DE3712128C2 - - Google Patents
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- DE3712128C2 DE3712128C2 DE19873712128 DE3712128A DE3712128C2 DE 3712128 C2 DE3712128 C2 DE 3712128C2 DE 19873712128 DE19873712128 DE 19873712128 DE 3712128 A DE3712128 A DE 3712128A DE 3712128 C2 DE3712128 C2 DE 3712128C2
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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.
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 (5)
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.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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