DE19742159C2

DE19742159C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von optischen Glasformteilen durch Druckguß

Info

Publication number: DE19742159C2
Application number: DE19742159A
Authority: DE
Inventors: Shin-Ya Okada
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2017-09-25
Also published as: DE19742159A1; JPH10101347A; US5904746A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von optischen Glasformteilen der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung sowie ein entsprechendes Verfahren nach den im Ober begriff des Patentanspruchs 15 aufgeführten Maßnahmen.

Bei dem sog. Druckgußverfahren zur Herstellung von optischen Glasformteilen wird eine Glasschmelze mit geeigneter Viskosi tät unter einem vorgegebenen Druck in eine Gießform einge spritzt, und zwar über einen in den Formraum ausmündenden Einguß, der an der Außenfläche eines Gehäuseblockes ausmün det.

Nach dem Füllvorgang wird die Gießform abgekühlt und das ver festigte Glasformteil aus der Gießform ausgeworfen, woraufhin die Glasreste aus dem Einguß entfernt werden.

Die Temperatur der Glasschmelze für den Druckguß liegt norma lerweise über 600°C und bei Spezialglas wenigstens über 550°C. Vor dem Einleiten in die Gießform muß die Glasschmel ze eine Temperatur im Bereich des Verarbeitspunkts haben. In der Gießform wird das Glas abgekühlt, wobei seine Verfesti gung bei einer Umwandlungstemperatur von 450°C bis 400°C beginnt. Glas bleibt bis zur Umwandlungstemperatur in einem fluidisierten Zustand und unterliegt bei einem weiteren Tem peraturabfall thermischen Kontraktionen. Diese thermischen Kontraktionen verursachen sog. Schrumpfmarken an den Oberflä chen des Glasformkörpers, die der Ausgang von Haarrissen sein können.

Aus der US 3 844 755 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Druckgießen von optischen Glasformteilen bekannt, bei welcher das in warmfest ausge kleideten Kammer aufgeheizte und mit einem Druck beaufschlag te Glas als Schmelze über einen Einguß in einen Formraum überführt wird, dessen aus amorphem Kohlenstoffmaterial be stehende Wände eine hohe Oberflächenqualität und -genauigkeit besitzen. Die Vorrichtung enthält obere und untere Formwerk zeuge, die gegeneinander beweglich an einem oberen und einem unteren Block befestigt sind. Der untere Formblock kann zu sammen mit den unteren Formwerkzeugen eine Aufwärtsbewegung ausführen, an deren Enden die beiden Formblöcke aneinander stoßen und die Formwerkzeuge die Formräume definieren, in welche dann über einen zentralen Einguß die Glasschmelze un ter Druck injiziert wird. Diese geschlossene Stellung wird auch während der anschließenden Kühlphase beibehalten. Eine Preßeinrichtung dient zum Herausdrücken des schmelzflüssigen Glases aus einer mittleren Kammer über den jeweiligen Einguß in die Formräume sowie der Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes während der allmählichen Abkühlung der Glasformlinge auf eine Temperatur unter dem Glastransformationspunkt. Der Entstehung von Schrumpfmarken kann auf diese Weise nicht ent gegengewirkt werden.

Aus der US 5 015 280 ist eine weitere Gießanordnung zum Druckgießen von optischen Glasformteilen zwischen zwei Heiz blöcken bekannt, bei welcher zwei gegeneinander bewegbare Formwerkzeuge von einem Führungsring umgeben sind. Zwischen den beiden Formwerkzeugen eingesetzte feste Glaskörper werden durch die in den oberen und unteren Heizblöcken entwickelte Wärme aufgeschmolzen und durch Zusammenfahren der beiden Heizblöcke mit in den zugehörigen Formwerkzeugen unter Füh rung am Ringkörper in die gewünschte Form gebracht. Die Aus übung eines zusätzlichen Druckes auf den jeweiligen Glasform ling während seiner Kühlphase ist nicht möglich.

Schließlich ist aus der DE-A 33 06 253 eine Vorrichtung zum Druckgießen von Glasformteilen bekannt, bei welcher die bei den Formwerkzeuge in ihren jeweiligen Gehäuseblöcken fixiert angeordnet sind, so daß sie eigenständige zusätzliche Rela tivbewegungen nicht ausführen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Ver fahren zum Herstellen von optischen Glasformteilen zu schaf fen, mit denen Glasformteile mit hoher Oberflächengenauigkeit ohne Schrumpfmarken hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale und auch durch die im Verfahrensanspruch 15 angege benen Maßnahmen gelöst.

Die Glaseinspritzeinrichtung ist in einer Einspritzstufe vor gesehen, während die Gießform-Preßeinrichtung in einer nach folgenden Preßstufe vorgesehen ist, in der die Temperatur in der Weise geregelt wird, daß für den eingespritzten Glaswerk stoff eine Viskosität in der Umgebung seiner Fließgrenze auf rechterhalten wird. Die Gießformbaueinheit wird von der Ein spritzstufe zur Preßstufe befördert, wo auf die Gießformbau einheit ein Druck ausgeübt wird, um die Form des eingespritz ten Glaswerkstoffs zu korrigieren, der sich in einem Zustand in der Nähe seiner Fließgrenze befindet, d. h. der eine Visko sität aufweist, die noch immer eine Verformung zuläßt. Die Gießformbaueinheit kann beispielsweise aus einem beweglichen Gießformelement und aus einem festen Gießformelement gebildet sein, die einander gegenüber angeordnet sind. Der Gießhohl raum ist zwischen dem beweglichen Gießformelement und dem fe sten Gießformelement definiert, wobei der Einguß zweckmäßig an wenigstens einer Seite des beweglichen oder des festen Gießformelements in den Gießhohlraum mündet. In der Preßstufe kann auf das bewegliche Gießformelement ein Druck ausgeübt werden, indem entweder ein Preßmechanismus verwendet wird oder indem auf das bewegliche Gießformelement ein schweres Element gestellt wird; alternativ kann das Eigengewicht des beweglichen Gießformelements ausgenutzt werden, um auf den Glaswerkstoff im Gießhohlraum einen Druck auszuüben.

