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Die
vorliegende Erfindung betrifft Formeinsätze sowie ihr Herstellungsverfahren.
Sie betrifft auch Formvorrichtungen für optische Teile, die derartige
Formeinsätze
aufweisen, insbesondere zum Spritzgießen ophthalmischer Linsen aus
Polycarbonat.
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Das
Formen der Linsen erfolgt durch Einspritzen des Materials in einen
Hohlraum, der insbesondere aus zwei Einsätzen besteht, die jeweils die Form
der vorderen und hinteren Oberfläche
der zu formenden Linse haben.
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Diese
Einsätze
bestehen im Allgemeinen aus Metall, können aber auch aus Glas hergestellt werden.
Das Herstellungsverfahren durch Einspritzen setzt diese Einsätze sehr
hohen mechanischen und Wärmebelastungen
aus. Diese Einsätze
müssen nun
aber eine große
Anzahl von Zyklen aushalten können,
um die Rentabilität
des Verfahrens sicherzustellen. Ferner müssen sich diese Einsätze leicht
reinigen lassen, chemisch inert sein und den Aggressionen bei Handhabungen
ohne Kratzer standhalten. Das Herstellen dieser Einsätze ist
daher aufgrund der Anzahl der zu berücksichtigenden Auflagen heikel.
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Was
die Herstellung unifokaler asphärischer Linsen
betrifft, ist es gut bekannt, die Einsätze wie folgt herzustellen:
Zuerst wird der Metallblock, im Allgemeinen aus Stahl, mittels einer
Maschine mit numerischer Steuerung auf die gewünschte Form bearbeitet. Nach
dem Bearbeiten wird die Oberfläche
poliert. Diese Oberfläche/Fläche wird
anschließend
mit einer Chromschicht überzogen,
um die Abriebs-/Scheuerfestigkeit des Einsatzes und daher seine
Lebensdauer zu erhöhen.
Die aufgebrachte Schicht weist eine Stärke zwischen 40 und 60 μm auf. Da
die Chromschicht nicht sehr regelmäßig ist, entspricht die Außenfläche der
Chromschicht nicht mehr genau der Form der bearbeiteten Oberfläche. Es
ist daher erforderlich, die Außenseite
dieser Schicht zu polieren, um die gewünschte Form wiederzufinden.
Man beherrscht dieses Verfahren zwar gut, es bleibt aber doch sehr
kostspielig.
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Für Einsätze mit
progressiver Fläche
ist das Verfahren noch komplexer, denn bestimmte progressive Flächen erfordern
ein Bearbeiten in zwei Schritten: Bei einem ersten Schritt wird
die Fläche
bearbeitet und mittels eines spezifischen Geräts geprüft, das es erlaubt, die progressiven
Flächen
zu messen. Ein zweiter Schritt erlaubt das Korrigieren der festgestellten
Mangel. Dann bringt man eine Chromschicht auf, die anschließend poliert
wird, wobei die geometrischen Merkmale der Fläche eingehalten werden. Dieses
Verfahren umfasst auch ein sehr langes und kostspieliges Nachpolieren.
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Um
nun aber die Produktionskosten dieser Linsen zu beherrschen oder
besser noch zu verringern, ist es wichtig, einerseits die Herstellungskosten der
Einsätze
zu verringern und andererseits ihre Lebensdauer in Anzahl von Zyklen
zu erhöhen.
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Bestimmte
Lösungen,
die darauf abzielen, dieses Einsatzherstellungsverfahren zu vereinfachen,
wurden vorgeschlagen. Mit diesem Ziel wurde vorgeschlagen, Kohlenstoffschichten
mit einer regelmäßigen Stärke aufzubringen,
um den Nachpolierschritt weglassen zu können.
