DE10202246A1

DE10202246A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen optischer Formteile aus Kunstoff

Info

Publication number: DE10202246A1
Application number: DE10202246A
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Summerer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: US7122137B2; DE10202246B8; US20030137066A1; DE10202246B4

Abstract

Die Vorrichtung weist eine drehbar gelagerte erste Formplatte und eine zweite Formplatte auf, zwischen denen eine Kavität ausgebildet ist. Die erste Formplatte wird mit einer Aufstellkraft beaufschlagt, so dass die erste Formplatte im geöffneten Zustand der Vorrichtung gegenüber der zweiten Formplatte geneigt ist. Zum Schließen der Vorrichtung wird die erste Formplatte in Richtung der zweiten Formplatte verfahren bis sich die Formplatten in Anschlagflächen berühren. Anschließend wird die Vorrichtung weiter geschlossen, wobei die erste Formplatte durch eine Klappbewegung an die zweite Formplatte angenähert wird. Im wesentlichen während der gesamten Klappbewegung wird Kunststoff in die Kavität eingespritzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen optischer Formteile, insbesondere hochtransparenter optischer Formteile, aus Kunststoff.
Optische Formteile, insbesondere hoch transparente optische Formteile, wie zum Beispiel Verscheibungen, wurden lange Zeit in der Regel aus Glas hergestellt. Aufgrund des geringeren Gewichts, der höheren Schlagzähigkeit und der erhöhten Designfreiheit erlangen in jüngster Vergangenheit aber optische Kunststoff-Formteile eine zunehmende Bedeutung.
Zur Herstellung optischer Kunststoff-Formteile werden bisher die in der Kunststoffverarbeitung bekannten Spritzguss- und Prägeverfahren eingesetzt. Insbesondere bei großflächigen optischen Formteilen, wie zum Beispiel Verscheibungen für Kraftfahrzeuge, haben die bekannten Verfahren jedoch erhebliche Nachteile. Auf Grund der an sich kurzen Fließwege im Spritzgussverfahren muss bei der Herstellung großflächiger Formteile ein hoher Spritzdruck aufgewendet werden. Dies führt aber zu hohen Verspannungen und somit zu Verzug im Formteil. Außerdem tritt im angussfernen Teilbereich des Formteils starker Einfall auf. Bei Verwendung des bekannten Prägeverfahrens weisen die Formteile häufig Mängel in der Oberfläche auf, die auf Quellfluss zurückzuführen sind.
Auf Grund ihrer Sicherheitsrelevanz werden aber zum Beispiel an Verscheibungen von Kraftfahrzeugen hohe optische Anforderungen gestellt, so dass weder das herkömmliche Spritzgussverfahren noch das herkömmliche Prägeverfahren zur Herstellung derartiger optischer Kunststoff-Formteile geeignet erscheint.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Formteils aus Kunststoff zu entwickeln, das die Entstehung starker Spannungen im Formteil vermeidet und eine hohe Oberflächenqualität gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen optischer Formteile aus Kunststoff, weist eine drehbar gelagerte erste Formplatte und eine zweite Formplatte auf, zwischen denen im geschlossenen Zustand der Vorrichtung eine Kavität ausgebildet ist. Die erste Formplatte wird mit einer Aufstellkraft beaufschlagt, so dass die erste Formplatte im geöffneten Zustand der Vorrichtung gegenüber der zweiten Formplatte geneigt ist. Zum Schließen der Vorrichtung wird die erste Formplatte in Richtung der zweiten Formplatte verfahren bis sich die Formplatten in Anschlagflächen berühren. Die Vorrichtung wird weiter geschlossen, wobei die erste Formplatte auf Grund des Widerstands der zweiten Formplatte durch eine Klappbewegung an die zweite Formplatte angenähert wird, so dass der Neigungswinkel mit zunehmendem Schließgrad der Vorrichtung abnimmt. Am Ende des Schließvorgangs liegen sich beide Formplatten weitgehend parallel gegenüber. Im wesentlichen während der gesamten Klappbewegung wird Kunststoff in die Kavität eingespritzt.