Um Schrumpfmarken durch die Preßoperation auszuschließen, ist es ausreichend, das bewegliche Gießformelement um eine äußerst kleine Strecke in der Größenordnung von einigen µm bis zu einigen zehn µm einwärts zu schieben. Daher ist es möglich, das bewegliche Gießformelement und das feste Gieß formelement während des Einspritzens des Glaswerkstoffs so anzuordnen, daß zwischen ihnen ein kleiner Spalt in der Grö ßenordnung von einigen zehn µm vorhanden ist. Das Vorhanden sein dieses geringen Spalts zwischen dem beweglichen und dem festen Gießformelement führt nicht zu einem Leck von ge schmolzenem Glas, es trägt jedoch dazu bei, die Luft aus dem Gießhohlraum entweichen zu lassen. In der Preßstufe bestimmt der feine Spalt zwischen dem beweglichen und dem festen Gieß formelement den Preßhub gegen den Glaswerkstoff im Gießhohl raum.

Wenn mittels einer Preßeinrichtung ein Druck ausgeübt wird, befindet sich der Glaswerkstoff im Gießhohlraum noch immer in einem geschmolzenen Zustand. Um daher zu verhindern, daß im Gießhohlraum und im Einguß befindliches fluidisiertes Glas aufgrund der Druckbeaufschlagung durch den Einguß austritt, ist zweckmäßig entweder in der Einspritzstufe oder in der Preßstufe eine Angußdichtung oder eine Angußunterbrechungs einrichtung vorgesehen, die den Anguß für den Gießhohlraum verschließen kann.

Die obenerwähnte Glaseinspritzeinrichtung kann aus einem Schmelztiegel, der einen Glaswerkstoff in einem vorgegebenen geschmolzenen Zustand halten kann, und aus einer Zwangsvor schubeinrichtung, die das geschmolzene Glas unter Druck an eine Einspritzdüse fördern kann, gebildet sein. Alternativ kann die Glaseinspritzeinrichtung aus einer Einspritzpatrone bestehen, die versehen ist mit einer Zylinderkammer für die Aufnahme eines Glasstabes, mit einer Einspritzdüse, die am vorderen Endabschnitt der Zylinderkammer ausgebildet ist, und mit einer Preßeinrichtung, die am hinteren Endabschnitt der Zylinderkammer vorgesehen ist, um den Glasstab zur Einspritz düse zu schieben, wobei ferner eine Heizeinrichtung vorgese hen ist, die wenigstens die Einspritzdüse der Patrone bis zur Arbeitstemperatur des Glaswerkstoffs erhitzt, um die vorderen Endabschnitte des Glasstabs einzuschmelzen. Das geschmolzene Glas an den vorderen Endabschnitten des Glasstabs wird unter Druck zur Einspritzdüse gefördert, wenn ein fester Bodenend abschnitt des Glasstabs durch die Preßeinrichtung vorwärts geschoben wird. Um den Durchsatz eines Gießprozesses zu ver bessern, können in der Einspritzstufe mehrere Einspritzpatro nen vorgesehen sein, um geschmolzenes Glas gleichzeitig in mehrere Gießformbaueinheiten einzuspritzen. In einem solchen Fall können Glasstäbe mit unterschiedlichen optischen Eigen schaften in die Einspritzpatronen geladen werden, um gleich zeitig optische Elemente unterschiedlichen Typs herzustellen.

Das Verfahren der Erfindung für die Herstellung glasartiger optischer Elemente durch Druckguß enthält die folgenden Schritte: einen Schmelzschritt, in dem ein Glaswerkstoff in einen geschmolzenen Zustand mit einer Viskosität in der Umge bung oder unterhalb eines Arbeitspunkts des Glaswerkstoffs geschmolzen wird; einen Einspritzschritt zum Einspritzen ge schmolzenen Glases unter Druck in einen Gießhohlraum, der zwischen Ubertragungsflächen von relativ zueinander bewegli chen Gießformelementen einer Gießformbaueinheit definiert ist und mit einem Einguß in Verbindung steht, der ihn mit einem Einspritzanschluß an der Außenseite der Gießformbaueinheit verbindet; und einen Preßschritt zum Ausüben eines vorgegebe nen Drucks auf den Glaswerkstoff im Gießhohlraum unter Abküh lung der Gießformbaueinheit auf eine Temperatur in der Nähe der Fließgrenze des Glaswerkstoffs.

Im Einspritzschritt besitzt der geschmolzene Glaswerkstoff zweckmäßig eine Viskosität im Bereich von 10² bis 10³ dPas, während er im Preßschritt eine Viskosität im Bereich von 10¹⁰ bis 10¹² dPas besitzt. Die im Preßschritt ausgeübte Last liegt zweckmäßig im Bereich von 0,98 N/cm² bis 1472 N/cm². Nach dem Preßschritt wird die Gießformbaueinheit zweckmäßig in einem Abkühlungsschritt langsam abgekühlt, wobei der Glas werkstoff bis zu einer Viskosität im Bereich 10 ¹⁴ bis 10 ¹⁸ ab gekühlt wird, wobei die dann erreichte Temperatur höher als die untere Entspannungstemperatur des Glaswerkstoffs ist, um Preßspannungen auszuschließen.

Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung lassen sich der Beschreibung zweckmäßiger Ausführungsbeispiele entnehmen, die in der Zeichnung dargestellt sind; es zeigen

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Gieß form für den Druckguß von optischen Glasformteilen;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht längs der Linie X-X in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht längs der Linie Y-Y in Fig. 1;

Fig. 4 ein Blockschaltbild der verschiedenen Stufen eines Druckgußprozesses gemäß der Erfindung;

Fig. 5 schematisch einen Längsschnitt einer Einspritzpa trone;

Fig. 6 schematisch eine Gießform-Preßeinrichtung;

Fig. 7 ein Diagramm der Änderungen der Glasviskosität in verschiedenen Stufen des Druckgußprozesses;

Fig. 8 schematisch einen Querschnitt einer abgewandelten Gießform;

Fig. 9 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glaseinspritzeinrichtung mit einem Schmelztiegel;

Fig. 10, 11 schematisch weitere Varianten der Gießform für Glas-Druckguß.

In der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Gießform können gleichzeitig zwei optische Glaslinsen hergestellt werden. Die Gießformbaueinheit kann selbstverständlich auch so beschaffen sein, daß gleichzeitig eine größere Anzahl von optischen Lin sen oder von optischen Elementen anderen Typs hergestellt werden können.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Gießform 1 enthält einen geteilten Gehäuseblock 2 und zwei Formensätze, wovon jeder aus einem oberen und einem unteren Formwerkzeug 3, 4 besteht. Der Gehäuseblock 2 hat einen oberen Teil 2a und einen unteren Teil 2b. Durch beide Teile 2a, 2b sind zwei beabstandete ver tikale Schächte 5a bzw. 5b gebohrt, in denen die beiden Form sätze so aufgenommen sind, daß die Stirnflächen 3a, 4a der Formwerkzeuge 3, 4 zwischen sich je einen Formraum 6 begren zen.

In den Kontaktflächen des oberen und unteren Gehäuseblocks 2b ist ein Einguß 7 vorgesehen, der einen die beiden Formräume 6 verbindenden Kanal 7a und einen zu einer Öffnung am Umfang des Gehäuseblocks 2 führenden Radialkanal 7b umfaßt. Der Ka nal 7a mündet in die jeweiligen Formräume 6 über je einen verengten Durchlaß 8. Ferner steht jeder Hohlraum 6 an einer dem Durchlaß 8 gegenüberliegenden Seite mit einem schmalen Gaskanal 9 in Verbindung.

Die unteren Formwerkzeuge 4 der beiden Formsätze sind in den Schächten 5b des unteren Gehäuseteils 2b durch einen Verrie gelungsstab 10 befestigt. Dieser Verriegelungsstab 10 ist in eine Bohrung 11 eingeschoben, die den unteren Gehäuseteil 2b und die unteren Formwerkzeuge 4 quer durchsetzt. Nach Herausziehen des Verriegelungsstabs 10 können sich die unteren Formwerkzeuge 4 in den Schächten 5b vertikal bewegen. Während des Druckgusses sind die unteren Formwerkzeuge 4 in den Schächten 5b verriegelt. Die oberen Formwerkzeuge 3 im oberen Gehäuseteil 2a können sich in den Schächten 5a auf- und abbe wegen.

Beim Druckgußvorgang wird das obere Formwerkzeug 3 auf einem vorgegebenen Niveau im oberen Gehäuseteil 2a gehalten, und begrenzt zusammen mit dem unteren Formwerkzeug 4 einen Form raum 6. Nach dem Einspritzen des Glaswerkstoffes wird das obere Formwerkzeug 3 durch eine Preßeinrichtung mit begrenz tem Preßhub im oberen Gehäuseteil 2a verschoben. Um das obere Formwerkzeug 3 nur mit einem begrenzten Hub zu bewegen, weist der Schacht 5a des oberen Gehäuseteils 2a an seinem oberen Ende einen Abschnitt mit größerem Durchmesser auf, der einen am oberen Ende des oberen Formwerkzeugs 3 ausgebildeten Flan schabschnitt 3b aufnimmt. Das obere Formwerkzeug 3 wird nor malerweise von einer Druckfeder 13, die in einer Federkammer 12 zwischen einer Ringschulter des Schachts 5a und dem Flansch 3b eingesetzt ist, gegen einen Anschlagring 14 ge drückt, der am oberen Endabschnitt des Schachts 5a befestigt ist und dessen Innendurchmesser kleiner als der Außendurch messer des Flansches 3b ist. Dadurch wird das obere Formwerk zeug ständig nach oben gedrückt, solange es nicht durch eine äußere Gegenkraft einwärts verschoben wird.

Im Gehäuseblock 2 sind an gegenüberliegenden Seiten des Ein gusses und in der Nähe seines äußeren Endes vertikale Kühlka näle 15 ausgebildet. Der Einguß 7 mündet in der äußeren Um fangsfläche des Gehäuseblocks 2. In einer der Glaseinspritz stufe folgenden Kühlstufe wird durch diese Kühlkanäle 15 ein Kühlmittel, z. B. ein Tieftemperatur-Stickstoffgas od. dgl., geleitet, um das geschmolzene Glas in der Umgebung der äuße ren Mündung des Eingusses 7 schnell zu verfestigen.

Bei der Druckguß-Herstellung von optischen Formteilen wird die Gießform 1 nacheinander von einer der in Fig. 4 gezeigten Stufen zur nächsten befördert. Der Druckgußprozeß nach Fig. 4 enthält eine Gießformvorheizstufe 20, eine Glaseinspritzstufe 21, eine Gießformpreßstufe 22, eine Langsamabkühlstufe 23 und eine Abkühlstufe 24.

