DE102009001102A1 - Method and design rule for dimensioning and manufacturing Fresnel lenses for light focusing - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen durch Formen eines Schmelzestranges eines thermoplastischen Kunststoffs, wie beispielsweise Polymeth(meth)acrylat, auf der Oberfläche einer rotierenden Trommel, die in bestimmten Bereichen heiz- und kühlbar ist, wobei der Schmelzstrang mittels einer Vorrichtung an die rotierende Trommel angepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der rotierenden Trommel nach den Maßgaben des Optimierungsprogramms graviert ist.Process for the preparation of linear Fresnel lenses by molding a melt strand of a thermoplastic such as polymeth (meth) acrylate, on the surface of a rotating drum which is heated and cooled in certain areas, wherein the melt strand by means of a device to the rotating Drum is pressed, characterized in that the profile of the rotating drum is engraved according to the specifications of the optimization program.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Im Vergleich zu massiven Linsen eignen sich Fresnel-Linsen durch ihren geringen Materialbedarf auch für großflächige Anwendungen. Auf dem Gebiet der solarthermischen Energiegewinnung besteht für große Sammellinsen ein nützliches Einsatzpotential. Sie können Sonnenlicht auf Wärmeträger fokussieren und diese auf hohe Temperaturen aufheizen. Billige Fresnel-Linsen können aus Kunststoffen gepreßt werden und finden in Tageslichtprojektoren, bei Passiv-Infrarotsensoren, bei einfachen Handlupen und als Weitwinkellinsen in Automobil-Heckscheiben und Ladenkassen zur Kontrolle der Einkaufswagen Anwendungin the Compared to solid lenses, Fresnel lenses are by their low material requirement also for large areas Applications. In the field of solar thermal energy production is a useful for large collecting lenses Use potential. You can use sunlight on heat transfer media focus and heat them up to high temperatures. Cheap Fresnel lenses can be pressed from plastics and find in overhead projectors, in passive infrared sensors, in simple ones Hand loupes and as wide-angle lenses in automobile rear windows and ticket booths to control the shopping cart application
Die Erfindung betrifft die Verwendung und die Anwendung eines verbesserten Herstellungsverfahrens einer linearen Fresnel-Linse aus transparenten Kunststoffen, deren Geometrie optisch und herstellungstechnisch mit einem neuen Berechnungsprogramm optimiert wurde. Unter einer linearen Fresnel-Linse wird eine Fresnel-Linse verstanden, die wie eine Zylinderlinse wirkt und eine lineare Brennzone aufweist.The The invention relates to the use and the application of an improved Production method of a linear Fresnel lens made of transparent Plastics whose geometry is optical and manufacturing technology was optimized with a new calculation program. Under one Linear Fresnel lens is understood to be a Fresnel lens which acts like a Cylindrical lens acts and has a linear combustion zone.
Stand der TechnikState of the art
Die Lösung besteht darin, das aus einer Breitschlitzdüse austretende Schmelzeband aus PMMA mittels eines umlaufenden Stahlbands auf die gravierte Walze aufzupressen. Die Temperatur der Gravurwalze am Auftreffpunkt der Kunststoffschmelze (im Falle PMMA) liegt nahe der für Extrusionsprozesse höchst zulässigen Temperatur, entlang des Umfangs der Gravurwalze wird anschließend abgekühlt, so dass eine Entformung der entstandenen Fresnel-Linse problemlos möglich ist.The Solution is that of a slot die Emerging melt belt of PMMA by means of a rotating steel belt on the engraved roller to press. The temperature of the gravure roll at the point of impact of the plastic melt (in the case PMMA) is close the most permissible for extrusion processes Temperature, along the circumference of the gravure roll is subsequently cooled, allowing a demolding of the resulting Fresnel lens easily possible.
Aufgabetask
Es bestand nun die Aufgabe, das Verfahren zur Herstellung von linearen Fresnel-Linsen aus transparenten Kunststoffen mit den bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik so zu optimieren, dass man in der Lage ist, einer Prägewalze eine derart optimierte Struktur zu geben, dass eine damit geformte lineare Fresnel-Linse senkrecht auf sie einfallendes paralleles (Sonnen-)Licht bei optimaler Lichtsammelintensität und Energieausbeute in einer möglichst schmalen Fokus-Linie bündelt.It Now the task was the process for the production of linear Fresnel lenses made of transparent plastics with the well-known To optimize devices of the prior art so that one is capable of such an optimized embossing roll To give structure to a linear fresnel lens molded therewith perpendicular to them incident parallel (sun) light with optimal Lichtsammelintensität and energy yield in the narrowest possible focus line bundles.
