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24.08.2018

Optische Komponenten mit höchster Präzision

Extrusion von Spritzgießmaterialien

Spritzgießverfahren ermöglichen bereits heute die Herstellung optischer Bauteile mit höchster Präzision. Aber die benötigte Menge sowie die damit gestellten Anforderungen an diese steigen stetig. Optische Fachbereiche innerhalb der Beleuchtungs- und Automobilbranche sowie in der Medizintechnik erfordern unterschiedlichste Technologien. Um zukunftsträchtige Produkte in Großserienfertigung produzieren zu können, sind daher hocheffiziente, tragende Produktionsprozesse erforderlich.

Gemeinsam haben die polyoptics GmbH, Kleve, und das Kunststoff-Insitut Lüdenscheid das CRoCoMold-Projekt ins Leben gerufen, um ein alternatives Produktionsverfahren für dünnwandige optische Komponenten zu entwickeln. Erhebliches Potenzial stellt hier die Kombination aus einem Extrusions- und Schmelzprägeprozess (Continuous Compression Molding – CCM) dar, die bislang hauptsächlich in der Verpackungsindustrie für leichtfließende Kunststoffe mit einfachen Geometrien angewendet wird. Hier setzt das KMU-innovativ-Projekt an, mit dem Ziel, das Verfahren für Kunststoffpräzisionsoptiken, wie Linsen und Vorsatzoptiken, weiterzuentwickeln.

Im Projekt wird das Anlagenkonzept hinsichtlich der Materialeigenschaften, der notwendigen Prozessregelung und Steuerung entwickelt. Dabei sind sowohl das Schmelzverhalten der Kunststoffe als auch die erforderliche Zuführung von Wärme während des Formteilprägens zu berücksichtigen. Es werden neue Inline-Heizungssysteme und Werkzeuge konzipiert, um engere Toleranzen und eine effizientere Werkzeuglüftung zu erzielen. Maschinenseitig werden konstruktive Änderungen für eine Integration der Heizungs- und Werkzeugkonzepte durchgeführt.

Aus PMMA-Kunststoffgranulat wollen die Projektpartner mit einer CCM 24-Maschine von Sacmi planare Linsen herstellen (© polyoptics)

Ausgangssituation des Projekts

Zu Beginn des Projekts wurden zunächst Produkt- und Qualitätsanforderungen an Maschinen und Verarbeitungsprozesse festgelegt: Produktmuster in der Optikindustrie müssen fehlerfrei sein, ohne Lunker, ohne Fließ- und Bindenähte, ohne Auswerfmarkierungen und mit gratfreier Lieferung. Für das Projekt wurde dann eine CCM-Maschine (Typ: CCM 24) des italienischen Unternehmens Sacmi Imola S.C. ausgewählt, die mit bis zu 24 Formen ausgestattet werden kann.

Die Projektpartner setzten sich zum Ziel, für die neue Anwendung weiterhin die bisher für solche Produkte verwendeten Spritzgießmaterialien zu verwenden, um langwierige Neuzulassungen und Neuanschaffungen möglichst zu vermeiden. Polyoptics und die KIMW-F zogen mehrere PC- und PMMA-Materialien in Erwägung, die für die Verwendung im CCM-Verfahren geeignet sein könnten und entschieden sich letztendlich für Plexiglas 6N, 8N und 8h sowie Altuglas V825T.

Erste Versuche

In enger Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern und Sacmi wurden damit erste Versuche an der CCM-Maschine durchgeführt, um verschiedene Extruder-Aufbauten hinsichtlich ihrer Eignung für die Extrusion von PMMA-Werkstoffen zu testen. Diese praktischen Versuche belegten die grundsätzliche Möglichkeit, PMMA im CCM-Verfahren zu verarbeiten.

Mit verbesserter Temperaturregelung wurden alle drei PMMA-Materialien mit verschiedenen Variationen von Prozessparametern verarbeitet, um so die besten Parameter für die vorhandene Form zu evaluieren. Die Tests ergaben, dass die technische Einrichtung von Düse, Schneid- und Transportvorrichtung und auch die Form optimiert werden mussten.

In mehreren Schritten wurde dann die Schnitt -und Transporteinheit der CCM-Maschine ausgetauscht. Dabei wurde ein Controller für beide Komponenten programmiert, um die Bewegungen der Klinge und der Transporteinheit mit den Bewegungen der Formen in Einklang zu bringen. Dies war notwendig, um die Kunststoffe zu schneiden, zu transportieren, zu formen und auszuwerfen. Durch diese technischen Verbesserungen der CCM-Maschine konnte die Qualität der PMMA-Formteile erheblich gesteigert werden, jedoch waren immer noch Schnittmarken an der Bauteiloberfläche sichtbar.

Linsen im Kompressions-Guss-Verfahren

Kompressionsgeformte Linsen aus dem CRoCoMold-Projekt (© polyoptics)

In der nächsten Projektphase wurden Linsenformen für 5 mm dicke planare Linsen konstruiert und gebaut. Die Muster der neuen Formen waren ein Erfolg. Es ist den Projektpartnern damit gelungen, optische Linsen aus PMMA mithilfe des kontinuierlichen Kompressions-Guss-Verfahrens (CCM) herzustellen.

Im Rahmen einer weiteren Bemusterung wurde die Beschaffenheit der Klinge variiert, um hierdurch die optimalen Klingenparameter zu ermitteln. Bei diesen Tests stellte sich heraus, dass die Makroform der Klinge die Oberflächenqualität der Linsen stark beeinflusst.

Um die Linsenqualität noch weiter zu verbessern, wurde auch das Kühlkonzept der CCM-Formen durch die KIMW-F untersucht. Hier wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Konzepte auf die Oberflächenqualität überprüft, indem Versuche mit unterschiedlichen Formentemperaturen durchgeführt wurden. Dabei konnte durch eine Erhitzung der Form die Oberflächenqualität der optische Linsen stark verbessert werden. Eine weitere Optimierung der Oberflächenqualitäten kann durch die Manipulation der Kontakttemperaturen zwischen der Klinge und der Form mit der Schmelze erzielt werden.

Zur Beurteilung der Qualität des Formteils und der Zuverlässigkeit des Prozesses wurde das Material mithilfe von GPC analysiert. Dabei konnte keine Verschlechterung des PMMA-Materials festgestellt werden. Somit war die Prozesssteuerung in einem Status, der sich auf die Serienproduktion übertragen ließ.

Tests mit dünnen thermisch isolierenden CVD-Beschichtungen ergaben, dass eine Optimierung der Beschichtungsstärke und des Beschichtungsprozesses für das Formenmaterial durchgeführt werden muss, um die Linsenqualität positiv zu beeinflussen.

Fazit

Die Möglichkeit der Verarbeitung von PMMA mit dem CCM-Verfahren wurde innerhalb des Projekts und durch die Herstellung von optischen Linsen bestätigt. Die Optimierung der Teilequalität sowie deren konstante Kontrolle durch verschiedene Analysen und Messungen konnten die Prozessfähigkeit nachweisen. (Red)

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „KMU – Innovativ: Forschung für die Produktion“ finanziert (Fördernummer 02P15K021/ 02P15K020) und durch die Projektträger Karlsruhe (PTKA) umgesetzt.

Weiterführende Information
  • © Siteco

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Unternehmensinformation

Kunststoff-Institut Lüdenscheid

Karolinenstr. 8
DE 58507 Lüdenscheid
Tel.: 02351 1064-191
Fax: 02351 1064-190

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