EP0309529A1 - Formeinsatz mit kratzfester polierter formoberfläche zur herstellung von kunststoffteilen - Google Patents

Formeinsatz mit kratzfester polierter formoberfläche zur herstellung von kunststoffteilen

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EP0309529A1
EP0309529A1 EP19880903243 EP88903243A EP0309529A1 EP 0309529 A1 EP0309529 A1 EP 0309529A1 EP 19880903243 EP19880903243 EP 19880903243 EP 88903243 A EP88903243 A EP 88903243A EP 0309529 A1 EP0309529 A1 EP 0309529A1
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EP
European Patent Office
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mold
scratch
inserts
insert according
casting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19880903243
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English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Piringer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OPT ENGINEERING AG
Original Assignee
OPT ENGINEERING AG
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Filing date
Publication date
Application filed by OPT ENGINEERING AG filed Critical OPT ENGINEERING AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2011/00—Optical elements, e.g. lenses, prisms
    • B29L2011/0058—Mirrors

Definitions

  • the invention relates to new mold inserts, in particular those with a polished and scratch-resistant surface, especially for casting and injection molding tools, and their use for the production of plastic ropes, in particular those with an optical surface quality, especially lenses, mirrors, Compact ] _ Q Discs and other shaped bodies for the see-through, reflection, laser and transmission optics.
  • plastic parts in particular those with optical surface quality, especially lenses, mirrors, ⁇ 5 Compact DisCs and other moldings for the see-through, reflection, laser and transmission optics, they emerge from - preferably transparent - thermoplastic or thermosetting plastics various problems, both in terms of the quality of the plastics obtained thereby 'nd area, 0 and in terms of the economic friendliness of their production, related to the fact that the ver ⁇ for their preparation used mold inserts in molding and injection molding hin ⁇ clearly their shape surface quality and their other physical properties have defects that the Her ⁇
  • the service life of the mold inserts is relatively short owing to the mold surface hardness being too low, so that the mold inserts often have to be replaced by new mold inserts both in the casting process and in the injection molding process.
  • thermoplastic plastics A special problem that arises during the injection molding of thermoplastic plastics consists in the fact that the plastic, which must be injected into the injection mold in molten form, partially decomposes at the melting temperature with the formation of gas, which has the effect that Already at the start of the injection molding process, the mold surfaces of the mold inserts receive an undesirable coating by depositing the plastic decomposition gases on the cool surface, which adversely affects the surface quality of the injection molded plastic part.
  • This coating must therefore be removed frequently during the injection molding process, which in turn has the consequence that the surface of the mold inserts is inevitably mechanically damaged due to their inadequate surface hardness during cleaning, which leads to a further loss in quality of the molded parts produced therewith and to Reworking or replacement of the damaged mold insert is becoming increasingly necessary.
  • thermoplastics more particularly sondere polycarbonates particularly advantageous because of their good warp ⁇ bility and fracture resistance Ma ⁇ terialien for the production of plastic parts with optical surface quality constitute, after the current state of the art can not be processed in a satisfactory manner.
  • Plastic parts with optical surface quality such as lenses, mirrors, compact discs and other parts for the see-through, reflection, laser and transmission optics, are therefore still largely made of duroplastic plastics, in particular diallyl diglycol carbonate, using the Die casting process manufactured, which delivers stress-free plastic parts, but due to their tendency to splinter and cracking no longer meet today's increased safety requirements. This process is also technically complicated and uneconomical, not least because of the " short service life of the mold inserts previously used for this.
  • the object of the invention was therefore to find mold inserts, in particular those for casting and injection molding tools, which meet today's higher requirements with regard to their surface quality and other physical properties.
  • the mold inserts in particular those for casting and injection molding tools, are made from technical ceramics based on oxide, nitride, carbide or cermet or mixtures thereof become.
  • the invention relates to a mold insert which is particularly suitable for casting and injection molding tools, which is characterized in that it consists of technical ceramics based on oxide, nitride, carbide or cermet or mixtures thereof and preferably has an optically polish surface. It can be made both from electrically non-conductive technical ceramics based on oxide and / or nitride for use in casting tools and from electrically conductive, preferably semiconducting, technical ceramics based on carbide and / or cermet for use in Injection molds exist.
  • the new material used according to the invention is distinguished by the fact that it has particularly good heat transfer values and that its surface can be polished relatively easily mechanically to an optical surface which has an exceptionally high scratch resistance, as is the case with the previously known ones Materials could not be achieved. Its surface scratch hardness is> 9 and thus comes very close to the surface scratch hardness of diamond (10).
  • the mold insert according to the invention can have any cross section, preferably it has a rectangular, square, semicircular or circular segment cross section.