Diese kombinierte Spritz- und Prägetechnik hat den Vorteil, dass die Klappbewegung der ersten Formplatte die Verteilung der Kunststoffmasse innerhalb der Kavität stark unterstützt. Auf diese Weise, kann trotz langer Fließwege ein relativ niedriger Spritzdruck verwendet werden, so dass nur sehr geringe Verspannungen im Formteil auftreten. Durch den bereits während der Einspritzphase begonnene Prägeprozess wird zusätzlich Quellfluss verhindert, so dass eine qualitativ hochwertige Oberfläche des Formteils gewährleistet wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung im Bereich des Formkerns einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen optischer Formteile aus Kunststoff im geöffneten Zustand vor Beginn des Herstellungsprozesses,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einem Verfahrensstadium, wenn sich die beiden Formplatten gerade berühren,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nach Ende der Schließbewegung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Bereich der Achsführung, wenn sich die beiden Formplatten gerade berühren und
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Bereich der Achsführung nach Ende der Schließbewegung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Fig. 1) weist eine erste Formplatte 1' und eine zweite Formplatte 2' auf, wobei die zweite Formplatte 2' in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel feststehend, also unbeweglich, ausgeführt ist. In den Figuren ist die erste Formplatte 1' stets als Matrizenformplatte 1 und die zweite Formplatte 2' stets als Formkernplatte 2 ausgeführt. Ebenso kann aber die erste Formplatte 1' als Formkernplatte und die zweite Formplatte 2' dem entsprechend als Matrizenformplatte ausgeführt sein. In der Matrizenformplatte 1 ist eine Aussparung 3 mit einer vorgegebenen weitgehend dreidimensionalen Form vorgesehen. Die Formkernplatte 2 weist an ihrem vorderen Ende einen Formkern 4 auf, dessen äußere Formgebung an die Form der Aussparung 3 angepasst ist. Der Formkern 4 kann sowohl einstückig mit der Formkernplatte 2 als auch als eigenständiges, vorzugsweise austauschbares, Werkzeugteil ausgeführt sein. In der zweiten Formplatte 2', gemäß Fig. 1 also in der Formkernplatte 2, ist im Randbereich des Formkerns 4 eine Kunststoffzuführungseinheit 5, zum Beispiel in Form eines Heißkanals direkt anbindend an den herzustellenden Artikel, vorgesehen. Ist die zweite Formplatte 2' als Matrizenformplatte ausgeführt, ist die Kunststoffzuführungseinheit dem entsprechend vorteilhaft im Randbereich der Aussparung 3 vorgesehen.
Die erste Formplatte 1' ist im geöffneten Zustand, der in Fig. 1 dargestellt ist, gegenüber der zweiten Formplatte 2' um einen Winkel, zum Beispiel im Bereich von 0° bis 30°, geneigt. Diese Neigung wird beispielsweise dadurch bewirkt, dass die erste Formplatte 1' drehbar gelagert ist und auf der der Kunststoffzuführungseinheit 5 gegenüber liegenden Seite mit einer mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder Feder erzeugten Aufstellkraft beaufschlagt ist. In der Figur ist diese Aufstellkraft durch einen Kraftpfeil 6 angedeutet. Auf der dem Angriffspunkt der Aufstellkraft entfernten Seite liegt die erste Formplatte 1' auf einer Basisplatte 7 auf. Die erste Formplatte 1' wird dadurch im geöffneten Zustand der Vorrichtung gegenüber der zweiten Formplatte 2' derart geneigt, dass der Abstand zwischen den Formplatten 1' und 2', also zwischen der Matrizenformplatte 1 und der Formkernplatte 2, in denjenigem Randbereich des Formkerns 4 bzw. der Aussparung 3, in dem die Kunststoffzuführungseinheit 5 angeordnet ist, am geringsten ist. Die zweite Formplatte 2' und die Basisplatte 7 stehen sich während des gesamten Herstellungsprozesses stets weitgehend parallel gegenüber.
Die Basisplatte 7 ist zusammen mit der ersten Formplatte 1' in Richtung des Pfeils 8 relativ zur zweiten Formplatte 2' verfahrbar. In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Verfahrensstadium gezeigt, wenn eine formkernseitige Anschlagfläche 9, die unmittelbar an den Formkern 4 der Formkernplatte 2 angrenzt, mit einer matrizenseitigen Anschlagfläche 10, die unmittelbar an die Aussparung 3 der Matrizenformplatte 1 angrenzt, in Berührung gekommen ist. Ein weiteres Verfahren der Basisplatte 7 in Richtung der zweiten Formplatte 2' führt dann zu einer Klappbewegung der ersten Formplatte 1'. Voraussetzung hierfür ist es, dass die Druckkraft der Basisplatte 7 größer ist als die Aufstellkraft, die auf die erste Formplatte 1' wirkt. Die Drehachse für die Klappbewegung der ersten Formplatte 1' wird durch entsprechende konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung (vgl. Fig. 4 und 5) vorteilhaft im anspritznahen Bereich eines Tauchkantenspalts 11 - dieser wird im weiteren Verlauf noch genauer beschrieben - festgelegt. Alternativ kann die Drehachse aber auch im anspritzfernen Bereich des Tauchkantenspalts 11 festgelegt werden. Die Begriffe anspritznah und anspritzfern beziehen sich stets auf die Entfernung zur Kunststoffzuführungseinheit 5.
Um während der Klappbewegung die an sich punktuell auftretenden Druckkräfte auf Flächen zu verteilen und um Seitenkräfte zu vermeiden, werden vorteilhaft in den druckbeaufschlagten Bereichen der ersten Formplatte 1' Ausgleichselemente 12 vorgesehen. Im einfachsten Fall sind diese Ausgleichselemente 12 als Kugelabschnitt ausgebildet, die drehbar in entsprechenden Aussparungen der ersten Formplatte 1' gelagert sind. Alternativ dazu können die Kugelabschnitte aber auch an den entsprechenden Stellen der zweiten Formplatte 2', der Basisplatte 7und z. B. des Hydraulikstempels zur Aufbringung der Aufstellkraft 6 befestigt sein und jeweils in eine Aussparung der ersten Formplatte 1' eintauchen. In einer vereinfachten Ausführungsform kann auf die Ausgleichselemente 12 auch verzichtet werden. Statt dessen werden die druckbeaufschlagten Bereiche der ersten Formplatte 1' und des Hydraulikstempels nach außen ballig ausgeführt. Auch dadurch wird die Flächenpressung während des Prägevorgangs reduziert und somit die Standzeit etwas erhöht.
Auch im vollkommen geschlossenen Zustand, der in Fig. 3 dargestellt ist, weist eine Begrenzungswand 13 der Aussparung 3 zu einer äußeren Begrenzungswand 14 des Formkerns 4 einen vorbestimmten Abstand auf, wodurch eine Kavität 15 gebildet wird. Die Form der Kavität 15 bestimmt die Form des mittels eines Spritzvorgangs herzustellenden Endprodukts. An die Kavität 15 schließt sich der Tauchkantenspalt 11 an, der durch eine matrizenseitige Tauchkante 16 und eine kernseitige Tauchkante 17 begrenzt wird. Die Tauchkante hält die Kunststoffmasse vom Austritt über die Kavität 15 ab. Ein gezielter Tauchkantenspalt 11 kann auch verfahrensbedingte Toleranzen ausgleichen. Auch ermöglicht der Tauchkantenspalt 11 zum Beispiel an der anspritzfernen Seite eine gezielte Überspritzung in Funktion eines Überdruckventils. Die Spaltbreite des Tauchkantenspalts 11 beträgt bspw. 0,01 mm bis 0,1 mm. Bei gezielter Überspritzung sind auch Spaltbreiten bis zu mehreren Millimeter denkbar.
An der Basisplatte 7 sind Achsführungen 18 vorgesehen, die entweder einstückig mit der Basisplatte 7 ausgeführt sind oder an der Basisplatte 7 befestigt sind (Fig. 4). Aus Gründen der Vereinfachung ist in Fig. 4 lediglich eine Achsführung dargestellt, vorteilhaft sind aber mehrere Achsführungen, im Normalfall zwei vorgesehen. Die Achsführung 18 ist derart ausgestaltet, dass Sie während eines Schließvorgangs der Vorrichtung in eine Führungsaussparung 19 der zweiten Formplatte 2' eintaucht und dadurch eine exakte Zentrierung und Führung der beiden Formplatten zueinander gewährleistet - im Fachjargon wird eine derartige Führung auch als Stollenführung bezeichnet. Die an sich unsichtbaren Konturen der im inneren Bereich der Vorrichtung, insbesondere im Bereich des Formkerns 4 liegenden Kunststoffzuführungseinheit 5 und der Kavität 15 sind in der Fig. 4 gestrichelt dargestellt.
