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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Spritzgußwerkzeug
und eine Verfahren zum Herstellen eines Spritzgußwerkzeuges zum Formen von
Linsenformen, welches eine Vielzahl von Kopien eines einzigen Master-Formkerns
liefert, der beispielsweise durch Diamantpunktbearbeitung erzeugt
worden ist. Der Formkern wird verwendet, um eine Elektroform-Werkzeugkomponente
mit einer Oberfläche
optischer Qualität,
die eine Fläche
einer Spritzgußform
bildet, elektrogeformt herzustellen. Ein Klebmittel wird eingesetzt,
um das Elektroform-Werkzeug an einem getrennt bearbeiteten Formwerkzeugsubstrat
zu befestigen.
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Die
vorliegende Erfindung bietet wesentliche Verringerungen bei den
Kosten des Herstellens weicher Kontaktlinsen, die durch kopierte
Formwerkzeuge in einem automatisierten Herstellungs- und Formprozeß erzeugt
worden sind, wobei ein kopiertes Formwerkzeug verwendet wird, um
Kunststofformteile mit optischer Qualität herzustellen, wobei jedes
nur einmal verwendet wird, um darin eine weiche Kontaktlinse zu
formen, und dann entsorgt wird.
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Der
Stand der Technik für
das Herstellen von weichen Hydrogel-Kontaktlinsen ist zu automatisierten
Formsystemen und Baulinien fortgeschritten, wobei jede weiche Hydrogel-Kontaktlinse gebildet
wird, indem ein Monomer zwischen Formteilhälften für die vordere Krümmung (FC)
und die hintere Krümmung (BC)
eingeschlossen wird. Das Monomer wird polymerisiert, um eine Linse
zu bilden, die dann aus den Formteilhälften entfernt weiterbehandelt
und dann für den
Gebrauch beim Verbraucher verpackt wird.
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In
einem typischen Herstellungsprozeß für weiche Kontaktlinsen nach
dem Stand der Technik werden Metallwerkzeuge in einer Formspritzmaschine
in einem Formspritzprozeß verwendet,
um viele thermoplastische spritzgegossene Formen für die vordere
Krümmung
(FC) und Formen für
die hintere oder Basiskrümmung
(BC) zu bilden, wobei jede der FC- und BC-Formen anschließend nur einmal verwendet wird,
um eine einzelne weiche Hydrogel-Kontaktlinse
zu formen. Bei diesem Prozeß wird
die thermoplastische FC-Form mit Kontaktlinsen bildendem Monomer
befüllt,
die BC-Form wird sorgfältig
auf die FC-Form gelegt und die beiden Formhälften werden zusammengepreßt, wobei überschüssiges Monomer in
den Raum außerhalb
der optischen Flächen
der Formhälften
ausgestoßen
wird. Das Monomer wird dann polymerisiert, um eine Linse zu bilden,
die dann aus der Form entfernt und weiter verarbeitet wird, um das
endgültige
weiche Hydrogel-Linsenprodukt zu liefern.
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1 ist
eine Seitenschnittansicht einer typischen Formanordnung des Standes
der Technik, welche eine FC-Formhälfte 10 und eine BC-Formhälfte 12 umfaßt, die
ein Volumen zwischen sich definieren, in dem eine weiche Kontaktlinse 14 geformt wird.
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Die
FC-Formhälfte 10 definiert
einen mittleren gekrümmten
Abschnitt mit einer konkaven Fläche 12 optischer
Qualität,
die eine kreisförmige
wohldefinierte scharfe Umfangskante 16 hat, die sich um
diese erstreckt. Die scharfe Kante 16 ist dazu gewünscht, eine
wohldefinierte und gleichförmige Kunststoff-Radiustrennlinie
(Kante) für
die anschließend
geformte weiche Kontaktlinse zu bilden. In ähnlicher Weise definiert die
BC-Hälfte 12 einen
mittleren gekrümmten
Abschnitt mit einer konvexen Fläche
optischer Qualität.
