DE102008034153B4 - Process for producing optical lenses - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes durch Einspritzen von plastifiziertem Kunststoff in einen Formhohlraum, wobei die Herstellung des optischen Elementes wenigstens drei aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge umfasst, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- Einspritzen einer ersten Kunststoffteilmenge, wodurch ein Grundkörper hergestellt wird,
- Einspritzen einer zweiten Kunststoffteilmenge, wodurch der Grundkörper wenigstens teilweise beschichtet wird,
- Einspritzen einer dritten Kunststoffteilmenge, durch der mit der zweiten Kunststoffteilmenge beschichtete Grundkörper zumindest teilweise beschichtet wird, wobei die größte vorkommende Wandstärke (t2) der auf den Grundkörper (2) aufgebrachten zweiten Kunststoffteilmenge kleiner als die größte vorkommende Wandstärke (t1) des Grundkörpers (2) ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- die dritte Kunststoffteilmenge in einen vom Formhohlraum für die zweite Kunststoffteilmenge durch die erste Kunststoffteilmenge beabstandeten Formhohlraum eingespritzt wird und/oder
- bei der Herstellung des Grundkörpers (2) eine gekrümmte Oberfläche erzeugt wird und beim Beschichten des Grundkörpers (2) und/oder des mit der zweiten Kunststoffteilmenge zumindest teilweise beschichteten Grundkörpers (2) variierende Wandstärken erzeugt werden.
A method of manufacturing an optical element by injecting plasticized plastic into a mold cavity, wherein the fabrication of the optical element comprises at least three consecutive injections, the following steps being carried out:
Injecting a first quantity of plastic part, whereby a basic body is produced,
Injecting a second quantity of plastic part, whereby the basic body is at least partially coated,
- Injection of a third plastic part amount, is coated by the second plastic part coated base body at least partially, wherein the largest occurring wall thickness (t2) on the base body (2) applied second plastic subset smaller than the largest occurring wall thickness (t1) of the base body (2 ), characterized in that
- The third plastic subset is injected into a spaced from the mold cavity for the second plastic part amount by the first plastic part mold cavity and / or
- In the production of the base body (2) a curved surface is produced and when coating the base body (2) and / or of the second plastic part amount at least partially coated base body (2) varying wall thicknesses are generated.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes, insbesondere einer optischen Linse, durch Einspritzen von plastifiziertem Kunststoff in einen Formhohlraum, wobei die Herstellung des optischen Elementes, wenigstens drei aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge umfasst, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:
- - Einspritzen einer ersten Kunststoffteilmenge, wodurch ein Grundkörper hergestellt wird,
- - Einspritzen einer zweiten Kunststoffteilmenge, wodurch der Grundkörper wenigstens teilweise beschichtet wird,
- - Einspritzen einer dritten Kunststoffteilmenge, durch der mit der zweiten Kunststoffteilmenge beschichtete Grundkörper zumindest teilweise beschichtet wird.
- Injecting a first quantity of plastic part, whereby a basic body is produced,
- Injecting a second quantity of plastic part, whereby the basic body is at least partially coated,
- - Injection of a third plastic part amount, is coated by the coated with the second plastic subset of base body at least partially.
