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Verfahren zur Herstellung einer optisch genauen Linse aus durchsichtigem,
in der Wärme plastischem Werkstoff
Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung
von Linsen aus durchsichtigem, plastischem Werkstoff, z. 13. Alkylmethacrylatpolymer
oder Polystyrene.
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Die Herstellung von optisch genauen Linsen, z. B. Brillenlinsen,
durch Formen von durchsichtigem, plastischem Werkstoff zwischen optisch bearbeiteten
Werkzeugen ist bereits seit Jahren bekannt. Es hat sich gezeigt, daß das geeignetste
Material für solche Linsenkörper das durchsichtige Alkylmethacrylatpolymere, z.
B. Polymethylmethacrylat ist, da diese Stoffe Leichtigkeit und NViderstandsfähigkeit
gegen Stoß mit einer Klarheit verbinden, die derjenigen des Glases vergleichbar
ist. Alle diese Eigenschaften sind in bewundernswerter Weise für Brillenlinsen geeignet,
indessen werden die Oberflächen dieser Polymeren sehr leicht beim Gebrauch zerkratzt,
ein Nachteil, der ernst wird, wenn der Werkstoff für Brillenlinsen verwendet wird.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Herstellungsverfahren für optisch
genaue Linsen auf thermoplastischer Grundlage und mit gegen Abnutzung widerstandsfähigen
Oberflächen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine durchsichtige, plastische
Platte z. B. als Windschutz für Automobile zu verwenden, indem man eine Platte eines
durchsichtigen, thermoplastischen Werkstoffes, z. B. Methylmethacrylatpolymeren,
die in die gewünschte Form gebracht ist, mit einer Lösung einer Mischung von monomerem
und teilweise polymerisiertem, durchsichtigem, plastischem, schleiffestem Werkstoff
überzieht, z.B. mit Allylmethacrylat. Das Lösungsmittel wird verdampft und der Überzug
unter einem Druck von etwa 70 kg/qcm polymerisiert, um der überzogenen Platte ein
glattes Aussehen zu geben.
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Um eine Linse für augenoptische Zwecke herzustellen, die einen Körper
aus einem durchsichtigen Werkstoff und eine äußere Schicht eines zweiten Werkstoffes
aufweist, ohne daß die Linse ein verzerrtes Bild hervorbringt, ist es wesentlich,
daß die Linse optisch genaue Oberflächen aufweist und daß die äußere Schicht, wenn
sie einen von dem Brechungsindex des Linsenkörpers abweichenden Brechungsindex hat,
gleichmäßige Dicke besitzt.
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Wenn z. B. eine Linse aus Polymethylmethacrylat zwischen optisch genauen
Werkzeugen geformt und dann mit einem gegen Abnutzung widerstandsfähigen, durchsichtigen,
plastischen Werkstoff überzogen wird, der auf der Außenseite des Grundkörpers polymerisiert
ist, dann wird die Außenseite der überzogenen Linse nicht die gewünschten Abmessungen
haben, und die Linse wird für optische Zwecke unbrauchbar. Wenn in ähnlicher Weise
eine Vorform von durchsichtigem, thermoplastischem NV erkstoff durch mechanische
Verfahren hergestellt wird, deren Abmessungen sich denjenigen der gewünschten Linse
dicht nähern, die Vorform mit polymerisierbarem, gegen Abnutzung widerstandsfähigem,
durchsichtigem, plastischem Material überzogen und der Überzug in Berührung mit
den Flächen der Werkzeuge polymerisiert wird, dann wird, wenn nicht gewisse Vorsichtsmaßregeln
getroffen werden, die Dicke des Überzugs nicht über die Oberfläche der sich ergebenden
Linse gleichmäßig sein, so daß diese so als optische Linse praktisch unbrauchbar
wird Es ist demnach ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine zufriedenstellende,
hochwertige, optisch genaue, plastische Linse herzustellen, die eine genau gleichmäßige
Schicht von gegen Abnutzung widerstandsfähigem, durchsichtigem, plastischem Material
auf ihrer Oberfläche aufweist.
