Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug sowie ein Verfahren zum Rüsten einer Schließeinheit einer Spritzgussmaschine mit einem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug.

STAND DER TECHNIK

Spritzgießen ist ein wichtiges Urformverfahren der Kunststoffverarbeitung. Das Verfahren beruht auf dem Einspritzen eines verflüssigten Kunststoffs in die Kavitäten eines Spritzgusswerkzeugs unter hohem Druck. Ein Anwendungsbeispiel besteht in der Herstellung von optischen Bauteilen aus transparentem Kunststoff für Beleuchtungseinrichtungen von Kraftfahrzeugen. Einen limitierenden Faktor bei der Herstellung von optischen Bauteilen mittels Spritzgießens stellen die Fertigungstoleranzen dar, die beispielsweise bei Linsen für moderne Matrix- und Pixel-Lichtsysteme im Bereich von lediglich 10 Mikrometern liegen können. Beispielsweise können auf der Innen- und der Außenseite der optischen Bauteile korrespondierende Elemente angeformt sein, deren Versatz relativ zueinander 10 Mikrometer nicht überschreiten darf. Derartige Anforderungen an die Maßhaltigkeit können mit konventionellen Spritzgusswerkzeugen nicht erfüllt werden, insbesondere aufgrund von maßlichem Verzug durch thermische Ausdehnung bei der Erwärmung des Werkzeugs.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spritzgusswerkzeug vorzuschlagen, das zur Herstellung von Formteilen mit engen Fertigungstoleranzen geeignet ist. Weiterhin wird ein zugehöriges Verfahren zum Rüsten der Schließeinheit einer Spritzgussmaschine mit einem derartigen Spritzgusswerkzeug vorgeschlagen. Die Aufgabe wird ausgehend von einem Spritzgusswerkzeug gemäß Anspruch 1 sowie Verfahren zum Rüsten gemäß der Ansprüche 6 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die beiden Werkzeughälften des Spritzgusswerkzeugs jeweils wenigstens zwei Spiegelsymmetrieebenen aufweisen und jeweils folgende Elemente umfassen:

- eine Matrize aufweisend einen hochwärmeleitfähigen Stahl mit wenigstens einer Kavität,

- wenigstens einen in der Kavität aufgenommenen Formeinsatz insbesondere aufweisend eine Kupfer-Beryllium-Legierung, und

- wenigstens zwei Zentrierelemente, die auf der Matrize angeordnet sind, wobei die Zentrierelemente der beiden Werkzeughälften zueinander paarweise komplementär ausgebildet sind.

Die Erfindung geht dabei insbesondere von dem Gedanken aus, die thermische Ausdehnung des Spritzgusswerkzeugs weitestgehend als Quelle von maßlichem Verzug der darin gefertigten Formteile zu eliminieren. Dazu werden einerseits Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, nämlich ein hochwärmeleitfähiger Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 54 W/mK bei 25°C für die Matrizen, und einen Werkstoff mit noch höherer Wärmeleitfähigkeit für die Formeinsätze, beispielsweise eine Kupfer-Beryllium-Legierung. Bevorzugte Kupfer-Beryllium-Legierungen weisen eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 120 W/mK bei 25°C auf. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Werkstoffe führt zur schnellen Ausbildung einer homogenen Temperaturverteilung im beheizten Spritzgusswerkzeug. Entsprechend einer solchen Temperaturverteilung bildet sich eine homogene thermische Ausdehnung des Spritzgusswerkzeugs aus, was der Maßhaltigkeit der fertigbaren Formteile zuträglich ist.

Zur weiteren Homogenisierung des thermischen Ausdehnungsverhaltens ist das erfindungsgemäße Spritzgusswerkzeug möglichst symmetrisch aufgebaut, und die Matrizen weisen zwei insbesondere zueinander orthogonale Spiegelsymmetrieebenen auf, d.h., Ebenen, die die Matrizen in spiegelbildliche Hälften teilen. Beispielsweise weisen die Matrizen einen rechteckförmigen Grundriss auf, und die Kavitäten sind derart angeordnet, dass die zwei Mittelsenkrechten des rechteckförmigen Grundrisses in Spiegelsymmetrieebenen der Matrizen verlaufen.