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Die
FC- und BC-Form können
aus irgendeinem thermoplastischen Material hergestellt werden, das
spritzgegossen werden kann und welches die endgültige gegossene Linse mit den
erforderlichen optischen Eigenschaften liefern kann, wobei die bevorzugten
Materialien für
Formrahmen Polystyrol und Polypropylen sind. Um die FC- und BC-Formen spritzzugießen, werden
metallische Werkzeuge der erforderlichen Konfiguration typischerweise
bearbeitet und in der Spritzgußmaschine
angeordnet. Die spritzgegossenen FC- und BC-Formen sind genaue und
reproduzierbare inverse Kopien der Spritzgußwerkzeuge, und die sich ergebenden
geformten Kontaktlinsen sind genaue und reproduzierbare Kopien der
FC- und BC-Formen.
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Die
Spritzgußwerkzeuge,
die in den US-Patenten 5 702 735 und 5 861 114 offenbart und veranschaulicht
sind, sind zweiteilige Stahleinlagen, die extrem lange Lebensdauer
haben, jedoch kostenträchtige
Arbeitsgänge
des Aufeinanderlegens und Ausrichtens während des Einsetzens in die
Spritzgußform
erfordern.
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Einige
zweiteilige Stahl-Spritzgußwerkzeuge haben
eine Lüftungsunterdrückungsgestaltung,
welches eine Lüftung
vermeidet und die Verarbeitungszeit verringert. Diese Werkzeuge
haben auch extrem lange Lebensdauern, erfordern jedoch ebenso kostenträchtige Stapel-
und Ausrichteoperationen während
des Einsetzens in die Spritzgußform.
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Andere
Spritzgußwerkzeuge
des Standes der Technik sind einstückige Werkzeuge und beseitigen
die Notwendigkeit des Aufeinanderlegens, haben jedoch verringerte
Lebensdauern im Vergleich zu Formwerkzeugen aus Stahl.
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Einige
Spritzgußwerkzeuge
des Standes der Technik, die zum Herstellen torischer Kontaktlinsenprodukte
verwendet werden, sind einstückige
Messingwerkzeuge mit kurzer Lebensdauer, ohne das Erfordernis des
Aufeinanderlegens und Ausrichtens.
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Eine
Elektroform kann an dem Formsubstrat durch Löten befestigt werden, jedoch
bewirkt der Schritt des Lötens
eine nicht akzeptable Verzerrung der Fläche optischer Qualität des Formwerkzeuges, so
daß Löten kein
brauchbares Zusammenbauverfahren darstellt, und ebenso ist Weichlöten kein brauchbares
Zusammenbauverfahren. Klebmittel wird in der JP-5-200 755 verwendet,
deren Offenbarung die Basis für
den einleitenden Teil der hieran angefügten Ansprüche 1 und 7 bildet. Bestimmte
Klebmittel sind in der JP 61-92452 zum Verbinden zweier Metalle
miteinander offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es
eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spritzgußwerkzeug
und ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgußwerkzeuges zum Formen von
Linsenformen zur Verfügung
zu stellen, welches die Kosten von Spritzgußwerkzeugen verringert, die
Abweichungen bei im wesentlichen identischen kopierten Spritzgußwerkzeugen
verringert, den Bereich für
Spritzgußwerkzeuge ausdehnt
und die Möglichkeiten
vorliegender Spritzgußwerkzeuge
beibehält.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Spritzgußwerkzeug, wie es in Anspruch
1 definiert ist, und ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgußwerkzeuges,
wie es in Anspruch 7 definiert ist, zur Verfügung. Die Werkzeuge dienen
zum Formen von Linsenformen. Sie stellen eine Vielzahl von Kopien
eines einzelnen Master-Formkerns zur Verfügung, der zum Beispiel durch
Diamantpunktbearbeitung erzeugt werden kann. Der Formkern wird verwendet, um
eine Elektroform-Werkzeugkomponente mit einer Oberfläche optischer
Qualität,
die eine Fläche
einer Spritzgußform
bildet, elektrogeformt zu bilden. Eine Substrat- Werkzeugkomponente wird getrennt bearbeitet
und hält
die Elektroform-Werkzeugkomponente und ist mittels eines Klebmittels
fest daran befestigt.
