專利名稱：生產光學元件的高壓注塑方法
技術領域：
本發明涉及一種使用含有至少兩個半模的模具生產透明熱塑性聚 合物的厚壁精密元件的塑料注塑方法，其特征在于將熔融的聚合物注射
入模具的模腔中，然后在填充模具的模腔之后，使聚合物經受至少1000 巴(100MPa)水力保持隨動壓力，并且在冷卻熔體期間保持這種高壓作用。
背景技術：
厚壁精密元件，特別是熱塑性材料的光學精密元件，在許多情況下 從注塑技術方面來看在幾何形狀上是不令人滿意的。特別是壁厚度大 ("厚壁"，即一般大于4mm)的光學透明模壓部件的生產和相關的模
壓部件的長冷卻時間是有問題的。此外，塑料的材料特性和工藝操作條 件對模壓部件的收縮和與此相關的光學性能有很大的影響。在澆注系統
過早凝固的情況下，在長冷卻時間期間出現的熱塑性塑料注塑模壓部件 的熱體積收縮不能在常規的注塑工藝中通過保持隨動壓力來得到充分 地補償。如此通過不完全補償的收縮所產生的幾何缺陷將導致由光學模 壓部件(例如通過塑料透鏡)所形成瑕疵圖象，因此特別導致球面像差。 關于光學部件的注塑加工的描述可以參見Plastverarbeiter，:20(r7年6月，
第32頁起。
因此，常規的注塑工藝對高質量光學部件(例如光學鏡頭)的注塑 尚未達到重要影響。最近，復雜的注射模壓成型工藝已經占據這些應用 的重要位置。
這些工藝涉及其中僅僅在通過可移動的切壓機進行高精度注射后
形成目標輪廓的體系。
在注射模壓工藝中，極度精密移動的切壓機基本上完全補償了熱體 積收縮，代替通過保持隨動壓力進行的常規收縮補償注射壓塑工藝的一 個特點是非常高的設備費用，這是由于使用了極其準確的可定位的注 射，主要電子注塑機的關閉和沖壓單元，以及非常復雜的注塑技術；參 見US 2003-0146526A1 "Compression Moulding of Optical Lenses" 、 EP 0968807A1 " Injection Compression Moulding Method and Injection
Compression Moulding Machine" 、 DE 10226301B4 "Arrangement and process for the injection compression moulding of plastics articles as well as components produced by the process"。
用于生產光學元件的注射模壓成型工藝的缺點是設備費用很高和 相關工藝技術的費用很高。另一個缺點是由于高度必要的定位準確性以 及必要的長時間保持隨動加壓和沖壓時間，通常使用的電驅動型注射模 壓成型機器的效率不令人滿意。
專利申請DE 101 14 228A1公開了一種具有可調節收縮行為的注塑 方法以減少制造尺寸偏差。關于這一點，假設在通過密封澆口系統完成 保持隨動壓力作用之后，進一步的狀態進程等容地達到室溫，并且正在 冷卻的模壓部件達到在室溫之上的1巴線。模壓部件的收縮然后通過在 等容冷卻達到1巴線時之后的模壓部件的比容與再進一步等壓冷卻達到 室溫時之后的比容之差來確定。因此，收縮是注塑工藝的固有性質；參 見圖2，參考標記21=常規注塑工藝。所以，在DE 101 14 22SA1中建議
通過調節模具溫度將這種由于在冷卻過程中的熱體積收縮所引起的不 可避免的收縮限制到可重復的尺寸偏差。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種在光學元件的注塑中避免模壓部件 的材料依賴性收縮和工藝依賴性收縮的簡化方法。通過使用包含至少兩 個半模的注射模具，正在冷卻的熱塑性注塑部件的熱體積收縮通過高壓 注塑工藝基本上得到完全補償，特別地是l巴線僅僅在室溫達到，參見 圖2，參考標記22-高壓分離平面。
因此，本發明提供一種生產透明熱塑性聚合物的厚壁精密元件的注 塑方法，所述精密元件特別是光學元件，例如透鏡、鏡子、光柵或棱鏡， 所迷方法的特征在于將熔融的聚合物注射入模具的模腔中，然后在填充 模具的模腔之后，施加至少1000巴(100MPa)水力保持隨動壓力，并 且在熔體的冷卻期間保持這種高壓作用。
