DE19830072A1

DE19830072A1 - Verfahren und Vorrichtung zum photoablativen Reinigen von Kunststoffpreß- und spritzformen

Info

Publication number: DE19830072A1
Application number: DE19830072A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Mueller; Georg Bostanjoglo
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: WOM World of Medicine GmbH
Priority date: 1998-07-04
Filing date: 1998-07-04
Publication date: 2000-01-05
Also published as: WO2000001497A1; AU4905899A

Abstract

Nach dem Stand der Technik werden Preß- und Spritzgußformen zur Herstellung von Formteilen aus synthetischem Kautschuk und ähnlichem Kunststoffmaterial mit einer extrem harten gleichzeitig aber extrem dünnen Oberflächenantihaftbeschichtung versehen. In der Regel werden für diese Beschichtungen Titanlegierungen aufgebracht. DOLLAR A Durch die beim Herstellprozeß der Kunststofformteile notwendigen erhöhten Temperaturen, neigen diese Beschichtungen dazu, oberflächlich Titandioxid zu bilden, das entweder als Anatas oder Rutil einen dünnen kristallinen Oberflächenfilm bildet. DOLLAR A An diesen kristallinen lokalen Störstellen der sonst metallischen Oberflächenbeschichtung neigen die verwendeten thermoplastischen Kunststoffe (synthetische Kautschuke) zum Anhaften und führen damit zu Verunreinigungen der Frontteile. Es soll nun ein oberflächenschonendes Reinigungsverfahren gefunden werden, das einerseits die anhaftenden thermoplastischen Kunststoffreste rückstandslos entfernt und gleichzeitig den metallischen Charakter der Titanlegierung wiederherstellt.

Description

Aufgabenstellung

Nach dem Stand der Technik werden Preß- und Spritzgußformen zur Her stellung von Formteilen aus synthetischem Kautschuk und ähnlichem Kunst stoffmaterial mit einer extrem harten gleichzeitig aber extrem dünnen Oberflä chenantihaftbeschichtung versehen. In der Regel werden für diese Beschich tungen Titanlegierungen aufgebracht.

Durch dem beim Herstellprozeß der Kunststofformteile notwendigen erhöhten Temperaturen neigen diese Beschichtungen dazu, oberflächlich Titandioxid zu bilden, das entweder als Anatas oder Rutil einen dünnen kristallinen Oberflä chenfilm bildet.

An diesen kristallinen lokalen Störstellen der sonst metallischen Oberflächen beschichtung neigen die verwendeten thermoplastischen Kunststoffe (synthe tische Kautschuke) zum Anhaften und führen damit zu Verunreinigungen der Frontteile.

Es soll nun ein oberflächenschonendes Reinigungsverfahren ge funden werden, das einerseits die anhaftenden thermoplastischen Kunst stoffreste rückstandslos entfernt und gleichzeitig den metallischen Charakter der Titanlegierung wiederherstellt.

Stand der Technik

Aus der US 5 373 140 ist für geschlossene Spritzgußformen bekannt, daß möglicherweise eine Reinigung durch Laserstrahlung erfolgen kann. In der US 5 373 140 ist allerdings die Art der Laserstrahlung in keiner Weise charakteri siert weder im Hinblick auf das Intensitätszeitverhalten noch im Hinblick auf die bevorzugte Wellenlänge, so daß eine technische Lehre im Hinblick die für die Reinigung von Kunststoffspritzgußformen notwendigen Prozeßparameter und damit die benötigte Lasertechnologie nicht offenbart ist. Insbesondere kann dieser Druckschrift keine Anweisung zum technischen Handeln zur Lö sung der eingangs gestellten Aufgabe entnommen werden.

Weiterhin ist aus einer Druckschrift des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik bekannt, daß mit einem Neodym : YAG Laser, dessen Intensitätszeitverhalten ebenfalls nicht näher spezifiziert ist, Werkzeuge für die Herstellung von Bau teilen aus Kautschuk oder Kunststoffspritzguß gereinigt werden können. Da bei wird angeführt, daß die Laserstrahlung über bis zu 50 m lange Glasfaser kabel übertragen werden kann. Ebenso ist in dieser Druckschrift offenbart, daß die Verunreinigungen durch die Laserstrahlung verdampft werden. Beide Angaben legen es dem Durchschnittsfachmann nahe, daß zum einen der zur Reinigung genutzte Verdampfungsprozeß rein thermischer Natur ist und daß die verwendete Laserstrahlung entweder kontinuierlich oder getaktet abgege ben wird und somit eine vergleichsweise niedrige Energiedichte aufweist, da ansonsten keine Übertragbarkeit über 50 m gewährleistet ist. Dieser rein thermische Verdampfungsprozeß ist allenfalls für herkömmliche Formen aus Sonderstählen mit polierten Oberflächen geeignet, führt aber zu einem relativ hohen Wärmeeintrag in die Oberfläche, da im Zuge der thermischen Ver dampfung es zu einer Inkohlung des organischen Kunststoffmateriales kommt und die entstehenden karbonisierten Fragmente in erhöhtem Maße die Strahlung absorbieren und damit zu lokalen Überhitzungen führen, die wie derum im ungünstigen Falle zu einem Einbrennen von Restbestandteilen der Inkohlungsprodukte führen.

