Formfüllung mit dem Berechnungsmuster der finalen Linse 
(Quelle: SimpaTec)

Formfüllung mit dem Berechnungsmuster der finalen Linse
(Quelle: SimpaTec)

In der heutigen Zeit ist der Alltag ohne optische Produkte kaum vorstellbar. Dazu zählen nicht nur die offensichtlichen Bauteile wie Brillen, Kameras und Projektoren. Vielmehr sind es auch Anwendungsbereiche der Messtechnik, der Fahrzeugtechnik u. a., in denen diese Technologie eine tragende Rolle spielt. Das breite Anwendungsspektrum der optischen Produkte stellt stetig neue Herausforderungen an die eingesetzten Werkstoffe und deren mechanischen Eigenschaften sowie an die Verarbeitungsverfahren. Für den Werkstoff Quarz sind inzwischen Alternativen gefunden. Bereits im Jahr 1933 brachte das Unternehmen Röhm & Haas  in Polymethylmethacrylat (PMMA) mit dem Markennamen Plexiglas auf den Markt [1]. Gut sieben Jahre später fertigte Heinrich Wöhlk [2] eine Skleralschale aus Silikatglas als Brillenersatz. Der Vorläufer davon wurde erstmals im Jahr 1636 von René Descartes entwickelt [3]. Es folgten eine ganze Reihe von Fortschritten, doch das Beispiel der daraus entwickelten Kontaktlinse verdeutlicht, wie lange und wie sehr das Thema der Optik die Menschheit bereits begleitet.

Einen entscheidenden, zukunftsträchtigen Erfolg brachte letztlich der Beginn des Zusammenspiels von Kunststoff und dessen Einsatz bei der Herstellung von Produkten mit optischen Eigenschaften. So ermöglicht das Spritzgussverfahren für die Kombination dieser beiden Komponenten – Kunststoff und Optik – die Produktion großer Stückzahlen mit reproduzierbaren Resultaten. Jedoch weist es auch Herausforderungen wie ungleichmäßige Schwindung, Spannungen und Einfallstellen auf. Da im Vergleich zu technischen Produkten an Produkte mit optischen Eigenschaften erhöhte Anforderungen gestellt werden [4], kommt ein weiteres Herstellungsverfahren, das Spritzprägen, infrage. Durch die Kombination des Spritzgusses und des Fließpressens können nicht nur verfahrenstechnische, wie beispielsweise der Fülldruck, sondern auch bauteilrelevante Eigenschaften optimiert werden [5]. Im Wesentlichen steht hier in Bezug auf die Bauteile die Homogenisierung sowohl von Material- wie auch von Bauteileigenschaften im Vordergrund.

Einerseits bietet das Spritzprägen gegenüber dem Spritzgussverfahren qualitativ bessere Bauteile mit optischen Eigenschaften, auf der anderen Seite fallen zum Teil nicht unerhebliche Kosten an. An dieser Stelle stellt die Prozesssimulation einen Vorteil dar. Es besteht nicht nur die Möglichkeit, den jeweiligen Prozess, wie auch bei technischen Bauteilen, abzubilden, sondern vor allem weiterführender Resultate, wie optischen Eigenschaften, darunter zum Beispiel  Doppelbrechungen, Brechungsindex, Brechungsmuster, Retardation, zu berechnen. Zur Verfügung steht ein Instrument, mit dem sich nicht nur die Herstellung von optischen Bauteilen optimieren lässt, sondern auch als Entscheidungshilfe, welcher Prozess für welches Produkt am besten und am wirtschaftlichsten geeignet ist.

