DE19908936A1 - Injection molding device and method for producing precision optical and precision mechanical parts from a thermoplastic - Google Patents
Injection molding device and method for producing precision optical and precision mechanical parts from a thermoplasticInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Spritzgießvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung präzisionsoptischer und präzisionsmechanischer Teile aus einem thermoplastischen Kunststoff mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 23 genannten Merkmalen.The invention relates to an injection molding device and a method for Manufacture of precision optical and precision mechanical parts from one Thermoplastic with the in the preamble of claims 1 and 23 mentioned features.
Eine zusammenfassende Übersicht über den grundsätzlichen Aufbau einer Spritzgießvorrichtung für präzisionsoptische Teile aus einem thermoplastischen Kunststoff und die bei deren Herstellung zu beachtenden Verfahrensparameter, sowie der für die Spritzgießtechnik geeigneten optischen Materialien ist dem Aufsatz "Opto-mechanical details in injection molded assemblies, Raymond T. Hebert, Proceedings SPIE - The International Society of Optical Engineering, Vol. 2600, 23.-24. Oct. 1995, pp. 34-41, zu entnehmen. Wichtig bei der Herstellung ist die erzeugte optische Qualität der Oberflächen und die optische Homogenität im spritzgegossenen Kunststoffmaterial.A summary overview of the basic structure of a Injection molding device for precision optical parts from one thermoplastic and those to be observed during their production Process parameters, as well as those suitable for injection molding technology optical materials is the essay "Opto-mechanical details in injection molded assemblies, Raymond T. Hebert, Proceedings SPIE - The International Society of Optical Engineering, Vol. 2600, 23.-24. Oct. 1995, pp. 34-41. The optical which is produced is important in the production Quality of the surfaces and the optical homogeneity in the injection molded Plastic material.
Präzisionsoptische Teile sind dadurch definiert, daß bei interferometrischer Prüfung der Oberfläche die maximale Abweichung der Oberflächengeometrie vom Sollwert ein Streifen bis zu einem freien Durchmesser von D 50 mm beträgt.Precision optical parts are defined by the fact that with interferometric Checking the surface the maximum deviation of the surface geometry a strip up to a free diameter of D 50 mm from the nominal value is.
Von präzisionsmechanischen Teilen spricht man dann, wenn eine Oberflächenrauhigkeit im nm-Bereich, Maßtoleranzen im µm-Bereich, eine hohe Spannungs-Rißkorrosionsfestigkeit und Maßhaltigkeit der Spritzgießlinge verlangt werden. One speaks of precision mechanical parts when one Surface roughness in the nm range, dimensional tolerances in the µm range, one high stress corrosion resistance and dimensional stability of the Injection molded parts are required.
Die Maßhaltigkeit der erzielten Qualität ist über einen langen Zeitraum zu fordern. Die Maßhaltigkeit ist direkt abhängig von der Größe der Eigenspannung und der Fließorientierung im Spritzgießling. Eigenspannungen entstehen durch die üblicherweise vorhandene große Differenz zwischen der Temperatur der plastifizierten Spritzgießmasse und der Temperatur des Formnestes beim Herstellprozeß.The dimensional accuracy of the quality achieved is increasing over a long period demand. The dimensional accuracy is directly dependent on the size of the Internal stress and flow orientation in the injection molding. Residual stresses arise from the usually existing large difference between the Temperature of the plasticized injection molding compound and the temperature of the Form nests in the manufacturing process.
Für die Massetemperatur (MT) der plastifizierten Spritzgießmasse und die Werkzeugtemperatur (WT) der jeweiligen Formnester gilt im allgemeinen bei Polymethylmethacrylat (PMMA) MT = 240 bis 270°C mit WT = 40 bis 90°C, bei Polykarbonat (PC) MT = 280 bis 330°C mit WT = 60 bis 120°C und bei Polyoximethylen (POM) MT = 180 bis 210°C mit WT = 30 bis 60°C.For the melt temperature (MT) of the plasticized injection molding compound and the Tool temperature (WT) of the respective mold nests generally applies to Polymethyl methacrylate (PMMA) MT = 240 to 270 ° C with WT = 40 to 90 ° C, for polycarbonate (PC) MT = 280 to 330 ° C with WT = 60 to 120 ° C and at Polyoxymethylene (POM) MT = 180 to 210 ° C with WT = 30 to 60 ° C.
Durch diese schockartige Abkühlung der Spritzgießmasse beim Eintritt in das Formnest entsteht an der Grenzfläche Spritzgießmasse/Formnestwand eine sog. Spritzhaut, die sehr starke mechanische Spannungen aufweist. Durch den vorhandenen Temperaturgradienten wird ein Spannungsgradient erzeugt. Diese bei der Erstarrungstemperatur "eingefrorenen" mechanischen Spannungen können in den amorphen, thermoplastischen Kunststoffen polarisationsoptisch dargestellt und über den zugehörigen Gangunterschied (Phasendifferenz) quantitativ angegeben werden.This shock-like cooling of the injection molding compound when entering the A mold cavity is created at the injection molding compound / mold cavity wall interface So-called spray skin, which has very strong mechanical stresses. By A voltage gradient is generated based on the existing temperature gradients. These mechanical ones "frozen" at the solidification temperature Tensions can arise in the amorphous, thermoplastic represented polarization-optically and via the associated path difference (Phase difference) can be given quantitatively.
Die Spritzhaut hat selbst bei einer sorgfältigen Verarbeitung meistens eine Dicke von ca. 0,1 mm. Bei einem üblichen Gangunterschied von etwa Γ = 850 nm ergibt sich eine mechanische Spannung von mindestens δ = 12 N/mm2.The spray skin usually has a thickness of approx. 0.1 mm even with careful processing. With a usual path difference of approximately Γ = 850 nm, a mechanical stress of at least δ = 12 N / mm 2 results.
Solche mechanischen Spannungszustände im Spritzgießling sind Ursache für die unzureichende Langzeitstabilität des Spritzgießlings. Die durch die mechanischen Spannungszustände erzwungenen inneren Fließvorgänge gleichen im Laufe der Zeit die Spannungszustände insgesamt oder in einzelnen Bereichen (Relaxation) aus und erzeugen dabei eine z. T. stark deformierte Geometrie der Spritzgießlinge. Die Relaxation tritt bereits bei Raumtemperatur ein, kann aber durch höhere Temperaturen beschleunigt werden. So kann z. B. eine spritzgegossene Linse mit anfänglich präzisionsoptischer Qualität auf diese Weise völlig unbrauchbar werden. Such mechanical stress conditions in the injection molded part are the cause of the inadequate long-term stability of the injection molding. The through the mechanical stress states forced internal flow processes over time, the voltage states will be the same or in total individual areas (relaxation) and thereby create a z. T. strong deformed geometry of the injection molded parts. The relaxation already begins Room temperature, but can be accelerated by higher temperatures become. So z. B. an injection molded lens initially precision optical quality become completely unusable in this way.
Die verbleibenden mechanischen Spannungszustände in einem präzisionsoptischen Spritzgießling führen zu dem optischen Verhalten eines quasi einachsigen Kristalls, d. h. die optischen Konstanten, wie z. B. der Brechungsindex, werden abhängig von dem jeweiligen mechanischen Spannungszustand. Das ist bei präzisionsoptischen Teilen nicht tragbar. Auch das bisher immer noch nicht befriedigend gelöste Problem der dauerhaften Beschichtung von Spritzgießlingen mit optischen und mechanischen Funktionsschichten ist mit auf das Vorhandensein der Spritzhaut zurückzuführen.The remaining mechanical stress states in one precision optical injection molding lead to the optical behavior of a quasi uniaxial crystal, d. H. the optical constants, e.g. B. the Refractive index, are dependent on the respective mechanical State of tension. This is not acceptable for precision optical parts. Also the problem of the permanent coating of injection molded parts with optical and mechanical functional layers is due to the presence of the Spray skin attributed.
Bei einem präzisionsmechanischen Spritzgießling erzeugen die eingefrorenen mechanischen Spannungen eine Minderung der mechanischen Belastbarkeit.In the case of a precision mechanical injection molding, the frozen ones produce mechanical stresses a reduction in mechanical resilience.
In Verbindung mit organischen Lösemitteln, die z. B. in Klebstoffen enthalten sind, und unter dem Einfluß der Luftfeuchte führt das zu der sogenannten Spannungsrißkorrosion und somit zum Versagen der Bauteiles. Weiterhin ist die Maßhaltigkeit des Spritzgießlinges im Langzeitverhalten nicht gegeben, was für präzisionsmechanische Teile ebenfalls nicht akzeptabel ist.In connection with organic solvents, the z. B. contained in adhesives are, and under the influence of air humidity this leads to the so-called Stress corrosion cracking and thus failure of the component. Still is the dimensional accuracy of the injection molded part in long-term behavior is not given, which is also unacceptable for precision mechanical parts.