Bei der Konstruktion dieser fresnel'schen Stufenstruktur gibt es folgende Probleme, die gelöst bzw. berücksichtigt wurden:
- 1. Aberration: Das Auftreten der sphärischen Aberration, also die Variation der Fokuslage von Achsen-fernen und Achsen-nahen Lichtstrahlen, wurde in der Berechnungsvorschrift durch eine optimierte Gestaltung der Flankenwinkel vermieden. (Hierzu wurde für den mittleren Wellenlängenbereich, mit dem die Linse bestrahlt werden soll, der Brechungsindex des eingesetzten Polymers bestimmt und in der Berechnung verwendet. Die Farbzerstreuung, also die Variation der Fokuslage in Abhängigkeit der Wellenlänge, kann wegen der Dispersion des Brechungsindex des eingesetzten Polymers mit einer einzelnen Fresnel-Linse nicht beeinflusst werden. Als mittlere Wellenlänge wurden beispielsweise 630 nm angenommen.)
- 2. Minimierung des von der Prägewalze umzuformenden Materials auf den Bereich der Breite einer Flankenstruktur entlang der gesamten Breite der Fresnel-Linse.
- 3. Durch die zu minimierende Abrundung der Stufenkanten in der Fresnel-Linse entstehen Störungen, die auch senkrecht auf die Plattenebene einfallendes Licht in ungewünschte Richtungen lenken. Die Flächen der dazwischen liegenden Steilflanken verursachen zusätzliche Verluste durch ihre Lichtbrechung gemäß einer Zerstreuungszylinderlinse. Die Bemessung dieses Winkels wurde auf den zur Entformung erforderlichen Wert minimiert. Der Winkel beträgt beispielsweise ca. 1°–4°.
- 4. Die berechnete Kontur auf der Walze zur Abformung wird mit einem keilförmigen Werkzeug herausgedreht. Die Linse ist optisch optimiert unter der Nebenbedingung der Möglichkeiten des Werkzeuges.
- 1. Aberration: The occurrence of the spherical aberration, ie the variation of the focal position of axis-far and near-axis light rays was avoided in the calculation rule by an optimized design of the flank angle. (For this purpose, the refractive index of the polymer used was determined for the middle wavelength range with which the lens is to be irradiated and used in the calculation.) The color dispersion, ie the variation of the focus position as a function of the wavelength, can be due to the dispersion of the refractive index of the polymer used not influenced by a single Fresnel lens, for example, the average wavelength was assumed to be 630 nm.)
- 2. Minimizing the material to be reshaped by the embossing roll to the width of a flank structure along the entire width of the Fresnel lens.
- 3. By minimizing the rounding of the step edges in the Fresnel lens arise interference, which also direct perpendicular to the plane of the plate incident light in unwanted directions. The surfaces of the intermediate steep flanks cause additional losses due to their refraction according to a diverging cylindrical lens. The design of this angle was minimized to the value required for demolding. The angle is for example about 1 ° -4 °.
- 4. The calculated contour on the impression roll is unscrewed with a wedge-shaped tool. The lens is optically optimized under the constraint of the possibilities of the tool.
Lösungsolution
Gelöst wird die Aufgabe durch die zur Verfügungstellung der Profilkoordinaten, die es erlauben, die Maschine zur Gravur der Prägewalze so zu steuern, dass damit eine Prägewalze angefertigt werden kann, mit der unter Anwendung des Stands der Technik linearen Fresnel-Linsen im Sinne der Aufgabe geformt werden können. Die Erfindung stellt ferner eine optimierte lineare Fresnel-Linse aus transparenten Kunststoffen zur Verfügung.Solved the task is accomplished by providing the profile coordinates, which allow the machine to engrave the embossing roll to be controlled in such a way that an embossing roller can be made with the prior art linear Fresnel lenses can be shaped in the sense of the task. The invention further provides an optimized linear Fresnel lens made of transparent plastics to disposal.
Durchführung der ErfindungImplementation of the invention
Transparenter KunststoffTransparent plastic
Als transparente Kunststoffe können Poly(meth)acrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), cyclisch Olefincopolymere (OCP) oder Polystyrol (PS) verwendet werden.When transparent plastics can be poly (meth) acrylate (PMMA), Polycarbonate (PC), cyclic olefin copolymers (OCP) or polystyrene (PS) can be used.
