DE3712128C2

DE3712128C2 -

Info

Publication number: DE3712128C2
Application number: DE19873712128
Authority: DE
Inventors: Helmut 8011 Baldham De Piringer
Original assignee: OPT ENGINEERING AG SEVELEN CH
Current assignee: OPT ENGINEERING AG SEVELEN CH
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1989-10-12
Also published as: EP0309529A1; DE3712128A1; WO1988007924A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Formeinsatz aus technischer Keramik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bekannten Formeinsätze aus Glas oder Glaskeramik für Spritzgieß werkzeuge, wie sie in der DE-AS 22 04 830 beschrieben sind, die aus einer handelsüblichen Glaskeramik, bestehend aus 46% SiO₂, 16% Al₂O₃, 17% MgO, 10% K₂O, 4% F und 7% B₂O₃ gefertigt sind, genügen trotz höherer Oberflächenhärte und damit höherer Standzeit als Formeinsätze aus vergütetem Stahl den heutigen gestiegenen Anforderungen nicht mehr, insbesondere weisen sie eine unzureichende Wärmeleitfähigkeit auf, die beim Formgießen zur Herstellung von Kunststoffteilen mit optischer Oberflächenqualität zur Entstehung unerwünschter innerer Spannungen führen als Folge der zur Einleitung der Aushärtungsreaktion von außen zugeführten Wärme und der bei der Aushärtung entstehenden Reaktionswärme in dem Kunststoff- Formteil, die nur durch zusätzliche Temperungen aufgelöst wer den können, die das Gießverfahren technisch aufwendig und un wirtschaftlich machen. Da die in dieser Druckschrift als Werk stoff verwendete handelsübliche Glaskeramik nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 1,7 W/km und einen hohen spezifischen Widerstand von 10¹⁴ Ohm · cm aufweist, ist sie in der Praxis als Nichtleiter für Wärme und elektrischen Strom anzuse hen. Darüber hinaus ist auch die Oberflächenhärte der bekannten Glaskeramik mit einem HV-Wert von 950 ± 80 kp/mm² (9500 ± 800 N/mm²) für die heuti gen Anforderungen unzureichend.

Aufgabe der Erfindung war es daher, Formeinsätze, insbesondere solche für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge, wie sie speziell zur Herstellung von Kunststoffteilen mit optischer Oberflächenqua lität verwendet werden, zu finden, die hinsichtlich ihrer Ober flächenqualität und ihren physikalischen Eigenschaften den heutigen höheren Anforderungen genügen.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß diese Aufgabe erfin dungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß die Formeinsätze, aus elektrisch leitende Keramik oder Metallkeramik auf Nitrid- und/oder Carbidbasis bestehen.

Gegenstand der Erfindung ist also ein Formeinsatz aus technischer Keramik für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge, wie sie insbesonde re zur Herstellung von Kunststoffteilen mit optischer Oberflä chenqualität, speziell Linsen, Spiegeln (insbesondere Automo bil-Rückspiegeln), Kompakt-Discs und sonstigen Formkörpern für die Durchsicht-, Reflexions-, Laser- und Übertragungsoptik aus vorzugsweise transparenten Kunststoffen, insbesondere duroplasti schen oder thermoplastischen Kunststoffen, verwendet werden, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus elektrisch leitender Keramik oder Metallkeramik auf Nitrid- und/oder Carbidbasis besteht.

Vorzugsweise besteht der Formeinsatz aus halbleitender Kera mik oder Metallkeramik auf Carbidbasis.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der erfindungsgemäße Formeinsatz eine optisch polierte kratz feste Oberfläche auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist er an zwei gegenüberliegenden Seiten angebrachte Elektro den für den Anschluß an eine Gleichspannungs- oder Wechselspan nungsquelle auf.

Der erfindungsgemäße Formeinsatz hat vorzugsweise einen recht eckigen, quadratischen, halbkreisförmigen oder kreissegment förmigen Querschnitt.

Die erfindungsgemäßen Formeinsätze aus elektrisch leitender, vorzugsweise halbleitender, Keramik oder Metallkeramik auf Nitrid- und/oder Carbidbasis bieten gegenüber den bekannten Glas- und Glaskeramik-Formeinsätzen den Vorteil einer wesent lich höheren Standzeit aufgrund der höheren Härte ihrer Form oberfläche, die mit einem HV-Wert von 1200 bis 2600 kp/mm² (12 000 bis 26 000 N/mm²) (entsprechend einer Oberflächenritzhärte von 9, die der Oberflächenritzhärte von Diamant (10) sehr nahe kommt) eine mehr als doppelt so hohe Oberflächenhärte aufweisen als die be kannten Formeinsätze aus Glaskeramik (HV-Wert 950 ± 80 kp/mm²). Aufgrund ihrer deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit lassen sich die beim Formgießen auftretenden inneren Spannungen oh ne zusätzliche Temperung rasch auflösen, was in Zusammenwir kung mit der geringeren Polarisationsdauer nicht nur zu ei ner wirtschaftlicheren Gestaltung des Gießverfahrens, sondern auch zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität, insbeson dere der Festigkeit, der gegossenen Formkörper führt. Dadurch erhöht sich der Gebrauchswert der unter Verwendung der erfin dungsgemäßen Formeinsätze hergestellten Kunststofformteile, insbesondere Automobil-Rückspiegel, ganz erheblich.