  • plastic parts produced by the casting process can be obtained with a significantly higher quality, which is due to the fact that, due to the higher heat transfer values of the molding insert according to the invention, the internal stresses which occur during molding as a result of the initiation of the curing reaction of externally supplied heat and the resulting heat of reaction in the plastic molding occur due to the improved heat transfer dissolve quickly without additional tempering, which in combination with the shorter polarization time not only leads to a more economical design of the casting process, but also also leads to a significant improvement in the quality, in particular strength, of the cast molded body.
  • the mold inserts used according to the invention can be polished easily, preferably mechanically, to give optical mold surfaces which have excellent scratch resistance, which cannot be achieved with the materials hitherto available on the market. This leads to a significantly longer service life of the mold inserts, even if they are subjected to multiple surface treatments during their use in injection molding tools.
  • the mold inserts according to the invention can be heated and cooled much better than the known mold inserts.
  • the electrically conductive, preferably semiconductive, embodiments of the mold inserts according to the invention have the advantage that they can be connected to a surface by means of electrodes which can be connected to a suitable voltage source, preferably a direct voltage or alternating voltage source that its surface can be heated directly to any desired temperature within a few seconds, as a result of which the undesirable formation of deposits on the mold inserts when the injection molding process is started can be reliably avoided.
  • the rapid heatability of these embodiments of the mold inserts according to the invention means that internal stresses which occur during injection molding and can be attributed to an undesirable alignment of the molecules, which lead to undesired birefringence and thus to optical errors, can be solved in a technically simple and reliable manner, the mold inserts according to the invention in this special embodiment can be set to any desired temperature within a few seconds on account of their integrated resistance heating. Because of the high natural hardness of the materials used according to the invention, it is no longer necessary to carry out a special surface treatment. Annealing to dissolve unwanted internal tensions can be omitted.
  • the mold inserts according to the invention are excellent materials for injection molding tools in which thermoplastic plastics can be processed into optically perfect moldings of any shape in a technically simple and economical manner without the upper parts surfaces of the mold inserts have to be reworked or the mold inserts themselves have to be replaced by new ones at more or less frequent intervals.
  • the invention furthermore relates to processes for the production of plastic parts, in particular those with an optical surface quality, in particular lenses, mirrors, compact discs and other shaped articles for the see-through, reflection, laser and transmission optics, from - preferably transparent - plastics, in particular thermosetting or thermoplastic plastics, which are characterized in that the plastics to be processed in each case in the form of the starting monomers, if appropriate in a mixture with a catalyst (when processing thermosetting or catalytically curable thermosetting plastics in casting tools), or in the molten state (when processing thermoplastic materials in injection molding tools) in a manner known per se into a mold or injection mold, in which mold inserts of the type described above are used, introduced and demolded after curing to give the desired moldingsbecome.
  • thermosetting or thermoplastic plastics which are characterized in that the plastics to be processed in each case in the form of the starting monomers, if appropriate in a mixture with a catalyst (when processing thermosetting or catalytically curable thermosetting plastics in casting
  • these processes are preferably used Molded inserts made of an electrically conductive, in particular semiconducting, technical ceramic based on carbide and / or cermet are used, the surfaces of which have electrodes for the connection of a direct voltage or alternating voltage source for direct heating of the molded inserts.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that a liquid, pasty or powdery material is applied to the surface of the mold inserts before the plastic to be processed is introduced into the casting or injection mold in order to achieve a melted, scratch-resistant surface coating and if necessary curing with heating, so that after removal from the mold a plastic molded body with a scratch-resistant surface coating, which can be subjected to any modifications, for example coloring, is obtained (so-called inmold process).
  • FIG. 1 shows an embodiment of the mold insert according to the invention made of an electrically conductive or semiconductive technical ceramic in plan view
  • Figure 2 shows the same embodiment of the mold insert according to the invention in cross section.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an injection molding tool
  • Fig. 4 is a schematic representation of a casting tool.
  • the mold inserts according to the invention consist of technical ceramics on oxide, nitride and / or Carbide-based or from cer ets or mixtures thereof. They are brought into the desired shape by pressing under high pressure and then subjected to a so-called reaction sintering, resulting in porous mold insert blanks which are then subjected to a customary post-treatment, in particular a chemical or mechanical, preferably mechanical, surface treatment.
  • Preferred ceramic materials are the carbides, nitrides and oxides of metals, such as Al, Cr, Mg, Si, Ti, Cr, Mo, in particular metals of Group IV of the Periodic Table of the Elements.
  • the cermets used according to the invention are known materials from two separate phases, namely a metallic and a ceramic component, which differ from one another in terms of hardness and melting point.
  • the ceramic portion preferably carbides, nitrides, silicides, borides and oxides of Al, Cr, Mg, Si, Ti, Cr, Mo and the like
  • the metallic Proportion for example Cr, Co, Ni, Fe, Mo, W and the like
  • Such materials are known per se and are described, for example, in Römpp, Chemielexikon, 6th edition, page 990. They are produced by mixing the ceramic portion (powder) with the metal portion (powder), pressing the mixture under high pressure to the desired form, sintering in a neutral or weakly acidic, reducing atmosphere, which is then followed by a surface treatment .
