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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Gießen von Linsen aus Kunststoff, mit einem von Oberflächen begrenzten Hohlraum und mit Mitteln zum Einbringen des Kunststoffes in den Hohlraum, wobei die Oberflächen mit einer Beschichtung versehen sind.
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Ein Formwerkzeug der vorstehend genannten Art ist aus der
DE 195 12 388 A1 bekannt.
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Für das Gießen von Linsen aus Kunststoff, insbesondere für das Gießen derartiger Brillengläser, sind verschiedene Techniken bekannt. Bei einer aus der
DE 101 41 159 A1 bekannten Technik wird ein Formwerkzeug verwendet, dessen dem Brillenglas angepasster Hohlraum im Wesentlichen durch Oberflächen zweier Formschalen definiert ist. Die Formschalen sind im Abstand zueinander angeordnet. Sie werden für jeden Herstellungsvorgang individuell aus einem Speicher entnommen. Der Speicher enthält eine Vielzahl derartiger Formschalen in unterschiedlicher Oberflächengestaltung, so dass durch entsprechende Auswahl zweier Formschalen eine große Vielfalt von Brillengläsern hergestellt werden kann. Die Formschalen sind an ihrem Umfang mittels eines Dichtringes oder dgl. abgedichtet. Durch Einstellen des Abstandes der beiden Formschalen können Brillengläser unterschiedlicher Dicke hergestellt werden.
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Der Kunststoff wird in den Hohlraum in fließfähigem Zustand eingefüllt. Dies kann durch druckloses Gießen oder durch Spritzgießen mit entsprechendem Druck geschehen. Wichtig ist dabei, dass der Kunststoff blasenfrei eingefüllt wird.
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Als Kunststoffe kommen in erster Linie Monomere in Betracht. Diese werden nach dem Einfüllen in einem exothermen Prozess vernetzt und der Kunststoff damit ausgehärtet. Die Vernetzung kann durch geeignete Zusätze, sogenannte Initiatoren, eingeleitet werden. Es ist auch bekannt, die Vernetzung durch Einstrahlen von UV-Licht zu beschleunigen. Der Vernetzungsvorgang kann zwischen einigen Stunden und einigen Tagen dauern.
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Während der verwendete Dichtring ein Einmal-Teil ist, das nach Beendigung des Gießvorganges entsorgt wird, werden die Formschalen schon aus Kostengründen viele Male verwendet. Die Formschalen bestehen meist aus Glas, um das bereits erwähnte UV-Licht auf den sich im Hohlraum vernetzenden Kunststoff durch die Formschalen hindurch einstrahlen zu können.
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Als Werkstoff für die Formschalen wird außer Glas mitunter auch Keramik verwendet. Diese Werkstoffe sind Isolatoren mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von über 1 kΩcm und einer entsprechend schlechten thermischen Leitfähigkeit. Wegen der schlechten elektrischen Leitfähigkeit besteht das Problem, dass sich statische Aufladungen bilden, die einerseits beim Entformen für ein zusätzliches Anhaften sorgen, andererseits aber auch zu Entladungen führen, die eine Beschädigung der Oberfläche des Brillenglases bewirken können. Wegen der schlechten thermischen Wärmeleitfähigkeit der Formschalen ergibt sich der Nachteil, dass der Vernetzungsprozess nur langsam abläuft, weil die dabei frei werdende Wärme nur schlecht abgeführt wird.
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Beim Entformen wird das Brillenglas von der Oberfläche der Formschale unter Zugkrafteinwirkung, teilweise auch unter Verwendung chemischer Trennmittel abgelöst. Dabei hat sich erwiesen, dass die Oberflächenenergie herkömmlicher Formschalen nicht optimiert ist, so dass beim Entformen zusätzlich eine Haftkraft bzw. eine Klebkraft überwunden werden muss.
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Wenn eine erhebliche Kraft auf das Brillenglas aufgebracht werden muss, um dieses von der Oberfläche der Formschale zu lösen, birgt dies naturgemäß immer die Gefahr von Beschädigungen. Dieses Risiko ist umso größer, je stärker das Brillenglas gekrümmt ist, weil bei gleichem Durchmesser eine gekrümmte Fläche größer ist als eine flache.
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Bekannte Formschalen weisen in ihren Oberflächen nur eine begrenzte Härte und Abriebfestigkeit auf, was deren Lebensdauer einschränkt. Je weicher die Oberfläche ist, desto größer ist auch die Gefahr, dass sich dort Kratzer bilden. Die sich dadurch einstellenden Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Formschalen bilden sich aber auf den damit gegossenen Brillengläsern ab und verschlechtern deren optische Güte.