Außerdem ist es im Falle der Verarbeitung von thermoplasti schen, vorzugsweise transparenten, Kunststoffen in Spritz gießwerkzeugen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Form einsätze erstmals möglich, die bisher nicht in großtechni schem Maßstabe verarbeitbaren, aufgrund ihrer hervorragen den Eigenschaften aber hoch eingeschätzten Polycarbonate einzusetzen, die aufgrund ihrer guten Verformbarkeit und Bruchsicherheit als Werkstoff für die Herstellung von Kunst stoffteilen mit optischer Oberflächenqualität (insbesondere Brillengläsern und Automobil-Rückspiegeln) besonders gefragt sind.

Die erfindungsgemäßen Formeinsätze lassen sich leicht, vor zugsweise auf mechanischem Wege, zu optischen Formoberflächen polieren, die hervorragende Kratzfestigkeiten aufweisen, wie sie mit den bisher auf dem Markt befindlichen Werkstoffen, insbesondere auch mit Glaskeramik, nicht erzielbar sind. Dies führt zu deutlich verbesserten Standzeiten der Formein sätze, selbst dann, wenn diese während ihres Einsatzes in Spritzgießwerkzeugen mehrfach einer Oberflächennachbehandlung unterzogen werden.

Hinzu kommt, daß die erfindungsgemäßen Formeinsätze aufgrund ihrer deutlich höheren Wärmeübergangswerte wesentlich besser beheizbar und kühlbar sind als die bekannten Formeinsätze. Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäßen Formeinsätze aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit, vorzugsweise ih rer Halbleitereigenschaften, den Vorteil auf, daß durch An legen von Elektroden an ihre Oberfläche, die mit einer ge eigneten Spannungsquelle, vorzugsweise einer Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle verbunden werden kann, ihre Oberfläche direkt innerhalb von wenigen Sekunden auf jede ge wünschte Temperatur aufheizbar ist, wodurch die unerwünschte Belagsbildung auf den Formeinsätzen gemäß Stand der Technik beim Start des Formspritzverfahrens zuverlässig vermieden werden kann. Durch die schnelle Beheizbarkeit der erfin dungsgemäßen Formeinsätze lassen sich innere Spannungen, die beim Spritzgießen auftreten und auf eine unerwünschte Ausrichtung der Moleküle zurückzuführen sind, die zu uner wünschten Doppelbrechungen und damit zu optischen Fehlern führen, auf technisch einfache und zuverlässige Weise lösen, da die erfindungsgemäßen Formeinsätze aufgrund ihrer inte grierten Widerstandsheizung innerhalb weniger Sekunden auf jede gewünschte Temperatur eingestellt werden können.

Aufgrund der hohen natürlichen Härte des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes ist es auch nicht mehr erforderlich, eine spezielle Oberflächenvergütung durchzuführen. Das Tem pern zur Auflösung unerwünschter innerer Spannungen kann entfallen.

Die erfindungsgemäßen Formeinsätze eignen sich speziell für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge, in denen Kunststoffteile, ins besondere solche mit optischer Oberflächenqualität, herge stellt werden, wobei die jeweils zu verarbeitenden Kunst stoffe in Form der Ausgangsmonomeren, gegebenenfalls im Ge misch mit einem Katalysator (bei Verarbeitung von wärmehärt baren oder katalytisch härtbaren Duroplasten in Gießwerkzeu gen) oder im geschmolzenen Zustand (bei Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen in Spritzgießwerkzeugen) in an sich bekannter Weise in eine Gießform bzw. Spritzgießform, in der Formeinsätze der vorstehend beschriebenen Art verwendet werden, eingeführt und nach dem Aushärten zu den gewünschten Formteilen entformt werden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist auch in der Weise durchführbar, daß vor dem Einspritzen des zu verarbeitenden Kunststoffs in die Gieß- oder Spritzgießform zur Erzielung einer kratzfesten Oberflächenbeschichtung ein flüssiges, pastöses oder pulverförmiges Material auf die Oberfläche der Formeinsätze aufgebracht und ggf. unter Erwär mung ausgehärtet wird, so daß nach dem Entformen ein Kunst stoff-Formkörper mit einem kratzfesten Oberflächenüberzug, der beliebigen Modifikationen, beispielsweise einer Einfär bung, unterzogen werden kann, erhalten wird (sogenanntes "In mold-Verfahren").