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Das
Spritzgußwerkzeug
der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Kopieren von Werkzeugen
bieten wesentliche Verringerungen bei den Kosten des Herstellens
weicher Kontaktlinsen, die mit den kopierten Werkzeugen in einem
automatisierten Herstellungs- und Formprozeß erzeugt werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
voranstehenden Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung
für ein
Verfahren zum Herstellen eines Spritzgußwerkzeuges zum Formen von
Linsenformen kann leichter vom Fachmann verstanden werden, wenn
er Bezug auf die folgende genaue Beschreibung einiger Ausführungsformen
genommen hat, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, in denen
gleiche Elemente durch identische Bezugsziffern bei den mehreren
Ansichten bezeichnet werden, und wobei:
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1 eine
Seitenschnittansicht einer typischen Formanordnung des Standes der
Technik ist, welche eine Formhälfte
für die
vordere Krümmung und
eine Formhälfte
für die
rückwärtige Krümmung umfaßt, welche
zwischen sich ein Volumen definieren, in dem eine weiche Kontaktlinse
geformt wird.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht von vorn eines Werkzeuges für die vordere
oder grundlegende Krümmung,
das elektrogeformt hergestellt ist, aufgebaut nach den Lehren der
vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Schnittansicht durch die Mitte des elektrogeformt hergestellten
Werkzeuges der 2 und veranschaulicht in weiteren
Einzelheiten den Aufbau einer elektrogeformt hergestellten Elektroform-Werkzeugkomponente
optischer Qualität
an einer Substrat-Werkzeugkomponente
mittels eines Klebmittels gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Optische
Werkzeuge haben eine Oberfläche optischer
Qualität,
um davon optische Komponenten abzuformen, und sind relativ teuer
und schwierig herzustellen. Die Anzahl optischer Werkzeuge, die
für die
kommerzielle Herstellung von weichen Kontaktlinsen erforderlich
wird, wird in der Zukunft sehr hoch sein; die Anzahl von Lagereinheiten
(SKUs) weicher Kontaktlinsen wird in der Zukunft mit der kontinuierlichen
Einführung
neuer Produkte für
bifokale, torische usw. zunehmen.
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Alle
optischen Formwerkzeuge in einem Formblock sollten grundsätzlich identisch
sein, und als eine praktische Angelegenheit sollten Kopien eines
Master-Formwerkzeuges ausreichend genau identisch mit der Masterform
sein, so daß die
endgültigen
Endprodukte der weichen Kontaktlinsen kommerziell akzeptable Produkte
sind. Es würde
attraktiv sein, wenn ein einzelnes optisches Master-Formwerkzeug,
das zum Beispiel durch einfaches Punktdiamantdrehen hergestellt
worden ist, kopiert oder reproduziert werden könnte, um viele replizierte
Kopien zu erzeugen, was zu einem wesentlich weniger kostenträchtigen
Herstellungsprozeß für die weichen Kontaktlinsen
führen
würde.
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Elektroform-Pulsplattieren
ist ein Prozeß,
der potentiell für
diesen Zweck eingesetzt werden kann, mit der Anwendung eines Elektroformprozesses
für die
Erzeugung kopierter optischer Werkzeuge. Üblicherweise wird nur eine
dünne Schale
eines Metalls, so wie Nickel, die nur eine Oberfläche reproduziert, durch
einen Elektroformprozeß hergestellt,
wohingegen optische Werkzeuge feste dreidimensionale Teile sind,
die präzise
genaue Gesamtabmessungen erfordern.
