DE19846710A1 - Verfahren zum Spritzgießen von Mikroformteilen aus thermoplast. Kunststoffen mit geringer Angußmasse - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung von Mikroformteilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit Massen im Bereich von einigen Milligramm wird die Spritzgießtechnik verwendet. Zur Vermeidung eines großen Anteils an Abfall ist es erforderlich, daß die mit dem Formteil erstarrte Angußmasse möglichst gering bleibt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt durch die Verwendung einer volumenreduzierten Einspritzeinheit und des erfindungsgemäß ausgeführten Anguß- und Maschinendüsensystems die Herstellung von Mikroformteilen mit einem kleinen Anguß.

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Mit dem Begriff Mikroformteile werden in den folgenden Ausführungen strukturierte Formteile aus Kunststoff mit einer Masse in der Größenordnung von einigen Milligramm bezeichnet, während nach dem Stand der Technik meist Kleinteile < 1 g mit strukturierten Bereichen, die Mikrometerabmessungen aufweisen, darunter verstanden werden. Solche Mikroformteile werden nach dem Stand der Technik im Spritzgießverfahren hergestellt. Es kommen dabei Sonderausführungen von konventionellen Spritzgießmaschinen zum Einsatz.

Eine wichtige Problemstellung für die wirtschaftliche Fertigung von Mikroformteilen stellt die Vermeidung von Verarbeitungsabfällen sowie die Verkürzung der Zeit für einen Fertigungszyklus dar. Einen entscheidenden Einfluß auf die Zeit für einen Fertigungszyklus hat die sogenannte Kühlzeit, die benötigt wird, bis das Formteil soweit erstarrt ist, daß es entformt werden kann. Diese wird durch ein überdimensioniertes Angußsystem deutlich verlängert. Darüber hinaus hat der entformte Anguß bei auf konventionellen Spritzgießmaschinen für Kleinteile hergestellten Mikroformteilen einen erheblichen Anteil am Gesamteinspritzvolumen. Aufgrund der zumeist hohen Qualitätsanforderungen in den Bereichen, in denen Mikroformteile eingesetzt werden, beispielsweise in der Medizintechnik, ist eine Wiederverwertung des einmal erstarrten Angußmaterials in vielen Fällen nicht möglich.

Der Stand der Technik zur Reduzierung des auftretenden Abfalls bei der Herstellung von Mikroformteilen beschränkt sich im wesentlichen auf zwei Ansätze. Der erste Ansatz besteht in der Verwendung eines herkömmlichen Spritzgießverfahrens, wobei die Funktionselemente einer herkömmlichen Spritzgießmaschine verkleinert sind. Es wird dadurch eine Verringerung des in der Maschine vorhandenen Materialvolumens erreicht. Im gleichen Maße kann auch der Anguß kleiner ausgeführt werden, was zu der gewünschten Abfallreduzierung führt. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Angußmasse zu Formteilmasse bis zu einem gewissen Grad abgesenkt werden, es beträgt aber immer noch etwa 100 : 1.

Der zweite Ansatz zielt auf die vollständige Vermeidung eines Angusses ab. Dies wird in /1/ beschrieben. Während bei diesem Konzept die Schmelzeplastifizierung und die Druckerzeugung durch einen Kolben prinzipiell einer konventionellen Maschine entsprechen, wird im Bereich der Schnittstelle zwischen Maschinendüse und Werkzeug ein anderer Weg beschritten. Die Maschinendüse wird so tief in das Werkzeug, und damit so nah an die Kavität, geführt, daß ihrer Spitze praktisch mit der Kavitätbegrenzung abschließt. Auf diese Weise entfällt theoretisch jeglicher Anguß. Durch eine bewegliche Verschlußnadel kann die Maschinendüsenöffnung verschlossen werden.

Nachteile des Standes der Technik

Der Nachteil des ersten Ansatzes liegt in dem immer noch sehr großen Angußabfall. Dies läßt sich auf folgende Punkte zurückführen:

• - In einigen Fällen ist der Verkleinerung der Funktionselemente einer herkömmlichen Spritzgießmaschine, als Beispiel sei hier die Plastifizierschnecke genannt, Grenzen gesetzt. Somit kann das Materialvolumen innerhalb der Maschine nicht beliebig verkleinert werden. Daher befindet sich in der Maschine immer noch ein verhältnismäßig großes Schmelzevolumen. Es wird daher ein großer Schmelzaustrag benötigt, um die Verweilzeit des Polymeren in der Maschine unterhalb der zulässigen Grenzen zu halten. Ein einzelnes Mikroformteil kann dieses große Schmelzevolumen nicht aufnehmen, so daß im Falle eines Einkavitätenwerkzeugs ein verhältnismäßig großer Anguß benötigt wird.
• - Um den hohen Schmelzeaustrag sinnvoll zu nutzen, werden häufig Mehrkavitätenwerkzeuge verwendet. Das bedeutet, daß die Schmelze im Werkzeug durch einen Angußverteiler zu den einzelnen Kavitäten geführt wird. Als Produktionsabfall bleibt anschließend der eingefrorene Angußverteiler übrig, welcher ebenfalls ein Vielfaches der Formteilmassen besitzt. Darüber hinaus ist es bei Verwendung von Mehrkavitätenwerkzeugen schwierig, konstante Formteilqualitäten zu erzielen, da sich zum einen schon die Kavitäten selbst durch die auftretenden Toleranzen im Fertigungsprozeß unterscheiden, zum anderen auch im Spritzgießprozeß Schwankungen von Formnest zu Formnest auftreten. Eine Qualitätsüberwachung ist nach dem Stand der Technik bisher nur für Einfachwerkzeuge zuverlässig realisiert.

Eine Möglichkeit, den Angußverteiler bei Mehrkavitätenwerkzeugen zu vermeiden, ist die Verwendung von Heißkanalsystemen. Dabei leiten beheizte Kanäle die Schmelze von der zentralen Plastifiziereinheit zu den einzelnen Kavitäten. Die nicht in die Kavitäten eingespritzte Schmelze verbleibt im schmelzeförmigen Zustand im Heißkanal und wird beim nächsten Einspritzvorgang verwendet. Die Kanäle besitzen im Vergleich zu den Mikroformteilen jedoch ein sehr viel größeres Volumen. Daher kann es vorkommen, daß bei sehr kleinen Formteilvolumina die Schmelze in den Heißkanälen über die zulässige Verweilzeit hinaus im heißen Zustand gehalten wird und somit thermisch abgebaut wird.

Als ein weiterer entscheidender Nachteil bei der Verwendung von herkömmlicher Spritzgießmaschinentechnik für das Mikrospritzgießen muß die Schnittstelle zwischen Maschinendüse und Anguß sowie der Anguß selbst betrachtet werden. Während der Abkühlphase des Formteils erstarrt auch der Anguß oder zumindest der letzte Teil des Angusses. Zur Einsparung von weiteren Bearbeitungsschritten wird gefordert, daß in der Entformungsphase das Formteil derart aus der Kavität entfernt werden soll, daß der Anguß automatisch vom Formteil abreißt. Hierfür ist ein Anschnitt, das heißt eine Angußverjüngung kurz vor dem Formteil, notwendig. Eine solche Verjüngung erfordert die Entformung des erstarrten Angusses in Richtung der Maschinendüse. Wird das Werkzeug zu diesem Zweck von der Maschinendüse abgehoben, so kann die in der Maschinendüse vorhandene Schmelze unkontrolliert aus der Düse austreten. Es ist daher notwendig, die Schmelze am Austreten aus der Düse zu hindern. Nach Stand der Technik kann dies durch zwei Techniken erfolgen:

• - Durch eine Nadelverschlußdüse /2/
• - Durch eine thermische Verschlußdüse /3/.

In der Praxis des Mikrospritzgießens zeigen beide Techniken Nachteile.

Die Nadelverschlußdüse ist in einer Baugröße, wie sie für das Steuern von extrem kleinen Materialvolumina gefordert wird, mit Problemen behaftet, welche zum Beispiel die Dichtigkeit und das Verdrängungsvolumen bei der Nadelbewegung betreffen. Die thermische Verschlußdüse ist ebenfalls eher für große Massen, bzw. einen großen Anguß geeignet. Sie funktioniert, indem die verbleibende Schmelze in der Düse abgekühlt wird, so daß sie die Düse abdichtet. Der abgekühlte Materialpfropf wird dann entweder zu Beginn des nächsten Fertigungszyklus aufgeschmolzen und in die Kavität gespritzt, was bei hohen Qualitätsansprüchen nicht tolerierbar ist, oder der Pfropf wird beim nächsten Einspritzvorgang in einer Auffangmulde im Anguß aufgefangen, so daß die frische Schmelze an ihm vorbei in die Kavität fließen kann. Diese Variante erfordert dementsprechend eine Vergrößerung des Angusses.

Der Nachteil des zweiten, angußlosen Ansatzes begründet sich prinzipiell durch die genannten Nachteile der Nadelverschlußdüse.