Mit dem Herstellvorgang der Spritzgießtechnik sind zwangsläufig auch molekulare Veränderungen in der plastifizierten Spritzgießmasse verbunden, die sorgfältig analysiert werden müssen. Die plastifizierte Spritzgießmasse besteht aus einem polymeren Material, d. h. die einzelnen "Moleküle" sind Molekülketten, aufgebaut aus 25 000 bis 75 000 Einzelmolekülen, je nach Material und Typ. Fließt nun diese plastifizierte, amorphe Masse von dem Spritzgießzylinder über den Angußkanal und die Anbindung in das Formnest, so zeigt die Masse ein "nicht-Newton'sches Verhalten", d. h. die Viskosität der Schmelze hängt von der Größe der Scher- und Verformungsgeschwindigkeit ab. Dieses Verhalten wird als Strukturviskosität bezeichnet. Damit ist die Eigenart der Schmelze gemeint, mit zunehmender Schergeschwindigkeit bessere Fließeigenschaften zu zeigen. Steigende Schergeschwindigkeit erzeugt eine fallende Viskosität und damit bessere Fließeigenschaft und umgekehrt. Zusätzlich ist die Viskosität von der Temperatur abhängig. Dabei gilt, daß steigende Temperatur ebenfalls eine fallende Viskosität und damit bessere Fließeigenschaft erzeugt.With the manufacturing process of injection molding technology are also inevitable molecular changes in the plasticized injection molding compound, that need to be carefully analyzed. The plasticized injection molding compound consists of a polymeric material, d. H. the individual "molecules" are Molecular chains, made up of 25,000 to 75,000 individual molecules, depending on Material and type. This plasticized, amorphous mass now flows from the Injection molding cylinder via the sprue and the connection to the mold cavity, the mass shows a "non-Newtonian behavior", i. H. the viscosity of the Melt depends on the size of the shear and deformation rate from. This behavior is called structural viscosity. So that's it Peculiarity of the melt meant, with increasing shear rate to show better flow properties. Rising shear rate produces a falling viscosity and thus better flow properties and vice versa. In addition, the viscosity depends on the temperature. Here applies that rising temperature also a falling viscosity and thus produces better flow properties.
Ein weiterer Effekt ist, daß sich die langen Molekülketten in Fließrichtung orientieren, und zwar unabhängig davon, ob ein Temperaturgradient zwischen fließender Masse und Angußkanalwand vorhanden ist oder nicht. Die damit verbundene Ordnung im Molekülgefüge äußert sich wiederum in einem quasi kristallinen Verhalten des Spritzgießlings. Auf dem Weg vom Spritzgießzylinder über den Angußkanal und die Anbindung in das Formnest hinein können aber auch Verwirbelungen durch plötzliche Umlenkungen/Richtungsänderungen und stufige Änderungen des Angußkanal- bzw. Anbindungsquerschnittes entstehen. Der auf einem geraden Weg des Angußkanales entstandene definierte Ordnungszustand wird dadurch teilweise geändert, so daß ein undefinierter Ordnungszustand mit fließorientierten Molekülketten entsteht. Es hat sich gezeigt, daß die Fließorientierung irreversibel ist und keiner Relaxation unterliegt.Another effect is that the long molecular chains move in the direction of flow orient, regardless of whether a temperature gradient between flowing mass and sprue wall is present or not. The one with it connected order in the molecular structure is expressed in a quasi crystalline behavior of the injection molding. On the way from Injection molding cylinder over the sprue and the connection to the mold cavity but turbulence caused by sudden Redirections / changes of direction and gradual changes of the Sprue or connection cross-section arise. The one on one straight path of the runner created defined order state is thereby partially changed, so that an undefined order status with flow-oriented molecular chains. It has been shown that the Flow orientation is irreversible and is not subject to relaxation.
Zu den im molekularen Bereich zu berücksichtigenden Vorgängen gehört auch die Scherung des thermoplastischen Materials beim Spritzgießprozeß und der dadurch bedingte thermische Abbau des thermoplastischen Materials.One of the processes to be considered in the molecular area also the shear of the thermoplastic material during the injection molding process and the resulting thermal degradation of the thermoplastic material.
Unter Scherung versteht man die innere Reibung des Materials während des Füllvorganges. Die innere Reibung entsteht durch den Geschwindigkeitsgradienten der plastifizierten Masse beim Fließen innerhalb des Angußkanals, der Anbindung und des Formnestes. Aufgrund der Adhäsion ist die Fließgeschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen plastifizierter Spritzgießmasse und Angußkanalwand nahezu Null. Im Querschnittszentrum bewegt sich die plastifizierte Spritzgießmasse mit maximaler Geschwindigkeit. Die unterschiedlichen Geschwindigkeiten haben eine starke Reibung und damit Scherung der Kettenmoleküle zur Folge. Diese Reibung setzt eine beträchtliche Wärmemenge frei. Überschreitet die erzeugte Wärmeenergie die Bindungsenergie z. B. der -C-C-Bindung, so wird das polymere Molekül abgebaut (gecrackt). Präzisionsoptische Teile zeigen dann eine starke Abweichung der optischen Parameter von den Sollwerten, wie z. B. Brechzahl und ν-Wert (Abbe'sche Zahl). Die optischen Werte differieren über den Querschnitt des optischen Bauteiles, wodurch Schlieren entstehen, die unabhängig von der Fließorientierung und den Eigenspannungen sind.Shear is the internal friction of the material during the Filling process. The internal friction arises from the Velocity gradient of the plasticized mass when flowing inside the sprue, the connection and the mold nest. Due to the Adhesion is the flow rate at the interface between plasticized injection molding compound and sprue wall almost zero. in the The plasticized injection molding compound moves with the cross-sectional center maximum speed. Have the different speeds a strong friction and thus shear of the chain molecules. This Friction releases a considerable amount of heat. Exceeds the generated thermal energy the binding energy z. B. the -C-C bond, so the polymeric molecule is broken down (cracked). Show precision optical parts then a large deviation of the optical parameters from the target values, such as B. refractive index and ν value (Abbe's number). The optical values differ across the cross section of the optical component, causing streaks arise that are independent of the flow orientation and the Residual stresses are.
Bei präzisionsmechanischen Teilen kommt es einerseits wegen der unterschiedlichen Dichte (Dichtegradient) zu einer Volumenänderung, die eine Verformung/Verwerfung des Bauteiles zur Folge hat und andererseits zu einer geringeren mechanischen Belastbarkeit. Die vom Hersteller des Spritzgießmateriales angegebenen mechanischen Daten sind nicht mehr oder nur noch eingeschränkt gültig.In the case of precision mechanical parts, it occurs on the one hand because of the different density (density gradient) to a volume change that a Deformation / warping of the component and on the other hand to a lower mechanical strength. The manufacturer of the Injection molded mechanical data are no longer or only valid to a limited extent.
Wenn die vorgegebene und am Spritzgießzylinder eingestellte Temperatur zur Plastifizierung und Verarbeitung der thermoplastischen Spritzgießmasse weiter überschritten wird, kann das im ungünstigen Fall sogar zum Verbrennen des thermoplastischen Materials führen. Das äußert sich bei transparenten Teilen in einer Verfärbung des Materials. Bei präzisionsmechanischen, schwarz eingefärbten Teilen, bestehend aus einem amorphen Kunststoff, ist diese Schädigung nicht erkennbar. Lediglich die Bestimmung der dynamischen Lösemittelviskosität gibt hierüber Aufschluß. Bei einem schwarz eingefärbten, teilkristallinen Kunststoff wird der Kristallitschmelzpunkt des Granulates und des Spritzgießlinges bestimmt und damit der Grad der Schädigung.If the specified temperature set on the injection molding cylinder for Plasticization and processing of the thermoplastic injection molding compound is exceeded, in the worst case this can even lead to Burn the thermoplastic material. That manifests itself in transparent parts in a discoloration of the material. At precision mechanical, black colored parts, consisting of one amorphous plastic, this damage is not discernible. Only that Determination of the dynamic solvent viscosity provides information about this. In the case of a black, semi-crystalline plastic, the Crystallite melting point of the granules and the injection molded part determined and hence the degree of damage.