  • any moldings in particular by the casting resin process (monomer casting process) and injection molding process, can be produced, namely both non-optical moldings of any size and shape and optical moldings of any size and shape. Due to the shape used according to the invention The moldings produced have inserts significantly less internal stresses than the moldings produced using the tools customary hitherto. They have a higher strength and thus a higher utility value.
  • the mold inserts according to the invention are particularly advantageous for the production of optical injection molded parts, in particular lenses, mirrors, compact discs and other moldings for the see-through, reflection, laser and
  • Transmission optics made of plastics, preferably transparent plastics, in particular thermoplastic plastics.
  • plastics preferably transparent plastics, in particular thermoplastic plastics.
  • mirrors and rear-view mirrors, sunglasses lenses, correction glasses lenses, contact lenses and implant lenses (as a replacement for the natural iris) can be used not only in a technically simple and economical manner excellent quality both in the form of so-called blanks, ie Manufacture blanks with surfaces that are flat on both sides and in the form of blanks with surfaces that are preformed on one side or concave and / or convex on both sides. They are also suitable for the production of lenses for the transmission optics, of lenses for the optical waveguide optics, of lenses for the laser optics and of camera lenses.
  • thermoplastic and thermosetting plastics can be processed, including those that have not been able to be used according to the prior art, such as polycarbonates.
  • tech ⁇ nically very important thermoset CR 39 (a casting resin on diethylene glycol bisallylcarbonate-based ') can be processed according to Erfin dung excellent. This also applies to the 1 Processing of the monomers specified below using the cast resin process:
  • Methyl methacrylate diethylene glycol bisallyl carbonate, ethoxymethyl methacrylate, ethylene glycol dimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate.
  • FIG. T of the accompanying drawings shows a schematic representation of a top view of an embodiment of the mold insert 1 according to the invention, which is applied to a carrier plate 3 with an integrated cooling unit.
  • Two electrical contacts 2 _5 are attached to the mold surface of the mold insert 1 and are connected to a voltage source.
  • the surface of the mold insert 1 according to the invention can thus be heated to any desired temperature within a few seconds.
  • FIG. 2 shows the same form of insert 1 in section, from the direct attachment of the electrical contacts 2 of the form-tray 1 is seen which is inserted in a support plate 3 with integrated cooling unit.
  • FIG. 3 shows a complete injection mold, as is usually used for the production of injection moldings.
  • Such an injection mold is mounted on an injection molding machine and during the injection of molten plastic, the Spritzg screenmaschi- Q ne is kept closed. After cooling, the molded body is removed from the injection molding machine.
  • the injection mold as can be seen in schematic representation in Fig. 3, consists of a two-part mold 35 carrier 3 at the dividing plane 3a in an upper and lower half can be opened to remove the finished injection molding.
  • the mold carrier 3 which is preferably made of steel, in particular Invar steel, has an integrated cooling unit (not shown) which preferably consists of bores, ribs, channels and the like for the introduction of a cooling medium which is linear in the longitudinal direction or Can be transverse or concentric.
  • Inside the two-part mold carrier 3 is the two-part cavity or mold (shaping part) in the illustrated embodiment, consisting of the two mold inserts 1, the inner surfaces of which form a distance parallel to one another, the distance between the two mold surfaces being the thickness of the finished injection molded part.
  • the liquid plastic is injected into the space between the two mold inserts 1 through the sprue 4 with the feed channel 4a adjoining it, with the injection mold closed.
  • the two mold inserts are simultaneously heated to the desired temperature by means of the electrical contacts 2 which are attached directly to the mold inserts 1 and are connected to a voltage source (not shown).
  • the electrical contacts are preferably made of copper, silver-plated copper or aluminum and directly to the mold inserts -1. soldered on.
  • Both gases and. Can be used as the cooling medium which flows through the ribs or channels in the two-part mold carrier 3
  • Liquids are used, preferably air, liquid nitrogen, freon or another fluorocarbon, water or oil is used.
  • Fig. 4 shows in the form of a schematic representation 1 mold, as used in the so-called casting resin process (monomer casting process).
  • the mold consists of the two mold inserts 1, the mold surfaces of which run parallel to one another 5 at a defined distance from one another.
  • a sealing ring 5 made of an elastic material, preferably rubber or another elastomer, serves as a spacer and closes the cavity between the two mold inserts 1. The whole arrangement is eg from
  • an elastic wire clamp 6 which can be pulled off to open the casting tool and demould the casting. To close the casting tool, it is pushed onto the arrangement of the two mold inserts 1 and the sealing ring 5 under tension, so that
  • the liquid plastic is introduced e.g. by means of an injection needle through the sealing ring 5, which preferably consists of polyvinyl chloride plasticized with dioctyl phthalate.
