DE3300576C2

DE3300576C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors

Info

Publication number: DE3300576C2
Application number: DE3300576A
Authority: DE
Inventors: Helmut Rebstein Pech
Original assignee: Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1982-01-13
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1985-06-05
Also published as: JPS58125640A; US4489107A; SE8207285D0; DE3300576A1; SE8300094D0; SE8300094L; CH657212A5

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors. Ein Glasprisma (6) wird mittels einer Metallegierung bespritzt, so daß mehrere Schichten entstehen. Der Spritzstrahl wird so geführt, daß die Schichtdicken gleichmäßig sind. Das so entstandene Spritzteil (9) wird vom Glasprisma (6) entfernt und nach Entfernung einer die Entformung erleichternden Fläche (91) als Metallreflektor benutzt.

Description

— eine Metallegierung mit niedrigem Schmelzpunkt wird innerhalb einer inerten Atmosphäre, weiche eine unterhalb des Erstarrungspunktes der Metallegierung liegende Temperatur aufweist, auf ein um seine Achse angetriebenes Glasprisma (6) in mehreren Schichten aufgespritzt;

— mindestens die die Basis des Prismas begrenzenden Ränder werden zum Erzielen überstehender Partien an dem entstehenden Spritzteil überspritzt;

— die Spritzeinrichtung (5) wird so eingestellt, daI3 der Strahl der Metallegierung möglichst senkrecht auf die Flächen des Glasprismas (6) auftrifft;

— nach dem Erstarren der Metallegierung auf den Flächen des Glasprismas (6) und des Befestigungstellers (71) der Dreh- und Entformungseinrichtung (7) wird das erstarrte Spritzmaterial vom Glasprisma getrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasprisma (6) auf einer Dreh- und Entformungseinrichtung (7) befestigt wird und die Metallegierung auf den Befestigungsteller (7) dieser Einrichtung gespritzt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Glasprisma (6) gerichtete Spritzeinrichtur.g (5) und das Glasprisma (6) in einer Richtung annähernd senkrecht zur Spritzeinrichtung relativ gegeneinander hin- und herbewegt werden und die Umkehrpunkte für den relativ bewegten Spritzstrahl außerhalb des Glasprismas angeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als der Spritzeinrichtung (5) zugeführtes Treibgas zum Transport der Metallegierung eines oder mehrere Edelgase benutzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wismut-Zinn-Metallegierung mit ca. 60% Wismut-Anteil verwendet wird, daß die Temperatur innerhalb der Kammer (1) auf etwa 80° C gehalten wird und daß die Metallegierung auf die aus Bor-Kron-Gas bestehende Form mit einem Förderdruck von etwa 5 bar aufgespritzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor Aufspritzen der Metallegierung auf das Glasprisma eine dünne Goldschicht auf das Glasprisma aufgedampft wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

— eine Dreh- und Entformungseinrichtung (7), welche einen mit einem Spannorgan versehenen Drehteller (71) zur Aufnahme des Glaspris-—

mas (6) enthält, wobei der Drehteller eine Fläche besitzt, die wesentlich größer ist, als die aufzunehmende Fläche des aufzusetzenden Glasprismas.

eine Halterung (72) für die Spritzeinrichtung (5) mit:

a) einer Klemmeinrichtung (82, 86) zum Einstellen des Spritzstahls senkrecht zu den Flächen des Glasprismas, und

b) einer Bewegungseinrichtung (8) zur Steuerung der hin- und hergehenden Bewegung der Spritzeinrichtung relativ zu den Prismenflächen, wobei wenigstens der Umkehrpunkt der Bewegung auf der Seite der Basis des Glasprismas außerhalb des Glasprismas (6) liegt

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung (8) Endschalter (84, 85) zur Steuerung der Bewegungsumkehr, so daß während der Bewegungsumkehr die Flächen des Glasprismas (6) nicht bespritzt werden, aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasprisma aus Bor-Kron-Glas besteht und auf einen Sockel aus einem Material mit verwandten Wärmeleitungseigenschaften, vorzugsweise aus einer NiFe-Legierung, aufgekittet ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors, nach dem Oberbegriff des Anspruchs I. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Reflektoren, die im allgemeinen für elektro-optische Distanzmessungen verwendet werden, ist aus der US-PS 22 58 452 bekannt. Bei diesem Verfahren wird Metall auf Flächen einer Matrix aufgespritzt, die aus Metall oder nicht-metallischem Material gebildet ist. Selbst wenn man diese metallischen oder nicht-metallischen Körper mit polierten Flächen versieht, reicht diese polierte Fläche nicht aus, um damit einen Metallreflektor zu bilden, dessen optische Eigenschaften so gut sind, daß der Reflektor für optische Entfernungsmessungen einsetzbar wäre.