Durch Erhitzen der Gießform 1 in der Gießformvorheizstufe 20 wird verhindert, daß die Glasschmelze vor ihrer Einleitung in die Formräume 6 über den Einguß 7 und die jeweiligen Eng stellen 8 eine zu hohe Viskosität annimmt. Hierzu ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die die Gießform auf eine dem Ar beitspunkt für den Druckguß des Glaswerkstoffs entsprechende Temperatur oder auf eine Temperatur im Bereich ihres Erwei chungspunkts erhitzt.

Anschließend wird Glasschmelze in der Einspritzstufe 21 in die Formräume 6 injiziert. Hierzu wird eine Einspritzpatrone 30 gemäß Fig. 5 verwendet, mit der das geschmolzene Glas in die Formräume 6 eingespritzt wird. Diese Einspritzpatrone 30 hat einen Zylinder 31 mit einer Einspritzdüse 32 am vorderen Ende, und eine Druckkammer 33 am hinteren Ende des Zylinders 31. Im Zylinder 31 ist ein Glasstab 35 angeordnet, gegen den ein axial im Zylinder verschiebbarer Kolben 34 drückt. Um die Einspritzdüse 32 und an den vorderen Endabschnitten des Zy linders 31 ist eine Heizeinrichtung 36 vorgesehen, die vorde re Endabschnitte des Glasstabs 36 aufschmilzt, so daß das Glas in einem fluidisierten Zustand unter dem vorgegebenen Druck von der Einspritzdüse 32 gleichmäßig in eine Gießform eingespritzt werden kann. Dabei hat das Glas eine Viskosität des Glasarbeitspunkts, genauer eine Viskosität im Bereich von 10² bis 10⁵ dPas und zweckmäßig im Bereich von 10³ bis 10⁴dPas.

Sobald sich die Gießform 1 in der Einspritzstufe 21 befindet, wird die Einspritzdüse 32 der Patrone 30 über einen Anschluß in der Umfangsfläche des Gehäuseblocks 2 mit dem Einguß 7 verbunden. Dann wird die Druckkammer 33 mit einem Fluiddruck beaufschlagt, wodurch der Glasstab 35 vom Kolben 34 vorwärts geschoben wird. Da der vordere Endabschnitt des Glasstabs 35 durch die um die Einspritzdüse und um die vorderen Endab schnitte der Zylinderkammer 31 gewickelte Heizeinrichtung 36 aufgeschmolzen worden ist, wird Glasschmelze in die Formräume 6 durch den Einguß 7 eingepreßt. Während dieses Füllvorgangs ist die Gießform 1 durch eine nicht gezeigte Klemmeinrichtung fixiert.

In der Preßstufe 22 wird die in die Formräume 6 eingespritzte Glasschmelze auf eine Viskosität im Bereich der Fließgrenze des Glases abgekühlt, wobei gleichzeitig auf die oberen Form werkzeuge 3 ein Druck ausgeübt wird, die Formflächen 3a und 4a auf den Glasformteilen genau kopiert und Schrumpfmarken in Form von Einsackstellen vermieden werden, die andernfalls durch Wärmeschrumpfung bei dem Temperaturabfall auf den Glas oberflächen auftreten. Zu diesem Zweck dient eine Preßein richtung 40, die von einem Hubzylinder 41 und einem Gewicht 43 gebildet wird, das am unteren Ende der Hubzylinderstange an Armen 42 lose gehalten wird. In der Ausführung nach Fig. 6 weist das Gewicht 43 zwei Stößel 43a auf, die auf die oberen Formwerkzeuge 3 im Gehäuseblock 2 drücken.

Beim Preßvorgang wirkt das Gewicht 43 gegen die Feder 13 auf das obere Formwerkzeug 3a und auf den Glaswerkstoff, dessen Viskosität noch im Bereich seiner Fließgrenze liegt (vgl. rechte Hälfte der Fig. 6). Falls das eingespritzte Glas eine relativ hohe Viskosität hat oder eine große optische Linse gegossen wird, kann das Gewicht 43 allein nicht ausreichen, um die Bildung von Schrumpfmarken auf den Oberflächen der Glasformteile zu verhindern. In diesem Fall kann ein Hydrau likzylinder oder eine andere Preßeinrichtung vorgesehen sein, um das Gewicht 43 stärker gegen das obere Formwerkzeug 3 zu pressen. Es kann auch ein zusätzliches Gewicht auf das Ge wicht 43 gelegt werden.

Die der Fließgrenze entsprechende Viskosität, bei der das Glas in der Preßstufe 22 gehalten wird, ist etwas niedriger als die der Umwandlungstemperatur entsprechende Viskosität. Im allgemeinen besitzt Glas bei der Umwandlungstemperatur, bei der eine Verfestigung des Glases beginnt, eine Viskosität von ungefähr 10¹²dPas. Bei der Umwandlungstemperatur können daher Schrumpfmarken auf den Oberflächen der Glasformteile nur schwer verhindert werden. Daher sollte die Temperatur ge nau kontrolliert werden, um die Viskosität etwas unterhalb der der Umwandlungstemperatur entsprechenden Viskosität zu halten, d. h., die Viskosität sollte in einem Bereich von 10¹⁰ bis 10¹² dPas gehalten werden.

