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Verfahren zum Spritzprägen von Kunststoffteilen
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auf einer Spritzgießmaschine und Spritzgießmaschine hierfür Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Spritzprägen von Kunststoffteilen auf einer Spritzgießmaschine
mit einer Formschließvorrichtung, die einen Kniehebelmechanismus und ein hydraulisches
Druckkissen umfasst, bei dem die die Formhöhlung bildenden Werkzeugplatten des Formwerkzeuges
zunächst mittels des Kniehebelmechanismus in die Nähe der Schließstellung gefahren
werden, anschließend flüssiges oder plastisches Kunststoffmaterial in die Formhöhlung
der Formwerkzeuges eingespritzt wird und schließlich durch Anhebung des Hydraulikdruckes
im Druckkissen auf einen bestimmten Wert die Werkzeugplatten um einen bestimmten
Betrag einander noch weiter genähert werden.
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Spritzprägeverfahren der vorstehend genannten Art sind bekannt (vgl.
DE-OS 25 16 018). Bei diesen Verfahren wird durch den Kniehebelmechanismus, der
für die rasche Schließung des Formwerkzeuges sorgt, das Formwerkzeug auf einen Zustand
eingestellt, in welchem sich die Werkzeugplatten noch um den Spritzprägehub voneinander
entfernt befinden. Anschließend wird Kunststoffmaterial in die vom Formwerkzeug
umschlossene Formhöhlung eingespritzt, woraufhin durch Druckbeaufschlagung des Druckkissens
die Werkzeugplatten um den voreingestellten
Spritzprägehub vollends
gegeneinander gefahren und dadurch das in der Formhöhlung befindliche Kunststoffmaterial
ausgeformt und geprägt wird.
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Bei der Herstellung bestimmter Kunststoffartikel, insbesondere von
Kunststofflinsen für die optische Industrie wird bezüglich der Einstellung des Spritzprägehubes
eine außerordnetlich hohe Genauigkeit gefordert, da der Brechungsindex der hierfür
verwendeten Kunststoffmaterialien wesentlich von der beim Herstellungsvorgang erzielten
Dichte des Kunststoffartikels abhängt. Hinzu kommt, daß aufgrund der geringen Abmessungen
solcher optischer Teile und aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Kunststoffmaterialien,
d.h. der Dichteänderungen beim Spritzprägehub, Spritzprägehübe von o,1 mm und weniger
gefordert werden. Derartig kleine Spritzprägehübe erfordern aber naturgemäß eine
außerordentlich hohe Sorgfalt bei der Einstellung der Formschließvorrichtung und
der Formwerkzeuges. Trotzdem lässt sich häufig auch bei Aufstellung der entsprechenden
Spritzgießmaschinen in klimatisierten Räumen eine unerwünschte Veränderung des eingestellten
Spritzprägehubes nicht vermeiden, sodaß die hergestellten Kunststoffartikel nicht
den gestellten Anforderungen entsprechen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine dazu geeignete Spritzgießmaschine vorzuschlagen, mit denen es möglich ist,
Spritzprägehübe in der genannten Grössenordnung sicher zu beherrschen und somit
Kunststoffartikel gleichbleibender Qualität, z.B. optische Linsen mit gleichbleibendem
Brechungsindex, herzustellen.
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In einer ersten grundsätzlichen Verfahrensführung ~ und ausgehend
von dem eingangs geschilderten bekannten Verfahren schlägt die Erfindung hierzu
vor, daß die Werkzeugplatten vor dem Einspritzen des Kunststoffmaterials durch Erhöhen
des Hydraulikdruckes im Druckkissen auf eine erste Druckstufe zur gegenseitigen
Anlage gebracht und mit einer
über der Formauftriebskraft liegenden
Schließkraft aneinander gedrückt werden, und daß nach dem Einspritzen des Kunststoffmaterials
durch weiteres Erhöhen des Hydraulikdruckes im Druckkissen auf eine zweite Druckstufe
durch Ausnutzung einer elastischen Verformung des Formwerkzeuges die Formhöhlung
um den gewünschten Spritzprägehub verkleinert wird.
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Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird somit nicht das Formwerkzeug
durch die Formschließvorrichtung so eingestellt, daß die Werkzeugplatten noch um
den gewünschten Spritzprägehub voneinander entfernt liegen. Vielmehr werden die
Werkzeugplatten von vornherein durch eine entsprechende Beaufschlagung des Druckkissens
mit Hydraulikdruck einer ersten Druckstufe zur gegenseitigen Anlage gebracht, wobei
eine Schließkraft erzeugt wird, die über der Formauftriebskraft liegt. Hierdurch
ist sichergestellt, daß bei dem darauffolgenden Einspritzen des Kunststoffmaterials
in die Formhöhlung das Formwerkzeug tatsächlich voll geschlossen bleibt.
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Anschließend an das Einspritzen des Kunststoffmaterials und mit dem
Beginn des Nachdruckes wird der im Druckkissen herrschende Druck auf eine zweite
Druckstufe, dem sogenannten Prägedruck, erhöht. Diese Druckerhöhung führt zu einer
auf dem Formwerkzeug lastenden Kraft, die erheblich über der zuvor schon darauf
lastenden Schließkraft liegt. Sie resultiert in einer elastischen Verformung des
Formwerkzeuges im Sinne einer Verkleinerung der Formhöhlung bzw. einer weiteren
Annäherung der Werkzeugplatten um den gewünschten geringen Spritzprägehub.
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Bei einem gegebenen Formwerkzeug lässt sich der notwendige "Prägedruck"
empirisch ermitteln, der zu der elastischen Verformung des Formwerkzeuges führt,
welche dem Spritzprägehub entspricht. Um den Prägedruck in Grenzen zu halten, ist
bei einer Spritzgießmaschine mit einer aus einem Kniehebelmechanismus und einem
hydraulischen Druckkissen bestehenden Formschließvorrichtung und mit einem aus mehreren,
die Formhöhlung bildenden Werkzeugplatten bestehenden Formwerkzeug erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die Spritzgießmaschine
mit einer Steuereinrichtung
ausgestattet ist, die eine Einstellung des auf das Druckkissen wirkenden Hydraulikdruckes
auf zwei verschiedene bestimmte Druckstufen erlaubt und daß das Formwerkzeug ein
elastisches Element enthält, welches so bemessen ist, daß es bei Erhöhung von der
ersten auf die zweite Druckstufe des auf das Druckkissen wirkenden Druckes noch
eine dem gewünschten Spritzprägehub entsprechende Zusammendrückung des Formwerkzeuges
zulässt.
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Nach einer zweckmässigen Ausgestaltung wird-dieses elastische Element
durch eine Reihe von parallel angeordneten Tellerfedern gebildet, die z.B. bei einem
Dreiplattenwerkzeug zwischen dessen beiden beweglichen Werkzeugplatten angeordnet
sind. Tellerfedern haben bekanntlich eine sehr hohe Federsteifigkeit bei geringem
Federweg und sind daher in der Lage, die über der Formauftriebskraft liegende Schließkraft
des Druckkissens aufzunehmen, darüber hinaus aber bei Erhöhung des Druckes auf den
"Prägedruck" noch einen weiteren vorherberechenbaren Federweg entsprechend dem gewünschten
Spritzprägehub zuzulassen. ~~~~~~~~ Nach einer weiteren grundsätzlichen Verfahrensführung
im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls von dem eingangs geschilderten
bekannten Verfahren ausgegangen.
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Die Erfindung sieht hierbei jedoch in Abweichung von der vorstehend
genannten ersten Verfahrensführung vor, daß die Werkzeugplatten vor dem Einspritzen
des Kunststoffmaterials durch Erhöhen des Hydraulikdruckes im Druckkissen auf eine
erste Druckstufe zur gegenseitigen Anlage gebracht und mit einer derart auf die
Formauftriebskraft abgestimmten Schließkraft aneinandergedrückt werden, daß die
Werkzeugplatten durch die Formauftriebskraft beim Einspritzen des Kunststoffmaterials
um einen bestimmten Betrag wieder voneinander entfernt werden, und daß nach dem
Einspritzen des Kunststoffmaterials durch weiteres Erhöhen des Hydraulikdruckes
im Druckkissen auf eine zweite Druckstufe die Werkzeugplatten zumindest um einen
Teil des Betrages, um den sie sich beim
Einspritzen voneinander
entfernt haben, wieder einander genähert werden.
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Bei dieser zweiten Verfahrensführung wird bewusst ein messbares "Aufatmen"
des Formwerkzeuges unter dem Einfluß des Einspritzdruckes zugelassen. Der Betrag
dieses "Aufatmens" kann durch entsprechende Abstimmung der Formschließkraft, d.h.
des im Druckkissen herrschenden HydrauliR-druckes, und des Einspritzdruckes bestimmt
werden. Dabei wird zweckmässigerweise so vorgegangen, daß der Betrag des "Aufatmens"
so festgelegt wird, daß durch die Erhöhung des Hydraulikdruckes auf die zweite Druckstufe
dieser Betrag gerade wieder aufgezehrt wird, d.h. die Werkzeugplatten wieder zur
gegenseitigen Anlage gebracht werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Vielmehr kann die Abstimmung von Hydraulikdruck im Druckkissen und Einspritzdruck
auch so erfolgen, daß die Werkzeugplatten sich um einen grösseren Betrag voneinander
entfernen als er nach der Erhöhung des iiydraulikdruckes im Druckkissen auf die
zweite Druckstufe wieder rückgängig gemacht wird.
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Wenn der Spritzprägehub sehr klein ist, wie das bei den hier betrachteten
Verfahren vorzugsweise der Fall ist, kann ein Aufatmen des Formwerkzeuges um den
Betrag des Spritzprägehubes und auch darüber bei bestimmten kunststoffmaterialien
zugelassen werden, ohne daß Tauchkantenwerkzeuge erforderlich sind und ohne daß
an den fertigen Gießteilen Spritzgrate in der Werkzeugtrennebene zu erwarten sind.
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Lassen die verwendeten Kunststoffmaterialien oder die Grösse des gewünschten
Spritzprägehubes (z.B. mehr als 0,5 mm) dies jedoch nicht zu, so muß auf Tauchkantenwerkzeuge
ausgewichen werden.
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Der wesentliche, durch die Erfindung vermittelte Vorteil in beiden
geschilderten Verfahrensführungen besteht darin, daß durch die Bestimmung des Spritzprägehubes
durch die elastische Verformung des Formwerkzeuges bzw. durch das gezielte "Aufatmen"
des Formwerkzeuges unter dem Einfluß der gegeneinander
abgestimmten
Formschließkraft und der Formauftriebskraft eine sehr weitgehende Reproduzierbarkeit
des gewünschten Spritzprägehubes die Folge ist. Denn in beiden Verfahrensführungen
nach der Erfindung werden den Spritzprägehub bisher verfälschende Einflüsse, wie
die Kompressibilität des Hydraulikmediums, die elastische Verformung des Formwerkzeuges
und der ganzen Formschließvorrichtung usw. bereits berücksichtigt. Die Ausschußquoten
aufgrund ungenauer Einhaltung des Spritzprägehubes, die bei den bekannten Verfahren
bis zu 30 % betragen, können daher drastisch gesenkt werden. Bei Spritzprägehüben
in der Grössenordnung von wenigen hundertstel Millimeter ist es durch das erfindungsmässe
Verfahren überhaupt erstmals möglich, gezielt und reproduzierbar den Spritzprägehub
einzustellen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine
rein schematische Draufsicht auf die Formschließeinrichtung einer Spritzgießmaschine
mit einem Schaltschema für die hydraulische Druckbeaufschlagung; Fig. 2 einen schematischen
Längsschnitt durch ein Formwerkzeug, das im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens
zur Anwendung kommt, und Fig. 3 ein Diagramm, das den Druckverlauf im Druckkissen
beim Einspritz- und Prägevorgang veranschaulicht.
