Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen optischer Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru- ches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .

Stand der Technik

Bereits seit einiger Zeit werden optische Bauelemente, an die hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden, aus Kosten- und Gewichtsgründen aus Kunststoff durch Spritzgie- ßen hergestellt. In den Druckschriften DE 10 2006 056 150 AI, DE 10 2006 048 230 AI und DE 11 2006 001 683 T5 wird beispielsweise beschrieben, Bauelemente, an die hohe op ^¬ tische Anforderungen oder hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit gestellt werden, beispielsweise Lichtleiter, Optikelement-Arrays , Leuchtdiodengehäuse oder dergleichen durch Spritzprägen herzustellen. Dieses Verfahren wird auch zur Herstellung von Linsen, Katzenaugen, etc. verwendet .

Beim Spritzprägen wird die thermoplastische oder du- roplastische Formmasse in die Kavität eines Spritzgieß ^¬ werkzeugs eingebracht, das bei einer Variante des Verfah ^¬ rens während des Erstarrungs- oder Aushärtevorgangs zu ^¬ nächst nicht komplett geschlossen ist, wobei der Schließ ^¬ druck für die endgültige Ausformung des Formteils gleich- mäßig aufgebaut wird, so dass sich zum einen relativ großflächige Werkstücke mit geringer Schließkraft oder Werkstücke mit sehr feinen Strukturen mit hoher Genauigkeit ausbilden lassen. Bei einer anderen Variante des Spritzprägens wird die Werkzeugkavität komplett gefüllt, wobei die Schließkraft zunächst relativ gering gehalten ist, so dass der beim Füllen ansteigende Werkzeuginnendruck das Werkzeug leicht öffnet. In der Folge wird dann durch kontinuierliches Erhöhen der Schließkraft das Werk ^¬ zeug geschlossen und ein relativ spannungsfreies Formteil geprägt. Diese Spritzgießvariante wird beispielsweise bei der Herstellung von Datenträgern (DVD, CD) verwendet.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass aufgrund des mit dem eigentlichen Spritzgießvorgang einhergehenden Prägevorgangs die Zykluszeit gegenüber einer reinen Spritzgießfertigung verlängert ist, wobei insbesondere zu berücksichtigen ist, dass während des Spritzprägens die Formmassetemperatur in etwa der Glasübergangstemperatur (Erweichungstemperatur) T _G gehalten werden sollte, um die Ausprägung mit der erforderlichen Genauigkeit durchführen zu können, d.h, die Formmasse muss im Spritzgießwerkzeug von der Schmelztemperatur auf die Glasüberweichungstempe- ratur gekühlt werden.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente zu schaffen, durch das bei hinreichen- der Bauteilqualität eine kostengünstigere Fertigung er ^¬ möglicht ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der Vor- richtung durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 9 gelöst. Besondere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben . Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum Herstellen op ^¬ tischer Bauelemente zunächst ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Formmasse durch Spritzgießen hergestellt. Dieser Vorformling wird dann durch einen Prägevorgang in das optische Bauelement umgeformt, wobei erfindungsgemäß der Vorformling aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen, abgekühlt und anschließend in ein gesondertes Prägewerkzeug zum Fertigprägen eingelegt wird. Das Kühlen kann dabei in einer eigenen Kühlstation oder im Prägewerkzeug erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Verfahrens in das Spritzgießen in einem Spritzgießwerkzeug und das Fer ^¬ tigprägen in einem Fertigprägewerkzeug kann im Spritzgießwerkzeug die herkömmliche, für den Spritzgießvorgang optimale Zykluszeit eingehalten werden, wobei parallel das Fertigprägen in dem Prägewerkzeug erfolgt, so dass trotz höherer Investitionskosten aufgrund der wesentlich geringeren Zykluszeiten eine kostengünstigere Fertigung ermöglicht ist.

Die effektive Zykluszeit zur Herstellung des optischen Bauelementes ist besonders kurz, wenn das Prägewerkzeug in etwa bei konstanter Temperatur, vorzugsweise bei Glas ^¬ übergangstemperatur, betrieben wird, so dass keine Zeit zum Kühlen und Erwärmen dieses Prägewerkzeugs verloren geht . Das Prägewerkzeug hat dabei die den Fertigmaßen des opti ^¬ schen Bauelementes entsprechenden Abmessungen. D.h. es sind keine Schwindmaße berücksichtigt, so dass das Bau ^¬ teil unabhängig von der Schwindung mit exzellenter Quali- tät gefertigt werden kann.