Aus den beschriebenen Zusammenhängen ergibt sich als Aufgabe für die Erfindung eine Spritzgießvorrichtung und ein zu ihrem Betrieb geeignetes Verfahren anzugeben, mit dem das Entstehen einer Spritzhaut vermieden, die Fließorientierung und die Scherung minimiert, die Adhäsion vermindert und die Einspritzgeschwindigkeit optimiert werden können.From the described context, the task for Invention an injection molding device and a suitable for its operation Specify a process to avoid the formation of a spray skin, the Flow orientation and shear minimized, adhesion reduced and the injection speed can be optimized.
Diese Aufgabe wird mit einer Spritzgießvorrichtung und einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 23 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.This object is achieved with an injection molding device and a method of initially mentioned type according to the invention by the in claims 1 and 23 specified characteristic features solved. Beneficial Refinements and developments result from the features of Subclaims.
Die Erfindung geht dabei von Überlegungen aus, die im Gegensatz zu den bisher üblichen Grundsätzen stehen. Im Vordergrund steht derzeit eine möglichst hohe Fertigungsgeschwindigkeit mit stabilem Fertigungsablauf. Kürzeste Taktzeiten sind dabei nur mit einem thermisch trägen Spritzgießwerkzeug und Minimalwerten für die Temperaturen der Spritzgießmasse und des Spritzgießwerkzeuges, sowie maximalen Füllgeschwindigkeiten zu erreichen. Eine rasche Entformung des Spritzgießlings ist nur zu erreichen, wenn die Temperatur des Spritzgießwerkzeuges bereits nahe der Entformungstemperatur des Spritzgießlinges liegt.The invention is based on considerations that, in contrast to the previously common principles. One is currently in the foreground The highest possible production speed with a stable production process. The shortest cycle times are only thermally slow Injection mold and minimum values for the temperatures of the Injection molding compound and the injection mold, as well as maximum To achieve filling speeds. Rapid demolding of the Injection molding can only be reached if the temperature of the Injection mold already close to the demolding temperature of the Injection molded part.
Erfindungsgemäß gilt jedoch zur Vermeidung einer Spritzhaut, daß die in das Formnest eingebrachte plastifizierte Spritzgießmasse während des Einfließens in das Formnest und während des Abkühlens auf Entformungstemperatur keinen nennenswerten Temperaturgradienten aufbauen darf.According to the invention, however, to avoid a spray skin, the fact that in the Plasticized injection molding compound introduced during the mold Flowing into the mold cavity and while cooling Demolding temperature no significant temperature gradient build up.
Das wird zum einen dadurch erreicht, daß während des Einfließens der Spritzgießmasse die Temperatur im Angußbereich und im Formnest zumindest nahezu gleich ist. Anzustreben sind jedoch gleiche Temperaturen. Zum anderen ist der Abkühlverlauf so einzustellen, daß die an der Grenzfläche zwischen plastifizierter Spritzgießmasse und Formnestwand abgeführte Wärmemenge jederzeit mit der aus dem Kernbereich des Spritzgießlings nachgeführten Wärmemenge gleich ist.This is achieved on the one hand by the fact that the Injection molding compound the temperature in the sprue area and in the mold cavity is at least almost the same. However, the same temperatures are desirable. On the other hand, the cooling process is to be set so that the on the Interface between plasticized injection molding compound and cavity wall amount of heat dissipated at any time with that from the core area of the Injection molding amount of heat is equal.
Diese Bedingungen treffen auch auf Spritzgießlinge aus einem teilkristallinen Kunststoff zu. Durch ein unterschiedliches Kristallitwachstum, hervorgerufen durch einen Temperaturgradienten, werden gravierende Dichte- und Volumenunterschiede zwischen dem Rand- und Mittenbereich aufgebaut und damit ein Spannungsgradient, der die mechanische Belastbarkeit und die Langzeitstabilität des Spritzgießlinges deutlich vermindert.These conditions also apply to injection molded parts made from a semi-crystalline material Plastic too. Caused by different crystallite growth by a temperature gradient, are serious density and Volume differences built up between the edge and middle area and thus a stress gradient that the mechanical resilience and the Long-term stability of the injection molded part significantly reduced.
Erreicht werden die erfindungsgemäßen Bedingungen bei der in der Vorrichtung verwendeten Spritzgießform dadurch, daß die Stahlmasse von Formoberteil und Formunterteil und den Formstempeln in Abhängigkeit von der mechanischen Festigkeit derart reduziert wird, daß die Wärmeträgheit ein an die Wärmebilanz des abzukühlenden Spritzgießlinges angepaßtes rasches Abkühlen ermöglicht. Der Grundgedanke der Reduktion der Massen bei den Konstruktionselementen der Spritzgießform führt zu einem zusätzlichen Vorteil, der darin besteht, daß die Formober- und Formunterstempel sowie die Ummantelung des Formnestes als auswechselbare Teile im Formober- und Formunterteil ausgeführt werden können. Da bei der Herstellung von präzisionsoptischen und präzisionsmechanischen Spritzgießlingen die Anzahl der mit einer Spritzgießform hergestellten Teile geringer ist, kommt aus wirtschaftlichen Gründen einer möglichst vielseitigen Verwendbarkeit des Grundaufbaus der Spritzgießform eine besondere Bedeutung zu.The conditions according to the invention are achieved in the Device used injection mold in that the steel mass of Mold top and bottom mold and the mold stamps depending on the mechanical strength is reduced so that the thermal inertia adapted quickly to the heat balance of the injection molding to be cooled Cooling allows. The basic idea of reducing the mass of the Construction elements of the injection mold leads to an additional one Advantage, which is that the upper and lower die and the Sheathing the mold cavity as interchangeable parts in the upper and lower mold Mold bottom can be executed. Because in the manufacture of precision optical and precision mechanical injection molded parts the parts produced with an injection mold are smaller economic reasons for the versatility of the Basic structure of the injection mold is of particular importance.
Die Wärmebilanz des Spritzgießlinges kann entsprechend Materialart, Materialtyp, Volumen, Oberfläche und Geometrie mit bekannten Methoden ermittelt werden. Diese Wärmebilanz gilt als Grundlage für die Konstruktion der Spritzgießform. Die rechnerisch ermittelte Wärmemenge, die dem Spritzgießling bis zu der Entformung entzogen werden muß, dient auch als Grundlage für das zu erstellende Temperaturprogramm für den Abkühlvorgang. Die aus der Thermodynamik bekannten Größen, wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmedurchgang, Wärmeübergang, spezifische Wärme sind von entscheidender Bedeutung für die Erstellung des Abkühl- Temperaturprogrammes, das die Entstehung einer Spritzhaut sicher vermeidet.The heat balance of the injection molded part can be Material type, volume, surface and geometry using known methods be determined. This heat balance is the basis for the construction the injection mold. The calculated amount of heat that the Injection molded part must be removed until demolding also serves as Basis for the temperature program to be created for the Cooling process. The sizes known from thermodynamics, such as Thermal conductivity, heat transfer, heat transfer, specific heat are crucial for creating the cooling Temperature program that ensures the formation of a spray skin avoids.
Als Kühlmittel können sowohl Flüssigkeiten, wie auch Gase verwendet werden. Geeignete Flüssigkeiten sind z. B. Wasser, Glyzerin, Wasser/Glyzerin-Mischungen, Polyglykole, Paraffine C12 bis C16, Phthalsäureester und Chlorparaffine. Als Gase sind insbesondere Luft, Stickstoff und Kohlendioxid geeignet.Both liquids and gases can be used as coolants. Suitable liquids are e.g. B. water, glycerol, water / glycerol mixtures, polyglycols, paraffins C 12 to C 16 , phthalic acid esters and chlorinated paraffins. Air, nitrogen and carbon dioxide are particularly suitable gases.
Entscheidend für die Auswahl sind wiederum die Wärmebilanz des Spritzgießlinges, die spezifische Wärme des Formnestmaterials und des Kühlmittels, denn die wirtschaftliche Fertigung zur Herstellung präzisionsoptischer und präzisionsmechanischer Bauteile erfordert ebenfalls nicht nur eine möglichst kurze Taktzeit, sondern auch einen geringen Kühlmitteldurchsatz. Vorzugsweise sind für die Ummantelung des Formnestes Bronzelegierungen zu verwenden, die bei geeigneter Festigkeit eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzen als entsprechende Stahllegierungen.The heat balance of the Injection molding, the specific heat of the mold cavity material and Coolant, because the economical manufacturing for manufacturing Precision optical and precision mechanical components also required not only the shortest possible cycle time, but also a short one Coolant flow. Are preferably for the sheathing of the mold cavity To use bronze alloys which, with suitable strength, are higher Have thermal conductivity as corresponding steel alloys.
