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Die
Erfindung betrifft das Spritzgießen von Kunststoffartikeln,
z.B. von Informationsträgern,
wie beispielsweise CDs und DVDs. Für derartige Informationsträger wird
eine Kunststoffscheibe verwendet, die eine Struktur aufweist, z.B.
eine spiralförmige Spur
kleiner Vertiefungen oder Pits, in denen entsprechende Information
gespeichert ist, um z.B. Töne,
Bilder oder allgemein Software zu reproduzieren. Es sind auch andere
Strukturen oder Kombinationen geometrischer Formen möglich.
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Die
Qualität
der Spur kleiner Pits ist für
die zuverlässige
Reproduktion der gespeicherten Information äußerst wichtig.
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Bei
der Herstellung eines derartigen Informationsträgers wird erwärmter, fluider
bzw. flüssiger Kunststoff
unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Die Form enthält üblicherweise
eine Master-Disk oder Original-Platte, die das Negativ der Spur
des Endprodukts aufweist. Es werden relativ hohe Drücke verwendet,
um den Kunststoff auf korrekte Weise reproduzieren zu können, auch
diejenigen Abschnitte der Spur, die im größten Abstand von der Einspritzöffnung der
Form angeordnet sind.
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Die
Form und insbesondere die Vorrichtung, in der die Form aufgenommen
ist, müssen
dem hohen Druck widerstehen können.
Aus diesem Grunde werden die Formhälften oder Formteile, aus denen die
Form hergestellt ist, während
des Einspritzens des Kunststoffs mit einer sehr hohen Vorspannung gegeneinander
gepreßt.
Diese Vorspannung wird normalerweise durch leistungsfähige Hydraulikkolben-/-zylindervorrichtungen
erzeugt. Die durch diese Hydraulikkolben-/-zylindervorrichtungen
in der Vorrichtung bei einem Hydraulikdruck von etwa 300 Bar erzeugten
Kräfte
sind jedoch so hoch, daß trotz
der schwergewichtigen Konstruktion der Vorrichtung wesentliche Verformungen
auftreten.
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Außerdem hat
sich gezeigt, daß die
hohe Vorspannung nicht immer die Anforderung erfüllt, die Formteile zuverlässig gegeneinander
gepreßt
zu halten, wenn der Kunststoff unter einem hohen Druck eingespritzt
wird. Die Formteile können
trotzdem für eine
kurze Zeitdauer (in der axialen und in der radialen oder transversalen
Richtung) voneinander weg bewegt werden, wobei diese Erscheinung
auf eine andere Weise kompensiert werden muß. Infolgedessen müssen ziemlich
große
Schwankungen in der Qualität
der Produkte in Kauf genommen werden. Im schlimmsten Fall kann die
vorstehend erwähnte Struktur überhaupt
nicht erhalten werden. D.h., daß trotz
der normalerweise verwendeten schweren und teuren Vorrichtung keine
optimale Produktion erreichbar ist.
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Ein
herkömmliches
Verfahren zum Spritzgießen
eines Kunststoffartikels weist folgende Schritte auf:
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- – Bereitstellen
einer Form mit mindestens zwei Formteilen, die relativ zueinander
bewegbar sind;
- – Einspritzen
eines erwärmten,
flüssigen
Materials unter Druck in den Formenhohlraum.
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Ein
solches Verfahren ist in der JP-A-11-353720 dargestellt. Gemäß diesem
herkömmlichen
Verfahren wird der Formenhohlraum durch Ausüben einer vorgegebenen Kraft
auf die Formteile gesteuert. D.h., daß die zwischen den Formteilen
definierte Größe des Formenhohlraums durch
die ausgeübte
Kraft bestimmt ist. Daher wird in Abhängigkeit von einer vorgegebenen
Kompressionskraft eine bestimmte Relativpositi on dieser Formteile
erhalten. Bei diesem Verfahren besteht ein Nachteil dahingehend,
daß die
Position der Formteile nicht durch eine direkte Steuerung erhalten
wird.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch
das die Position der Formteile direkt steuerbar ist. Diese Aufgabe
wird gelöst
durch Bereitstellen einer Positionierungseinrichtung zum Positionieren
der Formteile relativ zueinander auf eine nominelle Relativposition,
so daß ein
Formenhohlraum erhalten wird, wobei die nominelle Relativposition
während
oder unmittelbar nach dem Einspritzvorgang einstellbar ist, und
durch Bereitstellen einer Steuereinrichtung, die die Positionierungseinrichtung
durch eine schnelle Steuerung derart beeinflußt, daß die den Formenhohlraum definierende
gewünschte
nominelle Relativposition der Formteile während das Material unter Druck
in den Formenhohlraum eingespritzt wird oder unmittelbar nach dem
Einspritzvorgang wie gewünscht
einstellbar aufrechterhalten wird.