In der an die Preßstufe 22 anschließenden Langsamabkühlstufe 23 wird das Glas in den Formräumen allmählich von der Fließ grenze-Temperatur auf eine untere Entspannungstemperatur ab gekühlt. Die Viskosität bei dieser unteren Entspannungstempe ratur beträgt etwa 10¹⁴ dPas. Es können Spannungen im Glas auftreten, falls die Temperatur schnell auf die dieser Visko sität entsprechende Temperatur abfällt. Um das Glas langsam auf die einer Viskosität von etwa 10¹⁴ dPas entsprechenden Temperatur abzukühlen, wird die Gießform in der Langsamab kühlstufe 23 in einem der unteren Entspannungstemperatur ent sprechenden Zustand gehalten. Bei der Abkühlung der Glasform teile auf die untere Entspannungstemperatur können in gewis sem Maß Schrumpfmarken auftreten, deren Entstehung jedoch durch die Wirkung des Gewichts 43 oder eines anderen Gewichts in der Langsamabkühlstufe verhindert werden kann.

Nach der langsamen Abkühlung auf die untere Entspannungstem peratur werden die Glasformteile in der Kühlstufe 24 bis zur vollständigen Verfestigung weiter abgekühlt, woraufhin sie aus der Gießform entfernt werden.

Die obenbeschriebene Druckgußvorrichtung gemäß der Erfindung ist besonders zum Gießen von optischen Glasformteilen nach dem im folgenden beschriebenen Verfahren geeignet.

Zunächst wird die Gießform 1 in der Vorheizstufe 1 auf eine Temperatur im Bereich des Glas-Erweichungspunkts erhitzt und anschließend in die Einspritzstufe 21 gefördert, in welcher der Einguß an der Umfangsfläche des Gehäuseblocks 2 mit der Einspritzdüse 32 der Einspritzpatrone 30 verbunden und der vordere Endabschnitt des Glasstabs 35 durch die Heizeinrich tung 36 aufgeschmolzen wird. Durch einen in der Druckkammer 33 erzeugten Fluiddruck wird der Glasstab 35 nach vorn ge schoben und die Schmelze durch den Einguß 7 unter Druck in die Formräume 6 eingespritzt. Dabei wird die in den Formräu men 6 befindliche Luft durch den Gaskanal 9 nach außen ge drückt, so daß die auf eine Temperatur im Bereich des Glasar beitspunkts erhitzte Schmelze die Formräume 6 gleichmäßig und blasenfrei ausfüllt.

Nach dem Füllen der Formräume 6 wird die Gießform 1 von der Einspritzpatrone 30 getrennt und zur Preßstufe 22 gebracht. Vor oder nach dieser Abtrennung wird Stickstoffgas mit ver hältnismäßig niedriger Temperatur durch den Kühlmittelkanal 15 geleitet, wodurch der Einguß 7 mit verfestigtem Glas abge dichtet und eine Rückströmung von Schmelze aus den Formräumen 6 in den Einguß 7 verhindert wird.

Die Gießform 1 mit der gespritzten Glasschmelze von niedriger Viskosität wird anschließend in die Preßstufe gebracht. Der Zylinder 41 wird aus einer oberen Bereitschaftsposition abge senkt, wodurch die oberen Formwerkzeuge 3 von den Stößeln 43a des Gewichts 43 belastet werden und auf das Glas in den Form räumen 6 ein Druck ausgeübt wird. In dieser Preßstufe 22 wird die Temperatur auf einen Wert abgekühlt und gehalten, der ei ner Viskosität im Bereich der Fließgrenze entspricht. Trotz der Wärmeschrumpfung bei der Abkühlung werden Schrumpfmarken durch den vom Gewicht 43 erzeugten Druck verhindert und hoch präzise Oberflächen erzeugt. Das Gewicht 43 erzeugt zweckmä ßig eine Belastung im Bereich von 0,981 N/cm² bis 1472 N/cm². Der Druck bewirkt keine Rückströmung der Glasschmelze aus den Formräumen 6 in den Einguß 7, weil das verfestigte Glas am Einguß 7 als Stopfen wirkt.

In der Preßstufe wird das Glas auf eine Temperatur abgekühlt, die einer Viskosität im Bereich seiner Fließgrenze ent spricht, d. h. bei der die Verfestigung des Glases beginnt oder stattfindet. Dann wird die Gießform 1 zur Langsamab kühlstufe 23 befördert, um das Glas allmählich auf unter sei ne untere Entspannungstemperatur abzukühlen. Bei dieser lang samen Abkühlung wird die Gießform 1 zweckmäßig mit dem Ge wicht 43 der Preßstufe 22 oder durch ein ausschließlich für die Verwendung in der Langsamabkühlstufe 23 vorgesehenes Ge wicht ununterbrochen belastet, wodurch Verformungen und Schrumpfmarken vermieden werden.

Sobald die Viskosität über die der unteren Entspannungstempe ratur ansteigt, können die Glasformteile ohne nachteilige Wirkungen schnell abgekühlt werden. Die Gießform 1 wird aus der Langsamabkühlstufe 23 in die Abkühlstufe 24 gefördert, und in dieser so schnell wie möglich auf eine Auswurftempera tur abgekühlt. Die der Abkühlstufe 24 entnommene Gießform wird geöffnet, um die gegossenen optischen Glasformteile aus zuwerfen. In dieser Stufe werden Glasabschnitte aus dem Ein guß 7 abgeschnitten.

Optische Glasformteile können effizient in mehreren Gießfor men 1 nacheinander oder gleichzeitig durch die Vorheizstufe 20, die Einspritzstufe 21, die Preßstufe 22, die Langsamab kühlstufe 23 und die Abkühlstufe 24 hergestellt werden, die für die obenbeschriebenen spezifischen Behandlungen unabhän gig voneinander auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden.