In keinem Falle ist diese Art des Prozesses geeignet, moderne Spritzgußfor men mit denen in der Aufgabenstellung beschriebenen Antihaft- und Verede lungsschichten an der Oberfläche dergestalt zu reinigen, daß diese Vergü tungsschicht erhalten bleibt bzw. regeneriert wird.

Erfindungsgemäße Lösung

Es hat sich überraschenderweise gezeigt daß mit Hilfe gütegeschalteter Neodym : YAG Laser mit Pulslängen von deutlich unter 200 nsec typischerwei se zwischen 5 und 20 nsec extrem hohe Energiedichten erreicht werden kön nen, die lokal zu einer Spontanionisation der Kunststoffkontaminierung an der Oberfläche von Spritzgußformen führen, die zu einem vollständigen explosi onsartigen Abtrag der Kontamination führen, wobei durch die extrem kurze Pulszeit sichergestellt ist, daß die zur Ionisation notwendige Prozeßenergie ausschließlich an der Oberfläche des metallischen Substrats in Abtragungse nergie umgesetzt wird. Ein Inkohlungsprozeß der organischen Bestandteile der Kunststoffmatrix findet nicht mehr statt.

Derartig hochenergetische Strahlung läßt sich allerdings nicht mehr in einfa cher Weise durch einzelne Lichtleitkabel übertragen, da erfindungsgemäß die benötigten Laserpulsenergien zwischen 100 und 3000 mJ, typischerweise über 1 J liegen.

Diese Einzelpulsenergien sind erfindungsgemäß notwendig, um größere Flä chen simultan mit hochenergetischer Laserstrahlung erfindungsgemäß zu beaufschlagen. Dabei variieren je nach Raumform der zu reinigenden Form, d. h. auftretenden Krümmungsradien, Strukturen und Strukturen wie Nuten und Einsenkungen zwischen ca. 5 mm² und 5 cm². Zur Erzielung einer homo gen Energiedichte ist es dabei erfindungsgemäß notwendig, ein zweistufiges Lasersystem zu verwenden, bei dem die gütegeschaltete Strahlung eines er sten gepulsten Lasers in einen nachfolgenden Verstärker entsprechend den notwendigen Pulsenergien nachverstärkt wird. Der Prozeß der photoablativen Dekomposition der Oberflächenverunreinigungen ist dabei grundsätzlich mit Wellenlängen im Bereich zwischen 200 nm und 3000 nm möglich. Erfin dungsgemäß werden die benutzten Wirkwellenlängen durch Festkörperlaser systeme erzeugt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein sogenannter Neo dym : YAG Laser als zweistufiges gütegeschaltetes System benutzt. Dabei wird je nach technischem Einsatzgebiet die Laserstrahlung von einem zwar mobi len, d. h. fahrbaren Lasergerät über geeignete Spiegelgelenksysteme an das Werkstück geführt oder aber soweit es sich lediglich um geringe Nacharbeiten bzw. geringflächige Verschmutzungen handelt, mit einem entsprechenden System geringerer Leistungsklasse, das tragbar ausgelegt ist, der die Strah lung abgebende Laserkopf derart ausgeführt, daß er durch das Bedienperso na handgeführt werden kann und lediglich die notwendigen Energiezuführun gen und gegebenenfalls Kühlwasserleitung durch eine flexiblen Verbindung mit dem Netzteil verbunden sind. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in Abb. 1 dargestellt.

Die aus dem Laser, auch Oszillator genannt, austretende Strahlung wird durch einen weiteren Laserkopf verstärkt. Der Durchmesser des Verstärker- Laserstabes muß mindestens so groß wie der des eigentlichen, ersten Laser stabes sein. In diesem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des Verstärkerstabes deutlich größer als der Durchmesser des Laserstabes. Durch den Fortschrift in der Kristallfertigung sind seit kurzem Laserstäbe mit bis zu 25 mm Durchmesser erhältlich. Die Verwendung dicke rer Verstärkerstäbe hat zwei Vorteile: Zum einen erhöht sich die Laserinten sität auf den Endflächen des Verstärkerstabes wegen des größeren Durch messers nur mäßig, wodurch die Schadensanfälligkeit durch laserinduzierte Zerstörung nicht wesentlich steigt. Zum anderen wird die Sättigung des Ver stärkers unter Beibehaltung der Pulsenergieverstärkung reduziert.