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In
der JP-A-61-130015 ist ein anderes herkömmliches Verfahren beschrieben.
Auch dieses herkömmliche
Verfahren betrifft die Steuerung der Kraft, durch die die Formteile
gegeneinander geklemmt oder gepreßt werden. Auch durch dieses
Verfahren wird die Relativposition der Formteile nicht direkt gesteuert.
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Bei
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
müssen
die Formteile nicht unter einer sehr hohen Vorspannung gegeneinander
geklemmt oder gepreßt
werden. Statt dessen werden diese Formteile durch eine Positionierungseinrichtung
in einer vorgegebenen Sollposition gehalten, bei der der geeignete
Formenhohlraum bereitgestellt wird. Durch diese Anordnung können die
Formteile gegebenenfalls mit einer gewissen Vorspannung miteinander
in Kontakt gehalten werden. Es ist auch denkbar, die Formteile mit
einem gewissen Spiel relativ zueinander zu positionieren, wobei
in diesem Fall während
des Einspritzvorgangs eine geeignete Unterbrechung der Materialzufuhr
berücksichtigt
werden muß.
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Obwohl
der erwärmte
geschmolzene Kunststoff unter einem hohen Druck eingespritzt wird,
beispielsweise unter einem Druck von 200·105 N/m2, fällt der
Druck auch unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ab, wenn der
Kunststoff zwischen den Formteile herausfließt. An der "Front" des herausfließenden Kunststoffs herrscht
normaler Atmosphärendruck
vor, so daß der
Füllgrad
leicht regelbar ist, auch wenn die Formteile nicht vollständig geschlossen
sind.
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Auf
jeden Fall muß gewährleistet
sein, daß die
Ebenenparallelität
der Formhälften
oder Formteile aufrechterhalten wird, wenn das erfindungsgemäße Verfahren
ausgeführt
wird. Dies kann durch Betätigen
der Positionierungseinrichtung auf eine gewünschte Weise erreicht werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Ebenenparallelität nicht durch
mechanisches Pressen der Formteile gegeneinander erreicht. D.h.,
daß die
Formteile erfindungsgemäß nicht
durch Pressen der Formteile gegeneinander sondern durch Positionieren
der Formteile beispielsweise durch Aktuatoren oder Stellglieder,
insbesondere durch Spindeltriebe, relativ zueinander positioniert
werden.
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Weil
die Formteile relativ zueinander korrekt gehalten werden, kann ihre
Relativposition auch während
oder unmittelbar nach dem Einspritzvorgang eingestellt werden. Dies
kann beispielsweise in Verbindung mit der Kompensation einer Schrumpfung
des sich abkühlenden
Kunststoffs erwünscht sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere für
die Verarbeitung von Kunststoff geeignet. Dieser kann entweder ein
thermoplastischer oder ein aushärtender
Kunststoff sein. Außerdem
können nicht
nur Substanzen mit relativ niedriger Viskosität verarbeitet werden, wie beispielsweise
geschmol zener Kunststoff, sondern auch höherviskose, knetbare Substanzen,
wie beispielsweise Keramik.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere zum Herstellen von Informationsträgern geeignet.