Poly(meth)acrylat (PMMA)Poly (meth) acrylate (PMMA)
Geeignet zur Durchführung der Erfindung ist z. B. eine Polymethylmethacrylat-Formmasse, das aus 80 bis 100 Gew.-% Methylmethacrylat-Einheiten und gegebenenfalls aus 0 bis 20 Gew.-% weiteren copolymerisierbaren Monomeren besteht. Zu nennen sind z. B. Hydroxyethylmethacrylat, Butylacrylat, Ethylacrylat oder bevorzugt Methylacrylat. Das Molekulargewicht Mw (Gewichtsmittel, bestimmt z. B. nach DSC oder durch Gelchromatographie) kann z. B. im Bereich von 5 × 104 bis 2 × 105 liegen. Die geeigneten PMMA-Typen sind unter der Marke Plexiglas® bei der Evonik Röhm GmbH erhältlich, beispielsweise Plexiglas® POQ 62 oder Plexiglas® POQ 64 oder Plexiglas® 6N.Suitable for carrying out the invention is z. Example, a polymethyl methacrylate molding composition consisting of 80 to 100 wt .-% methyl methacrylate units and optionally from 0 to 20 wt .-% of other copolymerizable monomers. To name a few are z. As hydroxyethyl methacrylate, butyl acrylate, ethyl acrylate or preferably methyl acrylate. The molecular weight M w (weight average, determined, for example, by DSC or by gel chromatography) can be determined, for example, by B. in the range of 5 × 10 4 to 2 × 10 5 lie. The appropriate PMMA types are available under the trademark Plexiglas ® from Evonik Röhm GmbH, such as Plexiglas ® POQ 62 or Plexiglas ® POQ 64 or Plexiglas ® 6N.
Bevorzugt
werden leicht fließende Typen der PMMA-Formmassen mit einer
Schmelzvolumenrate von 25–5 cm3/10min
eingesetzt, besonders bevorzugt werden PMMA-Formmassen mit einer
Schmelzvolumenrate von 20–10 eingesetzt. Die Schmelzvolumenrate
wird nach
Schlagzähes Polymethylmethacrylat (sz-PMMA)Impact-resistant polymethylmethacrylate (Im PMMA)
Schlagzähmodifiziertes
Polymethylmethacrylat und dessen Herstellung ist z. B. aus
Das schlagzähe Polymethylmethacrylat kann z. B. aufgebaut aus p1) 4 bis 30 Gew.-% einer Elastomerphase aus p2) 70 bis 96 Gew.-% einer thermoplastischen Matrixphase aus Polymethylmethacrylat, das bis zu 20 Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile P, an geeigneten Comonomeranteilen enthalten kann, wobei die Brechungsindices der Elastomerphase E und der Matrixphase M um maximal n ≤ 0,02 voneinander abweichen und wobei die Summe von p1) + p2) 100 Gew.-% ausmacht.The impact-resistant polymethyl methacrylate may, for. B. constructed from p1) from 4 to 30% by weight of an elastomer phase from p2) from 70 to 96% by weight a thermoplastic matrix phase of polymethylmethacrylate, the up to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of P, of suitable Comonomeranteilen may contain, wherein the refractive indices of the elastomer phase E and the matrix phase M by a maximum of n ≤ 0.02 from each other differ and wherein the sum of p1) + p2) makes up 100 wt .-%.
Die Elastomerphase aus vernetzter Polymerphase ist aus 60 bis 99,9 Gew.-Teilen Alkylacrylat und/oder Arylacrylat, aus 0,1 bis 10 Gew.-Teilen geeigneten Vernetzungsmitteln und gegebenenfalls aus 0 bis 30 Gew.-Teilen an geeigneten monofunktionellen ethylenisch ungesättigten Monomeren aufgebaut.The Elastomer phase of crosslinked polymer phase is from 60 to 99.9 parts by weight Alkyl acrylate and / or aryl acrylate, from 0.1 to 10 parts by weight suitable Crosslinking agents and optionally from 0 to 30 parts by weight suitable monofunctional ethylenically unsaturated Monomers built.
Vorzugsweise werden als Alkylacrylate C2-C10-Alkylacrylate eingesetzt, wie beispielsweise Ethylacrylat, Propylacrylat, iso-Propylacrylat, Amylacrylat, Hexylacrylat, Octylacrylat, Decylacrylat, sowie besonders bevorzugt Butylacrylat und 2-Ethylhexylacrylat. Bevorzugte Acrylate sind Phenylacrylat, 2-Phenylethylacrylat, 3-Phenyl-1-propylacrylat, 2-Phenoxyethylacrylat, 2-Phenoxyethoxyethylacrylat, sowie besonders bevorzugt Benzylacrylat.The alkyl acrylates used are preferably C 2 -C 10 -alkyl acrylates, for example ethyl acrylate, propyl acrylate, isopropyl acrylate, amyl acrylate, hexyl acrylate, octyl acrylate, decyl acrylate, and particularly preferably butyl acrylate and 2-ethylhexyl acrylate. Preferred acrylates are phenyl acrylate, 2-phenylethyl acrylate, 3-phenyl-1-propyl acrylate, 2-phenoxyethyl acrylate, 2-phenoxyethoxyethyl acrylate, and particularly preferably benzyl acrylate.
