Spritzprägen dickwandiger Kunststoffoptiken mit bedarfsgerechter Werkzeugtemperierung unter Berücksichtigung des lokalen Kühlbedarfs

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Beim Spritzgießen von Kunststoffoptiken ist eine besonders präzise und reproduzierbare Abformung sowie eine homogene Ausbildung der Brechungsindexeigenschaften gefordert. Aus den technologischen Kundenwünschen ergeben sich Anforderungen an die Formteilgeometrie, die den Gestaltungsrichtlinien von konventionell dünnwandigen Spritzgießformteilen ohne Masseanhäufungen widersprechen. So werden häufig prozesstechnisch anspruchsvolle, dickwandige Optiken mit großen Wanddickensprüngen gefordert, die zu schwindungsbedingten Verzug neigen. Zur Fertigung solcher Bauteile hat sich das Spritzprägen etabliert. Anstelle des Nachdrucks wird hier die Volumenschwindung der Kunststoffschmelze über einen druckbeaufschlagten Prägestempel kompensiert, mit welchem sich eine homogenere Druckverteilung und damit auch homogene optische Eigenschaften des Formteils realisieren lassen.

Aufgrund des komplexen Schwindungsverhaltes von Kunststoffen können nur mit einer präzisen thermischen Werkzeugauslegung verzugsfreie Kunststoffoptiken mit hoher Abformgenauigkeit und guten optischen Eigenschaften im Spritzprägen hergestellt werden. Konventionelle Ansätze für die thermische Auslegung sind nicht in der Lage, die Anforderungen zu erfüllen, und ziehen zeit- und kostenaufwendige Iterationsschleifen nach sich. Aktuell wird in der Regel unabhängig von der Wanddicke teils konturnah eine gleichmäßige Wärmeabfuhr realisiert. Als Konsequenz erstarren dünnwandige Formteilbereiche frühzeitig. Es werden lokal durch den Prägedruck starke Spannungen in die bereits erstarrten Bereiche eingebracht, was die Homogenität der optischen Eigenschaften deutlich verschlechtert. Dieser Einfluss wird bislang weder in der Prozessführung, noch in der thermischen Auslegung berücksichtigt. Im Rahmen der ersten Förderperiode des SFB 1120 wurde in B1 eine neuartige Methodik zur automatischen, bedarfsgerechten Auslegung des Temperierlayouts in Spritzgießwerkzeugen entwickelt, um ein gleichmäßiges Schwindungsverhalten zu realisieren und den Verzug zu minimieren. Ausgehend von einer homogenen Temperatur- und Dichteverteilung im Bauteil wird dabei ein inverses Wärmeleitungsproblem gelöst und daraus der lokale Kühlbedarf abgeleitet. Zentraler Bestandteil von B1 ist eine für dünnwandige Formteile mit geringen Wanddickenunterschieden entwickelte Gütefunktion, mit welcher die Homogenität der Abkühlung und Dichte bewertet wird. Nach einer erforderlichen Weiterentwicklung des Algorithmus für komplexe, dickwandige Formteilgeometrien stellt dieser neuartige Ansatz insbesondere für die thermische Auslegung von Spritzprägewerkzeugen für hochpräzise dickwandige Optiken eine vielversprechende Weiterentwicklung dar.

Das übergeordnete Ziel des Transferprojekts ist deshalb die Übertragung und Nutzung dieser neuartigen Methodik zur thermischen Auslegung für einen Spritzprägeprozess von dickwandigen optischen Bauteilen mit Wanddickensprüngen. In Zusammenarbeit mit einem Industriekonsortium soll dazu eine typische dickwandige Kunststofflinse als Demonstrator definiert werden. In der Auslegungsphase des Demonstrators können Erkenntnisse aus B2 genutzt werden, um die Formteilschwindung in der Kavitätsgeometrie zu berücksichtigen. Durch die Ermittlung des lokalen Kühlbedarfs soll eine gleichmäßige Abkühlung dick- und dünnwandiger Bereiche der Linse in der Prägephase erzielt werden. Dazu muss insbesondere die Gütefunktion modifiziert, untersucht und validiert werden, welche bislang nur für dünnwandige Formteile mit geringen Wanddickenunterschieden, entsprechend kurze Kühlzeiten und teilkristalline Werkstoffe ausgelegt ist. Während bei konventionell dünnwandigen Formteilen ein flächiger Ansatz effizient und zielführend ist, welcher in B1 weiter optimiert werden soll, muss für die Betrachtung dickwandiger Bereiche ein volumetrischer Ansatz entwickelt werden. Die Bewertung der Temperatur- und Dichtehomogenität lässt sich über eine Anpassung von Gewichtungsfaktoren beeinflussen. Während des Prägevorgangs ändert sich durch das Verfahren des Prägestempels die Wanddicke des Formteils, was ebenfalls in der zu erarbeitenden Gütefunktion berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus werden für die Herstellung von Kunststoffoptiken i.d.R. keine teilkristallinen sondern amorphe Kunststoffe eingesetzt, für welche das Materialmodell angepasst werden muss.

Die Anpassungen des Algorithmus sollen zunächst mit konventionellen Spritzprägesimulationen validiert und iteriert werden. Anschließend soll eine praktische Validierung erfolgen, indem aus dem berechneten Kühlbedarf ein Kühlkanalsystem abgeleitet und in einem optischen Formeinsatzpaar für ein Stammwerkzeug des IKV umgesetzt wird. Hier können Erkenntnisse von Wechselwirkungen zwischen Temperierkreisläufen anhand der in B3 durchgeführten Untersuchungen besser verstanden und bei der Ableitung des Kühlkanalsystems berücksichtigt werden. Die Analyse der optischen Eigenschaften und der Abformgenauigkeit sollen Aufschluss darüber geben, inwieweit der Spritzprägeprozess durch das speziell ausgelegte Kühlkanalsystem verbessert werden kann. Abschließend sollen gemeinsam mit den industriellen Kooperationspartnern die notwendigen Voraussetzungen für die Nutzung der Methodik in der industriellen Serienproduktion von Kunststoffoptiken erarbeitet werden.

  Spritzprägen mit bedarfsgerechter Temperierung Urheberrecht: SFB 1120