DE60224388T2

DE60224388T2 - Formeinsätze

Info

Publication number: DE60224388T2
Application number: DE60224388T
Authority: DE
Inventors: Marie-Paule Ferrachat; Fabienne Hanriot; Alain Massee; Alain Coulon
Original assignee: Essilor International Compagnie Generale dOptique SA
Current assignee: EssilorLuxottica SA
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2022-05-18
Also published as: US20040169313A1; US7722788B2; DE60224388D1; FR2825377A1; JP2004538175A; FR2825377B1; EP1397235A1; WO2002096613A1; ATE382463T1; EP1397235B1

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ferner stellt sich heraus, dass derartige Kohlenstoffschichten schlecht auf Metalleinsätzen haften. Um das Haften zu verbessern, wird daher vorgeschlagen, eine Zwischenschicht aufzubringen.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorzugsweise besteht die Schutzschicht aus DLC.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der Einsatz, der die Schutzschicht trägt, aus Stahl oder aus Glas.
Insbesondere kann der Einsatz Kennzeichnungen tragen.
Vorzugsweise ist die Stärke der Schutzschicht im Bereich von 2 und 5 μm.
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.
Die Erfindung hat auch eine Formvorrichtung für einen optischen Teil, die einen solchen Einsatz aufweist, zur Aufgabe.
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.
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.

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.
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.
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.
Die Erfindung wird unten anhand einer bevorzugten Ausführungsform ausführlicher beschrieben.
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.
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.
Das Aufbringen erfolgt vorteilhafterweise durch PACVD (englisches Akronym für „Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition"). Ein Aufbringen durch CVD oder PVD ist jedoch ebenfalls möglich.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Formeinsatz, dessen innere Oberfläche eine mittlere quadratische Rauheit Rq kleiner als 10 mm aufwiest, wobei der Formeinsatz mit einer Schutzschicht überzogen ist, die eine Vickers-Härte größer als 10000 HV, eine Stärke im Bereich von 0,2 und 0,5 μm aufweist und deren Bruchlast der Haftung größer als 15 N ist.
Formeinsatz nach Anspruch 1, bei dem die Schutzschicht aus DLC besteht.
Formeinsatz nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Formeinsatz, der die Schutzschicht trägt, aus Stahl oder aus Glas besteht.
Formeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Formeinsatz Kennzeichnungen trägt.
Formeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stärke der Schutzschicht im Bereich von 2 und 5 μm liegt.
Formeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der mit der Schutzschicht überzogene Formeinsatz eine mittlere Oberflächenrauheit kleiner als 7 nm aufweist.
Formeinsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schutzschicht eine Vickers-Härte größer als 1500 HV aufweist.
Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 8 zum Herstellen ophtalmischer Linsen durch Spritzguss.
Verwendung nach Anspruch 9, bei dem die ophtalmische Linse eine Progressivlinse ist.
Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die geformte ophtalmische Linse aus Polycarbonat besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Formeinsatzes, das die folgenden Schritte aufweist: – Bearbeiten und Polieren eines Formeinsatzes bis zu einer Rq kleiner als 10 nm und – Aufbringen einer Schutzschicht, die eine Vickers-Härte größer als 1000 HV, eine Stärke im Bereich von 0,2 und 5 Mm aufweist, und deren Bruchlast der Haftung größer als 15 N ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Aufbringen der Schutzschicht durch CVD erfolgt.