DE3447632A1

DE3447632A1 - Formgebungsverfahren fuer hochpraezisions-glasprodukte

Info

Publication number: DE3447632A1
Application number: DE19843447632
Authority: DE
Inventors: Bunryo Hachioji Tokio/Tokyo Sato
Original assignee: Ohara Inc
Current assignee: Ohara Inc
Priority date: 1983-12-29
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1985-07-11
Also published as: US4591373A; JPS60145919A; GB2152924A; GB8432040D0

Description

VONKREISLER SCHÖNWALD fciSKOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER 3447632

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-Ing. K. W. Eishold 11981

Kabushiki Kaisha Ohara Kogaku [£"]^Π9· Κ. Schönwald

Garasu Seizosho rviVu «ι ι _v -ι

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler

1-15-30, Oyama, Dipl.-Chem. Carola Keller

Sagamihara-shi Dipl.-Ing. G. Selting

Kanagawa-ken, Japan Dr. H.-K. Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF
D-5000 KÖLN 1

Sg-Da/Fe

27. Dezember 1984

Formgebungsverfahren für Hochpräzisions-Glasprodukte

Die Erfindung betrifft ein Formgebungsverfahren für Hochpräzisions-Glasprodukte durch Aufheizen und Erweichen eines Glasstücks zumindest in seinem Oberflächenbereich und durch Formen des Glasstücks durch
Pressen des Glasstücks zwischen Formoberflächen von zwei Formen.

Derartige Verfahren werden insbesondere für optische Linsen mit hoher Oberflächengenauigkeit und Dickengenauigkeit verwendet. Um optische Elemente aus Glas

herzustellen, ist ein Verfahren bekannt, das ein altes traditionelles Schneid- und Schleifverfahren ersetzend darauf gerichtet ist, ein geformtes Glasprodukt direkt durch Vorbereiten eines Glasstückes für jedes gewünschte optische Element und das Pressen dieses Glasstückes

zwischen Formoberflächen eines Formpaares zu erzeugen. Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Formgebungsvorgang nicht ausreicht, um eine gewünschte Oberflächengenauigkeit und Oberflächenqualität,

Telefon: (Q221) 13.1041 · -[elex: 8882^07 dppqd ■ Telegramm: Dompatent Köln

sowie eine gewünschte Genauigkeit in den Dimensionen, einschließlich der Dicke der Linse zu erhalten. Entsprechend sind schwierige aufeinanderfolgende Arbeitsvorgänge einschließlich der Grobmaterialabtragung und dem Präzisionsschleifen erforderlich, mit der Ergebnis, daß zusätzlich Zeit und Arbeit aufgewendet werden müssen.

Verschiedene Formgebungstechniken sind vorgeschlagen und angewandt worden, um die zuvorbeschriebenen Arbeitsgänge nach der Formgebung zu vermeiden. Es ist das Ziel, daß die mit diesen Arbeitstechniken hergestellten Endprodukte im allgemeinen eine Oberflächenqualität, d.h. eine Oberflächenrauhheit von +0,02μΐη, eine Oberflächengenauigkeit innerhalb von sechs Newton¹sehen Ringen, einer Unregelmäßigkeit innerhalb von λ/2 und eine Dickengenauigkeit innerhalb von ca. +50μΐη aufweisen sollen.

Um diesen Anforderungen zu genügen, sollten Überlegungen über solche Faktoren angestellt werden, wie eine geeignete Glaszusammensetzung für diese Formgebungsweise, das Abmessen eines zu formenden Glasstückes mit einer geeignet berücksichtigten überschußmenge, Dimensionen und Gestalt, Oberflächenqualität und andere Eigenschaften, eine Wärmebehandlung des Glasstückes als Vorbehandlung und die Temperaturverteilung in dem Glasstück unmittelbar vor der Formgebung, ein Verfahren zum Abstützen des Glasstückes, das für eine Formoberfläche einer Form verwendete Material, Oberflächenqualität, Oberflächengenauigkeit und eine Dimensionsplanung, die die Kontraktion nach der Formgebung berücksichtigt, die Temperatur der Form, die genaue symmetrische Anordnung der Formen, die Zeitpunkteinstellung für den Kontakt und das enge Anliegen der Formen gegen das Glasstück, der Formgebungsdruck der Formen und die Viskosität oder

der Wert des plastischen Flusses, sowie das Volumen, das aus dem Temperaturabfall des Glasstückes resultiert oder die Dimensionsänderung aufgrund der Kontraktion in Preßrichtung und die Bewegungsgeschwindigkeit und der Verschiebungsabstand, die Beendigung der Bewegung der Formen, die einer solchen Dimensionsänderung entspricht und die genaue Steuerung der relativen Position eines Abstandes zwischen den Formen und die Haltezeit für das geformte Glas in den Formen.