Die Zentrierelemente dienen dazu, die beiden Werkzeughälften beim Zufahren des Spritzgusswerkzeugs relativ zueinander auszurichten, insbesondere auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Rüstverfahrens. Eine präzise Ausrichtung der beiden Werkzeughälften ist insbesondere zur Fertigung von Formteilen erforderlich, bei denen auf gegenüberliegenden Seiten Oberflächenstrukturen vorliegen, die eine Lagebeziehung mit geringer Toleranz zueinander aufweisen sollen, beispielsweise im Fall von Lichtscheiben mit beidseitigen, matrixförmig angeordneten Mikrolinsen-Arrays. Die Zentrierelemente der ersten Werkzeughälfte sind beispielsweise als von der Matrize senk- reckt abstehende Stifte ausgebildet, und die zweite Werkzeughälfte weist Zentrierelemente in Form von korrespondierenden Aufnahmen für die Stifte auf. Vorzugsweise sind die Zentrierelemente derart auf den Matrizen angeordnet, dass sie jeweils von einer Spiegelsymmetrieebene der Werkzeughälften geschnitten werden. Die Spiegelsymmetrieebenen können als „neutrale Ebenen“ hinsichtlich der thermischen Ausdehnung betrachtet werden und dementsprechend sind die derart angeordneten Zentrierelemente bei Erwärmung des Spritzgusswerkzeugs nur geringen Lageveränderungen unterworfen.

In vorteilhafter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs weisen die Werkzeughälften jeweils ein Temperierungssystem zum Erwärmen und/oder Kühlen der Matrizen auf, wobei die beiden Temperierungssysteme identisch ausgebildet sind, derart, dass mittels der Temperierungssysteme zueinander identische Temperaturverteilungen in den beiden Matrizen einstellbar sind. Dadurch wird gewährleistet, dass beide Werkzeughälften während des gesamten Spritzgussprozesses identische Wärmeausdehnungen durchlaufen und somit zueinander stets in wohldefinierten Lage- und Orientierungsbeziehungen stehen. Die Temperierungssysteme umfassen typischerweise Kanäle im Inneren der Matrizen zur Durchleitung von Kühlfluiden. Vorteilhafterweise weist eine Werkzeughälfte einen Einspritzkanal zum Einspritzen einer Formmasse in die Kavität auf, wobei sich der Einspritzkanal entlang der Schnittgeraden der Spiegelsymmetrieebenen der Werkzeughälfte erstreckt. Durch das Einspritzen der flüssigen Formmasse wird Wärme in das Spritzgusswerkzeug eingetragen, und die daraus resultierende Asymmetrie in der thermischen Ausdehnung wird durch den Verlauf des Einspritzkanals entlang einer Achse hoher Symmetrie minimiert.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs weisen die Formeinsätze eine chemisch-Nickel Beschichtung auf. Chemisch-Nickel Beschichtungen erzeugen eine hochglänzende Oberfläche und fungieren als Schutzschicht gegen Oxidation der Grundkörper der Formeinsätze aus einer Cu-Be-Legie- rung. Chemisch-Nickel bildet bereits bei Schichtdicken von weniger als 5 Mikrometern dichte Funktionsschichten, und ist daher besonders geeignet, um mikroskalig strukturierte Werkzeugoberflächen maßhaltig zu bedecken.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Rüsten einer Schließeinheit einer Spritzgussmaschine mit den Matrizen eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen, wenigstens umfassend die folgenden Verfahrensschritte in nicht festgelegter Reihenfolge:

- Bereitstellen der Schließeinheit mit Aufspannplatten zur Aufnahme und Befestigung der Matrizen mittels rückseitiger Schraubverbindungen mit Spielpassung,

- Montieren der Matrize der ersten Werkzeughälfte an einer ersten Aufspannplatte unter Bildung von endfesten Schraubverbindungen,

- Vormontieren der Matrize der zweiten Werkzeughälfte an einer zweiten Aufspannplatte unter Bildung von provisorischen Schraubverbindungen,

- Zufahren des Spritzgusswerkzeugs mittels der Schließeinheit, wobei die paarweise komplementären Zentrierelemente der beiden Werkzeughälften ineinandergreifen, sodass die vormontierte Matrize der zweiten Werkzeughälfte an der Matrize der ersten Werkzeughälfte zentriert wird, und

- Anziehen der provisorischen Schraubverbindungen der Matrize der zweiten Werkzeughälfte unter Bildung von endfesten Schraubverbindungen. Während des Zufahrens ermöglicht die Spielpassung der Schraubverbindungen an der zweiten Aufspannplatte ein laterales Verschieben der nur provisorisch daran angeschraubten zweiten Matrize unter der Wirkung der ineinandergreifenden Zentriermittel. Dadurch werden nicht tolerable Relativverschiebungen der beiden Werkzeughälften aufgrund eines Versatzes der Aufspannplatten der Schließeinheit korrigiert.

Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Rüsten einer Schließeinheit einer Spritzgussmaschine mit den Formeinsätzen eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs, wenigstens umfassend die folgenden Verfahrensschritte in nicht festgelegter Reihenfolge:

- Rüsten der Schließeinheit mit den Matrizen des Spritzgusswerkzeugs, insbesondere mittels des vorgenannten Verfahrens,

- Einsetzen der Formeinsätze in die Kavitäten der Matrizen und Befestigen der Formeinsätze an den Matrizen mittels rückseitiger Schraubverbindungen,

- Spritzgießen eines Formteils mittels der Spritzgussmaschine,

- Bestimmen einer maßlichen Abweichung des Formteils von dessen Sollmaßen,

- Entnehmen wenigstens eines der Formeinsätze und Nacharbeiten des Formeinsatzes zur Korrektur der maßlichen Abweichung,

- Einsetzen und Befestigen des nachgearbeiteten Formeinsatzes in die Kavität der Matrize.

Beispielsweise wird der Formeinsatz beim Nacharbeiten an einer ersten Seite um ein Korrekturmaß abgetragen und auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite um das Korrekturmaß aufgebaut, wodurch ein Versatz des Formeinsatzes in der Kavität erzeugt wird. Insbesondere wird das Aufbauen der zweiten Seite mittels Beschichtens der zweiten Seite mit einer chemisch-Nickel Beschichtung durchgeführt. Chemisch-Nickel Beschichtungen können mit wohldefinierten Schichtdicken von weniger als 5 Mikrometer abgeschieden werden, sodass der Formeinsatz um entsprechend dimensionierte Korrekturmaße aufgebaut werden kann.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 a: die erste Werkzeughälfte eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs an der ersten Aufspannplatte einer Schließeinheit,

Fig. 1 b: ein Detail zur Fig. 1a,

Fig. 2a: die zweite Werkzeughälfte an der zweiten Aufspannplatte,

Fig. 2b: ein Detail zur Fig. 2a,

Fig. 2c: die Rückseite der zweiten Aufspannplatte,

Fig. 3: die Schließeinheit im zugefahrenen Zustand, und

Fig. 4: eine Illustration des Nacharbeitens eines Formeinsatzes.

Fig. 1 a zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Aufspannplatte 200a als Teil einer Schließeinheit einer Spritzgussmaschine mit der daran aufgenommenen ersten Werkzeughälfte 100a eines erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeugs, und Fig. 1 b zeigt eine zugehörige Detailansicht der ersten Werkzeughälfte 100a. Fig. 2a zeigt eine perspektivische Ansicht der zweiten Aufspannplatte 200b der Schließeinheit mit der daran aufgenommenen zweiten Werkzeughälfte 100b, und Fig. 2b zeigt eine zugehörige Detailansicht.

Die Werkzeughälften 100a, 100b umfassen jeweils eine Matrize 1 a, 1 b aufweisend einen hochwärmeleitfähigen Stahl mit jeweils zwei Kavitäten 10a, 10b, in denen die Formeinsätze 2a, 2b aufweisend eine Kupfer-Beryllium-Legierung aufgenommen sind. Weiterhin umfassen die Werkzeughälften 100a, 100b jeweils zwei Zentrierelemente 3a, 3b, die auf den Matrizen 1 a, 1 b angeordnet und zueinander paarweise komplementär ausgebildet sind, wobei die Zentrierelemente 3b einen konischen Stutzen aufweisen und die Zentrierelemente 3a eine komplementäre konische Vertiefung. Die Werkzeughälften 100a, 100b weisen jeweils die zwei orthogonalen Spiegelsymmetrieebenen X, Y auf, in denen die Mittelsenkrechten des rechteckförmigen Grundrisses der Matrizen 1 a, 1 b verlaufen. Die Zentrierelemente 3a, 3b liegen jeweils auf der Spiegelsymmetrieebene Y. Die Spiegelsymmetrieebene X schneidet die Kavitäten 10a, 10b und die darin aufgenommenen Formeinsätze 2a, 2b mittig.