Der Verlauf der Temperierkanäle ist so anzuordnen, daß sich ein Gegenstrom vom angußfernen zum angußnahen Teil des Formnestes einstellt.The course of the temperature control channels must be arranged so that there is a counterflow from the gate-distant to the gate-near part of the mold cavity.
Der das Formnest bildende Kopfteil des Formstempels zur Herstellung präzisionsoptischer Bauteile besteht vorzugsweise aus einem galvanisch dargestellten Nickel/Kupferreplika einer entsprechenden optischen Glasoberfläche. Die Materialdicke des Kupferreplikas muß aus Festigkeitsgründen an der dünnsten Stelle etwa 5 mm betragen, um Deformationen unter Spritzgießbedingungen zu vermeiden. Besteht der Träger der optischen Oberfläche aus einem hochlegierten Stahl, sollte die Rückseite Verrippungen enthalten, die durch ihre geometrische Gestaltung sicherstellen, daß der Wärmeübergang über die gesamte optische Oberfläche gleichmäßig vonstatten geht. Diese Forderung gilt auch für die Herstellung präzisionsmechanischer Bauteile.The head part of the die forming the mold nest for manufacture Precision optical components preferably consist of a galvanic illustrated nickel / copper replicas of a corresponding optical Glass surface. The material thickness of the copper replica must be Strength reasons at the thinnest point to be about 5 mm Avoid deformation under injection molding conditions. Does the The optical surface should be made of a high-alloy steel Back ribs contain, due to their geometric design ensure that the heat transfer over the entire optical surface goes smoothly. This requirement also applies to manufacturing precision mechanical components.
Als Träger können auch speziell geformte Einsätze aus hoch wärmeleitendem Material, wie z. B. Kupfer oder Kupferlegierungen, vorgesehen sein. Die form- und temperaturschlüssig eingesetzten Formteile können so ausgebildet werden, daß sie in unmittelbarem Kontakt mit dem Temperiermittel stehen und eine an die Wärmebilanz angepaßte homogene Wärmeabführung ermöglichen.Specially shaped inserts made from highly heat-conducting materials can also be used as carriers Material such as B. copper or copper alloys may be provided. Form- and temperature-fit molded parts can be formed that they are in direct contact with the tempering agent and a homogeneous heat dissipation adapted to the heat balance enable.
Das Temperaturprogramm ist derart einzustellen, daß die physikalisch bedingte Wärmeträgheit der nach der Minimierung der Spritzgießform noch verbleibenden Masse die Taktzeit nicht unnötig verlängert. Das wird dadurch erreicht, daß vor dem Ablauf des Kühlvorganges auf die Entformtemperatur des Spritzgießlings die Aufheizung der Spritzgießform im Bereich der Anbindung bereits wieder beginnt. Es sind somit mindestens zwei unabhängig voneinander steuer- bzw. regelbare Temperierkreise vorzusehen. Der erste Kreis verläuft in der bereits erwähnten Anbindung und der zweite Kreis umgibt das Formnest. Der obere Grenzwert der Temperatur beim Aufheizen des Formnestes soll das 1,3- bis 1,5-fache der Einfriertemperatur ET des thermoplastischen amorphen Werkstoffes betragen, um das Entstehen einer Spritzhaut zu vermeiden. Für Polymethylmethacrylat beträgt die ET ≈ 100°C und für Polycarbonat z. B. ist ET ≈ 140°.The temperature program must be set so that the physical Conditional thermal inertia after minimizing the injection mold remaining mass does not unnecessarily extend the cycle time. It will achieved that before the cooling process to the demolding temperature of the injection molding the heating of the injection mold in the area of Connection already starts again. At least two are therefore independent provide temperature control circuits that can be controlled or regulated from one another. The first Circle runs in the connection already mentioned and the second circle surrounds the mold nest. The upper limit of the temperature when heating of the mold nest should be 1.3 to 1.5 times the freezing temperature ET of thermoplastic amorphous material amount to the emergence of a To avoid spray skin. For polymethyl methacrylate, the ET is ≈ 100 ° C and for polycarbonate z. B. is ET ≈ 140 °.
Für teilkristalline thermoplastische Werkstoffe gilt das 1,1- bis 1,2-fache des Kristallitschmelzpunktes.For semi-crystalline thermoplastic materials, 1.1 to 1.2 times that applies Crystallite melting point.
Um die Adhäsion des thermoplastischen Werkstoffes an der Oberfläche der Formstempel zu reduzieren, werden diese zweckmäßigerweise mit einer Antihaftschicht versehen. Die Antihaftschicht besteht vorzugsweise aus einer im Plasmaverfahren aufgebrachten Diamantschicht mit einer Dicke von 100 bis 200 nm. Eine größere Schichtdicke muß vermieden werden, um den Wärmeübergang nicht unnötig zu mindern. Beim Entformen des Spritzgießlings werden wegen der Antihaftschicht dann keine nachteilig auf die Oberfläche einwirkenden mechanischen Kräfte ausgeübt. Zusätzlich werden im Bereich der Grenzfläche zwischen thermoplastischem Material und Formnestwand die Scherung und damit das Entstehen optisch wirksamer Inhomogenitäten minimiert.To ensure the adhesion of the thermoplastic material to the surface of the To reduce form stamps, these are expediently with a Provide non-stick layer. The non-stick layer preferably consists of a Plasma layer with a thickness of 100 up to 200 nm. A larger layer thickness must be avoided in order to Not unnecessarily reduce heat transfer. When demoulding the Injection molded parts are then no disadvantage because of the non-stick layer mechanical forces exerted on the surface. In addition are in the area of the interface between thermoplastic material and Mold cavity wall the shear and thus the emergence more optically effective Inhomogeneities minimized.
Fließorientierungen sind im Spritzgießprozeß systembedingt nicht vollständig zu vermeiden. Sie können aber durch besondere Maßnahmen soweit reduziert werden, daß sie bei präzisionsoptischen Anforderungen nicht mehr störend in Erscheinung treten. Dazu ist zunächst darauf zu achten, daß keine turbulente Strömung innerhalb der plastifizierten Spritzgießmasse während des Formfüllvorganges auftritt. Die Formnestfüllung muß mit laminar fließender Masse erfolgen.Flow orientations are not complete in the injection molding process due to the system to avoid. But you can take special measures so far be reduced so that they no longer meet precision optical requirements to appear disruptive. First of all, make sure that none turbulent flow within the plasticized injection molding compound during of the mold filling process occurs. The cavity filling must be laminar flowing mass.
Besondere Beachtung muß der Geometrie des Angußkanals geschenkt werden. Für die Durchmesser im Angußkanal sind z. B. folgende Werte einzuhalten: Düsenseite Dmin = 4 mm, Formnestseite Dmin = 6 mm bei einer Länge des Angußkanals von Imax = 100 mm. Die daraus resultierende minimale Querschnittsfläche beträgt dann Smin = 28 mm2. Dieser Wert darf im Bereich des Übergangs vom Angußkanal zum Formnest, der Anbindung, nicht unterschritten werden, damit die Fließorientierung vernachlässigbar gehalten werden kann.Particular attention must be paid to the geometry of the sprue. For the diameter in the sprue, z. For example, the following values must be observed: nozzle side D min = 4 mm, cavity side D min = 6 mm with a length of the sprue of I max = 100 mm. The resulting minimum cross-sectional area is then S min = 28 mm 2 . This value must not be undercut in the area of the transition from the sprue to the mold nest, the connection, so that the flow orientation can be kept negligible.
Im Bereich des Übergangs in das Formnest sollen für den rechteckigen
Querschnitt der Anbindung vorzugsweise folgende Werte für das Verhältnis V
der Länge L zur Höhe H in Abhängigkeit von der Randhöhe HR der zu
formenden Optikteile gelten:
In the area of the transition into the mold cavity, the following values for the ratio V of the length L to the height H as a function of the edge height H R of the optical parts to be molded should preferably apply to the rectangular cross section of the connection:
VL:H = 2 : 1 (L = 7,5 mm, H = 3,75 mm)
für Optikteile mit einer Randhöhe HR ≧ 5 mm
VL:H = 3 : 1(L = 9,3 mm,H = 3,10 mm)
für Optikteile mit einer Randhöhe HR ≦ 5 mm
VL:H = 4 : 1 (L = 11 mm, H = 2,55 mm)
für Optikteile mit einer Randhöhe HR ≧ 3 mm
VL:H = 12 : 1 (L = 19 mm, H = 1,50 mm)
für Optikteile mit einer Randhöhe HR ≦ 3 mm,
V L: H = 2: 1 (L = 7.5 mm, H = 3.75 mm)
for optical parts with a rim height H R ≧ 5 mm
V L: H = 3: 1 (L = 9.3 mm, H = 3.10 mm)
for optical parts with a rim height H R ≦ 5 mm
V L: H = 4: 1 (L = 11 mm, H = 2.55 mm)
for optical parts with a rim height H R ≧ 3 mm
V L: H = 12: 1 (L = 19 mm, H = 1.50 mm)
for optical parts with a rim height H R ≦ 3 mm,
wobei eine Toleranz von ±10% zulässig ist.a tolerance of ± 10% is permissible.
