Verfahrensvarianten zur Herstellung optischer Teile. Beim Spritzgießen optischer Teile beeinflusst der Formgebungsprozess nicht

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1 SPRITZGIESSEN Der gläserne Innendruck Qualitätsmaßstab für optische Teile. Beim Spritzgießen optischer Formteile ist die direkte Messung des Werkzeuginnendrucks nur eingeschränkt möglich, denn Markierungen auf den Die Sensoren werden in den Prägestempel eingebracht und messen dort die durch den Werkzeuginnendruck verursachte Stauchung des Stahls (Foto und Grafiken: Kistler) Oberflächen sind tabu. Um die aussagekräftige Prozessgröße dennoch für die Qualitätsüberwachung nutzen zu können, bietet sich die berührungslose Messung des Innendrucks mit speziellen Messdübeln an. Dabei wurde durch die Einbeziehung des Fließwegs in das pvt-diagramm ein neuer Ansatz zur Prozessüberwachung entwickelt. KU ERWIN BÜRKLE BERND KLOTZ OLIVER SCHNERR D ie Qualität hochwertiger optischer Bauteile duldet keine Kompromisse im Gegenteil: Optische Anwendungen verlangen ausschließlich das absolut höchste Qualitätsniveau. So wirken sich bei Linsen neben der Geometrie und der Oberflächenbeschaffenheit auch innere Eigenschaften wie Eigenspannungen oder Molekülorientierungen stark auf die Abbildungsgenauigkeit aus. Folglich genügt es im Einzelfall nicht, zur Bewertung der optischen Eigenschaften an der Maschine lediglich die Geometrie des Formteils zu kontrollieren oder die Oberfläche einer Sichtprüfung zu unterziehen. Vielmehr ist eine optische Prüfung erforderlich, um beispielsweise die von der Linse verursachte Verformung der Wellenfront bei der Prüfung mit einem Shack-Hartmann-Sensor (SHS) zu messen. Auf mathematischem Wege können daraus weitere wichtige Qualitätsfunktionen abgeleitet werden [1]. Für einen kontinuierlichen Produktionsprozess wie das Spritzgießen kommt die beschriebene optische Prüfung kaum infrage. Abgesehen davon, dass die erforderlichen empfindlichen Messeinrichtungen extern untergebracht sein müssen, handelt es sich um ein sehr zeitaufwendiges Verfahren. Entsprechend kann die Wartezeit bis zum Vorliegen der Messergebnisse unverhältnismäßig lang sein, was insbesondere in der Anlaufphase den gesamten Ablauf verzögert. Im Grunde müsste die Maschine in dieser Zeit angehalten werden, weil Ausschuss wegen der meist sehr langen Zykluszeiten und hohen Maschinenkosten nicht zu vertreten ist. Verfahrensvarianten zur Herstellung optischer Teile Beim Spritzgießen optischer Teile beeinflusst der Formgebungsprozess nicht nur die Geometrie, sondern ganz entscheidend auch die inneren Eigenschaften der Teile. Vergleichende Untersuchungen zur Beurteilung der Formteilqualität ergaben beispielsweise, dass die geometrische Formgenauigkeit beim Wechsel von Spritzgießen auf Spritzprägen lediglich geringfügig zunimmt. Hingegen verbessern sich die optischen Kennwerte signifikant um einen Faktor von ca. 7, weshalb eine Prüfung der Teilegeometrie zur Bewertung der optischen Eigenschaften allein nicht ausreicht [1]. Deshalb hat sich das Spritzprägen als das geeignetere Verfahren zur Herstellung optischer Teile erwiesen [2]. Beim Prägen schließt sich die Nachdruckphase direkt an die Kompressionsphase an. Dabei wird der Druck flächig aufgebracht, was einer homogenen Druckverteilung gleichkommt. Exemplarisch für die verschiedenen Varianten des Spritzprägens werden hier das Schließprägen und das Expansionsprägen betrachtet. 26 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 5/2007