  • the casting tool is in an external medium, with the help of which it can be heated or cooled.
  • eyeglass lenses can be produced as blanks which, if

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Description

Formeinsatz mit kratzfester polierter Formoberfläche "zur Herstellung von Kunststoffteilen.
5 Die Erfindung betrifft neue Formeinsätze, insbesondere solche mit polierter und kratzfester Oberfläche, speziell für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge, sowie deren Verwendung zur Herstel¬ lung von Kunststoff eilen, insbesondere solchen mit opti¬ scher Oberflächenqualität, speziell Linsen, Spiegeln, Compact ]_Q Discs und sonstigen Formkörpern für die Durchsicht-, Refle¬ xions-, Laser- und Übertragungsoptik.
Bei der Herstellung von Kunststoffteilen, insbesondere solche mit optischer Oberflächenqualität, speziell Linsen, Spiegeln, ^5 Compact-DisCs und sonstigen Formkörpern für die Durchsicht-, Reflexions-, Laser- und Übertragungsoptik, aus - vorzugs¬ weise transparenten - thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffen treten verschiedene Probleme auf, sowohl was die Qualität der dabei erhaltenen Kunststoffe'ndprodukte angeht, 0 als auch bezüglich der Wirtschaf lichkeit ihrer Herstellung, die damit zusammenhängen, daß die zu ihrer Herstellung ver¬ wendeten Formeinsätze in Gieß- und Spritzgießwerkzeugen hin¬ sichtlich ihrer Formoberflächengüte und ihrer sonstigen physikalischen Eigenschaften Mängel aufweisen, die der Her¬
25 stellung von Kunststoffteilen der vorgenannten Art mit noch besseren Eigenschaften und auf noch wirtschaftlichere Weise entgegenstehen.
So weisen beispielsweise die in den derzeit auf dem Markt 0 erhältlichen Gieß- und Spritzgießwerkzeugen verwendeten
Formeinsätze unzureichende Wärmeübergangswerte sowie eine unzureichende Kratzfestigkeit der polierten Formoberfläche auf. Dies hat zur Folge, daß die unter Verwendung solcher Werkzeuge hergestellten Kunststoff eile Qualitätsmängel auf¬ 5 weisen, die auf aus ihrer Herstellung resultierenden inne¬ ren Spannungen beruhen, die durch umständliche Temperver¬ fahren beseitigt werden müssen. Andererseits führen die un¬ zureichenden Wärmeüberσanσswerte der Formeinsätze in den σe- nannten Werkzeugen zu einer langen Verweildauer in dem
Formwerkzeug und machen damit die Herstellung von Kunststoff¬ teilen insbesondere solchen mit optischer Ober lächenqualität unwirtschaftlich. Hinzu kommt, daß die Standzeiten der Formeinsätze wegen zu geringer Formoberflächenhärte ver¬ hältnismäßig kurz sind, so daß die Formeinsätze sowohl beim Gießverfahren als auch beim Spritzgießverfahren häufig durch neue Formeinsätze ersetzt werden müssen.
Ein spezielles Problem, das beim Formspritzen thermopla¬ stischer Kunststoffe auftritt, besteht darin, daß der Kunststoff, der in geschmolzener Form in das Spritzgie߬ werkzeug eingespritzt werden muß, bei der Schmelztempera¬ tur sich teilweise zersetzt unter Gasbildung, die be- wirkt, daß bereits beim Start des Formspritzverfahrens die Formoberflächen der Formeinsätze einen unerwünschten Belag durch Abscheidung der Kunststoffzersetzungsgase an der kühlen Oberfläche erhalten, der die Oberflächenquali¬ tät des formgespritzen Kunststoffteils beeinträchtigt. Dieser Belag muß daher während des Spritzgießverfahrens häufi entfernt werden, was wiederum zur Folge hat, daß die Ober¬ fläche der Formeinsätze wegen ihrer unzureichenden Oberfläche härte beim Reinigen unvermeidlich mechanisch beschädigt wird, was zu einer weiteren Qualitätseinbuße der damit hergestell- ten Formteile und zu einer immer häufiger erforderlich werden den Nachbearbeitung bzw. Ersatz des beschädigten Formein- satzes führt.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, für die Formein- sätze vergüteten Werkzeugstahl zu verwenden, dessen Ober¬ fläche poliert ist, oder vergüteten Werkzeugstahl mit einem Titannitridüberzug zu bedampfen, um so eine möglichst hohe Oberflächenhärte zu erzielen. Die damit erzielbaren Fortschritte sind aber keineswegs ausreichend und haben dazu geführt, daß thermoplastische Kunststoffe, insbe¬ sondere Polycarbonate, die aufgrund ihrer guten Verform¬ barkeit und Bruchsicherheit besonders vorteilhafte Ma¬ terialien für die Herstellung von Kunststoffteilen mit optischer Oberflächenqualität darstellen, nach dem heutigen Stand der Technik nicht in befriedigender Weise verarbeitet werden können.