Beim Zufahren des Spritzgusswerkzeugs werden die Aufspannplatten 200a, 200b mittels der Führungselemente 6a, 6b zueinander ausgerichtet, wobei diese Ausrichtung typischerweise nicht hinreichend maßhaltig ist, und erst durch die Wirkung der Zentrierelemente 3a, 3b werden die Werkzeughälften 100a, 100b final aneinander zentriert.

Die erste Werkzeughälfte 100a weist den Einspritzkanal 1 1 zum Einspritzen einer Formmasse in die Kavität 10a auf, wobei sich der Einspritzkanal 1 1 entlang der Schnittgeraden der beiden Spiegelsymmetrieebenen X, Y erstreckt, d.h., der Einspritzkanal 1 1 erstreckt sich entlang einer Symmetrieachse durch den geometrischen Schwerpunkt der ersten Werkzeughälfte 100a.

Die zueinander spiegelbildliche Ausbildung der beiden Matrizen 1 a, 1 b sorgt dafür, dass bei Erwärmung des Spritzgusswerkzeugs die wesentlichen Funktionselemente, d.h., die Paare von Kavitäten 10a, 10b samt der darin aufgenommenen Formeinsätze 2a, 2b sowie die Zentrierelemente 3a, 3b, paarweise jeweils einer identischen thermischen Ausdehnung unterliegen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Erwärmung nicht zu Verzug oder Verschiebung der Werkzeughälften 100a, 100b und ihrer maßgeblichen Funktionselemente relativ zueinander führt. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die hohe Maßhaltigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Spritzgusswerkzeug herstellbaren Formteile.

Fig. 2c zeigt eine rückseitige Ansicht der zweiten Aufspannplatte 200b mit den Schraubverbindungen 4b zur Befestigung der Matrize der zweiten Werkzeughälfte an der Aufspannplatte 200b, sowie die Schraubverbindungen 5b zur Befestigung der Formeinsätze an der Matrize. Die Schraubverbindungen 4b weisen eine Spielpassung auf, d.h., dass die Matrize bei provisorischer Verschraubung innerhalb gewisser Grenzen gegenüber der Aufspannplatte 200b lateral verschiebbar ist, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren zum Rüsten einer Schließeinheit mit den Matrizen durchführbar ist.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schließeinheit 200 im geschlossenen Zustand, in dem das Spritzgusswerkzeug 100 zwischen den Aufspannplatten 200a, 200b verdeckt ist. Die Schraubverbindungen 4a sind an der Rückseite der Aufspannplatte 200b zugänglich, sodass im Rahmen des erfindungsgemäßen Rüstverfahrens das endfeste Verschrauben der Schraubverbindungen 4b nach erfolgter Zentrierung der zweiten Werkzeughälfte im geschlossenen Zustand der Schließeinheit 200 durchführbar ist.

Fig. 4 illustriert das Nacharbeiten eines Formeinsatzes 2a im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Rüsten einer Schließeinheit mit den Formeinsätzen, wobei hier beispielhaft eine Aufsicht auf einen Formeinsatz 2a mit einem Oberflächenmuster 20 dargestellt ist. Das obere Teilbild zeigt den wie zum Rüsten bereitgestellten Formeinsatz 2a. Dieser wird gemäß der Darstellung des mittleren Teilbilds beim Nacharbeiten an einer ersten Seite um das Korrekturmaß d abgetragen und entsprechend der Darstellung des unteren Teilbildes auf der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite um das Korrekturmaß d aufgebaut. Durch das Nacharbeiten wird das Oberflächenmuster 20 gegenüber der Kontur des Formeinsatzes 2a verschoben. Das Aufbauen der zweiten Seite wird dabei insbesondere mittels Beschichtens der zweiten Seite mit einer chemisch-Nickel-Beschichtung 21 durchgeführt.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Bezugszeichenliste

100 Spritzgusswerkzeug

100a, 100b Werkzeughälfte

I a, 1 b Matrize

10a, 10b Kavität

I I Einspritzkanal

2a, 2b Formeinsatz

20 Oberflächenmuster

3a, 3b Zentrierelement

4b Schraubverbindung

5b Schraubverbindung

200 Schließeinheit

200a, 200b Aufspannplatte

6a, 6b Führungselemente

X, Y Spiegelsymmetrieebene