Die
Vernetzungsmittel sind im allgemeinen Verbindungen mit mindestens
zwei ethylenisch ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren
Resten. Als Vertreter für Verbindungen mit zwei ethylenisch
ungesättigten, radikalisch polymerisierbaren Resten seien
beispielhaft genannt: (Meth)acrylester von Diolen, wie beispielsweise
Ethylenglykoldi(meth)acrylat oder 1,4-Butandioldi(meth)acrylat,
aromatische Verbindungen, wie beispielsweise Divinylbenzol, sowie Verbindungen
mit mindestens einer Allylgruppe, wie beispielsweise Allyl(meth)acrylat.
Als Vernetzungsmittel mit drei oder mehr ethylenisch ungesättigten, radikalisch
polymerisierbaren Resten seien beispielhaft Triallylcyanurat, Trimethylolpropantri(meth)acrylat
sowie Pentaerythritetra(meth)acrylat genannt. Weitere Beispiele
hierzu werden beispielsweise in
Die gegebenenfalls in 0 bis 30 Gew.-Teilen in der Elastomerphase enthaltenen Comonomeren, dienen vornehmlich der Angleichung des in der Regel niedrigeren Brechungsindex der Elastomerphase an denjenigen der Matrixphase M. Vorzugsweise werden also Comonomere mit vergleichsweise hohen Brechungs-Indizes gewählt werden, wie beispielsweise radikalisch polymerisierbare aromatische Verbindungen. Beispielhaft seien genannt: Vinyltoluol, Styrol oder α-Methylstyrol, die in solchen Mengen verwendet werden, daß sie die Witterungsbeständigkeit des schlagzähen Polymethylmethacrylats nicht beeinträchtigen.The optionally contained in 0 to 30 parts by weight in the elastomer phase Comonomers, serve primarily the approximation of the usually lower Refractive index of the elastomeric phase to that of the matrix phase Preferably, therefore, comonomers with comparatively high refractive indices be selected, such as radically polymerizable aromatic compounds. Examples include: vinyl toluene, styrene or α-methylstyrene used in such amounts that they are the weather resistance of the impact resistant Polymethylmethacrylats not affect.
Die
mit der Elastomerphase zumindest zu 5 Gew.-% kovalent verbundene
Matrixphase M besteht aus einem Polymethylmethacrylat P, das aus
80 bis 100 Gew.-Teilen Methylmethacrylat-Einheiten aufgebaut ist,
und weist eine Glasübergangstemperatur von wenigstens 70°C
auf. Weiterhin können im Polymethylmethacrylat 0 bis 20
Gew.-Teile weitere ethylenisch ungesättigte, radikalisch
polymerisierbare Comonomereinheiten anwesend sein, vorzugsweise
Alkyl(meth)acrylate mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen im Alkylrest.
Das mittlere Molekulargewicht Mw des Polymethylmethacrylats beträgt
günstigerweise zwischen 104 und
106, vorzugsweise zwischen 3 × 104 und 5 × 105 Dalton
(zur Bestimmung von Mw vergleiche beispielsweise
Vorzugsweise ist die Elastomerphase Bestandteil zwei- oder mehrstufiger Emulsionspolymerisate, die in der äußeren Hülle aus dem die Matrixphase bildenden Polymethylmethacrylate bestehen. Besonders bevorzugt sind Emulsionspolymerisate mit einem wenigstens dreistufigen Aufbau, gebildet aus einem Kern aus Polymethylmethacrylat, einer ersten Schale S1 aus der Elastomerphase und einer zweiten Schale S2 aus Polymethylmethacrylat, wobei sich weitere Schalen entsprechend den Schalen S1 und S2 alternierend anschließen können. Der Anteil der Emulsionspolymerisate am schlagzähen Polymethylmethacrylat beträgt zwischen 5 und 70 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 und 50 Gew.-%, wobei die restlichen Gewichtsanteile von dem nicht in den Latexteilchen enthaltenen Polymethylmethacrylat-Kunststoff ausgemacht werden.Preferably If the elastomer phase is part of two or more emulsion polymers, in the outer shell of the the Matrix phase forming polymethyl methacrylates exist. Especially preferred are emulsion polymers having at least three stages Structure formed by a core of polymethyl methacrylate, a first shell S1 of the elastomer phase and a second shell S2 made of polymethylmethacrylate, with more shells corresponding can connect the shells S1 and S2 alternately. The proportion of emulsion polymers in the impact-resistant polymethyl methacrylate is between 5 and 70 wt .-%, preferably between 10 and 50 wt .-%, wherein the remaining parts by weight of the not polymethyl methacrylate plastic contained in the latex particles be made out.