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So
beschreibt das Patent
US-A-4
948 627 die Herstellung von Formen aus SiC zum Warmdruckformen
optischer Präzisionselemente
aus Glas. Die Form wird mit einer Kohlenstoffschicht überzogen,
die dazu bestimmt ist, das Abformen zu erleichtern, und die Diamant-
und Graphitkristallite sowie amorphen Kohlenstoff enthält. Die
Schicht weist eine Stärke
von mindestens 1 μm
und eine maximale Rauheit kleiner als 20 nm auf. Die Schicht wird
durch chemisches Abscheiden aus der thermischen Gasphase (CVD) oder
plasmagestützt
aufgebracht. Die Gasphase weist zusätzlich zu Wasserstoff mindesten
3% Mol organisches Gas auf. Da diese Filme jedoch Graphit oder Wasserstoff
aufweisen, ist ihre Temperaturbeständigkeit unzulänglich.
Ihre Härte
und ihr Haften an der Form gehen nämlich nach Exposition mit einer hohen
Temperatur beträchtlich
zurück.
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Das
Patent
US-A-4 882 827 beschreibt
Formen aus SiC, die mit einer „harten" Kohlenstoffschicht,
die temperaturbeständiger
ist, beschichtet sind. Der „harte" Kohlenstoff kann
Diamant- und Graphitphasen aufweisen. Die „harte" Kohlenstoffschicht wird durch kathodische Zerstäubung bei
Gegenwart eines Inertgases, wie zum Beispiel Argon, bei einer Temperatur
zwischen 250 und 450°C
aufgebracht. Die Stärke
der Schicht beträgt
0,5 bis 20 nm. Es wird angegeben, dass die durch CVD aufgebrachten Schichten
zu mäßigen Ergebnissen
führen.
Diese Art von Verfahren weist den Nachteil auf, dass sie das vorherige
Ablagern einer Schicht β-SiC
durch CVD erfordern, um die Poren der Form zu füllen und den Oberflächenzustand
zu verbessern. Diese Schicht weist eine Stärke auf, die größer ist
als 5 μm,
typisch 500 μm.
Das Verfahren ist komplex, eine Schicht mit einer derartigen Stärke erlaubt
es nicht mehr, die geometrischen Oberflächenmerkmale der Form für die optischen
Präzisionsteile
einzuhalten.
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Ferner
stellt sich heraus, dass derartige Kohlenstoffschichten schlecht
auf Metalleinsätzen
haften. Um das Haften zu verbessern, wird daher vorgeschlagen, eine
Zwischenschicht aufzubringen.
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Das
Patent
US 5 872 613 beschreibt
daher das Herstellen einer DLC-Schicht (englisches Akronym für „Diamond
Like Carbon") auf
einer Form aus Metall. Die DLC zeichnet sich durch eine Absorptionsspitze
in Raman-Spektroskopie. bei 1550 cm
–1 aus.
Die DLC-Schicht hat eine Stärke
zwischen 0,1 und 100 μm,
vorzugsweise zwischen 1 und 50 μm. Um
das Haften der DLC-Schicht an der Metallform zu verbessern, wird
eine Molybdänschicht
zwischen die Form und die DLC-Schicht eingefügt. Das Ablagern erfolgt durch
Verdampfen durch Ionisation bei einer Temperatur unter 600°C in Gegenwart
eines Beschussgases. Diese Art von Verfahren erfordert das Aufbringen
von zwei Schichten unterschiedlicher Beschaffenheit, was die Herstellung
verlangsamt. Außerdem
werden bei diesem Verfahren zwei unterschiedliche Ablagerungstechniken
herangezogen, was das Verfahren schwerfällig und penibel macht.
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Das
Patent
US 5 112 025 beschreibt
das Beschichten nickelplattierter Formen für das Herstellen von CDs. Die
Oberfläche
dieser CDs ist eben und trägt
Muster. Der zum Herstellen derartiger CDs verwendete Einsatz wird
im Allgemeinen mit Nickel überzogen,
was das Auftragen von Muster erleichtert. Wiederholte Einspritzungen
von CDs nutzen die Muster ab und zerdrücken sie, was in einem Verlust geometrischer
Merkmale resultiert. Das eingespritzte Material kann ferner in den
Muster blockiert bleiben und beim Abformen Schwierigkeiten verursachen. Das
Dokument schlägt
daher vor, eine DLC-Schutzschicht auf dem Nickel aufzubringen, um
das Abformen zu erleichtern. Die Dauerhaftigkeit dieses „harten" Beschichtungstyps, der
auf einem weichen Substrat wie Nickel aufgebracht wird, läuft jedoch
Gefahr, sich nicht für
das Formverfahren optischer Teile zu eignen, da die Einsätze bei
den Handhabungen starken Aggressionen ausgesetzt werden, was bei
den Formvorrichtungen für
CDs nicht der Fall ist.
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Das
Patent
US 5 662 999 beschreibt
einen Formeinsatz für
optische Elemente, der mit einem Kohlenstofffilm mit einer Stärke von
1 nm (0,001 Mikrometer) bis 100 nm (0,1 Mikrometer) überzogen
ist.
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Das
Problem, das sich ergibt, ist, eine Formvorrichtung für optische
Teile zu liefern, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist
und insbesondere eine verbesserte Lebensdauer hat und kein Nachpolieren
erfordert.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Problem dank eines Formeinsatzes gelöst, dessen Innenoberfläche eine
mittlere quadratische Rauheit Rq kleiner als 10 nm aufweist, wobei
der Einsatz mit einer Schutzschicht mit einer Vickers-Härte über 1000
HV, eine Stärke
im Bereich von 0,2 und 5 μm
aufweist und deren kritische Haftbelastung größer als 15 N ist.
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Vorzugsweise
besteht die Schutzschicht aus DLC.
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Gemäß einer
Ausführungsform
besteht der Einsatz, der die Schutzschicht trägt, aus Stahl oder aus Glas.
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Insbesondere
kann der Einsatz Kennzeichnungen tragen.
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Vorzugsweise
ist die Stärke
der Schutzschicht im Bereich von 2 und 5 μm.
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Vorteilhafterweise
weist der mit der Schutzschicht überzogene
Einsatz eine mittlere Oberflächenrauheit
kleiner als 7 nm auf. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
weist die Schutzschicht eine Vickers-Härte größer als 1500 HV auf.
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Die
Erfindung hat auch eine Formvorrichtung für einen optischen Teil, die
einen solchen Einsatz aufweist, zur Aufgabe.
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Die
Erfindung hat ferner die Verwendung einer solchen Vorrichtung zum
Herstellen ophthalmischer Linsen durch Spritzguss zum Gegenstand.
Gemäß einer
Ausführungsform
ist die ophthalmische Linse eine Progressivlinse. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
besteht die geformte ophthalmische Linse aus Polykarbonat.
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Die
Erfindung hat schließlich
ein Herstellungsverfahren für
einen Formeinsatz zum Gegenstand, der die folgenden Schritte aufweist:
- – Bearbeiten
und Polieren eines Formeinsatzes bis zu einem Rq kleiner als 10
nm;
- – Aufbringen
einer Schutzschicht, die eine Vickers-Härte größer als 1000 HV, eine Stärke im Bereich
von 0,2 und 5 μm
aufweist, und deren kritische Haftbelasutng größer ist als 15 N, vorzugsweise
durch CVD.
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Die
Antragstellerin hat nämlich
festgestellt, dass es möglich
ist, eine Schutzschicht zum Beispiel aus DLC direkt auf die Oberfläche von
Einsätzen
mit komplexen Oberflächen
mit einer Haftung aufzubringen, die ausreicht, um den Spritzgussformdrücken standzuhalten,
wenn das Substrat einen normalisierten Rauheitsparameter Rq (mittlere
quadratische Rauheit) kleiner als 10, vorzugsweise von 7 nm und eine
Stärke
im Bereich von 0,2 und 5 μm
aufweist. Eine Stärke
größer als
2 μm der
DLC-Schicht tragt noch dazu bei, ihre Abriebsfestigkeitseigenschaften zu
verbessern. Es ist daher möglich,
eine derartige Schutzschicht mit einer sehr regelmäßigen Stärke zu erzielen,
was es erlaubt, die geometrischen Merkmale der Oberfläche der
Form zu wahren und sogar den heiklen Nachpolierschritt wegzulassen.