In der Achsführung 18 ist ein Wellenaufnahmebereich 20, vorzugsweise in der Form eines Langlochdurchbruchs vorgesehen, in dem eine Welle 21 geführt ist. Die Welle 21 ist vorzugsweise starr mit der ersten Formplatte 1' verbunden. Die Mittelachse der Welle 21 ist zugleich die Drehachse der Klappbewegung der ersten Formplatte 1'. Abhängig von der Klappbewegung der ersten Formplatte 1' wird die Welle 21 mit zunehmendem Schließgrad der Vorrichtung von dem der Basisplatte 7 entfernten Ende des Wellenaufnahmebereichs 20 (vgl. Fig. 4) zum der Basisplatte 7 nahen Ende des Wellenaufnahmebereichs 20 bewegt (vgl. Fig. 5).
Nachfolgend wird die Herstellung eines Kunstoffformteils mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert:
Im geöffneten Zustand befindet sich der Formkern 4 zunächst außerhalb der matrizenseitigen Aussparung 3. Die Basisplatte 7 wird nun zusammen mit der ersten Formplatte 1' in Richtung der zweiten Formplatte 2' verfahren. Sobald sich die Anschlagflächen 9 und 10 der Formkernplatte 2 bzw. der Matrizenformplatte 1 berühren, wird über die Kunststoffzuführungseinheit 5 Kunststoff in die sich bildende Kavität 15 eingespritzt. Der Einspritzvorgang kann auch innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, zum Beispiel 2 Sekunden vor oder nach der Berührung, oder bei Erreichen eine vorgegebenen Abstandes, zum Beispiel 2 mm, der beiden Anschlagflächen 9 und 10 begonnen werden. Entscheidend ist lediglich, dass ein Austreten des Kunststoffes aus der Kavität 15 sicher verhindert wird.
Während der Kunststoff in die Kavität 15 eingespritzt wird, wird die Basisplatte 7 zusammen mit der ersten Formplatte 1' weiterhin in Richtung der zweiten Formplatte 2' verfahren. Das Verfahren der Basisplatte 7 zusammen mit der ersten Formplatte 1' bewirkt eine Art Klappbewegung der ersten Formplatte 1', so dass die Neigung der ersten Formplatte 1' gegenüber der zweiten Formplatte 2' mit zunehmenden Schließgrad der Vorrichtung kontinuierlich abnimmt. Im vollkommen geschlossenen Zustand liegen sich Matrizenformplatte 1 und Formkernplatte 2 weitgehend parallel gegenüber. Der Kunststoff verteilt sich, unterstützt durch die Klappbewegung der erste Formplatte 1, vom Bereich der Kunststoffzuführungseinheit 5 in Richtung des davon entfernten Randbereichs der sich ausbildenden Kavität 15.
Nach dem Schließen der Vorrichtung bleibt vorteilhaft der Spritzdruck für eine vorgegebene Zeitspanne aufrechterhalten, so dass im anspritznahen Bereich ein Einfall vermieden wird. Je weiter man sich vom Anspritzbereich entfernt übernimmt mehr und mehr das Klappprägen diese Aufgabe.
Denkbar ist auch, dass der Einspritzvorgang zumindest im wesentlichen vor Beginn der Klappbewegung erfolgt, das heißt zumindest ein Großteil der Kunststoffmasse bereits zu Beginn der Klappbewegung in die Kavität 15 eingespritzt ist.
Nach Beendigung des Schließvorgangs und einer gewissen Verfestigung des Kunststoffes wird die Vorrichtung wieder geöffnet und das fertige Formteil mittels einer nicht gezeigten Auswurfeinrichtung aus der Vorrichtung entfernt. Bezugszeichenliste "Klappspritzprägen" 1' erste Formplatte
2' zweite Formplatte
1 Matrizenformplatte
2 Formkernplatte
3 Aussparung
4 Formkern
5 Kunststoffzuführungseinheit
6 Kraftpfeil
7 Basisplatte
8 Pfeil
9 Anschlagfläche
10 Anschlagfläche
11 Tauchkantenspalt
12 Ausgleichselement
13 Begrenzungswand
14 Begrenzungswand
15 Kavität
16 Tauchkante
17 Tauchkante
18 Achsführung
19 Aussparung
20 Wellenaufnahmebereich
21 Welle