Die Fertigungsqualität kann weiter verbessert werden, wenn auch im Spritzgießwerkzeug ein Vorprägen durchge ^¬ führt wird, wobei dieses Vorprägen wesentlich weniger Zeit als beim herkömmlichen Spritzprägen benötigt, so dass die Zykluszeit nur unwesentlich verlängert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine quasi kontinu ^¬ ierliche Fertigung vor, wobei zunächst im Spritzgießwerkzeug ein erster Vorformling ausgebildet wird und parallel dazu im Prägewerkzeug ein zweiter, zuvor gefertigter Vorformling fertig geprägt wird. Der im Spritzgießwerkzeug ausgebildete erste Vorformling wird dann aus dem Spritzgießwerkzeug entnommen und in das Presswerkzeug einge ^¬ legt. Dabei wird die Zykluszeit im Wesentlichen durch das Spritzgießwerkzeug bestimmt, da der Spritzgießzyklus et ^¬ was länger als der Prägezyklus sein wird.

Bei einer Variante der Erfindung erfolgt das Entnehmen des Vorformlings aus dem Spritzgießwerkzeug und das Ein ^¬ legen in das Prägewerkzeug mittels eines Handlingsgerä ^¬ tes, so dass kein manueller Zugriff erforderlich ist. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das Verfahren zur Herstellung von Linsen, beispielsweise aus PC, PMMA, PMMI, COC oder anderen geeigneten Kunststoffen verwendet wird . Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Zeichnung zeigt ein Ablaufschema des erfin ^¬ dungsgemäßen Verfahrens .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Verfahrens zur Herstellung einer Linse einer optischen Baugruppe er- läutert.

Die Linse ist in an sich bekannter Weise aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise PC, PMMA, PMMI, COC hergestellt. Bei herkömmlichen Lösungen erfolgt diese Herstellung im Spritzprägeverfahren in einem einzigen Werkzeug mit den eingangs geschilderten Nachteilen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das vorbestimmte Material bzw. die Materialmischung in einer Spritzgießmaschine zunächst aufgeschmolzen (plastifiziert ) und dann über die Einspritzeinheit in die Kavität eines Spritz- gießwerkzeugs eingespritzt. Diese Kavität des Spritzgieß ^¬ werkzeugs ist mit einem gewissen Übermaß ausgeführt, so dass die Schwindung des Spritzgießteils beim Abkühlen und Erstarren der Kunststoffschmelze berücksichtigt ist. Um eine Maßhaltigkeit des Spritzgießteils zu gewährleisten, wird die Schmelze über die Einspritzeinheit mit einem Nachdruck beaufschlagt, so dass eine vollständige Füllung der Kavität gewährleistet ist. Im Unterschied zum her ^¬ kömmlichen Spritzgießverfahren wird das Spritzgießwerkzeug so temperiert, dass die Temperatur der Kunststoff- masse in der Kavität deutlich über der Glasübergangstemperatur T _G bleibt. Diese Glasübergangstemperatur ist diejenige Temperatur, bei der die Kunststoffmasse die größte Änderung der Verformungsfähigkeit aufweist. D.h. dieser Glasübergang trennt den spröden, energieelastischen Bereich von einem weichen, entropieelastischen (gummielastischen) Bereich. Bei einer Variation der Erfindung wird dieser Vorformling in der eingangs beschriebenen Weise vorgeprägt, wobei - wie bereits erläutert - entweder das Spritzgießwerkzeug während des Einspritzens der Kunststoffmasse nicht voll ^¬ ständig geschlossen gehalten wird oder aber nach dem Fül- len der Kavität geöffnet wird, so dass durch das nachfol ^¬ gende Erhöhen der Schließkraft der Druck auf die Formmas ^¬ se entsprechend erhöht wird. Dieses Vorprägen erfolgt je ^¬ doch in wesentlich geringerem Umfang als bei den herkömmlichen Lösungen. Prinzipiell kann auch, wie in dem anlie- genden Verfahrensschema gestrichelt angedeutet, auf den Vorprägeschritt verzichtet werden.