該方法的特點是對注射和閉合單元的定位精度要求低。在質量方面 對注塑機的決定性要求主要是被調節的保持隨動壓力的大小和足夠準 確性和重現性。常規的水力注塑機滿足這些要求。
在優選的方法中，調節水力保持隨動壓力，使得在達到熱塑性聚合 物的固化溫度時，在模壓部件的最大壁厚區域中檢測的模具內部壓力(在圖2中的參考標記為16)使得在進一步等容冷卻期間(在圖2中的 參考標記為n),如果模壓部件在達到室溫之前不移動，則模壓部件在 達到室溫時(在圖2中的參考標記為M)具有1巴的模具內部壓力
(O.lMPa)。在這里，固化溫度應該理解為表示例如聚合物的玻璃化轉 變溫度或非流動溫度。如果模壓部件的移動符合p-v-T函數趨勢的殘余 壓力和高溫下進行，則模壓部件在室溫下達到1巴壓力值的情況也可以 在移動模壓部件之后在注射模具之外作為外推的p-v-T函數出現。
如上所述，該方法的過程可以通過熱塑性材料的p-v-T行為方面的 知識產生，或也可選擇通過實驗逐步提高保持隨動壓力值產生。必要的 保持隨動壓力時間在這一點通過常規檢測澆口打開時間而預先測定，或 者選擇通過測定澆口密封指數的方法測定；參見Kunstofftaschenbuch， 第27版，SaechtHng， Carl Hanser Verlag， Munich, Vienna,第85頁，
"Verfahren zur Bestimmung des Siegelindesx (測定洗口密封指數的方 法)(根據Salewski)。"
作為透明熱塑性聚合物，這里特別使用聚碳酸酯、聚曱基丙烯酰基 甲基酰亞胺、環烯烴聚合物或聚丙烯酸酯，特別是聚曱基丙烯酸甲酯，
特別優選聚碳酸酯。
對于準確生產光學元件而言必要的注射壓力通過在p-v-T圖表中的 模具內部壓力過程來描述，更特別地從澆口密封開始時到在室溫下達到 l巴線時，通過正在冷卻的模壓部件狀態的等容過程來描述。
直到出現澆口密封(=圖2中的參考標記16),由于注射開始時的 澆口通道的固化(=圖2中的參考標記10)，比在模腔內密封點處起作 用的殘余壓力(=圖2中的參考標記l6)高得多的水力壓力是必要的(= 圖2中的參考標記15)。例如，對于聚碳酸酯的等容進程而言，在將熔 體冷卻到15(TC的密封溫度之后，根據鑄塑系統的厚度和長度，在模腔 中起作用的殘余壓力必須通過機器水力學從800巴提高到至少1600巴 的注射熔體后的壓縮壓力，但是一般高于2500巴，參見圖2的參考標 記15。澆口系統的熱體積收縮由于高壓縮壓力而過度補償或過度負栽。 因此注射模壓部件的主流道在注射模具的常規主流道襯套和/或主流道 (設計為閉合通道)中阻塞，其被機器噴嘴填充。所以，這些過度負栽 的澆口系統可以從模具中完全除去，在優選的實施方案中，在高壓精密 注塑中的澆口位置不是垂直于模具分離平面排列的，而是位于兩個半模200710181462.8
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之間的分離平面中。澆口優選設計為圓柱形的，并且以此方式在中部分 成兩個相同的半模，從而具有最佳的通風。在一側開啟的免口通道(例 如設計為半圓柱形的澆口通道)也僅僅在一個半模中是可能的。
該方法優選在其中模壓部件的最大壁厚是至少5mm，優選至少6mm 的那些情況中使用。
本發明也提供一種可通過本發明方法獲得的光學塑料模壓部件，特 別是透鏡、鏡子、光柵或棱鏡。
為了完全補償在加工期間出現的收縮所必需的保持隨動壓力，例如 對于根據ISO 1133在300'C/1.2kg測定MVR為60g/10分鐘的聚碳酸酯 類型(例如Bayer Material Science AG的聚碳酸酯類型Makrolon 1265 ， 德國)而言是2700巴，對于更粘稠和更高分子量的在30(TC/1.2kg下 MVR為19g/10分鐘的聚碳酸酯類型(例如Bayer Material Science AG的 聚碳酸酯類型Makrolon 2405 ，德國)是5000巴，對于在300°C/1.2kg 下MVR為12g/10分鐘的聚碳酸酯類型(例如Bayer Material Science AG 的聚碳酸酯類型Makrolon 2605 ，德國)是7500巴，但是，僅僅在具 有合適額外機器費用的商業可得的注塑機中產生這些壓力。