Unter diesen zu berücksichtigenden Faktoren beträgt die Bewegungsgeschwindigkeit der Form im Endstadium der Formgebung des Glasstückes bei normalen optischen Linsen 0,5 bis 2μπι/8θσ im schnellsten Fall, und der Verschiebungsabstand beträgt einige um bis zu einigen μπι-Zehnereinheiten in Einheiten der gesamten Bewegungsdistanz . Die Genauigkeit in der Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit und der Verlagerungsdistanz hat jedenfalls einen großen Einfluß auf die Genauigkeit der optisehen Elemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formgebungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das präzise die Bewegungsgeschwindigkeit und den Verlagerungsbetrag der Form unter Berücksichtigung der zuvorbeschriebenen und zu berücksichtigenden Faktoren steuern kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß während des Pressens eine relative Zustellbewegung der Formen aufeinander zu durchgeführt wird, die der Dimensionsänderung eines zwischen dem Formenpaar angeordneten aufgeheizten Abstandssteuerteils mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich oder größer ist als der des Glas-

Stückes, angepaßt ist, wobei das Abstandssteuerteil eine thermische Kontraktion in Preßrichtung um einen Betrag, der im wesentlichen gleich oder größer ist als der des Glasstückes in Preßrichtung aufgrund des Abkühlens des Glasstücks, ausführen kann und diese Dimensionsänderung des Abstandssteuerteils infolge der thermischen Kontraktion aufgrund seiner Abkühlung entsteht.

Die Bewegung der Formen während des Pressens wird erfindungsgemäß von einem Abstandssteuerteil kontrolliert, das als von den Formen verschiedenes Teil vorgesehen ist, aber im innigen Kontakt mit den Formen ist. Das Material dieses Abstandssteuerteils ist ausgewählt aus Materialien mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der gleich oder größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des zu pressenden Glasstückes (wobei der Temperaturbereich der Messung unterhalb der unteren Kühltemperatur ist) und die relative Bewegung der Formen während des Pressens folgt deshalb der Dimensionsänderung aufgrund der thermischen Kontraktion des Abstandssteuerteils (d.h. Abnahme der Dimension des Abstandssteuerteils die gleich oder größer ist als die Abnahme in der Dicke des Glasstückes in Preßrichtung aufgrund der thermischen Kontraktion), wodurch der Druck der Formoberflächen der Formen gegen das Glasstück und die Bewegungsgeschwindigkeit der Formen präzise gesteuert werden kann.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch das Detektieren einer vorbestimmten Temperatur, wenn ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden Formoberflächen des Formenpaars während des Pressens des Glasstückes auf einen Abstandsbetrag reduziert ist, bei dem die Relativbewegung der Formen beendet werden soll, wobei diese Temperatur diesem Abstandsbetrag des Ab-

Standssteuerteils, der sich mit der begleitenden Relativbewegung der Formen verringert hat, entspricht und das übertragen eines Detektionssignals an ein die Bewegung der Formen steuerndes Steuersystem, um die Relativbewegung der Formen zu beenden.

Die Temperatur des Abstandssteuerteils wird zu einem Zeitpunkt gemessen, an dem der Abstand zwischen einem Formenpaar der Abnahme der Dimension des Abstandssteuerteils auf einen vorbestimmten Wert aufgrund der thermischen Kontraktion infolge des Temperaturabfalls folgend eine vorbestimmte Entfernung erreicht hat, und ein Meßsignal wird einem Formbewegungssteuersystem übertragen, um die Bewegung der Form zu beendigen, wodurch der Abstand zwischen den Formoberflächen der Formen im Endstadium des Pressens präzise gesteuert wird.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. 20

Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch ein Glasstück im erhitzten und aufgeweichten Zustand, Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch das Glasstück

und die Formteile unmittelbar vor dem Beginn des Pressens,

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt gemäß Fig. 2 während des Pressens zwischen Beginn und Ende der Formbewegung,

Fign. 4(1} und 4(11) eine Seitenansicht bzw. eine

Draufsicht eines in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendeten Stützrings und

Fig. 5 einen Vertikalschnitt gemäß Fig. 1 für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

~ Jp ~

Eine Linse gemäß dem Beispiel 1 in Meniskusform hat einen äußeren Durchmesser von 12 mm, eine Mittendicke von 2,93 mm, die in Tabelle 1 gezeigten Krümmungsradien und besteht aus Lanthan-Borat-Glas.
5

