DE60213363T2

DE60213363T2 - Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs für optische Kunststoffelemente

Info

Publication number: DE60213363T2
Application number: DE60213363T
Authority: DE
Inventors: P. CLINTON Neptune KILROY; T. Julius PUCHAMMER; Robert Saccomanno J.
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: ATE333964T1; NZ527285A; KR100830618B1; WO2002068147A8; CA2435215A1; EP1351797A1; US20020116808A1; WO2002068147A1; AU2002239904B2; JP2004537435A; KR20030071835A; JP4088157B2; DE60213363D1; AU2002239904B8; IL157022A0; EP1351797B1; US6735844B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet des Spritzgießens und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines zum Formen von optischen Kunststoffkomponenten geeigneten Werkzeugs.
Stand der Technik
Dicke nichtabbildende optische Bauelemente, wie zum Beispiel nichtabbildende optische Kollimations- und Konzentrationsbauelemente, sind teuer, weil sie in der Regel durch die maschinelle Bearbeitung von Glas hergestellt werden. Diese dicken nichtabbildenden optischen Bauelemente sind in der Regel durch ein großes Seitenverhältnis und mehrere äußerst enge Toleranzen, einschließlich Oberflächengüte, Flachheit, Konzentrizität und Rechtwinkligkeit, gekennzeichnet. Die Kosten dieser optischen Elemente können durch Ersetzen der maschinell bearbeiteten Glaskomponenten durch geformte Kunststoffkomponenten stark reduziert werden.
In der Technik ist bekannt, dass solche optischen Kunststoffelemente zum Beispiel durch Spritzgießen geformt werden können, wenn sich die Teilegeometrie für Formen eignet. Des Weiteren ist bekannt, dass die Herstellung der Werkzeuge für optische Kunststoffteile mit großem Seitenverhältnis äußerst schwierig ist.
Es besteht Bedarf nach einem Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen, die sich zur Herstellung von optischen Kunststoffkomponenten durch Spritzgießen eignen.
Die US-A-2243521 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, das das Bilden eines Modells der herzustellenden Komponente, das Formen eines Metallmantels auf dem Modell, das Schneiden des Mantels entlang einer Abgrenzungslinie und das Kombinieren der sich ergebenden zwei Metallmantelteile zur Bildung des Werkzeugs umfasst.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Werkzeugen, die sich zur Herstellung von optischen Komponenten unter Verwendung von spritzgegossenem Kunststoff eignen, wie im unabhängigen Anspruch 1 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert. Die Spritzgießmaterialien, die sich zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignen, umfassen Cycloolefinpolymer, klares Acrylharz und Polystyrol, sind aber nicht darauf beschränkt.
Zur Herstellung des Spritzgießwerkzeugs für ein optisches Kunststoffelement gemäß der vorliegenden Erfindung werden zunächst Metall-Positiv-Master des optischen Kunststoffelements auf die genauen Abmessungen der gewünschten optischen Kunststoffelemente sorgfältig maschinell bearbeitet, aber mit Anpassung an die Abmessungen zum Ausgleich der bestimmten Schrumpfrate – beim Aushärten – des Kunststoffes, wenn es zum fertigen Werkzeug spritzgegossen wird. Zur Herstellung des Spritzgießwerkzeugs für das optische Kunststoffteil werden insbesondere zwei solche maschinell bearbeiteten Positiv-Master eingesetzt. Jeder dieser Positiv-Master wird dann zum Beispiel durch Elektroformen mit einem Mantel überzogen, wobei diese Mäntel dann genau den Abmessungen der Positiv-Master entsprechen. Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mehr als zwei maschinell bearbeitete Positiv-Master und ihre entsprechenden Mäntel eingesetzt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden dann in jeder Außenseite des Mantels mit seinem umhüllten Positiv- Master zwei Linien geritzt, die erste Abgrenzungslinie, die bei einer Ausführungsform den Mantel in zwei Teile teilt. Je nach Form des zu formenden optischen Kunststoffelements teilt die axiale Linie den Mantel möglicherweise nicht in zwei gleiche Teile. Die zweite geritzte Linie ist von der ersten etwas versetzt und befindet sich bei einem ersten der Mäntel unter der Abgrenzungslinie und bei dem anderen dieser Mäntel über der Abgrenzungslinie. Die Mäntel werden dann entlang diesen zweiten geritzten Linien geschnitten, und der Teil des Positiv-Masters, der von der Abgrenzungslinie weg und zwischen der zweiten Schnittlinie liegt, wird dann zusammen mit dem daran angeformten äußeren Mantel entsorgt.