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Darüberhinaus
muß die
thermische Leitfähigkeit
der kopierten optischen Werkzeuge hoch, gleichförmig und kontrolliert sein,
da die Formwerkzeuge in der Lage sein sollten, während des kommerziellen Formprozesses
schnell aufgeheizt und abgekühlt
zu werden.
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Wenn
nur ein optischer oberer Teil oder Bereich eines optischen Master-Werkzeuges
repliziert oder kopiert wird, muß der replizierte obere Teil
an ein Substrat oder Basisteil des optischen Werkzeuges mit hoher
Genauigkeit (mit konzentrischer Ausrichtung ebenso wie mit Gesamtlänge) mit
einer sehr geringen Toleranz verbunden werden können. Auch muß die Verbindung
zwischen ihnen relativ gleichförmig
sein und darf keine Luftspalte haben. Es ist besonders wichtig bei
dem Kopieren von Formwerkzeugen, daß die kopierten Formwerkzeuge
eine Längshöhe oder
Länge und
konzentrische Ausrichtung haben, die präzise innerhalb kommerziell
akzeptabler Toleranzen reproduziert werden.
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Ein
Prozeß ist
für das
Elektroform-Pulsplattieren entwickelt worden, der total belastungsfreie Teile
mit stabilen Dimensionen erzeugt und auch zu überlegener Gleichförmigkeit
und Steuerung der Dicke der abgelagerten oder plattierten Schicht
führt. Dieser
Prozeß wird
gegenwärtig
benutzt, um optische Formen mit hoher Präzision für brechende und normale gemischte
Optiken zu erzeugen. Der Elektroform-Pulsplattierungsprozeß, der in
der
EP 0 835 335 offenbart
ist, ist für
die vorliegende Erfindung anwendbar und geeignet. Jedoch können andere
Elektroform-Pulsplattierungsprozesse des Standes der Technik Nutzen
beim Ausführen
der vorliegenden Erfindung haben.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines durch Elektroformen hergestellten
Werkzeuges 20 für
die Basis- oder Vorderkrümmung
von vorn. 3 ist eine Schnittansicht durch
die Mitte des durch Elektroformen hergestellten Werkzeuges 20 der 2 und
veranschaulicht in größeren Einzelheiten
den Zusammenbau einer Elektroform-Werkzeugkomponente 22 optischer
Qualität,
die durch Elektroformen hergestellt worden ist, mit einer Substrat-Werkzeugkomponente 24 mittels
eines geeigneten Klebmittels 26 gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung.
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Das
Werkzeug 20, das in den 2 und 3 gezeigt
ist, kann hergestellt werden, indem ein Formkern oder eine Masterform
verwendet wird, von dem oder der viele Elektroform-Werkzeugkomponenten 22,
wie in den 2 und 3 gezeigt,
reproduziert werden.
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Der
Formkern wird bevorzugt durch präzises Bearbeiten
der Oberfläche
optischer Qualität
erzeugt, beispielsweise durch Diamantpunktbearbeitung. Die Oberfläche optischer
Qualität
des Formkerns wird dann verwendet, um viele Elektroform-Werkzeugkomponenten 22 darauf
durch Elektroformen zu bilden, durch einen Elektroformprozeß, wie er
in der Technik bekannt ist.
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Der
Formern kann als fester einstückiger Formkern
erzeugt werden, oder als Alternative kann der Formkern als ein zweiteiliger
Formkern hergestellt werden, wobei die Fläche optischer Qualität bevorzugt
auf einer Komponente bearbeitet wird, die dann mit einer Formkern- Substratkomponente
verbunden wird, um den vollständigen
Formkern zu bilden. Der Formkern wird bevorzugt in zwei Komponentenstücken hergestellt,
einem präzisionsbearbeiteten
Stück mit
einer bearbeiteten Fläche
optischer Qualität
und einem Substratstück.
