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Perfectionnements relatifs à la fabrication de lentilles optiques et d'autres moulages en matières plastiques.
La présente invention vise à apporter des perfec- tionnements à la fabrication de lentilles optiques et au- tres moulages en matières plastiques et se rapporte prin- cipalement à la fabrication de lentillesde prismes et éléments optiques analogues, en partant de matières thermo- plastiques transparentes telles que les polymères organiques (par exemple, méthacrylate de méthyle, polystyrène, chlo- rure de polyvinyle) qui, sous leur forme finie, sont opti- quement limpides, uniformes, stables et résistent aux dé- formations ou aux modifications de la structure moléculaire:
Dans le brevet britannique 416.398.on a décrit un procédé de fabrication de dispositifs optiques, suivant le- quel on imprime à une matière thermoplastique transparente la forme et les surfaces parfaitement polies requises, au
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moyen d'une seule opération de moulage, tandis que, dans le brevet britannique n 544.472, on a décrit une presse rotative pour le moulage d'objets en matière thermoplastique par exemple, presse dans laquelle une matrice chauffée est d'abord mise légèrement en contact avec la matière contenue dans le moule (également chauffé) associé à cette matrice, en vue de réchauf- fer la matière thermoplastique, cette matrice étant ensuite amende à exercer une pression déterminée d'avance sur la ma- tièrethermoplastique,
pour être finalement retirée de façon ne plus être en contact avec cette matière.
Tune façon générale, la présente invention se rapporte aux opérations du type décrit dans les brevets cités. Il va de soi que, pour exécuter une opération de moulage d'une lentille, d'un prisme ou élément optique analogue, les matrices métalli- ques (généralement établies en acier spécial) sont usinées, rec- tifiées et polies avec un très haut degré de précision, de ma- nière à présenter des surfaces susceptibles de reproduire sur ]'objet moulé des surfaces correspondantes, présentant le haut degr@ de précision optique propre aux lentilles en verre, par exemple celles de lunettes, de microscopes, de télescopes), appareils photographiques et projecteurs cinématographiques.
Conformément àla présente invention, la matière insérée dans le moule ou la matrice consistera en une ébauche solide en ma- tièrd thermoplastique du type décrit ci-dessus.
Pendant la solidification ou la polymérisation initiale des matières thermoplastiques, ces dernières acquièrent une structure moléculaire qui est normalement uniforme et exempte de tensions internes. On a constaté que si , au cours du pro- cessus de moulage, la matière est soumise à une déformation ou une tension analogue, les propriétés optiques de l'élément achevé peuvent se trouver influencées défavorablement. La pré-
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sente invention vise précisément à remédier à une telle défor- mation (ou tension), ou à empêcher celle-ci, lors du processus de moulage.
Suivant la présente invention telle qu'appliquée à la fabrication de lentilles, prismes et éléments optiques ana- logues en partant de matières thermoplastiques transparentes, on établit d'abord une ébauche solide par découpage, meulage ou opérations mécaniques analogues, en lui donnant une forme qui se rapproche sensiblement de sa forme finale, l'ébauche demi- finie ainsi établie étant ensuite soumise au moulage final dans des matrices de précision, afin d'assurer à la lentille, au prisme ou autre élément optique une forme et des surfaces ayant la précision optique voulue.
Suivant un mode de réalisation préféré, l'ébauche est non seulement amenée approximativement à sa forme finale par découpage, meulage ou opérations mécaniques analogues, mais est en attire soumise à une opération de polissage, en vue d'é- liminer toute rugosité, toujours dans le but de donner à l'é- bauche une forme qui se rapproche autant que possible de la forme finale.
Lors de l'opération de moulage, il importe d'éviter la formation de poches d'air, c'est-à-dire que l'ébauche déjà préparée doit présenter une forme telle que, pendant l'opéra- tion de moulage, l'air puisse s'échapper librement vers la périphérie des matrices. Ainsi, dans le cas d'une lentille à surface convexe, c'est-à-dire lorsque la matrice correspondan- te est concave, le rayon de courbure de l'ébauche préparée ne doit pas être supérieur au rayon de courbure de la matrice; il doit être légèrement inférieur à ce rayon. Par exemple, lorsque le rayon de courbure de la matrice concave est de 10 cm., le rayon de courbure de la surface convexe de l'ébauche peut être de 9,5 - 9,8 cm. par exemple.