In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung daher auch ein Verfahren
zum Spritzgießen
eines Informationsträgers
für eine
CD oder DVD mit den Schritten zum Bereitstellen einer Form, wobei eine
Formteil der Form eine Master-Disk mit einer spiralförmigen Spur
enthält,
um eine entsprechende spiegelbildliche Spur im Informationsträger auszubilden,
sowie zum Bewegen der Formteile während des Spritzgießens des
Kunststoffmaterials zueinander hin. Die Größe des Formenhohlraums wird
während dieses
Vorgangs geringfügig
reduziert. Die durch diese Bewegung zurückgelegte Strecke kann beispielsweise
120 nm betragen.
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Eine
Bewegung der Formteile zueinander hin über eine sehr kleine Strecke
ist ausreichend, um zu gewährleisten,
daß die
Vorsprünge
auf der Master-Disk geeignet in das Kunststoffmaterial gepreßt werden.
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Die
Master-Disk, die normalerweise aus Nickel hergestellt ist, wird
in der Form angeordnet. Die Dickenabmessungen der Master-Disk haben
daher einen Einfluß auf
das dadurch hergestellte Produkt. Jegliche Unregelmäßigkeiten
in den Abmessungen der Master-Disk können durch die Positionierungseinrichtung
kompensiert werden.
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Außerdem kann
die Vorrichtung gegebenenfalls während
der Fertigung eingestellt oder nachjustiert werden. In diesem Zusammenhang
weist das erfindungsgemäße Verfahren
außerdem
das Beeinflussen der Positionierungseinrichtung als Funktion des Ergebnisses
mindestens einer Dickenmessung eines in einem vorangehenden Zyklus
spritzgegossenen Artikels auf .
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Hierbei
kann die Dicke optional an mehreren Positionen gemessen werden,
um einen Artikel mit gleichmäßiger Dicke
herzustellen.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Vorrichtung zum Spritzgießen
eines Kunststoffartikels durch eines der vorstehend erwähnten Verfahren
mit:
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- – einer
Form mit zwei Formteilen, die relativ zueinander bewegbar sind,
- – einer
Einspritzeinrichtung zum Einspritzen des erwärmten, geschmolzenen Kunststoffs
in den Formenhohlraum. Eine derartige Vorrichtung ist in der JP-A-11-353720
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beschrieben.
Erfindungsgemäß ist die
Vorrichtung gekennzeichnet durch:
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- – eine
Positionierungseinrichtung zum Positionieren der Formteile relativ
zueinander in einer nominellen Relativposition derart, daß ein Formenhohlraum
erhalten wird, wobei die nominelle Relativposition der Formteile
während
oder unmittelbar nach dem Einspritzvorgang einstellbar ist; und
- – eine
Steuereinrichtung zum Beeinflussen der Positionierungseinrichtung
durch eine schnelle Steuerwirkung derart, daß die nominelle Relativposition
der den Formenhohlraum definierenden Formteile, während das
Material unter Druck in den Formenhohlraum eingespritzt wird oder
unmittelbar nach dem Einspritzen, wie gewünscht einstellbar aufrechterhalten
wird.
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Die
Positionierungseinrichtung weist vorzugsweise Spindeltriebe auf,
die jeweils durch einen ihnen zugeordneten Motor antreibbar sind.
Derartige Spindeltriebe ermöglichen,
daß die
Formteile gegen den durch das eingespritzte Kunststoffmaterial ausgeübten Druck
auf eine zuverlässige
und stabile Weise gehalten werden können. Außerdem können durch diese Spindeltriebe
sehr feine Einstellbewegungen vorgenom men werden, insbesondere wenn die
Geschwindigkeit gering ist. Der Antrieb wird vorzugsweise durch
Servomotoren bereitgestellt.
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Jeder
Spindeltrieb kann eine Mutter aufweisen, die mit Hilfe eines Lagers
in einem Block gehalten wird, so daß sie sich drehen kann, wobei
der Block eines der Formteile trägt,
und wobei der Formenhohlraum im Block angeordnet sein kann und ein Kanal
zum Zuführen
von erwärmtem,
geschmolzenem Kunststoff im Block ausgebildet sein kann. Außerdem kann
jeder Spindeltrieb eine mit einem Joch verbundene Schraubspindel
aufweisen, wobei das Joch das andere Formteil derart trägt, daß das andere
Formteil durch Betätigen
der Spindeltriebe zum Formteil im Block hin und davon weg bewegt
werden kann.