Vorzugsweise
wird das schlagzähe Polymethylmethacrylat durch Abmischen
des Emulsionspolymerisats mit dem Polymethylmethacrylat hergestellt,
wobei beispielsweise die Bestandteile gemischt werden und anschließend
die Wasserphase und die Emulgatoren abgetrennt werden oder wobei zunächst
das Emulsionspolymerisat aus der wäßrigen Phase
isoliert wird und anschließend mit dem, beispielsweise
durch kontinuierliche Substanzpolymerisation hergestellten Polymethylmethacrylat
in der Schmelze gemischt wird. Insgesamt sollen die Latexteilchen,
die das Emulsionspolymerisat bilden, einen Durchmesser zwischen
0,1 und 3 um, bevorzugt zwischen 0,15 und 1 μm aufweisen.
Prinzipiell ist der Aufbau solcher Latexteilchen und die Isolierung
des Emulsionspolymerisats für zweistufige Emulsionspolymerisate
beispielsweise in
Besonders
bevorzugt sind solche Emulsionspolymerisate, die im einem Extruder
coaguliert und entwässert werden. Die Schmelze wird dabei
in der Entwässerungszone des Extruders in mehrere Abschnitte
unterteilt, die jeweils in voneinander getrennten Schneckengängen
gefördert werden. Die Schmelzephase wird dabei in wenigstens
einem dieser Schneckengänge im Einzugsspalt der Doppelschnecke
unter Bildung eines örtlich eng begrenzten Druckgradienten
zu einem zusammenhängenden Schmelzekuchen gestaut. Dabei
wird das Wasser vor der Grenze des Schmelzekuchens unter der Wirkung der
Schwerkraft derart nach unten durch wenigstens eine Abzugsöffnung
abfließen gelassen, daß der Schmelzekuchen nicht
mit einer zusammenhängenden Wasserphase in Berührung
steht. Dadurch werden die im Wasser enthaltenen Zusatzstoffe und
Verunreinigungen effektiv entfernt, so das ein besonders witterungsstabiles
nicht zur Vergilbung neigendes Material erhalten wird (s. dazu
Polycarbonatepolycarbonates
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf thermoplastische formbare Polycarbonate. Polycarbonate sind dem Fachmann bekannte Kunststoffe. Sie bezeichnen thermoplastische Polymere mit der allgemeinen Strukturformel die formal als Polyester aus Kohlensäure und aliphatischen oder aromatischer Dihydroxy-Verbindung betrachtet werden können. Dabei bezeichnet der Rest R zweibindige aliphatische, cycloaliphatische oder aromatische Gruppen, die sich von den entsprechenden Dihydroxy-Verbindungen ableiten.The present invention also relates to thermoplastic moldable polycarbonates. Polycarbonates are plastics known to the skilled person. They refer to thermoplastic polymers having the general structural formula which can be considered formally as carbonic acid polyesters and aliphatic or aromatic dihydroxy compounds. In this case, the radical R denotes divalent aliphatic, cycloaliphatic or aromatic groups which are derived from the corresponding dihydroxy compounds.
Zu den erfindungsgemäß einsetzbaren Polycarbonaten gehören Homopolycarbonate, Copolycarbonate, unverzweigte Polycarbonate, verzweigte Polycarbonate und Mischungen der genannten Polycarbonate.To the inventively usable polycarbonates include homopolycarbonates, copolycarbonates, unbranched Polycarbonates, branched polycarbonates and mixtures of those mentioned Polycarbonates.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden aromatische Reste R bevorzugt. Dazu gehören unter anderem Reste, die sich vom Hydrochinon, Resorcinol, 4,4'-Dihydroxydiphenol, 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan, 2,4-Bis-(4-hydroxyphenyl)-2-methylbutan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dichlorophenyl)-propan, 2,2-Bis-(4-hydroxy-3,5-dibromophenyl)-propan, 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan oder vom 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-3,3,5-trimethyl cyclohexan ableiten. Besonders bevorzugte Reste R leiten sich vom 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)-propan oder vom 1,1-Bis-(4-hydroxyphenyl)-cyclohexan ab.In the context of the present invention, aromatic radicals R are preferred. These include, but are not limited to, hydroquinone, resorcinol, 4,4'-dihydroxydiphenol, 2,2-bis- (4-hydroxyphenyl) -propane, 2,4-bis (4-hydroxyphenyl) -2-methylbutane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dimethylphenyl) -Pro pan, 2,2-bis- (4-hydroxy-3,5-dichlorophenyl) -propane, 2,2-bis (4-hydroxy-3,5-dibromophenyl) -propane, 1,1-bis (4 -hydroxyphenyl) -cyclohexane or derived from 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) -3,3,5-trimethyl cyclohexane. Particularly preferred radicals R are derived from 2,2-bis (4-hydroxyphenyl) propane or from 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane.