Es ist ferner bekannt, Reflektoren aus Glas herzustellen, um damit eine wesentlich bessere Genauigkeit und damit Verwendbarkeit für größere Reichweiten bei der elektro-optischen Distanzmessung zu erreichen. Allerdings sind solche Reflektoren in der Herstellung sehr teuer.

Damit ergibt das Problem, daß Reflektoren mit guter Genauigkeit bisher in der Herstellung sehr teuer sind und man daher bisher bei großen Reichweiten mit den teuren und nur bei kleineren Reichweiten mit billigen Reflektoren arbeiten konnte. Für mittlere Reichweiten existieren keine Reflektoren, und es war erforderlich, die sehr teuren Reflektoren auch für die sogenannten mittleren Reichweiten zu verwenden.

Die hohen Herstellungskosten für die genauen Reflektoren führen ferner dazu, daß bei der immerwährenden Überprüfung von Staumauern und Gletschern ein-

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schließlich lawinengefährdeter Gebiete die Geräte für die elektro-optische Distanzmessung wegen der hohen Kosten insbesondere der Reflektoren bisher nicht permanent installiert werden konnten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors, zu schaffen, mit dem eine hohe Genauigkeit des Bauteils bei einfacher und billiger Herstellung erreicht wird. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen werden. ι ο

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art gelöst, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale des An-Spruchs 7.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung, die durch die Verwendung einer Glasform erreicht wird, besteht im einfachen und damit preiswerten Herstellungsverfahren und in der Verwendungsmöglichkeit derart hergestellter Reflektoren auch für mittlere Reichweiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2a, 2b den Aufbau eines Metallreflektors,

F i g. 3 die optische Funktion des Metallreflektors,

F i g. 4 und 5 die Anordnungen einzelner, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prismen zu Prismenblöcken,

F i g. 6 das Phasendiagramm für eine als Beispiel gewählte Zweikomponentenlegierung zur Herstellung des Metallreflektors.

F i g. 1 zeigt eine Kammer 1 mit einer Zufuhr 2 für das inerte Gas, das durch den Ausgang 3 austreten kann. In der Kammer 1 befinden sich Infrarot-Heizungskörper, die nicht besonders eingezeichnet sind. Diese Heizungskörper heizen die Temperatur in der Kammer 1 auf einen Bereich, der unterhalb des Schmelzpunktes der Metallegierung liegt, die später noch näher diskutiert wird. Der Temperaturbereich bewegt sich in der Praxis zwischen 7O⁰C und 15O⁰C. Dieser Temperaturbereich wird konstant eingehalten. Der Infrarot-Meßfühler 4 gibt seine elektrischen Signale auf eine nicht gezeichnete Regeleinrichtung, die die Heizvorrichtungen entsprechend regelt.

Eine Spritzeitirichtung 5, die als Spritzpistole ausgebildet ist, erhält durch den Anschluß 51 das für die gewünschte Metallegierung notwendige Material. In der Spritzpistole 5 befindet sich eine Heizeinrichtung, die die Metallegierung auf die gewünschte Temperatur bringt und konstant hält. Die Metallegierung im vorliegenden Beispiel ist Zinn-Wismut mit geringem Anteil von Cadmium (im Beispiel weniger als 1%, bevorzugt 0,8%) und hat eine Schmelztemperatur von 150⁰C. In der Spritzpistole 5 muß daher die Temperatur im Bereich von der ge^anntei Schmelztemperatur gehalten werden. In der Fi g. 6 ist flas Phasendiagramm für reine Zinn-Wismut-Legierun{!. also ohne Cadmium-Anteil, mit den Schmelztemperaturen in Abhängigkeit vom Gewichtsverhältnis der einzelnen Komponenten aufgeführt.