Gemäß dem Stand der Technik ist es bekannt, Präzisionslinsen aus Glas durch Linsenkörper zu ersetzen, die im Zuge eines Spritzgießverfahrens hergestellt werden. Die auf diese Weise produzierten optischen Linsen werden aus Kostengründen beispielsweise als Linsen bzw. Objektive von Fotohandys oder Digitalkameras eingesetzt. Aus der
Die
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Schließlich wird in der
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Die Herstellung dickwandiger optischer Linsen aus transparenten Kunststoffen (PMMA, PC, COC, PS) im Spritzgieß- oder Spritzprägeverfahren ist heute mit einigen Herausforderungen verbunden. Im Bereich der Lichtoptik werden heute Konturabweichungen von 5 bis 30 µm toleriert, im Bereich der abbildenden Optik noch weniger. Schwindungsunterschiede zwischen dickwandigen und dünnwandigen Bereichen wirken sich negativ auf die Konturtreue aus. Eine plankonvexe Linse neigt also dazu, in der Mitte im Bereich ihrer größten Wandstärke eine Einfallstelle zu haben. Gemäß dem Stand der Technik kann dem nur mit sehr langen Nachdruckzeiten beim Spritzgießen oder langen Prägezeiten beim Spritzprägen entgegengewirkt werden. Die Nachdruckdauer ist jedoch begrenzt durch das Einfrieren des Angusses, beim Prägen durch die Ausbildung einer erstarrten Randschicht. Beim Spritzgießen ist üblicherweise ein sehr dicker Anguss zweckmäßig, was einen höheren Materialverbrauch zur Folge hat.The production of thick-walled optical lenses made of transparent plastics (PMMA, PC, COC, PS) by injection molding or injection compression molding today involves a number of challenges. In the field of light optics today contour deviations of 5 to 30 μm are tolerated, even less in the field of imaging optics. Shrinkage differences between thick-walled and thin-walled areas have a negative effect on the contour accuracy. A plano-convex lens thus tends to have a sink mark in the middle of its greatest wall thickness. According to the state of the art, this can be counteracted only with very long hold-up times during injection molding or long embossing times during injection-compression molding. The reprinting period is limited by the freezing of the sprue, during embossing by the formation of a solidified surface layer. In injection molding usually a very thick sprue is expedient, which has a higher material consumption.
Die Kühlzeit im Spritzgießverfahren steigt mit dem Quadrat der Wandstärke. Die typische Wandstärke beim Spritzguss kann mit rund 2,5 mm angegeben werden. Optische Linsen haben an den dicksten Stellen manchmal Wandstärken von 5 bis 20 mm. Zykluszeiten von mehreren Minuten sind üblich.The cooling time by injection molding increases with the square of the wall thickness. The typical wall thickness for injection molding can be given as around 2.5 mm. Optical lenses sometimes have wall thicknesses of 5 to 20 mm at the thickest points. Cycle times of several minutes are common.
Als wichtigste Einflussgrößen auf die Konturtreue optischer Bauteile haben sich die Nachdruckzeit (oder Prägezeit) und die Restkühlzeit herausgestellt. Hohe Qualität bedeutet also oftmals geringe Wirtschaftlichkeit.The most important parameters influencing the contour accuracy of optical components have been found to be the holding time (or embossing time) and the remaining cooling time. High quality often means low profitability.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Spritzgießverfahren zur Herstellung von - insbesondere dickwandiger - optischer Linsen oder anderer optischer Elemente wie z.B. Prismen etc. anzugeben, wobei die gesamte Zykluszeit der Herstellung des optischen Elementes verkürzt werden kann.The object of the present invention is to provide an improved injection molding process for the production of - in particular thick-walled - optical lenses or other optical elements such. Specify prisms, etc., whereby the entire cycle time of the production of the optical element can be shortened.
Dies wird erfindungsgemäß in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die größte vorkommende Wandstärke der auf den Grundkörper aufgebrachten zweiten Kunststoffteilmenge kleiner gewählt wird als die größte vorkommende Wandstärke des Grundkörpers.This is inventively achieved in an advantageous embodiment in that the largest occurring wall thickness of the second plastic part quantity applied to the base body is chosen smaller than the largest occurring wall thickness of the base body.
Hierbei ist vorgesehen, dass auf einen im Zuge eines Einspritzvorganges hergestellten Linsengrundkörpers nicht nur eine einzige Oberflächenbeschichtung zur Ausbildung einer Linsenoberfläche aufgetragen wird, sondern dass die Beschichtung im Zuge von mehreren getrennten Einspritzvorgängen in mehreren Teilschichten erfolgt, sodass damit auch die Schwindung relativ gering ausfällt.It is provided that not only a single surface coating is applied to a lens base produced in the course of an injection process to form a lens surface, but that the coating takes place in the course of several separate injection processes in several sub-layers, so that thus the shrinkage is relatively low.
