Procédé de fabrication de pièces optiques en matières plastiques
La présente invention est relative à la fabrication de pièces optiques, telles que lentilles, verres de lunettes, prismes, miroirs, etc., en matière thermoplastique transparente, notamment en résines synthétiques obtenues par polymérisation. Par polymérisation il faut entendre la polymérisation proprement dite et la polycondensation.
Lorsque le développement de la technique des matières plastiques a permis d'envisager l'utilisation de celles-ci pour la confection de pièces optiques, la première idée qui est venue naturellement à l'esprit a été d'opérer, comme pour les autres articles en matière plastique, par matriçage direct de la matière plastique, préalablement stabilisée chimiquement dans des matrices chauffées de dimensions correspondant à celles des produits finis. Mais ce mode opératoire, satisfaisant pour d'autres applications, s'est révélé tel que totalement impropre à produire des articles répondant aux qualités optiques requises.
Si l'on est parvenu sans difficulté à assurer le poli des surfaces extérieures des pièces matricées, en utilisant des matrices - en verre ou en métal - dont les parties en contact avec la matière thermoplastique étaient elles-mêmes soigneusement polies, il en a été tout autrement des qualités d'homogénéité et d'isotropie que doit présenter la masse même de la pièce moulée pour être utilisable en optique. Quel que soit le soin apporté, il se produisait au matriçage des tensions internes inévitables qui compromettaient les qualités optiques de l'article fini. A ce défaut capital, on a bien essayé de remédier en apportant à la pièce après matriçage des retouches ou en lui imposant un traitement.
Mais ces tentatives se sont révélées pratiquement inopérantes, se traduisant par des déformations ou défauts nouveaux quelquefois pires que ceux que l'on se proposait de corriger.
Selon la même conception du matriçage direct donnant immédiatement la pièce optique dans sa forme définitive, on a proposé de procéder au matriçage non plus avec de la matière, thermoplastique préalablement stabilisée, mais avec les produits de départ de cette matière (résine) et en effectuant au cours du matriçage la transformation chimique de celleci, à savoir la polymérisation ou la condensation de la résine. Effectivement, et à la condition de prendre diverses précautions, d'ailleurs variables suivant les auteurs, on est parvenu par ce moyen à obtenir des pièces optiques sans tensions internes donc isotropes.
Mais ce procédé, outre le soin exceptionnel qu'il exige, présente un grave inconvénient pratique. En raison de la durée nécessitée par la transformation chimique de polymérisation ou de condensation, laquelle atteint plusieurs heures, voire parfois une journée, les matrices se trouvent immobilisées pendant un temps prolongé. Comme chaque matrice est celle qui correspond au produit fini, c'est-à-dire à la combinaison optique des courbures de la pièce en fabrication, il en résulte une production très réduite. Ou inversement, pour avoir une production normale à caractère industriel, dans chaque combinaison optique, il faut prévoir une multiplicité de matrices correspondant à cette combinaison, autrement dit, un outillage considérable et coûteux de matrices.
De ce fait, l'utilisation industrielle du procédé conduirait à des investissements hors de proportion avec le résultat cherché et c'est l'une des raisons pour lesquelles le procédé ne s'est pas développé jusqu'ici.
Pour éviter cet inconvénient, on a proposé, en revenant au matriçage de la matière thermoplastique transformée et stabilisée chimiquement, de procéder en une double opération. On prépare d'abord, par des moyens mécaniques, une ébauche en matière thermoplastique, tirée d'un flan de matière homogène, et à laquelle on donne les dimensions approximatives de la pièce finie. Cette préparation s'effectue par les moyens usuels de façonnage mécanique : tournage, fraisage, meulage, polissage. Puis, en une seconde opération, on procède au matriçage à chaud de l'ébauche dans la matrice aux dimensions définitives.
De cette façon, on supprime l'ilnmobilisa- tion excessive des matrices et on obtient une bonne utilisation de l'outillage. Mais la qualité des produits obtenus s'avère variable selon le degré de précision avec laquelle l'ébauche est préparée.
Pour éviter que le matriçage crée des tensions internes rendant le produit défectueux, la préparation de l'ébauche doit être faite avec une grande précision, entraînant des soins minutieux.
La préparation mécanique des ébauches, selon ce procédé, exige un outillage important.