Darstellung der Simulation

Die Prozesssimulation ist ein seit Jahren etabliertes Instrument, um – nicht nur im Rahmen von Troubleshooting –- Erkenntnisse über real vorhandene Fehler zu erhalten. Vielmehr wird dieses Werkzeug im Rahmen der Entwicklung eingesetzt, um auf diesem Wege schon im Vorfeld potenzielle Probleme zu erkennen und entsprechend zu verhindern. Ferner können alternative Prozesse, Materialen und selbst Verfahren simulativ evaluiert werden. Da allerdings die Prozesssimulation in vielen Fällen nur ein Teil der simulativen Entwicklungskette ist, gewinnt die Kopplung unterschiedlicher Berechnungsmethoden und -verfahren immer mehr an Bedeutung. So ist es in vielen Unternehmen durchaus üblich, die Prozesssimulation mit der strukturmechanischen Simulation zu koppeln, um so zusätzlich Daten wie die anisotropen Materialeigenschaften, Bindenähte etc. zu übertragen.

Auch zur Auslegung von optischen Produkten stehen solche Kopplungsmethoden zur Verfügung. So kann aus Moldex3D unter anderem der Brechungsindex oder auch die Verformung nach Code V exportiert werden. Auf diesem Weg erhält man aussagekräftigere Resultate, zum Beispiel hinsichtlich möglicher Abbildungsfehler. Dies gilt sowohl für den Prozess des Spritzgießens als auch des Spritzprägens.

Die Berechnung des Spritzprägens und die von optischen Eigenschaften unterscheiden sich teilweise deutlich von Spritzgussberechnungen – dazu zählt nicht nur die Prozesssteuerung, sondern für das Spritzprägen ebenfalls die Behandlung des Berechnungsmodells.
Die Berechnung erfolgt in 3D und wird für beide Prozesse in die Schritte Füll-, Präge-, Nachdruck- und Kühlphase unterteilt. Eine Besonderheit ergibt sich im Rahmen des Prägens. Um den Prägehub simulieren zu können, wird das aufgesetzte Netz in der Software als Funktion der Zeit verformt. Damit verändert sich auch der sogenannte Domain innerhalb der Berechnung. Oftmals werden die Kunststoffe mittels Viskosität, pvT-Verhaltens, Wärmeleitfähigkeit und spezifischer Wärmekapazität, Coefficient of Linear Thermal Expansion (CLTE), Querkontraktionszahl und E-Modul beschrieben. Um für beide Prozesse auch die spezifischen Resultate der optischen Eigenschaften zu erhalten, werden viskoelastische Eigenschaften des Kunststoffes benötigt.

Auf diesem Wege können nicht nur Resultate, wie die Doppelbrechung oder auch Eigenspannungen, berechnet werden, sondern es kann ebenfalls zwischen thermisch- und fließ-induzierten Eigenschaften unterschieden werden.

Multilayer-Spritzgießen

Dickwandige Kunststoffoptiken, die zum Beispiel als Vorsatzoptiken zur definierten Lichtverteilung zum Einsatz kommen, können Wandstärken von bis zu 60 mm aufweisen. Um die Qualität der Optik zu gewährleisten, können beim klassischen Spritzgießverfahren Zykluszeiten von mehr als 20 min auftreten. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und so eine Serienproduktion zu ermöglichen, ist das Multilayer-Spritzgießen für dickwandige Linsen als Lösung entstanden. Das Mehrschichten-Spritzgießen ist an das Mehrkomponenten-Spritzgießen angelehnt. Beim Multilayer-Spritzgießen wird die fertige Optik in mehreren Einspritzvorgängen erzeugt und somit die Zykluszeit reduziert. Sowohl die Core-Back-Technik als auch die Transfertechnik und Drehtellertechnik, die schon etablierte Konzepte zur Herstellung von Mehrkomponentenbauteilen sind, können im Multilayer-Spritzgießen eingesetzt werden. Des Weiteren kann ein konturnahes Temperiersystem und/oder eine dynamische Temperierstrategie zu einem gleichmäßigeren Abkühlen und somit zu geringen Eigenspannungen führen. Im Folgenden wird die Herstellung von optischen Linsen im Multilayer-Spritzgießen mit der Core-Back-Technik und deren Simulation erläutert.

Simulationsmodell und -ablauf

Die in der Dissertation von Röbig [6] verwendete Geometrie wird vom Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen zur Verfügung gestellt. Simuliert wird eine zweischichtige, asphärische, bikonvexe Optik.

