DE19652966C1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen aus mehrlagigen Kunststoffschichten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeu­ gung von Mikrostrukturen aus mehrlagigen Kunststoffschichten, z. B. von einer Mantelschicht auf einer mikrostrukturierten Kernschicht, mittels eines Zweikomponenten-Spritzgußverfahrens mit einem Werkzeug, das die Negativformen der herzustellenden Struktur aufweist, welche mit dem fließfähig gemachten Mate­ rial der Struktur mit anschließendem Abkühlen gefüllt werden.

Für die Herstellung von Kunststoffstrukturen stehen bisher nur Abformtechniken zur Verfügung, mit denen mikrostrukturierte Oberflächen auf Kunststoffplatten, sogenannte Mikrostruktur­ körper, gefertigt werden können. Mehrschichtteile, z. B. Sand­ wich-Formteile können nicht automatisiert hergestellt werden, da z. B. beim Vakuumprägeverfahren ein sehr großer Zeitaufwand durch die langen Zykluszeiten erforderlich ist. Eine technisch befriedigende Lösung zur seriellen Herstellung von Sandwich­ teilen mit Mikrostrukturen ist bisher nicht bekannt geworden.

Aus der Zeitschrift Kunststoffe 69 (1979) 7, S. 383 und 384 ist ein Verfahren zur Herstellung einer aus einem zweifarbigen Kunststoff bestehenden Tasse für Campinggeschirr bekannt. Die Tasse soll innen weiß und außen pastellfarbig sein. Zunächst wird der innere weiße Mantel der Tasse gespritzt. Danach öff­ net sich die Schließeinheit und das gespritzte Teil wird aus dem zweiteiligen Formnest herausgehoben. Nach einer Drehung um 180° ist das Werkzeug ganz geöffnet. Jetzt erst beginnt die Schließbewegung des Werkzeugs. Nach dem Schließen des Werk­ zeugs wird mit der zweiten Spritzeinheit auf den warmen Vor­ spritzling gespritzt. Durch die im zweiten Kunststoff enthal­ tene Schmelzwärme soll dabei eine hinreichende Verbindung der beiden Kunststoffarten erzielt werden. Die Entgegenhaltung gibt keinen Anhaltspunkt für die Herstellung vom mehrlagigen mikrostrukturierten Formteilen mit definierter Restschicht­ dicke.

Aus der EP 0180383 A2 ist eine industrielle Methode für die Ummantelung einer Zwei-Lagen-Struktur bekannt. Dabei wird zu­ erst mit einem thermoplastischen Kunststoff, welcher mit einem leitfähigen metallischen Füllstoff gefüllt ist, die erste Lage gespritzt. Das Werkzeug wird geöffnet, gedreht und ein zweiter thermoplastischer nicht mit leitfähigen metallischen Füllstoff als Außenschicht wird auf die erste leitfähige Lage aufge­ spritzt. Die beiden Kunststoffe verbinden sich miteinander. Mit dem Verfahren ist es nicht möglich, definierte Rest­ schichtdicken zu erzeugen.

Aus der DE 22 28 168 B2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines plattenförmigen Gegenstandes aus Kunst­ stoff mit einem gegenüber einem Grundkörper andersfarbigen, in sich mehrfarbigen Reliefmuster bekannt, in der als erstes Teil die als Muster bildenden voneinander unabhängigen Teilbereiche hergestellt werden, und beim anschließenden Spritzgießen des Grundkörpers als durchgehender Plattengrund deren Verbindung mit diesem als erhabenes Reliefmuster erfolgt. Dabei werden zuerst in die mit der Patrize enthaltene Platte erste Teile aus thermoplastischem Kunststoff gespritzt. Anschließend wird die Platte gedreht und der zweite Teil des herzustellenden Werkstücks an den ersten Teil gespritzt.

Die vorliegende Erfindung hat ausgehend von dem Stand der Technik zur Aufgabe, eine neue Vorrichtung anzugeben, mittels welcher mehrlagige Kunststoffschichten wie z. B. Kern- und Mantelschichten von Mikrostrukturen mit genau definierter Höhe durch ein Zweikomponenten-Spritzgußverfahrens seriell herge­ stellt werden können. Dabei soll das Formwerkzeug in seiner Formplatte so genau planparallel zu dessen Oberkante ausge­ richtet werden können, daß ein möglichst kleiner Restspalt üb­ rigbleibt, der beim Füllen des Formwerkzeuges zu einer mög­ lichst geringen Restschicht zwischen Kern- und Mantelschicht führen soll.