Die wenigstens drei aufeinanderfolgenden Einspritzvorgänge sind nicht zwingend als zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgend zu verstehen. Vielmehr können zwischen den einzelnen Einspritzvorgängen auch zusätzliche strukturverändernde Verfahrensschritte vorgesehen werden, wie zB ein Prägevorgang oder dergleichen. Auch können während oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in oder auf der Linsenoberfläche diffraktive Strukturen ausgebildet werden, beispielsweise in der Art einer Fresnellinse.The at least three successive injection events are not necessarily to be understood as immediately consecutive in terms of time. Rather, additional structure-changing process steps can be provided between the individual injection processes, such as an embossing process or the like. Also, during or after the inventive method in or on the lens surface diffractive structures are formed, for example in the manner of a Fresnel lens.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, in einem ersten Verfahrensschritt einen Linsengrundkörper durch Einspritzen von Kunststoff in den Formhohlraum herzustellen, wobei dieser am längsten im Werkzeug verweilt und auch am längsten gekühlt wird. Diesen Umstand kann man sich zur Optimierung der Zykluszeit zunutze machen. Die Wandstärken in den dicken Bereichen sind dabei so zu wählen, dass die erste Schicht am dicksten ist und die darauf folgenden Schichten jeweils dünner als die im vorangegangenen Schritt hergestellte Schicht sind. Die erste Schicht erhält somit eine optische Oberfläche, die schon im ersten Schritt in guter Qualität hergestellt werden muss. Die Qualität der anderen Seite ist weniger relevant, da Einfallstellen beim Überspritzen in der nächsten Station ausgeglichen werden können. Die letzte Schicht erhält eine weitere optische Oberfläche, wobei diese Schicht am dünnsten ausgebildet wird. Diese im Randbereich der optischen Linse angeordnete Randzone erleidet somit nur eine geringe Schwindung, was sich wiederum positiv auf die Konturtreue auswirkt. Mit dem beschriebenen Verfahren wird also sowohl die Konturtreue der Oberfläche verbessert, als auch die Zykluszeit minimiert. Weiters wird das Risiko der Freistrahlbildung deutlich reduziert, da die seitliche Anspritzung in vergleichsweise dünnen Kavitäten erfolgt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es auch zweckmäßig sein, dass die Herstellung der optischen Linse auch mehr als drei aufeinanderfolgende Einspritzvorgänge umfasst.According to the present invention, it is proposed, in a first method step, to produce a lens base body by injecting plastic into the mold cavity, wherein the latter lingers longest in the tool and is also cooled for the longest. This fact can be exploited to optimize the cycle time. The wall thicknesses in the thick areas are to be chosen such that the first layer is the thickest and the subsequent layers are each thinner than the layer produced in the previous step. The first layer thus receives an optical surface, which must be produced in good quality already in the first step. The quality of the other side is less relevant, as sink marks can be compensated for overspray in the next station. The last layer receives another optical surface, this layer being thinnest. This arranged in the edge region of the optical lens edge zone thus suffers only a small shrinkage, which in turn has a positive effect on the contour accuracy. Thus, with the described method, both the contour fidelity of the surface is improved and the cycle time is minimized. Furthermore, the risk of free jet formation is significantly reduced since the lateral gating takes place in comparatively thin cavities. According to an advantageous development of the invention, it may also be expedient that the production of the optical lens also comprises more than three successive injection processes.
Günstigerweise kann vorgesehen werden, dass ein aus der Mehrkomponententechnik bekanntes Verfahren zur Anwendung kommt (Drehtisch, Umsetzen, Indexplatte, Schiebertechnik). Da in der ersten Schicht eine optische Oberfläche ausgeformt wird, kann es zweckmäßig sein, diese während der weiteren Verfahrensschritte in derselben Kavität zu belassen, um eine Beschädigung zu vermeiden. Aus diesem Grund kann vorteilhaft ein Drehtischverfahren zur Anwendung kommen.It can be advantageously provided that a method known from multicomponent technology is used (turntable, transfer, index plate, slide technology). Since an optical surface is formed in the first layer, it may be expedient to leave it in the same cavity during the further method steps in order to avoid damage. For this reason, a turntable method can be advantageously used.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist angedacht, dass zumindest zwischen zwei der wenigstens drei Einspritzvorgänge mit dem Einspritzvorgang solange gewartet wird, bis der jeweils eingespritzte Kunststoff zumindest teilweise ausgehärtet ist.In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is envisaged that the injection process will be maintained at least between two of the at least three injection events until the respectively injected plastic has at least partially hardened.