Elle comporte un travail dispendieux en raison des passes nombreuses de fabrication tronçonnage, ébauchage d'une face, ébauchage de la seconde face, polissage des deux faces, dégraissage, nettoyage, etc. De plus, au cours de ces opérations, il se produit nécessairement une perte énorme de matière première précieuse, de sorte que les avantages que l'on pouvait espérer de ce procédé ne se trouvent pas réalisés en raison des sujétions nombreuses qu'il comporte et des dépenses qu'il entraîne.
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication qui, comme les précédents, comporte une fabrication en deux phases préparation d'une ébauche, puis mise en forme de l'ébauche aux dimensions définitives par matriçage. ll est caractérisé en ce que l'on prépare par polymérisation les jeux d'ébauches identiques et en ce qu'à partir des ébauches identiques d'un même jeu, on réalise par matriçage à chaud des pièces optiques différentes.
On voit immédiatement que, selon ce procédé, la préparation mécanique des ébauches, avec ses inconvénients, se trouve totalement supprimée. Toute perte de matière est éliminée.
Si l'on a recours à la polymérisation dans des moules, avec sa durée inévitable, il faut remarquer que cette opération ne s'effectue pas dans les matrices aux dimensions définitives, mais avec un jeu de moules, en nombre limité, des ébauches identiques pouvant donner après un matriçage final diverses pièces finies présentant des surfaces optiques différentes. Alors que les moules de polymérisation sont en cours d'utilisation, les matrices définitives sont disponibles et leur mise en oeuvre ne comporte qu'une immobilisation très courte, puisqu'elle se borne à un matriçage rapide sans transformation chimique.
Le supplément d'outillage dû à la confection de moules de polymérisation se trouve compensé par l'économie considérable de matière et surtout de main-d'aeuvre. I1 en résulte que le procédé selon l'invention évite l'immobilisation d'un outillage important et réduit les frais de fabrication; il est économiquement avantageux.
Le procédé présente aussi, par rapport aux modes opératoires antérieurs, plusieurs avantages techniques.
Les ébauches obtenues par polymérisation dans un moule, non seulement sont exemptes de tensions internes, donc isotropes, mais elles offrent un poli superficiel excellent, que les ébauches préparées mécaniquement ne pouvaient avoir naturellement sans polissage spécial. Ce poli superficiel favorise la qualité des produits finis obtenus par le matriçage à chaud ultérieur. La qualité des produits finis est assurée sans les aléas dus aux imperfections d'exécution de la main-d'ceuvre, même spécialisée, et sans qu'il soit nécessaire de procéder à des mesures et contrôles de calibrage.
I1 est à noter, en outre, que la polymérisation, s'effectuant pour des ébauches, et non en vue de fournir directement la pièce optique finie, peut s'opérer dans des moules en acier ou autre métal, donc incassables. Cette possibilité constitue un avantage sur le moulage ou matriçage unique avec polymérisation qui né- cessite ordinairement des moules en verre fragiles.
Dans une forme préférée de mise en ceuvre du procédé selon l'invention, une ébauche présentant des surfaces courbées, obtenue dans la première opération de moulage par polymérisation, peut servir à la confection de pièces optiques dont les rayons de courbure diffèrent environ de 5 o/o en plus ou en moins de ceux de l'ébauche. Dans ces limites, les déplacements de matière, au cours du moulage final, ne produisent pas d'altération des qualités optiques.
Le procédé s'applique à la fabrication de toutes pièces optiques, et en particulier de lentilles. I1 permet la réalisation de celles-ci en toutes combinaisons optiques symétriques ou assymétriques, sphériques ou asphériques, telles que cylindriques, toriques, paraboliques, etc.
Un exemple de mise en ceuvre du procédé sera maintenant décrit en référence à la figure unique- du dessin annexé qui montre le passage d'une ébauche (en traits pointillés) à l'une des lentilles finales (en traits pleins).
On se propose de fabriquer une série de lentilles concavo-convexes en matière thermoplastique, de même rayon convexe R1= 90,9 mm et ayant respectivement pour rayon concave R2 les valeurs 74,1 mm 71,5 mm - 69 mm avec des épaisseurs E dans la partie la plus mince variant de 1,5 à 1,7 mm.