Es verbleiben zwei Mantelabschnitte, die etwas größer sind als die Abmessungen des gewünschten optischen Kunststoffteils, wobei sich ein Teil des Metallmodells noch in diesen Mantelabschnitten befindet. Demgemäß wird beim nächsten Schritt der verbleibende Teil des Positiv-Masters im Mantel zusammen mit dem Teil des Mantels zwischen der Abgrenzungslinie und der zweiten Schnittlinie dann von jedem Mantelabschnitt entfernt. Während gemäß der vorliegenden Erfindung der Schnittvorgang entlang den geritzten Schnittlinien die Abmessungen des äußeren Mantels neben diesen Schnittlinien deformieren kann, weil das Schneiden des Mantels von dieser Abgrenzungslinie weg erfolgt, beeinträchtigt der Schnittvorgang nicht die erwünschten Abmessungen des fertiggestellten Werkzeugs, wenn die beiden Werkzeughälftenmantelabschnitte dann unter Bildung des fertiggestellten Spritzgießwerkzeugs miteinander verbunden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Flussdiagramm, das die allgemeine Vorgehensweise zur Herstellung eines Werkzeugs für ein optisches Kunststoffteil mit großem Seitenverhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2, 3 und 4 zeigen bestimmte Details der Vorgehensweise von 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt einen maschinell bearbeiteten Dorn mit einem elektrogeformten Mantel, der den Dorn umgibt, und einen ersten Entsorgungsbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt einen maschinell bearbeiteten Dorn mit einem elektrogeformten Mantel, der den Dorn umgibt und einen zweiten Entsorgungsbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 zeigt bestimmte Details der Vorgehensweise von 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt zwei Hälften eines Spritzgießwerkzeugs, die aus zwei getrennten Negativ-Mastern gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind.
9 zeigt einen rund-zu-quadratisch-Morphkollimator, ein Beispiel für ein optisches Kunststoffteil mit großem Seitenverhältnis, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt worden ist.
10 zeigt die optischen Teile mit großem Seitenverhältnis von 9, die in einer beispielhaften nützlichen Konfiguration angeordnet sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Durchführungsweise(n) der Erfindung
Zunächst auf 1 Bezug nehmend, werden die Schritte zur Herstellung eines optischen Kunststoffteils mit großem Seitenverhältnis unter Verwendung eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Werkzeugs gezeigt. Zunächst wird zum Beispiel durch maschinelle Herstellung eines Stahldorns ein Paar genauer Modelle oder Duplikat-Positiv-Master der gewünschten optischen Kunststoffkomponente hergestellt (Schritt 11). Als Nächstes werden ein erster und ein zweiter Satz von Negativ-Master-Segmenten hergestellt (Schritte 12 und 13), zum Beispiel durch Elektroformen von Mänteln um einen ersten und einen zweiten Satz von Positiv-Mastern herum und dann Entfernen und Beschneiden dieser elektrogeformten Mäntel gemäß der vorliegenden Erfindung. Als Nächstes wird unter Verwendung des sich ergebenden ersten und zweiten Satzes von Negativ-Master-Segmenten ein Werkzeug aufgebaut (Schritt 14). Schließlich wird Kunststoff in das Werkzeug gespritzt (Schritt 15), der Kunststoff wird aushärten gelassen (Schritt 16) und das fertiggestellte optische Teil wird entfernt (Schritt 17).