Überlagerung der 
Darstellung des Berechnungsmodells von 1. und 2. Komponente inklusive Werkzeug und Temperierung (Quelle: SimpaTec)

Überlagerung der
Darstellung des Berechnungsmodells von 1. und 2. Komponente inklusive Werkzeug und Temperierung (Quelle: SimpaTec)

Im Bild  ist auf der linken Seite eine Gesamtübersicht des Simulationsmodells dargestellt. Zu sehen sind das Werkzeug (WZ), das allgemeine Kühlsystem (KS), das konturnahe Kühlsystem (kKS), der Heißkanal (HK), der Kaltkanal (KK) und die Kavität (K). Auf der rechten Seite sind Vor- (VS) und Nachspritzling (NS) sowie die Kompressionszone (KZ) für das Spritzprägeverfahren abgebildet. Die Kompressionszone entfällt beim Spritzgießverfahren. Als Material wird ein Polymethylmethacrylat (PMMA) (Typ: Plexiglas 7N, Hersteller: Evonik Performance Materials, Darmstadt) eingesetzt. Für die Herstellung dieser Formgeometrie wird ein Werkzeug mit Core-Back-Technik verwendet [7]. Dieses Werkzeugkonzept ermöglicht, durch einen hydraulischen Kernrückzug Vor- und Nachspritzling in der gleichen Kavität herzustellen. Der Prägehub der Kompressionszone erfolgt über eine Prägerahmenkonstruktion und die Schließbewegung der Spritzgießmaschine.

Bei der Simulation des Spritzgießprozesses wird im ersten Schuss die Kavität des Vorspritzlings ausgefüllt. Erreicht dieser die zuvor bestimmten Entformungskriterien, wird der physikalische Zustand des Bauteils für den zweiten Schuss übertragen. Der schließseitige Werkzeugkern wird zurückgezogen und somit der Kavitätsraum des Nachspritzlings freigegeben. Mit dem zweiten Schuss wird der Nachspritzling in Form gebracht. Beim Spritzprägeverfahren wird hier der Vorspritzling analog zum Spritzgießen erstellt und ebenso übertragen. Beim Füllen des Nachspritzlings fährt der Prägekern an einem zuvor bestimmten Füllvolumen mit definiertem Prägekraft- und Geschwindigkeitsprofil zu.

Gegenüberstellung der Füllstudie Realität vs. Simulation (Quelle: IKV/SimpaTec)

Gegenüberstellung der Füllstudie Realität vs. Simulation (Quelle: IKV/SimpaTec)

Im Bild  ist ein Ausschnitt einer Füllstudie abgebildet, die für den Nachspritzling im Spritzgießverfahren am IKV durchgeführt wurde. Die zugehörige, von Simpatec ausgeführte, Simulation ist in Bild 2 (unten) dargestellt. In den drei ausgewählten Zeitschritten (t1 – t3) ist deutlich zu erkennen, dass die simulierte Fließfront im Vergleich zur realen Fließfront gut abgebildet wird.

Darstellung und Vergleich der Simulationsergebnisse

Gegenüberstellung der Druckverteilung Spritzgießen vs. Spritzprägen (Quelle: SimpaTec)

Gegenüberstellung der Druckverteilung Spritzgießen vs. Spritzprägen (Quelle: SimpaTec)

 

In den Bildern sind ausgewählte Ergebnisse der Spritzgieß- und Spritzprägesimulationen gegenübergestellt. Die Druckverteilung am Ende der Nachdruckphase für die Spritzgießsimulation ist auf der linken Seite, die Druckverteilung nach der Prägephase der Spritzprägesimulation auf der rechten Seite von Bild 3 abgebildet. Deutlich zu erkennen ist der ausgeprägte Druckgradient ausgehend vom Anspritzpunkt beim Spritzgießen, während die simulierte Linse aus dem Spritzprägeverfahren eine homogenere Druckverteilung an den optischen Funktionsflächen aufweist.

