DE3114881C2

DE3114881C2 - Nachverformungsverfahren zur Herstellung von Präzisionsglaskörpern mit hoher Oberflächenqualität

Info

Publication number: DE3114881C2
Application number: DE19813114881
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 6500 Mainz-Finthen Zamja
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1981-04-13
Filing date: 1981-04-13
Publication date: 1983-02-10
Also published as: DE3114881A1; EP0076817A1; WO1982003621A1

Description

Nach dem Stande der Technik werden Präzisionsglaskörper, z. B. asphärische Linsen für Kameras, mit numerisch gesteuerten Maschinen hergestellt (siehe z.B. E. Heynacher, Zeiss-Information 24, 19—25 (1978/79) Heft 88).

Hierzu werden Glaskörper mit sphärischen Flächen, die von der gewünschten asphärischen Fläche nur geringfügig abweichen, nach konventionellen Techniken (Fräsen und Schleifen) vorgefertigt und aul de"· numerisch gesteuerten Maschine bis zur Fertigstellung der asphärischen Fläche nachbearbeitet

Nach einem anderen Verfahren werden solche Glaskörper durch das sogenannte »Blankpressen« von wiedererwärmten, feuerpolierten Glasstäben hergestellt (D. F. Hörne: Optical production technology S. !24, f, Adam Hilger, London).

Diese bekannten Verfahren haben große Nachteile. Diese bestehen beim Einsatz numerisch gesteuerter Maschinen, welche asphärischen Flächen nur einzeln herstellen können, im hohen Aufwand bei gleichzeitig niedrigem Durchsatz, d. h. in hohen Herstellungskosten und geringer Kapazität pro Maschine, bzw. in der nicht ausreichenden Präzision und Oberflächenqualität des fertigen Produkts nach dem »Blankpressen«. Beim Abkühlen des Glaskörpers nach dem Pressen treten Deformationen auf, so daß die gewünschte Form der Oberfläche (Sollkurve) bei Vorgabe enger Toleranzen nicht erreicht wird. Die Oberfläche selbst weist, für das unbewaffnete Auge nicht sichtbar, Erhebungen und Vertiefungen auf, die mehr oder weniger stark ausgeprägt sind (in der Fachsprache als »Apfelsinenschalenstruktur« bezeichnet), so daß der Glaskörper nicht für den Einsatz z. B. in der Fotooptik geeignet ist

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, mit welchem einem Glaskörper durch Nachverformung bestimmter Oberflächenbereiche eine Gestalt gegeben werden kann, die der SoIIkfjrve innerhalb engster Toleranzen nahekommt Dabei soll gleichzeitig eine Oberflächenqualität erzielt werden, die eine Nachbearbeitung entbehrlich macht und den Ansprüchen der Fotooptik genügt

Dieses Ziel wird mit den Ansprüchen erreicht, indem man erfindungsgemäß — anders als bei den bisher für die Herstellung von Glaskörpern für optische Anwendungen bekannten Preßverfahren, bei denen das gesamte für die Herstellung eines Preßlings erforderliche Glasvolumen so weit ei-wärmt wird, daß es preßfähige Viskositäten annimmt — von einem Glaskörper ausgeht, der schon nahpzu in der gewünschten Gestalt des Endproduktes vorliegt. Der Glaskörper wird auf eine Temperatur TA vorgewännt und in Gebieten der Oberfläche, welche nachverformt werden sollen, in und nahe der Oberfläche in geringer Schichtdicke auf eine Temperatur TB erwärmt, welche höher als die Temperatur TA ist und bei der sich das Glas leicht verformen läßt. Anschließend wird der Glaskörper durch Pressen verformt.

Die Temperatur TA wird so gewählt, daß sie in einem Bereich liegt, in dem das Glas eine Viskosität von 10¹² bis IO¹«·⁵ dPa ■ s besitzt. Die Temperatur TB liegt zwischen der Temperatur TA und der Temperatur, bei der das Glas die Viskosität von 10⁵ dPa · s hat Die Dicke der Zone, welche auf die Temperatur TB erhitzt wird, ist so gewählt, daß das Glas in allen Phasen des Preßvorgangs parallel zur Oberfläche des Glaskörpers fließen kann, d. h. die auf die Temperatur TB erwärmte Zone reicht tiefer in den Glaskörper als der am tiefsten eindringende Punkt der Sollkurve nach Abschluß des Preßvorgangs (siehe F i g. 4).

Das Erhitzen einer Schicht läßt sich am einfachsten verwirklichen, wenn eine Strahlung verwendet wird, die vom Glaskörper bei der Temperatur TA stark absorbiert wird. Laserlicht, Elektronenstrahlung, Infrarot-Strahlung sind günstige Heizmethoden. Als geeignete Wärmequellen dienen z. B. ein leicht defocussierter CXVLaser, eine Elektronenstrahlkanone, eine Glimmelektrode aus Reinstaluminium, sowie Strahlungsbleche

3HS Platin, Rhodium, Wolfram oder anHeren geeigneten Metallen oder Metall-Legierungen. Die verwendeten Wärmequellen sollen eine möglichst gleichmäßige Energieverteilung Ober einen Querschnitt besitzen, der dem zu verformenden Querschnitt entspricht Der Strahl eines CO₂-Lasers läßt sich beispielsweise so aufweiten, daß Glaskörper bis zu Durchmessern von 70 mm bearbeitet werden können, z. B. asphärische Brillengläser.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich dazu, ι ο konventionelle Gläser, insbesondere optische Gläser mit definierter Lage im Brechwert-Dispersions-Diagramm, so zu verpressen, daß die Erreichte Qualität der Oberfläche auch die üblichen Spezifikationen für Kameralinsen erfüllt, so d?ß ein Schleifen und Polieren nicht mehr notwendig ist

Neben Kameralinsen lassen sich nach dem Verfahren auch Brillengläser, insbesondere asphärische Gleitsichtgläser herstellen. Aber nicht nur Asphären, sondern auch alle sphärischen Linsen, torische und Zylinderlinsen lassen sich auf diese Weise einfach fertigen.

Die Qualität von Glasoberflächen wird allgemein beurteilt als Abweichung von der Sollkurve, wobei die bei der Messung oder Beobachtung verwendete Lichtwellenlänge als Meßzahl gilt Für feinste Kurvenungenauigkeiten (Gradientenfehler) wird darüber hinaus die Rauhtiefe bestimmt und als Meßzahl die Lichtwellenlänge benutzt

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel einer vertikalarbeitenden Zweisäulenpresse erläutert doch läßt sich die Erfindung so modifizieren, daß auch andere Pressentypen verwendet werden können. In F i g. 1 stellt 1 das bewegliche Oberjoch der Presse und 2 den Oberstempel dar; 3 ist das ausgefahrene (gestrichelt dargestellt das eingefahrene) Oberteil der Form, 4a das ausgeschwenkte Pt-Strahlungsblech, 5 das Gegenlager, 7 der Haltering und 6 der vorgeformte Glaskörper. 2,5 und 7 sind beheizbar. Während in F i g. 1 ein Pt-Strahlungsblech als Wärmequelle verwendet wird, dient in Fig.2 und in Fig.3 eine Elektronenkanone, einmal schräg beaufschlagend, einmal axial beaufschlagend, als Wärmequelle.

In Fig.4 ist ein Teil des Oberflächenprofils eines nachverformten Glaskörpers vor und nach der Nachverformung dargestellt

Vor der Nachverformung hatte der Glaskörper eine sphärische Oberfläche mit dem Radius »/? 1«.

Nach der Nachverformung ist die Oberfläche des Glaskörpers asphärisch geformt, und die Linie »5< < zeigt den Verlauf der Sollkurve.

Die maximale Abweichung der Sollkurve von der ursprünglichen Kurve mit dem Radius »Λ 1« ist durch die Pfeilhöhe »b« dargestellt

Nach der Erwärmung und vor der Nachverformung hat der Teil des Glaskörpers mit dem Radius »/? 2« die Temperatur TA angenommen und die Zone nahe der Oberfläche, gekennzeichnet durch den Abstand »a«, dte Temperatur TB.

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:

Beispiel 1

Ein vorgeformter Glaskörper 6 (Fig. 1) hat eine feuerblanke, sphärische Oberfläche mit einem Radius von 15 mm und einer Pfeilhöhe von 14 mm. Die maximale Abweichung von der asphärischen Sollkurve (Pfeilhöhe 6 in Fig.⁴) beträgt 0,5 mm. Die Glaszusammensetzung ist: SiO₃ 45,8 Gew.-%, PbO 453 Gew.-%, Na₂O 3,7 Gew.-% und K₂O 5,2 Gew.-%. Der Glaskörper wird in einem Durchlaufofen in 65 min von Raumtemperatur auf 430° C aufgeheizt, innerhalb von 10 see in ein*? auf 430⁰C vorgeheizte Preßform (Unterteil) umgesetzt und mit einem Pt-Strahlungsblech 17 see lang so beheizt, daß die Temperatur in und nahe der Glasoberfläche auf 735° C ansteigt und das Glas bis in eine Schichttiefe von 13 mm eine Viskosität von < 10⁷·⁶ dPa · s annimmt Das Pt-Strahlungsblech wird dann innerhalb einer halben Sekunde ausgefahren, so daß der Oberstempel der Preßform, der auf 380° C vorgeheizt ist freien Zugang auf die zu verformende Glasoberfläche hat Mit einem Preßdruck von 1200N cm-² wird 12 see lang gepreßt Der gepreßte Glaskörper wird dem Preßwerkzeug entnommen und in einem Band-Kühlofen erst auf 440° C erhitzt und dann auf 300° C mit 15grd/h und weiter mit 60grd/h auf Raumtemperatur abgekühlt Der abgekühlte Preßling weicht in seiner verformten Oberfläche um 1 λ von der Sollkurve ab, wobei die Rauhtiefe maximal λ/4 beträgt