Die ausführlichen Schritte zur Herstellung der Duplikat-Positiv-Master werden in 2 gezeigt. Zunächst werden die Ausführungsabmessungen des fertiggestellten optischen Teils unter Verwendung von rechnerunterstützten Konstruktionstechniken (CAD-Techniken) modifiziert (Schritt 111), um dem Schrumpfen des Kunststoffmaterials, wie zum Beispiel Cyro-Acryl, beim Aushärten Rechnung zu tragen. Jeder Duplikat-Positiv-Master wird aus einem Metalldorn, wie zum Beispiel Stahl oder Kupfer, maschinell zu den modifizierten Abmessungen des fertiggestellten optischen Teils bearbeitet (Schritt 112) und auf eine optische Oberflächengüte mit einer RMS-Mikrorauhigkeit (RMS – root mean square) von zum Beispiel achtzig (80) Ångström poliert (Schritt 114). Bei einer Ausführungsform wird ein Stahldorn zunächst auf einer Drehmaschine diamantgedreht und dann vor dem Polieren (Schritt 114) mit einem zweiten Metall, wie zum Beispiel Kupfer, beschichtet (Schritt 113).
Nunmehr auf 3 Bezug nehmend, werden die ausführlichen Schritte der Herstellung des ersten Negativ-Master-Segments gezeigt. Das Metallmodell oder der Positiv-Master wird in einem Elektroformbad angeordnet (Schritt 121) und mit einem ersten harten abzuscheidenden Metall auf eine vorbestimmte Dicke galvanisiert (Schritt 122). Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Positiv-Master mit Nickel auf eine Galvanisierdicke von 0,625 Millimetern (0,025 Zoll) vernickelt. Die sich ergebende Kombination aus dem Positiv-Master und seinem elektrogeformten Mantel 51 wird in 5 gezeigt.
Es wird nunmehr auf 5, die die mechanische Anordnung des ersten Negativ-Master-Segments zeigt, und weiterhin auf 3 Bezug genommen. Ein elektrogeformter Mantel 51 ist um einen ersten Positiv-Master herum gebildet worden. In den elektrogeformten Mantel 51 wird eine Abgrenzungslinie 52 geritzt (Schritt 123) und danach des Weiteren eine Schnittlinie 65 (Schritt 124), wodurch ein erstes Negativ-Master-Segment 63 definiert wird. Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist das erste Negativ-Master-Segment 63 der Teil des elektrogeformten Mantels 51, der sich über der Abgrenzungslinie 52 befindet. Ein Entsorgungsteil 64 des elektrogeformten Mantels 51 befindet sich unter der Schnittlinie 65, und es gibt einen Überlappungsbereich 67, bei dem es sich um den Teil des elektrogeformten Mantels 51 handelt, der sich zwischen der Abgrenzungslinie 52 und der Schnittlinie 65 befindet.
Als Nächstes wird der seinen elektrogeformten Mantel 51 enthaltende Positiv-Master unter Verwendung von zum Beispiel Drahterosion (EDM – electrical discharge machining) an der Schnittlinie 65 geschnitten (Schritt 125), und der Entsorgungsteil 64 des elektrogeformten Mantels sowie der darunterliegende Entsorgungsbereich 62 des Positiv-Masters werden entfernt und entsorgt.