Aufgabe der Erfindung

Hauptaufgabe ist es, ein Verfahren für das Spritzgießen von Mikroformteilen zu entwickeln, welches es gestattet, das Formteil mit einer geringen Angußmasse herzustellen und in der Entformungsphase automatisch den Anguß vom Formteil zu trennen. Die wichtigste Teilaufgabe ist dabei, den Angußbereich so zu gestalten, daß während der Nachdruckphase ein möglichst geringer Teil der Schmelze außerhalb der Kavität miteingefroren wird. Eine weitere Teilaufgabe besteht darin, die Maschinendüse sowie die thermische Trennung von einfrierendem Anguß und heißer Schmelze derart zu gestalten, daß in der Entformungsphase alles eingefrorene Material aus dem Werkzeug und der Maschine entfernt werden kann. Zur Sicherung der Formteilqualität ist weiterhin die Schnittstelle zwischen Maschinendüse und Werkzeug so auszulegen, daß Leckageverluste aus der Maschinendüse beim Entformungsvorgang nicht in den Stoffstrom für den nächsten Einspritzvorgang gelangen.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, in Verbindung mit einer volumenreduzierten Einspritzeinheit und dem erfindungsgemäß ausgeführten Anguß- und Maschinendüsensystem, gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung hat im Vergleich zur herkömmlichen Spritzgießtechnik, wie sie im ersten Verfahren beschrieben wurde, folgende Vorteile:

• - Reduzierung des Angußvolumens auf etwa 1 : 2 des Einspritzvolumens.
• - Kurze Verweilzeit des polymeren Materials in der Schmelze durch äußerst kleine Material-Volumina in der Maschine.
• - Automatische Trennung von Anguß und Formteil.
• - Keine Qualitätsbeeinträchtigung der Formteile durch Vermeidung von Leckagematerial im Materialfluß.

Die Erfindung hat im Vergleich zum angußlosen, zweiten Verfahren /1/ folgende Vorteile:

• - Keine Rückströmung von unterkühlter Schmelze, wie sie durch eine bewegliche Verschlußnadel hervorgerufen wird.
• - Erstarrte Schmelze im Düsenbereich wird vollständig entfernt.
• - Leckagematerial vor der Düse gelangt nicht in den Stoffstrom für den nächsten Einspritzvorgang.

Literatur

/1/ Spritzgießmaschine mit integriertem Heißkanalsystem
Patentschrift WO 97/07960
Europäisches Patentamt, 1997
/2/ Nadelverschlußdüse für Kunststoff-Spritzmassen
Patentschrift EP 0578213 A1
Europäisches Patentamt, 1994
/3/ Düse mit beweglicher Heizpatrone
Patentschrift EP 0452611 A2
Europäisches Patentamt, 1991

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Es zeigen:

Fig. 1 Die schematische Darstellung eines Beispiels für die erfindungsgemäße Auslegung der Maschinendüse sowie des Werkzeuges mit Formteilkavität und Angußkanal.

Fig. 2-5 Den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf.

In Fig. 1 sind die Maschinendüse (3) und das Werkzeug, bestehend aus den beiden Werkzeugplatten (4) und (5), vergrößert dargestellt. Die Maschinendüse ist erfindungsgemäß mit einer divergenten Auslaßöffnung versehen. In diesem Fall wurde aus Gründen des niedrigen Fertigungsaufwandes eine kegelförmige Düsenform gewählt. Die Düse ist in einer separat temperierbaren Einheit integriert, welche zur thermischen Trennung von den übrigen Maschinenkomponenten mit einer Isolierschicht (8) umgeben ist. Die Angußplatte des Werkzeuges (5) ist für ein geringes Angußvolumen schmal ausgeführt. In der Angußplatte ist der Angußkanal (9) geführt, welcher sich vor der Formteilkavität (6) zum Anschnitt verjüngt. Ist die Angußplatte an die Maschinendüse angelegt, so ergibt sich ein Absatz zwischen der tiefsten Stelle der divergenten Düse und der Einlaßöffnung zum Angußkanal (9). Der Absatz wird in diesem Fall, bei fluchtender Anordnung von Düsen- und Angußkanalachse, durch die halbe Differenz der Durchmesser von Düsenauslaß und Angußkanaleinlaß gebildet. Es ist jedoch auch ein geometrisch oder durch Versatz erzeugter Absatz denkbar. Die schließseitige Werkzeugplatte (4) ist zum schnellen Aufheizen und Abkühlen kompakt gestaltet. Sie überträgt außerdem die Schließkräfte auf die Angußplatte sowie auf die Maschinendüse beim Einspritzvorgang.

In Fig. 2 liegt der Raum (2) vor dem Einspritzkolben mit Kunststoffschmelze aus der Plastifizierungskammer (1) gefüllt vor. Der Einspritzraum (2), die Düse (3) sowie beide Werkzeugplatten (4) und (5) sind auf Schmelzetemperatur beheizt.

Fig. 3 zeigt den Zustand nach der Einspritzphase. Unter Nachdruck zum Ausgleich der Materialschwindung erfolgt eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus den beiden Werkzeugplatten (4) und (5), so daß der Kunststoff in der Kavität (6) erstarrt.