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Weiterhin unterliegen Formschalen an ihren Oberflächen einem Alterungsprozess, beispielsweise durch Korrosion.
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Aus der eingangs genannten
DE 195 12 388 A1 sind ein Spritzgießverfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Spritzgießvorrichtung bekannt, die zur Herstellung von allerlei Gegenständen einsetzbar sind, beispielsweise von medizinischen Implantaten, Compact-Discs, aber auch von Brillengläsern aus Glas oder Kunststoff.
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Dem bekannten Verfahren liegt das Problem zugrunde, dass die Oberflächen von Hohlräumen in Formwerkzeugen für bestimmte Anwendungen zu kalt sind, wenn der flüssige Kunststoff oder das flüssige Glas eingespritzt werden. Das Verfahren sieht daher vor, die Oberflächen des Hohlraumes durch ein gezieltes kurzzeitiges Verpuffen eines rückstandsfrei verbrennenden, energiereichen Gemisches in dem Hohlraum aufzuheizen. Damit die Oberflächen dabei keinen Schaden nehmen, ist vorgesehen, diese mit einer feuerfesten Beschichtung zu versehen, beispielsweise aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid.
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Diese bekannte Vorgehensweise hat damit den Nachteil, dass zum Beschichten der Oberflächen des Hohlraumes Werkstoffe eingesetzt werden, die lediglich hinsichtlich ihrer Feuerfestigkeit sinnvoll sind. Die weiter oben im Einzelnen aufgezählten Probleme sind mit diesen Werkstoffen nicht lösbar.
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Aus der
EP 1 245 372 A2 sind ein Formwerkzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen von ophthalmischen Linsen aus Kunststoff bekannt. Das Formwerkzeug weist zwei Werkzeughälften auf, die an ihren Innenoberflächen mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung soll eine Blasenbildung an der Oberfläche der Linsen und ein Anhaften der Linsen am Werkzeug beim Entformen verhindern. Ferner soll die Beschichtung dauerhaft sein. Zum Beschichten werden Materialien verwendet, die einen nach dem Sessile-Tropfenverfahren ermittelten Wasserkontaktwinkel zwischen 0 und 60° aufweisen, beispielsweise eine plasmagesprühte Schicht aus Diaminocyclohexan oder Vinylpyrolidon. Oder eine nicht-plasmagesprühte Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC).
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Bei einem aus der
US 2004/0131849 A1 bekannten Verfahren besteht ein Formwerkzeug zum Gießen von optischen Kunststoff-Linsen aus Nickel und ist mit einer Kohlenstoffbeschichtung versehen.
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In der
US 2005/0023433 A1 ist ein weiteres Formwerkzeug zum Gießen von optischen Bauelementen aus Kunststoff beschrieben, bei dem zum Erleichtern des Entformens eine Beschichtung aus fluorhaltigem, diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) vorgesehen ist, deren freie Oberflächenenergie weniger als 4 μJ/cm
2 beträgt.
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All diese bekannten Beschichtungen haben sich als nicht ausreichend geeignet für hohe Anforderungen erwiesen. Ihre elektrische und thermische Leitfähigkeit ist gering bzw. ihr spezifischer elektrischer Widerstand ist hoch. Wie sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung gezeigt hat, können sich deswegen statische Aufladungen an der Wand des Formwerkzeuges bilden, die sich negativ auswirken.
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In der
US 2001/0045676 A1 ist ein Verfahren zum Modifizieren einer Oberfläche beschrieben. Dabei handelt es sich um die Oberfläche einer Kontaktlinse aus Kunststoff bei deren Herstellung in einem Formwerkzeug. Um die Kontaktlinse mit einer Polyelektrolyt-Schicht zu versehen, wird das Werkzeug mit einem polyionischen Material beschichtet.
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Bei dieser Vorgehensweise ist die Zielrichtung eine andere, nämlich eine Kontaktlinse für ihren Gebrauch in einer Augenflüssigkeit zu optimieren.
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Die
US 6 813 906 B1 beschreibt ein Formwerkzeug zum Herstellen von Gegenständen aus geschmolzenem Glas. Die Formhälften des Werkzeugs bestehen dabei aus einer ultraharten Metalllegierung, und sind an ihren Formoberflächen mit einer Beschichtung aus einer Edelmetalllegierung versehen.