Zu diesem Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der obere Teil des Positiv-Masters den gewünschten Negativ-Master oder Mantelabschnitt 63 zusammen mit seinem umhüllten Positiv-Master-Modellteil 61 sowie den Überlappungsbereich 67 und den Teil des äußeren Mantels 63 zwischen der Abgrenzungslinie 52 und der Schnittlinie 65. Der äußere Mantelabschnitt 63 des Werkzeugs wird dann von den festgehaltenen und überlappenden Bereichen 61 und 67 des Modells oder Positiv-Masters entfernt. Schließlich wird der Teil des äußeren Mantels 63 zwischen der Schnittlinie 65 und der Abgrenzungslinie 52 weggeschnitten, so dass der verbleibende obere Teil des Positiv-Masters oder Mantels genau die Hälfte des gewünschten Endwerkzeugs ist.
Durch Schneiden entlang der geritzten Schnittlinie 65 und nicht entlang der Abgrenzungslinie 52 wird jegliche Verformung des Werkzeugmantelabschnitts 63 aufgrund des Schneidvorgangs auf den Teil des Mantelabschnitts 63 neben dem Überlappungsbereich 67 begrenzt, wobei dieser Abschnitt abgeschnitten worden ist.
Als Nächstes auf die 4 und 6 Bezug nehmend, wird das zweite oder untere Negativ-Master-Segment 73 auf ähnliche Weise wie das erste Negativ-Master-Segment 63 hergestellt, außer dass das zweite Negativ-Master-Segment 73 die gegenüberliegende Seite der zu formenden optischen Komponente darstellt. Die Herstellung des zweiten Negativ-Master-Segments erfolgt durch Anordnen eines Positiv-Masters oder Metallmodells in einem Elektroformbad (Schritt 131), Galvanisieren eines elektrogeformten Mantels um den Positiv-Master herum (Schritt 132), Ritzen einer Abgrenzungslinie 52 (Schritt 133) und einer Schnittlinie 75 (Schritt 134), Schneiden an der Schnittlinie (Schritt 135) und dann Beschneiden des zweiten Negativ-Master-Segments auf die Abgrenzungslinie (Schritt 136). Genau wie oben beschrieben, wird schließlich das zweite Negativ-Master-Segment 73 unter Verwendung von vorbekannten Techniken von dem zweiten festgehaltenen Bereich 72 des Positiv-Masters getrennt.
Als Nächstes wird auf 7 Bezug genommen, die Schritte des Aufbaus des Werkzeugs für die optische Komponente zeigt. Viele optische Komponenten können gleichzeitig geformt werden. Mehrere obere Negativ-Werkzeugsegmente werden an einer Formfixiervorrichtung befestigt (Schritt 141) und mehrere untere Negativ-Werkzeugsegmente werden an der Formfixiervorrichtung befestigt (Schritt 142). Angüsse und Angussstege werden unter Verwendung von auf dem Gebiet bekannten Techniken nach Bedarf hinzugefügt (Schritt 143).
Nunmehr auf 8 Bezug nehmend, definieren ein oberes Negativ-Master-Werkzeugsegment 63, das unter Verwendung der in 3 gezeigten Schritte aus einem ersten Positiv-Master hergestellt ist, und ein unteres Negativ-Master-Werkzeugsegment 73, das unter Verwendung der in 4 gezeigten Schritte aus einem zweiten Positiv-Master hergestellt ist, zusammen vollständig die fertiggestellte optische Komponente, wenn sie miteinander kombiniert sind.
Schließlich auf die 9 und 10 Bezug nehmend, handelt es sich bei einer typischen optischen Komponente mit einem großen Seitenverhältnis, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, um einen quadratisch-zu-rund-Morphkollimator 80. Diese quadratisch-zu-rund-Morphkollimatoren 80 können dicht zu einer Anordnung 90 gepackt sein und eignen sich besonders für eine effiziente Verbindung von runden Lichtwellenleiterkabeln zu nichtabbildenden Ausgängen. Jeder dieser Morphkollimatoren 80 enthält einen runden Eingang, einen quadratischen Ausgang, ein großes Seitenverhältnis von Länge zu Breite und kritische optische Toleranzen. Wie oben beschrieben können diese Morphkollimatoren 80 und andere ähnliche optische Komponenten aus Komponenten aus den verschiedensten Materialien, wie zum Beispiel Cycloolefinpolymer, klares Acrylharz und Polystyrol, geformt werden.