Wie insbesondere aus Fig. 7 ersichtlich, wird das in die Gießform 1 eingeleitete Glas in der Preßstufe 22 bei einer Viskosität im Bereich seiner Fließgrenze gepreßt, um eine ge naue Übertragung der Oberflächenumrisse auf die Glasformteile sicherzustellen und gleichzeitig Schrumpfmarken zu vermeiden, so daß eine erheblich verbesserte Oberflächengenauigkeit er halten wird. In der nachfolgenden Langsamabkühlstufe 23 wird das Glas allmählich auf eine der unteren Entspannungsgrenze entsprechende Viskosität abgekühlt, wodurch die Entstehung interner Spannungen sicher verhindert werden kann. Folglich können qualitativ hochwertige optische Glasformteile erzeugt werden, die einen äußerst genauen Oberflächenumriß aufweisen und frei von Restspannungen sind.

Sowohl in der Glaseinspritzstufe 21 als auch in der Gießform preßstufe 22 und in der Langsamabkühlstufe 23 ist eine genaue Temperaturregelung erforderlich, um die spezifischen Bedin gungen der Viskosität einzuhalten. Beispielsweise wird die Temperatur im Fall von PSK50 (Handelsname für ein Produkt der SUMITA Optical Glass, Inc.) auf 540°C an der Einspritzdüse und auf 420°C für die Gießform 1 in der Einspritzstufe 21 geregelt. In der Preßstufe 22 bzw. in der Langsamabkühlstufe 23 wird die Temperatur auf 390°C bzw. auf 340°C einge stellt. Im Fall von CD45 (Handelsname für ein Produkt der SUMITA Optical Glass, Inc.) werden die Temperaturen für die Einspritzdüse bzw. für die Gießform 1 auf 680°C bzw. auf 560°C in der Einspritzstufe 21 gehalten, während die Tempe raturen in der Preßstufe 22 auf 510°C und in der Langsamab kühlstufe 23 auf 430°C geregelt werden.

In der Preßstufe 22 muß der Einguß 7 abgedichtet werden, da mit kein geschmolzenes Glas bei Belastung der oberen Form werkzeuge aus den Formräumen herausgedrückt wird. Statt das Glas im Einguß 7 zur Abdichtung schnell abzukühlen, kann in die Gießform 1 gemäß Fig. 8 ein U-förmiges Schneidelement 50 eingesetzt werden, das nach dem Einspritzvorgang aus einer äußeren zurückgezogenen Position in eine innere Verschlußpo sition verschoben wird, um die Engstellen 8 zu sperren. In diesem Fall bildet das Schneidelement 50 einen Verschluß für die Formräume 6 und schneidet die Glasreste im Einguß 7 von den Formteilen, so daß eine Angußschneidoperation in einer späteren Stufe entfallen kann.

Statt der Einspritzpatrone 30 kann eine Einspritzvorrichtung gemäß Fig. 9 verwendet werden, in welcher das zu injizierende Glas in einem mit einer Heizeinrichtung 52 versehenen Schmelztiegel 51 auf eine dem Glasarbeitspunkt entsprechende Temperatur gebracht wird. Eine Rühreinrichtung 53 in dem Schmelztiegel 51 hält die Glastemperaturen im Schmelztiegel 51 gleichmäßig. Der Schmelztiegel 51 ist durch einen Abfluß kanal 54 mit einem Zylinder 55 verbunden, der an seinem vor deren Ende eine Einspritzdüse 57 aufweist. In den Zylinder 55 ist ein Kolben 56 eingesetzt, der die Glasschmelze mit einem vorgegebenen Druck zur Einspritzdüse 57 drückt.

Die Einspritzpatrone 30 hat gegenüber dem Schmelztiegel 51 den Vorteil einer kompakten Konstruktion und ermöglicht das Einspritzen der Schmelze gleichzeitig in mehrere Gießformen 1. In geeigneten Anordnungen können mehrere Gießformen 1 mit einer geeigneten Fördereinrichtung in und aus der Einspritz stufe 22 befördert werden, wobei durch eine entsprechende An zahl von Einspritzpatronen 30 Glasschmelze gleichzeitig in die mehreren Gießformen 1 eingespritzt werden kann, um den Durchsatz erheblich zu steigern. Es sind auch Anordnungen möglich, mit denen Glaswerkstoffe mit unterschiedlichen Zu sammensetzungen in mehrere Gießformeinheiten 1 eingespritzt werden können. Die je nach Glaszusammensetzung unterschiedli che Glasarbeitstemperatur kann für jeden der Glasstäbe in den entsprechenden Einspritzpatronen 30 getrennt und unabhängig gesetzt werden. Neben unterschiedlichen Arbeitstemperaturen ist es jedoch wünschenswert, Glaszusammensetzungen mit ähnli chen Fließgrenze-Temperaturen und ähnlichen unteren Entspan nungstemperaturen zu wählen, da die Gießformtemperaturen in der Einspritzstufe 21 und die inneren Temperaturen in der Preßstufe 22 und in der Langsamabkühlstufe 23 gleichermaßen auf alle Glaszusammensetzungen angewendet werden. Insbesonde re sollte die Temperatur in der Preßstufe 22, die die Aufgabe hat, Schrumpfmarken zu korrigieren und zu entfernen und die Genauigkeit der Oberflächenumrisse zu erhöhen, genau geregelt werden. Die Glasviskosität wird in der Preßstufe im Bereich von 10¹⁰ bis 10¹² dPas gehalten, so daß hier ein Temperaturab stand von ungefähr 40°C zum Viskositätsbereich vorhanden ist. Daher sollte in dem Fall, in dem zwei Arten von Glas werkstoffen gleichzeitig gefördert werden, ein Glas bei der Fließgrenze zweckmäßig eine Temperaturdifferenz von weniger als ±20°C und stärker bevorzugt eine Temperaturdifferenz von weniger als ±10°C gegenüber dem anderen Glas haben.