Bei präzisionsmechanischen Teilen ist das Verhältnis VL:H in Abhängigkeit von
der Fließlänge SL von der Anbindung bis zur anbindungsfernsten Stelle im
Formnest zu bestimmen. Dabei gilt:
In the case of precision mechanical parts, the ratio V L: H must be determined as a function of the flow length S L from the connection to the point in the mold cavity that is furthest from the connection. The following applies:
VL:H = 2 : 1 bei SL = 100 bis 150 mm
VL:H = 3 : 1 bei SL = 60 bis 100 mm
VL:H = 4 : 1 bei SL = 20 bis 60 mm
VL:H = 12 : 1 bei SL ≦ 20 mm.V L: H = 2: 1 at S L = 100 to 150 mm
V L: H = 3: 1 at S L = 60 to 100 mm
V L: H = 4: 1 at S L = 20 to 60 mm
V L: H = 12: 1 at S L ≦ 20 mm.
Eine gegenüber herkömmlichen Verfahren völlig abweichende Verfahrensweise besteht auch bei der Behandlung des Volumenschwundes bei Abkühlung des Spritzgießlinges. In der Spritzgießtechnik wird der beim Abkühlen der thermoplastischen Masse im Formnest von der Massetemperatur auf die Entformtemperatur auftretende Volumenschwund mit Hilfe eines "Nachdruckes" kompensiert. Es wird dabei in die schon teilweise abgekühlte Masse noch weiteres auf Massetemperatur befindliches Material unter erhöhtem Druck nachgeschoben. A completely different one from conventional methods There is also a procedure for the treatment of the loss of volume when the injection molding cools down. In injection molding technology, Cooling of the thermoplastic mass in the mold cavity from the Melt temperature to the demoulding temperature shrinkage compensated with the help of a "reprint". It will be in the already partially cooled mass still further at mass temperature Material fed under increased pressure.
Diese Methode hat selbstverständlich eine sehr hohe Fließorientierung und Eigenspannung im Angußbereich zur Folge. Zur Herstellung präzisionsoptischer und präzisionsmechanischer Teile ist eine solche Methode der Volumenschwund-Kompensation völlig ungeeignet.Of course, this method has a very high flow orientation and Internal stress in the gate area. For the production Precision optical and precision mechanical parts is one of them Volume shrinkage compensation method completely unsuitable.
Um die aus der Fließorientierung und Eigenspannung resultierenden Nachteile zu vermeiden, muß die Kompensation des Volumenschwundes drucklos erfolgen, d. h. es muß die Möglichkeit einer sogen. freien Schwindung geschaffen werden. Um das zu erreichen, darf das Material im Bereich der Anbindung auf keinen Fall "einfrieren", sondern muß auf derselben Temperatur gehalten werden, wie im Formnest. Dann kann das im Formnest abkühlende Material entsprechend der Volumenänderung selbsttätig Material aus dem Angußbereich nachziehen, der damit als Materialdepot dient. Die Temperaturprogramme für den Angußkanal mit der Anbindung und für das Formnest müssen synchron verlaufen. Diese Forderung setzt eine mit hoher Reproduzierbarkeit arbeitende Regelung der einzelnen Temperierkreisläufe voraus. Aufgrund der kontinuierlichen Abkühlung entfällt auch die sogenannte Nachschwindung des Spritzgießlings nach der Ausformung. Diese in der Spritzgießtechnik bekannte Nachschwindung entsteht üblicherweise durch spätere Relaxation mechanischer Spannungen und führt zu der bereits erläuterten Geometrieänderung in der Form des Spritzgießlinges.The result of the flow orientation and residual stress To avoid disadvantages, the compensation of the shrinkage in volume done without pressure, d. H. there must be the possibility of a so-called. free shrinkage be created. To achieve this, the material in the range of Under no circumstances "freeze" the connection, but must be on the same Temperature is maintained, as in the mold cavity. Then it can in the mold nest cooling material automatically according to the volume change material Pull out of the gate area, which thus serves as a material depot. The Temperature programs for the sprue with the connection and for that Form nest must run synchronously. This demand is one with high Reproducibility working regulation of the individual temperature control circuits ahead. Due to the continuous cooling, the so-called Injection mold shrinkage after molding. This in the Injection molding technology known post-shrinkage is usually caused by later relaxation of mechanical stresses and leads to that already explained geometry change in the shape of the injection molded part.
Als Ursache der Scherung kommen mehrere Einflußgrößen in Betracht, die dann auch für die Minimierung dieses Effektes beachtet werden müssen. Es sind dies eine zu niedrige Temperatur der Spritzgießmasse, ein zu hoher Rauhtiefewert der Oberfläche im Angußkanal, eine hohe Adhäsion des polymeren Materials an der Oberfläche des Angußkanals, eine zu hohe Einspritzgeschwindigkeit bzw. ein zu hoher Einspritzdruck und ein zu kleiner Querschnitt im Bereich der Anbindung.Several influencing factors come into consideration as the cause of the shear, the then must also be considered for minimizing this effect. It if the temperature of the injection molding compound is too low, too high Roughness depth of the surface in the runner, high adhesion of the polymeric material on the surface of the runner, too high Injection speed or an injection pressure that is too high and too low Cross-section in the area of the connection.
Erfindungsgemäß ist grundsätzlich die vom Hersteller angegebene höchste Temperatur für die Spritzgießmasse zu wählen. Damit werden die Verarbeitungsviskosität und die Scherung minimiert.According to the invention, the highest specified by the manufacturer is fundamentally Select temperature for the injection molding compound. With that, the Processing viscosity and shear minimized.
Die Rauhtiefe der Oberfläche des Angußkanals muß zwischen Rt = 0,16 bis 0,25 µm liegen. Die bisher übliche Rauhtiefe im Angußkanal liegt bei ca. 3 bis 8 µm. Eine solche Rauhtiefe begünstigt sowohl das "Verkrallen" als auch die "Verwirbelung" der polymeren Masse an der Oberfläche des Angußkanals und bewirkt somit eine zusätzliche schädliche Scherung.The roughness of the surface of the sprue must be between R t = 0.16 to 0.25 µm. The roughness depth in the runner, which has been usual up to now, is approx. 3 to 8 µm. Such a roughness favors both the "clawing" and the "swirling" of the polymeric mass on the surface of the runner and thus causes additional harmful shear.
Die durch Adhäsion bewirkte Scherung an der Oberfläche des Angußkanals kann ebenfalls durch eine Antihaftschicht vermindert werden.The shear caused by adhesion to the surface of the runner can also be reduced by a non-stick layer.
Überraschenderweise zeigen Antihaftschichten aus Siloxan oder perfluoriertem Polyethylen bei üblichen Schichtdicken von ca. 0,1 mm bei Raumtemperatur eine wesentlich geringere Adhäsion als bei der Verarbeitungstemperatur der thermoplastischen Spritzgießmasse, so daß die Beschichtung zwar für die Entformung günstig, für die Füllung des Formnestes aber ungünstig erscheint. Durch Versuche konnte jedoch ermittelt werden, daß geringere Schichtdicken von 500 bis 100 nm eine deutliche Verminderung der Adhäsion auch bei der Fülltemperatur zeigen. Für eine Minimierung der Adhäsion sind daher bei Siloxan und perfluoriertem Polyethylen Schichtdicken von 100 bis 500 nm zu wählen. Bei Diamantschichten hat sich eine Dicke von etwa 100 nm bewährt.Surprisingly, non-stick layers made of siloxane or perfluorinated polyethylene with usual layer thicknesses of approx. 0.1 mm Room temperature a much lower adhesion than with the Processing temperature of the thermoplastic molding compound, so that the Coating cheap for demoulding, for filling the Formal nests appear unfavorable. However, through trials it was determined be that lower layer thicknesses of 500 to 100 nm a clear Show reduction in adhesion even at filling temperature. For one Minimization of adhesion are therefore with siloxane and perfluorinated Polyethylene layer thicknesses from 100 to 500 nm to choose. At Diamond layers have proven themselves to be about 100 nm thick.