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Inversement, lorsque la lentille ou un autre élément optique présente une surface concave, le rayon de courbure de l'ébauche préparée doit être légèrement supérieur au rayon de courbure de la surface convexe de la matrice.
Le rapport correct entre le rayon de courbure de l'é- bauche et le rayon de courbure de la matrice est réalisé lors des opérations nécessaires pour préparer l'ébauche en question, savoir par un découpage, un meulage ou un polissage appropriés.
Dans un grand nombre d'opérations de moulage appliquées aux matières ramollies ou plastiques, une extrusion a lieuà la périphérie des matrices ou à /proximité de des matrices Conformément à la présente invention, l'extrusion est évitée, autant que possible grâce aux deux me- sures ci-après : a) l'ébauche présente un volume total tel qu'aucune portion de celui-ci ne sera expulsée sur le pourtour des bords contigus des matrices, et b) dans ses partie,3 appelées à constituer la périphérie ou les bords de l'élément optique moulé, suivant la forme fi- nale, l'ébauche préparée présente une forme et des dimensions qui se rapprochent, dans des limites très étroite.,, des dimen- sions et de la forme de l'objet final.
La lentille établie conformément à la présente invention est exempte d'irisations.
Dans le cas d'un prisme de section triangulaire, l'une des matrices peut présenter un profil intérieur en "V", tandis que l'autre est plane. Alors que le profil intérieur en "V" de la matrice présente la forme exacte que cb it avoir le prisme fini, l'ébauche insérée dans cette matrice présente un angle dièdre très légèrement inférieur à celui du profil intérieur de la matrice, afin d'empêcher la formation de poches d'air pendant l'opération de moulage. Les mêmes considérations s'appliquent à l'exécution de prismes présentant plus de trois côtés.
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Suivant la présente invention, telle qu'appliquée à la production de lentilles, prismes et éléments optiques ana- logues à partir d'une matière thermoplastique transparente, une ébauche solide est préparée par découpage, meulage ou opé- rations mécaniques analogues, en lui donnant une forme qui se rapproche sensiblement de la forme de l'objet final; cette ébauche est soumise à un réchauffage à une température conve- nant au moulage et subit ensuite le moulage final dans des ma- trices de précision, afin d'assurer à la lentille, au prisme ou autre élément optique la forme et le...surfaces de la. préci- sion optique voulue. La description qui suit sera limitée à la fabrication de lentilles possédant une précision optique.
Suivant une autre caractéristique de la présente in- vention, les matrices sont montées dans la presse de telle manière qu'au moins l'une des matrices soit soumise à une pression élas- tique ou souple (par exemple la pression d'un ressort puissant comprimé), de sorte que, lors du refroidissement et de la con- traction qui en résulte, de l'ébauche soumise au moulage, la matrice mobile puisse rattraper la contraction. Grâce à cette disposition, le mouvement de rattrapage de la matrice mobile n'est arrêté par aucun moyen mécanique d'arrêt: la pièce finie détermine seule l'arrêt de ce mouvement, les dimensions précises de la pièce finie étant déterminées par le poids ou le volume de l'ébauche préparée.
Suivant une autre caractéristique de la présente inven- tion, les matrices sont montées ar la presse dans des porte-ma- trices à circulation de fluide, la périphérie des matrices étant embrassée par un logement serré (cylindrique dans le cas d'une lentille circulaire); chaque porte-matrice comporte des conduits pour le fluide de chauffage, pouvant être de la vapeur et pour un fluide réfrigèrent pouvant être de l'eau, de sorte que pen- . dent le refroidissement, l'extraction de la chaleur de l'ébauche
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s'effectue à travers les matrices mêmes.
Le logement ou l'al- véole qui entoure la matrice n'est pas soumis au refroidisse- ment par eau, cette disposition empêchant la formation d'une zone annulaire solidifiée et durcie à la périphérie de la pièce moulée soumise au refroidissement, ce qui pourrait gêner le mouvement de rattrapage correct de la matrice mobile pen- dant la phase finale de l'opération de refroidissement.
Dans le cas de lentilles biconvexes ou biconcaves, la lentille peut varier considérablement d'épaisseur entre son centre et sa périphérie, le refroidissement de la matrice étant conçu de telle manière que l'extraction de la chaleur de la pièce soumise au refroidissement est sensiblement uni- forme sur la totalité de sa surface ou dans la totalité de son voluem.