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen optischer Formteile aus Kunststoff, die aufweist
eine drehbar gelagerte erste Formplatte (1') und eine zweite Formplatte (2') zwischen denen im geschlossenen Zustand der Vorrichtung eine Kavität (15) ausgebildet ist
Mittel zum Beaufschlagen der ersten Formplatte (1') mit einer Aufstellkraft (6), so dass die erste Formplatte (1') im geöffneten Zustand der Vorrichtung gegenüber der zweiten Formplatte (2') geneigt ist und der Neigungswinkel mit zunehmendem Schließgrad der Vorrichtung abnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Formplatte (2') als Formkernplatte ausgeführt ist und im Randbereich eines Formkerns (4) eine Kunststoffzuführungseinheit (5) zum Einspritzen von Kunststoff in die Kavität (15) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Formplatte (2') als Matrizenformplatte ausgeführt ist und im Randbereich einer Aussparung (3) eine Kunststoffzuführungseinheit (5) zum Einspritzen von Kunststoff in die Kavität (15) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Kavität (15) ein Tauchkantenspalt (11) anschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der drehbar gelagerten ersten Formplatte (1') im Bereich des anspritznahen Tauchkantenspalts (11) festgelegt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem der druckbeaufschlagten Bereiche der Vorrichtung ein Ausgleichselement (12) zum Verteilen der Druckkraft vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der druckbeaufschlagten Bereiche der Vorrichtung nach außen ballig ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (21) in einer Achsführung (18) geführt ist.

9. Verfahren zum Herstellen optischer Formteile aus Kunststoff mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:

- Schließen der Vorrichtung derart, dass eine erste Formplatte (1') in Richtung einer zweiten Formplatte (2') verfahren wird bis sich die Formplatten (1', 2') in Anschlagflächen (9, 10) berühren,

- weiteres Schließen der Vorrichtung derart, dass die erste Formplatte (1') durch eine Klappbewegung an die zweite Formplatte (2') angenähert wird

- Einspritzen von Kunststoff in die Kavität (15), die zwischen der ersten Formplatte (1') und der zweiten Formplatte (2') ausgebildet wird,

wobei der Kunststoff im wesentlichen während der Klappbewegung eingespritzt wird.

10. Verfahren zum Herstellen optischer Formteile aus Kunststoff mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Verfahrensschritten:

wobei der Kunststoff im wesentlichen vor Beginn der Klappbewegung eingespritzt wird.