Zwei Komponenten können
aus Stahl oder mit Nickel beschichteten Kupferlegierungen hergestellt
werden und werden dann zusammengesetzt, um eine scharfe Ecke zu
erzeugen, so daß die
scharfe Kante 16 gebildet wird, was schwieriger mit einem
einstückigen
Werkzeugaufbau zu erreichen ist. Die beiden Stücke des Formkerns müssen nur
einmal während
des Zusammenbaus aufeinandergelegt und ausgerichtet werden, anstatt
daß sie
das Aufeinanderlegen und Ausrichten jedesmal erfordern, wenn ein
Einsatz verwendet wird und sie als Konsequenz daraus an geringen
Toleranzen leiden. Die beiden Komponenten werden bevorzugt mit einem
geeigneten Klebmittel verbunden, ähnlich wie beim Herstellen
des zweiteiligen, durch Klebmittel verbundenen Werkzeuges der vorliegenden
Erfindung. Dann wird der Formkern benutzt, um die Werkzeugkomponenten 22 durch
Elektroformen (e Formen) zu bilden, wie es in den 2 und 3 veranschaulicht
ist, mit einem hohen Grad an Genauigkeit und mit Oberflächenendbearbeitung.
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Die
Elektroformkomponente 22 dupliziert die präzisionsbearbeitete
Oberfläche
des Formkerns mit optischer Qualität. Die Duplizierung ist ein
Negativ, wenn sie einmal durchgeführt wird, und ein Positiv, wenn
sie zweimal nacheinander durchgeführt wird. Diese Duplizierung
erlaubt das Herstellen von Werkzeugen, die nicht in einem Werkzeug
mit konkaver Basiskrümmung
hergestellt werden können,
indem ein Formkern mit konvexer Krümmung gearbeitet und dann eine
Werkzeugkomponente 22 mit negativer konkaver Krümmung durch
Elektroformen hergestellt wird. Auch, da viele Elektroform-Werkzeugkomponenten 22 mit
identischen Abmessungen aus einem einzigen Formkern hergestellt
werden können, werden
die Variationen von Werkzeug zu Werkzeug verringert.
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Die
Oberfläche
der Elektroform-Werkzeugkomponente 22 ist ein Spiegelbild
der gewünschten Vorderfläche oder
Rückfläche der
Kontaktlinse und wird bevorzugt mit einer Dicke zwischen 0.2 und
1.5 mm hergestellt. Wie oben erläutert
kann die konvexe Fläche
optischer Qualität
der BC-Form das Ergebnis zweier Formschritte sein, so daß die ursprüngliche Maschinenbearbeitung
auf einer konvexen Fläche durchgeführt wird.
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Vor
dem Elektroform-Plattieren einer Schicht auf die Oberfläche optischer
Qualität
der Formkern-Masterform kann die Fläche optischer Qualität des Formkerns
passiviert werden, um zu verhindern, daß die Beschichtung an der Fläche optischer
Qualität
anhaftet. Verschiedene Passivierungstechniken sind dem Gebiet wohlbekannt
und umfassen das Bilden einer dünnen
trennenden Oxidationsschicht über der
Fläche,
so wie durch einen elektrolytischen Oxidationsprozeß, bei dem
der elektrolytische Strom und die Spannung gesteuert werden, um
die Dicke der Oxidationsschicht zu steuern, oder durch chemische
Passivierungstechniken, bei denen beispielsweise einen Trennschicht
aus Albumin (Protein) auf der Fläche
abgelagert wird, indem die Fläche über eine
gesteuerte Zeitdauer in eine Albuminlösung eingetaucht wird oder
indem die Fläche über eine
gesteuerte Zeitdauer in eine Kaliumdichromatlösung eingetaucht wird.
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Die
Substrat-Werkzeugkomponente kann genau mit präzisen Abmessungen und Toleranz
bearbeitet werden, erfordert jedoch nicht eine Fläche optischer
Qualität.