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein scheibenähnliches Glasstück 1, das aus einer vorbestimmten Menge Lanthan-Borat-Glas besteht und das einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser der Formoberflächen der Formen, auf einem Stützring 3 angeordnet. Der Stützring 3 besteht aus einem dünnen Messingblech, das an einer inneren Wand eines Abstandhalters 2 mit einer kurzen zylindrischen Gestalt aufgehängt ist. Der Abstandhalter 2 besteht aus nichtrostendem Stahl mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 180x10 /⁰C. Dieser lineare Ausdehnungskoeffizient ist größer als der von Glas. Der Abstandhalter 2 hat die Funktion eines Teils, das das Intervall zwischen einem Formenpaar steuert. Die Zusammenstellung aus dem Glasstück 1, dem Abstandhalter 2 und dem Stützring 3 wird in einer nicht dargestellten Quarzröhre länger als zehn Minuten graduell bis auf 69O⁰C erhitzt. Diese Temperatur übersteigt geringfügig die untere Kühltemperatur des Glases (strain point) von 682⁰C, wobei die Temperatür der Zusammenstellung mit einem Infrarot-Strahlenthermometer (nicht dargestellt) mit einer Genauigkeit von +1⁰C gemessen wird. Dann wird das Glas mit einer bekannten äußeren Wärmequelle für eine kurze Zeitspanne über 700⁰C, das ist der Umwandlungspunkt, bis zu 764°C erhitzt, wobei diese Temperatur die Temperatur des Erweichungspunktes (742⁰C) übersteigt. Der Abstandhalter 2 wird durch dieses schnelle Aufheizen auf 757⁰C erhitzt und dehnt sich dadurch aus, wobei er seine Dimension in Preßrichtung vergrößert. Bezüglich des Glasstückes werden dessen obere und untere Oberfläche nur

f\ 7

auf 764°C (10 ' poise) durch das schnelle Aufheizen erhitzt. Daraus resultiert die Erzeugung einer großen Temperaturdifferenz und infolgedessen Viskositätsdifferenz zwischen den Außen- und Innenbereiche des Glas-Stückes.

Dann werden, wie in Fig. 2 gezeigt, das Glasstück 1 und der Abstandhalter 2 zwischen einer oberen Form 4 und einer unteren Form 5 angeordnet. Die obere Form 4 und die untere Form 5 werden auf eine konstante Temperatur von 675⁰C erhitzt, die niedriger ist als 700⁰C, dem Glasumwandlungspunkt. Dies erfolgt mit einem Heizelement 8, das in jeder Form 4 und 5 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist der Abstandhalter 2 mit seiner unteren Endfläche auf einer Stufe 7 angeordnet, die im äußeren Umfangsbereich einer konkaven Formoberfläche der unteren Form 5 gebildet ist, wodurch eine ringförmige Kammer zwischen dem äußeren Umfang der Formoberfläche der unteren Form 5 und der inneren Wand des Abstandhalters 2 festgelegt ist. Das Glasstück 1 wird derart angeordnet, daß ein geringfügiger Abstand zwischen seiner unteren Oberfläche und der konkaven Formoberfläche der unteren Form 5 verbleibt.

Nachdem das Glasstück 1 in diese Lage gebracht worden ist, wird die obere Form 4 nach unten, wie in Fig. 3 gezeigt, verschoben und deren konvexe Formoberfläche wird in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Glasstückes 1 gebracht. Das Glasstück 1 wird von der oberen Form 4 nach unten gedrückt, wobei die obere und die seitliche Oberfläche des Glasstückes leicht deformiert wird. Nach einer kurzen Zeitspanne wird die untere Oberfläche des Glasstückes 1 in Kontakt mit der Formoberfläche der unteren Form 5 gebracht und daraufhin wird mit dem Pressen des Glasstückes 1 begonnen. Das Pressen schreitet fort, wobei eine überschüssige Glasmenge

durch einen Spalt zwischen den äußeren Rändern der Formoberflächen der oberen und unteren Formen 4 und 5 in die Kammer zwischen dem Abstandhalter 2 und den äußeren Rändern der Formoberflächen der Formen 4 und 5 fließt. Der Stützring 3 besteht aus einem Material, das eine ausreichende Verformbarkeit aufweist. Der Stützring 3 verformt sich sofort unter dem Druck der plastisch fließenden überschußmenge des Glasstückes 1, so daß der Stützring 3 das Fließen des überschüssigen Glases in keinem Fall verhindert.

Kurz nach dem Beginn des Pressens des Glasstückes 1 wird eine Stufe 6 um die Formoberfläche der oberen Form 4 herum in Kontakt mit der oberen Endfläche des Abstandhalters 2 gebracht und danach sind die oberen und unteren Endflächen des Abstandhalters 2 in innigem Kontakt mit den Stufen 6 und 7 der oberen und unteren Formen 4 und 5, so daß die Formenpaare 4 und 5 den Abstandhalter 2 mit einem Preßdruck von ca. 47 bar (48 Kg/cm²) bis zum Ende des Pressens des Glasstücks 1 halten. Der Abstand zwischen den Formoberflächen der Formen 4 und 5 wird von der Dimension des Abstandhalters 2 gesteuert, die durch die thermische Kontraktion des Abstandhalters 2 in Preßrichtung aufgrund des Temperaturabfalls bestimmt ist.

Nach Beginn des Pressens wird die Wärmezufuhr von den Heizelementen 8 in den Formen 4 und 5 gestoppt, wodurch das Aufheizen der Formen 4 und 5 beendet wird. Nach dem Beginn des Pressens steigt die Temperatur der Formen zunächst einmal aufgrund der großen Hitze auf der Oberfläche des Glasstücks 1, aber unmittelbar danach beginnen die Formen Wärme abzuleiten und die Temperatur der Formen fällt schneller als die der Oberfläche des Glasstücks 1. Andererseits leitet der Abstandhalter 2, der auf ungefähr die gleiche Temperatur wie die Oberfläche

/to.