Die Optimierung der Werte für die Einspritzgeschwindigkeit bzw. die
Einspritzdrucke kann nur empirisch erreicht werden. Die bisher üblichen
Einspritzgeschwindigkeiten liegen in dem Bereich von v = 0,05 bis 20 m/s. Der
diesem Geschwindigkeitsbereich zugrundeliegende Einspritzdruck liegt in
dem Druckbereich von p = 10 bis 800 bar. Es ist davon auszugehen, daß bei
der geringen Einspritzgeschwindigkeit mit Sicherheit eine laminare, bei der
hohen Einspritzgeschwindigkeit aber eine turbulente Strömung vorliegt. Bei
welcher Einspritzgeschwindigkeit die gewünschte laminare in die schädliche
turbulente Strömung übergeht, wird von folgenden Parametern maßgeblich
bestimmt:
The optimization of the values for the injection speed or the injection pressures can only be achieved empirically. The usual injection speeds are in the range of v = 0.05 to 20 m / s. The injection pressure on which this speed range is based lies in the pressure range from p = 10 to 800 bar. It can be assumed that with the low injection speed there is certainly a laminar flow, but with the high injection speed a turbulent flow. At which injection speed the desired laminar flow changes into the harmful turbulent flow is largely determined by the following parameters:
- - Molekulargewicht des Polymeren- Molecular weight of the polymer
- - Temperatur der Spritzgießmasse- Temperature of the injection molding compound
- - Strukturviskosität der Schmelze - Structural viscosity of the melt
- - Schergeschwindigkeitsgefälle in der Schmelze- Shear rate gradient in the melt
- - Kompressibilität der Schmelze- compressibility of the melt
- - Viskoelastisches Verhalten der Schmelze- Viscoelastic behavior of the melt
- - Querschnitt und Oberflächenbeschaffenheit des Angußkanals und der Anbindung- Cross section and surface condition of the sprue and the Connection
- - Anzahl und Art der Umlenkungen auf dem Weg von der Düse bis zum Formnest- Number and type of deflections on the way from the nozzle to the Form nest
- - Temperaturverlauf der Schmelze auf dem Weg von der Düse bis zum Formnest- Temperature curve of the melt on the way from the nozzle to the Form nest
- - Volumen-/Oberflächenverhältnis des Spritzgießlinges- Volume / surface area ratio of the injection molded part
- - Rand-/Mittendicken-Verhältnis des Spritzgießlinges.- Edge / center thickness ratio of the injection molded part.
Unter Berücksichtigung und Einhaltung aller bereits erläuterten Optimierungsparameter zur Vermeidung der Spritzhaut, der Fließorientierung, des Ausgleiches des Volumenschwundes, der Minimierung der Scherung und der Verminderung der Adhäsion sind zur Ermittlung der optimalen Einspritzgeschwindigkeit Formfüllversuche mit in 0,5 m/s-Intervallen abgestuften Einspritzgeschwindigkeiten und nur 1/3 Füllung des Formnestes durchzuführen. Das Temperaturprogramm ist entsprechend einer vollständigen Füllung des Formnestes einzustellen. Prüfkriterium ist der polarisationsoptisch gemessene Gangunterschied im Angußbereich des Test- Spritzgießlinges. Für präzisionsoptische Teile gilt: Maximal zulässiger Gangunterschied Γzul ≦ 20 nm. Für präzisionsmechanische Teile gilt: Maximal zulässiger Gangunterschied Γzul ≦ λ/4 ≦ 136 nm.Taking into account and adhering to all optimization parameters already explained to avoid the spray skin, the flow orientation, the compensation of the volume shrinkage, the minimization of the shear and the reduction of the adhesion, mold filling tests with injection speeds and graded in 0.5 m / s intervals are to determine the optimal injection speed carry out only 1/3 of the mold cavity. The temperature program must be set according to a complete filling of the mold cavity. The test criterion is the polarization-optically measured path difference in the sprue area of the test injection molded part. Maximum retardation Γ permissible ≦ 20 nm for precision mechanical parts applies: for precision optical parts is considered. Maximum retardation Γ permissible ≦ λ / 4 ≦ 136 nm.
Die optimale Einspritzgeschwindigkeit für die vollständige Füllung des Formnestes ist diejenige, die um ein 0,5 m/s-Intervall unter der für den Test- Spritzgießling ermittelten Einspritzgeschwindigkeit mit dem zulässigen Gangunterschied liegt.The optimal injection speed for the complete filling of the Formnestes is the one that is 0.5 m / s below the test Injection molding determined injection speed with the permissible Path difference is.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Dabei zeigen The invention is illustrated schematically in the drawing illustrated embodiment described. Show
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Spritzgießform Fig. 1 shows a cross section through an injection mold
Fig. 2a-2d Querschnitte durch verschiedene Formstempel. Fig. 2a-2d cross sections through different form stamps.
Die Spritzgießform 1 besteht aus einem Formoberteil 2 und einem Formunterteil 3, in die jeweils zwei Formoberstempel 4, 5 und Formunterstempel 6, 7 eingefügt sind. Die Kopfteile 8, 9 der Formoberstempel 4, 5 und die Kopfteile 10, 11 der Formunterstempel 6, 7 werden formschlüssig jeweils im Formoberteil 2 und im Formunterteil 3 gehalten. Im Ausführungsbeispiel ist dieser Bereich jeweils als auswechselbarer Einsatz 12, 13 und 14, 15 ausgebildet, der in formschlüssigem Kontakt zum Formoberteil 2 und Formunterteil 3, sowie den Formstempeln 4, 5; 6, 7 steht. In die Einsätze 12, 13; 14, 15 ist jeweils ein im Querschnitt vorzugsweise runder Angußkanal 16, 17 eingearbeitet. Als Material für die Einsätze 12, 13; 14, 15 ist vorzugsweise eine Messingbronze vorgesehen, in dem die aus Stahl gefertigten Formstempelschäfte mit guten Notlaufeigenschaften gleiten können.The injection mold 1 consists of an upper mold part 2 and a lower mold part 3 , into each of which two upper mold punches 4 , 5 and lower mold punches 6 , 7 are inserted. The head parts 8 , 9 of the upper die 4 , 5 and the head parts 10 , 11 of the lower die 6 , 7 are positively held in the upper mold part 2 and in the lower mold part 3 , respectively. In the exemplary embodiment, this area is designed as an interchangeable insert 12 , 13 and 14 , 15 , which is in positive contact with the upper mold part 2 and lower mold part 3 , as well as the mold stamps 4 , 5 ; 6 , 7 stands. In the inserts 12 , 13 ; 14 , 15 , a sprue 16 , 17, which is preferably round in cross section, is incorporated in each case. As material for the inserts 12 , 13 ; 14 , 15 , a brass bronze is preferably provided, in which the stamping shafts made of steel can slide with good emergency running properties.
Das Formoberteil 2 und Formunterteil 3 weisen jeweils Basisplatten 18, 19 auf, an denen die Fußteile der Formoberstempel 4, 5 und der Formunterstempel 6, 7 befestigt sind. Das Formoberteil 2 ist senkrecht zur Basisplatte 18 verschiebbar gelagert. Dadurch sind das Formoberteil 2 und das Formunterteil 3 entlang einer Trennfläche 20 voneinander lösbar. Um eine zueinander zentrierte Kontaktauflage des Formoberteiles 2 und des Formunterteiles 3 zueinander zu erreichen, sind die auswechselbaren Einsätze 12, 13; 14, 15 auf ihren Kontaktflächen mit Zentrierrändern 21, 22 versehen. Da die Angußkanäle 16, 17 in der Trennfläche 20 liegen, können sie in ihrer Form, dem Verlauf und der Oberflächenbeschaffenheit gut bearbeitet werden.The upper mold part 2 and lower mold part 3 each have base plates 18 , 19 , to which the foot parts of the upper mold dies 4 , 5 and the lower mold dies 6 , 7 are fastened. The upper mold part 2 is slidably mounted perpendicular to the base plate 18 . As a result, the upper mold part 2 and the lower mold part 3 can be detached from one another along a separating surface 20 . In order to achieve a mutually centered contact of the upper mold part 2 and the lower mold part 3 to one another, the interchangeable inserts 12 , 13 ; 14 , 15 provided on their contact surfaces with centering edges 21 , 22 . Since the sprue channels 16 , 17 lie in the separating surface 20 , they can be processed well in terms of their shape, shape and surface quality.
