DE10085261B4

DE10085261B4 - Kunststoffformen und ein hierfür verwendeter Stempel

Info

Publication number: DE10085261B4
Application number: DE10085261T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kurosaki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: WO2001039960A8; WO2001039960A1; KR100719399B1; KR20020056954A; AU1419101A; CN1402666A; DE10085261T1

Abstract

Ein Kunststoffformprozess, welcher die folgenden Schritte umfasst:
– Bereitstellen eines Zuschnittwerkstücks (1), welches aus einem infrarotabsorbierenden Kunststoffmaterial gefertigt ist und mit einer Primärebene (11) versehen ist,
– Befestigen des Zuschnittwerkstücks (1), wobei die Primärebene (11) frei liegt,
– Aufrechterhalten der Primärebene (11) des Zuschnittwerkstücks (1) in einer engen Kontaktbeziehung mit einer Mutterebene (51) eines Stempels (5), der wenigstens zum Teil aus einem infrarotdurchlässigen Material gefertigt ist, und
– Zuführen von Infrarotstrahlung auf den Stempel (5) in Richtung auf das Zuschnittwerkstück (1),
– Erhöhen der Temperatur des Zuschnittwerkstücks (1) im Bereich nahe der Primärebene (11) durch Absorption von Strahlungsenergie der Infrarotstrahlung,
– Verringern der Viskosität des Kunststoffmaterials des Zuschnittwerkstücks (1) im Bereich nahe der Mutterebene (51) des Stempels (5), und
– Übertragen einer Konfiguration der Mutterebene (51) auf die Primärebene (11) des Zuschnittwerkstücks (1).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen im Kunststoffformprozess und betrifft insbesondere ein Übertragungssystem von hoher Qualität, das für die Herstellung von Präzisionskunststoffformerzeugnissen wie z. B. Speicherdisks, Kameraobjektive, elektronische Vorrichtungen und Teilen von MEMS geeignet ist.
In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck „Primärebene” auf die Ebene eines Zuschnittwerkstücks, auf welches die Stanzformung angewendet werden soll. Die Primärebene umfasst z. B. eine Ebene des Zuschnittwerkstücks, die für die Herstellung von CD-ROMs verwendet wird, und eine Ebene, die für die Herstellung von Präzisionslinsen verwendet wird. Der Ausdruck „Mutterebene” bezieht sich auf eine Ebene des Stempels, der für die Übertragung einer gewünschten Konfiguration auf die Primärebene eines Zuschnittwerkstücks verwendet wird. Der Ausdruck „Stanzelement” bezieht sich auf einen kleinen Vorsprung, der auf der Mutterebene des Stempels vorhanden ist, wie z. B. eine Vertiefung auf einer CD-ROM.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Beim Kunststoffformen wird geschmolzenes und verformbar gemachtes Kunststoffmaterial über eine Spritzgießvorrichtung unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit in eine metallische Form eingespritzt, die einen Stempel beinhaltet, und wird auf hoher Temperatur gehalten, um das angestrebte Formerzeugnis nach Verfestigung durch Kühlen zu bilden. Dieser Prozess wird weitreichend in der Technik wegen seiner hohen Produktivität verglichen mit den Pressformen verwendet.
Dieses Spritzgießen wird jedoch unvermeidbar von der Anwesenheit von Restspannung und -beanspruchung begleitet. Dies wird hauptsächlich durch die fortlaufende Verflüssigung und das Kühlen des viskoelastischen Kunststoffmaterials sowie einem ungleichmäßigen Kühleffekt aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffmaterials im Allgemeinen verursacht. Die Anwesenheit solcher Restspannung und -beanspruchung neigt zur Entwicklung äußerer Defekte wie z. B. Verziehen und Vertiefen.
Die äußeren Defekte schließen weiter Verkürzungen und Bindenähte ein, die sich aus den oben beschriebenen Defekten ergeben.
