DE2501991C3 - Gieß- oder Spritzgießform zum Herstellen von Formkörpern aus Kunststoff sowie Verfahren zur Herstellung derartiger Formen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gieß- oder Spritzgießform zum Herstellen von Formkörpern mit optischer Oberflächenqualität, wie Brillenscheiben, Schweißerschutzscheiben oder dergleichen, aus Kunststoff, wobei die mit der Kunststoffmasse in Berührung kommenden, den Formhohlraum begrenzenden Formgebungsteile aus gehärtetem Glas hergestellt sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen derartiger Glasformen.

Durch die FR-PS 11 33 705 sind bereits Gießformen zur Herstellung von Kunststoff-Formkörpern im Gießverfahren, insbesondere Brillenscheiben, bekanntgeworden, bei denen die durch einen elastischen Distanzring zusammengehaltenen Formhälften oder Formgebungsteile aus thermisch gehärtetem Glas bestehen. Die thermische Härtung, welche erforderlich ist, um den Formgebungsteilen die gewünschte mechanische Festigkeit zu geben, hat den Nachteil, daß die Formhälften nach dem Härtungsvorgang nochmals nachbearbeitet, also geschliffen und poliert, werden müssen, weil bei der thermischen Härtung sowohl die geometrische Form als auch die Oberflächenstruktur der Formgebungsflächen der Formhälften nicht in der gewünschten optischen Qualität erhalten bleibt. Außerdem hat es sich gezeigt, daß auch thermisch gehärtete Glas-Formgebungsteile den mechanischen Anforderungen, die beim Gießverfahren auftreten, nicht voll genügen. Bei derartigen Gießverfahren, bei denen Formkörper beispielsweise aus wärmehärteiiden Harzen auf Diallyldiglykolcarbonat-Basis, beispielsweise aus dem unter dem Handelsnamen CR 39 bekannten Harz, hergestellt werden, treten nämlich insbesondere bei der Herstellung von Brillenscheiben oder Linsen mit

ίο starker Krümmung, also hoher Dioptrienzahl, sehr starke Scher- und Biegebeanspruchungen der Formgebungsflächen auf. Ursache ist die Volumen-Schrumpfung von ca. 13% während der Polymerisation. Die Größe der Zug- und Druckspannungen lassen sich daraus abschätzen, daß beispielsweise bei Kunststofflinsen mit einem Durchmesser von 65 mm nach dem Entformen der fertiggegossenen und auspolymerisierten Formkörper ein Schrumpfen von nicht weniger als 0,3 bis 0,4 mm beobachtet wird.

Glasformen, insbesondere thermisch gehärtete Glasformen, weisen auch nicht die beim Spritzgießverfahren erforderliche mechanische Festigkeit auf, so daß bereits versucht worden ist (DT-OS 22 04 830), in Spritzgießformen zum Herstellen von Formkörpern aus Kunststoff, insbesondere zum Herstellen von Brillenscheiben aus Kunststoff mit optischen Oberflächen, die plan sein können oder eine vorbestimmte Krümmung aufweisen können, als Material für die Formhälften oder Formgebunjsteile Glaskeramik zu verwenden. Die Verwendung der Glaskeramik für die Formeneinsätze von Spritzgießformen dieser Art hat den Vorteil, daß durch das Null-Ausdehnungsverhalten der Glaskeramik auch die beim Spritzgießverfahren auftretenden höchsten thermischen Belastungen gut aufgefangen werden können.

Es hat sich aber gezeigt, daß selbst Glaskeramik trotz der an sich vorhandenen guten mechanischen Belastbarkeit zum Spritzgießen von Formkörpern, die größer sind als Brillenscheiben, nicht immer geeignet ist. Bei großen Scheibendurchmessern treten nämlich derartig starke mechanische Belastungen der Formhälften auf, daß Glaskeramik diese Belastungen nicht auffangen kann, wodurch die teuren Formeneinsätze in kurzer Zeit zu Bruch gehen und ersetzt werden müssen.