Kunststoffteile mit optischer Oberflächenqualität, wie z.B. Linsen, Spiegel, Compact-Discs und sonstige Teile für die Durchsicht-, Reflexions-, Laser- und übertragungsop- tik, werden daher auch heute noch weitgehend aus duropla¬ stischen Kunststoffen, insbesondere Diallyldiglykolcarbonat, unter Anwendung des Formgießverfahrens hergestellt, das zwar spannungsfreie Kunststoffteile liefert, die jedoch aufgrund ihrer Neigung zum Splittern und zur Rißbildung den heutigen erhöhten Sicherheitsanforderungen nicht mehr genügen. Auch ist dieses Verfahren technisch umständlich und unwirtschaftlich, nicht zuletzt auch wegen" der geringen Standzeit der dafür bisher verwendeten Formeinsätze.
Aufgabe der Erfindung war es daher, Formeinsätze, insbeson¬ dere solche für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge, zu finden, die hinsichtlich ihrer Oberflächenqualität und sonstigen physikalischen Eigenschaften den heutigen höheren Anfor¬ derungen genügen.
Es wurde nun überraschend gefunden, daß diese Aufgabe er¬ findungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß die Formein- sätze, insbesondere diejenigen für Gieß- und Spritzgie߬ werkzeuge , aus technischer Keramik auf Oxid- , Nitrid- Carbid- oder Cermetbasis oder Mischungen davon gefertigt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Formeinsatz, der sich insbesondere für Gieß- und Spritzgießwerkzeuge eignet, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus technischer Keramik auf Oxid-, Nitrid-, Carbid- oder Cermetbasis oder Mischungen davon besteht und vorzugsweise eine optisch polie Oberfläche aufweist. Er kann sowohl aus elektrisch nicht¬ leitender technischer Keramik auf Oxid- und/oder Nitrid¬ basis für die Verwendung in Gießwerkzeugen als auch aus elektrisch leitender, vorzugsweise halbleitender, techni¬ scher Kramik auf Carbid- und/oder Cermet-Basis für den Einsatz in Spritzgießwerkzeugen bestehen. Der erfindungsgemäß verwendete neue Werkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß er besonders gute Wärmeübergangs- werte besitzt und daß seine Oberfläche verhältnismäßig leicht auf mechanischem Wege zu einer optischen Ober¬ fläche poliert werden kann, die eine außergewöhnlich hohe Kratzfestigkeit aufweist, wie sie mit den bisher bekannten Werkstoffen nicht erzielbar war. Seine Oberflächenritzhärte beträgt >9 und kommt somit der Oberflächenritzhärte von Diamant (10) sehr nahe.
Der erfindungsgemäße Formeinsatz kann einen beliebigen Querschnitt haben, vorzugsweise hat er einen rechteckigen, quadratischen, halbkreisförmigen oder kreissegmentförmigen Querschnitt.
Bei seiner Verwendung in Gießwerkzeugen bietet er gegenüber den bisher verwendeten Glas-Formeinsätzen den Vorteil einer wesentlich höheren Standzeit aufgrund der höheren Härte seiner Formoberfläche. Darüber hinaus können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Formeinsatzes nach dem Gießverfahren hergestellte Kunststoffteile mit deutlich höherer Qualität erhalten werden, was darauf zurückzuführen ist, daß aufgrund der höheren Wärmeübergangswerte des er¬ findungsgemäßen Formeinsatzes die inneren Spannungen, die bei Formgießen als Folge der zur Einleitung der Aushärtungsreakti von außen zugeführten Wärme und der bei der Aushärtung entste henden Reaktionswärme in dem Kunststoff-Formteil auftreten, aufgrund des verbesserten Wärmedurchgangs sich auch ohne zu¬ sätzliche Temperung rasch auflösen, was in Zusammenwirkung mit der geringeren Polarisationsdauer nicht nur zu einer wirt schaftlicheren Gestaltung des Gießverfahrens, sondern auch zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität, insbesondere Fe¬ stigkeit, des gegossenen Formkörpers führt. Dadurch erhöht sic der Gebrauchswert der gegossenen Formteile ganz erheblich. Im Falle der Verarbeitung von thermoplastischen, vorzugswei¬ se transparenten, Kunststoffen in Spritzgießwerkzeugen ist es durch Verwendung der erfindungsgemäßen Formeinsätze möglich, auch die bisher nicht in großtechnischem Maßstab verarbeitbaren Polycarbonate einzusetzen, die aufgrund ihrer guten Verformbarkeit und Bruchsicherheit als Werk¬ stoff für die Herstellung von Kunststoffteilen mit opti¬ scher Oberflächenqualität sehr gefragt sind.
Die erfindungsgemäß verwendeten Formeinsätze lassen sich leicht, vorzugsweise auf mechanischem Wege, zu optischen Formoberflächen polieren, die hervorragende Kratzfestig- keiten aufweisen, wie sie mit den bisher auf dem Markt be- findlichen Werkstoffen nicht erzielbar sind. Dies führt zu deutlich verlängerten Standzeiten der Formeinsätze, selbst dann, wenn diese während ihres Einsatzes in Spritzgießwerk¬ zeugen mehrfach einer Oberflächennachbehandlung unterzogen werden.
Hinzu kommt, daß die erfindungsgemäßen Formeinsätze auf¬ grund ihrer deutlich höheren Wärmeübergangswerte wesentlich besser beheizbar und kühlbar sind als die bekannten Formein¬ sätze. Darüber hinaus weisen die elektrisch leitenden, vor- zugsweise halbleitenden, Ausführungsformen der erfindungsge- mäßen Formeinsätze dadurch, daß sie durch Anlegen von Elektroden an ihre Oberfläche, die mit einer geeigneten Spannungsquelle, vorzugsweise einer Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquelle, verbunden werden können, den Vorteil auf, daß ihre Oberfläche direkt innerhalb von wenigen Sekun¬ den auf jede gewünschte Temperatur aufheizbar ist, wodurch die unerwünschte Belagsbildung auf den Formeinsätzen beim Start des Formspritzverfahrens zuverlässig vermieden werden kann. Durch die schnelle Beheizbarkeit dieser Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Formeinsätze lassen sich innere Spannungen, die beim Spritzgießen auftreten und auf eine unerwünschte Ausrichtung der Moleküle zurückzu¬ führen sind, die zu unerwünschten Doppelbrechunσen und damit zu optischen Fehlern führen, auf technisch einfache und zuverlässige Weise lösen, da die erfindunσsσemäßen Form¬ einsätze in dieser speziellen Ausführungsform aufgrund ihrer integrierten Widerstandsheizung innerhalb weniger Sekun¬ den auf jede gewünschte Temperatur eingestellt werden können. Aufgrund der hohen natürlichen Härte der erfindungsgemäß ver¬ wendeten Werkstoffe ist es auch nicht mehr erforderlich, eine spezielle Oberflächenvergütung durchzuführen. Das Tempern zur Auflösung unerwünschter innerer Spannungen kann entfallen.
Aufgrund ihrer außerordentlich hohen Oberflächenhärte und der direkten Beheizbarkeit ihrer Oberfläche stellen die erfindungsgemäßen Formeinsätze hervorragende Materialien für Spritzgießwerkzeuge dar, in denen thermoplasti- sehe Kunststoffe zu optisch einwandfreien Formkörpern beliebiger Gestalt auf technisch einfache und wirtschaft¬ liche Weise verarbeitet werden können, ohne daß die Ober¬ flächen der Formeinsätze nachbearbeitet oder die Formein¬ sätze selbst in mehr oder minder häuficren Abständen durch neue ersetzt werden müssen.
Gegenstand der Erfindung sind ferner Verfahren zur Herstellun von Kunststoffteilen, insbesondere solchen mit optischer Oberflächenqualität,speziell Linsen, Spiegeln, Compact-Discs und sonstigen Formkörpern für die Durchsicht-, Reflexions-, Laser- und Übertragungsoptik, aus - vorzugsweise trans¬ parenten - Kunststoffen, insbesondere duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen, die dadurch gekenn¬ zeichnet sind, daß die jeweils zu verarbeitenden Kunst¬ stoffe in Form der Ausgangsmonomeren, gegebenenfalls im Gemisch mit einem Katalysator (bei Verarbeitung von wärme¬ härtbaren oder katalytisch härtbaren Duroplasten in Gie߬ werkzeugen), oder im aufgeschmolzenen Zustand (bei Verarbei¬ tung von thermoplastischen Kunststoffen in Spritzgießwerk¬ zeugen) in an sich bekannter Weise in eine Gießform bzw. Spritzgießform, in der Formeinsätze der vorstehend be¬ schriebenen Art verwendet werden, eingeführt und nach dem Aushärten zu den gewünschten Formteilen entformt werden.
Vorzugsweise werden in diesen Verfahren erfindungsgemäße Formeinsätze aus einer elektrisch leitenden, insbesondere halbleitenden, technischen Keramik auf Carbid- und/oder Cermet-Basis verwendet, deren Oberflächen Elektroden für den Anschluß einer Gleichspannungs- oder Wechselspannungs- quelle zum direkten Beheizen der Formeinsätze aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchführbar, daß vor dem Einführen des zu verarbeitenden Kunststoffes in die Gieß- oder Spritzgießform zur Erzielung einer aufge¬ schmolzenen, kratzfesten Oberflächenbeschichtung ein flüssiges, pastöses oder pulverförmiges Material auf die Oberfläche der Formeinsätze aufgebracht und gegebenenfalls unter Erwärmen ausgehärtet wird, so daß nach dem Entformen ein Kunststoff-Formkörper mit einem kratzfesten Oberflächen- überzug, der beliebigen Modifikationen, beispielsweise einer Einfärbung, unterzogen werden kann, erhalten wird (sogenanntes Inmold-Verfahren) .