2 SPRITZGIESSEN Schließprägen: Im Gegensatz zum Standard-Spritzgießen ermöglicht das Schließprägen Fließweg/Wanddicken- Verhältnisse von bis zu 500: 1. Wichtig ist, dass keine Umschaltmarkierungen an der Formteiloberfläche entstehen. Deshalb müssen die einzelnen Verfahrens- und Bewegungsabläufe während eines Zyklus fließend ineinander übergehen. Während der Füllphase ist das Werkzeug minimal geöffnet, der Spalt entspricht dem Prägeweg. Die Kunststoffschmelze wird in das Werkzeug eingespritzt und der Prägeprozess schneckenwegabhängig gestartet. Da das Werkzeug offen steht, werden innere Spannungen während des Einspritzens reduziert oder völlig beseitigt. Die Prägephase wird über einen einstellbaren Schneckenweg eingeleitet. Bei nicht vollständig gefüllter Kavität wird die Kunststoffmasse Richtung Idealisierte Prozessführung Praktische Prozessführung Bild 1. Idealer Prozessverlauf im pvt- Diagramm für das Standard-Spritzgießen Fließwegende verdrängt und durch weitere Prägestufen komprimiert; auf diese Weise wird die Schwindung ausgeglichen. Ist die Kavität bereits am Ende der Füllphase gefüllt, komprimieren die Prägestufen direkt. Bei entsprechender Maschineneinstellung kann in dieser Phase auch Material gegen die Nachdruckwirkung der Schnecke zurück in die Plastifiziereinheit gedrückt werden. Mit einer derartigen Vorgehensweise lassen sich bindenahtkritische Formteile (Linsen mit einem großen Wanddickenverhältnis S A / S I 3, z. B. bikonkave Linsen oder Zerstreuungslinsen mit einem negativen Meniskus) ohne Bindenaht herstellen bzw. die Markierungen der Bindenaht gezielt in Randbereiche verlegen. Expansionsprägen: Das Expansionsprägen mithilfe der Schließeinheit eignet sich vorzugsweise für Formteile mit konstantem Wanddickenverlauf über dem Querschnitt. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass nach dem Füllen des Werkzeugs keine Spannungen in das Formteil eingebracht werden, denn der Nachdruck wird nicht wie beim Spritzgießen durch die Schnecke, sondern durch das Werkzeug aufgebracht. So entsteht in der Kavität ein gleichmäßiger Innendruck, und der Kunststoff kann nahezu spannungsfrei erkalten und ein homogenes Gefüge ausbilden. Die Füllphase bei geschlossenem Werkzeug entspricht der beim Standard- Spritzgießen. In der Expansionsphase wird das Werkzeug bei eventuell fallendem Schließkraftprofil mit der Schnecke auf einen definierten, exakt reproduzierbaren Wegepunkt aufgedrückt. Die Genauigkeit, mit der der Wegepunkt angefahren wird, ist Voraussetzung für eine reproduzierbare Wanddicke. Die Expansionsphase dient dazu, den Prägekern des Werkzeugs in die Prägeposition zu bringen. Mit Erreichen des Wegepunktes (gemessen direkt am Werkzeug) wird die Kompressionsphase eingeleitet und der Füllvorgang gestoppt. Die Kompressionsund Nachdruckphase umfasst ein vielstufiges Schließkraft/Prägekraftprofil. Sowohl das Expansionsprägen als auch das Schließprägen lassen sich variieren, indem nicht die Schließeinheit der Maschine, sondern ein Werkzeugkern prägt. Das ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn ein Formteil lediglich partiell geprägt werden soll. Abhängig vom Konzept der Schließeinheit der Spritzgießmaschine kann allerdings ausschließlich das Prägen mit Werkzeugkern möglich sein. Die größte Flexibilität bieten vollhydraulische Holmschließeinheiten. Prozessführung