Dans ce but, on établit des ébauches identiques ayant pour rayon convexe r1 88,23 mm; pour rayon concave r2 = 75,9 mm et. pour épaisseur e = 1,8 mm.
Ces ébauches sont obtenues en coulant dans un moule unique, aux dimensions susindiquées dé l'ébauche, du méthacrylate de méthyle ou de styrène monomère et en assurant, de façon connue, la polymérisation proprement dite de cette résine par maintien du moule à la température de 1800 pendant 24 heures.
Une fois l'ébauche obtenue, de dimensions rl, r2, e, on la place entre les deux matrices d'un moule établi aux dimensions R1, R2, E, que doit avoir la lentille finie. Les deux matrices sont montées sur une presse hydraulique.
Par une légère pression de celle-ci, on amène les matrices en contact avec l'ébauche. et l'on chauffe les matrices à une température comprise entre 110 et 1800, de façon à obtenir le ramollissement de l'ébauche. La pression est ensuite augmentée pour communiquer à l'ébauche, rendue plastique par la chaleur, les dimensions définitives R1, R2, E. Après refroidissement, la lentille est sortie du moule complètement terminée.
Pendant cette opération, il importe de surveiller attentivement la température, et de régler le chauffage pour que la valeur optima, dépendant de la nature de la matière plastique, soit maintenue constante. Ce contrôle s'effectue au moyen des thermo-couples usuels montés sur les matrices de moulage.
Manufacturing process of optical plastic parts
The present invention relates to the manufacture of optical parts, such as lenses, spectacle lenses, prisms, mirrors, etc., in transparent thermoplastic material, in particular in synthetic resins obtained by polymerization. By polymerization is meant the actual polymerization and polycondensation.
When the development of the technique of plastics made it possible to consider the use of these for the manufacture of optical parts, the first idea which naturally came to mind was to operate, as for other articles in plastic material, by direct forging of the plastic material, previously chemically stabilized in heated dies of dimensions corresponding to those of the finished products. However, this procedure, satisfactory for other applications, has proved to be totally unsuitable for producing articles meeting the required optical qualities.
If we have succeeded without difficulty in ensuring the polish of the outer surfaces of the forged parts, by using dies - glass or metal - whose parts in contact with the thermoplastic material were themselves carefully polished, it was quite differently from the qualities of homogeneity and isotropy which the very mass of the molded part must exhibit in order to be usable in optics. Regardless of the care taken, inevitable internal stresses occurred during die-forging which compromised the optical qualities of the finished article. We have tried to remedy this capital defect by retouching the part after stamping or by imposing a treatment on it.
But these attempts turned out to be practically ineffective, resulting in new deformations or faults sometimes worse than those which it was intended to correct.
According to the same design of direct forging immediately giving the optical part in its final form, it has been proposed to proceed with the forging no longer with material, thermoplastic previously stabilized, but with the starting products of this material (resin) and by performing during forging, the chemical transformation of the latter, namely the polymerization or the condensation of the resin. Indeed, and on the condition of taking various precautions, moreover varying according to the authors, by this means we have succeeded in obtaining optical parts without internal tensions and therefore isotropic.
But this process, in addition to the exceptional care it requires, has a serious practical drawback. Due to the time required for the chemical transformation of polymerization or condensation, which reaches several hours, or even sometimes a day, the matrices are immobilized for a prolonged time. As each die is the one which corresponds to the finished product, that is to say to the optical combination of the curvatures of the part being manufactured, the result is a very reduced production. Or conversely, to have a normal production of an industrial nature, in each optical combination, it is necessary to provide a multiplicity of dies corresponding to this combination, in other words, a considerable and expensive tooling of dies.
As a result, the industrial use of the process would lead to investments out of proportion to the desired result and this is one of the reasons why the process has not developed so far.
To avoid this drawback, it has been proposed, by returning to the forging of the transformed and chemically stabilized thermoplastic material, to proceed in a double operation. First, by mechanical means, a blank of thermoplastic material is prepared, taken from a blank of homogeneous material, and to which the approximate dimensions of the finished part are given. This preparation is carried out by the usual means of mechanical shaping: turning, milling, grinding, polishing. Then, in a second operation, the blank is hot stamped in the die to the final dimensions.
In this way, excessive die immobilization is eliminated and good tool utilization is achieved. But the quality of the products obtained turns out to be variable depending on the degree of precision with which the blank is prepared.