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Durch
den beispielsweise aus Stahl hergestellten Block wird eine stabile
und formstabile Halterung für
die Form und die Spindeltriebe bereitgestellt. In Kombination mit
dem Fehlen einer hohen inneren Vorspannung wird hierdurch eine relativ
einfache und zuverlässige
Konstruktion erhalten.
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In
diesem Zusammenhang ist es außerdem wichtig,
daß der
Block einen Hohlraum aufweist, in dem das eine Formteil angeordnet
ist und in dem das andere Formteil durch die Spindeltriebe eng anliegend
bewegt werden kann.
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Die
Spindeltriebe können
jeweils mit einer Säule
verbunden sein, auf der ein lineares Lager angeordnet ist, durch
das die Blöcke
beweglich gehalten werden.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die in den Figuren dargestellte
Vorrichtung zum Ausführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausführlicher
beschrieben.
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1 zeigt einen Querschnitt
durch die Vorrichtung entlang der Linie I–I in 2;
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2 zeigt eine perspektivische
Ansicht der Vorrichtung; und
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3 zeigt den Formenhohlraum
im Detail, während
das erfindungsgemäße Verfahren
ausgeführt
wird.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte, insgesamt
durch das Bezugszeichen 1 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Spritzgießen
z.B. einer CD oder einer DVD weist eine Form mit zwei Formteilen 2 und 3 auf.
Die Form ist zwischen einem Joch 8 und einem durch das
Bezugszeichen 4 bezeichneten Block angeordnet. Ein Zufuhrkanal 5 zum Zuführen von
erwärmtem,
geschmolzenem Kunststoffmaterial über das Formteil 2 in
einen Formenhohlraum 6 zwischen den Formteilen 2, 3 (vgl. 3) erstreckt sich durch
das Joch 8. Die während
des Spritzgießens
verdrängte
Luft kann über
einen das Formteil 2 umgebenden, elastisch zusammengedrückten Entlüftungsring 28 entweichen.
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Das
Formteil 2 wird auf dem Joch starr und stabil aufgenommen,
das auf einer Basis 30 starr und stabil gehalten wird.
Das andere Formteil 3 ist auf dem Block 4 angeordnet,
der durch Schlitten 31 derart auf der Basis 30 gehalten
wird, daß er
bezüglich des
Jochs 8 beweglich ist.
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Die
Bewegungsfähigkeit
des Blocks 4 wird durch vier Spindeltriebe 9 gewährleistet,
von denen im Querschnitt von 1 zwei
dargestellt sind.
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Jeder
Spindeltrieb 9 weist eine Schraubspindel 10 auf,
die über
eine Säule 14 am
Joch 8 befestigt ist.
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Die
Säulen 14 werden
in Öffnungen 17 im Joch 8 fest
eingepaßt
aufgenommen. Insbesondere weist jede Säule 14 eine Schulter 18 auf,
die mit dem Material des Jochs 8 um die Öffnung 17 herum
in Kontakt steht, während
ein an die Schulter 18 angrenzender schmalerer Abschnitt 19 ein
mit Gewinde versehenes Ende 20 aufweist, mit dem eine Spannmutter 21 jeweils
in Eingriff steht. Die Säulen 14 sind daher
jeweils unter Vorspannung am Joch 8 befestigt.
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Jeder
Spindeltrieb 9 weist außerdem eine Mutter 13 auf,
die durch bekannte Nutenwalzen mit der Schraubenspindel 10 (Rollengewindeschraube) wechselwirken.
Die Mutter 13 ist an einem Rotor 32 eines insgesamt
durch Bezugszeichen 22 bezeichneten Servomotors starr und
stabil befestigt. Der Stator 33 des Servomotors ist bezüglich des
Blocks 4 fixiert.
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Die
aus der Mutter 13 und dem Rotor 32 gebildete Einheit
wird durch ein zweireihiges Kugellager 34 mit Winkelkontakt
und durch ein einreihiges Kugellager 35 gehalten, so daß sie sich
bezüglich
des Blocks 4 drehen kann. Die Säule 14 wird außerdem durch
ein lineares Kugellager 16 im Block 4 gleitend gehalten.