Die Spritzpistole 5 Pßsi'zt einen Einlaß 52 für ein Treibgas. Das Treibgas ^aDh ein Edelgas sein, wie es in der Gruppe 0 des periodischen Systems aufgeführt ist. Das Treibgas kann aucl¹ atM mehreren dieser Edelgase zusammengesetzt sein. Im bevorzugten Beispiel wird Argon verwendet. Ein solches inertes Treibgas vermeidet eine unerwünschte Oxidbildung in der Metallegierung. Die flüssige Metallegierung wird durch Betätigen des AurJöseknopfes 53 auf ein als Form dienendes Glasprisma 6, das auf der Dreheinrichtung 7 aufgespannt ist, gespritzt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß das Glasprisma zum Beispiel aus Bor-Kron-Glas hergestellt wurde. Die räumlichen Maße sind ungefähr 20 mm Höhe und 20 mm Breite. Selbstverständlich können auch andere Glassorten für die Herstellung des Prismas 6 benutzt werden. Das Glasprisma 6 wird auf den Teller 71 der Dreheinrichtung 7 gespannt Eine solche Spanneinrichtung kann zum Beispiel eine Schraube 72 sein, die von unten eingeführt an der Grundfläche des Glasprismas angeklebt wird. Da dies allgemein bekannt ist, ist diese Spanneinrichtung in F i g. 1 nur symbolisch eingezeichnet. Die Dreheinrichtung 7 wird nun durch einen Antrieb in eine Drehbewegung versetzt Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind 11 Umdrehungen pro Minute vorgesehen. Die Umdrehungszahlen können je nach Fall zwischen 5 und 35 Umdrehungen pro Minute liegen.

Die Vorteile des Glasprismas als Spritzform liegen in der hohen Maßhaltigkeit unter Temperatureinflüssen, seiner guten Herstellbarkeit und in seinem für den Erstarrungsverlauf der aufgespritzten Metallegierung optimalen Wärmeleitverhalten.

Die Spritzeinrichtung 5 ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an einer Bewegungseinrichtung 8 beweglich angeordnet. Diese Bewegungseinrichtung enthält am oberen und unteren Ende je einen Endschalter 84,85, der die Hubbewegungen nach oben und nach unten beschränkt. Die Spritzpistole 5 ist an einer Klemmeinrichtung 82,86 befestigt, die den Spritzwinkel bestimmt. Von wesentlicher Wichtigkeit ist, daß der Spritzstrahl 54 im rechten Winkel auf die Oberfläche des Glasprismas 6 auftrifft. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß der Winkel zwischen der Oberfläche des Glasprismas 6 und der Drehachse des Befestigungstellers 71 gleich sein muß dem Winkel zwischen dem Zentrum des Spritzstrahls 54 und der horizontalen Ebene. Die so eingestellte Spritzpistole wird nun in eine im wesentlichen vertikale Relativbewegung parallel zu den Oberflächen des Glasprismas 6 versetzt. Die beiden Umkehrpunkte oben und unten dieser vertikalen Bewegung sind gekennzeichnet durch die beiden Endschalter 84 und 85. Die Dreheinrichtung 7 wird in Kreisbewegung entsprechend dem Pfeil versetzt. Das Glasprisma 6 bewegt sich im Beispiel mit 11 Umdrehungen pro Minute. Die Bedienungsperson betätigt nun den Abzugsbügel 53 der Spritzpistole sowie den Startknopf für die Bewegungseinrichtung 8. Die Spritzpistole wird mit kontinuierlicher Geschwindigkeit zwischtn dem unteren und dem oberen Endschalter hin- und herbewegt Die beiden Endschalter 84 und 85 werden so eingestellt, daß die Spritzpistole nur dann ihre Bewegungsrichtung umkehren kann, wenn der Spntzstrahl 54 der Metallegierung sich außerhalb der Flächen des Glasprismas 6 befindet. Die Metallegierung wird nun in mehreren Schichten auf das Glasprisma 6 aufgetragen. Dabei wird auch Metallegierung auf die Grundfläche des Befestigungstellers 71 der Dreheinrichtung 7 aufgetragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ca. 4—6 mm Metallegierung auf das Glasprisma 6 und auf die Befestigungsfläche 71 gespritzt. Dann wird der Spritzvorgang beendet. Das Spritzteil 9, das das Glasprisma 6 und den Befestigungsteller 71 überzogen hat, wird von beiden entfernt.

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Mit der im bevorzugten Beispiel verwendeten Metallegierung (ca. 60% Wismut, 0,8% Cadmium-Anieil), welche einen Schmelzpunkt (im Bereich des Eutektikums) von 15O⁰C aufweist und mit einem Spritzdruck von ca. 5 bar bei einem lotrechten Abstand von 10 bis 15 cm, vorzugsweise annähernd 12 cm zwischen Prismenfläche und Spritzdüse, und mit einer Umgebungstemperatur innerhalb der Kammer 1 von 80⁰C auf das Glasprisma 6 gespritzt wird, lassen sich besonders gute Oberflächenqualitäten am Spritzteil 9 erzielen. Dabei spielen die Wärmeleiteigenschaften des Formkörpers eine entscheidende Rolle. Im vorliegenden Fall hat sich Bor-Kron-Glas besonders gut bewährt, wobei das verwendete Glasprisma auf einem wärmeableitenden Befestigungssockel aus einem Metall aufgekittet ist, dessen Wärmeleitungseigenschaften möglichst nahe an denjenigen für Bor-Kron-Glas liegen. Dazu eignet sich beispielsweise eine Ni-Fe-Legierung (»Invar«). Dadurch werden Wärmespannungen innerhalb der Glasform vermieden, welche die Formhaltigkeit nachteilig beeinflussen könnten. In ihrer Gesamtheit ergeben die Maßnahmen eine besonders gute Reproduzierbarkeit der Glasform am Spritzteil 9 sowie eine besonders gleichmäßige Oberfläche am Spritzteil 9.