Die Reste R können gegebenenfalls weitere Substituenten, vorzugsweise Methyl- oder Halogengruppen tragen. Besonders bevorzugte Substituenten sind Brom- und Chloratome.The Radicals R may optionally contain further substituents, preferably Wear methyl or halogen groups. Particularly preferred substituents are bromine and chlorine atoms.
Die erfindungsgemäßen Polycarbonate haben vorzugsweise ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im Bereich zwischen 10.000 g/mol und 200.000 g/mol. Besonders bevorzugt ist ein Gewichtsmittel des Molekulargewichts im Bereich zwischen 10.000 g/mol und 100.000 g/mol, insbesondere zwischen 15.000 g/mol und 45.000 g/mol.The polycarbonates according to the invention are preferred a weight average molecular weight in the range of 10,000 g / mol and 200,000 g / mol. Particularly preferred is a weight average the molecular weight in the range between 10,000 g / mol and 100,000 g / mol, in particular between 15,000 g / mol and 45,000 g / mol.
Die erfindungsgemäßen Polycarbonate können weitere mit Polycarbonat mischbare Polymere enthalten. Hierzu gehören unter anderem Poly(meth)acrylate, Polyester, Polyamide, Polyimide, Polyurethane, Polyether, ABS, ASA und PBT.The polycarbonates according to the invention can contain further polycarbonate-miscible polymers. These include including poly (meth) acrylates, polyesters, polyamides, polyimides, polyurethanes, Polyether, ABS, ASA and PBT.
Mischbarkeit der verschiedenen Substanzen bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, daß die Komponenten eine homogene Mischung bilden.Miscibility of the various substances means in the sense of the present Invention that the components form a homogeneous mixture.
Des weiteren können die Polycarbonate in der Fachwelt weithin bekannte Zusatzstoffe enthalten. Hierzu gehören unter anderem Antistatika, Antioxidantien, Farbstoffe, Füllstoffe, Lichtstabilisatoren, Pigmente, UV-Absorber, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher.Of Further, polycarbonates can be widely used in the art contain known additives. These include, among others Antistatics, Antioxidants, Dyes, Fillers, Light Stabilizers, Pigments, UV absorbers, weathering agents and plasticizers.
Polystyrolpolystyrene
Polystyrol kann beispielsweise aus folgenden Monomeren aufgebaut sein: Styrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten in der Seitenkette, wie z. B. α-Methylstyrol und α-Ethylstyrol, substituierte Styrole mit einem Alkylsubstituenten an dem Ring, wie beispielsweise Vinyltoluol und p-Methylstyrol, halogenierte Styrole, wie beispielsweise Monochlorstyrole, Dichlorstyrole, Tribromstyrole und Tetrabromstyrole, eingesetzt werden.polystyrene For example, it may be composed of the following monomers: styrene, substituted styrenes having an alkyl substituent in the side chain, such as As α-methylstyrene and α-ethylstyrene, substituted Styrenes having an alkyl substituent on the ring, such as Vinyltoluene and p-methylstyrene, halogenated styrenes, such as Monochlorostyrenes, dichlorostyrenes, tribromostyrenes and tetrabromostyrenes, be used.
Durchführung der ErfindungCarrying out the invention
- 1 Bestimmung des Brechungsindex1 Determination of the refractive index
- 2 Optimierung der Linsenstruktur2 Optimization of the lens structure
- 3 Flussdiagramm3 flowchart
ad 1ad 1
Der in die Berechnung einzusetzende Wert für den Brechungsindex folgt aus einer Messung an dem zu verwendenden transparenten Polymer bei einer Wellenlänge, die im mittleren Bereich des Spektrums liegt, mit dem die Linse bestrahlt werden soll. Er wurde bei 23°C bestimmt. Als beispielhaften Wert kann man 1,50 annehmen.Of the to be used in the calculation value for the refractive index follows from a measurement on the transparent polymer to be used at a wavelength in the middle of the spectrum lies, with which the lens is to be irradiated. He was at 23 ° C certainly. As an example, you can assume 1.50.
ad 2ad 2
Die Koordinaten für die Ansteuerung einer CNC-Maschine zur Herstellung der Fresnel-Linse werden in folgenden Schritten ermittelt.The Coordinates for the control of a CNC machine for Production of the Fresnel lens are determined in the following steps.