Ausgehend von dem vorstehend abgehandelten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gieß- sowie Spritzgießform und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Formen anzugeben, durch welche die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden können, wobei also ein Formhälften- oder Formgebungsteil-Material angegeben werden soll, welches den hohen mechanischen Belastungen gewachsen ist, wie sie bei der Herstellung von Linsen ungewöhnlicher Dicke oder mit geringem Krümmungsradius im

5.S Gießverfahren sowie beim Spritzgießen von Formkörpern sehr großen Querschnittes auftreten. Die Herstellung der Gieß- oder Spritzgießformen soll dabei mit möglichst geringen Kosten und in möglichst wenigen Arbeitsgängen erfolgen.

to Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Gießoder Spritzgießform der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die Formgebungsteile aus chemisch gehärtetem Glas bestehen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen

<>■< einer Gieß- oder Spritzgießform der genannten Art, bei dem die Formgebungsteile gehärtet und ihre Formgebungsflächen zur Erzielung der optischen Oberflächenqualität geschliffen und poliert werden, zeichnet sich

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dadurch aus, daß zunächst die Formgebungsflachen der Formgebungsteile fertig bearbeitet und anschließend die Formgebungsteile unterhalb der Transformationstemperatur des verwendeten Glases chemisch gehärtet werden.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird also in überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, daß als Material für die Formhälfien bzw. Formgebungsteile von Gieß- oder Spritzgießformen chemisch gehärtetes Glas verwendet wird. Es hat sich herausgestellt, daß chemisch gehärtetes Glas im Gegensatz zu ungehärtetem Glas, zu thermisch gehärtetem Glas sowie zu Glaskeramik über die erforderliche mechanische Belastbarkeit verfügt. Derartige Glasformen werden nicht nur den Anforderungen beim Gießen von optischen Formkörpern ungewöhnlicher Dicke oder mit kleinem Krümmungsradius gerecht, sondern eignen sich auch zum Spritzgießen von Formkörpern sehr großen Querschnittes. Die Herstellung der Formgebungsteile oder Formhälften gestaltet sich sehr einfach, weil nämlich die Formhälften vor dem Härten fertig bearbeitet, also geschliffen und/oder poliert werden können, woraufhin dann beim chemischen Härten keinerlei Veränderung der Formgebungsflächen mehr erfolgt.

Die Erkenntnis, daß chemisch gehärtetes Glas sich ausgezeichnet zur Verwendung für die Formhälften oder Formgebungsteile im Gieß- oder Spritzgießverfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Kunststoffen eignet, ist vollkommen überraschend, da der Fachmann annehmen mußte, daß eine Verbesserung der Eigenschaften von thermisch gehärtetem Glas oder aber von Glaskeramik nicht mehr erreicht werden konnte. Offenbar beruht die überraschende Eignung von chemisch gehärtetem Glas darauf, daß durch den nur an den Glasoberflächen erfolgenden ionenaustausch eine besondere Zähigkeit und Festigkeit gegenüber Scher- und Zugbeanspruchungen an der Formgebungsoberfläche erreicht wird, wie sie für den Anwendungszweck im Formwerkzeugbau besonders erforderlich ist.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand von zwei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Gieß- oder Spritzgießform mit Hilfe der schematischen Zeichnung im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Gießform nach der Erfindung mit zwei aus chemisch gehärtetem Glas bestehenden Formgebungsteilen im Längsschnitt,

F i g. 2 eine Spritzgießform mit zwei Formgebungsteilen aus chemisch gehärtetem Glas, ebenfalls im Längsschnitt.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Gießform 10, die zur Herstellung von Formkörpern mit optischer Oberflächenqualität, insbesondere von Brillenscheiben mit hoher Dioptrienzahl und dementsprechend starker Krümmung, im Gießverfahren dient — beispielsweise zur Herstellung von Brillenscheiben aus einem wärmehärtenden Harz auf Diallyldiglykolcarbonat-Basis, zum Beispiel dem unter dem Handelsnamen CR 39 bekannten Harz —, weist zwei die Formhälften bildenden Formgebungsteile 12, 14 auf, die aus chemisch gehärtetem Glas bestehen. Die beiden Formgebungsteile 12, 14 sind am Rand durch einen elastischen Distanzring 16 bekannter Art zusammengehalten. Zusammen mit dem Distanzring bilden die aus chemisch gehärtetem Glas bestehenden Formgebungsteile 12, 14 einen Formhohlraum 18, in dem sich die Kunststoffmasse, aus welcher die Brillenscheibe oder Linse gebildet werden soll, befindet. Die Formgebungsteile 12,14 sind in F i g. 1 in Schrägschraffur dargestellt Der Distanzring 16 ist in Kreuzschraffur gezeigt, während der Formhohlraum 18, der mit der zu polymerisierenden Kunststoffmasse gefüllt ist, mit einer Punktschraffur versehen ist