Die auswechselbaren Einsätze 12, 13; 14, 15 und die Kopfflächen der Formoberstempel 4, 5 und Formunterstempel 5, 6 bilden Formnester 23, 24, die mit den Angußkanälen 16, 17 über Anbindungen 25, 26 mit vorzugsweise rechteckigem Querschnitt verbunden sind. In die Angußkanäle 16, 17 wird über eine Düse 27 aus einem Zuführkanal 28 plastifizierte Kunststoffmasse eingespritzt. Der Zuführkanal 28 kann dabei über ein Heizband 29 auf der dafür notwendigen Temperatur gehalten werden. Die Vorrichtung zum Einfüllen und Aufbereiten des Kunststoffgranulats, sowie der Druckzylinder sind nicht dargestellt. Sie entsprechen herkömmlicher Technologie.The interchangeable inserts 12 , 13 ; 14 , 15 and the top surfaces of the upper mold punches 4 , 5 and lower mold punches 5 , 6 form mold cavities 23 , 24 , which are connected to the sprue channels 16 , 17 via connections 25 , 26 , preferably with a rectangular cross section. Plasticized plastic compound is injected into the runner channels 16 , 17 via a nozzle 27 from a feed channel 28 . The feed channel 28 can be kept at the temperature required for this via a heating band 29 . The device for filling and processing the plastic granules and the pressure cylinder are not shown. They correspond to conventional technology.
Das Formoberteil 2 und das Formunterteil 3 sind mit Temperier-Kanälen 30, 31 versehen, die in der Querschnittsdarstellung jeweils als offene Kreise dargestellt sind. Die Kanäle 30, 31 können zu einem in sich geschlossenen System zusammengefaßt sein. Es ist jedoch vorteilhaft, sie als getrennte Systeme auszubilden, die wahlweise auch getrennt in der Temperatur geregelt werden können. Das Kanalsystem ist so gelegt, daß eine schnelle und gleichmäßige Temperierung der Einsätze 12, 13; 14, 15 mit den Angußkanälen 16, 17 und den Anbindungen 25, 26 möglich ist.The upper mold part 2 and the lower mold part 3 are provided with temperature control channels 30 , 31 , which are each shown as open circles in the cross-sectional view. The channels 30 , 31 can be combined into a self-contained system. However, it is advantageous to design them as separate systems, which can optionally also be controlled separately in terms of temperature. The channel system is laid out so that the inserts 12 , 13 ; 14 , 15 with the sprue channels 16 , 17 and the connections 25 , 26 is possible.
Entlang der Längsachse der Formoberstempel 4, 5 und Formunterstempel 6, 7 sind ebenfalls Temperier-Kanäle 32, 33 eingearbeitet, die über zugehörige Versorgungskanäle in den Basisplatten 18, 19 versorgt werden. Innerhalb der Formstempel 4, 5; 6, 7 werden die Temperier-Kanäle durch Trennbleche 34, 35 in einer Bohrung gebildet. Die Umlenkung des Temperiermittels erfolgt im Kopfteil der Formstempel. Über die Ausrichtung der Trennbleche 34, 35 und den Zu- oder Abfluß kann die durch Pfeile angedeutete Fließrichtung des Temperiermittels im Kopfteil relativ zur Fließrichtung der in die Formnester 23, 24 eingespritzten Kunststoffmasse gesteuert werden. Auch hier können die Kanäle 32, 33 zu einem in sich geschlossenen System zusammengefaßt werden. Mit Vorteil kann aber auch für jeden Formstempel ein eigenes Temperiersystem gebildet werden, wobei sogar für den Formoberstempel und den Formunterstempel getrennte Kanalsysteme vorgesehen sein können.Tempering channels 32 , 33 are also incorporated along the longitudinal axis of the upper die 4 , 5 and lower die 6 , 7, which are supplied via associated supply channels in the base plates 18 , 19 . Within the form stamp 4 , 5 ; 6 , 7 , the temperature control channels are formed by separating plates 34 , 35 in a bore. The temperature control element is deflected in the head part of the die. The direction of flow of the temperature control means in the head part, indicated by arrows, can be controlled relative to the direction of flow of the plastic compound injected into the mold cavities 23 , 24 via the alignment of the separating plates 34 , 35 and the inflow or outflow. Here, too, the channels 32 , 33 can be combined into a self-contained system. However, it is also advantageous for a separate temperature control system to be formed for each form stamp, and separate channel systems can even be provided for the upper form stamp and the lower form stamp.
Jeder Formstempel kann auf seiner äußeren Mantelfläche mit einer zusätzlichen, z. B. mit Strom beheizbaren, Temperier-Einrichtung 36, 37, 38, 39 versehen sein. Bei einem in sich geschlossenen Temperier-Kanal-System 32, 33 kann auf diese Weise eine individuelle Beeinflussung der Temperatur an jedem der Formstempel 4, 5; 6, 7 realisiert werden. Das ist insbesondere beim Aufheizvorgang vorteilhaft, um nach der Entformung möglichst schnell auf gleiche Temperaturen zwischen Formnest und Anbindungsbereich kommen zu können.Each form stamp can on its outer surface with an additional, for. B. with current heated, temperature control device 36 , 37 , 38 , 39 may be provided. In the case of a self-contained temperature control duct system 32 , 33, it is possible in this way to individually influence the temperature on each of the shaping dies 4 , 5 ; 6 , 7 can be realized. This is particularly advantageous during the heating process in order to be able to reach the same temperature between the mold cavity and the connection area as quickly as possible after removal from the mold.
Die Temperiermittel-Aufbereitung, die zugehörigen Pumpen, Mischer und Anschlüsse an die Spritzgießform sind nicht dargestellt, da sie herkömmlicher Technologie entsprechen.The tempering agent preparation, the associated pumps, mixers and Connections to the injection mold are not shown because they are more conventional Correspond to technology.
Die Basisplatten 18, 19 und die mit den Temperier-Kanälen 30, 31 versehenen Elemente des Formoberteils 2 und des Formunterteils 3 sind aus Stahl gefertigt. Für die Einsätze 12, 13; 14, 15 kann eine Bronzelegierung vorgesehen sein, die neben einer guten Wärmeleitfähigkeit auf gute Notlaufeigenschaften für die eingesetzten Formstempel besitzt. Die Dimensionierung der Elemente des Formoberteils 2 und des Formunterteils 3 ist mit dem Ziel einer Massereduzierung so gewählt, daß sich die Spritzgießform beim Spritzbetrieb nicht verformt und eine ausreichende Temperierung aller Bauteile gewährleistet ist.The base plates 18 , 19 and the elements of the upper mold part 2 and the lower mold part 3 provided with the temperature control channels 30 , 31 are made of steel. For inserts 12 , 13 ; 14 , 15 , a bronze alloy can be provided which, in addition to good thermal conductivity, has good emergency running properties for the shaping stamps used. The dimensioning of the elements of the upper mold part 2 and the lower mold part 3 is chosen with the aim of reducing the mass so that the injection mold is not deformed during injection molding and sufficient temperature control of all components is ensured.
Die Durchmesser der Schäfte der Formstempel können so gewählt werden, daß sich eine Kopffläche für einen maximalen Durchmesser der Spritzgießlinge darstellten läßt. In Verbindung mit daran angepaßten Einsätzen können dann auch Formstempel mit Kopfteilen für Spritzgießlinge mit einem kleineren Durchmesser in die Spritzgießform eingesetzt werden. Ein Grundkörper der Spritzgießform kann auf diese Weise mit einer Vielzahl unterschiedlicher Formstempel/Einsätze-Kombinationen bestückt werden. Insbesondere sind auch Formstempel für präzisionsmechanische Bauteile einsetzbar.The diameters of the shafts of the shaping stamp can be chosen that there is a head surface for a maximum diameter of Injection molded parts. In connection with adapted Inserts can then also be used with head parts for injection molded parts with a smaller diameter can be inserted into the injection mold. A basic body of the injection mold can be used in this way with a large number different form stamps / inserts combinations. In particular, there are also stamps for precision mechanical components applicable.
Die zum Formnest weisende Kopffläche der Formstempel 4, 5; 6, 7 muß mit besonderer Sorgfalt hergestellt werden, da durch sie die geometrische Form der Oberfläche des Spritzgießlings bestimmt wird. Dazu sind verschiedene Methoden bekannt.The head surface of the die 4 , 5 ; 6 , 7 must be manufactured with special care, since it determines the geometric shape of the surface of the injection molded part. Various methods are known for this.