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Die
derart beschichtete Oberfläche
eines Einsatzes hält
Stress/Aggressionen besser stand, was ein beträchtliches Verlängern ihrer
Lebensdauer erlaubt. Das Herstellungsverfahren solcher Vorrichtungen
ist weniger kostspielig, denn es erfordert weder das Aufbringen
einer Zwischenschicht noch das Nachpolieren der Schutzschicht.
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Ferner
beobachtet man im Gegensatz zu Einsätzen, die durch Chromablagerung
auf elektrolytischem Wege erzielt werden, dass die Kennzeichnungen,
die bestimmte Einsätze
tragen, nach dem Aufbringen der Schutzschicht sichtbar bleiben.
Diese Tatsache erleichtert das Umsetzen dieser Einsätze, die
Kennzeichnungen aufweisen, insbesondere solche, die zum Herstellen
ophthalmischer Progressivlinsen bestimmt sind.
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Die
Erfindung wird unten anhand einer bevorzugten Ausführungsform
ausführlicher
beschrieben.
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Ein
Stahleinsatz wird bearbeitet und dann poliert. Der Zustand der Oberfläche weist
vorzugsweise ein Rq kleiner als 10 nm und insbesondere kleiner als
7 nm auf.
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Auf
dieser Oberfläche
wird direkt eine Schutzschicht aufgebracht. Vorzugsweise handelt
es sich um eine „Diamond
Like Carbon"-Schicht
(ein englischer Begriff, der „diamantartiger
Kohlenstoff" bedeutet).
Der „Diamond
Like Carbon" kann
ein A-DLC („Amorphous
Diamond Like Carbon",
englischer Begriff, der „amorpher
diamantähnlicher
Kohlenstoff" bedeutet)
sein, aber auch ein Me-DLC („Metal
Diamond Like Carbon",
englischer Begriff, der „diamantartiger
Metall-Kohlenstoff" bedeutet),
wie zum Beispiel WC-C, das heißt
ein DLC, bei dem metallische Verbindungen, wie zum Beispiel Wolfram
hinzugefügt
wurden. Das Aufbringen von TiN oder TiCN kann ebenfalls in Betracht
gezogen werden.
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Das
Aufbringen erfolgt vorteilhafterweise durch PACVD (englisches Akronym
für „Plasma
Assisted Chemical Vapor Deposition"). Ein Aufbringen durch CVD oder PVD
ist jedoch ebenfalls möglich.
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Der
Oberflächenzustand
des Substrats, also des Einsatzes, ist besonders wichtig für das Erzielen eines
guten Haltens der Schutzschicht und zum Garantieren ihrer optischen
Güte. Vorzugsweise
weist die Oberfläche
des Einsatzes eine mittlere Rauheit kleiner als 10 nm, insbesondere
kleiner als 7 nm auf.