In dem Hohlraumbereich in der Nähe der Formwand gegenüber der Einspritzöffnung liefert das Kunststoffmaterial mit hoher Temperatur einen hohen Grad an Viskosität aufgrund des abrupten Kontaktes mit der Formwand mit niedriger Temperatur, was dadurch seine Übertragbarkeit beeinträchtigt. So ist es im Fall von Formerzeugnissen mit vielen feinen Rillen und/oder Anhöhen, wie zum Beispiel bei Aufzeichnungsmedien für elektronische Vorrichtungen, oftmals schwierig, Rillen und/oder Anhöhen genau so zu erhalten wie beabsichtigt.
In denselben Hohlraumbereich werden Kunststoffmaterialschichten mit verschiedenen Viskositäten aufgrund des oben beschriebenen Temperaturunterschiedes entwickelt, was eine Kunststoffmaterialschicht mit starker Orientierung entwickelt. Hieraus ergeben sich örtliche Variationen bei der Doppelbrechung und der Brechung, die vorgefertigte optische Eigenschaften der Formerzeugnisse verursachen. Eine solche optische Voreinstellung neigt zum Auftreten von internen Defektproblemen, wenn die Formerzeugnisse für optische Linsen oder ähnliche optische Komponenten verwendet werden.
Bei einem Versuch, die dem Spritzgießen inhärenten oben beschriebenen externen und/oder internen Unannehmlichkeiten zu beseitigen, ist es denkbar, die Kühlgeschwindigkeit zu senken, um die Temperatur des Kunststoffmaterials anzuheben und den Einspritzdruck für eine höhere Einspritzgeschwindigkeit zu erhöhen.
Zum Absenken der Kühlgeschwindigkeit ist es gebräuchlich, das Kunststoffmaterial langsam abzukühlen und die Formtemperatur zu erhöhen. Diese Lösung wird jedoch von dem grundlegenden Problem des Zunichtemachens des größten Vorzugs des Spritzgießens begleitet, der die Massenproduktion innerhalb einer kurzen Betriebszeit sicherstellt.
Nach dem Ergebnis experimenteller Studien, die von den Erfindern durchgeführt wurden, können mit der Lösung durch Erhöhen der Formtemperatur keine brauchbaren Vorzüge erwartet werden.
Auf ähnliche Weise wurde durch die experimentellen Studien der Erfinder bestätigt, dass keine brauchbaren Vorzüge durch die Lösung des Erhöhens des Formdrucks erwartet werden können.
Im Grunde erfordert ein hoher Arbeitsdruck, der beim Spritzgießen eingesetzt wird, die Verwendung von groß bemessener Ausstattung. Aus diesem Grund ist es unpraktikabel, eine individuelle Herstellung bei den Einzelhändlern durchzuführen, wo gewöhnlich keine groß bemessene Ausstattung zur Verfügung steht.
Darüber hinaus beschreibt die JP 57 070 608 AA einen Kunststoffformprozess, bei dem Infrarotstrahlung durch den transparenten Stempel und das transparente Werkstück einer Form zugeführt wird um diese zu erhitzen und so eine Verformung des Werkstücks zu erreichen. Weiter beschreibt die JP 02 070 412 AA einen Kunststoffformprozess bei dem eine Infrarotstrahlung durch den Stempel einem plastischen Formmaterial zugeführt wird, um dieses Formmaterial fotosynthetisch zu erhärten. Dabei wird das Formmaterial in seiner Gänze von der Infrarotstrahlung durchdrungen, um diesen Prozess homogen zu bewirken. Als Nachteilig ist anzusehen, dass zum einen eine vollständige Erwärmung der Form und zum anderen des gesamten Formmaterials notwendig ist um eine Verformung desselben zu erreichen. Auf diese Weise wird die Formhaltigkeit des gesamten Werkstücks während des Kunststoffformvorgangs beeinträchtigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die dem Spritzgießen inhärente hohe Produktivität aufrecht zu erhalten, die Übertragbarkeit von Kunststoffmaterialien zu verbessern und Formerzeugnisse mit gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften wie z. B. optischen Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die individuelle Herstellung von Formerzeugnissen bei den Einzelhändlern durch Miniaturisierung der Vorrichtung zu ermöglichen.