La nature de la présente invention et celle de ses caractéristiques secondaires ressortiront du texte ci- après, lequel décrit à titre d'exemple le procédé et k'appa- reillage utilisés pour la production de lentilles en partant de feuilles d'un polymère de méthacrylate de méthyle, ou en partant de polystyrène, avec renvoi aux dessins annexés, danslesquels :
La f ig. 1 est une vue en perspective de l'appa- reil de moulage.
La fig. 2 est une vue en perspective, partielle- ment en coupe, montrant la pince porte-lentille et le dispo- sitif de chauffage électrique.
La fig; 3 est une vue de détail en coupe verticale montrant l'opération de démoulage de la lentille.
La fig. 4 est une vue en coupe verticale d'une partie de la presse, y compris les matrices supérieure et in- férieure ainsi que les organes associés, la lentille étant sous pression.
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Partant d'une feuille plane d'épaisseur appropriée,on découpe des flans circulaires au moyen d'une fraise à perfo- rer rotative. Chaque flan est monté dans le mandrin d'un tour et l'une de ces faces' est tournée , pour présenter la surface courbe appropriée, au moyen d'une fraise profilée, la surface ainsi dépouillée étant ensuite rectifiée. Le flan circulaire est ensuite retourné et son autre face est découpée et rec- tifiée de la même manière , en vue de présenter la surface courbe voulue. L'eau constitue un lubrifiant convenable pour l' opération de coupe. On peut prévoir des butées destinées à agir sur le chariot du tour, afin d'assurer le poids cor- rect du flan préparé. Le poids et/ou les dimensions du flan formé peuvent en outre être contrôlés.
Chaque flan préparé est poli sur une machine à polir rotative, dans le but d'éliminer les cavités suscep- tibles de retenir la poussière, d'assurer un contact étroit avec les matrices et de faciliter l'examen de la surface en vue de rechercher les poussières et autres impuretés ,ainsi que les défauts de la surface.
La presse à mouler est, dans ses grandes lignes, d'une construction normale. Le logement ou l'alvéole cylin- drique 10 et le porte-matrice 11 pour la matrice inférieure 12 sont montés dans la partie inférieure de la presse (dans l'exemple représenté, la pièce mobile 13). Le porte-matrice 14 pour la matrice supérieure 15 est monté sur le fond d'un plongeur 16, qui est guidé avec précision dans un cylindre 17 (pot de compression) solidaire de la partie supérieure de la presse, un ressort de compression puissant 18 étant interposé entre le plongeur 16 et le cylindre 17, en vue de solliciter la matrice supérieure 15 vers le bas. Le porte-matrice in- férieur Il est pourvu de conduits pour la circulation de fluides a savoir 19 pour l'eau froide et 20 pour la vapeur.
Le porte- matrice supérieur 14 est pourvu de conduits pour la circulation de
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fluides, à savoir 21 pour l'eau froide et 22 pour la vapeur.
Les passages prévus dans les porte-matrices mêmes sont dis- posés ?ne telle manière que l'application de la chaleur à la matrice ou l'extraction de la chaleur de la matrice s'effec- tue à travers la partie dorsale de cette dernière . Les faces actives des matrices sont usinées, rectifiées et polies avec un très haut degré de précision. La face dorsale de chaque matrice est également rectifiée avec précision, afin d'assu- rer un contact parfait entre cette dernière et la surfacerec- tifiée d'une façon correspondante, du porte-matrice.
Des fours Electriques 23 ,sont destinés au réchauffage des flans 24 des lentilles, ces fours étant de préférence pla- cés à la portée de la main du préposé à la presse. Par exem- ple, pour leslentilles ayant un diamètre maximum de 1 à 2 pouces, des fours 23 peuvent être montés sur le bâti 25 de la presse et chauffés électriquement , la température étant régléeau moyen de rhéostats 26. Un flan de lentille propre est convenablement serré dans une pince 27 de forme appropriée, qui n'entre en contact qu'avec la périphérie du flan, la par- tie de la pince, qui tient la lentille pouvantêtre introduite dans le four.
Dans le cas d'un flan formé avec du méthacrylate de méthyle, la température de réchauffage peut, dans le cas de certaines lentilles, s'élever jusqu'à 130 C à 140 C, bien que ceci dépende dans une certaine mesure des dimensions de la lentille. Dans le cas de flars établis en partant de poly- styrène, la température de.réchauffage peut s'élever jusqu'à 100 -110 C. On prévoit des moyens pour assurer la pureté de l'air dans les fours.