Weitere Einzelheiten der Vorrichtung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Einzelwerkzeug vor dem ersten Verfahrens­ schritt,

die Fig. 2 den Schnitt AA in der Fig. 1,

die Fig. 3 den Schnitt CC in der Fig. 1 als Doppelwerkzeug mit zwei Einzelwerkzeugen

die Fig. 4 den Schnitt BB in der Fig. 3

die Fig. 5 das Einzelwerkzeug vor dem Anspritzen der Kern­ schicht

die Fig. 6 den Füllprozeß der Kernschicht,

die Fig. 7 das Einzelwerkzeug vor dem Anspritzen der Mantel­ schicht

die Fig. 8 das Einzelwerkzeug mit dem fertigen Teil beim Aus­ werfen.

Das Verfahren, das in der Vorrichtung ausgeübt werden soll, beruht auf zwei nacheinander abfolgenden Abformprozessen mit zwei chemisch und physikalisch artverwandten Kunststoffen für eine mikrostrukturierte nichtleitende Kernschicht 18 und eine sandwichartig daruntersitzende leitfähige Mantelschicht 19, wie sie z. B. in der Fig. 8 zu sehen ist. Die Vorrichtung dazu besteht, wie in der Fig. 3 dargestellt, aus den beiden, iden­ tisch aufgebauten, auf bzw. in einer gemeinsamen ersten Form­ platte 1 angebrachten Positionier- und Ausrichteinheiten 3 für die Formwerkzeuge 4. Die beiden identischen Formwerkzeuge 4 sind auf dieser symmetrisch so zueinander angeordnet, daß bei einer 180°-Drehung der Formplatte 1 um eine zentrale Achse je­ des Formwerkzeug 4 in die frühere Position des jeweils anderen gelangt. Die Formplatte 1 sitzt dabei auf bzw. vor einer orts­ festen, weiteren Formplatte 2 und ist dieser gegenüber auf nicht näher dargestellte Weise drehbar gelagert. Dabei erfolgt die Zufuhr der verschiedenen Kunststoffe für die einzelnen Schichten aus der Formplatte 2 in die Werkzeuge 4 auf später beschriebene Weise. Die beiden identischen Formwerkzeuge 4 werden im Folgenden anhand eines einzelnen beschrieben.

Wie in den Fig. 1, 2 und 4 dargestellt, sitzt das Formwerk­ zeug 4 formschlüssig zusammen mit der Formplatte 1 in einer Ausnehmung 5 und ist darin längsverschieblich. Bei der darge­ stellten Ausführung weist die Ausnehmung 5 rechteckige Form auf. Das bzw. die Formwerkzeuge 4 bestehen aus einer Zwi­ schenplatte 8, auf welcher ein Formteil 6 sitzt, in welches das Negativ der zu erzeugenden Mikrostrukturen 7 eingebracht ist. Dabei sind die Mikrostrukturen 7 der Formplatte 2 zuge­ wendet, wobei zwischen der Oberfläche der Strukturen und der Oberfläche der Formplatte 2 ein möglichst kleiner Restspalt sein soll. Von der Außenseite her gesehen sitzt vor dem Form­ teil 6 an diese anliegend eine Zwischenplatte 8. In die Posi­ tionier- und Ausrichteinheit 3 sind vor den Ausnehmungen 5 Feststell- und Ausrichtschrauben 9 in Richtung der Zwischen­ platte 8 eingeschraubt, die auf diese drücken und mit denen das Formwerkzeug 4 in der Formplatte 1 planparallel zur Ober­ kante ausgerichtet werden können. Alle Teile 3, 6 und 8 werden von der der Formplatte 2 abgewendeten Seite in die Ausnehmung 5 eingeschoben und sind darin verschieblich. An der Positio­ nier- und Ausrichteinheit 3 ist dazu ein Schieber 10 ange­ bracht.

Wie aus der Fig. 4 ersichtlich, sind zwischen dem Formteil 6 und seitlichen Absätzen 11 der Ausnehmung 5 Distanzstreifen 12 angeordnet, mit denen die genaue Lage des Formwerkzeuges 4 in Bezug auf die Oberkante 13 der Formplatte 1 eingerichtet wer­ den kann.

In der Formplatte 2 ist der Heißkanal 15 mit seiner Düse 14 gegenüber der Mikrostruktur 7 des Formwerkzeuges 4 gelegen. Durch die Düse 14 tritt der Kunststoff zur Füllung der Mi­ krostruktur 7 aus, wobei nach dem Füllprozeß überschüssiges Material in die, seitlich der Mikrostrukturen 7 in der Form­ platte 1 gelegene Überlaufmulde 16 durch den Kanal 17 gedrückt wird. Der Heißkanal 15 mit der Düse 14 ist doppelt vorhanden, d. h. es ist jeweils einer für den Kunststoff der Kernschicht 18 und einer für den der Mantelschicht 19 vorgesehen (die zweite Düse 22 für die Mantelschicht 19 ist in der Fig. 7 zu sehen). Dabei liegen beide Düsen 15 und 22 natürlich gegenüber der Mikrostruktur 7.