- ja -

des Glasstücks 1 aufgeheizt worden ist, Wärme an die Atmosphäre ab und überträgt diese außerdem an die oberen und unteren Formen 4 und 5, denn zwischen dem Abstandhalter 2 und dem Glasstück 1 ist ein Abstand, und die Temperatur des Abstandhalters 2 fällt entsprechend schneller als die des Glasstücks 1.

Die während des Preßvorgangs erzeugte Abnahme des Abstandes zwischen den Formoberflächen der oberen und unteren Formen 4 und 5 wird, wie zuvor beschrieben, durch den Kontraktionsbetrag des Abstandhalters 2 in Preßrichtung aufgrund des Abkühlens des Abstandhalters 2 gesteuert.

Während des Pressens überträgt das Glasstück 1 hauptsächlich Wärme an die Formoberflächen der Formen 4 und 5, und die Oberflächentemperatur des Glasstücks 1 fällt dadurch auf einen Punkt in der Nähe seiner Innentemperatur mit dem Ergebnis, daß die Temperaturverteilung graduell ausgeglichen ist und das Glasstück insgesamt bis in die Nähe der unteren Kühltemperatur (strain point) des Glases gekühlt ist, wenn das Pressen beendet ist. In der Zwischenzeit werden die oberen und unteren Oberflächen des Glasstücks 1, auf das durch Absenken der oberen Form 4 Druck aufgebracht wird, in innigen Kontakt mit der Formoberflächen der Formen 4 und 5 gebracht. Die Gestalt der Formoberflächen werden deshalb genau von der Oberfläche des Glasstücks 1 kopiert und eine überschüssige Glasmenge fließt aus dem Zwischenraum zwischen den Formoberflächen. Während die Zeit verstreicht und die Temperatur fällt, zieht sich das Glasstück 1 graduell zusammen und es wird schwer, es zu verformen. Da der Abstandhalter 2 während der gesamten Zeit mit einem Kontraktionsbetrag, der gleich oder

größer ist als der Kontraktionsbetrag des Glasstücks 1 in Preßrichtung, fortfährt zu schrumpfen, erhält das Glasstück 1 einen ausreichenden Druck, so daß entsprechend der enge Paßformkontakt zwischen den Formoberflächen der Formen 4 und 5 und den oberen und unteren Oberflächen des Glasstücks 1 während des gesamten Preßvorgangs aufrechterhalten bleibt, wodurch eine Verschlechterung der Oberflächengenauigkeit und Oberflächenqualität der zu formenden optischen Linsenflächen aufgrund der thermischen Kontraktion, wie beispielsweise Schrumpfen aufgrund von Kühlung, wirkungsvoll verhindert wird und eine genaue übertragung der Formoberflächen gewährleistet ist.

Die Dimension des Abstandhalters 2 in Preßrichtung, die dem Abstand zwischen den Formoberflächen der Formen 4 und 5 entspricht, der notwendig ist, um eine fertiggestellte Linse mit einer vorbestimmten Dicke zu erhalten, d.h. eine Position, an der die obere Form 4 ihre Zustellung beendet, sowie der Kontraktionsbetrag und die Temperatur des Abstandhalters 2, die dieser Dimension entsprechen, sind zuvor durch Berechnung und Experiment bestätigt worden. Wenn die Temperatur des Abstandhalters 2 einen Punkt erreicht hat, der einem notwendigen Kontraktionsbetrag entspricht, wird die Temperatur der Oberfläche des Abstandhalters 2 entsprechend gemessen und einem Bewegungssteuermechanismus für die oberen Form 4 zugeführt, um die Abwärtsbewegung der oberen Form 4 zu stoppen. Die Temperaturmessung kann mit einer bekannten Technik innerhalb eines Fehlerbereiches von +1⁰C genau ausgeführt werden. Bei Beendigung der Bewegung der oberen Form 4 beträgt die Temperatur der oberen Form 4 664 ⁰C und die der unteren Form 5 668⁰C. Unmittelbar nachdem die oberen Form 4

angehoben wurde, wurde die Oberflächentemperatur des geformten Glasproduktes gemessen. Sie betrug 673⁰C. Danach wird das geformte Produkt mit dem Abstandhalter 2 herausgenommen und falls notwendig, ausgeglüht. Eine von dem überschüssigen Glas gebildeter Umfangsrand wird von dem geformten Produkt entfernt, wodurch ein Endprodukt erzeugt wird.

Das Glasstück 1 kann entsprechend dem zuvorbeschriebenen Verfahren zu einem optischen Element geformt werden, das eine sehr hohe Oberflächengenauigkeit und Oberflächenqualität aufweist. Einhundert mit dem Formverfahren dieses Beispiels erhaltene Glaslinsen weisen alle eine Oberflächenrauhigkeit ihrer optischen Oberfläche von +0,02μΐη, eine Oberflächengenauigkeit der optischen Oberfläche innerhalb von drei Newton'sehen Ringen in Bezug auf eine Referenzkrümmung, eine Unregelmäßigkeit von innerhalb λ/4 und eine Dickengenauigkeit von maximal +10μπι auf.

Gemäß dem Beispiel 2 ist eine konkave Linse in Meniskusform, die einen äußeren Durchmesser von 32 mm, eine Mittendicke von 2,45 mm und einen Krümmungsradius, wie in Tabelle 1 angegeben, aufweist, aus einem Blei-Silikat-Glas gebildet.

In diesem Beispiel besteht das Abstandssteuerteil aus einem Abstandhalter 2 · mit einer Stufe 2A in seiner inneren Umfangsfläche, wie in Fig. 5 gezeigt. Als Stützteil wird ein Stützring 3' mit einem in seiner Innenseite in Form einer abfallenden Schulter abgesetzten Teil 3A verwendet. Dieser Stützring 3' weist gegenüber dem Stützring 3 gemäß Fig. 1 Vorteile hinsichtlich der Positionierung des Glasstückes 1' auf, denn der Boden-

teil des Glasstücks I¹ paßt generell in den abgesetzten Teil 3A des Stützrings 3'. Der Abstandhalter 2' besteht aus einem speziellen rostfreien Stahl mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 180xl0~ /⁰C, der größer ist als der des zu formenden Glases. Da das Glasstück I¹ eine untere Kühltemperatur von 413°C aufweist, wird ein Umwandlungspunkt von 44O⁰C und ein Erweichungspunkt von 590⁰C verwendet.

Das Glasstück 1' wird auf 420⁰C vorerhitzt und dann sehr schnell erhitzt, so daß die Oberflächentemperatur auf 645°C (10 ' poise) ansteigt. Das Glasstück I¹ wird bei einer auf 641⁰C eingestellten Temperatur des Abstandhalters 2" und einer auf 425⁰C eingestellten Temperatur der Form geformt. Die Bewegung der oberen Form 4 in Preßrichtung wird bei einer Abstandhaltertemperatur von 524⁰C gestoppt, woraufhin das Pressen beendet wird. Zu dieser Zeit beträgt die Temperatur der oberen Form 4 401⁰C, die der unteren Form 402⁰C und die Oberflächentemperatur des geformten Glasproduktes 409⁰C. Bei dem vorliegenden Beispiel sind die anderen Formrandbedingungen die gleichen, wie bei dem Beispiel 1.

Alle bei Anwendung des bei diesem Beispiel verwendeten Verfahrens erhaltenen hundert Linsen weisen eine Oberflächenrauhigkeit von höchstens +Ο,ΟΙμπι, eine Oberflächengenauigkeit innerhalb von drei Newton Ringen und eine Unregelmäßigkeit innerhalb von λ/4, sowie eine Dickengenauigkeit von +7μ.ΐη auf.
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Die folgende Tabelle 1 zeigt zusammenfassend die Formrandbedingungen der Beispiele 1 und 2 und die Tabelle 2 zeigt Ergebnisse der Messungen der Oberflächengenauigkeit der Oberflächenrauhheit und der Dicke des geformten Produktes.

Al.

TABEIxLE 1

	— _______Zusainmensetzung	Beispiel 1	Beispiel 2
	Erweichungspunkt (10 ' poise) in ⁰C	Lanthan- J3orat	Bleisilikat
Bedingungen	13 4 Umwandlungspunkt (10 ' poise) in ⁰C	742	590
physikalische Eigenschaften	Untere Kühltemperatur (IO¹⁴'⁵ poise) in ⁰C	700	440
des Glases	Ausdehnungskoeffiz ient (xlO~⁷/°C)	682	413
	Äußerer Durchmesser (ram)	72	98
	Krümmungsradius der ersten Oberfläche (mm)	12,0	32,0
Linse	Rrümtnungsradius der zweiten Oberfläche (mm)	konkav 41,38	konkav 45,28
	Mitteldicke (um)	konvex 18,82	konvex 214,0
	Linsenform	2,930	2,450
		konvexer Meniskus	konkaver Meniskus

Glasstück Oberflächentemperatur zu Beginn des Pressens Viskosität

764+1

6,7

Oberflächentemperatur bei Beendigung

673±4

angenäherter Kontraktions-Maximalbetrag in μπι

5,0

645+1

10

6,3

409^5

33,1

(Fortsetzung)

AS

	Beispiel 1	Beispiel 2
Bedingungen " ■ Zusammensetzung ' ■	Lanthan- Borat	Bleisilikat
Abstandhalter Material	SUS 310S	SUH 309
Länge in mm	15,382	18,224
Ausdehnungskoeffizient (xlO~⁷/°C)	180	180
Temperatur in ⁰C zu Beginn des Pressens	757+3	641+4
Teitperatur in ⁰C bei Beendi gung der Fornibewegung	650+5	524+5
Kontraktionsbetrag in μπι	29,6	38,4
Form Temperatur in ⁰C unmittelbar vor dem Pressen	675+2	425+2
Temperatur in ⁰C obere Form bei Beendigung untere Form der Formbewegung	664+2 668+2	401+2 402+2

TABELLE 2 Beispiel 1 Beispiel 2

Qberflachen- erste Obergenauigkeit fläche

zweite Oberfläche

Krümmungsfehlertoleranz

innerhalb N+2 innerhalb λ/4

N+3 innerhalb λ/4

Krümmungsfehlertoleranz

innerhalb N+3 innerhalb λ/4

innerhalb N+l innerhalb λ/4

Oberflächenrauhigkeit

innerhalb
0

innerhalb ίο,01 pm

Dicke (3σ)

innerhalb 10μ

innerhalb 7μ

- yf -

Im folgenden werden zusätzliche Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren gegeben.

Zum Ausführen der Erfindung kann Glas jeglicher Zusammensetzung verwendet werden und ein Produkt jeglicher Größe und Gestalt geformt werden. Die Erfindung ist zur Herstellung von sphärischen und asphärischen Linsen und verschiedenen anderen optischen Elementen einschließlich eines Prismas und von anderen für die Formgebung geeigneten lichtbrechenden Elemente anwendbar.

Bezüglich der Gestalt des Glasstückes ist eine scheibenähnliche Gestalt, wie in den zuvorbeschriebenen Beispielen dargestellt, günstig, weil dies die Formgebung erleichtert. Die Form des Glasstückes ist jedoch nicht auf eine scheibenähnliche Form beschränkt, sondern jegliche zur Erzeugung der Gestalt eines Objektproduktes geeignete Gestalt kann verwendet werden. Die Glasmenge des Glasstückes sollte vorzugsweise etwas größer sein als die des Endproduktes unter Berücksichtigung eines Meßfehlers und falls überschüssiges Glasmaterial beim Formen des Produktes vorhanden ist, wird diese überschüssige Menge aus den Formoberflächen der Formen herausgedrückt. Zu diesem Zweck ist das Abstandssteuerteil in der Nähe des äußeren Umfangs der Formoberflächen mit etwas Abstand zwischen dem inneren Umfang des Abstandssteuerteils und dem äußeren Umfang der Formoberflächen angeordnet.

Als Abstandssteuerteil wird ein starres Material mit einem größeren Ausdehnungskoeffizienten als das des Glasmaterials verwendet. Das Material für das Abstandssteuerteil ist jedoch nicht auf eine Metallmaterialzusammensetzung, wie in den zuvorbeschriebenen Beispie-

len beschränkt. Beispielsweise kann das Abstandssteuerteil hitzebehandelt oder oberflächenbehandelt oder teilweise ersetzt werden durch ein starreres Material, um einen Verschleiß, der bei Verwendung des Abstandssteuerteils auftritt, zu verhindern.

Das Abstandssteuerteil kann in einer geeigneten Position angeordnet sein, in der das Teil in engem Kontakt mit den öderen und unteren Formen sein kann, und dadurch kann es die Bewegung der Form oder den Abstand zwischen den Formen steuern. In dem Fall, in dem das Abstandssteuerteil neben dem äußeren Umfang der Formoberflächen der Formen angeordnet ist, braucht das Abstandssteuerteil nicht eine kurze zylindrische Gestalt zu haben, sondern kann beispielsweise aus mehreren scheibenähnlichen oder säulenförmigen, miteinander verbundenen Abstandhalterkomponenten jeglicher Querschnittsform zusammengesetzt sein. Kurz gesagt, muß das Abstandssteuerteil lediglich in einer Position angeordnet sein, in der es einen Teil von jeder der beiden Formen außerhalb der gegenüberliegenden Formoberflächen der Formen berührt. Das Abstandssteuerteil muß eine zur Steuerung des Abstandes zwischen den Formen gegen den Preßdruck geeignete Festigkeit und Gestalt haben.

Wenn ein zylindrischer Abstandhalter als Abstandssteuerteil verwendet wird, sollte seine Gestalt, insbesondere die Gestaltung seiner Innenflächen, geeignet gestaltet sein. Beispielsweise kann eine Stufe in der Mitte der inneren Umfangswand vorgesehen sein, so daß sich das untere Umfangsteil des Glasstückes auf der Stufe abstützen kann.

- yr -

Wenn der zylindrische Abstandhalter, wie in den zuvorbeschriebenen Beispielen gezeigt, als Abstandssteuerteil verwendet wird, ist es im allgemeinen vorteilhaft, das Bodenumfangsteil des Glasstückes von einem Stützteil in Form einer dünnen Platte, die von dem Abstandhalter getrennt ist zu stützen.

Das Abstandssteuerteil wird vorzugsweise bei der Gelegenheit erhitzt, bei der das Glasstück sehr schnell vor dem Preß Vorgang erhitzt wird, es kann aber auch getrennt von dem Glasstück in Abhängigkeit von der Lage oder anderen Bedingungen des Abstandssteuerteils erhitzt werden.

Der Stützring sollte vorzugsweise dünn sein und aus einem Material bestehen, das bei Formgebungstemperatur, und wenn eine überschüssige Menge des gepreßten Glasstückes ausfließt, durch dieses ausfließende überschüssige Glas verformbar ist. Weiche Metallplatten verschiedener Art genügen dieser Bedingung. Ein Auslösemittel (releasing agent) kann für das Stützteil, wenn erforderlich, verwendet werden.