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Diese und weitere Zwecke werden gemäß der Erfindung dadurch erreicht,
daß ein vollständig polymerisierter, durchsichtiger, in der Wärme plastischer Grundkörper
hergestellt wird, der der Form der gewünschten Linse nahekommt, auf die Grundform
eine gleichmäßige dünne Schicht eines durchsichtigen, in der Wärme erhärtenden,
schleiffesten Werkstoffes aufgebracht, und alsdann der überzogene Grundkörper zwischen
optisch genauen Werkzeugen unter Wärme und Druck geformt wird, mit dem Kennzeichen,
daß die Schicht auf die Grundform in der teilweise polymerisierten Form aufgebracht
und die überzogene Grundform vor der Formung vorerhitzt wird, um die Polymerisation
der Schicht bis zu einem Stadium zu fördern, in welchem ihre Dicke sich während
des folgenden Formungsschrittes 'nicht ändern kann, aber in dem ihre Krümmung geändert
werden kann, worauf alsdann die Grundform so erweicht wird, daß sie selbst während
des Formganges in die genaue Form gebracht wird, während der Überzug nur in Ubereinstimmung
mit dieser Form gekrümmt wird, ohne daß sich seine Stärke ändert.
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Auf diese Weise wird während des Formvorganges nur die Grundform
deformiert und die Schicht, die zu hart gemacht worden ist, als daß sie durch die
Vorwärmung geformt werden könnte, aber trotzdem noch nachgiebig genug ist, um ihre
Krümmung zu ändern, wird geglättet oder ausgeplättet, um mit der neuen, äußeren
Form der Grundform übereinzustimmen. Auf diese Weise ird ein schleiffester Überzug
mit genau gleicher Stärke auf die Linsengrundform aufgebracht, welche ihrerseits
so gestaltet ist, daß sie ein optisch genaues Äußeres aufweist, was natürlich auch
für den Überzug gilt.
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Die während des Formvorganges ausgeübten Drücke müssen natürlich
ausreichen, um den Werkstoff der Grundform bei einer Erweichungsteml)eratur genau
zu formen. Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung von Methylmethacrylat als
Grundwerkstoff dieser Druck bei etwa 315 kg/qcm liegen müßte.
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Die Erfindung soll nur zum besseren Verständnis an einem Ausführungsbeispiel
beschrieben werden, und zwar unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Fig. I ist ein Schema und zeigt die Vorrichtung zum Aufbringen einer
flüssigen oder halbflüssigen, dünnen Schicht auf den durchsichtigen Kern; Fig. 2
ist ein Aufriß einer geeigneten Formvorrichtung; Fig. 3 ist ein Grundriß eines Luftofens
zum Erhitzen der überzogenen Grundform, teilweise im Schnitt.
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Gemäß den Zeichnungen ist der erste Schritt bei der Herstellung der
Linsen aus plastischem Werkstoff, einen Linsengrundkörper oder einen Rohling 12
durch mechanische Bearbeitung anzufertigen. Es wird eine Scheibe von geeignetem
Durchmesser aus einer Platte von Methylmethacrylatpolymer ausgeschnitten und durch
Drehen in eine geeignete Form und das richtige Gewicht für die fertige Linse gebracht.
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Der Grundkörper I2 wird dann poliert, um ihm eine blanke Oberfläche
zu geben, wodurch alle Staubteilchen ausgeschlossen werden. Wenn eine Meniskuslinse
hergestellt werden soll, wird eine Seite des Grundkörpers flach gelassen, während
die andere Seite gedreht ist, so daß die Stärke des Grundkörpers ein wenig, nämlich
etwa 30/0 größer ist als die Stärke der fertigen Linse. Wenn jedoch eine Linse von
anderer Form als die einer Meniskuslinse erzeugt werden soll, werden beide Seiten
des Grundkörpers möglichst genau in die Form der gewünschten fertigen Linse gebracht.