Beispielsweise können mit dem Glaswerkstoff CD45 gleichzeitig der Glaswerkstoff VCD20 (Handelsname für ein Produkt der Hoya, Corp.) oder der Glaswerkstoff M-FD6 (Handelsname für ein Produkt desselben Herstellers) verwendet werden. Wenn VCD20 und CD45 miteinander kombiniert werden, ist es günstig, die Temperatur für die Gießform 1 in der Einspritzstufe 21 auf 560°C, in der Preßstufe 22 auf 520°C und in der Langsa mabkühlstufe 23 auf 430°C zu regeln. Wenn andererseits die Werkstoffe M-FD6 und CD45 miteinander kombiniert werden, ist es günstig, die Temperatur für die Gießform 1 in der Ein spritzstufe 21 auf 560°C, in der Preßstufe 22 auf 510°C und in der Langsamabkühlstufe 23 auf 420°C zu regeln. Die Druck gußtemperatur liegt für VCD20 zweckmäßig bei 710°C und für M-FD6 zweckmäßig bei 700°C.

Durch Verwenden der Gießform 1 in der obenbeschriebenen Weise für den Druckguß eines Glases können hochpräzise optische Elemente effizient hergestellt werden. Je nach Bedarf können statt des in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Gießformsatzes eine Gießform 60 oder 70 nach Fig. 10 oder 11 verwendet werden.

Die Gießform 60 nach Fig. 10 entspricht im wesentlichen der vorbeschriebenen Gießform 1, hat jedoch keine Feder 12. Die Gießform 60 hat einen Gehäuseblock 61 und zwei Formsätze mit je einem oberen und einem unteren Formwerkzeug 62 bzw. 63. Der Gehäuseblock 61 besteht aus einem oberen und einem unteren Teil 61a und 61b, in deren vertikale Schächte 64a bzw. 64b die oberen und unteren Formwerkzeuge 62 und 63 eingesetzt sind. Die Formwerkzeuge 62 und 63 definieren Formräume 65, die mit einem Einguß 66 über Durchlässe 67 im Gehäuseblock 61 in Verbindung stehen. Jedes untere Formwerkzeug 63 ist im Schacht 64b des unteren Gehäuseteils 61b festgelegt, während jedes obere Formwerkzeug 62 in einem begrenzten Bereich im Schacht 64a des oberen Gehäuseteils 61a vertikal beweglich ist. Um den vertikalen Bewegungsraum der oberen Formwerkzeuge 62 zu begrenzen, weist jeder Schacht 64a an seinem oberen En de einen erweiterten Abschnitt auf, in dem ein oberer Flan schabschnitt des oberen Formwerkzeugs 62 gleitend aufgenommen ist, der zwischen einer unteren Schulter des erweiterten Ab schnitts und einem oben eingeschraubten Anschlagring 68 ver schoben werden kann. Die Formräume 65 entsprechen der Form der herzustellenden Formteile, wenn der Flanschabschnitt des oberen Formwerkzeugs 62 am Anschlagring 68 anschlägt, wie in Fig. 10 durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist. Normaler weise kann das obere Formwerkzeug 62 durch Schwerkraft in ei ne untere Position absinken, bis es an der Schulter 69 an schlägt, wie in Fig. 10 durch eine Strichpunktlinie gezeigt ist. In dieser Stellung darf das obere Formwerkzeug 62 den Anguß 67 nicht versperren. Für den Druckguß von optischen Glasformteilen wird die Gußform 60 zur Einspritzstufe geför dert, wobei sich die oberen Formwerkzeuge 62 in den unteren Positionen befinden. Bei Einleiten von Glasschmelze wird je des obere Formwerkzeug 62 durch den Druck der Glasschmelze nach oben bis an den Anschlagring 68 geschoben, wobei dann zwischen dem jeweils oberen und dem unteren Formwerkzeug 62 bzw. 63 der vorgegebene Formraum 65 definiert ist. In diesem Fall wirkt das Eigengewicht des oberen Formwerkzeugs 62 als Preßlast auf die Glasschmelze im Formraum 65, so daß in der Preßstufe kein weiteres Gewicht oder eine andere Preßeinrich tung vorzusehen ist.

Die Gießform 70 nach Fig. 11 hat ein oberes und ein unteres Formwerkzeug 71, 72, die zwischen sich einen Formraum 73 definieren. Der Formraum 73 ist über einen Durchlaß 75 mit einem Einguß 74 verbunden. Normalerweise sind die Formwerk zeuge 71 und 72 nicht in gegenseitigem Kontakt, sondern durch einen von einem Spreizglied 76 erzeugten Spalt voneinander getrennt. Die Breite dieses Spalts wird z. B. durch eine Klemmeinrichtung od. dgl. bestimmt, um in der Einspritzstufe 21 einen Gaskanal zu schaffen. Um Gase im Formraum 73 auszu stoßen und dabei ein Austreten von Glasschmelze zu verhin dern, wird die Breite des Gaskanals in einem Bereich von ei nigen µm bis zu einigen 10 µm je nach Viskosität der Schmelze gehalten. In der Einspritzstufe wird Glasschmelze gleichmäßig und sicher in jeden Abschnitt des Formraums 73 der Gießform 70 eingeleitet, wobei die Gase durch den zwischen dem oberen und dem unteren Formwerkzeug 71, 72 vorhandenen Spalt austre ten. In der Preßstufe wird das obere Formwerkzeug 71 gegen die Wirkung der Spreizfeder 76 auf das untere Formwerkzeug 72 gepreßt. Zweckmäßig wird eine Klemmeinrichtung verwendet, die in zwei unterschiedlichen Positionen eingesetzt werden kann, d. h. in einer ersten Position zum Halten des Gasspalts zwi schen den Formwerkzeugen 71 und 72, in der Einspritzstufe, und einer zweiten Position zum Pressen des oberen Formwerk zeugs 71 gegen das untere Formwerkzeug 72 in der Preßstufe. Die Preßeinrichtung kann weggelassen werden, wenn eine Klemmeinrichtung vorhanden ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen von optischen Glasformtei len, bestehend aus