Das Stützteil kann eine flache ringförmige Gestalt, wie im Beispiel 1, haben und vorzugsweise der gestalt sein, daß die Innenkante des Rings sich progressiv in einer graduellen Kurve verändert, so daß, wenn das Stützteil zwischen die Formen gesetzt wird, es eine nach unten konkave Form hat. Diese Form erleichtert das Positionieren des Glasstückes auf dem Stützring. Es ist verständlich, daß der Stützring keine perfekte ringförmige Gestalt haben muß, sondern eine polygonale Gestalt haben kann, teilweise ausgespart sein kann oder einen Griff haben kann.

Das Stützteil kann an dem zylindrischen Abstandhalter aufgehängt sein oder auf einer in der inneren Wand des Abstandhalters gebildeten Stufe aufliegen. In Abhängigkeit von dem Abstand zwischen dem Abstandssteuerteil und die Formoberflächen der Formen kann ein Halter an dem oberen Teil der unteren Form angeordnet sein und das Stützteil kann auf diesem Halter aufliegen. In diesem Fall sollte das Stützteil vorzugsweise von dem Halter abnehmbar sein.

Das Aufheizen des Glasstückes vor dem Formen kann auf konventionelle Weise erfolgen, d.h. das Aufheizen des gesamten Glastückes bis auf eine vorbestimmte gleichförmige Temperatur oberhalb des Umwandlungspunktes, an dem das Glas formbar ist.

In bezug auf die Form können verschiedene Materialien, die für eine hohe Oberflächengüte geeignet sind, verwendet werden. Am häufigsten wird eine Form aus rostfreiem Stahl verwendet. Eine Form mit einer Formoberfläche aus hartem Metall, das mit einem wertvollen Material überzogen ist, oder eine Form mit einer Kantenformoberfläche aus Silikonkarbit oder Silikonnitrit oder anderen Keramikwerkstoffen, die einen kleinen Ausdehnungskoeffizient haben, können ebenfalls benutzt werden. In jedem Fall muß die Form, da ein geformtes Glasprodukt häufig eine Toleranz der Oberflächenrauhheit von +0,02μΐη haben muß, eine Formoberfläche haben, die in der Lage ist, ein derartiges Präzisionsprodukt zu formen. Vorzugsweise sollte die Form derart sein, daß sie von einer inneren Wärmequelle in bekannter Weise aufgeheizt wird und die Temperatur der Form gemessen werden

kann oder eines Typs, bei dem die Wärmezufuhr in Abhängigkeit von außen kommenden Eingabedaten gesteuert ist.

Zusammenfassend wird bei dem Preßvorgang das Abstandssteuerteil auf eine Temperatur in der Nähe der Temperatur des gesamten Glasstückes oder der Oberflächentemperatur des Glasstückes aufgeheizt, unabhängig davon, ob ein Unterschied in der Temperatur zwischen dem Innenbereich und dem Oberflächenbereich des Glasstückes vor Beginn des Pressens besteht. Die Temperatur der Formoberflächen der Formen sollten vorzugsweise nicht den Glasumwandlungspunkt übersteigen.

Gleichzeitig mit dem Berühren der Formoberfläche der einen, sich verlagernden Form mit einer Oberfläche des Glasstückes oder nach einem derartigen Kontakt, wie in den zuvorgenannten Beispielen, berührt die Formoberfläche der anderen Form die andere Oberfläche des Glasstückes, wodurch das Pressen beginnt. Die Temperatur der Formen wird danach in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Abkühlplan gesteuert.

Während des Preßvorgangs und während das Pressen fortschreitet, wobei sich der Abstand zwischen den beiden gegenüberliegenden Formen graduell verengt, wird das Glasstück durch Wärmeleitung hauptsächlich über die Formen gekühlt. Die Form und das Abstandssteuerteil leiten Wärme nach außen ab, wodurch ihre Temperatur fällt. Wenn der Preßvorgang abgeschlossen ist, sind sowohl die Temperatur des geformten Glasproduktes und die der Formen auf eine Temperatur in der Nähe der unteren Kühltemperatur des Glases gefallen.

Die Formgebung der Formen wird in Abhängigkeit von der thermischen Kontraktion in Preßrichtung des zwischen den Formen angeordneten Abstandssteuerteils gesteuert, d.h. von der Dimension des Abstandssteuerteils in Preßrichtung.