Les conduits pour fluides prévus dans chacun des porte-matrice sont agencés pour^être mis en communication l'un avec @ un tuyau de prise de vapeur 28 et l'autre avec un tuyau de prise d'eau de refroidissement 29 .
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Comme montré dans la fig.3, la matrice inférieure 12 est couplée, au moyen d'une tige 30, à une masse 31 se déplaçant verticalement dans des guides 32 ménagés dans la partie mobile 13 de la presse. La masse 31 est engagée sur le levier à main 33 monté à pivot, la disposition étant telle que, lorsque l'o- pération de moulage est terminée et que la pièce mobile 13 est abaissée (au moyen d'un mécanisme hydraulique courant), le le- vier à main 33 peut être soulevé en vue de refouler et d'éjecter la matrice inférieure 12 du logement 10 et de démouler la len- tille achevée.
L'opération de moulage est exécutée comme suit : Tant les matrices 12 et 15 que les flans 24 sont Tendus propres au point de vue optique. Après avoir été réchauffé dans le four 23, le flan 24 est déposé dans la matrice inférieure 12, qui est insérée dans l'alvéole ou le logement 10. Le fonctionne- ment normal de la presse 34 a pour effet d'établir le contact entre le flan 24 et les deux matrices 12 et 15, dont les porte- matrice 11 et 14 sont, pendant cette phase du procédé, chauffés par le-1 tuyaux de vapeur 20 et 22, jusqu'à la température de moulage. La pression s'élève ,dans le cas de flans de métha- crylate de méthyle, à 2 tonnes environ par pouce carré et, dans le cas de flans de polystyrène, à 1 tonne environ par pouce car- ré.
La durée du moulage à la température élevée mentionnée ci- dessus varie quelque peu avec les dimensions de la lentille et peut être de 2 à 3 minutes. On ferme alors l'arrivée de vapeur et les porte-matrice 11 et 14 se refroidissent grâce à une cir- culation d'eau à travers les tuyaux 19 et 21. C'est au cours de cette phase de l'opération que la matrice supérieure 15 ef- fectue son mouvement de rattrapage. En d'autres termes, la pres- sion est maintenue durant le refroidissement, et l'action exer- cée Par le ressort comprimé 18 sur la matrice supérieure 15 oblige les surfaces des matrices à demeurer en contact parfait
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avec les surfaces moulées de la lentille 24 jusqu'à la solidi-
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fic8tj.on complète de cette dernière.
Pour les lentilles ayant un diamètre de 1 à 2 pouces, la durée du refroidissement sous pression peut être de 3 à 3,5 minutes.
Après l'ouverture de la presse, on éjecte d'abord la
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matrice inférieure 1,2 hors de l'alvéole 10 ensculevant cette 'fratrie m'iqu2ment . Les bords périphériques peuvent présen- ter de légères rugosités et se laissent lisser aisément.
Il y a lieu de noter ce qui suit, concernant le procède
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-:::sTf8ction:l décrit ci-dessus : Ce procédé Demet de fabriquer des lentilles et d'autres objets, d'une précision optique, en partant de matières plastiques, dans un moule clos et sans
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fcirc :' lj:;7,¯C d'un moyen mécanique d'arrêt, et cela à telle ma- nière que:
les objets '!'1.T'.i soient exempts ce tensions internes Ll.',:Liî. 0 ::;.. ,'r â''iit.''71'i, -1.' '-c07.S,JGLIr voulue et dont la forme ét les cmGct<rj:;;t.';:-.UG,:3 optiques restent inaffectées pendent un temps indéfini en dépit des modifications thermiques et atmos- phériques normales.
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Un /1e::, résultats dus au f'.it que l'ébauche est prépa- rée avec une courbure se rapprochant très sensiblement de la carbure finale consiste en ce qu'une très faible qualité de
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:-ro..ti¯2re, doit être déplacée par les matrices lors de l'opération de Ii,O\'.1::::.;8.