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formein satzes aus einer elektrisch leitenden bzw. halb leitenden technischen Keramik in der Draufsicht;

Fig. 2 die gleiche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Formeinsatzes im Querschnitt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Spritzgießwerk zeugs und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Gießwerkzeugs.

Die erfindungsgemäßen Formeinsätze bestehen, wie obenerwähnt, aus elektrisch leitender Keramik und/oder Metallkeramik, auf Ni trid- und/oder Carbid-Basis. Sie werden durch Pressen unter hohem Druck in die gewünschte Form gebracht und dann einer sogenannten Reaktionssinterung unterworfen, wobei poröse Formeinsatz-Rohlinge entstehen, die dann einer üblichen Nachbehandlung, insbesondere einer chemischen oder mecha nischen, vorzugsweise mechanischen, Oberflächenbearbei tung unterzogen werden. Bevorzugte Keramikmaterialien sind die Carbide und Nitride von Metallen, wie Al, Cr, Mg, Si, Ti, Mo.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Metallkeramiken sind an sich bekannte Werkstoffe aus zwei getrennten Phasen, näm lich einem metallischen und einem keramischen Bestandteil, die sich in Härte und Schmelzpunkt voneinander unterschei den. Der keramische Anteil (Carbide und Nitri de von Al, Cr, Mg, Si, Ti und Mo) bewirkt die große Härte, den hohen Schmelzpunkt, die hohe Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit, während der metallische Anteil (beispielsweise Cr, Co, Ni, Fe, Mo und W) eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit, Zähigkeit und Schlagfestigkeit bewirkt. Solche Werkstoffe sind an sich be kannt und beispielsweise in Römpp, Chemielexikon, 6. Auflage, Seiten 990, beschrieben. Sie werden hergestellt durch Vermi schen des keramischen Anteils (Pulver) mit dem Metallanteil (Pulver), Pressen des Gemisches unter hohem Druck zu den ge wünschten Formlingen, Sintern in neutraler oder schwach sau rer, reduzierender Atmosphäre, woran sich dann eine Oberflä chenbehandlung anschließt.

Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Formein sätze für die Herstellung optischer Spritzgießteile, ins besondere Linsen, Spiegel und Rückspiegel, Sonnenbrillenlinsen, Korrektionsbrillen linsen, Kontaktlinsen und Implant-Linsen (als Ersatz der natürlichen Iris) von hervorragender Qualität sowohl in Form sogenannter Blanks, d. h. Rohlingen, mit beidseitig planen Oberflächen als auch in Form von Rohlingen mit ein seitig oder beidseitig konkav und/oder konvex vorgeformten Oberflächen herstellen. Sie sind auch geeignet für die Her stellung von Linsen für die Übertragungsoptik, von Linsen für die Lichtwellenleiteroptik, von Linsen für die Laser optik und von Kameralinsen. Unter Verwendung der erfindungs gemäßen Formeinsätze lassen sich auch Compact-Discs und MOR-Discs von hervorragender Qualität auf technisch einfa che und wirtschaftliche Weise herstellen.

Mit den erfindungsgemäßen Formeinsätzen lassen sich beliebige thermoplastische und duroplastische Kunststoffe verarbeiten, auch solche, die nach dem Stand der Technik bisher schlecht verarbei tet werden konnten, wie z. B. Polycarbonate. Auch der tech nisch sehr bedeutsame Duroplast CR 39 (ein Gießharz auf Diethylenglykolbisallylcarbonat-Basis) läßt sich erfin dungsgemäß hervorragend verarbeiten. Dies gilt auch für die Verarbeitung der nachfolgend angegebenen Monomeren unter Anwendung des Gießharzverfahrens:
1,3-Butylenglykoldimethylmethacrylat, Acrylnitril, Allyl methacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Cyanoethylmethacry lat, Bisphenol A-dimethacrylat, Methoxybutylmethacrylat, Methylmethacrylat, Diethylenglykolbisallylcarbonat, Ethoxy methylmethacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat, Ethylenglykol diacrylat, Polyethylenglykoldimethacrylat.

Die Fig. 1 der Zeichnungen zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des er findungsgemäßen Formeinsatzes 1, der auf eine Trägerplatte 3 mit integrierter Kühleinheit aufgebracht ist. An der Form oberfläche des Formeinsatzes 1 sind zwei Elektrokontakte 2 angebracht, die mit einer Spannungsquelle in Verbindung stehen. Damit läßt sich die Oberfläche des Formein satzes 1 innerhalb weniger Sekunden auf jede gewünschte Temperatur aufheizen.