Beispiel 2

Ein Glaskörper mit der Zusammensetzung S1O2 66,1 Gew.-o/o, B₂O₃ 3,7 Gew.-%, Na₂O 6,0 Gew.-%, K₂O 13,0 Gew.-%, ZnO 8,0 Gew.-%; CaO 2,5 Gew.-%; TiO₂ 03 Gew.-⁰/!, PbO 0,4 Gew.-°/o ist auf 550°C vorerhitzt und befindet sich in dem auf ebenfalls 550° C erwärmten Unterteil 5 des Preßwerkzeuges (F i g. 1). Der Glaskörper hat eine sphärische Oberfläche. Das Formoberteil 3 in Fig. 1 hat ebenfalls eine Temperatur von 550°C. Seine dem Glas zugekehrte Oberfläche hat eine asphärische Krümmung, deren maximale Kurvenabweichung von der sphärischen Fläche des Glaskörpers 6 durch eine Pfeilhöhe 6=03 mm gekennzeichnet ist (siehe Fig.4), und deren Kurvengenauigkeit λ/4 beträgt Mit einer Elektronenquelle (40 kV, 25 mA, 10 see) wird die Oberfläche des Glaskörpers unter Vakuum bei 10"* bis 10~⁵ Torr derart intensiv beheizt, daß in und nahe der zu verformenden sphärischen Glasoberfläche eine Zone mit einer Temperatur zwischen 694° C und 550° C entsteht, die nicht dicker als 1,2 mm, bezogen auf ein Temperaturminimum von 625° C ist Sofort nach Erreichen dieser Bedingung wird mit dem asphärischen Oberteil aus einer Nickellegierung mit 4000 N cm-² gepreßt, der Glaskörper dann der Preßform entnommen und spannungsfrei auf Raumtemperatur abgekühlt Der abgekühlte Preßling hat in seiner verformten Oberfläche eine Kurvenqualität die der der abbildenden Kurve mit einer Toleranz von λ/2 entspricht; die Rauhtiefe ist kleiner als λ/4.

Beispiel 3

Bei gleicher Zusammensetzung und Form des Glaskörpers wie in Beispiel 2 kann auch das gleiche Ergebnis erzielt werden, wenn für die Nacherwärmung der Glasoberfläche als Elektronenquelle ein? Glimmelektrode bei ca. 4 kV und etwa 0,6 mA/cm² betrieben wird. Glimmelektrode und Glaskörper befinden sich in einem Rezipienten, in dem der Druck durch Abpumpen bei gleichzeitig dosiertem Einleiten von Gas (z. B. über ein Nadelventil) auf 10-' Torr gehalten wird. Die erforderliche Erwärmung kann durch die Dat;er der Glimmentladung (Steuerung durch Druck im Rezipienten) und/oder über die Intensität der Glimmentladung (Steuerung über die Stromversorgung) erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Glaskörpern mit exakt vorgegebener Gestalt (Sollkurve) und hoher Oberflächenqualität, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glaskörper, dessen Gestalt der angestrebten Gestalt bereits weitgehend angenähert ist, in den erforderlichen Oberflächenbereichen in einer zum Erreichen der Sollkurve ausreichenden Schichttiefe auf eine zur Verformung durch Pressen ausreichende Temperatur erwärmt und in diesen erwärmten Bereichen verformt wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper auf eine Temperatur TA erwärmt wird, die in dem Bereich liegt, in dem das Glas eine Viskosität von 10¹² bis 10'⁴·⁵ dPa ■ s besitzt, daß die zu verformende Oberfläche gleichzeitig oder im Anschluß an die Erwärmung des Glaskörpers auf TA derart erwärmt wird, daß die Glasoberflä^he, welche verformt werden soll, in einer geringen Schichtdicke eine Temperatur TB annimmt, welche zwischen der Temperatur TA liegt und der Temperatur, bei der das Glas die Zähigkeit von 10⁵ dPa ■ s hat, und daß nach Erreichen der Temperatur TB in einer Entfernung von der zu verformenden Oberfläche des Glaskörpers, die größer ist als die Eindringtiefe des Preßwerkzeuges, diese Oberfläche mit einem Preßwerkzeug verformt wird und der Glaskörper nach der Verformung auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zone, in der das Glas auf die Temperatur TB erhitzt w.id, nicht mehr als ein Viertel der Dickedes Glaskörpers beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch ., dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der zu verformenden Glasoberfläche durch Bestrahlung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung durch einen Laser *o erfolgt

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung durch eine Elektronenkanone erfolgt

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Glimmelektrode ausgehende Strahlung verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Erwärmung durch IR-Strahlung erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glaskörper mit feuerblanker Oberfläche verwendet wird, der sich durch extrem geringe Abweichungen von der Sollkurve auszeichnet.