Entsprechend dem grundlegenden Gesichtspunkt wird ein Kunststoffformprozess gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es wird ein Zuschnittwerkstück mit einer Primärebene und bestehend aus infrarotabsorbierendem Kunststoffmaterial bereitgestellt, das Zuschnittwerkstück wird mit der freiliegenden Primärebene befestigt, eine Mutterebene eines Stempels, der wenigstens teilweise aus einem infrarotdurchlässigen Material besteht, wird in einer engen Kontaktbeziehung mit der Primärebene des Zuschnittwerkstücks gehalten, Infrarotstrahlung wird auf den Stempel in Richtung des Zuschnittwerkstücks zugeführt, die Temperatur des Zuschnittwerkstücks wird im Bereich nahe der Primärebene durch Absorption von Strahlungsenergie der Infrarotstrahlung erhöht, die Viskosität des Kunststoffmaterials des Zuschnittwerkstücks wird im Bereich nahe der Mutterebene des Stempels verringert, und eine Konfiguration der Mutterebene wird auf die Primärebene des Zuschnittwerkstücks übertragen.
Dank der Absorption von Infrarotstrahlungsenergie wird die Temperatur des Kunststoffmaterials im Bereich nahe der Primärebene erhöht, um einerseits ihre Viskosität abzusenken. Andererseits wird die Temperatur des Stempels wie ursprünglich beibehalten, so dass im Wesentlichen keine Infrarotstrahlungsenergie absorbiert wird.
Um den oben beschriebenen Prozess auszuführen, ist es nötig, dass der Stempel infrarotdurchlässig ist. Herkömmliche Stempel sind jedoch für diesen Prozess ziemlich ungeeignet, da sie im Allgemeinen aus infrarotabsorbierenden Metallen bestehen.
Mit Hinsicht auf diesen Stand der Technik ist es ein weiteres Ziel, einen Stempel bereitzustellen, der für den oben beschriebenen Kunststoffformprozess gut geeignet ist.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind wenigstens Teile des Hauptkörpers mit Ausnahme der Primärebene eines Stempels aus infrarotdurchlässigem Material gefertigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Stempels der vorliegenden Erfindung sind Stanzelemente in die Mutterebene des Stempels eingraviert.
In einer weiteren Ausführungsform des Stempels der vorliegenden Erfindung sind die Stanzelemente an der Mutterebene der Stempels befestigt.
In einer weiteren Ausführungsform des Stempels der vorliegenden Erfindung besteht die Primärebene aus eine Metallscheibe, die in einem Körper mit den Stanzelementen vorgesehen ist.
Im Betrieb gelangt die Infrarotstrahlung zum Zuschnittwerkstück durch den Hauptkörper, der aus infrarotdurchlässigem Material besteht, und die Temperatur des Zuschnittwerkstücks wird im Bereich nahe der Primärebene durch Energieabsorption erhöht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht des ersten Arbeitsschritts bei einer Ausführungsform des Formprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 ist eine Seitenansicht des zweiten Arbeitsschritts desselben Prozesses,
3 ist eine Seitenansicht des dritten Arbeitsschritts desselben Prozesses,
4 ist eine Seitenansicht des vierten Arbeitsschritts desselben Prozesses,
5 ist eine seitliche Schnittansicht der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stempels,
6 ist eine seitliche Schnittansicht der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stempels, und
7 ist eine seitliche Schnittansicht der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stempels.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prozesses ist in den 1–4 gezeigt. Wie in 1 gezeigt, wird ein Kunststoffzuschnittwerkstück 1 mit einer Primärebene 11 bereitgestellt. Ein Beispiel eines solchen Zuschnittwerkstücks ist eine dünne Scheibe für eine CD-ROM. Thermoplastische Materialien wie Polyethylen werden als Werkstück verwendet.
Wie in 2 gezeigt, wird das Zuschnittwerkstück 1 als nächstes auf einer Form 3 befestigt, wobei seine Primärebene 11 nach oben freiliegt.
Anschließend wird ein Stempel 5 mit einer Mutterebene 51 bereitgestellt, wie in 3 gezeigt. Dieser Stempel 5 besteht aus einem infrarotdurchlässigen Material, wie z. B. Zinkselenid (ZnSe), Saphir und Infrarotglas. Im Fall der gezeigten Ausführungsform besteht der Stempel in Gänze aus infrarotdurchlässigem Material. Aber mit Ausnahme des Bereiches der Mutterebene kann der übrige Teil des Stempels aus anderen Materialien gefertigt werden. Wenn der Stempel zur Herstellung von CD-ROM-Scheiben verwendet wird, wird die Mutterebene mit kleinen Vorsprüngen versehen, die den Vertiefungen auf der Scheibe entsprechen.
Wie in 4 gezeigt, werden weiter der Stempel 5 und das Zuschnittwerkstück 1 kombiniert, und zwar mit der Mutterebene 51 in enger Kontaktbeziehung mit der Primärebene 11. Während diese Position gehalten wird, wird Infrarotstrahlung auf den Stempel 5 in Richtung des Zuschnittwerkstücks 1 ausgestrahlt.
Als Quelle für Infrarotstrahlung können Kohlenstoffoxidgaslaser, YAG-Laser und Infrarotlampen verwendet werden. Die Frequenz für die Infrarotstrahlung wird entsprechend der Prozessbedingungen innerhalb eines Bereiches geeignet ausgewählt, der eine gute Absorption durch die großen Polymere ermöglicht, die das Kunststoffmaterial bilden.
Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stempels ist in 5 gezeigt, bei der Stanzelemente 107 in die Mutterebene 105 des Hauptkörpers 103 des Stempels 101 eingraviert sind, welcher aus einem infrarotdurchlässigem Material gefertigt ist.
Der Stempel dieser Art ist jedoch sehr schwierig herzustellen, da das Eingravieren der Stanzelemente einen hohen Grad an Präzision erfordert. Die eingravierten Stanzelemente neigen dazu, einer raschen Abrasion zum Opfer zu fallen, und zwar schon bei weniger Wiederholungen der Verwendungen als die herkömmlichen Stempel, da die infrarotdurchlässigen Materialien allgemein eine geringere Härte aufweisen als die Metalle, die für die herkömmlichen Stempel verwendet werden. Um bei der Herstellung einen hohen Grad an Präzision zu behalten, ist es somit nötig, den verschlissenen Stempel ziemlich oft zu ersetzten, so dass dadurch ein Anstieg in den Gesamtproduktionskosten die Folge ist.
Ein solches Problem des Kostenanstiegs kann gut durch die in 6 gezeigte Ausführungsform beseitigt werden, in der separate Stanzelemente 109 an der Mutterebene 105 des Hauptkörpers 103, der aus einem infrarotdurchlässigem Material gefertigt ist, z. B. über Photogravur angebracht und befestigt werden. Diese Art von Stempel ist hinsichtlich der Kosten gegenüber der ersten Ausführungsform vorteilhaft, da eine Photogravur einfacher durchzuführen ist, als das direkte Gravieren, während der hohe Grad der Präzision bei der Herstellung sichergestellt wird.
Zusätzlich können nach dem Entfernen des Stanzelementes für eine bereits abgeschlossene Art des Kunststoffformens neue Stanzelemente für eine andere Art des Kunststoffformens auf einfache Weise z. B. durch Photogravur angebracht werden. Diese Möglichkeit reduziert die Produktionskosten weiter.
Im Falle der oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Stempel vollständig aus infrarotdurchlässigem Material gefertigt, und folglich ist es nötig, Infrarotstrahlung mit langen Wellenlängen zu verwenden, was zu hohen Einrichtungskosten führt.
Dieses Kostenproblem wird durch die dritte Ausführungsform des in 7 gezeigten Stempels beseitigt, bei dem die Mutterebene des Hauptkörpers 103 die Form einer metallischen Scheibe 111 erhält, die mit eingravierten Stanzelementen 113 versehen ist. Die Dicke der Scheibe liegt in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Die Verwendung der metallischen Scheibe 111 ermöglicht die Verwendung von Infrarotstrahlung mit kurzen Wellenlängen, wodurch die Einrichtungskosten verringert werden. Die geringe Dicke macht ihre Wärmkapazität sehr klein und stellt einen raschen und einfachen Anstieg in der Temperatur durch die absorbierte Infrarotenergie sicher.
Industrielle Anwendung
Da die Viskosität des Kunststoffmaterials im Bereich nahe der exakten Mutterebene verringert wird, kann man eine hohe Übertragbarkeit sogar in dem Fall einer hochkomplizierten und genauen Mutterebenenkonfiguration erwarten, wodurch die Konfigurationspräzision der Formerzeugnisse deutlich verbessert wird. Aus denselben Gründen wird keine Bildung von Schichten mit verschiedenen Viskositäten induziert, so dass die unerwünschte Orientierung großer Polymere reduziert und die gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften der Formerzeugnisse sichergestellt werden.
Die Abwesenheit von hoher Temperatur während des Betriebs erfordert keine Kühlbehandlung, und folglich kann die inhärente Produktivität des Prozesses nicht verschlechtert werden.
Der gesamte Prozess kann in zwei getrennte Phasen eingeteilt werden, d. h. in die Produktion des Zuschnittwerkstücks und das Infrarotformen. Zusätzlich stellt die Nichtverwendung von hohem Druck während des Prozesses die Verwendung einer kompakten Vorrichtung sicher. Dies geht einher mit der Möglichkeit, die Vorrichtung sogar bei Einzelhändlern zu verwenden. Wenn Stempel verschiedener Arten bereitgestellt werden kann so eine individuelle Herstellung bei den Einzelhändlern ohne Schwierigkeit ausgeführt werden.
Da im Wesentlichen die meisten Teile des Stempels aus einem infrarotdurchlässigen Material gefertigt werden, wird Infrarotenergie gleichmäßig an ein Zuschnittwerkstück übertragen, um seinen Temperaturanstieg zu fördern.

Claims

Ein Kunststoffformprozess, welcher die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Zuschnittwerkstücks (1), welches aus einem infrarotabsorbierenden Kunststoffmaterial gefertigt ist und mit einer Primärebene (11) versehen ist, – Befestigen des Zuschnittwerkstücks (1), wobei die Primärebene (11) frei liegt, – Aufrechterhalten der Primärebene (11) des Zuschnittwerkstücks (1) in einer engen Kontaktbeziehung mit einer Mutterebene (51) eines Stempels (5), der wenigstens zum Teil aus einem infrarotdurchlässigen Material gefertigt ist, und – Zuführen von Infrarotstrahlung auf den Stempel (5) in Richtung auf das Zuschnittwerkstück (1), – Erhöhen der Temperatur des Zuschnittwerkstücks (1) im Bereich nahe der Primärebene (11) durch Absorption von Strahlungsenergie der Infrarotstrahlung, – Verringern der Viskosität des Kunststoffmaterials des Zuschnittwerkstücks (1) im Bereich nahe der Mutterebene (51) des Stempels (5), und – Übertragen einer Konfiguration der Mutterebene (51) auf die Primärebene (11) des Zuschnittwerkstücks (1).
Ein Stempel (5) zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (5) mit einer Mutterebene (51) versehen ist, und dass wenigstens der Hauptkörper des Stempels (5) anders als die Mutterebene (51) aus einem infrarotdurchlässigen Material gefertigt ist.
Ein Stempel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Stanzelemente (107) in die Mutterebene (51) des Stempels (5) eingraviert sind.
Ein Stempel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass separate Stanzelemente (109) an der Mutterebene des Stempels (5) befestigt sind.
Ein Stempel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutterebene (51) durch eine Metallscheibe (111) gebildet wird, die in einem Körper (5) mit den Stanzelementen (113) vorgesehen ist.
Stempel, hergestellt durch den Kunststoffformprozess nach Anspruch 1.