-,' 1).,"'lC faqo:1 S n'r-ale, la forme préalable du flan se r2:')')rocne suff-isûr="o't de la courbure finale, de sorte que chaqu. face de la lentille ne doit subir qu'une lésère r',(luc- t-.on lors de l'ovation de m0\11o.3e. Lorsque l'ébauche a été -chauffée à une température correcte, cette réduction consis- te en un léger écoulement radial vers l'extérieur en partant du centre, sans déterminer des traces de tensions internes visibles alors que, si la courbure de la lentille était ob- tenue entièrement sous l'effet de la pression exercée par les @
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matrices dans un moule clos, en partant d'une ébauche plate d'épaisseur uniforme, on constaterait que le produit final présente généralement des traces de tensions internes d'un caractère nuisible.
On remarquera naturellement que l'ébauche de la forme préalable à surfaces courbes par une opération de- fraisage n'a pas pour effet 'd'imposer à la matière des tension internes comme celles qui résulteraient d'une opération de mou- lage d'une amplitude suffisante pour former le surface courbe en partant d'une surface pleine et où la matière ne pourrait pas s'écouler librement hors du moule. Un autre avantage résultant de l'emploi de l'ébauche préalablement formée à surfaces cour- bes consiste en ce que la formation de poches d'air dans le moule s'en trouve empêchée.
De plus, l'absence d'une butée fixe limitant le dé- placement de la matrice présente une grande importance, étant donné qu'il a été constaté que la matière plastique se con- tracte légèrement au cours du refroidissement. Or, dans le procédé décrit ci-dessus, les matrices sont maintenues en contact étroit avec la matière jusqu'à la solidification finale du produit, ce qui n'est pas réalisable lorsqu'on fait usage '.'une butée fixe. Dan, le même ordre d'idées, la méthode com- sistant à refroidir le flan d'une manière unforme sur toutes ses surfaces en déterminant une extraction.
de chaleur à tra- vers les parties dorsales des matrices est d'une grande im- portance, car, si le refroidissement se faisait à travers le logement de la matrice, la partie périphérique de la lentille aurait tendance à se solidifier en premier lieu, de sorte que la pression "de rattrapage" n'aurait pas pour effet de main- tenir un contact étroit entre les matrices et la totalité des surfaces courbes de la lentille.
L'épaisseur finale voulue de la lentille peut-être dé- terminée d'avance d'une manière très précise, en donnant à
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7.'ébauche ayant reçu uns forme préalable le poids et le volume trouvas par calcul et en faisant usage des connaissances qui s'acquièrent aisément par expérimentation avec diverses ma- tières, quant à la réduction de l'épaisseur qui résulte de la pression avec application de la chaleur et du fait de la contraction subséquente lors du refroidissement.
Revendications.
1.- Procédé de fabrication de lentilles, prismes et éléments optiques analogues, en partant de matières thermoplastiques transparentes, telles que le polymère de méthacrylate de méthyle et le polystyrène, dans lequel une ébauche solide est d'abord préparée par fraisage, meulage ou opérations mé- caniques analogues, jusqu'à présenter une forme qui se rap- ,roche sensiblement de la forme du produit final, cette ébau- che étant ensuite soumise au moulage dans des matrices de précision, en vue d'assurer à l'élément moulé une forme et des surfaces offrant la précision optique recherchée .
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Improvements in the manufacture of optical lenses and other plastic moldings.
The present invention aims to bring improvements to the manufacture of optical lenses and other plastic moldings and relates mainly to the manufacture of lenses of prisms and similar optical elements, starting from transparent thermoplastic materials such. than organic polymers (eg methyl methacrylate, polystyrene, polyvinyl chloride) which, in their finished form, are optically clear, uniform, stable and resist deformation or changes in molecular structure:
British Patent No. 416,398 describes a method of manufacturing optical devices whereby a transparent thermoplastic is imprinted with the required shape and perfectly polished surfaces.
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by means of a single molding operation, whereas in British Patent No. 544,472 a rotary press has been described for molding objects of thermoplastic material, for example, in which a heated die is first put into light pressure. contact with the material contained in the mold (also heated) associated with this matrix, with a view to heating the thermoplastic material, this matrix then being fine to exert a predetermined pressure on the thermoplastic material,
to be finally removed so as not to be in contact with this material.
In general, the present invention relates to operations of the type described in the cited patents. It goes without saying that, in order to perform an operation of molding a lens, a prism or the like optical element, the metal dies (usually made of special steel) are machined, rectified and polished with a very high degree of precision, so as to present surfaces capable of reproducing on the molded object corresponding surfaces, exhibiting the high degree of optical precision inherent in glass lenses, for example those of spectacles, microscopes, telescopes) , cameras and cinematographic projectors.