Der aus dem Verstärker tretende Laserstrahl durchläuft sodann eine Strahl formungs-Baugruppe, in welcher verschiedene strahlformende Elemente wie Linsen oder Linsensysteme geeignet gehaltert sind. Um den Strahlquerschnitt und damit die Leistungsdichte an die Bearbeitungsaufgabe anzupassen, wird das geeignete Element ausgewählt und in den Strahlengang gebracht. Anstatt von verschiedenen Linsen wird bei Notwendigkeit der stufenlosen Quer schnittsanpassung ein Zoomobjektiv eingebaut.

Nach Verlassen der Strahlformungseinheit tritt der Laserstrahl in die Schut zeinheit, welche den Laser vor abgetragenen Partikeln und Umwelteinflüssen schützt. Der Laserstrahl betritt es durch ein entspiegeltes Schutzglas, welches den optischen Teil des Lasergeräts von dem werkstückseitigen Bearbei tungsteil abgrenzt. In diesem Schutzteil, welches in Abb. 2 detailliert darge stellt ist, wird durch eine Absaugung, welche an ein Filter angeschlossen ist, gegen das Schutzglas ein leichter Unterdruck aufgebaut, so daß ein Luftstrom vom Werkstück zum Filter entsteht, welcher die vom Laserstrahl abgelösten Werkstückpartikel mitführt.

Den werkstückseitigen Abschluß des Lasergeräts bildet das Endstück. Es ist dergestalt ausgebildet, daß es den Laserstrahl an die vorgesehene Wechsel wirkungszone gelangen läßt und gleichzeitig dafür sorgt, daß

- ein ausreichend starker Luftsog entsteht
- der Anteil der Laserstrahlung, die nach außen gelangt, nicht größer als nötig ist
- gleichzeitig eine Beobachtung des Bearbeitungsorts möglich ist.

Um den Einsatz auf verschieden geformten Oberflächen zu erleichtern, ist dieses Endstück abnehm- und austauschbar. Zur Erzielung besonders kurzer Baulängen wird mittels zweier Umlenkspiegel der Aufbau gefaltet. Die Regu lierung der auf das Werkstück treffenden Laserstrahlung geschieht einerseits durch die Pulswiederholrate, anderseits durch Variation der Pumpleistung.

Der Laserstrahl betritt die Schutzeinheit durch das entspiegelte Schutzglas. Danach passiert er eine mechanische Blende mit einer mittigen Aussparung. Diese Blende schützt das Schutzglas vor den meisten Partikeln, da es sonst vorzeitig degradiert. Ein Gegenstrom aus Nebenluft unterbindet zusätzlich das Einfallen von Partikeln auf das Schutzglas. Die linke Seite ist dem Werkstück zugewandt: Hier werden die abgetragenen Partikel und evtl. entstehenden Dämpfe abgesaugt und über ein Absaugrohr als Abluft zum Filter gebracht.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur photoablativen Reinigung von Spritzguß- und Preßformen in der kunststoffverarbeitenden Industrie, dadurch gekennzeichnet, daß der photoablative Prozeß durch ein nachverstärktes gütegeschaltetes Lasersystem mit einer Wirkwellenlänge zwischen 200 und 3000 nm bei Pulsdauern von unter 100 ns erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahldurchmesser auf dem Werkstück 5 mm übersteigt.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laser, Verstärker, Strahlformung, Schutzeinheit und Bearbei tungskopf umfassende Baugruppe tragbar ist.

4. Vorrichtung und Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß diese Baugruppe mit einem Schulter-, Becken- oder sonstigen geeig neten Gurt getragen wird.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Baugruppe schwenkbar auf ein schnell befestigbares Stativ ange bracht werden kann.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilitätsgebende Teile des Aufbaus aus Kohlenstoffaser-Ver bundwerkstoff bestehen.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stabilitätsgebende Teile des Aufbaus aus Titan bestehen.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilität der Anordnung durch Einbau der Komponenten in ein Rohr aus Kohlestoffaser-Verbundwerkstoff erreicht wird.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Laser vom Werkstück trennende Schutzglas durch eine Blende aus transparentem Kunststoff mit einer mittigen Öffnung vor Verschmut zung durch angesaugte abgetragene Partikel geschützt wird.

10. Vorrichtung und Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß Farb-, Deck- und Schmutzschichten von Metallen, Kunststoffen und mine ralischen Untergründen entfernt werden.