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Diese bekannte Vorgehensweise ist für Hochtemperaturanwendungen bestimmt und beim Gießen von Linsen aus Kunststoff nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Formwerkzeug geschaffen werden, bei dem die Brillengläser während des Entformungsvorganges mit der geringst möglichen Kraft von den Oberflächen des Hohlraumes abgelöst werden können. In diesem Zusammenhang soll es möglich sein, die Oberflächenenergie gezielt einzustellen. Die Oberflächen sollen darüber hinaus eine große Härte und Abriebfestigkeit aufweisen und gegenüber Alterungsprozessen unempfindlich sein.
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Bei einem Formwerkzeug der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Beschichtung einen spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als 1 Ωcm aufweist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine Beschichtung der Oberflächen des Hohlraumes im Formwerkzeug mit Werkstoffen, die eine derartige gute elektrische und damit auch gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, zu den genannten Ergebnissen führt. Die Verwendung dieser Werkstoffe führt wegen der effektiven Ableitung statischer Aufladungen zu einer Verminderung der Haftung, auch und gerade bei stark gekrümmten Brillengläsern mit großer Oberfläche. Dadurch werden herkömmliche chemische Ablösemittel obsolet, und die Gefahr von Beschädigungen am Brillenglas und an der Oberfläche des Hohlraumes wird gleichfalls verringert.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die auch unabhängig von anderen Merkmalen verwendet werden kann, ist die Beschichtung aus einer Gruppe ausgewählt, die reinen Kohlenstoff in einer diamantähnlichen Struktur, Metall-Carbide, Metall-Nitride, Boride, sowie binäre und ternäre Verbindungen mit den Elementen Bor, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium, Sauerstoff und Metallen enthält.
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Die Werkstoffe weisen neben einer guten Leitfähigkeit eine höhere Härte und eine höhere Abriebfestigkeit, d. h. einen höheren Widerstand gegen mechanische Beschädigungen, auf. Dies führt zu einer Erhöhung der Lebensdauer und damit der Standzeit der Formwerkzeuge, beispielsweise der Formschalen. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf den Abrieb beim Entformen der Brillengläser.
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Darüber hinaus wird die Anfälligkeit gegen Alterungserscheinungen, beispielsweise gegen Korrosion von insbesondere metallischen Oberflächen vermindert.
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Weitere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung, insbesondere die für die Beschichtung bevorzugt verwendeten Werkstoffe, sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt in äußerst schematisierter Darstellung eine seitliche Schnittansicht in vergrößertem Maßstab, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Formwerkzeuges illustriert.
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In der Figur bezeichnet
10 ein Formwerkzeug, wie es von der Grundstruktur her aus der bereits erwähnten
DE 101 41 159 A1 bekannt ist, auf die wegen der weiteren Einzelheiten verwiesen werden darf.
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Das Formwerkzeug 10 weist ein rohrförmiges Element 12 auf, das eine Achse 14 definiert. Das Element 12 ist an seiner Innenseite mit einer Dichtung 16 versehen. In die Dichtung 16 sind im definierten axialen Abstand voneinander zwei Formschalen 20, 22 eingesetzt, von denen die Formschale 20 die vordere und die Formschale 22 die hintere ist. Die Formschalen 20, 22 schließen zwischen sich einen Hohlraum 24 ein, der im Wesentlichen durch die Formschalen 20, 22 definiert ist. Wegen der Dichtung 16 ist auch eine Abdichtung im Randbereich der Formschalen 20, 22 sichergestellt. Der Hohlraum 24 hat damit die Form des herzustellenden Brillenglases.
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Der Hohlraum 24 ist von außen über einen Kanal 26 zugänglich, der sich durch das rohrförmige Element 12 sowie die Dichtung 16 hindurch erstreckt. Durch den Kanal 26 kann flüssiger Kunststoff in den Hohlraum 24 eingebracht, beispielsweise eingespritzt werden. Dies ist mit einem Pfeil 28 angedeutet.
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Die Formschalen 20 und 22 sind optisch transparent, so dass der eingefüllte Kunststoff durch Einstrahlung von z. B. UV-Licht durch die Formschalen 20 und 22 hindurch in dem Hohlraum 24 ausgehärtet werden kann.
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Das Besondere an dem Formwerkzeug 10 besteht darin, dass eine den Hohlraum 24 in der Figur links begrenzende erste Oberfläche 30 der vorderen Formschale 20 mit einer ersten Beschichtung 32 und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche 34 der hinteren Formschale 22 mit einer zweiten Beschichtung 36 versehen ist.