Di Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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 oben erwähnt, aus technischer Keramik auf Oxid-, Nitrid- und/oder Carbid-Basis oder aus Cer ets oder Mischungen davon. 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 mechanischen, vorzugsweise mechanischen, Oberflächenbearbeitung unterzogen werden. Bevorzugte Keramik¬ materialien sind die Carbide, Nitride und Oxide von Metallen, wie AI, Cr, Mg, Si, Ti, Cr, Mo, insbesondere von Metallen der Gruppe IV des Periodischen Systems der Elemente. Die erfindungsgemäß eingesetzten Cermets sind an sich bekannte Werkstoffe aus zwei getrennten Phasen, nämlich einem metalli¬ schen und einem keramischen Bestandteil, die sich in Härte und Schmelzpunkt voneinander unterscheiden. Der keramische Anteil (vorzugsweise Carbide, Nitride, Silicide, Boride und Oxide von AI, Cr, Mg, Si, Ti, Cr, Mo und dgl.) bewirkt die große Härte, den hohen Schmelzpunkt, die hohe Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit, während der metallische Anteil (bei¬ spielsweise Cr, Co, Ni, Fe, Mo, W und dgl.) eine hohe Tempera- turwechselbeständigkeit, Zähigkeit und Schlagfestigkeit be¬ wirkt. Solche Werkstoffe sind an sich bekannt und beispiels¬ weise in Römpp, Chemielexikon, 6. Auflage, Seite 990, be¬ schrieben. Sie werden hergestellt durch Vermischen, des keramischen Anteils (Pulver) mit dem Metallanteil (Pulver) , Pressen des Gemisches unter hohem Druck zu den gewünschten Formungen, Sintern in neutraler oder schwach saurer, redu¬ zierender Atmosphäre, woran sich dann eine Oberflächenbe¬ handlung anschließt.
Mit den erfindungsgemäßen Formeinsätzen lassen sich belie¬ bige Formkörper, insbesondere nach dem Gießharzverfahren (Monomergießverfahren) und Spritzgießverfahren, herstellen und zwar sowohl nicht-optische Formkörper beliebiger Größe und Gestalt, als auch optische Formkörper beliebiger Größe und Gestalt. Aufgrund der erfindungsgemäß verwendeten Form- einsätze weisen die hergestellten Formkörper deutlich weni¬ ger innere Spannungen auf als die unter Verwendung der bis¬ her üblichen Werkzeuge hergestellten Formkörper. Sie be¬ sitzen eine höhere Festigkeit und damit einen höheren Ge- brauchswert.
Besonders vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Formein¬ sätze für die Herstellung optischer Spritzgießteile, ins¬ besondere Linsen, Spiegeln, Compact-Discs und sonstigen Formkörpern für die Durchsicht-, Reflexions-, Laser- und
Übertragungsoptik aus Kunststoffen, vorzugsweise transparen¬ ten Kunststoffen, insbesondere thermoplastischen Kunststoffen Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich nicht nur auf technisch einfache und wirtschaftliche Weise 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.
In den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beliebige thermoplastische und duroplastische Kunststoffe verarbeiten, auch solche, die nach dem Stand der Technik bisher nicht vera 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 1 Verarbeitung der nachfolgend angegebenen Monomeren unter Anwendung des Gießharzverfahrens:
1 ,3-Butylenglykoldimethylmethacrylat, Acrylnitril, Allyl- methacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Cyanoethylmethacry-
5 lat, Bisphenol A-dimethacrylat, Methoxybutylmethacrylat,
Methylmethacrylat, Diethylenglykolbisallylcarbonat, Ethoxy- methylmethacrylat, Ethylenglykoldimethacrylat, Ethylenglykol- diacrylat, Polyethylenglykoldimethacrylat.
0 Die Fig. T der beiliegenden 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 _5 angebracht, die mit einer Spannungsquelle in Verbindung stehen Damit läßt sich die Oberfläche des erfindungsgemäßen Formein¬ satzes 1 innerhalb weniger Sekunden auf jede gewünschte Temperatur aufheizen.
0 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.
5 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- Q 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 einem zweiteiligen 35 Formträger 3, der an der Trennebene 3a in eine obere und untere Hälfte aufgeklappt werden kann zur Entnahme des fertigen Spritzgießlings. Der Formträger 3, der vorzugs¬ weise aus Stahl, insbesondere Invarstahl, gefertigt wird, weist eine integrierte Kühleinheit(nicht dargestellt)auf,die vorzugsw aus Bohrungen, Rippen, Kanälen und dgl. für die Einführung eines Kühlmediums besteht, die linear in Längsrichtung oder Querrichtung oder konzentrisch verlaufen können. Im Innern des zweiteiligen Formträgers 3 befindet sich die in der dargestellten Ausführungsform ebenfalls zweiteilige Kavität oder Mold (formgebendes Teil) , bestehend aus den beiden Formeinsätzen 1 , deren innere Formober lächen 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 4a 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 vorzugsweise aus Kupfer, versilber¬ tem Kupfer oder Aluminium gefertigt und direkt an die Form¬ einsätze -1. angelötet.
