.
7 eine Grafik der Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit der Einsätze, die auf den 5a bis 5d dargestellt sind, während mehr als 25 Einspritzzyklen ist.
1 stellt schematisch und im Schnitt ein Werkzeug 17 zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Einsatzes 6 nach.
Dieses Werkzeug 17 umfasst ein erstes Element 1 aus Metall, in dem ein Hohlraum 19 eingerichtet ist, der dazu bestimmt ist, einen Block 2 aus Aluminium aufzunehmen, der einen zweiten Teil des erfindungsgemäßen Einsatzes 6 bildet.
In dem ersten Element 1 ist außerdem ein Kanal 16 angelegt, der eingerichtet ist, um ein Epoxidharz 9, das mit Aluminium mit einem Massegehalt von 60% gefüllt ist, bis zu dem Hohlraum 19 zu führen.
In dem Block 2 ist auch ein Kanal 18 angelegt, in dem das Harz 9 fließen wird.
Das erste Element 1 umfasst außerdem ein erstes Befestigungsmittel 5a.
Das Werkzeug 17 umfasst ein zweites Element 3, das aus Metall hergestellt ist. Das zweite Element 3 umfasst eine Form 4, die aus Silikon hergestellt ist, die an ihrer Oberfläche Texturierungsmuster 8 umfasst.
Das zweite Element 3 umfasst ein zweites Befestigungsmittel 5b, das ausgelegt ist, um mit dem ersten Befestigungsmittel 5a derart zusammenzuwirken, dass das erste Element 1 auf dem zweiten Element 3 des Werkzeugs 17 befestigt wird, um das Harz 9 gießen zu können.
Zum Herstellen des erfindungsgemäßen Einsatzes 6, wird der Block 2 in dem Hohlraum 19, wie das auf 2 sichtbar ist, aufgenommen. Der Kanal 16 des ersten Elements 1 des Werkzeugs 17 und der Kanal 18 des Blocks 2 sind derart eingerichtet, dass, wenn der Block 2 in dem Hohlraum 19 aufgenommen ist, der Kanal 18 in der Verlängerung des Kanals 16 liegt. Das zweite Element 3 ist an dem ersten Element 1 mit den ersten und zweiten Befestigungsmitteln 5a, 5b derart befestigt, dass das Werkzeug 17 zusammengefügt wird.
Danach wird Harz 9 unter Vakuum in den Hohlraum 19 gegossen, indem es durch den Kanal 18 des Blocks 2 läuft.
Nach dem Gießen des Harzes 9 erhält man einen erfindungsgemäßen Einsatz 6, der einen ersten Teil umfasst, der aus dem Harz 9 besteht, der fest mit einem zweiten Teil, der aus dem Block 2 aus Aluminium besteht, verbunden ist.
Wie das auf 4 sichtbar ist, weist dieser Einsatz 6 in dem ersten Teil, der aus Harz 9 hergestellt ist, eine Formoberfläche 20 auf, die Texturierungsmuster 7 umfasst. Diese Texturierungsmuster 7 haben Nanometermaße.
Die Texturierungsmuster 7 sind das Negativ der Texturierungsmuster 8 der Form aus Silikon 4.
Die 5a bis 5d stellen schematisch und im Schnitt Einsätze 15a bis 15d dar, die im Laufe der unten beschriebenen Experimente verwendet wurden.
Die Einsätze 15a bis 15d umfassen erste und zweite Befestigungsmittel 14a, 14b, die ausgelegt sind, um diese Einsätze 15a bis 15d in einem Formwerkzeug durch Einspritzen (nicht dargestellt, aber unten ausführlich beschrieben) zu verwenden.
Genauer genommen:

– besteht der Einsatz 15a aus Stahl 10,
– besteht der Einsatz 15b aus Epoxidharz 11 mit Aluminiumfüllstoff mit einem Massegehalt von 60%,
– besteht der Einsatz 15c aus einem ersten Teil, der aus Epoxidharz 11 mit Aluminiumfüllstoff mit einem Massegehalt von 60% hergestellt ist, und aus einem zweiten Teil, der aus Aluminium 12 hergestellt ist,
– besteht der Einsatz 15d aus Polycarbonat 13.

Experimentalteil:
Im Laufe der Experimente wurde ein Formwerkzeug verwendet, das Folgendes umfasste:

– eine Spritzgusspresse der Firma ENGEL, vermarktet unter der Handelsbezeichnung e-max 200/100,
– eine Form mit einer Karkasse aus Stahl XC48, in der eine Form und eine Gegenform, hergestellt aus Stahl 40 CMD8, vorbehandelt auf 110 kg/cm² gemäß einer AFNOR-Norm aufgenommen waren.