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich um eine Spritzgießform zur

ίο Herstellung planer Brillen- oder Schutzscheiben großen Durchmessers. Die im ganzen mit 20 bezeichnete Spritzgießform weist als Formgebungsteile zwei aus chemisch gehärtetem Glas nach der Erfindung bestehende Formhälften 22,24 auf, die einen Formhohlraum 26 einschließen. Die Formhälften 22, 24 der Spritzgießform 20 sind in Schrägschraffur dargestellt, während der Formhohlraum 26 in Punktschraffur gezeigt ist

Die Formhälften 22, 24 der in Fig.2 gezeigten Spritzgießform 20 sind mittels jeweils eines konischen Halteringes 28, 30 auf Formenplatten 32, 34 einer Stahl-Stammform lösbar befestigt

Wie die Zeichnung zeigt, ist der Formhohlraum 26 der Spritzgießform 20 außer am Rande ausschließlich von den aus chemisch gehärtetem Glas bestehenden Formhälften 22, 24 begrenzt. In stark übertriebenem Maßstab ist in der Zeichnung dargestellt, daß die Formhälften 22,24 wegen nicht vermeidbarer Unebenheiten der Oberfläche der Stahl-Stammform nicht auf ihrer gesamten Fläche dicht an dieser anliegen können, so daß sich lokal Bereiche ergeben, in denen die gesamte beim Spritzgießen auf die Formhälften 22,24 ausgeübte Druckkraft (ca. 1500kp/cm² Druck bei großflächigen Kunststoffscheiben) voll durch die Formhälften 22, 24 aufgenommen werden muß. Ein wesentlicher Vorteil für

.15 die Formhälften von Spritzgießformen chemisch gehärtetes Glas zu verwenden, besteht darin, daß die Formhälften 22,24 auch bei großflächigen Brillenscheiben oder dergleichen diese Spannungen ohne weiteres aushalten können.

Als Material für die in Fig. 1 und 2 gezeigten Formgebungsteile bzw. Formhälften 12,14, 22, 24 kann beispielsweise mit besonderem Vorteil das in der DT-OS 22 05 844 beschriebene Glas verwendet werden, welches, in Gew.-%, 50,5 bis 61,0% SiO₂, 7,0 bis 17,5% Al₂O₃,2,0 bis 6,1% B₂Oj, 0 bis 1,0% Li₂O, 12,0 bis 15,0% Na₂0,2,5 bis 3,5% K₂0,0 bis 4,1 % CaO, 0 bis 0,3% BaO, 5,0 bis 10,0% ZnO, 0 bis 0,5% PbO, 0,1 bis 0,9% TiO₂, 0 bis 0,5% As₂O₃ und 0 bis 1,0% Sb₂O₃ enthält, wobei die Summe der Alkalioxide 14,5 bis 18,0Gew.-% beträgt, die Summe von CaO, BaO und ZnO kleiner als 10 und größer als 6,3Gew.-% ist und As₂O₃ und Sb₂O₃ alternativ zur Läuterung benutzt werden. Die Herstellung der Formgebungsteile bzw. Formhälften erfolgt in der Weise, daß diese aus einem chemisch härtbaren Glas zunächst in der gewünschten Form hergestellt und an ihren Formgebungsflächen zur Erzielung der gewünschten optischen Oberflächenquaiität geschliffen und poliert werden. Anschließend erfolgt die chemische Härtung der Formhälften, wobei keinerlei Beeinträchti-

ho gung der bereits hergestellten optischen Oberflächenquaiität, weder bezüglich der Oberflächenstruktur noch bezüglich der Form eintritt, weil die chemische Härtung unterhalb der Transformationstemperatur des Glases ausgeführt werden kann, wodurch sich im Gegensatz

(>·"ι zur thermischen Härtung keinerlei Veränderungen der Formgebungseigenschaften mehr ergeben. Zur chemischen Härtung werden die fertig geschliffenen und polierten Formgebungsteile bzw. Formhälften 12, 14,

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22, 24 insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 450⁰C und 370⁰C, der für die Formtreue des Glaskörpers besonders vorteilhaft ist, in ein im wesentlichen aus Kaliumnitrat bestehendes Schmelzbad eingetaucht. Dem Schmelzbad werden 0,1 bis 2,0Gew.-% Kaliumdihydrogenphosphat (KH₂PO₄) zugesetzt, wobei sich ein Zusatz von 0,25Gew.-% KH2PO4 besonders bewährt hat. Die sich bei einem Zusatz von 0,1 bis 2 Gew.-% in der Salzschmelze ergebenden Gew.-% von P₂Os können dabei in Form anderer Phosphorverbindungen eingebracht werden, vorzugsweise als Phosphorpentoxid, als saure Phosphate oder als Polyphosphate bzw. Polyphosphorsäuren.

Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung chemisch gehärteter Formgebungsleüe bzw. Formhälften sowohl beim reinen Gießverfahren als auch beim Spritzgußverfahren, bei dem die Brillenscheiben oder dergleichen aus thermoplastischem Material mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden können, beträchtliche Vorteile mit sich bringt. Diese Vorteile bestehen zunächst einmal darin, daß die Herstellung der Formhälften nur geringe Kosten verursacht, weil nämlich nach der chemischen Härtung keine Nachbearbeitung der vorher fertiggeschliffenen und polierten Formgebungsflächen mehr erforderlich ist. Außerdem hat es sich gezeigt, daß beim Gießverfahren, und zwar insbesondere bei der Herstellung von Linsen mit starker Krümmung, also bei hoher Dioptrienzahl, keine muschelförmigen Ausbrüche an den Formgebungsflächen auftreten, wie sie bei Verwendung ungehärteter Formhälften, aber auch bei Verwendung von Glaskeramik-Formhälften beobachtet werden. Dies dürfte darauf zurückzuführen sein, daß die chemische Härtung zu einer besonderen Festigkeit der Formgebungsflächen gegenüber Scherbeanspruchungen führt, hervorgerufen durch die bei der chemischen Härtung erzeugte Festigkeit der Oberflächenschicht gegenüber Zugspannungen, die auf den Ionenaustausch zurückzuführen ist. Beim Spritzgießverfahren hingegen können, im Gegensatz zu mit Glaskeramik-Einsätzen arbeitenden Spritzgießformen bekannter Art, auch Brillenscheiben mit sehr großem Durchmesser hergestellt werden, ohne daß ein Zerbrechen der Formhälften infolge des hohen Spritzgießdruckes und der beim Abkühlen des Spritzlings auftretenden Zugspannungen durch Volumenkontraktion zu besorgen wäre. Dabei werden beim Spritzgießverfahren Spritzdrucke von bis zu 1500 kp/cm² ohne weiteres aufgefangen, während bei dem vorstehend abgehandelten Gießverfahren durch die Formhälften Scherbeanspruchungen ohne weiteres ertragen werden, deren Größe sich daraus abschätzen läßt, daß die fertigen Formkörper bei einem Durchmesser von beispielsweise 65 mm nach dem Ausformen um 0,3 bis 0,4 mm in Radiusrichtung schrumpfen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

25 Ol 991 Patentansprüche:

1. Gieß- oder Spritzgießform zum Herstellen von Formkörpern mit optischer Oberfiächenqualität, wie Brillenscheiben, Schweißerschutzscheiben oder dergleichen, aus Kunststoff, wobei die mit der Kunststoffmasse in Berührung kommenden, den Formhohlraum begrenzenden Formgebungsteile aus gehärtetem Glas hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebungsteile (12, 14, 22, 24) aus chemisch gehärtetem Glas bestehen.

2. Verfahren zum Herstellen von Gieß- oder Spritzgießformen nach Anspruch 1, bei dem die Formgibungsteile gehärtet und ihre Formgebungsflächen zur Erzielung der optischen Oberflächenqualität geschliffen und poliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Formgeburigsflächen der Formgebungsteile fertig bearbeitet und anschließend die Formgebungsteile unterhalb der Transformationstemperatur des verwendeten Glases chemisch gehärtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Härtung durch Ionenaustausch in einem Schmelzbad durchgeführt wird, welches in der Hauptsache aus KNO3 besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schmelzbad 0,1 bis 2,0 Gew.-% KH₂PO₄ zugesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Zusatz von 0,25 Gew.-°/o KH₂PO₄ zum Schmelzbad.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich bei einem Zusatz von 0,1 bis 2,0 Gew.-% KH₂PO₄ in der Salzschmelze des Schmelzbades ergebenden Gewichtsprozente von P₂Os in Form anderer Phosphorverbindungen eingebracht werden, vorzugsweise als Phosphorpentoxid, als saure Phosphate oder als Polyphosphate bzw. Polyphosphorsäuren.