Ausgehend von dem mikrostrukturierten Formwerkzeug 4 wird die Kernschicht 18 als mikrostrukturiertes Formteil in einem er­ sten Fertigungsschritt aus einem Kunststoff erzeugt. Charakte­ ristisch bei der Herstellung solcher Kernschichten ist dabei ihre genau definierbare Höhe. Dazu wird das Formwerkzeug 4 in die Positionier- und Ausrichteinheit 3 genau eingepaßt. Dabei wird das Formwerkzeug 4 auf eine definierte Restschichthöhe zur Oberkante 13 der sie aufnehmenden Formplatte 1 einge­ stellt. Dabei muß Planparallelität sichergestellt sein. Dies geschieht mittels der Schrauben 9, wobei die spätere Lage in der Formplatte 1 mittels der Dicke der Distanzstreifen 12 vor­ gegeben wird. Dabei wird für eine korrekte Einstellung des Formwerkzeuges 4 eine definierte Restschichthöhe etwas größer Null angestrebt.

Das in die Positionier- und Ausrichteinheit 3 eingepaßte Form­ werkzeug 4 wird in die Formplatte 1 eingebaut und etwas zu­ rückgeschoben, so daß ein größerer Hohlraum 20 zum Füllen und Fließen der Kunststoffschmelze entsteht (siehe die Fig. 5).

Wird nun in den Hohlraum 20 aus der Düse 15 eingespritzt, drückt der Schieber 10 die Positionier- und Ausrichteinheit 3 mit dem Werkzeug 4 in Richtung Formplatte 2 bis zum Anschlag an den Absatz 11, der die Dicke der Kernschicht 18 vorgibt. Dabei wird überschüssiges Material während des Spritzvorganges der Kernschicht 18 in die Überlaufmulde 16 gedrückt. Dieser Vorgang dauert so lange, bis die Kunststoffschmelze für die Kernschicht 18 den Glasübergangsbereich/Kristallitschmelzpunkt erreicht hat. Da die Schmelze im plastischen Bereich sehr leicht fließt, kann die Positionier- und Ausrichteinheit 3 da­ bei bis gegen die Formplatte 2 gedrückt werden (siehe die Fig. 6). Anschließend ist die Kernschicht 18 fertig.

Nach der Fertigung der Kernschicht 18 wird die Formplatte 1, die wie eingangs beschrieben, mit zwei Positionier- und Aus­ richteinheiten 3 und Formwerkzeugen 4 belegt ist, gegenüber der Formplatte 2 um ein bestimmtes Maß weggefahren und danach gegenüber dieser um 180° gedreht, so daß die zweite Düse 22 bzw. die Anspritzstelle für die Mantelschicht 19 nun gegenüber dem mit der Kernschicht 18 gefüllten Formwerkzeug 4 zu liegen kommt. Anschließend werden die beiden Formplatten 1 und 2 wie­ der geschlossen. In dem zweiten Fertigungsschritt (siehe die Fig. 7 und 8) wird nun der zweite Hohlraum 21 zwischen der strukturierten Kernschicht 18 und Formplatte 2, der in diese Formplatte 2 eingebracht ist, mit einem weiteren Kunststoff für die Mantelschicht 19 befüllt, nachdem das Werkzeug 4 auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wurde. Die Höhe der Man­ telschicht 19 wird dabei werkzeugtechnisch eingestellt. Nach dem Einspritzen des zweiten Kunststoffes aus der Düse 22 tritt durch chemische Verwandtschaft zwischen Kern- und Mantel­ schicht 18 und 19 eine Verbindung in Form einer Verschweißung ein. Der Kunststoff der Mantelschicht 19 besitzt einen niedri­ geren Schmelzbereich, um die Kernschicht 18 nicht zu erweichen und damit die Mantelschicht 19 nicht in den Strukturbereich der Kernschicht 18 eingedrückt wird.

Bei der Galvanik von leitfähigen Startschichten ist dieser Zu­ stand gewünscht.

Nach dem Abkühlen werden die beiden Formplatten 1 und 2 voll­ ständig auseinandergefahren. Mittels der Auswerfer 23 in der Formplatte 1 wird das gespritzte Formteil aus den beiden Kom­ ponenten 18 und 19 mit den Angußbutzen 24 in der Überlaufmulde 16 herausgedrückt und danach entnommen (siehe die Fig. 8).