In accordance with the present invention, the material inserted into the mold or die will consist of a solid blank of thermoplastic material of the type described above.
During the initial solidification or polymerization of thermoplastics, they acquire a molecular structure which is normally uniform and free from internal stresses. It has been found that if, during the molding process, the material is subjected to a similar deformation or tension, the optical properties of the finished member may be adversely affected. The pre-
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This invention aims precisely to remedy such deformation (or tension), or to prevent it, during the molding process.
According to the present invention as applied to the manufacture of lenses, prisms and the like optical elements starting from transparent thermoplastics, a solid blank is first established by cutting, grinding or similar mechanical operations, giving it a shape. which approximates substantially its final shape, the semi-finished blank thus established being then subjected to the final molding in precision dies, in order to provide the lens, prism or other optical element with a shape and surfaces having the same desired optical precision.
According to a preferred embodiment, the blank is not only brought approximately to its final shape by cutting, grinding or similar mechanical operations, but is thereby subjected to a polishing operation, in order to eliminate any roughness, always in order to give the blank a shape which comes as close as possible to the final shape.
During the molding operation, it is important to avoid the formation of air pockets, that is to say that the preform already prepared must have a shape such that, during the molding operation, air can escape freely to the periphery of the dies. Thus, in the case of a lens with a convex surface, that is to say when the corresponding matrix is concave, the radius of curvature of the prepared blank must not be greater than the radius of curvature of the matrix. ; it should be slightly less than this radius. For example, when the radius of curvature of the concave die is 10 cm., The radius of curvature of the convex surface of the blank can be 9.5 - 9.8 cm. for example.
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Conversely, when the lens or other optical element has a concave surface, the radius of curvature of the prepared blank should be slightly greater than the radius of curvature of the convex surface of the die.
The correct relationship between the radius of curvature of the blank and the radius of curvature of the die is achieved during the operations necessary to prepare the blank in question, namely by suitable cutting, grinding or polishing.
In a large number of molding operations applied to softened or plastics materials, extrusion takes place at the periphery of the dies or in / near the dies. According to the present invention, extrusion is avoided, as far as possible by the two methods. - on the following: a) the blank has a total volume such that no portion of it will be expelled around the periphery of the contiguous edges of the dies, and b) in its parts, 3 called to constitute the periphery or the edges of the molded optical element, depending on the final shape, the prepared blank has a shape and dimensions which approximate, within very narrow limits. ,, the dimensions and shape of the object final.
The lens made in accordance with the present invention is free from iridescence.
In the case of a prism of triangular section, one of the dies may have an internal "V" profile, while the other is planar. While the inner "V" profile of the die has the exact shape that the finished prism has, the blank inserted into this die has a very slightly lower dihedral angle than the inner profile of the die, in order to prevent the formation of air pockets during the molding operation. The same considerations apply to the execution of prisms having more than three sides.
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In accordance with the present invention, as applied to the production of lenses, prisms and the like optical elements from a transparent thermoplastic material, a solid blank is prepared by cutting, grinding or the like, giving it a shape which substantially approximates the shape of the final object; this blank is subjected to heating to a temperature suitable for molding and then undergoes the final molding in precision dies, in order to provide the lens, prism or other optical element with the shape and ... surfaces of the. desired optical precision. The following description will be limited to the manufacture of lenses having optical precision.
According to another feature of the present invention, the dies are mounted in the press such that at least one of the dies is subjected to an elastic or flexible pressure (for example the pressure of a strong spring. compressed), so that during cooling and the resulting contraction of the preform subjected to molding, the mobile die can take up the contraction. Thanks to this arrangement, the catching up movement of the mobile die is not stopped by any mechanical stopping means: the finished part alone determines the stopping of this movement, the precise dimensions of the finished part being determined by the weight or the volume of the prepared blank.
According to another feature of the present invention, the dies are mounted by the press in fluid-circulating die holders, the periphery of the dies being embraced by a tight housing (cylindrical in the case of a circular lens. ); each die holder has conduits for the heating fluid, which may be steam and for a refrigerated fluid, which may be water, so that pen-. tooth cooling, extracting heat from the blank
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takes place through the same matrices.
The housing or cell which surrounds the die is not subjected to water cooling, this arrangement preventing the formation of a solidified and hardened annular zone on the periphery of the molded part subjected to cooling, which could interfere with the correct catch-up movement of the moving die during the final phase of the cooling operation.
