Multilayer-Spritzgießen zur Produktion von Linsen

Für die Herstellung optischer Komponenten stellen Kunststoffe häufig eine sehr gute Alternative zum Werkstoff Glas dar. Aufgrund der optischen Eigenschaften müssen diese Optiken teilweise sehr dickwandig und mit Wanddicken-Sprüngen ausgeführt werden. Die Zykluszeiten zur Herstellung dickwandiger Optiken im konventionellen Spritzgießverfahren liegen für übliche Bauteildicken von 20 bis 30 mm bei teilweise mehr als 20 Minuten.

Um die Wirtschaftlichkeit zu steigern, wurde das sogenannte Multilayer-Spritzgießen (auch Overmolding oder Mehrschicht-Spritzgießen genannt) als Verfahrensvariante entwickelt. Dabei wird eine dickwandige Kunststoffoptik schichtweise aufgebaut. Im ersten Schritt wird ein Vorspritzling hergestellt, der anschließend ein- oder mehrfach mit dem gleichen Material überspritzt wird (Nachspritzling/e) [3, 4, 10]. Die Summe der Kühlzeiten mehrerer dünnerer Einzelschichten ist aufgrund der quadratischen Abhängigkeit von der Wandstärke geringer als die Kühlzeit bei der Herstellung des Formteils in einem Schritt, sodass sich die Gesamtzykluszeit reduziert. [8, 10].

Werkzeugtechnik für das Multilayer-Spritzgießen

Werkzeug- und Maschinenkonzepte für das Multilayer-Spritzgießen orientieren sich an etablierten Techniken des Mehrkomponenten-Spritzgießens. Am Institut für Kunststoffverarbeitung, Aachen, wird ein Werkzeug mit Core-Back-Technik genutzt. Beim Einspritzen des Vorspritzlings sind zunächst Teile der Kavität durch bewegliche Kerne verschlossen (Bild 1, links). Nach der Herstellung des Vorspitzlings werden die hydraulisch betätigten Kerne auf der Düsen- und Schließseite zurückgefahren und geben das Kavitätsvolumen für die folgenden Schichten frei. So lassen sich verschiedene zwei- und dreischichtige Linsen realisieren (Bild 1, rechts). [2, 4, 5, 7].

Das Dreischicht-Verfahren kann in eine sequenzielle und eine simultane Variante unterteilt werden. Die sequenzielle Methode zeichnet sich dadurch aus, dass die drei Schichten nacheinander gespritzt werden. Zu Forschungszwecken lässt sich die Reihenfolge der Nachspritzlinge variabel wählen. Beim simultanen Dreischicht-Verfahren wird der Vorspritzling hingegen gleichzeitig mit zwei Außenschichten überspritzt. [4, 5, 6, 9, 10]

Bei der Herstellung dreischichtiger Optiken müssen nur die beiden äußeren Schichten präzise abgeformt sein. Da die mittlere Schicht keine optische aktive Fläche darstellt, kann diese mit deutlich verkürzter Kühlzeit hergestellt werden. Um die Zykluszeit der mittleren Schicht weiter zu reduzieren, soll die Herstellung mit geringeren Werkzeugwand-Temperaturen und damit einhergehend geringerer Abformgenauigkeit untersucht werden. Darüber hinaus soll die Schichtdicken-Verteilung zwischen Vor- und Nachspritzling hinsichtlich einer kurzen Zykluszeit optimiert werden.

Kühlzeitoptimierung durch Simulation

Bild 2: Simulierte Zykluszeit in Abhängigkeit der Schichtdickenverteilung bei konventioneller Kühlwassertemperierung der Werkzeugkerne

In welchem Maße sich die Werkzeugtemperatur des Vorspritzlings und das Schichtdicken-Verhältnis beeinflussen und sich auf die Zykluszeit bei der Produktion auswirken, wird durch eine numerische Simulation des Verfahrens abgeschätzt. Dazu wird  die Herstellung einer dreischichtigen bikonvexen Linse mit einer maximalen Gesamtdicke von 28,3 mm untersucht. Der Vorspritzling wird in der Simulation simultan überspritzt, da dieses Verfahren das größte Potenzial zur Reduktion der Zykluszeit besitzt [8]. Als Material ist ein Polymethylmethacrylat (PMMA) mit dem Handelsnamen Plexiglas 7N der Firma Evonik Performance Materials, Darmstadt, gewählt worden. Um die Abkühlung bei unterschiedlichen Schichtdicken-Verteilungen vergleichen zu können, wird als Entformungskriterium definiert, dass der Vor- und der Nachspritzling vollständig unterhalb der Glastemperatur (110 °C) abgekühlt sein sollen.

Die Zykluszeit wird in Abhängigkeit der Schichtdicke für eine konventionelle und dynamische Werkzeugtemperierung bestimmt. Während bei der konventionellen Variante die Werkzeugtemperatur 80 °C beträgt, wird bei der dynamischen Temperierung die Temperatur bei der Herstellung des Vorspritzlings auf 40 °C reduziert. Diese liegt am unteren Limit der Verarbeitungsempfehlungen für PMMA [1]. In Kombination mit dem oben dargestellten Entformungskriterium erwartet man durch diese Maßnahme nur eine geringe Beeinflussung der optischen Eigenschaften. Inwieweit die Reduktion der Werkzeugtemperatur des Vorspritzlings die optischen Eigenschaften beeinflusst, kann in der Prozesssimulation jedoch nicht gezeigt werden und wird zukünftig in praktischen Testreihen untersucht. Als dynamische Werkzeugtemperierung wird in der Simulation eine Fluid-Fluid-Temperierung modelliert. Diese besteht aus einem heißen und einem kalten Temperierkreislauf. Für die Herstellung des Vorspritzlings wird das Werkzeug mit dem kalten Kreislauf auf 40 °C temperiert. Kurz bevor der Vorspritzling das Entformungskriterium erreicht, wird auf den heißeren Temperierkreislauf umgeschaltet, sodass die Werkzeugoberfläche in der Einspritzphase des Nachspritzlings die angestrebten 80 °C beträgt. Der Umschaltzeitpunkt wird für jedes Schichtdicken-Verhältnis in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur und des Entformungskriteriums zuvor iterativ bestimmt. Nach der Nachdruckphase des Nachspritzlings wird wieder auf den kalten Temperierkreislauf umgeschaltet und die Kavitätsoberfläche auf 40 °C temperiert. Neben der Werkzeugtemperatur wird das Schichtdicken-Verhältnis von Vor- und Nachspritzling systematisch variiert.

In Bild 2 sind die simulierten Zykluszeiten des Multilayer-Prozesses bei einer konstanten Werkzeugtemperierung von 80 °C in Abhängigkeit der Schichtdicken-Verteilung dargestellt. Bei einem Schichtdicken-Verhältnis von Nach- zu Vorspritzling von 1:5 erzielt man die minimale Zykluszeit von 1,15 Sekunden.

Die Herstellung des Vorspritzlings ist vergleichbar mit einem konventionellen Spritzgießprozess, der Verlauf der Kühlzeit nimmt mit steigender Wanddicke etwa quadratisch zu. Die Zykluszeit wird nach dem Entformungskriterium durch die Temperatur im Zentrum des Vorspritzlings bestimmt. Bei geringen Dicken des Vorspritzlings wird die Gesamtzykluszeit durch den Nachspritzling dominiert. Durch das Überspritzen wird der gesamte Vorspritzling wieder über die geforderte Entformungstemperatur erwärmt. Es ergibt sich zum Zeitpunkt der Entformung ein parabolisches Temperaturprofil, was in Bild 3 (blaue Kurve) schematisch dargestellt ist. Folglich bestimmt die Temperatur im Zentrum des Vorspritzlings auch die Zykluszeit des Nachspritzlings.

Bild 3: Temperaturprofil mehrschichtiger Linsen mit unterschiedlicher Schichtdickenverteilung zum Entformungszeitpunkt

Ab einer Dicke d des Vorspitzlings von ca. 18 mm wird der Kern der Optik beim Überspritzen nicht mehr über die geforderte Entformungstemperatur erwärmt. Zum Entformungszeitpunkt ergibt sich ein M-förmiges Temperaturprofil mit zwei Maxima, welche die Zykluszeit des Nachspritzlings bestimmen (Bild 3, rote Kurve). Mit zunehmender Dicke des Vorspritzlings liegen die maximalen Temperaturen näher an der Linsenoberfläche. Dadurch nimmt die Zykluszeit der Nachspritzlinge mit steigender Vorspritzlingsdicke deutlich stärker ab, was sich auch in einem stärkeren Abfall der Gesamtkühlzeit bemerkbar macht. Bei sehr dünnen Nachspritzlingen verschieben sich die maximalen Temperaturen nicht mehr so stark, sodass die Zykluszeit des Nachspritzlings mit steigender Vorspritzlingsdicke wieder langsamer sinkt. Die Zykluszeit des Vorspritzlings steigt aufgrund des quadratischen Einflusses der Wanddicke jedoch deutlich stärker, sodass auch die Gesamtkühlzeit wieder zunimmt.

Bis zu 35 Prozent kürzere Zykluszeiten durch dynamische Temperierung

In Bild 4 sind die simulierten Gesamtzykluszeiten des Multilayer-Prozesses mit konventioneller und dynamischer Werkzeugtemperierung dargestellt. Die minimale Zykluszeit kann durch die dynamische Temperierung auf ca. 750 s reduziert werden. Während bei konventioneller Temperierung das zykluszeitoptimale Schichtdicken-Verhältnis zwischen

Bild 4: Simulierte Gesamtzykluszeit in Abhängigkeit von Schichtdickenverteilung und Werkzeugkern-Temperierung

Nach- und Vorspritzling bei ca. 1:5 liegt, liegt das Minimum mit der dynamischen Temperierung bei ca. 1:3,5. Wird die Werkzeugtemperatur bei der Herstellung des Vorspritzlings reduziert, so ist der Vorspritzling beim Überspritzen deutlich kälter. Folglich ist mehr Wärme erforderlich, um das Zentrum der Linse über das Entformungskriterium zu erwärmen. Das M-förmige Temperaturprofil und damit auch das Zykluszeitminimum bilden sich deswegen schon bei geringeren Wandstärken des Vorspritzlings aus.

Aktuell werden die Simulationsergebnisse anhand praktischer Versuchsreihen validiert. Dabei werden die optischen Eigenschaften und die Abformgenauigkeit als Qualitätskenngrößen analysiert, welche in der Simulation nicht analysiert werden konnten. Die Untersuchungen sollen auch Aufschluss darüber geben, inwieweit die Optiken auch schon früher entformt werden können, bevor sie vollständig unterhalb der Glasübergangstemperatur abgekühlt sind, ohne die optischen Eigenschaften zu verschlechtern. Insbesondere der Vorspritzling besitzt hier noch weiteres Potenzial zur Reduktion der Zykluszeit.

Das IGF-Forschungsvorhaben 18825 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung  wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Literatur

[1]          Bichler, M.: Kunststoffe fehlerfrei Spritzgießen. Heidelberg: Hüthig GmbH, 1999

[2]          Dangel, R.: Spritzgießwerkzeuge für Einsteiger. München: Carl Hanser Verlag, 2015

[3]          Döbler, M.; Klinkenberg, C.; Protte, R.: Freie Fahrt für weißes Licht. Kunststoffe 99 (2009) 4, S. 83 – 86

[4]          Grund, A.: Herstellung optischer Komponenten aus Kunststoff im Multilayer-Spritzgießverfahren. Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen, RWTH Aachen, unveröffentlichte Masterarbeit, 2014 – Betreuer: P. Walach

[5]          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

[6]          Hopmann, C.; Walach, P.: Components advance optical product moulding technology. ETMM 15 (2013) 6, S. 30 – 32

[7]          Johannaber, F.; Michaeli, W.: Handbuch Spritzgießen. München: Carl Hanser Verlag, 2004

[8]          Maier, C.; Giessauf, J.; Steinbichler, G.: Dicke Nesthocker an die Luft gesetzt. Kunststoffe 103 (2013) 9, S. 148 – 153

[9]          Stricker, M.; Pillwein, G.; Giessauf, J.: Präzision im Fokus. Kunststoffe 99 (2009) 4, S. 30 – 34

[10]        Zöllner, O.: Kunststoffoptiken im Mehrschichtspritzguss. Universität Erlangen-Nürnberg, Dissertation, 2012