Sie kann aus einer Legierung gebildet werden, basierend auf wenigstens
einem Metall aus der Gruppe Kupfer, Zinn, Aluminium, Eisen, Nickel
und Zink.
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Die
Elektroform-Werkzeugkomponete
22 wird dann durch Kleben
an einer Substrat-Werkzeugkomponente
angebracht, indem ein Klebmittelmaterial verwendet wird, das die
Eigenschaften hoher Temperaturfestigkeit und akzeptablen Widerstandes
gegen Verzerrung unter Druck hat, um den Betriebsbedingungen des
Spritzgußgerätes zu widerstehen. Das
Klebmittel sollte in der Lage sein, einer Betriebstemperatur von
wenigstens 200°C
zu widerstehen, eine Adhäsionsfestigkeit
von wenigstens 413688 k
(60.000
psi) haben und eine Durckfestigkeit von wenigstens 413688 k
(60.000
psi) haben. Der Einsatz eines geeigneten Klebmittels erlaubt ein
belastungs- und verzerrungsfreies Anbringen der Elektroform-Werkzeugkomponenten
22 auf
den Substrat-Werkzeugkomponenten
24 und führt zu verbesserter
Oberflächenqualität der Linse über das
hinaus, was durch Schweißen,
Hartlöten
oder Weichlöten
erreichbar ist. Dieses Verfahren insgesamt hat beträchtliche ökonomische
Vorteile gegenüber
dem gegenwärtigen
System des Bearbeitens jedes vollständigen Formkerns oder Werkzeugs
auf Spezifikationen für
optische Qualität,
mit der zusätzlichen Schwierigkeit
des Bearbeitens einer konkaven Fläche.
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Die
Klebmittelschicht ist bevorzugt dünn, so daß der thermische Widerstand
des Werkzeugs nicht wesentlich erhöht wird. Die strukturellen
Eigenschaften des Klebmittels unter Druck und Ermüdungsbelastung
ist ähnlich
denen des Substrats, so daß die mechanische
Festigkeit des Werkzeuges nicht signifikant verringert wird.
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Epoxy-Klebmittel
sind bevorzugte Klebmittel, wobei die Klebmittel Circuit-BondTM, im Handel lieferbar von United Resin
Corp, besonders geeignet für die
vorliegende Erfindung sind.
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Andere
geeignete Klebmittel sind im Handel lieferbar von: Abatron, Inc.
Kenosha, WI; Conap, Lawrenceville, GA; Dexter Corp., Aerospace Materials
Div.; Pittsburgh, CA; Cow Corning, Midland, MI; Epoxies Etc., Greenville,
RI; GE Company, GE Silicones, Waterford, NY; United Resin Corporation,
Royal Oak, MI; and 3 M Aerospace, St. Paul, MN.
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Ein
alternativer Ansatz zum Bilden eines einzelnen Master-Formkerns
durch Diamantpunktbearbeitung ist es, vorteilhaft den Fortschritt
bei der Teilebildung durch fokussierte Energiestrahlen zu nutzen, die
die Ablagerung von Materie, das Entfernen von Materie oder die Reaktion
von Materie in drei Dimensionen in computergesteuerten Prozessen,
die spezifisch für
die eingesetzte Prozedur sind. Genauer stellen Stereolithographie
und schneller Atombeschuß Verfahren
der Materieablagerung dar, Ionenstrahl-Mikrobearbeitung ist ein
Verfahren des Entfernens von Materie, und Zweiphotonen-Polymerisation ist
ein Verfahren des Reagierens von Materie in einem dreidimensionalen
Rahmenwerk.
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Mehrere
Ausführungsformen
und Abänderungen
der vorliegenden Erfindung für
ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgußwerkzeuges zum Formen von
Linsenformen sind hierin in Einzelheiten beschrieben.
(60.000 psi) haben. Der Einsatz eines geeigneten Klebmittels erlaubt ein belastungs- und verzerrungsfreies Anbringen der Elektroform-Werkzeugkomponenten