In Fig. 4 wird im Anschluß an die Nachdruckphase die Düse (3) sehr schnell abgekühlt. Dadurch erstarrt die Schmelze (7) in der Düse schlagartig und zieht sich durch Schwindung etwas zusammen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Einspritzraum (2) wieder mit frischer Schmelze gefüllt werden, wobei die erstarrte Schmelze (7) die Düsenöffnung verschließt. Anschließend beginnt die Entformungsphase. Während des Abhebevorganges des Werkzeugs von der Düse wird der erstarrte Angußkörper aus der Düse herausgezogen und reißt dabei im Übergang zur Schmelze ab. Es verbleibt in der Düsenöffnung nur noch reine Schmelze. Der Angußkörper (7) ist noch durch den Anschnitt in der Werkzeugplatte (5) mit dem Formteil in der Kavität (6) verbunden. Mittels einer geeigneten Vorrichtung, z. B. Greifer oder Wischer, wird der Angußkörper inklusive der erstarrten Schmelze im Angußkanal des Werkezugs anschließend-vom Formteil getrennt und aus der Werkzeugplatte (5) entfernt.

Fig. 5 zeigt den Entformungsvorgang des eigentlichen Formteils. Zu diesem Zweck werden die Werkzeugplatten auseinander gefahren. Vorteilhafterweise liegt die Werkzeugplatte (5) während des Entformungsvorganges wieder an der Düse (3) an, um die Zeit zur Aufheizung des Werkzeuges zu nutzen, sowie eventuelle Leckageschmelze an der unteren Kante der divergenten Düsenöffnung aufzuhalten. Die Entformung des Formteils erfolgt durch eine geeignete Vorrichtung, beispielsweise durch Auswerferstifte oder eine Vakuum-Absaugung. Nach der Entformungsphase wird die Werkzeugplatte (4) wieder an die Werkzeugplatte (5) herangefahren und aufgeheizt. Damit befinden sich das Werkzeug und die Maschine im Ausgangszustand für einen neuen Fertigungszyklus.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung von Mikroformteilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit einer geringen Angußmasse, dadurch gekennzeichnet, daß

   • a. die Formteilkavität und der Angußkanal eines Werkzeuges sowie eine divergent ausgebildete Öffnung einer Maschinendüse im ersten Verfahrensschritt durch einen Einspritzvorgang aus einer ständig auf Schmelzetemperatur gehaltenen Einspritzkammer mit Schmelze gefüllt werden, wobei die genannten Komponenten eine Temperatur im Bereich der Schmelzetemperatur besitzen und im Anschluß an diesen Einspritzvorgang dem Werkzeug durch eine geeignete Vorrichtung Wärme entzogen wird, so daß die Schmelze in der Kavität erstarrt, wobei die Schmelze zur Kompensation von Materialschwindung unter einem Nachdruck steht und daß
   • b. in einem weiteren Verfahrensschritt der divergenten Düsenöffnung durch eine geeignete Vorrichtung Wärme entzogen wird, so daß die Schmelze in der Düsenöffnung erstarrt, wobei die so erstarrte Schmelze im folgenden als Angußkörper bezeichnet wird, und daß
   • c. zum Entfernen dieses erstarrten Angußkörpers das Werkzeug von der Maschine abgehoben wird, wobei während der Abhebebewegung der eingefrorene Angußkörper aufgrund der bestehenden Verbindung zum Formteil aus der Maschinendüse gezogen wird und der Angußkörper dabei im Übergangsbereich zur heißen Einspritzkammer von der Schmelze abreißt und daß
   • d. der Angußkörper, inklusive des erstarrten Kunststoffs im Angußkanal des Werkzeugs, in einem weiteren Verfahrensschritt durch eine geeignete Vorrichtung mechanisch aus der Angußplatte des Werkzeugs entfernt wird, wobei der Anguß im Bereich einer Angußverjüngung von dem Formteil abreißt und daß
   • e. zur Entformung des eigentlichen Formteils die beiden Werkzeugplatten auseinanderfahren, wobei die der Maschine zugewandte Angußplatte des Werkzeugs mit dem Angußkanal wieder an die Maschinendüse angelegt wird, so daß gegebenenfalls aus der Einspritzkammer auslaufende Schmelze, welche sich an der tiefsten Stelle der divergenten Düse sammelt, unterhalb der Einlaßöffnung zum Angußkanal des Werkzeugs aufgehalten wird und auf diese Weise weder aus dem Düsenbereich austreten noch beim nächsten Einspritzvorgang mit der frischen Schmelze in den Angußkanal des Werkzeugs gelangen kann und daß
   • f. in einem anschließenden Verfahrensschritt das Formteil durch eine geeignete Vorrichtung aus der schließseitigen Werkzeug platte entformt wird und zum Abschluß des Fertigungszyklus die schließseitige Werkzeugplatte an die Angußplatte des Werkzeugs gefahren und aufgeheizt wird.