Ein Hohlraum, in dem die Einsätze 15a bis 15d nacheinander angeordnet wurden, war in der Form angelegt.
Die Einsätze 15a bis 15d wiesen eine Formoberfläche auf. Die Einsätze 15b und 15c umfassten außerdem ein Texturierungsmuster auf ihrer Formoberfläche.
Die Experimente wurden gemäß Standard-Einspritzbedingungen des Bereichs der Kunststofftechnik ausgeführt.
Der geschmolzene eingespritzte Polymerwerkstoff war Polystyrol, das von der Firma STYRON unter der Handelsbezeichnung STYRON^® 678E vermarktet wird.
Die Temperaturregulierung der Form wurde mit einer Wasserzirkulation mit Umgebungstemperatur erhalten.
Die Einspritztemperatur betrug 230°C, und der Haltedruck entsprach etwa 70% des Einspritzdrucks.
Die Einspritzgeschwindigkeit betrug 0,53 Sekunde.
Die Gesamtzeit des Einspritzzyklus betrug 20 Sekunden.
Im Laufe dieser Experimente wurden Temperaturen mit einem Thermoelement gemessen, das in das Formwerkzeug so eingeführt wurde, dass es in 3 mm von der Formoberfläche des getesteten Einsatzes 15a bis 15d lag, das daher mit dem Polystyrol in Schmelze im Laufe des Spritzgussformverfahrens in Berührung war. Ein isoliertes Thermoelement des Typs J der Firma BMS, vermarktet unter der Handelsbezeichnung TIO4J2100, gekoppelt mit einem Thermometer, vermarktet von der Firma TESTO unter der Handelsbezeichnung 735-2, wurden verwendet.
Im Laufe der Experimente war das Thermoelement direkt mit dem Steuersystem der Spritzgusspresse verbunden.
Die Temperaturen wurden in Abständen von 0,5 Sekunde aufgezeichnet.
Die Einsätze 15a, 15b und 15c aus Stahl, Epoxidharz mit Aluminiumfüllstoff und Polycarbonat sind Vergleichseinsätze des Einsatzes 15c gemäß der vorliegenden Erfindung, der zwei Teile umfasst, von welchen einer aus Harz und der zweite aus einem metallischen Element hergestellt ist.
Ausgehend von den Temperaturmessungen des Einsatzes 15c im Laufe der Zeit bei Einspritzzyklen und verglichen mit denen der Einsätze 15a, 15b und 15d, konnte daher die Reproduktionsqualität von Texturierungsmustern mit einem erfindungsgemäßen Einsatz abgeleitet werden.
Zuerst wurde der Temperaturanstieg der Einsätze 15a bis 15d im Laufe des ersten Einspritzzyklus des Polystyrols untersucht.
Auf 6 ist eine Grafik des Temperaturanstiegs in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, genauer genommen im Laufe eines Einspritzzyklus der Einsätze 15a bis 15d.
Man erkennt, dass der Einsatz 15a aus Stahl der ist, dessen Temperaturanstieg der schnellste ist. Mit anderen Worten reagiert der Einsatz 15a so gut wie sofort beim Einspritzen des geschmolzenen Polystyrols.
Der Einsatz 15b (der nur aus dem Epoxidharz 11 mit Aluminiumfüllstoff besteht) und der erfindungsgemäße Einsatz 15c haben einen Temperaturanstieg, der in Bezug zu dem Einsatz 15a aus Stahl versetzt ist. Wissend, dass die Einspritzzeit eines geschmolzenen Polymerwerkstoffs im Allgemeinen im Laufe eines Formprozesses durch Einspritzen niedriger ist als eine Sekunde, ist dieser Versatz des Temperaturanstiegs von etwa 2 Sekunden sehr günstig, denn er lässt eine akzeptable Zeit zum Füllen der Hohlräume der Texturierungsmuster der Einsätze 15b und 15c, bevor der Polymerwerkstoff (wie zum Beispiel das Polystyrol), der geschmolzen eingespritzt wird, erstarrt (mit anderen Worten abkühlt). Das garantiert eine gute Reproduktionsqualität der Texturierungsmuster. Je länger nämlich die Reaktionszeit des Einsatzes auf die Reparatur des geschmolzenen Polymerwerkstoffs ist, desto besser wird die Reproduktionsqualität der Texturierungsmuster der Formoberfläche des Einsatzes auf dem Teil, das aus Polymerwerkstoff geformt wird.
Mit den Einsätzen 15b und 15c wird daher der Hauteffekt vermieden.
Mit dem Einsatz 15d, der aus Polycarbonat besteht, stellt man im Laufe des ersten Einspritzzyklus keinen Temperaturanstieg fest. Wie unten mit der Grafik der 7 aufgezeigt wird, stellt man jedoch mit einem solchen Einsatz 15d aus Polycarbonat nach mehr als 25 Einspritzzyklen einen Temperaturanstieg des Einsatzes 15d, der höher ist als 100°C, fest.
Schlussfolgernd bezeugt die Grafik der 6, dass die Einsätze 15b und 15c zum Duplizieren der Qualität der Texturierungsmuster, die sie auf einem Polymerwerkstoff umfassen, im Laufe eines Spritzgussformverfahrens geeignet sind.
Die Grafik der 7 stellte die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit der Einsätze 15a bis 15d im Laufe mehrerer Einspritzzyklen (mindestens 25 Zyklen, wobei jede Sinuskurve einem Einspritzzyklus entspricht) von Polystyrol mit dem Spritzgussformwerkzeug, das oben beschrieben ist, dar.
Angesichts der Grafik 7, stellt man nach einer bestimmten Anzahl von Einspritzzyklen fest, dass die Temperatur dazu tendiert, sich für jeden der Einsätze 15a bis 15 zu stabilisieren. Diese Stabilisierungstemperatur ist:

– für den Einsatz 15d, der aus Polycarbonat besteht, leicht höher als 100°C, wobei diese hohe Stabilisierungstemperatur des Polycarbonats durch seine geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/mK erklärt werden kann,
– für den Einsatz 15b, der aus Epoxidharz mit Aluminiumfüllstoff besteht, etwa 90°,
– für den erfindungsgemäßen Einsatz 15c und den Einsatz 15a, der aus Stahl besteht, etwa 35°C.

Es muss in Erinnerung gerufen werden, dass die Gegenform des Formwerkzeugs aus Stahl besteht, was im Allgemeinen bei Spritzgussformwerkzeugen der Fall ist.
Angesichts des Unterschieds der Stabilisierungstemperatur zwischen der der Gegenform aus Stahl, die also etwa 35°C beträgt, und der des Einsatzes 15d aus Polycarbonat, die höher ist als 100°C, tritt, wenn das Polystyrolteil mit diesem Einsatz 15d geformt wird, ein Bimetall-Effekt auf, der zur Folge hat, dass es verformt wird.
Da der Unterschied zwischen den Stabilisierungstemperaturen der Gegenform aus Stahl und dem Einsatz 15b aus Epoxidharz mit Aluminiumfüllstoff geringer ist als mit dem Einsatz 15d aus Polycarbonat, tritt der Bimetall-Effekt in einem geringeren Ausmaß für ein Teil, das mit dem Einsatz 15b geformt wird, im Vergleich zu dem Teil, das mit dem Einsatz 15d aus Polycarbonat geformt wird, auf.
Auf 7 muss man angesichts der Quasi-Überlagerung der Kurven des Einsatzes 15a aus Stahl und des erfindungsgemäßen Einsatzes 15c vor allem hervorheben, dass der Bimetall-Effekt nicht auftritt, wenn das Polystyrolteil mit einem erfindungsgemäßen Einsatz 15c geformt wird. Der Einsatz 15c hat nämlich einen Temperaturanstieg und eine Stabilisierung der Temperatur, die denjenigen der Gegenform aus Stahl sehr ähnlich sind.
Die Grafik der 7 zeigt daher auf, dass es, um den Bimetall-Effekt zu vermeiden, besonders vorteilhaft ist, der die Verformung des Teils, das aus Polymerwerkstoff (zum Beispiel aus Polystyrol) geformt wird, einen erfindungsgemäßen Einsatz 15c zu verwenden, und dies:

– unter Umsetzen eines Spritzgussformverfahrens, das perfekt dem Standard entspricht, das heißt, das keine relativ langen und mühseligen Abkühlschritte erfordert, die den Produktionstakt verlangsamen und die Dauer der Einspritzzyklen erhöhen,
– unter Verwenden von Standardformwerkzeugen, deren Gegenform nämlich aus Stahl besteht.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2181824 A1 [0017, 0019]
FR 2991312 A1 [0018, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO 75 [0056]
Norm ISO 868 [0063]
Norm ISO 868 [0064]

Claims

Einsatz (6) für Spritzgussform, der zum Herstellen von Teilen aus Polymerwerkstoff bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass er Folgendes umfasst: – einen ersten Teil (9), der aus einem wärmehärtbaren Harz hergestellt ist, wobei der erste Teil eine Formoberfläche (20) umfasst, die mindestens ein Texturierungsmuster (7) umfasst, – einen zweiten Teil (2), der aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist, wobei der zweite Teil (2) des Einsatzes (6) mindestens eine Oberfläche umfasst, die mit dem ersten Teil (9) des Einsatzes (6) in Berührung ist.
Einsatz (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz eine Glasübergangstemperatur gleich oder größer als 150°C hat.
Einsatz (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zweiten Teils (2) des Einsatzes (6), die mit dem ersten Teil (9) des Einsatzes in Berührung ist, Rillen umfasst, die derart ausgelegt sind, dass sie den ersten Teil (9) und den zweiten Teil (2) des Einsatzes (6) durch ein mechanisches Verhaken fest verbinden.
Einsatz (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (2) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 150 W/mK hat.
Einsatz (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (9) ein Epoxidharz ist.
Einsatz (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz (9) außerdem Füllstoffe umfasst.
Einsatz (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseprozentsatz der Füllstoffe in dem Harz (9) zwischen 30% und 70% liegt.
Form zum Spritzgussformen von Teilen aus Polymerwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Einsatz (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.