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Die
Homogenität
der Stärke
stellt das Einhalten der geometrischen Merkmale des Einsatzes sicher,
ohne ein Nachpolieren zu erfordern. Die Schicht weist vorzugsweise
eine Stärke
zwischen 0,2 bis 5 μm
auf. Wenn die Stärke
kleiner ist als 0,2 μm,
stellt sie keine ausreichende Abriebsfestigkeit mehr sicher. Wenn
die Stärke
größer ist
als 2 μm,
beobachtet man ein verbessertes Haften. Wenn die Stärke der Schicht
größer ist
als 5 μm,
laufen die geometrischen Merkmale der Oberfläche und die Kennzeichnungen Gefahr,
nicht mehr eingehalten zu werden. Die derart aufgebrachte Schicht
weist eine Stärkenregelmäßigkeit
auf, die derart ist, dass sie nicht mehr poliert werden muss, was
es erlaubt, einen teuren und verformenden Schritt wegzulassen. Da
ferner die Stärke/Dicke
der aufgebrachten Schicht ausreichend gering ist, werden die geometrischen
Merkmale der Oberfläche
gut eingehalten. Messungen, die mittels einer 3D-Messmaschine ausgeführt wurden,
haben aufgezeigt, dass die Stärkenvariation
der so aufgebrachten Schicht in der Größenordnung von 0,1 μm liegt,
was sehr gering und für
die Herstellung ophthalmischer Linsen geeignet ist.
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Dieses
Herstellungsverfahren erlaubt das Erzielen hochwertiger Einsätze, was
wiederum die Qualität
der durch Einspritzen erzielten Linsen entscheidend beeinflusst.
Da dieses Verfahren keinen Nachpolierschritt mehr erfordert, erlaubt
es ein Verringern der Produktionskosten der Einsätze. Indem schließlich die
Lebensdauer dieser Einsätze
verlängert
wird, erlaubt es ein solches Verfahren auch, die Produktionskosten
der erzielten ophthalmischen Linsen zu senken.
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Die
so aufgebrachten Schichten weisen die folgenden physikalisch-chemischen
Merkmale auf. Die Vickers-Härte
der Schutzschicht ist größer als 1000
HV und vorzugsweise größer als
1200 HV.
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Vorzugsweise
gewährleisten
die verwendeten Materialien einen geringen Reibungskoeffizienten
mit den Formmaterialien. Eine Schutzschicht aus DLC hat sich als
mit dem Einspritzen von Polykarbonat kompatibel erwiesen. Die Schutzschicht
ist ferner vorzugsweise auch chemisch inert.
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Der
Oberflächenzustand
nach dem Aufbringen ist vorzugsweise ebenfalls kaum rau, zum Beispiel
gekennzeichnet durch eine mittlere quadratische Oberflächenrauheit
Rq < 10 nm. Man
beobachtet im Allgemeinen keine vereinzelten Mängel in der Art von Kratern
oder Kratzern. Unter diesen Bedingungen weisen die Schichten ein
gutes Haftungsverhalten auf. Typisch ist die kritische Haftungsbelastung
der Schutzschicht größer als
15 N. Die kritische Haftungsbelastung Lc ist die Last, ausgedrückt in Newton,
ausgehend von welcher bei einem Ritzversuch/Kratzversuch mit normaler
steigender auferlegter Kraft Haftungsverlust der Schicht entlang
des Kratzers auftritt. Der Test besteht darin, eine Probe unter
einer Diamantspitze (Rockwell-Eindringkörper 200
Mikrometer Radius MST-Gerät
des CSEM) zu verschieben. Wenn man die auf die Diamantspitze angelegte
Kraft erhöht,
dringt diese allmählich
in die Schicht ein und ergibt einen Kratzer mit steigender Tiefe.
Der Wert der Belastung, bei der man das Trennen der Schicht von
ihrem Träger
beobachtet, wird kritische Haftbelastung genannt.
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Der
Wert, der für
die Stärke
der Schutzschicht ausgewählt
wird, löst
das Problem, das durch die Kennzeichnungen, die auf den Einsätzen vorhanden
sind, entsteht. Die ophthalmischen Progressivlinsen tragen nämlich notwendigerweise
Kennzeichnungen, die auf den Einsätzen zum Beispiel durch Lasergravur
negativ hergestellt werden. Jede Kennzeichnung weist eine Tiefe
von etwa 0,9 μm
und eine Breite von etwa 100 μm
auf. Die Kennzeichnungen können
daher auf der Form vor dem Ablagern der Schutzschicht mit der Gewissheit,
dass sie erhalten bleiben, hergestellt werden.