Das Spritzteil 9 hat die in der F i g. 2a gezeigte Form. Die reflektierenden Flächen des Spritzteils 9 zeigen nach unten und sind daher in der F i g. 2a nicht sichtbar. Das Spritzteil 9 besteht ferner aus der Fläche 91. Die Ecken des Prismas 6 sind abgestumpft, so daß die entsprechenden Ecken 92 des Spritzteils 9 die in der F i g. 2a gezeigte Form haben. Dies hat sich als nützlich erwiesen beim Entformen des Spritzteils 9 vom Glasprisma 6. Vor der praktischen Verwendung des Metallreflektors 9 wird die Fläche 91 entfernt Sie dieme nur zum Herstellen gleichmäßiger Spritzteile 9 und zum besseren Ablösen von der Form.

Die Reflexionsfläche des Spritzteils bzw. Metaüreflektors 9 kann jedoch noch weiter bearbeitet werden. Dies ist zum Beispiel in F i g. 2b gezeigt

Die F i g. 2b zeigt einen Ausschnitt aus dem Metallreflektor 9. der an der reflektierenden Fläche eine aufgedampfte Schicht 94 aus zum Beispiel Chrom oder Nickel enthält. Dies ist eine sehr gute Diffusionssperre gegenüber der nächsten Schicht 95, die ebenfalls aufgedampft wird und aus dotiertem Gold besteht Diese Schichten können auch galvanisch und/oder chemisch aufgebracht werden. Die Goldschicht hat den besonderen Vorteil der extrem guten Reflexion, aber den Nachteil, daß sie aufgelöst wird durch das Material 9. Deswegen ist eine Diffusionssperre 94 besonders vorteilhaft Die Dicken der Schichten 94 und 95 bewegen sich im Bereich von 100—500 nm.

Die Goldschicht kann auch vor Aufspritzen der Metallegierung direkt auf das Glasprisma aufgedampft werden, worauf die Metallegierung direkt auf die Goldschicht aufgespritzt wird. In diesem Fall ist keine Diffusionssperre erforderlich. Vielmehr verbessert das in die darauf gespritzte Metallegierung diffundierende Gold die Reflexionseigenschaften der Metalloberfläche auf beispielsweise 95%, während das Reflexionsvermögen der nicht mit Gold behandelten Metalloberfläche bei 80% liegt Außerdem läßt sich der Metallreflektor leichter vom Glasprisma trennen. Schließlich bildet das Gold einen hervorragenden Korrosionsschutz.

Die Fig.3 zeigt die Funktionsweise eines Metallreflektors bei der elektro-optischen Distanzmessung. Der vom Sender des Distanzmessers kommende Strahl 10 wird an der ersten Fläche gestreut Hierdurch wird der Winkel der zum Empfänger des Distanzmessers zurückkehrenden Strahlen vergrößert, so daß die Distanzmessung wesentlich einfacher bei jeder Witterung durchgeführt werden kann. Eine solche Streuung der zum Empfänger zurückkehrenden Strahlen ist nur bei dem nach dem Verfahren der F i g. 1 hergestellten Metallreflektor möglich.

In der F i g. 4 ist ein Metallreflektor 11 dargestellt, in den drei Einzelprismen bzw. Reflektoren 9 eingearbeitet sind. Mit dieser Vergrößerung der Gesamtreflexionsfläche wird bei gleicher Leistung der Meßvorrichtung die Reichweite elektro-optischer Entfernungsmesser erhöht.

In Fig.5 sind fünf einzelne Metallreflektoren 9 zu einem sogenannten Band von Reflektoren zusammengesetzt. Dies wird aus deir. gleichen Grunde gemacht wie bereits im Zusammenhang mit F i g. 4 dargestellt wurde.

Außer den in der F i g. 6 dargestellten Metallegierung mit den Komponenten Wismut und Zinn können auch Metallegierungen mit anderen Komponenten benutzt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:

I.Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils, insbesondere eines Metallreflektors, bei dem Metall durch Spritzen auf eine selbsttragende Form einschließlich ihrer Ränder aufgebracht und nach dem Erstarren von dieser getrennt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: