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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 .