In the case of biconvex or biconcave lenses, the lens can vary considerably in thickness between its center and its periphery, the cooling of the matrix being designed in such a way that the extraction of heat from the part subjected to cooling is substantially united. - shape over the whole of its surface or in the whole of its volume.
The nature of the present invention and that of its secondary characteristics will emerge from the text below, which describes by way of example the process and apparatus used for the production of lenses starting from sheets of a methacrylate polymer. methyl, or starting from polystyrene, with reference to the accompanying drawings, in which:
The f ig. 1 is a perspective view of the molding apparatus.
Fig. 2 is a perspective view, partially in section, showing the lens holder clamp and the electric heating device.
Fig; 3 is a detail view in vertical section showing the removal of the lens from the mold.
Fig. 4 is a vertical sectional view of part of the press, including the upper and lower dies as well as the associated members, the lens being under pressure.
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Circular blanks are cut from a flat sheet of suitable thickness by means of a rotary perforator. Each blank is mounted in the mandrel of a lathe and one of these faces is turned, to present the appropriate curved surface, by means of a profiled milling cutter, the surface thus stripped then being ground. The circular blank is then turned over and its other side cut and rectified in the same way, in order to present the desired curved surface. Water is a suitable lubricant for the cutting operation. Stops may be provided for acting on the lathe carriage, in order to ensure the correct weight of the prepared blank. The weight and / or the dimensions of the formed blank can furthermore be controlled.
Each prepared blank is polished on a rotary polishing machine, with the aim of eliminating cavities liable to retain dust, ensuring close contact with the dies and making it easier to examine the surface for research. dust and other impurities, as well as surface defects.
The molding press is generally of normal construction. The cylindrical housing or cell 10 and the die holder 11 for the lower die 12 are mounted in the lower part of the press (in the example shown, the moving part 13). The die holder 14 for the upper die 15 is mounted on the bottom of a plunger 16, which is guided with precision in a cylinder 17 (compression pot) integral with the upper part of the press, a powerful compression spring 18 being interposed between the plunger 16 and the cylinder 17, in order to urge the upper die 15 downwards. The lower die holder It is provided with conduits for the circulation of fluids, namely 19 for cold water and 20 for steam.
The upper die holder 14 is provided with conduits for the circulation of
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fluids, namely 21 for cold water and 22 for steam.
The passages provided in the die carriers themselves are arranged in such a way that the application of heat to the die or the extraction of heat from the die takes place through the back part of the latter. . The active faces of the dies are machined, ground and polished with a very high degree of precision. The dorsal face of each die is also precision ground to ensure perfect contact between the die and the corresponding surface of the die holder.
Electric ovens 23 are intended for heating the blanks 24 of the lenses, these ovens preferably being placed within easy reach of the press worker. For example, for lenses having a maximum diameter of 1 to 2 inches, ovens 23 can be mounted on the press frame 25 and electrically heated, the temperature being controlled by means of rheostats 26. A clean lens blank is suitably. clamped in a clamp 27 of suitable shape, which only contacts the periphery of the blank, the part of the clamp, which holds the lens being able to be introduced into the oven.
In the case of a blank formed with methyl methacrylate, the reheating temperature can, in the case of some lenses, be up to 130 C to 140 C, although this depends to some extent on the dimensions of the lens. The lens. In the case of flars made from poly-styrene, the reheating temperature may rise to 100-110 C. Means are provided for ensuring the purity of the air in the ovens.
The fluid conduits provided in each of the die holders are arranged to be placed in communication, one with a steam intake pipe 28 and the other with a cooling water intake pipe 29.
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As shown in FIG. 3, the lower die 12 is coupled, by means of a rod 30, to a mass 31 moving vertically in guides 32 formed in the movable part 13 of the press. The mass 31 is engaged on the hand lever 33 pivotally mounted, the arrangement being such that, when the molding operation is finished and the moving part 13 is lowered (by means of a common hydraulic mechanism), the hand lever 33 can be lifted to upset and eject the lower die 12 from the housing 10 and to unmold the completed lens.