Der besondere Vorteil des Verfahrens besteht nun darin, daß beide Schichten 18 und 19 in demselben Werkzeug direkt hinter­ einander erzeugt werden können, ohne daß irgendwelche Zwi­ schenschritte erforderlich sind. Vorteilhaft ist auch die Mög­ lichkeit der Restschichtoptimierung der Kernschicht 18. Bei einem Beispiel sind die Anforderungen an die Restschicht von mindestens 5 µ Voraussetzung. Die Herstellung der Schichten erfolgt weitgehend automatisch, wobei mittels der drehbaren Formplatte 2 in den beiden Werkzeugen 4 gleichzeitig in der eine Position eine Kernschicht 18 und in der anderen Position darauf eine Mantelschicht 19 erzeugt werden kann. Die Zyklus­ zeiten sind daher bei dem Werkzeug sehr niedrig im Vergleich zu dem Vakuumprägeverfahren, da die beiden artverwandten Kunststoffe permanent in flüssigem Zustand zur Verfügung ste­ hen können. Die gespritzten Teile müssen auch nicht auf Raum­ temperatur abgekühlt werden, da sie bei etwa 10° unter dem Glasübergangsbereich/Kristallitschmelzpunkt des jeweiligen Kunststoffes entformt werden können. Eine getrennte Fertigung von Halbzeugfolien für die beiden Schichten kann entfallen.

Bezugszeichenliste

1 erste Formplatte
2 zweite Formplatte
3 Positionier- und Ausrichteinheit
4 Formwerkzeuge
5 Ausnehmungen
6 Formteil
7 Mikrostruktur negativ
8 Zwischenplatte
9 Feststell- und Ausrichtschrauben
10 Schieber
11 Absatz
12 Distanz streifen
13 Oberkante
14 Heißkanal
15 erste Heißkanaldüse
16 Überlaufmulde
17 Kanal
18 Kernschicht
19 Mantelschicht
20 1. Hohlraum
21 2. Hohlraum
22 zweite Düse
23 Auswerfer
24 Überlaufbutzen

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen aus mehrlagi­ gen Kunststoffschichten, z. B. von einer Mantelschicht auf einer mikrostrukturierten Kernschicht, mittels eines Zwei­ komponenten-Spritzgußverfahrens mit einem Werkzeug, das die Negativformen der herzustellenden Struktur aufweist, welche mit dem fließfähig gemachten Material der Struktur mit an­ schließendem Abkühlen gefüllt werden, mit

• a) zwei identisch aufgebauten Positionier- und Ausrichtein­ heiten (3) mit Formwerkzeugen (4) für die Mikrostruktu­ ren, die gemeinsam an einer ersten Formplatte (1) ange­ bracht und auf dieser so zueinander angeordnet sind, daß bei einer 180°-Drehung der Formplatte (1) um eine zen­ trale Achse jedes Formwerkzeug (4) in die frühere Posi­ tion des anderen gelangt, wobei
• b) die erste Formplatte (1) an einer zweiten Formplatte (2) sitzt und ist dieser gegenüber drehbar gelagert ist und die zweite Formplatte (2) in jeweils einer den Positio­ nen der Werkzeuge (4) in der ersten Formplatte (1) ge­ genüberliegenden Position je eine Düse (15, 22) für das Material der Kern- oder der Mantelschicht (18, 19) auf­ weist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
• c) das Formwerkzeug (4) sitzt formschlüssig und längsver­ schieblich zusammen mit der Positionier- und Ausricht­ einheit (3) in einer Ausnehmung (5) der Formplatte (1) und besteht aus einer Zwischenplatte (8), auf welcher ein Formteil (6) sitzt, in welches das Negativ der zu erzeugenden Mikrostrukturen (7) eingebracht ist, wobei diese der Formplatte (2) zugewendet sind,
• d) vor der Zwischenplatte (8) sitzt an diese anliegend das Formteil (6), wobei in die Positionier- und Ausrichtein­ heit (3) Feststell- und Ausrichtschrauben (9) in Rich­ tung der Zwischenplatte (8) eingeschraubt sind, die auf diese drücken,
• e) alle Teile (3, 6 und 8) sind von der der Formplatte (2) abgewendeten Seite in die Ausnehmung (5) einschiebbar und darin mittels an der Positionier- und Ausrichtein­ heit (3) angebrachten Schiebers (10) verschieblich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die wei­ teren Merkmale:

• f) zwischen dem Formteil (6) und seitlichen Absätzen (11) der Ausnehmung (5) sind Distanzstreifen (12) zur Ein­ richtung der genauen Lage des Formwerkzeuges (4) in Be­ zug auf die Oberkante (13) der Formplatte (1) angeord­ net.