mit dreidimensionalem Problemkreis Bild 2. Realer Prozessverlauf im pvt-diagramm für das Standard-Spritzgießen. Die einzelnen Phasen werden im Text erläutert Bei der Herstellung optischer Teile ist ein dreidimensionaler Problemkreis zu bewältigen: Geometrie, Oberfläche und optische Eigenschaften sind in Einklang mit der geforderten Produktqualität zu bringen. Dazu bedarf es einer kontrollierten Prozessführung, die wiederum voraussetzt, dass die Zustände und Vorgänge im Werkzeug bekannt sind. Rückschlüsse darauf ermöglicht die Kenntnis des Werkzeuginnendrucks. Weil der Werkzeuginnendruck die Füllphase, die Kompressionsphase und die Nachdruckphase beim Spritzgießen exakt beschreibt, sind diese Informationen so- V Kunststoffe 5/

3 SPRITZGIESSEN wohl bei der Prozessoptimierung als auch für die Prozess- und Qualitätsüberwachung hilfreich. Beim idealisierten, nachdruckfreien Spritzgießen wird das Werkzeug theoretisch isotherm gefüllt, die Schmelze komprimiert und anschließend isochor abgekühlt, das heißt, das spezifische Volumen bleibt in dieser Phase konstant (Bild 1). Für solch einen Füllvorgang wäre allerdings ein extrem hoher Druck erforderlich, was wegen der damit verbundenen Belastungen für Werkzeug und Maschine nur eingeschränkt praktikabel ist. Anhand des klassischen pvt-diagramms lässt sich der tatsächliche Verfahrensablauf (mit Nachdruck) darstellen (Bild 2): (1) Während der Einspritzphase (1-2) steigt der Druck bei nahezu konstanter Temperatur an (isotherm). (2) Ende der Füllphase bei volumetrischer Füllung der Kavität es beginnt die Kompressionsphase. Die Schmelze wird verdichtet, um die Ausformung der Formteilkonturen sicherzustellen. (3) Erreichen des maximalen Werkzeuginnendrucks es beginnt die Nachdruckphase. Sie gleicht die hohe thermische Kontraktion des Kunststoffs, also die Verkleinerung seines Volumens infolge der Abkühlung, durch nachgeschobenes Material aus. (4) Erstarren der Schmelze im Anschnittbereich (Siegelpunkt) die fortschreitende thermische Kontraktion lässt den Druck im Formnest bis auf den Umgebungsdruck absinken (5). Die Phase (4-5) ist isochor. (5) Erreichen des Umgebungsdrucks die Verarbeitungsschwindung setzt ein. (6) Formteil erreicht Umgebungstemperatur die Änderung des spezifischen Volumens in Phase (5-6) ist die Verarbeitungsschwindung. Festzuhalten ist, dass sich beim Spritzgießen die Druckspitzen punktuell von der Schnecke durch den Anschnitt auf das Formteil übertragen. Bedingt durch Abkühleffekte, frieren entlang des Fließwegs die Randschichten ein. Damit verbunden ist ein Druckgefälle, das in der Kompressions- und Nachdruckphase Spannungen im Formteil induziert. Entscheidend ist bei dieser Betrachtung, dass das pvt-diagramm als zweidimensionale Darstellung eigentlich nur eine punktuelle Aussage gestattet. Das heißt, die Druckzustände im Formteil entlang des Fließwegs werden nicht abgebildet. Bei optischen Teilen ist jedoch Bild 3. Realer Prozessverlauf im pvt-diagramm für das Standard-Spritzgießen, erweitert um den Fließweg Bild 4. Idealer Prozessverlauf im pvt-diagramm für das Expansionsprägen, erweitert um den Fließweg besonders die Konstanz der inneren Eigenschaften über den Fließweg qualitätsrelevant es dürfen keine inneren Spannungen induziert sein. i Hersteller Kistler Instrumente AG Eulachstrasse 22 CH-8408 Winterthur Schweiz Tel. +41 (0) 52/ Fax +41 (0) 52/ Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH Krauss-Maffei-Straße 2 D München Tel. +49 (0) 89/ Fax +49 (0) 89/ Dreidimensionales pvt-diagramm Dreidimensionales pvt-diagramm Um die tatsächlichen Verhältnisse zu ermitteln, muss das pvt-diagramm um den Fließweg als dritte Dimension erweitert werden (Bild 3). Erst dadurch wird deutlich, dass beim Standard- Spritzgießen im Formteil ein inhomogener Druckzustand vorliegt, der zu inneren Spannungen führt. Die Kompensation der Schwindung durch den punktuell über den Anschnitt wirkenden Schneckennachdruck bewirkt, dass an jedem Punkt entlang des Fließwegs ein anderer pvt-zustand gilt. Der Prozessverlauf ist in diesem dreidimensionalen Diagramm als Fläche dargestellt, für den Standardprozess mit abnehmendem Druck und sinkender Temperatur über den Fließweg. Dargestellt am Beispiel des Expansionsprägens (Bild 4), verläuft der ideale Prozess mit einer isothermen Füllphase (1-2) und geht dann in die Expansionsphase (2) über. Während dieser wird der 28 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 5/2007

4 SPRITZGIESSEN Werkzeuginnendruck-Verlaufskurven beim Expansionsprägen Bild 5. Die während der Optimierungsphase aufgezeichneten Messergebnisse zeigen einen optimierten Verlauf des Werkzeuginnendrucks (oben) sowie dessen Einbruch während der Expansionsphase (Mitte) und während der Prägephase (unten) Maximaldruck erreicht (3) und der Prozess isobar geführt. In (4) setzt die Prägephase ein, die ebenfalls isobar ist. Ab (5) ist der Prozess wieder isochor bis zum Erreichen des Umgebungsdrucks (6) bzw. bis zur Abkühlung auf Umgebungstemperatur (7). Während der isobaren Prozessführung ist der Prozessverlauf eine ebene Fläche mit konstantem Druck über den gesamten Fließweg. Ausgehend von einer kompletten Füllung der Kavität verläuft der Prozess während der Füllphase analog dem Standard-Spritzgießen (1-2). Ein konstanter Druck über den gesamten Fließweg kann auch mit dem Prägen in der Einspritzphase nicht erreicht werden, da der Fließwiderstand über den Fließweg zunimmt. Während der Standardprozess danach in die Kompressionsphase mit höherem Druck übergeht, wird der Druck während des Prägens konstant gehalten (im pvt- Diagramm 3-5). Der Druckabfall über den Fließweg wird beim Spritzprägen durch die flächige Druckbeaufschlagung ausgeglichen. Das Ziel des Prägens, eine isobare Prozessführung während der Prägephase zu erreichen, ist somit erfüllt. Ähnlich dem idealen Prozessverlauf des Standard-Spritzgießens, ist auch dieser idealisierte Verlauf nicht vollständig umsetzbar. Das hängt u. a. mit dem Einfrieren der Randschichten des Formteils zusammen. Daher wird üblicherweise der im Diagramm gekennzeichnete reale Verlauf nicht erreicht. Richtlinien zur Prozessoptimierung Aus dem pvt-diagramm für das Prägen optischer Teile ergeben sich die grundlegenden Vorgehensweisen zur Prozessführung, hier am Beispiel des Expansionsprägens erläutert. Nach der volumetrischen Füllung der Kavität gilt es, für die Expansionsphase sowohl den Spritzdruck als auch die Kraft des Prägestempels so zu optimieren, dass ein konstanter Werkzeuginnendruck erreicht wird. Nach dem Umschalten auf Prägen müssen Kraft und Spritzdruck wiederum auf den konstanten Werkzeuginnendruck eingestellt werden. Wird kein konstanter Wert erreicht, sind Einbußen in der optischen Qualität zu erwarten. Die Messung des Werk- V Kunststoffe 5/2007