In Fig. 2a ist ein Formstempel 6 dargestellt, der aus Stahl gefertigt ist. Der Schaft ist bis an die Grenze der erforderlichen mechanischen Stabilität aufgebohrt. Anstelle der in Fig. 1 dargestellten Temperier-Kanäle kann hier z. B. ein spiralig gewickeltes Durchflußrohr mit Wandkontakt eingesetzt werden. Kopfseitig ist im zentralen Bereich eine rippenförmige Verdickung 40 vorgesehen. Der Temperaturübergangs-Widerstand ist an dieser Stelle gegenüber den Flächenrandbereichen verändert. Die Kopffläche des Formstempels ist mit einer Glasemailleschicht 41 belegt. In gleicher Weise kann auch noch eine Antihaftschicht aufgebracht werden.In Fig. 2a, a punch 6 is shown, which is made of steel. The shaft is drilled to the limit of the required mechanical stability. Instead of the temperature control channels shown in FIG . B. a spirally wound flow tube with wall contact can be used. A rib-shaped thickening 40 is provided on the head side in the central region. The temperature transition resistance is changed at this point compared to the surface edge areas. The top surface of the die is covered with a glass enamel layer 41 . An anti-adhesive layer can also be applied in the same way.
Fig. 2b zeigt einen ähnlichen Formstempel, bei dem auf die Kopffläche jedoch eine Glaskeramik-Kappe 42 aufgesetzt ist. Die Kappe wird mit in den Schaft eingreifenden Spangen 43 gehalten. Die Oberfläche der Glaskeramik- Kappe 42 kann mit üblichen optischen Bearbeitungsverfahren, wie Schleifen und Polieren, auf die gewünschte Form gebracht werden. FIG. 2b shows a similar molding die in which the head face, however, a glass-ceramic cap 42 is placed. The cap is held with clips 43 engaging the shaft. The surface of the glass ceramic cap 42 can be brought to the desired shape using conventional optical processing methods, such as grinding and polishing.
Fig. 2c zeigt einen Formstempel, bei dem im Kopfteil ein Formteil 44 mit einem besonders guten Wärmeleitwert eingearbeitet ist. Dazu kann zunächst ein dem Formteil 44 entsprechender Hohlraum, z. B. durch Funkenerosion, in das Kopfteil eingearbeitet und danach das Formteil eingepreßt werden. Das Formteil 44 hat danach unmittelbaren Kontakt zum Temperiermittel, das durch die Längsbohrung fließt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Das Formteil kann aber auch als separates Bauteil angefertigt und von der Kopfseite her in den Formstempel eingesetzt werden. Die Kopffläche kann danach wieder mit einer einheitlichen Beschichtung versehen werden. Die Gestaltung des Formteiles ist so gewählt, daß sich von der Kopffläche des Formstempels bis zum Temperiermittel unterschiedliche Dicken und damit unterschiedliche Temperaturleitwerte ergeben. Diese sind dem Temperaturfluß aus dem Formnest heraus angepaßt, um einen möglichst homogenen Temperaturfluß erreichen zu können. Fig. 2c shows a forming die, wherein a mold part is worked 44 having a particularly good thermal conductivity in the head part. For this purpose, a cavity corresponding to the molded part 44 , e.g. B. by spark erosion, incorporated into the head part and then the molded part is pressed. The molded part 44 then has direct contact with the temperature control medium flowing through the longitudinal bore, as shown in FIG. 1. However, the molded part can also be made as a separate component and inserted into the stamp from the top. The top surface can then be provided with a uniform coating. The design of the molded part is chosen so that there are different thicknesses and thus different temperature conductivities from the top surface of the die to the temperature control agent. These are adapted to the temperature flow out of the mold cavity in order to achieve the most homogeneous possible temperature flow.
In Fig. 2d ist das Kopfteil mit einem Hohlraum 45 versehen, der von dem Temperiermittel durchspült werden kann. Durch Funkenerosion kann der Hohlraum nahezu über die gesamte Rückfläche des zum Formnest weisenden Kopfes des Formstempels ausgedehnt werden, solange die mechanische Festigkeit des Formstempels nicht beeinträchtigt wird. Durch entsprechende Steuerung der Temperatur des Temperiermittels kann sehr schnell die erforderliche Temperatur im Formnest aufgebaut werden. In Fig. 2d, the head part is provided with a cavity 45 which can be flushed through by the temperature control agent. The cavity can be expanded by spark erosion almost over the entire rear surface of the head of the die pointing towards the mold cavity, as long as the mechanical strength of the die is not impaired. By appropriately controlling the temperature of the temperature control medium, the required temperature can be built up very quickly in the mold cavity.
Wesentlich ist die Vermeidung einer schockartigen Abkühlung der plastifizierten Kunststoffmasse am Kopfteil des Formstempels. Der Formstempel ist so zu gestalten, daß möglichst schnell die Temperaturdifferenz zur einzuspritzenden Kunststoffmasse möglichst klein wird und danach die Temperatur in Abhängigkeit vom Temperaturfluß aus dem Spritzgießling heraus geregelt werden kann.It is essential to avoid a shock-like cooling of the plasticized plastic mass on the head part of the die. The Shaped stamps should be designed so that the Temperature difference to the injected plastic mass as small as possible and then the temperature depending on the temperature flow the injection molding can be regulated out.
Die Kopffläche des aus Stahl gefertigten Formstempels 6 kann z. B. chemisch vernickelt werden, wobei die Schichtdicke ca. 5 mm beträgt. Eine solche Schicht weist eine sehr hohe Homogenität auf. Durch Diamantdrehen läßt sich eine Oberflächen-Rauhtiefe von maximal 5 bis 10 nm erreichen. The top surface of the stamp 6 made of steel can, for. B. can be chemically nickel-plated, the layer thickness being approximately 5 mm. Such a layer is very homogeneous. A maximum surface roughness of 5 to 10 nm can be achieved by diamond turning.
11
Spritzgießform
Injection mold
22nd
Formoberteil
Molded top
33rd
Formunterteil
Bottom part
44th
, ,
55
Formoberstempel
Upper form stamp
66
, ,
77
Formunterstempel
Lower form stamp
88th
, ,
99
Kopfteile Formoberstempel
Head parts upper stamp
1010th
, ,
1111
Kopfteile Formunterstempel
Head parts lower die
1212th
, ,
1313
; ;
1414
, ,
1515
Einsätze
Calls
1616
, ,
1717th
Angußkanal
Sprue
1818th
, ,
1919th
Basisplatten
Base plates
2020th
Trennfläche
Interface
2121
, ,
2222
Zentrierränder
Centering edges
2323
, ,
2424th
Formnester
Mold nests
2525th
, ,
2626
Anbindungen
Connections
2727
Düse
jet
2828
Zuführkanal
Feed channel
2929
Heizband
Heating tape
3030th
, ,
3131
Temperierkanäle Formober/-unterteil
Temperature control channels, upper / lower part
3232
, ,
3333
Temperierkanäle Formober/-unterstempel
Temperature control channels, upper / lower die
3434
, ,
3535
Trennbleche
Dividers
3636
, ,
3737
; ;
3838
, ,
3939
Temperiereinrichtung Formober/-unterstempel
Temperature control device upper / lower stamp
4040
rippenförmige Verdickung
rib-shaped thickening
4141
Glasemaille-Beschichtung
Glass enamel coating
4242
Glaskeramik-Kappe
Glass ceramic cap
4343
Spange
Clasp
4444
Formteil
Molding
4545
Hohlraum
cavity
Claims (32)
VL:H = 2 : 1 bei HR ≧ 5 mm
VL:H = 3 : 1 bei HR ≦ 5 mm
VL:H = 4 : 1 bei HR ≧ 3 mm
VL:H = 12 : 1 bei HR ≦ 3 mm
und bei präzisionsmechanischen Teilen das Verhältnis VL:H der Länge L zur Höhe H in Abhängigkeit von der Fließweglänge SL von der Anbindung bis zur anbindungsfernsten Stelle im Formnest folgende Werte annimmt:
VL:H = 2 : 1 bei SL = 100 bis 150 mm
VL:H = 3 : 1 bei SL = 60 bis 100 mm
VL:H = 3 : 1 bei SL = 20 bis 60 mm
VL:H = 12 : 1 bei SL ≦ 20 mm.21. Injection molding apparatus according to claim 1, characterized in that the circular cross section of the sprue passes into a rectangular cross section of the connection, for which the ratio V L: H of length L to height H in dependence on the edge height H R of the to be represented in the case of precision optical parts Optical part assumes the following values with a tolerance of ± 10%:
V L: H = 2: 1 at H R ≧ 5 mm
V L: H = 3: 1 at H R ≦ 5 mm
V L: H = 4: 1 at H R ≧ 3 mm
V L: H = 12: 1 at H R ≦ 3 mm
and in the case of precision mechanical parts, the ratio V L: H of length L to height H depends on the flow path length S L from the connection to the most distant point in the mold cavity:
V L: H = 2: 1 at S L = 100 to 150 mm
V L: H = 3: 1 at S L = 60 to 100 mm
V L: H = 3: 1 at S L = 20 to 60 mm
V L: H = 12: 1 at S L ≦ 20 mm.
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