在下面通過實施例和參考附圖更詳細地說明本發明，其中
圖1是在分離面中具有澆口和透鏡的注射模具的橫截面示意圖。在 這方面，參考標記1表示可移動的半模，參考標記2表示固定的半模， 參考標記3表示凸面正透鏡，參考標記4表示在分離面中的鑄塑系統， 參考標記5表示凹面負透鏡。
圖2顯示與高壓方法比較的常規方法p-v-T狀態行為。
在這方面，單位為cn^/g的比容繪制在縱坐標，參考標記為20,單 位為攝氏度的本體溫度繪制在橫坐標，參考標記為l9。從頂部向下的線 表示在1巴下的等壓線-參考標記1， 200巴下的等壓線-參考標記2， 40 巴下的等壓線-參考標記3, 800巴下的等壓線-參考標記4， 1200巴下 的等壓線=參考標記5， 1600巴下的等壓線-參考標記6， 2000巴下的等 壓線=參考標記7， 2400巴下的等壓線-參考標記8, 2800巴下的等壓線 =參考標記9,對于在300'C/l.2kg下測定MVR為60g/10分鐘的聚碳酸 酯，例如Makrolon 1265 。
虛線(=參考標記21)表示使用常規壓力時常規注塑中的模具內部 壓力的過程。可以清楚地看見由于在等壓冷卻(=參考標記18)沿著1巴線下降到室溫的開始(=參考標記13)和結束(參考標記=14)之間的 比容差異引起的室溫收縮。
連續線(=參考標記22)表示高壓工藝的過程。與常規注塑方法相 比，沿著1巴線的等壓冷卻的開始和結束重合在室溫時的一點(-參考 標記14)，這是由于收縮等于零。為此，前提是在足夠高壓力下的在先 等容冷卻(=參考標記17)。
圖3表示對于零收縮的保持隨動壓力的測定。
單位為％的工藝收縮顯示在縱坐標上，參考標記為2。參考標記為3 的橫坐標顯示要在注塑機中調節的保持隨動壓力。收縮隨著保持隨動壓 力函數在1%至0%范圍內變化。這種收縮特別取決于所用塑料材料的粘 度。
在該實施例中，對于在30(TC/1.2kg下MVR為60g/10分鐘的低粘 度聚碳酸酯(例如Makrolon 1265 ,參考標記4表示的下部連續線)而 言，2700巴的保持隨動壓力對于達到零收縮是必要的。對于在300'C /1.2kg下MVR為19g/10分鐘的中等粘度聚碳酸酯(例如聚碳酸酯類型 Makrolon 2405 ,參考標記5表示的中間虛線)而言，需要顯箸更高的 5000巴的保持隨動壓力以達到零收縮。另一方面，對于在300'C/l,2kg 下MVR為12g/10分鐘的更高粘度的聚碳酸酯(例如聚碳酸酯類型 Makrolon 2605 ,參考標記6表示的上部細虛線)而言，需要高達7500
巴的保持隨動壓力。
圖4示意性地顯示用Shack-Hartmann傳感器檢測波面像差的實驗
情況，。
對要檢測的透鏡的光源(參考標記2)用。5nm激光器(參考標記 1)實現，其中在入口側上有匹配的會聚波面(參考標記5)。要檢測的 透鏡出口處的平面波(參考標記6)帶有關于透鏡表面的總形狀偏差的 信息，例如由于加工收縮引起。這種波面(參考標記6)是在位于 Shack-Hartmann波面傳感器(參考標記4 )上的開普勒望遠鏡(參考標 記3)的幫助下形成的。
圖5顯示了隨著壓力的增加而下降的波面像差的表格式的實驗結果。
在表中，根據ISO 10110-5的球面像差C8在列中顯示為相對于三種 類型聚碳酸酯的波長A (635nm)的倍數，在各種情況下檢測兩次。各
行的表值顯示要在注塑機中調節的保持隨動壓力的影響。球面像差C8 隨著保持隨動壓力的增加而降低，在顯示的范圍中從16入降低到最小3 入。這種依賴于保持隨動壓力的函數關系特別取決于所用塑料材料的粘 度。在該實施例中，在300X:/1.2kg下MVR為60g/10分鐘的低粘度聚 碳酸酯(例如MakroIon 1265 )具有最小的像差值。在300'C/1.2kg下 MVR為12g/10分鐘的粘度更高的聚碳酸酯(例如聚碳酸酯類型 Makrolon LQ2687 )和在300'C/1.2kg下MVR為6.5g/10分鐘的高粘度 的聚碳酸酯nos.5+6 (例如聚碳酸酯類型Makrolon LQ3118 )具有高出 約2入更不利的像差值。