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Die Darstellung in Fig. 1 zeigt rein schematisch Holme 1, 2 der Spritzgießmaschine,
auf denen eine Endplatte 3 und eine
bewegliche Werkzeugaufspannplatte
4 verschiebbar gelagert sind. Der beweglichen Werkzeugaufspannplatte 4 liegt gegenüber
eine feststehende Werkzeugaufspannplatte 5. Beide tragen Formhälften 6, 7 eines
Formwerkzeuges. Ein Spritzzylinder 8 zum Einspritzen von Kunststoffmaterial in die
Formhöhlung 9 des Formwerkzeuges 6, 7 (Fig. 2) ist nur angedeutet.
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Die Endplatte 3 trägt einen ebenfalls nur schematisch gezeichneten
Kniehebelmechanismus 1o bekannter Bauart und stützt sich mit ihrer dem Kniehebelmechanismus
1o abgewendeten Seite auf einem im Ganzen mit 11 bezeichneten Druckkissen ab, das
gegen eine Verschiebung nach hinten auf den Holmen durch Stützelemente 12 gesichert
ist. Das Druckkissen 11, das beispielsweise nach der eingangs erwähnten DE-OS 25
16 o18 gestaltet ist, enthält KOlben-Zylinder-Anordnungen 13, die durch eine im
Ganzen mit 14 bezeichnete hydraulische Schaltungsanordnung im Rahmen des Maschinenprogramms
wahlweise mit zwei Druckstufen P1 und P2 beaufschlagbar sind. Die von den Kolben-Zylinder-Anordnungen
13 auf die Endplatte 3 ausgeübte Schließ- bzw. Prägekraft wird durch den in Strecklage
befindlichen Kniehebelmechanismus 10 auf das Formwerkzeug 6, 7 übertragen.
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Die Fig. 2 zeigt das Formwerkzeug 6, 7 im Längsschnitt und in grösserem
Maßstab. Es handelt sich um ein Tauchkantenwerkzeug zur Herstellung einer optischen
Linse. In der die Trennebene definierenden einen Fläche 15 der beweglichen Werkzeugplatte
6 sind um die Formhöhlung 9 herum verteilt Ausnellmungen 16 zur Aufnahme von Tellerfedern
17 angeordnet.
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Die Tellerfedern 17 sind so vorberechnet und bemessen, daß sie eine
gegenseitige Anlage der die Trennebene definierende Flächen 15 bzw. 18 der Werkzeugplatten
6, 7 auch bei Aufbringung der Schließkraft durch das Druckkissen 11 verhindern.
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Bei der Darstellung in Fig. 3 ist davon ausgegangen, daß der Kniehebelmechanismus
10 bereits in die Strecklage gefahren ist. Programmgesteuert werden nunmehr über
entsprechende
Einstellung der Schaltungsanordnung 14 die Kolben-Zylinder-Anordnungen
13 des Druckkissens 11 mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt, der die Werkzeugplatten~6,
7 mit der für die Werkzeugzuhaltung notwendigen Schließkraft gegeneinander drückt.
Dieser Druck ist mit Schließ bezeichnet. Unter diesem Druck werden die Tellerfedern
16 um ein vorberechnetes Maß zusammengedrückt, sodaß sich die Werkzeugplatten 6,
7 um einen entsprechenden Wert einander nähern.
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Nunmehr wird Kunststoffmaterial aus dem Spritzzylinder 8 in die Formhöhlung
9 in einer entsprechenden Menge eingespritzt. Anschließend wird programmgesteuert
in bekannter Weise der Nachdruck auf die in der Formhöhlung 9 befindliche Kunststoffmasse
ausgeübt. Mit der Einstellung des Nachdruckes wird durch entsprechende Umschaltung
der Schaltungsanordnung 14 der auf die Kolben-Zylinder-Anordnungen 13 wirkende Hydraulikdruck
auf die zweite Druckstufe (Pprägen) angehoben, sodaß nunmehr die Werkzeugplatten
6, 7 gegen den Widerstand der Tellerfedern 16 einander noch weiter angenähert werden
und auf diese Weise der Spritzprägehub ausgeführt wird. Die zweite Druckstufe Pprägen
und die Gesamtpragen steifigkeit der Tellerfedern 16 ist so berechnet und bemessen,
daß die weitere Annäherung exakt dem gewünschten Spritzprägehub von beispielsweise
o,1 mm entspricht.