5 SPRITZGIESSEN zeuginnendrucks bei der Herstellung optischer Teile ist also eine Voraussetzung zur optimalen Prozessführung. Daneben ermöglicht es die Messung dieser Prozessgröße, die Optimierung dieses komplexen Prozesses erheblich zu vereinfachen. Während der Optimierungsphase wurden unterschiedliche Werkzeuginnendruckverläufe aufgezeichnet (Bild 5): Die obere Abbildung zeigt den optimierten Verlauf. In der mittleren Grafik bricht der Werkzeuginnendruck während der Expansionsphase ein. Die Kraft, die auf den Stempel wirkt, ist in dieser Phase zu gering es kommt zu einer Materialverschiebung. Die Kraft muss erhöht werden, um einen konstanten Anstieg des Werkzeuginnendrucks zu erreichen. Die Teilgrafik unten veranschaulicht, wie der Werkzeuginnendruck während der Prägephase einbricht, weil die Schwindung nicht ausgeglichen wird. Eine höhere Prägekraft gestaltet den Prozess günstiger. Neben zu geringen Drücken und Kräften zeigt der Verlauf des Werkzeuginnendrucks auch zu hohe Kräfte oder falsche Übergänge zwischen den Phasen Einspritzen, Expansion und Prägen an und liefert konkrete Hinweise über zweckmäßige Optimierungsmaßnahmen. Berührungslose Messung des Werkzeuginnendrucks Aus naheliegenden Gründen dürfen Formteile für optische Anwendungen keine Markierungen im Sicht- bzw. Funktionsbereich haben. Damit scheiden übliche Sensoren aus, weil sie den Druck in der Kavität an der Teileoberfläche messen, wobei Abdrücke entstehen können. Ein möglicher Ausweg ist, die Formteile größer zu dimensionieren, um den Messpunkt in den Randbereich (außerhalb der optischen Nutzzone) zu verlegen und den Überstand später mechanisch zu entfernen. Doch dieser Ansatz scheidet aus, weil er die Kosten in die Höhe treibt und die Produktivität (Beschädigungen) verschlechtert. Für die berührungslose Messung des Werkzeuginnendrucks entwickelte die Kistler Instrumente AG, Winterthur/ Maschinenparameter beim Expansionsprägen Schweiz, spezielle Messdübelsensoren und setzte diese Messtechnik zusammen mit der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, München, in einem Spritzprägewerkzeug für Linsen um. Die neuen Sensoren sind hinter der Wandung der Kavität in die Werkzeugstruktur oder in den Prägestempel eingebracht und messen dort die durch den Werkzeuginnendruck verursachte Stauchung des Stahls. Mit dieser Messanordnung gelang es, in einem Zweifach-Versuchswerkzeug die Prozessführung über zwei Messdübel schnell und einfach zu optimieren. Während der Produktion wurde die Qualität der Linsen auf der Basis des Werkzeuginnendrucks überwacht. Bild 6 zeigt den Werkzeuginnendruckverlauf (beige), den Schneckenvorraumdruck (schwarz) und die Prägestempelposition (rot) für das Expansionsprägen. In der Einspritzphase steigt der Werkzeuginnendruck bis zur volumetrischen Füllung. Anschließend wird durch den Nachdruck und die Expansionskraft der maximale Werkzeuginnendruck aufgebaut. Gemäß dem Verlauf im pvt-diagramm bleibt dieser konstant. Es beginnt die Prägephase, der schließlich die Entformung folgt. Qualitätsmängel werden frühzeitig erkannt Bild 6. Die Grafik zeigt den Verlauf des Werkzeuginnendrucks, des Drucks im Schneckenvorraum und den Werkzeugweg beim Expansionsprägen Als geeignetes Verfahren zur Herstellung optischer Teile hat sich das Spritzprägen erwiesen. Dabei wirken sich zahlreiche Parameter signifikant auf die Qualität aus, deren Verlauf nur über die Kenntnis des Werkzeuginnendrucks verfolgt und kontrolliert werden