The molding operation is carried out as follows: Both the dies 12 and 15 and the blanks 24 are stretched optically clean. After having been reheated in the oven 23, the blank 24 is deposited in the lower die 12, which is inserted into the cell or the housing 10. The normal operation of the press 34 has the effect of establishing contact between the blank 24 and the two dies 12 and 15, of which the die holders 11 and 14 are, during this phase of the process, heated by the steam pipes 20 and 22, up to the molding temperature. The pressure in the case of methyl methacrylate blanks is about 2 tons per square inch and, in the case of polystyrene blanks, about 1 ton per square inch.
The elevated temperature molding time mentioned above varies somewhat with the size of the lens and can be 2-3 minutes. The steam inlet is then closed and the die carriers 11 and 14 are cooled by circulating water through the pipes 19 and 21. It is during this phase of the operation that the die upper 15 performs its catching movement. In other words, the pressure is maintained during the cooling, and the action exerted by the compressed spring 18 on the upper die 15 causes the die surfaces to remain in perfect contact.
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with the molded surfaces of the lens 24 up to the solid
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fic8tj.on completes the latter.
For lenses with a diameter of 1 to 2 inches, the duration of pressure cooling can be 3 to 3.5 minutes.
After opening the press, we first eject the
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inferior matrix 1,2 out of the socket 10 ensculevant this' siblings mequ2ment. The peripheral edges may show slight roughness and can be easily smoothed out.
The following should be noted regarding the process
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- ::: sTf8ction: l described above: This process Demet to manufacture lenses and other objects, with optical precision, starting from plastics, in a closed mold and without
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fcirc: 'lj:; 7, ¯C of a mechanical stopping means, and this in such a way that:
the objects'! '1.T'.i are free from this internal tensions Ll.',: Liî. 0 ::; .., 'r â''iit.' '71'i, -1.' '-c07.S, JGLIr desired and whose shape is cmGct <rj: ;; t.';: -. UG,: 3 optics remain unaffected for an indefinite time despite normal thermal and atmospheric changes.
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Un / 1e ::, results due to the fact that the blank is prepared with a curvature very substantially approaching the final carbide is that a very poor quality of
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: -ro..tī2re, must be moved by the matrices during the operation of Ii, O \ '. 1 ::::.; 8.
-, '1)., "' LC faqo: 1 S n'r-ale, the previous form of the blank is r2: ')') rocne suff-isûr =" o't of the final curvature, so that each . face of the lens should only undergo one lesion r ', (luc- .on when ovation of m0 \ 11o.3e. When the blank has been heated to a correct temperature, this reduction consists of te in a slight radial flow outwards from the center, without determining any visible traces of internal tensions whereas, if the curvature of the lens was obtained entirely under the effect of the pressure exerted by the @
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dies in a closed mold, starting with a flat blank of uniform thickness, the final product would generally be found to exhibit traces of internal stresses of a deleterious character.
It will naturally be noted that the roughing of the previous shape with curved surfaces by a milling operation does not have the effect of imposing on the material internal tensions such as those which would result from a molding operation. sufficient amplitude to form the curved surface starting from a solid surface and where the material could not flow freely out of the mold. Another advantage resulting from the use of the preformed blank with curved surfaces is that the formation of air pockets in the mold is prevented.
In addition, the absence of a fixed stop limiting the movement of the die is of great importance, since it has been observed that the plastic material contracts slightly during cooling. However, in the process described above, the dies are kept in close contact with the material until the final solidification of the product, which is not achievable when using a fixed stop. Dan, the same order of ideas, the method consisting in cooling the blank in a uniform manner on all its surfaces by determining an extraction.
of heat through the dorsal parts of the dies is of great importance, because, if the cooling were to take place through the housing of the die, the peripheral part of the lens would tend to solidify in the first place, so that the "catch-up" pressure would not have the effect of maintaining close contact between the dies and all of the curved surfaces of the lens.
The desired final thickness of the lens can be determined in advance in a very precise manner, giving
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7. The blank having received a preliminary form the weight and the volume found by calculation and by making use of the knowledge which is easily acquired by experimentation with various materials, as to the reduction of the thickness which results from the pressure with application of heat and subsequent contraction during cooling.
Claims.
1.- A method of manufacturing lenses, prisms and the like optical elements, starting from transparent thermoplastics, such as methyl methacrylate polymer and polystyrene, in which a solid blank is first prepared by milling, grinding or operations analogous mechanisms, until having a shape which substantially approximates the shape of the final product, this blank then being subjected to molding in precision dies, in order to ensure that the molded element a shape and surfaces offering the desired optical precision.