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Anstelle der Tellerfedern, die zwischen den beweglichen Werkzeugplatten
aufgespannt sind, ist es auch möglich, die Werkzeugplatten sich aufeinander unmittelbar
mit genau definierten Ringflächen abstützen zu lassen, die bei Erhöhung des Hydraulikdruckes
in dem Druckkissen 11 eine dem Spritzprägehub entsprechende genau definierte elastische
Verformung zulassen.
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Mittels der vorstehend geschilderten Ausgestaltung der Spritzgießmaschine
unter Anwendung der beschriebenen Vorgangsweise ist es möglich, reproduzierbar auch
geringste Spritzprägehübe in der Grössenordnung von wenigen hundertstel Millimeter
auszuführen, ohne daß es zeitraubender und sorgfältiger Einstellarbeiten an der
Formschließvorrichtung bedarf.
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Die vorstehend beschriebene Verfahrensweise entspricht der eingangs
geschilderten ersten Verfahrensführung nach der Erfindung, bei der eine elastische
Verformbarkeit des Formwerkzeuges zur Definition des Spritzprägehubes ausgenützt
wird. Die zweite Verfahrensführung, bei der ein gezieltes ~Aufatmen" des Werkzeuges
zur Definition des Spritzprägehubes zugelassen wird, lässt sich im wesentlichen
ohne Bezugnahme auf ein elastisches Verformungsverhalten des Formwerkzeuges ausführen.
Bei dieser zweiten Verfahrensführung besteht übereinstimmung mit der ersten Verfahrensführung
insofern, als das Druckkissen in einer ersten Druckstufe die Werkzeugplatten bis
zum gegenseitigen Anschlag aneinanderfährt und nach dem Einspritzvorgang der iiydraulikdruck
im Druckkissen auf eine zweite Druckstufe gesteigert wird, bei der der Prägehub
ausgeführt wird.
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In der zweiten Verfahrensführung ist jedoch die erste Druckstufe nicht
lediglich allgemein so festgelegt, daß die Formschließkraft über der Formauftriebskraft
liegt und folglich ein "Aufatmen" des Formwerkzeuges verhindert wird.
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Vielmehr ist schon die erste Druckstufe so auf die Formauftirebskraft
abgestimmt, daß unter dem Einfluß des in die Formhöhlung unter Druck eintretenden
Kunststoffmaterials die Werkzeugplatten um einen bestimmten Betrag auseinandergetrieben
werden. hierbei spielen einerseits naturgemäß gewisse elastische Verformungen im
Werkzeug und auch längs der kraftübertragenden Teile der Formschließvorrichtung
eine Rolle. Im wesentlichen erfolgt das "Aufatmen" jedoch durch einen entsprechenden
geringfügigen Durchtritt von .Sydraulikmedium durch das in üblicher Weise den IIydraulikdruck
im Druckkissen bestimmende Druckregelventil. Der Betrag des "Aufatmens" und somit
die gegenseitige Abstimmung des Einspritzdruckes und des Druckes der ersten Druckstufe
im Druckkissen werden empirisch durch Vorversuche ermittelt.
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Das gilt ebenso für die Höhe der zweiten Druckstufe, durch die der
"aufgeatmete" Zustand der Werkzeugplatten wieder zumindest teilweise rückgängig
gemacht wird. Da der Einspritzdruck zur Erzielung eines optimalen Gießteiles bei
einem bestimmten Kunststoffmaterial im wesentlichen feststeht,
bedarf
es bei den Vorversuchen nur einer entsprechenden Anpassung der Werte für die beiden
Druckstufen des Druckkissens. Werden dann bei den anschließenden Spritzgängen die
einmal gewählten Druckparameter genau eingehalten, so hat sich gezeigt, daß auch
der daraus resultierende Spritzprägehub stets reproduzierbar in der gewünschten
Grössenordnung liegt.
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Bei der geschilderten zweiten Verfahrensführung können übliche Formwerkzeuge
ohne Federelemente in der Trennebene verwendet werden.