Zur Erzielung günstiger optischer Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn die größte vorkommende Wandstärke der auf den Linsengrundkörper aufgebrachten zweiten Kunststoffmenge kleiner als die größte vorkommende Wandstärke des Linsengrundkörpers ist. In diesem Zusammenhang kann es auch günstig sein, wenn die größte vorkommende Wandstärke der dritten Kunststoffteilmenge kleiner als die größte vorkommende Wandstärke der auf den Linsengrundkörper aufgebrachten ersten Kunststoffteilmenge ist. Mit anderen Worten wird dabei eine optische Linse hergestellt, die mehrere auf den Linsengrundkörper und in mehreren getrennten Einspritzvorgängen aufgebrachte Schichten aufweist.In order to achieve favorable optical properties, it is advantageous if the largest occurring wall thickness of the second amount of plastic applied to the lens main body is smaller than the largest occurring wall thickness of the lens main body. In this context, it may also be favorable if the largest occurring wall thickness of the third plastic part quantity is smaller than the largest occurring wall thickness of the first plastic part quantity applied to the lens main body. In other words, an optical lens is produced which has a plurality of layers applied to the lens base body and in a plurality of separate injection processes.
Obwohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stets derselbe Kunststoff verwendet werden kann, um einen dickwandigen Linsenkörper herzustellen, können stattdessen auch verschiedene Kunststoffarten eingespritzt werden. Das heißt, dass gegenüber dem ersten eingespritzten Kunststoff zu einem späteren Zeitpunkt auch eine andere Kunststoffart in den Formhohlraum eingespritzt werden kann. Der verwendete Kunststoff ist jedoch so zu wählen, dass er - je nach Verwendungszweck - ausreichend transparent ist.Although the same plastic can always be used in the method according to the invention to produce a thick-walled lens body, different types of plastic can be injected instead. This means that a different type of plastic can be injected into the mold cavity at a later time than the first injected plastic. However, the plastic used should be chosen so that it is sufficiently transparent, depending on the intended use.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Formhohlraum zwischen einem feststehenden und einem bewegbaren Formteil angeordnet ist. Bei der Durchführung des Verfahrens kann es günstig sein, wenn der Formhohlraum bei jedem Einspritzvorgang im Wesentlichen vollständig ausgefüllt wird. In diesem Zusammenhang kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Formhohlraum vor oder bei jedem Einspritzvorgang vergrößert wird.According to one exemplary embodiment of the invention, it can be provided that the mold cavity is arranged between a stationary and a movable mold part. In carrying out the method, it may be favorable if the mold cavity is substantially completely filled during each injection process. In this context, it may also be advantageous if the mold cavity is enlarged before or during each injection process.
Weiters kann vorgesehen sein, dass im Zuge eines Einspritzvorganges wenigstens eine äußere Schicht gespritzt wird und anschließend der Grundkörper eingespritzt wird.Furthermore, it can be provided that in the course of an injection process at least one outer layer is injected and then the main body is injected.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
-
1 eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte plankonvexe Linse, -
2 eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Linse mit ausgefüllten Außenflächen, -
3 eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Linse mit Außenflächen, die in getrennten Schritten gespritzt werden.
-
1 a plano-convex lens produced by the method according to the invention, -
2 a lens produced by the method according to the invention with filled outer surfaces, -
3 a lens produced by the method according to the invention with outer surfaces which are sprayed in separate steps.
Mit einem Drehtisch wird der Linsengrundkörper
Sämtliche beschriebenen Varianten könnten in einer oder auch in mehreren Stationen mit Spritzprägen statt Spritzgießen durchgeführt werden. Das Einspritzen der einzelnen Schichten kann bevorzugt mit separaten Spritzaggregaten erfolgen, die Verwendung eines einzelnen Aggregates für alle Stationen ist mit speziellen Angusskonstruktionen ebenfalls denkbar. Selbstverständlich können die optischen Oberflächen
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