Vorteilhafterweise ist das Formen von optischen Kunststoffkomponenten aus Kunststoff unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren weitaus weniger teuer als das maschinelle Herausarbeiten solcher Komponenten aus Glas.
Es gibt Ausführungsformen der Erfindung, bei denen mehr als zwei Metall-Positiv-Master zur Herstellung von mehr als zwei Negativ-Werkzeugsegmenten verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Spritzgießwerkzeugs für eine optische Kunststoffkomponente, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bilden von mindestens zwei Metall-Positiv-Mastern der optischen Kunststoffkomponente, die durch das Werkzeug hergestellt werden soll; b) Bilden eines Metallmantels (51) auf jedem der Positiv-Master; c) Definieren einer Abgrenzungslinie (52) durch jeden der Mäntel, wobei jede Linie einen oberen und einen unteren Teil jedes Mantels abgrenzt; d) Schneiden eines der Mäntel und eines darunter liegenden der Positiv-Master entlang einer Schnittlinie (75) über seiner Abgrenzungslinie und den anderen der Mäntel und eines darunter liegenden anderen der Positiv-Master entlang einer Schnittlinie (65) unter seiner Abgrenzungslinie; e) Entsorgen des Teils des Metallmantels und des Teils des Positiv-Masters von seiner von der Abgrenzungslinie weg liegenden Schnittlinie für jeden der Mäntel; f) Entfernen des Positiv-Masters von dem Rest des Mantels und Beschneiden des Teils (67, 77) des Mantels zwischen seiner Schnittlinie und seiner Abgrenzungslinie für jeden der Mäntel; und g) Kombinieren der sich ergebenden Metallmantelteile (63, 73) zur Bildung des Spritzgießwerkzeugs.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bildens des Positiv-Masters die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen der Schrumpfrate des zu formenden Kunststoffes; und Einstellen der Abmessungen des Positiv-Masters demgemäß.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bildens von mindestens zwei Positiv-Mastern die folgenden Schritte umfasst: Herstellen mehrerer Duplikat-Positiv-Master der optischen Komponente aus einem ersten Metall; Polieren jedes der mehreren Duplikat-Positiv-Master auf eine optische Oberflächengüte; Anordnen jedes der Duplikat-Positiv-Master in einem Elektroformungsbad; und Elektroformen eines Mantels (51) aus einem zweiten Metall auf jedem der Duplikat-Positiv-Master auf eine vorbestimmte Dicke.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Schneidschritt das Schneiden jedes eines Satzes von Positiv-Mastern entlang einer Schnittlinie (65, 75) zur Bildung eines Satzes von Negativ-Master-Segmenten umfasst, wobei jedes der Negativ-Master-Segmente einen Teil des Elektroformungsmantels um einen Positiv-Master herum umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Beschneidungsschritt das Entfernen eines einen Teil (67, 77) des elektrogeformten Mantels enthaltenden überlappenden Bereichs, der zwischen seiner Schnittlinie und seiner Abgrenzungslinie angeordnet ist; und Trennen jedes der Positiv-Master von jedem der Negativ-Segmente zur Bildung eines Satzes von Negativ-Master-Werkzeugsegmenten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Kombinierungsschritt den Aufbau eines Werkzeugs aus einem Satz von Negativ-Master-Werkzeugsegmenten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das erste Metall aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Stahl, kupferbeschichtetem Stahl und nickelbeschichtetem Stahl ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem es sich bei dem zweiten Metall um Nickel handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich das Werkzeug zum Spritzgießen von Kunststoffmaterialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cycloolefinpolymer, klarem Acrylharz und Polystyrol eignet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bildens einer Metallschale auf jedem der Positiv-Master Elektroformen umfasst.