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Die Beschichtungen 32, 34 sind mit konstanter Schichtdicke auf die Oberflächen 30, 34 aufgebracht, so dass sie die Formgebung dieser Oberflächen exakt wiedergeben. Die Dicke der Beschichtungen 32, 36 wird selbstverständlich bei der Einstellung des Abstandes der beiden Formschalen 20, 22 berücksichtigt. Es versteht sich ferner, dass die Beschichtungen 32, 36 in sog. „optischer Qualität” aufgebracht sind, also eine hinreichende Mikrorauigkeit, Formgenauigkeit und Formtreue aufweisen.
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Die Beschichtungen bestehen erfindungsgemäß aus einem bestimmten Werkstoff, der eine gute elektrische und damit auch eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Der spezifische elektrische Widerstand beträgt weniger als 1 Ωcm, vorzugsweise weniger als 1 mΩcm.
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Der Werkstoff ist vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt, die reinen Kohlenstoff in einer diamantähnlichen Struktur, Metall-Carbide, Metall-Nitride, Boride, sowie binäre und ternäre Verbindungen mit den Elementen Bor, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium, Sauerstoff und Metallen enthält.
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Im Falle der Verwendung von reinem Kohlenstoff in einer diamantähnlichen Struktur (sog. „DLC”), die selbstverständlich auch modifizierte diamantähnliche Strukturen mit einschließt, werden bevorzugt Modifikationen mit Silizium (sog. „Si-DLC”) und mit Metallen (sog. „Me-DLC”) gewählt.
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Im Falle der Verwendung von metallischen Carbiden wird bevorzugt auf ein Carbid aus der Gruppe B4C, Co2C, Cr2C3, HfC, Mo2C, NbC, Ni3C, SiC, TaC, TiC, VC, WC, W2C und ZrC zurückgegriffen.
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Im Falle der Verwendung eines metallischen Nitrides wird bevorzugt ein Nitrid aus der Gruppe AlN, BN, CrN, HfN, NbN, Nb2N, Si3N4, TaN, Ta2N, TiN, VN und ZrN ausgewählt.
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Im Falle der Verwendung eines Borides schließlich ist eine Auswahl aus der Gruppe CoB, CrB2, Cr5B3, FeB, HfB2, HfB6, NbB2, SiB6, Mo2B, Mo3B2, MoB2, NiB, Ta2B, TaB2, Ta3B2, Ti2B, TiB2, VB2, W2B, WB2, W2B5, ZrB2, ZrB und ZrB12 bevorzugt.
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Die Beschichtung 32, 36 soll eine höhere intrinsische Härte als die Oberflächen 30, 34 aufweisen. Sie ist beispielsweise größer als 5 GPa.
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Für eine Verminderung der Ablösekraft beim Entformen der Brillengläser aus dem Hohlraum 24 ist eine geeignete Einstellung der Oberflächenenergie in den Oberflächen 30, 34 wichtig. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass nicht-metallische Elemente in die Beschichtung 32, 36 eingebaut werden und die Konzentration der eingebauten nichtmetallischen Elemente auf einen vorbestimmten Betrag eingestellt wird. Die nicht-metallischen Elemente werden bevorzugt aus der Gruppe Stickstoff, Sauerstoff, Silizium und Fluor ausgewählt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Oberflächen 30, 34 auf einem Bauteil, beispielsweise auf den Formschalen 20, 22, ausgebildet sein, das aus den bereits genannten Gründen vorzugsweise aus Glas besteht. In bestimmten Fällen können die Formschalen 20 und 22 aber auch aus Keramik oder sogar aus Metall bestehen. Im Falle der Verwendung eines Metalls ist eine Auswahl aus der Gruppe Kupfer, Eisen, Stahl bevorzugt.
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Zum Aufbringen der Beschichtungen 32, 36 eignen sich vielerlei Verfahren. So können zum Beispiel die Beschichtungen 32, 36 mittels eines Vakuumverfahrens auf die Oberflächen 30, 34 aufgebracht werden. Hierunter zählen die bekannten Verfahren CVD, PECVD, PICVD, Sputtern, reaktives Sputtern, PVD, PVD mit Ionenunterstützung, und reaktives Ionenplattieren. Alternativ können die Beschichtungen 32, 36 aber auch mittels eines Tauchverfahrens oder mittels eines Sprühverfahrens auf die Oberflächen 30, 34 aufgebracht werden.