To prevent forging from creating internal tensions making the product defective, the preparation of the blank must be done with great precision, requiring careful care.
The mechanical preparation of the blanks, according to this process, requires significant tools.
It involves an expensive job because of the numerous manufacturing passes cutting, roughing of one face, roughing of the second face, polishing of the two faces, degreasing, cleaning, etc. In addition, during these operations, there is necessarily an enormous loss of valuable raw material, so that the advantages that could be hoped for from this process are not realized due to the many constraints it involves and of the expenses it entails.
The subject of the present invention is a manufacturing process which, like the previous ones, comprises manufacturing in two phases, preparation of a blank, then shaping of the blank to the final dimensions by stamping. It is characterized in that the sets of identical blanks are prepared by polymerization and in that from identical blanks of the same set, different optical parts are produced by hot stamping.
It can be seen immediately that, according to this process, the mechanical preparation of the blanks, with its drawbacks, is completely eliminated. Any loss of material is eliminated.
If we resort to polymerization in molds, with its inevitable duration, it should be noted that this operation is not carried out in the dies with final dimensions, but with a set of molds, in limited number, identical blanks which can give after a final die-forging various finished parts having different optical surfaces. While the polymerization molds are in use, the final matrices are available and their use only involves a very short downtime, since it is limited to rapid die-forging without chemical transformation.
The additional tooling due to the making of polymerization molds is offset by the considerable savings in material and above all in labor. It follows that the method according to the invention avoids the immobilization of a large tool and reduces manufacturing costs; it is economically advantageous.
The method also presents, compared to the previous procedures, several technical advantages.
The blanks obtained by polymerization in a mold, not only are free from internal tensions, and therefore isotropic, but they offer an excellent surface polish, which the blanks prepared mechanically could not have naturally without special polishing. This surface polish promotes the quality of the finished products obtained by the subsequent hot forging. The quality of the finished products is ensured without the vagaries of the execution imperfections of the workforce, even specialized, and without it being necessary to carry out measurements and calibration checks.
It should be noted, in addition, that the polymerization, carried out for blanks, and not with a view to directly supplying the finished optical part, can take place in molds made of steel or other metal, and therefore unbreakable. This possibility is an advantage over the single molding or forging with polymerization which usually requires fragile glass molds.
In a preferred form of implementation of the method according to the invention, a blank having curved surfaces, obtained in the first molding operation by polymerization, can be used for making optical parts whose radii of curvature differ by approximately 5 o / o more or less than those of the blank. Within these limits, the movements of material, during the final molding, do not alter the optical qualities.
The method applies to the manufacture of all optical parts, and in particular lenses. It allows the realization of these in all symmetrical or asymmetrical optical combinations, spherical or aspherical, such as cylindrical, toric, parabolic, etc.
An example of implementation of the process will now be described with reference to the single figure of the appended drawing which shows the passage from a blank (in dotted lines) to one of the final lenses (in solid lines).
We propose to manufacture a series of concavo-convex lenses in thermoplastic material, with the same convex radius R1 = 90.9 mm and having respectively for concave radius R2 the values 74.1 mm 71.5 mm - 69 mm with thicknesses E in the thinnest part varying from 1.5 to 1.7 mm.
For this purpose, identical blanks are established having a convex radius r1 88.23 mm; for concave radius r2 = 75.9 mm and. for thickness e = 1.8 mm.
These blanks are obtained by casting methyl methacrylate or styrene monomer in a single mold, with the above dimensions of the blank, and by ensuring, in a known manner, the actual polymerization of this resin by maintaining the mold at the temperature of 1800 for 24 hours.
Once the blank has been obtained, of dimensions r1, r2, e, it is placed between the two dies of a mold established with dimensions R1, R2, E, which the finished lens must have. Both dies are mounted on a hydraulic press.
By a slight pressure thereof, the dies are brought into contact with the blank. and the dies are heated to a temperature between 110 and 1800, so as to obtain softening of the blank. The pressure is then increased to impart to the blank, made plastic by heat, the final dimensions R1, R2, E. After cooling, the lens is completely finished out of the mold.
During this operation, it is important to carefully monitor the temperature, and to adjust the heating so that the optimum value, depending on the nature of the plastic, is kept constant. This control is carried out by means of the usual thermocouples mounted on the molding dies.