kann. Der Werkzeuginnendruckverlauf ist beim Spritzprägen eine Funktion des Verlaufs der Prägeoder Schließkraft über die Zeit. Eine kontinuierliche Prozessüberwachung durch Messung des Werkzeuginnendrucks liefert frühzeitig Erkenntnisse über die Formteilqualität, ohne aufwendige Bestimmung der optischen Eigenschaften. Ein Betrieb produziert also nicht erst unnötig lange Ausschuss, ehe die Qualitätsmängel erkannt werden. Die beschriebenen Ergebnisse wurden in verschiedenen Versuchsreihen bestätigt. Damit ist nachgewiesen, dass ein 30 Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 5/2007

6 SPRITZGIESSEN pvt-diagramm über dem Fließweg, ein sogenanntes dreidimensionales pvt-diagramm, als Referenzkurve für die Qualitätsüberwachung bei der Herstellung optischer Kunststoffteile geeignet ist. Die Referenzkurve bietet zudem den Vorteil, dass der optimale Betriebszustand beim Wiederanfahren eines Werkzeugs sehr viel schneller erreicht werden kann. Entscheidend sind somit die Werkzeugabmusterung sowie die anschließende Optimierungsphase des Werkzeugs. Um den idealen Ur-Prozess zu ermitteln, bedarf es wiederum der klassischen Werkzeuginnendruckmessung. Erst wenn ein vernünftiger Prozessverlauf erreicht ist, werden die Formteile der eingangs angesprochenen optischen Qualitätsprüfung unterzogen. Mit Erreichen der erforderlichen Qualität liegt zugleich die Referenzkurve vor, die schließlich die Produktionsüberwachung und damit die Qualitätsüberwachung ermöglicht. Ausblick Weil diese Referenzkurve mit den optischen Eigenschaften korreliert, ist es denkbar, den Werkzeuginnendruck künftig als Regelgröße für den Prägeprozess zu nutzen. Dazu muss bei laufender Produktion der aktuelle Werkzeuginnendruck (Ist-Zustand) entlang der Referenzkurve (Soll-Werkzeuginnendruckverlauf) nachgeführt werden. Mit einer geeigneten Regelstrategie wird es in Zukunft außerdem möglich sein, dass sich eine Maschine zur Produktionsaufnahme vollautomatisch selbst justiert. Damit könnte auch die manuelle Optimierung entfallen, denn es müsste lediglich der maximal zulässige Werkzeuginnendruck vorgegeben werden. LITERATUR 1 Bürkle, E.: Forschung fördert Durchblick. Kunststoffe 96 (2006) 6, S Bürkle, E.; Klotz, B.; Lichtinger, P.: Durchblick im Spritzguss. Kunststoffe 91 (2001) 11, S Informationen der Kistler Instrumente AG DIE AUTOREN DR.-ING. ERWIN BÜRKLE, geb. 1942, ist Leiter Vorentwicklung, neue Technologien und Prozesstechnik Spritzgießen der Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, München. DIPL.-ING. (FH) BERND KLOTZ, geb. 1956, ist in der anwendungstechnischen Entwicklung bei Krauss-Maffei tätig. DR.-ING. OLIVER SCHNERR, geb. 1967, ist Leiter des Produktmanagements der Business Unit Plastics der Kistler Instrumente AG, Winterthur/Schweiz. SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL Transparent Pressure A QUALITY CRITERION FOR OPTICAL PARTS. In injection moulding of optical parts, there are limitations to the direct measurement of cavity pressure, since marks on the surfaces are taboo. But to allow this important process parameter to be used for quality monitoring, the cavity pressure is measured by a contactless method with special measuring dowels. The flow path is incorporated into the pvt diagram to develop the new process monitoring technique. NOTE: You can read the complete article by entering the document number PE on our website at Kunststoffe 5/2007