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Der maschinell hergestellte und polierte Grundkörper wird in Tetrachlorkohlenstoff
gewaschen, um Fett zu beseitigen, und er wird dann waagerecht in einen seine Kante
erfassenden Greifer 13 gebracht, der drei nachgiebige, in gleicher Entfernung voneinander
angeordnete Finger besitzt. Diese Finger bilden Teile eines Futters, welches durch
den senkrechten Rotor 14 eines Elektromotors 15 angetrieben werden kann. Die Überzugslösung,
die in einer flachen Schale 16 enthalten ist, wird angehoben, bis der Grundkörper
12 gerade eingetaucht ist. Nach etwa 2 Sekunden wird die Schale 16 entfernt und
der Motor 15 in Betrieb gesetzt, so daß die Linse für ungefähr 1 Minute um ihre
optische Achse umläuft. Hierdurch wird mit Sicherheit ein dünner Film erzielt, der
frei von Fließmarkierungen ist und von einer gleichmäßigen Stärke von etwa 0,01
bis 0,015 mm. Nach dem Umlaufen wird das Lösungsmittel so weit verdampft, daß der
überzogene Grundkörper trocken bleibt. Er wird nun in einer staubfreien Atmosphäre
aufbewahrt, bis er zur Formung gelangt. Die Aufbewahrungszeit kann beliebig kurz
sein, soll aber nicht 7 Tage überschreiten.
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Die Herstellung der Lösung geschieht in folgender Weise; Allylmethacrylat
ist eine bekannte chemische Substanz, sie kann aber auch in bekannter Weise durch
Kondensation von Allylalkohol mit Methacrylsäure hergestellt werden. Das Monomere
wird unter sorfältig gesteuerten Bedingungen in Aceton erhitzt, wobei Benzoylperoxyd
als Katalysator benutzt wird. Die Ausbeute an brauchbarem Harz ist ungefähr 35%,
gerechnet auf das monomere Allylmethacrylat, und es wird aus der Acetonlösung mit
wässerigem Methylalkohol ausgefällt. Das ausgefällte Harz wird gut mit Methylalkohol
gewaschen, um etwaiges, ungeändertes Monomeres oder niedrige Polymere zu entfernen.
Das Harz wird getrocknet und wieder in Dichloräthylen gelöst, wobei wiederum Benzoylperoxyd
als Katalysator verwendet wird. Geeignete Gewichtsverhältnisse sind folgende: Teilweise
polymerisiertes Allylmethacrylat 7g Frisch umkristallisiertes Benzoylperoxyd 2g
Dichloräthylen ....................... 100 ccm Außerordentliche Reinheit und Freisein
von Feuchtigkeit sind wesentlich.
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Die Lösung ist sirupartig und farblos. Die Lösung soll innerhalb
einer Zeit von 2 Wochen seit ihrer Herstellung verwendet werden und vorzugsweise
innerhalb von 3 Tagen, wenn die folgende Zeit und der Temperaturverlauf konstant
zu halten ist.
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Flüssigkeit muß ausgeschlossen werden und eine trockene Lagerung ist
erforderlich.
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Vor der Formung wird der überzogene Grundkörper 2, während er in
einer Zange I7 gehalten wird, elektrisch in einem Luftofen IS erhitzt. Dieser Erhitzungsvorgang
ist für das Verfahren wichtig, und die Zeit, während deren der Grundkörper im Ofen
18 gelassen wird, und die Temperatur des Ofens 18 sind etwas kritisch. Der Zweck
der Wärmebehandlung ist: a) das Lösungsmittel, Dichloräthylen, durch Verdampfung
zu entfernen; b) das Polymethylmethacrylat, den Grundkörper, zu erweichen, um die
Formung zu erleichtern; c) den Überzugsfilm so weit zu polymerisieren, daß er nicht
mehr geformt werden kann, d. h. daß sich seine Dicke während des folgenden Formvorganges
licht geändert hat, er aber noch genügend Nachgiebigkeit besitzt, daß seine Krümmung
während des Formens sich ändern kann. Gute Ergebnisse werden bei einer Erwärmung
des Grundkörpers bei 1450 während 5 Minuten erreicht.
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Die Formmaschine ist eine Art hydraulische Presse mit einer Grundplatte
20, senkrechten Säulen 21 und einem festen Quertisch 22. Ein Kreuzkopf 23 kann an
den Säulen 21 entlang gleiten und wird durch einen hydraulischen Kolben 24 gesteuert,
dessen Zylinder an dem Rahmen befestigt ist. L)ie obere Preßform 25 und die untere
Preßform 26 können elektrisch durch Leitungen 27, die von einer Stromquelle, z.