Die Fig. 2 zeigt den gleichen Formeinsatz 1 im Schnitt, aus dem die direkte Anbringung der Elektrokontakte 2 an dem Form einsatz 1 ersichtlich ist, der in eine Trägerplatte 3 mit integrierter Kühleinheit eingesetzt ist.

Die Fig. 3 zeigt ein komplettes Spritzgießwerkzeug, wie es üblicherweise zur Herstellung von Spritzgießformkörpern verwendet wird. Ein solches Spritzgießwerkzeug wird auf eine Spritzgießmaschine aufgespannt und während des Einspritzens des aufgeschmolzenen Kunststoffes wird die Spritzgießmaschi ne geschlossen gehalten. Nach dem Abkühlen wird der form gespritzte Formkörper aus der Spritzgießmaschine entnommen.

Das Spritzgießwerkzeug, wie es in schematischer Darstellung aus Fig. 3 ersichtlich ist, besteht aus zwei Formplatten 3, die an der Trennebene 3 a aufgeklappt werden können zur Entnahme des fertigen Spritzgießlings. Die Formplatten 3, die vorzugs weise aus Stahl, insbesondere Invarstahl, gefertigt werden, weisen eine integrierte Kühleinheit (nicht dargestellt) auf. In den Formplatten 3 befinden sich die Formeinsätze 1, deren innere Formoberflächen in einem Abstand parallel zueinander verlaufen, wobei der Abstand der beiden Formoberflächen der Dicke des fertigen Spritzgießlings entspricht. In der dargestellten Ausfüh rungsform wird der flüssige Kunststoff durch den Anguß 4 mit sich daran anschließendem Zuführungskanal 4 a bei ge schlossenem Spritzgießwerkzeug in den Zwischenraum zwischen den beiden Formeinsätzen 1 eingespritzt. Vor dem Ein spritzen, während des Einspritzens oder nach dem Einspritzen werden die beiden Formeinsätze gleichzeitig auf die gewünsch te Temperatur erhitzt mittels der Elektrokontakte 2, die direkt an den Formeinsätzen 1 angebracht und mit einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden sind.

Die Elektrokontakte sind aus Kupfer, versilber tem Kupfer oder Aluminium gefertigt und direkt an die Form einsätze 1 angelötet.

Die Fig. 4 zeigt in Form einer schematischen Darstellung ein Formwerkzeug, wie es beim sogenannten Gießharzverfahren (Monomergießverfahren) eingesetzt wird. Bei der darge stellten Ausführungsform besteht die Form aus den beiden Form einsätzen 1, deren Formoberflächen parallel zueinander in einem definierten Abstand voneinander verlaufen. Als Abstandhalter dient ein Dichtring 5 aus einem elasti schen Material, wie Gummi oder einem sonstigen Elastomeren, der den Formhohlraum zwischen den beiden Formein sätzen 1 verschließt. Die ganze Anordnung wird von einer elastischen Drahtklammer 6 zusammengehalten, die zum Öffnen des Gießwerkzeugs und Entformen des Gießlings abge zogen werden kann. Zum Verschließen des Gießwerkzeuges wird sie auf die Anordnung aus den beiden Formeinsätzen 1 und dem Dichtring 5 unter Spannung aufgeschoben, so daß sie das Gießwerkzeug im geschlossenen Zustand hält. Die Einführung des flüssigen Kunststoffes erfolgt z. B. mittels einer Injektionsnadel durch den Dichtring 5 hindurch, der aus einem Dioctylphthalat weichgemachtem Polyvinyl chlorid besteht.

Das Gießwerkzeug befindet sich in einem äußeren Medium, mit dessen Hilfe es aufgeheizt oder abgekühlt werden kann. Mit der dargestellten Ausführungsform des Gießwerkzeuges lassen sich Brillenlinsen als Rohlinge herstellen, die, falls er forderlich, anschließend auf an sich bekannte Weise ge schliffen und poliert werden können.

Claims

1. Formeinsatz aus technischer Keramik für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge, wie sie insbesondere zur Herstellung von Kunststoffteilen mit optischer Ober flächenqualität, speziell Linsen, Spiegeln, Kom pact-Discs und sonstigen Formkörpern für die Durch sicht-, Reflexions-, Laser- und Übertragungsoptik aus vorzugsweise transparenten Kunststoffen, insbe sondere duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen, verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß er aus elektrisch leitender Keramik oder Metallkeramik auf Nitrid- und/oder Carbidbasis besteht.

2. Formeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß er aus halbleitender Keramik oder Metallke ramik auf Carbidbasis besteht.

3. Formeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß er eine optisch polierte kratz feste Oberfläche aufweist.

4. Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er an zwei gegenüberlie genden Seiten angebrachte Elektroden für den Anschluß an eine Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle aufweist.

5. Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er einen rechteckigen, quadratischen, halbkreisförmigen oder kreissegmentför migen Querschnitt hat.