Herstellung von optischen Komponenten mit höchster Präzision

Projektbeschreibung

Das CRoCoMold-Projekt wurde ins Leben gerufen, um ein alternatives Produktionsverfahren für dünnwandige optische Komponenten zu entwickeln.

Innovative Spritzgussverfahren ermöglichen bereits heute die Herstellung optischer Bauteile mit höchster Präzision. Und die Nachfrage nach optischen Kunststoffkomponenten 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.

Die Produktionskosten lassen sich massiv reduzieren, indem Fertigungsprozesse mit möglichst geringem Einsatz an Kunststoffmaterial unter Einhaltung höchster Qualitätsstandards realisiert werden.

polyoptics als optische linsen hersteller und führender Anbieter von optische Komponenten sowie die gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH wollen hier mit Hilfe des kontinuierlichen Kompressions-Guss-Verfahrens (Continuous Compression Molding Process – CCM) gemeinsam bahnbrechende Wege gehen.

Der CCM-Prozess besteht maßgeblich aus den in der folgenden Grafik dargestellten Verarbeitungsschritten:

Für das Projekt ausgewählt wurde eine CCM-Maschine des italienischen Unternehmens SACMI.

Sie trägt die Bezeichnung CCM 24, da diese Maschine mit bis zu 24 Formen ausgestattet werden kann.

Die Firma SACMI ist bekannt als Partner mit hohem technologischen Niveau und herausragenden Fähigkeiten auf dem Gebiet neuer Entwicklungen. CCM-Maschinen der Firma SACMI können mit bis zu 80 Formen ausgestattet werden und zeichnen sich durch ihre nahtlose und kontinuierliche hochpräzise Verarbeitung aus.

Durch eine definierte Ausrichtung der extrahierten Kunststoffteile ist ein Online-Qualitätskontrollsystem in der Lage, Abweichungen in Qualität oder Sortierung zu erkennen, einzelne Formteile abzulehnen und sogar mehrere Formen zu deaktivieren.

Selbst andere Veredelungsprozesse wie Beschichtung oder sonstige Bearbeitungen lassen sich somit problemlos in eine Fertigungslinie integrieren.

Die CCM-Technologie ist bereits heute eine Alternative zum Spritzgussverfahren bei der Hochgeschwindigkeits-Serienfertigung von teilkristallinen Kunststoffteilen.

In der weiteren Entwicklung bestehender Anlagentechnik müssen nicht nur die material- und bauteilspezifischen Anforderungen berücksichtigt werden, sondern auch die hochtechnischen Maschinenbedingungen, wie etwa bis zu 80 Formen, die auf einem rotierenden Maschinentisch montiert sind.

PMMA-Kunststoffgranulate, 24-Maschine bei polyoptics

Abbildung 1: links: PMMA-Kunststoffgranulate; oben: CCM 24-Maschine bei polyoptics; rechts: planare PMMA-Linsen, geformt mit CCM

Eines der Ziele ist es, Spritzguss-Materialien für die CCM-Verarbeitung zu verwenden, um dadurch die Anzahl der eingesetzten Kunststoffmaterialien eines Spritzguss-Unternehmens nicht zu erhöhen.

Darüber hinaus ist bei Verwendung der gleichen Materialien wie für das Spritzguss-Verfahren keine Zustimmung des Kunden für den Einsatz neuer Materialien erforderlich.

Auf diese Art und Weise ist ein direkter Vergleich von Qualitätsaspekten zwischen dem CCM-Prozess und dem Spritzgussverfahren möglich.

Endzustand 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.

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 die Spritzguss-Materialien Plexiglas ® 6N, 8N und 8h sowie Altuglas ® V825T.

In enger Zusammenarbeit zwischen polyoptics, SACMI und der KIMW-F wurden 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.

Eine Materialanalyse des extrudierten PMMA mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) – eine Methode zur Detektion von Abbau molekularer Ketten – bestätigte,  dass es im Material keine thermische Zersetzung gab.

Mit der verbesserten Temperaturregelung wurden alle drei PMMA-Materialien mit verschiedenen Variationen von Prozessparametern verarbeitet, um so die besten Parameter für die vorhandene Form zu evaluieren.

Weitere Tests ergaben, dass die technische Einrichtung von Düse, Schneid- und Transportvorrichtung und auch die Form optimiert werden mussten.

In mehreren Schritten wurde die Schnitt -und Transporteinheit der CCM-Maschine ausgetauscht.

Dabei war es notwendig, einen Controller für beide Komponenten zu programmieren, 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.

In der nächsten Projektphase wurden Linsenformen für 5 mm dicke planare Linsen konstruiert und gebaut.

planare Linsen

Abbildung 2: kompressionsgeformte planare Linsen

Die Muster der neuen Formen waren ein Erfolg. Erstmalig war es gelungen, optische Linsen aus PMMA mit Hilfe des kontinuierlichen Kompressions-Guss-Verfahrens 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.

Zur Beurteilung der Qualität des Formteils und der Zuverlässigkeit des Prozesses wurde das Material mit Hilfe 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.

Eine weitere Optimierung der Oberflächenqualitäten kann durch die Manipulation der Kontakttemperaturen zwischen der Klinge und der Form mit der Schmelze erzielt werden.

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.

Das Projektteam zieht eine positive Bilanz aus dem Projekt:

Die Möglichkeit der Verarbeitung von PMMA mit Hilfe des CCM-Verfahrens 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.

Projektpartner

Kunststoff Institute Ludenscheid, polyoptics

Die gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH unterstützt kunststoffverarbeitende Unternehmen bei ihren Forschungs- und Entwicklungsaufgaben und sichert somit die Wettbewerbsfähigkeit von partnerschafts-, anwendungs- und stiftungsorientierten F&E-Aktivitäten durch die Schaffung und Festigung von Innovationsführerschaften, die Förderung von Know-how und die Verbreitung von Wissen.

KIMW-F Forschungsthemen finden sich in den Bereichen der Kunststoffverarbeitung und des hierzu relevanten Werkzeugbaus sowie in Bereichen von Beschichtungstechnologien.

+ 49 (02351) 6799921

beck@kunststoff-institut.de

„Dieses 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. Der Autor ist für den Inhalt dieser Publikation verantwortlich.“