B. einem Transformator 28 kommen, elektrisch erhitzt werden. Die Preßformen 25 und
26 können auch durch Wasser gekühlt werden, das durch Leitungen 29 zugeführt wird.
Die Ilauart und die Arbeitsweise der Formvorrichtung sind nicht Gegenstand der vorliegenden
Erfindung.
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Die dargestellte Vorrichtung soll nur das Verständnis des Verfahrens
als Ganzes unterstützen. Die verschiedenen Arbeitsgänge der Formvorrichtung, das
ist die Zeiteinteilung für die Erwärmung, Schließen der Form, Pressen, Kühlen, Öffnen
der Form usw,, können elektrisch geregelt und durch eine mit 30 bezeichnete Vorrichtung
selbsttätig gesteuert werden, Während des Vorwärmens des überzogenen Grundkörpers
werden die hochpolierten Stahlpreßformen in einer geschlossenen Umgebung elektrisch
bis auf eine Temperatur von I350 erwärmt. Bei diesem Stadium der Erwärmung wird
der überzogene Grundkörper zwischen die Preßwerkzeuge gebracht und ein Druck von
ungefähr 236 kg/qcm für 5 bis 20 Minuten ausgeübt bei Aufrechterhaltung der Temperatur
von 135°. Am Ende dieses Zeitraumes wird der Heizstrom abgeschaltet, der Druck aber
beibehalten. Wenn die geformte Linse bis auf 60° abgekühlt ist, wird die Presse
geöffnet und die gehärtete Linse aus der Preßform entfernt.
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Der durch die Preßwerkzeuge auf den Grundkörper oder Rohling ausgeübte
Druck reicht aus, um den Kern aus Polymethylmethacrylat mit optischer Genauigkeit
zu formen. Gleichzeitig wird die Polymerisation des Uberzugs aus Allylmethacrylat
vervollständigt, wobei der Überzug seine gleichmäßige Stärke beibehält. Die sich
ergebende Linse hat infolgedessen einen Polymethylmethacrylatkern mit optisch genauen
Oberflächen und einen äußeren Überzug eines Allylmethacrylatpolymeren von gleichmäßiger
Stärke über die ganze Oberfläche der Linse. Die Flächen der Linse nehmen eine optisch
genaue Form an, die derjenigen der Fläche des Werkzeugs entspricht.
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Die Preßvorgänge erfolgen vorzugsweise selbsttätig einschließlich
der Zeitbemessung für das Erhitzen und Kühlen; im Falle der Anfertigung von
I.insen
mit starkem Querschnitt kann die Zeit für das Vorwärmen auf über 5 Minuten verlängert
werden, und in diesem Falle wird das Verhältnis des Katalysators in der Überzugslösung
verringert.
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Das Verhältnis des teilweise polymerisierten Allylmethacrylats in
der Überzugslösung kann ebenfalls innerhalb weiter Grenzen, nämlich von etwa 4 g/Ioo
ccm bis 40 g/Ioo ccm geändert werden, aber das Verhältnis des Katalysators zu dem
teilweise polymerisierten Allylmethacrylat wird genau konstant bei ungefähr 2 g
Benzoylperoxyd auf 7 g teilweise polymerisierten Allylmethacrylat gehalten.
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PATENTANSPROCHE: I. Verfahren zur Herstellung einer optisch genauen
Linse aus durchsichtigem, in der Wärme plastischem Werkstoff, z. B. Polymethylmethacrylat
mit gegen'Abnutzung widerstandsfähigen Oberflächen aus einem durchsichtigen, in
der Wärme erhärtenden Werkstoff, z. B. Allylmethacrylat, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht auf den Grundkörper in teilweise polymerisierter Form aufgebracht
und der überzogene Grundkörper vor dem Formen vorerhitzt wird, um die Polymerisation
der Schicht bis zu einem Stadium zu fördern, in welchem seine Stärke während des
folgenden IFormens nicht mehr geändert werden kann, aber wohl dagegen seine Krümmung,
und der Grundkörper dabei so erweicht wird, daß während des Formvorganges der Grundkörper
selbst in die genaue Form gebracht wird, während der Überzug nur so gekrümmt wird,
daß er der Form entspricht.