Gegenüberstellung der fließ-induzierten Eigenspannungen Spritzgießen vs. Spritzprägen (Quelle: SimpaTec)

Gegenüberstellung der fließ-induzierten Eigenspannungen Spritzgießen vs. Spritzprägen (Quelle: SimpaTec)

Im Bild sind die lokalen fließ-induzierten Eigenspannungen in XX-Richtung anhand von Falschfarbendiagrammen veranschaulicht. Analog zu den Druckergebnissen sind auch an dieser Stelle deutliche Unterschiede zwischen den simulierten Linsen sichtbar, die im Spritzgießverfahren (links) und Spritzprägeverfahren (rechts) berechnet wurden. Im Gegensatz zur spritzgegossenen Linse zeichnet sich die spritzgeprägte Linse durch einen geringeren Eigenspannungsgradienten aus, woraus bessere optische Eigenschaften resultieren.

Die fließ- und thermisch-induzierten Brechungsmuster sowie die Überlagerung beider Effekte von der spritzgegossenen, simulierten Linse sind beispielhaft in Bild 5 abgebildet. Diese Simulationsergebnisse können unter Berücksichtigung realer, polarisationsoptischer Aufnahmen zur Fehleranalytik im Rahmen der Qualitätssicherung herangezogen werden. Das Trennen der fließ- und thermisch induzierten Brechungsmuster lässt außerdem eine gezielte Ursachenanalyse zu.

Technische und wirtschaftliche Aspekte für optimale Prozessbedinungen

Berechnungsmuster anhand vom Beispiel Spritzgießen (Quelle: SimpaTec)

Berechnungsmuster anhand vom Beispiel Spritzgießen (Quelle: SimpaTec)

Spritzgießen versus Spritzprägen? Konturnahe Temperierung versus konventionelle Temperierung? Dies sind nur zwei aus einer ganzen Bandbreite von Fragen, die mit einer simulationstechnischen Berechnung im Vorfeld beantwortet werden können. Sicherlich bietet auch die klassische Spritzgusssimulation bereits eine ganze Reihe von Antworten. Doch zeigen die dargestellten Kopplungsmethoden, dass die Möglichkeiten mittlerweile deutlich weitergehen, um die optimalen Prozessbedingungen unter Berücksichtigung der technischen und wirtschaftlichen Aspekte in der Entwicklungsphase zu bestimmen.

 

Dank: Die Autoren danken Herrn Dr. Malte Röbig für die zur Verfügung gestellten Informationen.

 

Literaturverzeichnis:
[1] Evonik Industries AG: Die Geschichte der Röhm GmbH. URL: https://history.evonik.com/sites/geschichte/de/gesellschaften/roehm/, 06.04.2020
[2] Wöhlk Contactlinsen GmbH: Historie. URL: https://www.woehlk.com/historie.html, 06.04.2020
[3] Efron, N.: Contact Lens Practice. 3 Aufl. ELSEVIER, 2018
[4] Forster, J. D.: Vergleich der optischen Leistungsfähigkeit spritzgegossener und spritzgeprägter Kunststofflinsen. Dissertation, RWTH Aachen 2006
[5] Chen, S.-C.; Lee, G.-H.; Tseng, C.-Y.; Chen, T.-C.; Chiu, H.-S-; Hsu, C.-C.: Investigation on Warpage Behavior of DVD Disk in injection Compression Molding. ANTEC, Orlando, Florida U.S.A 2015
[6] Röbig, M.: Multilayer-Spritzgießen und -Spritzprägen für eine hochpräzise und wirtschaftliche Fertigung dickwandiger Kunstsofflinsen. Dissertation, RWTH Aachen 2019
[7] Hopmann, C.: Herstellung von dickwandigen Kunststoffoptiken im Multilayer-Spritzgießverfahren. Institut für Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk, RWTH Aachen, Abschlussbericht zum IGF-Vorhaben Nr. 16862 N, 2014

Über die Autoren

Cristoph Hinse

ist Geschäftsführer der Simpatec in Aachen.

Nuno Ribeiro Simões

ist Mitarbeiter der Simpatec in Aachen.