Dieser durch Spritzgießen oder Spritzprägen ausgebildete Vorformling wird dann mit vergleichsweise hoher Tempera ^¬ tur deutlich oberhalb der Glasübergangstemperatur entnom- men und dann in vergleichsweise kurzer Zeit auf die Glas ^¬ übergangstemperatur T _G abgekühlt. Dieses Abkühlen kann entweder in einer eigenen Kühlstation (siehe durchgezogene Linie im Verfahrensschema) oder durch direktes Einle ^¬ gen dieses Vorformlings in ein Presswerkzeug erfolgen. Die Werkzeugtemperatur dieses Presswerkzeugs ist so ein ^¬ gestellt, dass der Vorformling auf eine Temperatur im Bereich der genannten Glasübergangstemperatur gebracht oder gehalten wird.

Die Kavität dieses Presswerkzeugs hält keine Schwindmaße vor sondern ist entsprechend der Geometrie des herzustel- lenden optischen Bauelementes ausgeführt. D.h. die Nach- schwindung des Vorformlings, der bereits das Teilegewicht des Fertigteils aufweist, wird in diesem Prägewerkzeug gezielt auf die geforderte Teilegeometrie „verteilt". Durch dieses Fertigprägen im Prägewerkzeug lassen sich Mikrostrukturen, kleine Facetten oder auch Mattierungen erzeugen. Des Weiteren ist es möglich, Prozessschwankungen beim Spritzgießen, die sich eventuell auch auf unterschiedliche Schwindmaße auswirken können, mit dem exter- nen Prägen auszugleichen.

Nach diesem Fertigprägen bei Glasübergangstemperatur wird das Werkstück dann innerhalb des Prägewerkzeugs oder ex ^¬ tern abgekühlt, so dass die Formmasse vollständig aushär ^¬ tet bzw. erstarrt. Der Vorteil des vorbeschriebenen Verfahrens liegt darin, dass die Zykluszeit des Spritzgießprozesses im Spritz ^¬ gießwerkzeug deutlich gegenüber herkömmlichen Lösungen verkürzt werden kann, da keine Abkühlung im Spritzgieß ^¬ werkzeug auf einen Temperaturbereich unterhalb der Glas- Übergangstemperatur vorgesehen sein muss. Das Spritzprägewerkzeug wird dabei stets mit konstanter Werkzeugtempe ^¬ ratur im Bereich dieser Glasübergangstemperatur gefahren, so dass der üblicher Weise erforderliche Heizen-Kühlen- Prozess im Werkzeug entfällt und somit die Zykluszeit verringert werden kann. Vorversuche zeigten, dass sich die über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten optischen Bauelemente durch eine äußerst geringe Eigenspan ^¬ nung aufweisen. Dies rührt aus dem Tempern des Bauelementes bei Temperaturen im Bereich oder unterhalb der Glas- Übergangstemperatur. Die im Verfahrensschema vorgesehene Vorprägung des Vor- formlings im Spritzgießwerkzeug wird besonders bei Form ^¬ teilen mit extremer Nachschwindung eingesetzt, da durch die zweistufige Prägung eine exzellente Maßhaltigkeit er- zielbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise auf ei ^¬ ner Kombianlage realisiert, bei der das Spritzgießwerk ^¬ zeug in einer Spritzgießmaschine aufgespannt ist, wobei das Prägewerkzeug in einer in unmittelbarer Nähe zu die- ser Spritzgießmaschine angeordneten Prägemaschine einge ^¬ spannt ist, so dass die Formteile über eine automatisches Handlinggerät beim Öffnen des Spritzgießwerkzeugs automa ^¬ tisch ausgeformt und in das geöffnete Prägewerkzeug ein ^¬ gelegt werden können. D.h. das Herstellen eines Vorform- lings durch Spritzgießen oder Spritzprägen und das Fertigprägen eines zuvor durch Spritzgießen hergestellten Vorformlings verlaufen im Wesentlichen parallel zu einander, wobei die Zykluszeit des Spritzgießens/Spritzprägens etwas größer als die Zykluszeit im Prägewerkzeug ist. Durch die Verringerung der Spritzgießzykluszeit kann je ^¬ doch die Gesamtzeit zur Produktion des optischen Bauelementes gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden, wobei die Bauteilqualität erheblich oberhalb derje ^¬ nigen Qualität liegt, die mit den herkömmlichen Lösungen erzielbar ist.

Offenbart sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Bauelemente, wobei ein Vorformling in einem Spritzgießwerkzeug hergestellt und dann in einem Prägewerkzeug fertig geprägt wird.