Figurenbeschreibungfigure description
Zur
Berechnung der optimierten Geometrie führt ein Prozess,
der durch das Flussdiagramm (
- 1. Startkoordinaten festlegen: Im Fall α = 0° und f' = 0 ist die Linse symmetrisch zur optischen Achse und die Linse wird von der Achse aus nach oben konstruiert. Anschließend wird der obere Teil gespiegelt und die Linse nach unten vervollständigt.
- 2. Untere störende Flanke ausrichten: Die Flanke wird parallel den Lichtstrahlen in der Linse ausgerichtet. Bei α = 0° ist die Entformung exakt senkrecht zu dieser Oberfläche. Daher wird eine Entformungsneignung der Flanke von ca. 1°–4° verwendet.
- 3. Optisch wirksame Flanke ausrichten: Die Flanke wird so ausgerichtet, dass der mittlere Lichtstrahl in den Fokus gerichtet wird. Die Brechung der Lichtstrahlen wird nach dem Snellius-Brechungsgesetz unter Einbeziehung des anzuwendenden Brechungsindex berechnet. Die Flanke wird nicht mehr ausgerichtet, wenn aufgrund der Totalreflexionsbedingung ein Lichtstrahl nicht mehr auf den Fokus gerichtet werden kann.
- 4. Obere störende Flanke optimieren: Die Flanke wird parallel den Lichtstrahl in der Linse ausgerichtet. Ebenfalls wird wieder die Entformungsneignung von ca. 1°–4° berücksichtigt.
- 5. Flankenkombination skalieren: Die Schritte 2 bis 4 bilden eine Flankenkombination. Eine Einschränkung in der Herstellung ist die maximale Höhe h der Flankenkombination. Außerdem können nur optische Flanken mit einer maximalen Länge z mit optischer Präzision hergestellt werden. Unter diesen beiden Randbedingungen wird die größte mögliche Flankenkombination durch skalieren gewählt und die Koordinaten eingetragen. Außerdem soll ein gleicher Materialfluss bei der Herstellung erzielt werden. Daher wird die Flankenkombination in der horizontalen so ausgerichtet, dass über eine Flankenkombination gemittelt, der Materialverbrauch auf der gestrichelten Linie liegt.
- 6. Ist die Sollbreite erreicht? Das Aneinanderreihen von Flankenkombinationen wird solange fortgesetzt, bis die Sollbreite erreicht wird oder aufgrund von eintretender Totalreflexion nicht mehr sinnvoll ist.
- 7. Koordinaten für die nächste Flankenkombination vorbereiten: Ist die Sollbreite noch nicht erreicht worden, so wird die nächste Kombination angehängt.
- 8. Koordinaten spiegeln: Im Fall α = 0° und f' = 0 ist die Linse symmetrisch und die konstruierte Hälfte muss zusätzlich gespiegelt werden. Andernfalls wird die untere Hälfte separat berechnet.
- 1. Set Start Coordinates: In the case of α = 0 ° and f '= 0, the lens is symmetrical to the optical axis and the lens is constructed upward from the axis. Then the upper part is mirrored and the lens is completed downwards.
- 2. Align lower interfering flank: The flank is aligned parallel to the light rays in the lens. At α = 0 ° the demolding is exactly perpendicular to this surface. Therefore, a demoulding ability of the flank of about 1 ° -4 ° is used.
- 3. Align the optically effective flank: The flank is aligned so that the middle light beam is directed into the focus. The refraction of the light rays is calculated according to the Snellius law of refraction, taking into account the refractive index to be applied. The flank is no longer aligned when due to the Total reflection condition a light beam can no longer be focused on the focus.
- 4. Optimize upper disturbing flank: The flank is aligned parallel to the light beam in the lens. Again, the Entformungsneignung of about 1 ° -4 ° is considered.
- 5. Scale flank combination: Steps 2 to 4 form a flank combination. A limitation in the production is the maximum height h of the flank combination. In addition, only optical edges with a maximum length z can be manufactured with optical precision. Under these two boundary conditions, the largest possible edge combination is selected by scaling and the coordinates are entered. In addition, an equal material flow is to be achieved during manufacture. Therefore, the edge combination is aligned in the horizontal so that averaged over an edge combination, the material consumption lies on the dashed line.
- 6. Has the nominal width been reached? The juxtaposition of edge combinations is continued until the desired width is reached or no longer makes sense due to incoming total reflection.
- 7. Prepare coordinates for the next flank combination: If the set width has not yet been reached, the next combination is appended.