Das lineare Kugellager 16 ist in einem hervorstehenden
Ansatz 36 des Blocks 4 angeordnet. Durch diese
Struktur umgeben die Lager 16 die Formteile 2, 3 vorteilhaft
lateral, so daß die
Form sehr stabil gehalten und gewährleistet wird, daß sie sich tendenziell
nicht neigt.
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Durch
Aktivieren des Motors 22 wird die Mutter 13 gedreht,
wodurch der über
die Lager 34, 35 damit verbundene Block 4 sich
bezüglich
der Schraubspindel 10 und der Säule 14 und daher bezüglich des Jochs 8 linear
bewegt. Während
dieser Bewegung bleibt der Block 4 durch die linearen Kugellager 16 bezüglich des
Jochs 8 exakt ausgerichtet, die in der vorliegenden Ausführungsform
als Kugellagerbuchsen konstruiert sind.
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Die
Spindeltriebe 9 können
jeweils durch eine Steuereinrichtung 23 derart gesteuert
werden, daß die
Formteile 2 und 3 in einem vorgegebenen Abstand
voneinander fixiert sind. Die Formteile 2, 3 sind
in dieser Position nicht gegeneinander geklemmt. Aufgrund der schnellen
Steuerwirkung der Steuereinrichtung 23 kann der gewünschte relative Abstand
jedoch trotz des hohen Drucks des über den Kanal 5 in
den Formenhohlraum 6 eingefüllten erwärmten geschmolzenen Kunststoffmaterials
aufrechterhalten werden.
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Die
Spindeltriebe 9 können
durch die Steuereinrichtung 23 auch dynamisch betätigt werden,
während
der Formenhohlraum mit dem Kunststoffmaterial gefüllt wird,
um gegebenenfalls den Druck zu kompensieren und, falls erforderlich,
die Formteile 2, 3 ein wenig weiter zueinander
hin zu bewegen.
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Dies
kann insbesondere dann nützlich
sein, wenn Datenträger
hergestellt werden, bei denen eine große Anzahl kleiner Pits, Vertiefungen
oder Hohlräume
und ähnliche
Strukturen in der Kunststoffoberfläche ausgebildet werden müssen.
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Wie
in 3 dargestellt ist,
wird eine Master-Disk 24 im Formenhohlraum angeordnet, wobei auf
der dem Formenhohlraum 6 zugewandten Oberfläche 25 der
Master-Disk 24 ein spiralförmiges Muster mit Vorsprüngen ausgebildet
ist.
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Alternativ
kann jedoch auch ein Datenträger mit
einer anderen Form, z.B. einer Rechteckform, hergestellt werden.
Das Muster kann dann aus Reihen von Pits und ähnlichen Strukturen bestehen.
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Wenn
das Kunststoffmaterial 26 über den Kanal 5 eingespritzt
wird, verteilt sich das Kunststoffmaterial über den Formenhohlraum 6,
wie durch die Front 27 definiert ist.
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Die
Formteile 2, 3 werden während dieses Vorgangs stabil
gehalten und können
sogar gegebenenfalls in einem geringen Abstand voneinander angeordnet
sein, um die gewünschte
Dicke des Formenhohlraums 6 zu erhalten.
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Obwohl
vier Säulen
mit Spindeltrieben in der in den Figuren dargestellten Anlagen vorhanden sind,
kann eine andere Anzahl ebenfalls genügen, z.B. drei Säulen mit
Spindeltrieben.
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Neben
Informationsträgern,
wie CDs und DVDs, können
mit dem Verfahren oder mit der Vorrichtung, Anlage oder Installation
gemäß der Erfindung
auch andere Produkte hergestellt werden, wie Karten, mit einem in
Kunststoff integriertem Prozessor (Smart Card), gekapselte integrierte
Schaltkreise und optische Produkte, wie Brillenlinsen. In dieser Weise
können
auch Raster und holographische optische Elemente (HOEs) mit geometrischen
Elementen kleiner als die Lichtwellenlänge (Nanotechnologie) hergestellt
werden.