Als Kühlmedium, das die Rippen oder Kanäle in dem zweiteiligen Formträger 3 durchfließt, können sowohl Gase als auch
Flüssigkeiten dienen, bevorzugt wird Luft, flüssiger Stick¬ stoff, Freon oder ein anderer Fluorkohlenwasserstoff, Was¬ ser oder öl verwendet.
Die Fig. 4 zeigt in Form einer schematischen Darstellung ein 1 Formwerkzeug, wie es beim sogenannten Gießharzverfahren (Monomergießverfahren) eingesetzt wird. Bei der darge¬ stellten Ausführungsform besteht die Mold aus den beiden Form¬ einsätzen 1 , deren Formoberflächen parallel zueinander 5 in einem definierten Abstandvoneinander verlaufen. Als Abstandhalter dient ein Dichtring 5 aus einem elasti¬ schen Material, vorzugsweise Gummi oder einem sonstigen Elastomeren, der den Hohlraum zwischen den beiden Formein¬ sätzen 1 verschließt. Die ganze Anordnung wird z.B. von
10 einer elastischen Drahtklammer6 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
15 sie das Gießwerkzeug im geschlossenen Zustand hält. Die
Einführung des flüssigen Kunststoffes erfolgt z.B. mittels ei Injektionsnadel durch den Dichtring 5 hindurch, der vorzugs¬ weise aus mit Dioctylphthalat weichgemachtem Polyvinyl¬ chlorid besteht.
20
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-
25 forderlich, anschließend auf an sich bekannte Weise ge¬ schliffen und poliert werden.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend an Hand spezifischer bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch 30 für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keines¬ wegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
s~- " 35

Claims

050P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Formeinsatz, insbesondere für Gieß- und Spritzgießwerk- r- zeuge, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß er be¬ steht aus technischer Keramik auf Oxid-, Nitrid-, Carbid- oder Cermetbasis oder Mischungen davon.
2. Formeinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0 er eine polierte, kratzfeste Formoberfläche aufweist. 1 3. Formeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß er aus elektrisch leitender, vorzugsweise halbleitender, technischer Keramik auf Carbid- und/oder Cermet-Basis besteht.
5
4. Formeinεatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß er aus elektrisch nicht-leitender technischer Keramik auf Oxid- und/oder Nitridbasis besteht.
0 5. Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei an gegenüberliegenden Seiten angebrachte Elektroden für den Anschluß einer Gleichspan- nungs- oder Wechselspannungsquelle aufweist.
5 6. Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er einen rechteckigen, quadratischen, halbkreisförmigen oder kreissegmentförmigen Querschnitt hat.
7. Formeinsatz nach einem der Ansprüche 1 'bis 6, dadurch 0 gekennzeichnet, daß er eine optisch polierte, kratzfeste
Formoberfläche aufweist.
8. Verfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen,insbe¬ sondere solchen mit optischer Oberflächenqualität, speziell
2 Linsen, Spiegeln, Compact-Discs und sonstigen Formkörpern für die Durchsicht-, Reflexions-, Laser- und Übertragungs¬ optik, aus vorzugsweise transparenten Kunststoffen, insbe¬ sondere duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der jeweils zu
„0 verarbeitende Kunststoff in Form des Ausgangs-Monomeren, gege¬ benenfalls im Gemisch mit einem Katalysator, oder im aufge¬ schmolzenen Zustand in an sich bekannter Weise in eine Gießform oder Spritzgießform, in der Formeinsätze nach ei¬ nem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet werden, eingeführt f. und nach dem Aushärten zu dem gewünschten Formteil ent¬ formt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Formeinsätze aus einer elektrisch leitenden, vorzugsweise halbleitenden, technischen Keramik auf Carbid- und/oder Cermet-Basis verwendet werden, deren Oberfläche zwei Elek- troden für den' Anschluß einer Gleichεpannungε- oder Wechsel- spannungsquelle zum direkten Beheizen aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich¬ net, daß vor dem Einführen des Kunststoffes in die Gieß- oder Spritzgießform zur Erzielung einer aufgeschmolzenen kratz¬ festen Oberflächenbeschichtung (Inmold-Beschichtung) ein flüssiges, pastöses oder pulverförmiges Material auf die Oberflächen der Formeinsätze aufgebracht und, gegebenen¬ falls unter Erwärmen, ausgehärtet wird.
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