Zwischen der Temperatur des Abstandssteuerteils und der Dimensionsänderung aufgrund der Kontraktion besteht ein funktioneller Zusammenhang. Entsprechend kann die Temperatur und nachher auch die Dimension des Abstandssteuerteils in Preßrichtung, bei der der Preßvorgang der Formen abgebrochen werden soll, zuvor durch Berechnung und Experiment bestimmt werden. Wenn die vorbestimmte Temperatur oder Dimension des Abstandssteuerteils erreicht worden ist, wird die Information entweder der Temperatur oder der Dimension über einen geeigneten elektronischen Steuerschaltkreis einem Bewegungssteuermechanismus für die Form zugeführt, um die Zustellung der Form zu beenden. Es ist vorteilhafter, die Temperaturinformation von dem Abstandssteuerteil zu erhalten als die Dimensionsinformation. Die Temperaturinformation kann schnell mit einer ausreichend hohen Genauigkeit mit einer konventionellen Meßmethode erhalten werden, während eine mit bekannten Methoden gemessene Dimensionsinformation dazu tendiert, ungenau zu werden, da die Messung um ein hocherhitztes Teil herum ausgeführt wird. Alternativ kann der Abstand zwischen den Formen oder die Temperatur der Formen, die die Temperatur des Abstandssteuerteils indirekt anzeigen, gemessen werden, anstelle direkt die Temperaturinformation des Abstandssteuerteils zu erhalten. Die Beendigung der Bewegung der Form kann über eine solche indirekte Information gesteuert werden. Die Steuerung über die Temperaturinformation von dem Abstandssteuerteil ist jedoch vorzuziehen.

Nachdem das geformte Produkt eine geeignete Temperatur erreicht hat, wird das geformte Produkt aus den Formen entfernt, indem es mit dem Abständssteuerteil entnommen wird oder durch Umdrehen der Formen. Das geformte Produkt wird, wie erforderlich, geglüht und der überschüssige Teil entfernt, um ein Endprodukt zu schaffen.

Das Verfahren ist geeignet zur Bildung eines optischen Elementes aus einem festen Glasstück, das durch Schneiden eines stangenähnlichen Glases vorbereitet worden ist und das mit einem vorbestimmten Betrag abgemessen ist. Es ist jedoch möglich, weichgemachtes Glas in ein aufgeweichtes Glasstück bestimmter Größe zu schneiden und dieses aufgeweichte Glasstück zwischen zwei Formen unter Verwendung eines Abstandssteuertexls, das auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt worden ist, einzufügen, wenn die Temperatur des Glasstücks für die Formgebung geeignet ist.

Das Formenpaar kann derart gestaltet sein, daß nur eine von beiden für die Formgebung bewegt wird oder daß beide bewegt werden, indem sie ihre Bewegung gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten beginnen. In jedem Fall ist es nicht vorteilhaft, daß eine Oberfläche des Glasstückes eine Formoberfläche berührt und nach Ablauf einer relativ langen Zeit die andere Oberfläche des Glasstückes die andere Formoberfläche berührt. Es ist erwünscht, daß die Kontakte zwischen den zwei Oberflächen des Glasstückes und den zwei Formoberflächen gleichzeitig oder nacheinander innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne von wenigen Sekunden hergestellt werden.

-JfZ-

Mit dem Verfahren kann ein geformtes Glasprodukt mit einer Oberflächengenauigkeit einer optischen Oberfläche innerhalb von sechs Newton'sehen Ringen, einer Unregelmäßigkeit innerhalb von λ/2 und eine Oberflächenrauhigkeit von +0,02μπι mit einer relativ einfachen Einrichtung hergestellt werden. Darüber hinaus kann eine Dickengenauigkeit des geformten Glasproduktes von +50μπι erzielt werden. Entsprechend ist das Verfahren zur Erzeugung eines optischen Elementes mit einer ausgezeichneten Oberflächengenauigkext und einer genauen Dickenspezifikation geeignet.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Formgebungsverfahren für Hochpräzisions-Glasprodukte durch Aufheizen und Erweichen eines Glasstücks zumindest in seinem Oberflächenbereich und durch Formen des Glasstücks durch Pressen zwischen Formoberflächen von zwei Formen,

dadurch gekennzeichnet,
daß während des Pressens eine relative Zustellbewegung der Formen aufeinander zu durchgeführt wird, die der Dimensionsänderung eines zwischen dem Formenpaar angeordneten aufgeheizten Abstandssteuerteils mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im wesentlichen gleich oder größer ist als der des Glasstückes, angepaßt ist, wobei das Abstandssteuerteil eine thermische Kontraktion in Preßrichtung um einen Betrag, der im wesentlichen gleich oder größer ist als der des Glasstückes in Preßrichtung aufgrund des Abkühlens des Glasstücks, ausführen kann und diese Dimensionsänderung des Abstandssteuerteils infolge der thermischen Kontraktion aufgrund seiner Abkühlung entsteht.

2. Formgebungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Detektieren einer vorbestimmten Temperatur, wenn ein Abstand zwischen den gegenüberliegenden Formoberflächen des Formenpaars während des Pressens des Glasstückes auf einen Abstandsbetrag reduziert ist, bei dem die Relativbewegung der Formen beendet werden soll, wobei diese Temperatur diesem Abstandsbetrag des Abstandssteuerteils, der sich mit der begleitenden Relativbewegung der Formen verringert hat, entspricht und das übertragen eines Detektionssignals an ein die Bewegung der Formen steuerndes Steuersystem, um die Relativbewegung der Formen zu beenden.