實施例
實施例注塑輪廓準確的凸面或凹面透鏡
在沒有對收縮進行任何校準的情況下，在設計作為多個腔室的半模 中引入透鏡輪廓。這些對稱排列的腔室中的一個配備有模具內部壓力傳 感器。傳感器安裝在具有最大壁厚的透鏡位置上。透鏡腔室的注射通過 具有同樣的位于該半模中的大氣流的冷流道進行。該半模含有脫模系 統，用于在模塑加工結束時從模具取出模壓部件。將注射模具引入具有 大水力轉化率的注塑機中，以產生最大3000巴的模具內部壓力。
透明聚碳酸酯顆粒于300。C在注塑機中塑化，并在常規低壓力下注 射入被加熱到卯。C的注射模具中。機器參數，即計量沖程、轉換點、保 持隨動加壓時間等，是用該設置最優化的，從而形成具有盡可能準確的 輪廓的注塑部件。設定保持隨動壓力時間使得其符合注塑部件的澆口開 啟時間。從該機器設定開始，注塑機壓力在保持隨動加壓期間逐步升 高，直到模具內部壓力的降低由于固化而達到在澆口開啟時間結束時 (等于調節的保持隨動加壓時間)的壓力，該壓力在進一步的等容狀態 行為期間與室溫(RT)下p-v-T圖表中的1巴線水平相交。
在圖2描述的實施例的情況下，對于高壓加工過程(-參考標記 22)，在澆口開啟時間結束時的模具內部壓力將是約800巴的殘余壓力。
作為根據p-v-T相關性設定注塑機的另外一個選擇，在p-v-T行為 未知的情況下，必要的保持隨動壓力可以通過實驗測定。為此，當調節 注塑機時，以同樣方式逐步提高保持隨動壓力，并且從每個注塑的透鏡 檢測加工收縮或與模具輪廓尺寸之間的偏差。對于零收縮的保持隨動壓
力可以從收縮作為經調節的保持隨動壓力的函數關系測定；參見圖3。 在每種情況下，由具有不同粘度的三種不同類型聚碳酸酯制成的兩
種負透鏡通過上述方法注塑，并且根據Shack-Hartmann方法用激光器在
波長入-635nm檢測像差；參見圖4。
在該實驗中，注塑機的水力保持隨動壓力逐步升高，開始是1000
巴，直到3500巴。對于三種聚碳酸酯，通過Shack-Hartmann方法檢測
的像差從在1000巴下的5-U入減小到在3500巴下的2-3入；參見圖5。
權利要求
1.一種使用含有至少兩個半模的模具生產透明熱塑性聚合物的厚壁精密元件的注塑方法，其特征在于將熔融的聚合物注射入模具的模腔中，然后在填充模具的模腔之后，施加至少1000巴(100MPa)水力保持隨動壓力，并且在熔體的冷卻期間保持這種高壓作用。
2. 根據權利要求1的方法，其特征在于在保持隨動加壓階段的范 圍內的注塑機的壓力，調節使得在達到熱塑性聚合物的固化溫度時，在 模壓部件的最大壁厚區域中檢測到模具內部壓力，使得在進一步等容冷 卻期間，如果模壓部件在達到室溫之前不移出，則模壓部件在達到室溫 時具有1巴的模具內部壓力(O.lMPa)。
3. 根據權利要求1或2的方法，其特征在于聚碳酸酯、聚曱基丙 烯酰基甲基酰亞胺、環烯烴共聚物或聚丙烯酸酯用作透明熱塑性聚合 物。
4. 根據權利要求1-3中任一項的方法，其特征在于使用含有至少兩個半模的模具，其中主流道布置在半模的分離平面中。
5. 根據權利要求1-4中任一項的方法，其特征在于模壓部件的最大 壁厚是至少5mm。
6. —種可通過根椐權利要求l-5中任一項方法獲得的光學模壓部件。
全文摘要
本發明涉及一種使用含有至少兩個半模的模具生產透明熱塑性聚合物的厚壁精密元件的注塑方法，其特征在于將熔融的聚合物注射入模具的模腔中，然后在填充模具的模腔之后，施加至少1000巴(100MPa)水力保持隨動壓力，并且在熔體的冷卻期間保持這種高壓作用。
文檔編號B29C45/57GK101186101SQ20071018146
公開日2008年5月28日 申請日期2007年10月25日 優先權日2006年10月25日
發明者F·希曼, K·薩勒維斯基 申請人:拜爾材料科學股份公司