- einer Gießform (1) mit oberen und unteren gegeneinan der bewegbaren Formwerkzeugen (3, 4; 62, 63; 71, 72), die im geschlossenen Zustand einen Formraum (6; 65; 73) begrenzen, in den eine Glasschmelze über einen Einguß (7; 66; 73) aus einem Injektor (30) unter Druck einführbar ist, und
- einer Vorrichtung (40) zum relativen Bewegen des ei nen Formwerkzeugs gegenüber dem anderen,

dadurch gekennzeichnet, daß

- zumindest eines der Formwerkzeuge (3; 4) im geschlos senen Zustand gegenüber dem anderen Formwerkzeug (4; 3) bewegbar ist und
- dem beweglichen Formwerkzeug (3; 4) ein Druckglied (43) der Vorrichtung (40) zugeordnet ist, das in ei ner dem Füllvorgang nachfolgenden Kühlphase einen der Bildung von Schrumpfmarken entgegenwirkenden Druck auf den Glasformling ausübt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (1) mit dem Injektor (30) von einer Einspritzstation (21) in eine Preßstation (22) über führbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einguß (7) nach dem Füllvorgang und vor der Druckbeaufschlagung absperrbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einguß (7) eine Kühleinrichtung (15) zugeordnet ist, die zum abgedichteten Absperren des Einguß (7) das darin befindliche Glas schnell abkühlt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einguß (7) eine Schneideinrichtung (15) zuge ordnet ist, die das im Einguß (7) befindliche Glas durchtrennt und eine Sperre bildet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstation (21) eine Aufheiz station (20) vorgeschaltet ist und daß der Preßstation (22) eine Abkühlstufe (23, 24) nachgeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Formwerkzeuge (3, 4) in gegenseitiger Flucht in einem Gehäuseblock (2) angeord net sind, wobei das eine Formwerkzeug (4)im Gehäuse block (2) fixiert und das andere Formwerkzeug (3) im Gehäuseblock (2) verschiebbar aufgenommen sind, und daß der Einguß (7) zwischen den beiden Formwerkzeugen (3, 4) in den Formraum (6) ausmündet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Formwerkzeug im Nor malzustand von einem elastischen Glied (13, 76) in ei ner vorgegebenen Entlastungsstellung gehalten ist und beim Preßvorgang in Richtung des Formraumes (6) um eine kurze Distanz bewegt wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des einen Formwerk zeugs (3) und der auf den Glasformling ausgeübte Druck durch Schwerkraft, insbesondere durch das Eigengewicht des Formwerkzeugs (3), erzeugt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Gewicht (43) auf dem beweglichen Formwerkzeug (3) zur Erzeugung der Bewegung und des Drucks positionierbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Formwerkzeugen (71, 72) ein elastisches Spreizglied (76) angeordnet ist, das einen aus dem Formraum (73) herausführenden Entgasungsspalt während des Füllvorganges freihält.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor eine Spritzpatrone (30) aufweist, die eine Zylinderkammer zur verschiebba ren Aufnahme eines Glasstabes (35), eine Einspritzdüse an ihrem vorderen Endabschnitt und einen Druckerzeuger (34) an ihrem hinteren Endabschnitt sowie eine Heizein richtung (36) enthält, die wenigstens die Einspritzdüse (32) auf eine Arbeitstemperatur des Glases erhitzt, um vordere Endabschnitte des Glasstabes (35) aufzuschmel zen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spritzpatronen (30) vorgesehen sind, die das Glas gleichzeitig in mehrere Gießformen (1) ein spritzen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spritzpatronen (30) mit Glasstäben (35) unterschiedlicher Zusammensetzung geladen sind, um gleichzeitig optische Glasformteile unterschiedlichen Typs herzustellen.

15. Verfahren zum Herstellen von optischen Glasformteilen durch Druckguß, bei welchem

- Glas zu einer Schmelze mit einer Viskosität aufge schmolzen wird, deren Wert gleich oder kleiner als der dem Arbeitspunkt des Glases entsprechende Wert ist,
- die Glasschmelze unter Druck in einen von relativ zu einander beweglichen Formwerkzeugen definierten Form raum über einen Einguß eingespritzt wird und
- der eingeschlossene Glasformling zusammen mit den Formwerkzeugen abgekühlt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- während der Abkühlphase ein vorgegebener Druck auf den Glasformling durch eine Bewegung des einen Werk zeugs über seine Schließstellung hinaus ausgeübt wird, welcher der Entwicklung von Schrumpfmarken auf den Oberflächen des Formlings entgegenwirkt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschmelze beim Einspritzen eine Viskosität von 10² bis 10³ Poise und während der Druckphase eine Viskosität von 10¹⁰ bis 10¹² Poise hat.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn zeichnet, daß der Glasformling mit einem vorgegebenen Druck von 0,98 bis 1472 N/cm² beaufschlagt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Glasformling nach dem Preßvorgang langsam bis zu einer Viskosität von 10^14,5-10¹⁸ Poise abgekühlt wird, die einer Temperatur unterhalb der un teren Entspannungstemperatur des Glases entspricht.