- 8. Mirror coordinates: In the case of α = 0 ° and f '= 0, the lens is symmetrical and the constructed half must also be mirrored. Otherwise, the lower half will be calculated separately.
Unter einer zirkularen Fresnel-Linse wird eine Linse mit konzentrischen Stufen verstanden. Unter einer linearen gekrümmten Fresnel-Linse wird eine Platte verstanden, wobei die Stufen gerade verlaufen. Diese Platte kann dann – z. B. durch einspannen – wie ein Gewölbe eingebaut werden.Under A circular Fresnel lens becomes a concentric lens Steps understood. Under a linear curved Fresnel lens is understood a plate, wherein the steps are straight. This plate can then -. B. by clamping - like a vault to be installed.
Gravur der PrägewalzeEngraving the embossing roll
Die Prägewalze wird in geeigneten mech. Bearbeitungszentren durch Fräsen und oder Drehen mit der erfindungsgemäß optimierten Fresnel-Struktur versehen.The Embossing roll is in suitable mech. machining centers by milling and or turning with the inventively optimized Provided Fresnel structure.
Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnel-LinsenPreparation of the invention Fresnel lenses
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Fresnel-Linsen können herkömmliche Einschneckenkneter (Hersteller zum Beispiel Kuhne, Breier, Krauss Maffei) zur Plastifizierung der ausgewählten Thermoplaste eingesetzt werden. Je nach Kunststoff- und Kunststofftype sind Schmelzetemperaturen von ca. 200°C bis 300°C anzuwenden. Die Vorverteilung der Kunststoffschmelze erfolgt durch eine Breitschlitzdüse. Der so auf die Gravurwalze aufgebrachte Schmelzefilm wird durch ein umlaufendes Spiegelband aus hochglanzpoliertem Edelstahl in die Gravurwalze gedrückt, was zur Abformung der vorgegebenen erfindungsgemäßen Fresnel-Struktur in dem erstarrenden Schmelzestrang führt. Anstelle des umlaufendes Spiegelbands aus hochglanzpoliertem Edelstahl können auch eine oder mehrere Rollen angeordnet sein, um den Anpreßdruck der Schmelzebahn auf die Gravurwalze zu erzeugen. Der Anpreßdruck der Rollen kann gleich oder verschieden sein. Die Gravurwalze kann heiz- und/oder kühlbar ausgerüstet sein, wobei einzelne Bereiche heizbar und/oder kühlbar sein können.For the preparation of the Fresnel lenses according to the invention can conventional single-screw kneader (manufacturer for example Kuhne, Breier, Krauss Maffei) for the plasticization of selected thermoplastics are used. Depending on the plastic and Kunststofftype are melt temperatures of about 200 ° C. up to 300 ° C. The pre-distribution of the plastic melt takes place through a slot die. The so on the gravure roll Applied melt film is by a circulating mirror tape made of highly polished stainless steel pressed into the engraving roller, what for the impression of the given invention Fresnel structure in the solidifying melt strand leads. Instead of the rotating mirror band made of highly polished stainless steel Also, one or more rollers may be arranged to the contact pressure of the melt web to the gravure roll to produce. The contact pressure of the rollers can be the same or different be. The gravure roll can be heated and / or cooled equipped be, with individual areas heated and / or cooled could be.
Die Dimension der Linse hängt im Wesentlichen von der Leistung des Schneckenkneters sowie von der eingesetzten Breitschlitzdüse und der Breite der Prägetrommel ab.The Dimension of the lens depends essentially on the performance the worm kneader and the slot die used and the width of the embossing drum.
Die Extrusionsgeschwindigkeit kann von ca. 0,1 bis 10 m/min variieren und wird hauptsächlich durch den Prägewalzendurchmeser und die Linsendicke beeinflusst.The Extrusion speed can vary from about 0.1 to 10 m / min and is mainly due to the embossing roll diameter and affects the lens thickness.
Beispielsweise
wurde eine Linse mit folgenden Parametern hergestellt:
Breite
1000 mm
Dicke 2,0 mm
Brechungsindex n = 1,49
Brennweite
f = 1500 mm
Abformwinkel ϕ = 4° (Flankensteilheit
zur senkrechten Linie)For example, a lens was manufactured with the following parameters:
Width 1000 mm
Thickness 2.0 mm
Refractive index n = 1.49
Focal length f = 1500 mm
Impression angle φ = 4 ° (slope to the vertical line)
Alle angegeben Werte sind als Beispiele zu verstehen, die nicht beschränkend sind.All Values are to be understood as examples which are not restrictive are.
Unter der Berücksichtigung der Fresnel'schen Reflexionen werden 89,9% des Lichtes transmittiert.Under the consideration of Fresnel reflections 89.9% of the light transmitted.
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